一種適合水田電動機械的人機交互裝置及其應用

陳英志，阮易強，劉宇鋒

（華南農業大學 工程學院，廣東 廣州 510642）

1 課題的提出

水田環境惡劣，一般的手扶式電動插秧機采用的大秧苗插秧機構具有大幅度的縱向旋轉機構，作業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，雙手經常沾滿泥水。對于電動插秧機來講，電氣系統的防水絕緣工藝要求較高。電機、蓄電池和控制電路容易實現防水處理，而位于手柄的控制開關采用一般的機械式金屬觸點按鍵，不但容易短路，按鍵表面的提示字跡或提示符號還經常如圖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。

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

基于以上問題，采用虛擬互動影像技術，提出了應用于水田電動機械的人機交互裝置。人機交互裝置主要有兩種實現方式，紅外激光虛擬鍵盤系統是其中一種方式，紅外虛擬鍵盤系統主要由激光投影系統，紅外線攝像系統，信號轉換系統組成。實現投射鍵盤圖像到桌面上，當人手敲擊不同影鍵區域時，紅外攝像裝置獲取此區域紅外幅射變化信息，進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容固定，在顯示面板上的影像信息也不可改變，所以該系統拓展性較差，但其開發成本低廉。

圖2 紅外虛擬鍵盤系統工作流程

工作原理，如圖3該系統由可見光系統、不可見光系統和顯示面板組成。可見光系統包括：可見光發射裝置（激光）2和光柵3，可見光發射裝置（激光）2為定向光源，發出可見光（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功能，負責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）測距裝置可為多點監測，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測點重合。

圖3 基于紅外激光的虛擬鍵盤系統示意圖

3 基于攝像頭的虛擬鍵盤系統

另一實現方式則是基于攝像頭的虛擬影像互動人機交互裝置，該方式將“交互面板”做為顯示和觸摸操作的交互界面，顯示內容和操作者的動作指令均依靠可見光（電磁波）與電氣系統交互，解決了操作開關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，通過軟件升級實現各種水田機械的操作要求，并容易拓展功能。

（1）工作原理。首先“數字處理器”控制“投影器”將各種控制按鍵圖像信息和需要顯示的參數圖像信息投影在控制手柄上的“交互面板”上；“攝像頭”實時拍攝操作者手指位于“交互面板”上相應按鍵圖像的位置，然后通過“數據通道”將信息反饋給“數字處理器”；“數字處理器”根據反饋的按鍵圖像對應的命令來控制電動插秧機的操作。“交互面板”采用單色平面材料，“投影器”將控制按鍵和參數數據投影在“交互面板”上時，即使有泥覆蓋，仍可在泥層上繼續顯示投影內容。當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，由數字處理器進行圖像分析，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，顯示內容和操作者的動作指令均依靠可見光（電磁波）與電氣系統交互，解決了操作開關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，通過軟件升級實現各種水田機械的操作要求，并容易拓展功能，如在電動插秧機前方再加裝一個攝像頭，拍攝的實時圖像信息可以在“交互面板”的某個區域顯示，方便操作者觀察視線被機器遮擋的景物。該方案軟、硬件的開發成本較高，但可以方便的調整顯示界面內容，移植性和拓展性較強。

（2）修改顯示內容。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“投影內容”部分，重新將代碼燒錄到數字芯片當中，則可以隨意更改操作按鈕內的內容、字體和顏色等信息。

（3）防誤操作。啟動水田電動機械人機交互裝置后，預設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行適當的操作，水田電動機械人機交互裝置可通過攝像頭識別使用者的每個正常操作，并向水田電動機械發送每個正常操作對應的電信號，以更改水田電動機械的工作狀態。為了防止發生誤操作，導致水田電動機械不正常運行，在軟件上可設定了一系列防誤操規則，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行的操作為正確操作，正確操作后系統將會發出正確提示音，相反，若進行了誤操作，系統將會發出錯誤提示音。

（4）效果演示。采用基于攝像頭的虛擬鍵盤系統的人機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，人機交互面板顯示內容被泥水覆蓋后仍可以保持清晰的視覺效果。

圖4 人機交互面板被泥水或障礙物覆蓋后的效果

4 應用前景

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

（2）基于攝像頭的虛擬互動影像人機交互方案。基于攝像頭的虛擬鍵盤系統，可以通過控制“投影器”顯示較為復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，但由于其技術要求高，成本昂貴，較適用于高端的水田電動機械。

（3）結論。本套交互裝置能夠滿足不同層次的電動插秧機的技術需求，且本套應用于水田電動機械的人機交互裝置，可以有效地解決水田電動機械在水田作業時操作開關遇水短路和視覺信息被泥覆蓋的問題，提高了水田電動機械的在水田工作時的可靠性和安全性，提高了水田電動機械在實際應用中性能，有利于水田電動機械的進一步推廣，提高我國在農業領域的自動化程度。

［1］楊騁.一種基于單攝像頭的虛擬鍵盤［A］.信息技術，2012.

［2］汪忠德.紅外虛擬鍵盤的設計構想［A］.計算機工程，2004

［3］蔡睿妍.激光虛擬鍵盤的設計與實現［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］.電子學報，2007.