一種適合水田電動機(jī)械的人機(jī)交互裝置及其應(yīng)用

陳英志，阮易強(qiáng)，劉宇鋒

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

1 課題的提出

水田環(huán)境惡劣，一般的手扶式電動插秧機(jī)采用的大秧苗插秧機(jī)構(gòu)具有大幅度的縱向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，作業(yè)時不可避免的甩帶一些泥水，而操作者需要添加秧苗等手工操作，雙手經(jīng)常沾滿泥水。對于電動插秧機(jī)來講，電氣系統(tǒng)的防水絕緣工藝要求較高。電機(jī)、蓄電池和控制電路容易實(shí)現(xiàn)防水處理，而位于手柄的控制開關(guān)采用一般的機(jī)械式金屬觸點(diǎn)按鍵，不但容易短路，按鍵表面的提示字跡或提示符號還經(jīng)常如圖1所示被泥覆蓋，影響操作者視覺信息，包括液晶顯示裝置存在同樣的問題。目前市面上沒有找到同時解決防水絕緣和避免視覺信息被覆蓋的電氣開關(guān)。

圖1 普通控制面板被泥水覆蓋后視覺效果

2 基于紅外激光的虛擬鍵盤系統(tǒng)

基于以上問題，采用虛擬互動影像技術(shù)，提出了應(yīng)用于水田電動機(jī)械的人機(jī)交互裝置。人機(jī)交互裝置主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，紅外激光虛擬鍵盤系統(tǒng)是其中一種方式，紅外虛擬鍵盤系統(tǒng)主要由激光投影系統(tǒng)，紅外線攝像系統(tǒng)，信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。實(shí)現(xiàn)投射鍵盤圖像到桌面上，當(dāng)人手敲擊不同影鍵區(qū)域時，紅外攝像裝置獲取此區(qū)域紅外幅射變化信息，進(jìn)而斷定為敲擊此鍵的命令，工作流程如圖2所示。由于紅外激光投影的內(nèi)容固定，在顯示面板上的影像信息也不可改變，所以該系統(tǒng)拓展性較差，但其開發(fā)成本低廉。

圖2 紅外虛擬鍵盤系統(tǒng)工作流程

工作原理，如圖3該系統(tǒng)由可見光系統(tǒng)、不可見光系統(tǒng)和顯示面板組成。可見光系統(tǒng)包括：可見光發(fā)射裝置（激光）2和光柵3，可見光發(fā)射裝置（激光）2為定向光源，發(fā)出可見光（激光）透射光柵3后，將光柵3上的字體或圖形成像在顯示面板上特定位置；不可見光系統(tǒng)主要由不可見光（紅外）測距裝置組成，該裝置主要有反射式紅外測距或紅外開關(guān)功能，負(fù)責(zé)檢測顯示面板上特定位置是否有障礙物（操作者的手指），不可見光（紅外）測距裝置可為多點(diǎn)監(jiān)測，檢測顯示面板上多個特定位置。可見光在顯示面板上投影的字體或圖形與不可見光監(jiān)測點(diǎn)重合。

圖3 基于紅外激光的虛擬鍵盤系統(tǒng)示意圖

3 基于攝像頭的虛擬鍵盤系統(tǒng)

另一實(shí)現(xiàn)方式則是基于攝像頭的虛擬影像互動人機(jī)交互裝置，該方式將“交互面板”做為顯示和觸摸操作的交互界面，顯示內(nèi)容和操作者的動作指令均依靠可見光（電磁波）與電氣系統(tǒng)交互，解決了操作開關(guān)遇水短路和視覺信息被泥覆蓋的問題。由于交互界面的圖像信息由投影器成像，不僅可以顯示較為復(fù)雜和人性化的界面信息，還可以在不改動硬件的前提下，通過軟件升級實(shí)現(xiàn)各種水田機(jī)械的操作要求，并容易拓展功能。

（1）工作原理。首先“數(shù)字處理器”控制“投影器”將各種控制按鍵圖像信息和需要顯示的參數(shù)圖像信息投影在控制手柄上的“交互面板”上；“攝像頭”實(shí)時拍攝操作者手指位于“交互面板”上相應(yīng)按鍵圖像的位置，然后通過“數(shù)據(jù)通道”將信息反饋給“數(shù)字處理器”；“數(shù)字處理器”根據(jù)反饋的按鍵圖像對應(yīng)的命令來控制電動插秧機(jī)的操作。“交互面板”采用單色平面材料，“投影器”將控制按鍵和參數(shù)數(shù)據(jù)投影在“交互面板”上時，即使有泥覆蓋，仍可在泥層上繼續(xù)顯示投影內(nèi)容。當(dāng)操作者用手指觸摸某個控制按鍵位置時，“攝像頭”采集圖像信息，由數(shù)字處理器進(jìn)行圖像分析，識別手指和控制按鍵位置信息，判斷操作者的指令。

該方案將“交互面板”做為顯示和觸摸操作的交互界面，顯示內(nèi)容和操作者的動作指令均依靠可見光（電磁波）與電氣系統(tǒng)交互，解決了操作開關(guān)遇水短路和視覺信息被泥覆蓋的問題。由于交互界面的圖像信息由“投影器”成像，不僅可以顯示較為復(fù)雜和人性化的界面信息，還可以在不改動硬件的前提下，通過軟件升級實(shí)現(xiàn)各種水田機(jī)械的操作要求，并容易拓展功能，如在電動插秧機(jī)前方再加裝一個攝像頭，拍攝的實(shí)時圖像信息可以在“交互面板”的某個區(qū)域顯示，方便操作者觀察視線被機(jī)器遮擋的景物。該方案軟、硬件的開發(fā)成本較高，但可以方便的調(diào)整顯示界面內(nèi)容，移植性和拓展性較強(qiáng)。

（2）修改顯示內(nèi)容。在使用投影器投影的方式下，若想修改投影出來的操作按鈕或顯示的模塊信息，可以通過修改軟件源代碼中的“投影內(nèi)容”部分，重新將代碼燒錄到數(shù)字芯片當(dāng)中，則可以隨意更改操作按鈕內(nèi)的內(nèi)容、字體和顏色等信息。

（3）防誤操作。啟動水田電動機(jī)械人機(jī)交互裝置后，預(yù)設(shè)定的操作界面將正常投影到操作平臺上，使用者可在操作界面上進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎镫妱訖C(jī)械人機(jī)交互裝置可通過攝像頭識別使用者的每個正常操作，并向水田電動機(jī)械發(fā)送每個正常操作對應(yīng)的電信號，以更改水田電動機(jī)械的工作狀態(tài)。為了防止發(fā)生誤操作，導(dǎo)致水田電動機(jī)械不正常運(yùn)行，在軟件上可設(shè)定了一系列防誤操規(guī)則，如同一時刻只能按下一個虛擬按鈕，不能左右滑動操作等，同時為了提醒使用者進(jìn)行的操作為正確操作，正確操作后系統(tǒng)將會發(fā)出正確提示音，相反，若進(jìn)行了誤操作，系統(tǒng)將會發(fā)出錯誤提示音。

（4）效果演示。采用基于攝像頭的虛擬鍵盤系統(tǒng)的人機(jī)交互界面不會受遇水短路和受水田泥覆蓋影響，圖4所示是界面被泥水覆蓋后的效果，可以明顯的看到，人機(jī)交互面板顯示內(nèi)容被泥水覆蓋后仍可以保持清晰的視覺效果。

圖4 人機(jī)交互面板被泥水或障礙物覆蓋后的效果

4 應(yīng)用前景

（1）基于紅外激光的虛擬影像人機(jī)交互方案。基于紅外激光的虛擬鍵盤系統(tǒng)由于生產(chǎn)成本低廉，制作工藝較為簡單，所以適用于普通的中小型水田電動機(jī)械。

（2）基于攝像頭的虛擬互動影像人機(jī)交互方案。基于攝像頭的虛擬鍵盤系統(tǒng)，可以通過控制“投影器”顯示較為復(fù)雜和人性化的界面信息，并且可以通過軟件手段，升級操作界面和拓展新的功能板塊，其拓展性和兼容性強(qiáng)，但由于其技術(shù)要求高，成本昂貴，較適用于高端的水田電動機(jī)械。

（3）結(jié)論。本套交互裝置能夠滿足不同層次的電動插秧機(jī)的技術(shù)需求，且本套應(yīng)用于水田電動機(jī)械的人機(jī)交互裝置，可以有效地解決水田電動機(jī)械在水田作業(yè)時操作開關(guān)遇水短路和視覺信息被泥覆蓋的問題，提高了水田電動機(jī)械的在水田工作時的可靠性和安全性，提高了水田電動機(jī)械在實(shí)際應(yīng)用中性能，有利于水田電動機(jī)械的進(jìn)一步推廣，提高我國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的自動化程度。

［1］楊騁.一種基于單攝像頭的虛擬鍵盤［A］.信息技術(shù)，2012.

［2］汪忠德.紅外虛擬鍵盤的設(shè)計構(gòu)想［A］.計算機(jī)工程，2004

［3］蔡睿妍.激光虛擬鍵盤的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［A］.激光與紅外，2012.

［4］徐一華，李善青，賈云得.一種基于視覺的手指屏幕交互方法［A］.電子學(xué)報，2007.