Способ обнаружения механического воздействия для идентификации пользователя и устройство для его осуществления
METHOD FOR DETECTING MECHANICAL EXPOSURE FOR USER IDENTIFICATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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.
Известно устройство обнаружения прикосновений [2], 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.
В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по совокупности признаков устройство обнаружения заданного механического воздействия для идентификации пользователя [3] с трехосным цифровым акселерометром. Данное устройство анализирует и модуль, и знак изменения ускорения по первому отсчету, превысившему порог. Способ идентификации, реализуемый в устройстве-прототипе, основан на сравнении на интервале времени анализа бинарного кода, формируемого из последовательности механических воздействий (легких ударов), с эталонными бинарными кодовыми комбинациями, хранимыми в памяти устройства. Его недостатком является уменьшение вероятности идентификации пользователя при высоких (свыше 100 Гц) частотах дискретизации сигнала акселерометра.
a
a
k
ki
д
нч
Типовая структурная схема наиболее компактных - микроэлектромеханических - трехосных цифровых акселерометров содержит аналого-цифровой преобразователь с единственным входом [4], на который последовательно коммутируются выходные аналоговые сигналы чувствительных элементов по каждой из осей акселерометрах, X, Y и Z (фиг. 1). При больших амплитудах ускорения и высокой частоте дискретизации в устройстве-прототипе возможны ситуации, когда в момент действия переднего фронта импульса ускорения ошибочно фиксируется превышение порогового значения не по той оси, вдоль которой в основном прикладывалось механическое воздействие. Это поясняет фиг. 2, где сплошными линиями показаны аналоговые сигналы чувствительных элементов (t), k={X, Y, Z}, пунктирными линиями - моменты дискретизации сигналов ускорения по осям X, Y и Z, сплошными утолщенными линиями - амплитуды дискретных отсчетов  с периодом дискретизации Т, выдаваемых интерфейсным контроллером цифрового акселерометра по окончании аналого-цифрового преобразования, тонкими сплошными линиями - верхнее Н и нижнее L пороговые значения. Из примера на фиг. 2 видно, что при основном направлении механического воздействия вдоль оси X из-за последовательного выполнения процедуры аналого-цифрового преобразования в устройстве-прототипе будет ошибочно принято превышение порогового значения по оси Z, поскольку следующие дискретные отсчеты, где максимальное значение соответствует оси X, не анализируются, так как попадают в интервал нечувствительности Н. Интервал нечувствительности в устройстве-прототипе наступает непосредственно после обнаружения первого отсчета по оси X, Y или Z, превысившего порог H или L.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение вероятности идентификации. Способ, реализуемый в устройстве-прототипе [3], 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) у устройства-прототипа имеет вид:
а
a
k,i
k,i-1
где  и  - 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.
х
у
z
k
T
T
T
Если импульсного механического воздействия нет, то ускорение вдоль каждой из осей меняется медленно и на выходе квантователя действует значение у=||у, у, у||=||0, 0, 0||, где «» - символ транспонирования. При наличии скачкообразного изменения проекции ускорения на ось чувствительности k на выходе квантователя действует значение с |у|=1, а знак (плюс или минус) зависит от направления приложенного внешнего ускорения.
Коррелятор вычисляет величину
эj
хэ
yэ
zэ
j
x
y
z
=
T
T
y||у, y, y|| - значения эталонного вектора в момент j-го воздействия, y=||y, y, y|| - значения вектора в момент j-го воздействия, полученные по (1).
Решающее правило для обнаружения механического кода имеет вид:
1) если R=N, где N - длина кодовой последовательности, то принимается решение об обнаружении кода, совпадающего с кодом (кодами) идентифицируемого пользователя;
2) R<N, то идентификации пользователя не происходит.
Для повышения вероятности правильного обнаружения превышения пороговых значений импульсами ускорения по осям {X, Y, Z} в структурную схему устройства-прототипа вместо трехканального квантователя введены трехканальное пороговое устройство, схема запоминания знака, трехканальный накопитель и схема выбора максимума.
Схема запоминания знака фиксирует знак разности первого порядка, при котором впервые произошло превышение порога:
k={X, Y, Z}, где sign(-) - функция знака:
Трехканальный накопитель суммирует абсолютные значения разностей первого порядка в каждом канале, если хотя бы в одном из каналов обнаружено превышение порога:
нч
нч
Схема выбора максимума по завершении интервала нечувствительности Т - фиксированного интервала времени 0,2...0,5 с после действия импульса ускорения либо интервала времени, в течение которого за М тактов подряд не происходит превышения верхнего и нижнего порогов, - выдает результат квантования:
Пороговое устройство сравнивает результат (2) с числом элементов механического кода N: при выполнении равенства вырабатывает логическую «1» и логический «0» - в противном случае. Сигнал логической «1» соответствует обнаружению заданного механического воздействия.
Вычисления по (3)-(6) поясняет фиг. 3.
Функции автоматического сброса коррелятора, трехканального накопителя и схемы запоминания знака, а также формирования интервала нечувствительности при отсутствии внешних ускорений выполняет счетчик.
Для решения указанной выше технической задачи в устройство, содержащее последовательно соединенные цифровой трехосный акселерометр, трехканальный цифровой фильтр, трехканальное цифровое дифференцирующее устройство, трехуровневый трехканальный квантователь и цифровой трехканальный коррелятор, а также репрограммируемое постоянное запоминающее устройство с входом программирования, выходы которого соединены с входами подачи опорной комбинации для цифрового трехканального коррелятора, счетчик, на входы которого поступают три линии с выходов трехуровневого квантователя, а выход соединен со входом сброса коррелятора, и пороговое устройство, на один вход которого поступает порог с репрограммируемого постоянного запоминающего устройства, а на другой - выходной сигнал коррелятора, вместо трехуровневого квантователя по верхнему и нижнему порогам введены трехканальное пороговое устройство, трехканальная схема запоминания знака результата дифференцирования, трехканальный накопитель с входом сброса и трехканальная схема выбора максимума.
Работу устройства можно описать следующим образом. Сигналы с цифрового трехосного акселерометра 1 (фиг. 4) 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. Трехканальное пороговое устройство 4, схема запоминания знака 5, трехканальный накопитель 6 и схема выбора максимума 7 решают задачу трехуровневого квантования для преобразования амплитуды импульсов ускорения каждого из каналов к конечному алфавиту (-1, 0, 1).
НЧ
ОИ
С помощью трехканального коррелятора 11 определяется коэффициент корреляции эталонной кодовой последовательности, хранящейся в репрограммируемом постоянном запоминающем устройстве 10, и последовательности со знаками ускорений с выхода схемы выбора максимума 7. Полученное значение сравнивается с порогом, поступающим с репрограммируемого постоянного запоминающего устройства, в пороговом устройстве 12. 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 11 и накопителя 6 используется счетчик 9, который при отсутствии в течение заданного интервала времени Т (определяется длительностью интервала нечувствительности) отличных от уровня логической единицы сигналов с выхода схемы логического «ИЛИ» 8 формирует сигнал сброса. Текущее состояние счетчика увеличивается на единицу по заднему фронту логического сигнала со схемы логического «ИЛИ» 8 и определяет адрес ячейки репрограммируемого постоянного запоминающего устройства 6, в которой хранится трехэлементный вектор эталонной комбинации. Счетчик автоматически сбрасывается в нулевое значение, если в течение интервала ожидания импульса ускорения T на него не поступает импульсов высокого логического уровня со схемы «ИЛИ» 8.
Источники информации
1. European Patent ЕР 1 818 755, 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. 8,326,569, Int. Cl. G01P 15/00. Tap Detection / Lee J.M, Williams J.A.; Prior Publication Data 14.04.2011; Date of Patent 04.12.2012.
3. Патент РФ №2582865. МКИ G06K9/62. Способ обнаружения заданного механического воздействия для идентификации пользователя и устройство для его осуществления / И.С. Холопов. Дата публикации: 06.04.16. Дата приоритета: 29.12.2014.
4. LIS331DLH MEMS motion sensor: Ultra low power high performance 3-axis digital accelerometer. URL: http://www.st.com/content/st_com/en/products/mems-and-sensors/accelerometers/lis33 ldlh.html. Дата обращения: 28.07.2016.