用“免触控”的方式实现人机交互，这种超音波飞行时间传感器怎么办到

基于超音波感知的"免触控"互动或许不至于取代现有UI，但它将为穿戴式装置、AR/VR、智能手机甚至汽车提供另一种互动形式…

如今，动作(任天堂Wii)、触控(Apple iPhone)以及语音(Amazon Alexa)等互动方式已经过时了，更酷炫、更有赚头且"免触控"(touchless)的新一代使用者介面 (UI)正成为消费装置的新宠。

正如Chirp Microsystems执行长Michelle Kiang在MWC展会上所说的，"重要的消费电子突破总是由UI革命触发的。"

图1：Chirp的MEMS超音波传感器

Chirp推出一款单芯片超音波飞行时间(ToF)传感器，让用户无需触控屏幕就能和穿戴式装置实现互动，甚至是无屏幕的装置。

尽管Kiang并未表示基于超音波感知的"免触控"互动将取代其它现有UI，但她认为这将为穿戴式装置、扩增实境/虚拟实境(AR/VR)、智能手机甚至汽车提供另一种互动形式。

技术传承自学术研究
Chirp Microsystems是一家位于加州柏克莱的新创企业，目前共有15名员工，在今年的MWC推出该公司首款针对穿戴式装置开发的高精确、低功耗超音波感知开发平台。

许多穿戴式产品(如智能手表)的屏幕尺寸通常都很有限，用户经常苦于其"手指太粗"。Kiang说，只要在智能手表中嵌入MEMS超音波ToF传感器，无论用户的手指粗细，都不必再触控屏幕，只需利用手势即可控制手表的功能。

穿戴式腕带或许是更好的说明范例。目前的腕带基本上并没有空间配备屏幕，无法直接与穿戴者互动。但是，Kiang表示，如果腕带或指环中搭载了够精巧的超音波ToF传感器，这些流行的穿戴式腕带马上就能和用户实现即时互动了！

图2：穿戴式指环嵌入Chirp超音波传感器（来源：Chirp Microsystems）

Chirp的ToF传感器采用类似MEMS麦克风的3.5 x 3.5 mm LGA封装，以1.8V的单电源运作。该装置并配备I2C介面，十分易于整合于消费电子产品中。

MEMS与混合讯号CMOS ASIC
Chirp不仅开发MEMS超音波转换器，还为其搭配一款混合讯号CMOS ASIC，并将二者整合在单一系统级封装(SiP)中。

这款ToF传感器的板载微处理器可为唤醒感知应用实现永不断线(always-on)的运作。据该公司介绍，该元件采用了范围大于1m的脉冲回波感知，而在1Hz采样率为时功耗仅9uA。

这款MEMS超音波传感器的突破性微型化设计，是由美国加州大学柏克莱分校(UC Berkeley)和戴维斯分校(UC Davis)的研究人员和工程师共同开发的，此后成为新创公司Chirp在2014年成立的基础。

相关IP和主要的研究人员都已经从大学实验室转至Chirp工作了。该研究团队成员包括UC Davis机械与航空工程教授David Horsley，以及UC Berkeley和UC Davis的博士研究生和博士后研究员等。目前，Horsley是Chirp公司技术长。

除了穿戴式装置，Chirp的ToF传感器瞄准的另一个重要市场是AR/VR应用。目前，Chirp已能为特定客户提供其VR/AR超音波感知开发平台了。但Kiang并未透露这些客户名单，仅暗示是大公司。

目前的高阶AR/VR系统都局限于一个基地台或受限于规定的空间内。这是因为附加设备(如摄影机系统或磁传感器系统等)都必须安装在这些有限的空间内，才能为VR/AR头戴式装置中的惯性测量单元(IMU)校正漂移，从而为用户带来更好的追踪体验。

Kiang展示了一款微型化的MEMS超音波传感器，如今已能轻易地嵌入于AR/VR头戴式装置中。由于追踪系统能够随用户移动，从而为用户提供360度的身历其境体验

Chirp的超音波传感器可在AR/VR环境支援6个自由度的控制器或输入装置，实现"由内而外的追踪"。
3D感知

基于光学(主要是摄影机)的系统已经被应用于目标追踪了。但是，摄影机本质上是一种不带深度资讯的2D技术，它必须使用"点云"(point cloud)以及更深度的计算，才能逐一地侦测物件的漂移。

相形之下，超音波ToF传感器是3D感知的理想选择，因为该技术的三角测量资料更简单。Kiang解释，"更简单的计算意味着更低功耗。"

使用红外线技术是3D感知的另一项选择。不过，Kiang强调，在户外使用时，经由红外线取得的资料往往无法使用。她说："超音波传感器则是一种稳定的低功耗技术，用户可以戴着VR/AR系统走向户外，甚至漫步于阳光下。"

借由将Chirp的超音波ToF传感器设计于VR/AR系统中， Kiang总结道："我们希望低阶VR/AR系统也能为用户带来更好的互动体验，而高阶VR/AR系统则能摆脱限制，进一步实现行动化。"

拓展智能手机与车用领域？
目前，红外线技术在智能手机中作为近接传感器，用于防止用户在接听电话时脸部误触屏幕。

Kiang表示，一些智能手机供应商开始寻求以超音波技术取代红外线技术。一开始的吸引力主要来