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(dòng)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(shí)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(mǎn)泥水。對(duì)于電動(dòng)插秧機(jī)來(lái)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(kāi)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(hào)還經(jīng)常如圖1所示被泥覆蓋，影響操作者視覺(jué)信息，包括液晶顯示裝置存在同樣的問(wèn)題。目前市面上沒(méi)有找到同時(shí)解決防水絕緣和避免視覺(jué)信息被覆蓋的電氣開(kāi)關(guān)。

圖1 普通控制面板被泥水覆蓋后視覺(jué)效果

2 基于紅外激光的虛擬鍵盤(pán)系統(tǒng)

基于以上問(wèn)題，采用虛擬互動(dòng)影像技術(shù)，提出了應(yīng)用于水田電動(dòng)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(pán)系統(tǒng)是其中一種方式，紅外虛擬鍵盤(pán)系統(tǒng)主要由激光投影系統(tǒng)，紅外線攝像系統(tǒng)，信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。實(shí)現(xiàn)投射鍵盤(pán)圖像到桌面上，當(dāng)人手敲擊不同影鍵區(qū)域時(shí)，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(kāi)發(fā)成本低廉。

圖2 紅外虛擬鍵盤(pán)系統(tǒng)工作流程

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

圖3 基于紅外激光的虛擬鍵盤(pán)系統(tǒng)示意圖

3 基于攝像頭的虛擬鍵盤(pán)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(dòng)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(dòng)作指令均依靠可見(jiàn)光（電磁波）與電氣系統(tǒng)交互，解決了操作開(kāi)關(guān)遇水短路和視覺(jué)信息被泥覆蓋的問(wèn)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(dòng)硬件的前提下，通過(guò)軟件升級(jí)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(shí)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(guò)“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(duì)應(yīng)的命令來(lái)控制電動(dòng)插秧機(jī)的操作?！敖换ッ姘濉辈捎脝紊矫娌牧?，“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(shí)，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(gè)控制按鍵位置時(shí)，“攝像頭”采集圖像信息，由數(shù)字處理器進(jìn)行圖像分析，識(shí)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(dòng)作指令均依靠可見(jiàn)光（電磁波）與電氣系統(tǒng)交互，解決了操作開(kāi)關(guān)遇水短路和視覺(jué)信息被泥覆蓋的問(wèn)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(dòng)硬件的前提下，通過(guò)軟件升級(jí)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(dòng)插秧機(jī)前方再加裝一個(gè)攝像頭，拍攝的實(shí)時(shí)圖像信息可以在“交互面板”的某個(gè)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(kāi)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(lái)的操作按鈕或顯示的模塊信息，可以通過(guò)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(dòng)水田電動(dòng)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(tái)上，使用者可在操作界面上進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?，水田電?dòng)機(jī)械人機(jī)交互裝置可通過(guò)攝像頭識(shí)別使用者的每個(gè)正常操作，并向水田電動(dòng)機(jī)械發(fā)送每個(gè)正常操作對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，以更改水田電動(dòng)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(dòng)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(shí)刻只能按下一個(gè)虛擬按鈕，不能左右滑動(dòng)操作等，同時(shí)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(huì)發(fā)出正確提示音，相反，若進(jìn)行了誤操作，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤提示音。

（4）效果演示。采用基于攝像頭的虛擬鍵盤(pán)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面不會(huì)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(jué)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?；诩t外激光的虛擬鍵盤(pán)系統(tǒng)由于生產(chǎn)成本低廉，制作工藝較為簡(jiǎn)單，所以適用于普通的中小型水田電動(dòng)機(jī)械。

（2）基于攝像頭的虛擬互動(dòng)影像人機(jī)交互方案。基于攝像頭的虛擬鍵盤(pán)系統(tǒng)，可以通過(guò)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(guò)軟件手段，升級(jí)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(dòng)機(jī)械。

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

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

［2］汪忠德.紅外虛擬鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)構(gòu)想［A］.計(jì)算機(jī)工程，2004

［3］蔡睿妍.激光虛擬鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)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(jué)的手指屏幕交互方法［A］.電子學(xué)報(bào)，2007.