雷达、超声波等先进传感器将飞入寻常百姓家

虽然CMOS成像器和红外传感器在智能手机中已经得到广泛使用，但现在的问题是在手机，以及物联网设备中使用雷达和超声波传感器是否有必要。如果有，这些传感器将扮演什么样的角色？

前不久在巴塞罗纳举行的世界移动通信大会(MWC 2017)上展示的新一代传感器和传感器融合技术，反映了各家技术公司在创建触摸以外的新的人机接口(HMI)方面存在着激烈的竞争。

市场上不存在某种全功能的传感器技术，但传感器供应商追求的产品领域特别相似：智能音响和物联网设备(包括智能手表/智能手机，AR/VR头盔)。

他们希望实现新的人机接口形式------不用触摸的微手势和存在检测(presence detection)。

最近在传感器领域中的一个突破是出现了非常微型的超声波传感器和雷达芯片。这些产品的成本与红外等产品相比仍然是个大问题。但这种微型雷达和超声波传感器已经小到足以安装进消费类电子设备内，因而能以全新的方式实现用户与智能设备的交互。

比如英飞凌就在全球移动大会上宣布了与XMOS的合作伙伴关系。这家德国芯片公司承诺，英飞凌的雷达和麦克风传感器与XMOS的音频处理器的强强组合将实现“远场语音捕获”，并且利用雷达的波束成型技术实现“存在检测”。

位于加州伯克利的新创企业Chirp Microsystems公司首席执行官也来到巴塞罗纳展示该公司开发的单芯片超声波飞行时间(ToF)传感器，除了智能手机外，这种传感器还可以用于增强现实/虚拟现实和可穿戴设备，甚至汽车。

位于挪威奥斯陆的Elliptic Labs公司展示了用于智能音响(如Google home, Amazon Echo)和其它家庭设备的超声波存在检测技术。Elliptic Labs产品开发副总裁Guenael Strutt告诉我们，“存在检测现在可是家庭智能助手设计师的香饽饽”。为了替换CMOS照相机或红外技术，“智能扬声器的设计师们正在寻找替代性传感器技术来让他们的设备知道‘没人在家’”，他解释道。

虽然刚才提到的三家公司都在探索相似的产品领域，但每家的技术定位稍有不同。

语音捕获

在MWC 2017特别吵闹的展厅中，英飞凌公司电源管理与多市场事业部总裁Andreas Urschitz找到了一个完美的场地演示目前的iPhone严重缺失的功能：分离Siri需要听到的特定人物语音的能力。

每当Urschitz在英飞凌的展台处问他的iPhone“现在是几点”时，Siri总是回答，“我不知道你在说什么。”

我们都知道，智能麦克风将众多单个麦克风通过波束成型技术链接在一起。这应该是复杂的三角函数用武之地，正是它们将各个麦克风连接成具有高度方向性的波束，从而可以对准当前的说话者。

现在英飞凌表示，英飞凌的雷达和XMOS的波束成型器组合可以走的更远，可以将麦克风“精确地导向特定物体，即使在物体移动和有一般噪声的场合。”

“系统可以在30英尺开外分辨出你的语音。” Urschitz表示。在图1中所示演示装置中使用的有用作传感器集中控制器的XMOS音频处理器，形成波束的英飞凌MEMS麦克风(4个麦克风)，附带天线的英飞凌60GHz 2Tx/4Rx雷达芯片，以及有助于克服这些障碍的一个70dB SNR麦克风。

图1：英飞凌雷达和MEMS麦克风的传感器融合加上XMOS的音频处理器可以为语音识别提供新的构建模块。(来源：EE Times)

当被问到增加这种雷达/麦克风/传感器融合处理器配置需要多少成本时，Urschitz没有透露任何信息。但他解释，“每个革命性的技术(就像蓝牙和WiFi一样)都会经历相同的过程。”他相信很快会到集成成本变得合理的“转折点”。

理解微手势

采用英飞凌/XMOS的雷达/麦克风解决方案的首个明摆着的产品最可能是家庭中的智能音响。

然而，语音捕获并不是英飞凌推广其雷达芯片的唯一应用空间。通过与谷歌在Soli项目上的合作，英飞凌希望能给雷达芯片带来更为广泛的应用前景，范围从可穿戴设备到智能音响和AR/VR。

谷歌的Soli项目设计使用雷达实现新的无触摸交互体验。

正如谷歌的先进技术与项目(ATAP)组解释的那样，Soli传感器技术“通过发射宽束电磁波工作”。

波束照射范围内的物体在散射这一能量的同时，会将一部分能量反射回雷达天线。这种反射信号的属性，比如能量、时延和频移，可以反映有关物体特征和动力学的丰富信息，包括尺寸、形状、方向、材料、距离和速度等。

Urschitz表示：“雷达扫描你的脸部和整个身体(包括大小、位置、速度和角度)只需零点几秒的时间。”在他看来，与包括光学、超声波和红外在内的各种传感器相比，公司的雷达芯片可以轻松打败竞争对手，因为他们的雷达芯片具有实时扫描功能，不存在延时。这种雷达技术“超级棒”，他指出，同时可以提供“比超声波更高的分辨率”。

想像一个用户在房间里走动(离智能音响有几英尺的距离)，如果想减小音量——只需用他或她的手指旋转看不见的旋钮即可。这种雷达系统可以识别微小的手指运动，Urschitz解释道。

图2：英飞凌公司电源管理与跨市场事业总裁Andreas Urschitz展示如何使用英飞凌的雷达芯片检测他的手指作出的减小音量的微手势。(来源：EE Times)

想必雷达芯片可以复制光学传感器的能力------检测移动和捕捉手势，还能检测像手指移动这样的微手势。

同样的，超声波技术也在争夺微手势控制市场。

Chirp公司在全球移动大会上推出了“首个用于可穿戴设备的高精度、超低功耗超声波检测开发平台”。这家新创企业声称他们的MEMS飞行时间传感器能以1mm的精度检测“微小‘微手势’”。

这种微手势控制技术的一个最直接应用是可穿戴设备，比如具有很小屏幕的智能手表，或没有屏幕的智能腕带，Chirp公司首席执行官Michelle Kiang解释道。通过在智能手表中嵌入基于MEMS的超声波传感器，用户可以使用手指(不管胖的还是瘦的)作出手势控制手表的功能，而不用接触屏幕。

并不限于手势

与此同时，专业从事超声波检测的Elliptic Labs其实并不热衷于必须由上述移动触发的手势控制。在Elliptic Labs，“我们了解手势，” Elliptic副总裁Strutt指出，“手势控制不会全面开花。”

众所周知，Elliptic Labs开发的超声波检测软件是运行在高通的Hexagon、MediaTek和Cirrus Logic的DSP等已经在智能手机中得到广泛应用的硬件上的。去年秋天，小米的MIX手机成为首款使用Elliptic超声波接近软件的智能手机，有效地代替了通常配置在智能手机顶端的红外硬件接近传感器，Strutt解释道。

图3：当用户将手靠近采用Elliptic Labs公司超声波存在检测技术的智能手机屏幕时，屏幕上会弹出相关的通知消息。(来源：EE Times)

但Elliptic Labs并不想推出更精准的手势控制。公司专注于使用超声波检测移动以及用户与智能手机之间的距离。当用户将手机拿起来贴近脸部时，它会关闭屏幕，禁止触摸功能，从而有效防止用户的耳朵或面颊无意中触动拨号功能。当用户将手靠近屏幕时，屏幕上会弹出相关的通知。

Elliptic Labs坚信这种更简单、基于接近算法的传感技术更容易被理解。另外，复用智能手机中已经存在的硬件运行其超声波检测软件的能力允许系统设计师释放更多的空间，节省增加红外硬件的成本，Strutt表示。

Strutt指出，当前的手势控制技术存在的最大问题是不自然。“在大多数时候，用户更自然的做法是靠近家庭设备(比如智能音响)，然后伸出手去旋转旋钮来关闭音量。”他解释道。

Chirp公司的Kiang还讨论了用超声波替代智能手机机中红外传感的可能性。但考虑到红外接近传感器已经非常便宜，Kiang认为超声波ToF传感器最好给那些想增加其它功能的系统设计师使用，比如自拍时的自动对焦功能，或给智能手机提供简单的手势功能。

VR/AR

Chirp公司认为，它的飞行时间传感器第一个也是最合适的用武之地是虚拟现实和增强现实应用。

Chirp公司已经向重要客户推出“用于AR/VR的超声波检测开发平台”。

图4：Chirp公司的首席执行官Michelle Kiang展示嵌入了Chirp公司基于MEMS的超声波传感器的虚拟现实头盔。(来源：EE Times)

今天的高端AR/VR系统都要连接基站或局限在规定的范围内使用，这是因为新增的传感器技术，比如基于摄像机的系统或磁性传感器系统，需要安装在这个范围内，以便利用AR/VR头盔单元中的惯性测量单元(IMU)校正“漂移”来创建更好的跟踪体验。

Kiang通过演示表明，微型化MEMS超声波传感器现在可以方便地嵌入进AR/VR头盔单元，从而帮助用户实现360度沉浸式体验，因为跟踪系统可以随用户移动。

在低端AR/VR系统中缺少更好的交互体验是一个明显的问题。另外，高端的AR/VR系统无法实现移动性，因为它需要连接到另外一个传感器系统，她解释说。

存在检测

Elliptic Labs打算将其超声波技术扩展到智能家庭设备上实现存在检测应用。对Amazon Echo或Google Home等设备来说检测有没有物体发生移动很重要，因为如果它们知道附近周围没有人，这些电器设备就能断开电源，达到节电的目的。与基于摄像机的技术或红外技术相比，这种超声波检测技术可以实现“360度顶视图，无需直接视线就能工作。”这种技术既能在白天又能在黑夜工作，并且与其它检测技术相比成本和功耗都更低，Elliptic Labs公司表示。

图5：Ellipc Labs演示说明公司最新的超声波存在检测技术无需直接视线条件就能工作。(来源：EE Times)

Strutt指出，“用户最希望能够跟智能电气设备讲这样的话，‘嘿，在附近没有人的时候请关灯’”。

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