CN104076927A - 基于虚拟现实的可交互智能台灯 - Google Patents

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李东洁
宋鉴
付英杰
张越
尤波
何岸花
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Abstract

基于虚拟现实的可交互智能台灯，涉及智能家居领域。它是为了解决现有台灯模式单一，以及台灯智能程度低的问题。本发明通过虚拟模型软件、语音、手动操作方式与用户交互的智能台灯，具有根据语音指令自动寻书、寻脸、自动调节灯光强弱和光线焦点等功能。控制器硬件基于ATMEGA芯片为核心的单片机开发，利用芯片有限的资源，扩展各种端口，集成各种模块，在实现产品智能化功能的同时保持产品紧凑、性价比高。另外，上位机的虚拟现实系统，借助虚拟三维模型及机器人学正逆运动学理论，对虚拟模型的运动进行求解并生成控制实体台灯的命令。本发明适用于智能家居领域。

Description

基于虚拟现实的可交互智能台灯
技术领域
本发明涉及智能家居领域。
背景技术
随着电子技术的不断发展，人们对电子产品的要求越来越高，对台灯性能的要求也越来越苛刻。目前市场上有各种类型的台灯，但普遍只注重外观和灯光的亮度调节等基本功能，这些传统台灯模式单一，只具备简单的用户体验，功能都大同小异。国内在台灯方面的研究和专利侧重于台灯的造型设计，另外一些研究是增减一些器件来实现一些如台灯工作模式、播放音乐等简单功能，这些研究均没有从根本上解决台灯模式单一、台灯智能程度低、用户体验度低等问题。国外在台灯方面的研究成熟的多，在台灯开发中很注重用户的体验度，已经成功将无线充电技术整合入台灯，简单的用户交互功能已经实现，产品的功能很丰富。然而，基于虚拟现实的可交互智能台灯目前还没有出现，所以，开发该款产品很有必要。
发明内容
本发明是为了解决现有台灯模式单一，以及台灯智能程度低的问题，从而提供了一种基于虚拟现实的可交互智能台灯。
基于虚拟现实的可交互智能台灯，它包括它台灯本体，所述台灯本体中的灯管接入电源；
它还包括触摸屏和执行机构2-4；
所述执行机构2-4包括两个互相垂直的舵机1-5，所述两个垂直的舵机1-5用于控制台灯本体中的灯头在水平平面和竖直平面转动；
它还包括控制器2；
控制器2包括语音识别电路2-1、光线检测及控制电路2-2、图像检测电路2-3、单片机核心电路2-5、储存电路2-6、通信电路2-7和降压电路2-8；
语音识别电路2-1的语音信号输出端连接单片机核心电路2-5的语音信号输入端，光线检测电路2-2的光信号输出端连接单片机核心电路2-5的光信号输入端，图像检测电路2-3的图像信号输出端连接单片机核心电路2-5的图像信号输入端，储存电路2-6的储存信号端与单片机核心电路2-5的储存信号端相连接，通信电路2-7的通信信号端与单片机核心电路2-5的通信信号端相连接，降压电路2-8的降压信号输出端连接单片机核心电路2-5的降压信号输入端，单片机核心电路2-5的控制信号输出端连接执行机构2-4的控制信号输入端；
语音识别电路2-1用于识别台灯本体所在环境下的语音信号；
光线检测及控制电路2-2用于采集台灯本体所在环境下的光强，以及根据采集到的光强控制施加在灯管两端电压的大小；
图像检测电路2-3用于识别定位图像中的人脸或书的位置；单片机核心电路2-5用于台灯本体所在环境下的语音信号、来自通信电路的控制信号、触摸控制信号控制执行机构2-4工作；
还用于根据图像检测电路2-3识别定位图像中的人脸或书的位置，计算两个舵机的位移量，并根据该位移量控制两个舵机1-5做相应转动；
储存电路2-6用于存储单片机核心电路2-5中的数据及图像检测电路2-3检测到的图像信息；
通信电路2-7用于与手机或笔记本电脑进行信号的接收和发送；
降压电路2-8用于调整电源电压后给单片机核心电路2-5供电。
本发明的有益效果是：
1.控制系统使用Atmega2560作为控制芯片，该芯片携带有大量的可使用资源，开发中预留许多端口；系统硬件在模块化的设计思想下，实现了控制系统的外围模块，使硬件有很好的可持续发展前景。
2.该智能台灯有三种控制模式，即虚拟模型控制(电脑/手机)、语音控制及传统的手动控制，且台灯能与操作人员进行简单的交互，这些模式及功能极大的提高了用户的体验度，使产品更加智能化、人性化。
3.开发的用户软件集成了实际台灯的三维模型，各部分结构、外观、参数一一对应，通过无线通信模块可将实际台灯与虚拟三维模型位置参数精确的对应起来，从而实现二者的交互。该操作方法新颖，用户体验度高，使产品的功能更加丰富。
4.该台灯使用LD3320非特定语音识别模块，能够识别非特定语音，通过优化后的算法，不需要事先训练与录音就能完成非特定语音识别。从而使台灯使用简单，面向更多的用户。
5.台灯使用健壮的图像处理算法识别书本或者人脸，识别正确率高，识别时间短；经过优化后的电机控制算法则保证了台灯运行时的稳定。
6.本发明不仅是一款台灯，也是一款智能型机器人，购买者可以通过修改上位机代码、在预留端口处给台灯添加相关模块来实现更多功能，趣味性高。
7.本发明可以作为学校学生学习电机控制、图像识别、语音开发、单片机开发、机器人实践等工具，实现更多价值。
附图说明
图1为本发明的机械机构图；
图2为控制器2的内部电路示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的基于虚拟现实的可交互智能台灯，它包括它台灯本体，所述台灯本体中的灯管接入电源；
它还包括触摸屏和执行机构2-4；
所述执行机构2-4包括两个互相垂直的舵机1-5，所述两个垂直的舵机1-5用于控制台灯本体中的灯头在水平平面和竖直平面转动；
它还包括控制器2；
控制器2包括语音识别电路2-1、光线检测及控制电路2-2、图像检测电路2-3、单片机核心电路2-5、储存电路2-6、通信电路2-7和降压电路2-8；
语音识别电路2-1的语音信号输出端连接单片机核心电路2-5的语音信号输入端，光线检测电路2-2的光信号输出端连接单片机核心电路2-5的光信号输入端，图像检测电路2-3的图像信号输出端连接单片机核心电路2-5的图像信号输入端，储存电路2-6的储存信号端与单片机核心电路2-5的储存信号端相连接，通信电路2-7的通信信号端与单片机核心电路2-5的通信信号端相连接，降压电路2-8的降压信号输出端连接单片机核心电路2-5的降压信号输入端，单片机核心电路2-5的控制信号输出端连接执行机构2-4的控制信号输入端；
语音识别电路2-1用于识别台灯本体所在环境下的语音信号；
光线检测及控制电路2-2用于采集台灯本体所在环境下的光强，以及根据采集到的光强控制施加在灯管两端电压的大小；
图像检测电路2-3用于识别定位图像中的人脸或书的位置；单片机核心电路2-5用于台灯本体所在环境下的语音信号、来自通信电路的控制信号、触摸控制信号控制执行机构2-4工作；
还用于根据图像检测电路2-3识别定位图像中的人脸或书的位置，计算两个舵机的位移量，并根据该位移量控制两个舵机1-5做相应转动；
储存电路2-6用于存储单片机核心电路2-5中的数据及图像检测电路2-3检测到的图像信息；
通信电路2-7用于与手机或笔记本电脑进行信号的接收和发送；
降压电路2-8用于调整电源电压后给单片机核心电路2-5供电。
具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的基于虚拟现实的可交互智能台灯作进一步限定，本实施方式中，台灯本体包括基座1-1、灯杆1-2、灯罩1-3和转轴1-4；
基座1-1与灯杆1-2的底部通过螺栓连接，灯杆1-2的顶部垂直安装有两个互相垂直的舵机1-5，转轴1-4的底部置于舵机1-5的上方，灯罩1-3的底部通过螺栓与转轴1-4的顶部相连接，基座1-1上表面设置有触摸屏。
具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式二所述的基于虚拟现实的可交互智能台灯作进一步限定，本实施方式中，灯杆1-2包括上支架和下支架，上支架和下支架之间通过万向节连接。
具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的基于虚拟现实的可交互智能台灯作进一步限定，本实施方式中，图像检测电路2-3采用OpenCV机器学习算法实现识别定位图像中的人脸或书的位置。
具体实施方式五：本实施方式对具体实施方式一所述的基于虚拟现实的可交互智能台灯作进一步限定，本实施方式中，光线检测及控制电路2-2采用二极管和BH1750芯片实现。
通电后在控制器控制下台灯初始化位置、灯光亮度，灯头移动到预定位置。
控制器控制检测周围环境光线后，按照预定亮度，自动调节灯光电流，使智能灯达到预定亮度；在控制器控制下台灯搜索周围的无线信号与声音，根据有无信号，自动转换到虚拟模型控制模式或声音控制模式。
若进入虚拟模型控制模式，从无线通信处获得信息，经控制器分析后产生控制命令，使执行机构做出相应运动；若进入声音控制模式，控制模块检测识别后的声音信号，产生命令，使执行机构做出相应运动。
智能台灯运行中，摄像头根据语音指令按预定时间间隔拍摄周围环境，并将图像上传，供上位机识别与决策，从而根据决策命令自动跟踪书本或人脸。
通信电路与上位机进行无线连接，上位机软件主要由虚拟三维台灯模型、运动学算法、图像处理算法、控制命令生成/发送等算法构成。虚拟三维台灯使用C++语言在3DsMax的辅助下，结合OpenGL建模语言开发，建立的虚拟三维模型与实际台灯各部位一一对应，并采用固定的缩放比，模型逼真；所述的虚拟台灯模型能够使用鼠标或手指改变不同结构间的相对位置，并将这些位姿信息通过无线通信模块发送到实际台灯端，供台灯控制模块分析并做出相应运动；所述的上位机软件，开发有接收并分析无线信息的程序，可将所得信息应用于虚拟模型；所述的上位机软件能够根据虚拟模型的相对位姿进行逆运动学分析，得到实际台灯运行参数。
所述的单片机核心电路2-5搭载有下位机程序，能够处理语音识别、光线检测模块、舵机、亮度控制模块的信号；所述的下位机程序能够接收无线通信模块的数据，做出相应运动；所述的下位机程序能够将当前台灯位姿信息编码后通过无线通信模块发送；所述的下位机程序采用模糊PID方式来控制舵机，该方式使舵机的运转稳定，台灯动作平缓，而且超调小，运动到目的位置时间短；所述的下位机程序能够将特殊控制下的摄像头拍到的图像信息通过无线通信方式发送。
一种基于虚拟现实的可交互智能台灯控制模块用以处理分析接收、探测得到的各种数据，该模块搭载Atmel的AVR8比特系列芯片Atmega2560及其初始化电路，并添加简单LED做指示灯。各外部模块通过预置的端口与该控制模块连接。
所述的摄像头模块使用OV7670CMOS VGA图像传感器及其外围电路组成，该图像传感器能实现50/60Hz的自动检测，具有640*480分辨率，VGA图像最高能达到30帧/秒，满足设计要求。摄像头按照固定时间采集到周围环境图像后，使用OpenCV机器学习算法训练后的文件自动识别定位图像中的书或人脸，并使用特定算法计算书/人脸的位置，并计算出舵机的位移量。
所述的降压模块使用桥式整流滤波电路和7805以及一些电容组成。该模块能够将220V电压转化为12V与5V电压，为相关模块提供工作电压。通过桥式整流与滤波后的电压稳定，能保证各模块的正常运行。
所述的光线检测模块基于BH1750芯片及外围电阻、电容电路组成，模块具有很高的精度，通过I2C总线控制。通过感光模块采集光的强度，经过模数转换及核心控制模块处理后自动调节智能台灯的亮度。
所述的语音识别模块使用现成的LD3320模块构成，该模块能识别非特定语音，通过添加咪头与喇叭，可实现语音信号的采集与分析。该模块检测环境中的特定语音指令，分析后将信号发送到Atmega核心控制模块进行进一步处理，然后控制智能台灯做出相应的运动。
所述的无线通信模块采用ZigXbee作为通信载体，使用串口连接；所选的ZigXbee可任意设置波特率性能。通过该模块，可实现手机、笔记本电脑命令的接收与发送，从而无线控制智能台灯。
执行机构能带动特制灯罩运动，使摄像头与灯罩方向发生改变，从而自动寻书、寻脸并做出简单的舞蹈动作。
本发明设计了一款可以通过虚拟模型软件、语音、手动操作方式与用户交互的智能台灯，具有根据语音指令自动寻书、寻脸、自动调节灯光强弱和光线焦点等功能。控制器硬件基于ATMEGA芯片为核心的单片机开发，利用芯片有限的资源，扩展各种端口，集成各种模块，在实现产品智能化功能的同时保持产品紧凑、性价比高。另外，上位机的虚拟现实系统，借助虚拟三维模型及机器人学正逆运动学理论，对虚拟模型的运动进行求解并生成控制实体台灯的命令。根据实际台灯各项物理参数，设计了适合本智能灯的控制算法，使系统的软硬件工作可靠，台灯动作稳定。

Claims (5)

1.基于虚拟现实的可交互智能台灯，它包括它台灯本体，所述台灯本体中的灯管接入电源；
其特征在于：它还包括触摸屏和执行机构(2-4)；
所述执行机构(2-4)包括两个互相垂直的舵机(1-5)，所述两个垂直的舵机(1-5)用于控制台灯本体中的灯头在水平平面和竖直平面转动；
它还包括控制器(2)；
控制器(2)包括语音识别电路(2-1)、光线检测及控制电路(2-2)、图像检测电路(2-3)、单片机核心电路(2-5)、储存电路(2-6)、通信电路(2-7)和降压电路(2-8)；
语音识别电路(2-1)的语音信号输出端连接单片机核心电路(2-5)的语音信号输入端，光线检测电路(2-2)的光信号输出端连接单片机核心电路(2-5)的光信号输入端，图像检测电路(2-3)的图像信号输出端连接单片机核心电路(2-5)的图像信号输入端，储存电路(2-6)的储存信号端与单片机核心电路(2-5)的储存信号端相连接，通信电路(2-7)的通信信号端与单片机核心电路(2-5)的通信信号端相连接，降压电路(2-8)的降压信号输出端连接单片机核心电路(2-5)的降压信号输入端，单片机核心电路(2-5)的控制信号输出端连接执行机构(2-4)的控制信号输入端；
语音识别电路(2-1)用于识别台灯本体所在环境下的语音信号；
光线检测及控制电路(2-2)用于采集台灯本体所在环境下的光强，以及根据采集到的光强控制施加在灯管两端电压的大小；
图像检测电路(2-3)用于识别定位图像中的人脸或书的位置；单片机核心电路(2-5)用于台灯本体所在环境下的语音信号、来自通信电路的控制信号、触摸控制信号控制执行机构(2-4)工作；
还用于根据图像检测电路(2-3)识别定位图像中的人脸或书的位置，计算两个舵机的位移量，并根据该位移量控制两个舵机(1-5)做相应转动；
储存电路(2-6)用于存储单片机核心电路(2-5)中的数据及图像检测电路(2-3)检测到的图像信息；
通信电路(2-7)用于与手机或笔记本电脑进行信号的接收和发送；
降压电路(2-8)用于调整电源电压后给单片机核心电路(2-5)供电。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的可交互智能台灯，其特征在于：台灯本体包括基座(1-1)、灯杆(1-2)、灯罩(1-3)和转轴(1-4)；
基座(1-1)与灯杆(1-2)的底部通过螺栓连接，灯杆(1-2)的顶部垂直安装有两个互相垂直的舵机(1-5)，转轴(1-4)的底部置于舵机(1-5)的上方，灯罩(1-3)的底部通过螺栓与转轴(1-4)的顶部相连接，基座(1-1)上表面设置有触摸屏。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的可交互智能台灯，其特征在于：灯杆(1-2)包括上支架和下支架，上支架和下支架之间通过万向节连接。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的可交互智能台灯，其特征在于：图像检测电路(2-3)采用OpenCV机器学习算法实现识别定位图像中的人脸或书的位置。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的可交互智能台灯，其特征在于：光线检测及控制电路(2-2)采用二极管和BH1750芯片实现。
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