СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАДАННОГО МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETECTING PRESET MECHANICAL EFFECT FOR USER IDENTIFICATION AND DEVICE THEREFOR

Предлагаемое изобретение относится к способам и устройствам распознавания с использованием электронных средств.
Известны способ и устройство для ввода сигналов в электронные устройства [1], которые используют акселерометр с более чем одной осью чувствительности и анализируют скорость изменения ускорения. Условием ввода сигнала является превышение оцененной скоростью изменения ускорения заданного порогового значения. Недостатком такого способа для идентификации пользователя является плохая повторяемость результатов входного кодового механического воздействия.
Известны способ и устройство для предотвращения краж цифровых устройств, содержащее несколько каналов с последовательно соединенными цифровым акселерометром, цифровым полосовым фильтром и микроконтроллером, анализирующим спектр сигнала ускорения [2]. При появлении в нем гармоник с частотами, предположительно соответствующими процессу хищения устройства, микроконтроллер вырабатывает логический сигнал на включение звукового сигнала тревоги. В [2] приводится одно из возможных условий обнаружения факта хищения: например при хищении устройства из работающего автомобиля в спектре сигнала акселерометра пропадают высокочастотные составляющие. К недостатку данного способа следует отнести большой объем выделяемой оперативной памяти на реализацию быстрого преобразования Фурье при его аппаратной реализации.
В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по совокупности признаков устройство обнаружения прикосновений [3], чувствительным элементом которого является одно-, двух- или трехосный акселерометр. Данное устройство анализирует только модуль изменения ускорения и при превышении верхнего или нижнего порога вырабатывает логический сигнал обнаружения однократного или двукратного прикосновения, однако не учитывает направление ускорения внешнего воздействия. Поэтому его использование для идентификации пользователя ограничено механическими кодами типа N-кратного прикосновения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обнаружение заданного механического кода (последовательности легких ударов) в разных плоскостях и сопоставление его с эталонным (эталонными). Способ, реализуемый в предлагаемом устройстве, основан на преобразовании разности первого порядка (производной) от измеряемого ускорения в каждом из каналов в цифровой код с алфавитом (-1, 0, 1) и корреляционном обнаружении данного кода на интервале времени анализа. По результатам корреляционного анализа принимается решение о принадлежности последовательности сигналов с цифрового трехосного акселерометра к классу, соответствующему кодам пользователя (пользователей), или к классу, не соответствующему кодам пользователя (пользователей).
Алгоритм преобразования (квантования) цифрового сигнала акселерометра по оси чувствительности k, k={X, Y, Z} в код с алфавитом (-1, 0, 1) имеет следующий вид:
k,i
k,i-1
где a и a - соответственно измеренные проекции ускорения на ось чувствительности акселерометра k, k={X, Y, Z) в моменты времени i и i-1; L и Н - соответственно нижний и верхний пороги квантования.
Верхний Н и нижний L пороги устанавливаются исходя из выбранного критерия качества. Например, в случае использования критерия Неймана-Пирсона пороги выбираются исходя из заданного уровня ложных тревог F и вероятности правильного обнаружения (распознавания) D.
В предположении о гауссовском законе распределения собственного шума акселерометра [4] и использовании критерия Неймана-Пирсона [5] пороги Н и L находятся из уравнений
k
где F - вероятность принятия пороговым устройством ложного решения о y=±1 при отсутствии внешнего ускорения, σ - среднеквадратическое отклонение нормально распределенной случайной величины.
T
Если ускорение вдоль каждой из осей меняется медленно, на выходе квантователя действует значение , где «» - символ транспонирования. При наличии скачкообразного изменения проекции ускорения на ось чувствительности k на выходе квантователя действует значение с , а знак (плюс или минус) зависит от направления приложенного внешнего ускорения.
Коррелятор вычисляет величину
где N - длина кодовой последовательности,  - значения эталонного вектора в момент j-го воздействия,  - значения вектора в момент j-го воздействия, полученные по (1).
Решающее правило для обнаружения механического кода имеет вид:
1. если R=1, то принимается решение об обнаружении кода, совпадающего с кодом (кодами) идентифицируемого пользователя;
2. R<1, то идентификации пользователя не происходит.
Пороговое устройство при выполнении равенства (3) вырабатывает логическую «1» и логический «0» - в противном случае. Сигнал логической «1» соответствует обнаружению заданного механического воздействия.
Функции автоматического сброса коррелятора при отсутствии внешних ускорений и формирования интервала нечувствительности (0,2…0,5 с) для исключения ложных срабатываний выполняет счетчик.
Для решения указанной выше технической задачи в устройство, содержащее последовательно соединенные цифровой трехосный акселерометр с выходами каналов Χ, Υ и Ζ, трехканальный цифровой фильтр подавления внутреннего шума и трехуровневый квантователь, репрограммируемое постоянное запоминающее устройство с входом программирования и пороговое устройство, на один вход которого поступает порог с репрограммируемого постоянного запоминающего устройства, отличающееся тем, что введены трехканальное цифровое дифференцирующее устройство, входы которого соединены с выходами цифрового фильтра, а выходы - с входами квантователя, определяющее моменты скачкообразного изменения ускорения, счетчик с заданным модулем счета, регистрирующий количество скачкообразных изменений ускорения на интервале анализа в каждом из каналов, при этом на него поступают три линии с выходов трехуровневого квантователя, а выход подключен к репрограммируемому постоянному запоминающему устройству, и цифровой трехканальный коррелятор для сравнения входной и эталонных кодовых последовательностей, при этом к первым трем входам коррелятора подключены выходы дифференцирующего устройства, ко вторым трем входам подключены выходы репрограммируемого постоянного запоминающего устройства для передачи в коррелятор одного элемента эталонной кодовой комбинации, на вход сброса поступает сигнал с выхода счетчика, а выходной сигнал коррелятора поступает на второй вход порогового устройства, выходной логический сигнал которого определяет обнаружение либо необнаружение эталонной кодовой комбинации.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства обнаружения заданного механического воздействия для идентификации пользователя, содержащего трехосный акселерометр 1 с цифровым интерфейсом, трехканальный цифровой фильтр 2, входы которого подключены к выходам каналов Χ, Y и Ζ акселерометра, а выходы - к входам цифрового дифференцирующего устройства 3. Выходы цифрового дифференцирующего устройства 3 подключены к входам трехуровневого квантователя 4, выходы которого подключены к входам счетчика 5 и трехканального коррелятора 7. Устройство также содержит репрограммируемое постоянное запоминающее устройство 6 с входом для записи данных об эталонной кодовой комбинации, выходы которого подключены к входам трехканального коррелятора 7, с входом для загрузки эталонной кодовой комбинации и пороговое устройство 8, на один из входов которого подается порог принятия решения с репрограммируемого постоянного запоминающего устройства 6, а на другой - вычисленное трехканальным коррелятором 7 значение.
Работу устройства 1 можно описать следующим образом. Сигналы с цифрового трехосного акселерометра 1 подвергаются цифровой фильтрации в фильтре 2 с целью уменьшения уровня собственных шумов акселерометра. Цифровое дифференцирующее устройство 3 формирует отсчеты, значение которых представляет собой разность первого порядка относительно последовательности отсчетов с трехосного акселерометра 1. Трехуровневый квантователь 4 преобразует данные отсчеты в каждом из каналов к конечному алфавиту (-1, 0, 1). С помощью трехканального коррелятора 7 определяется коэффициент корреляции эталонной кодовой последовательности, хранящейся в репрограммируемом постоянном запоминающем устройстве 6, и последовательности с выхода трехуровневого квантователя 4. Полученное значение сравнивается с порогом, поступающим с репрограммируемого постоянного запоминающего устройства, в пороговом устройстве 8. При совпадении с порогом принимается решение о принадлежности механического кода пользователя к кодам идентифицируемых пользователей и формируется информационный сигнал высокого логического уровня. Для автоматического обнуления трехканального коррелятора 7 используется счетчик 5, который при отсутствии в течение заданного интервала времени отличных от нуля сигналов с выхода трехуровневого квантователя 4 формирует сигнал сброса. Текущее состояние счетчика увеличивается на единицу при поступлении символа алфавита «1» или «-1» и определяет адрес ячейки репрограммируемого постоянного запоминающего устройства 6, в которой хранится трехэлементный вектор эталонной комбинации (комбинаций).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. European Patent ер 1818755, Int. Cl. G06F 1/16, G06F 3/01. Tapping operation method and mobile electrical apparatus with the tapping operation function / Wu K.-C; Prior Publication Data 06.02.2006; Date of Patent 29.04.2009, Bulletin 2009/18.
2. US Patent No. 8,531,296, Int. Cl. G08B 13/14. Acceleration-based theft detection system for portable electronic devices / Wehrenberg Paul J; Prior Publication Data 01.11.12; Date of Patent 10.09.2013.
3. US Patent No. 8,326,569, Int. Cl. G01Ρ 15/00. Tap Detection / Lee J.M, Williams J.A.; Prior Publication Data 14.04.2011; Date of Patent 04.12.2012.
4. Mohn-Yasin, F. Measurement of noise characteristics of MEMS accelerometers / F. Mohn-Yasin, C.E. Korman, D.J. Nagel // Solid-State Electronics. - 2003. - Vol. 47. - Pp. 357-360.
5. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Б.Р. Левин. 3-е изд. - М.: Сов. радио, 1989 - 656 с.