CN106980417A - 一种基于激光扫描的非接触式按键系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于数据处理设备技术领域，公开了一种基于激光扫描的非接触式按键系统，包括：对定位在图片和文字展示信息的任意平面上物体进行扫描的激光发射接收器；对激光发射接收器扫描角度进行调整的旋转机构；接收激光发射接收器扫描的信息并进行分析和处理，调整旋转机构运行状态的控制器；显示激光发射接收器检测到的定位信息和控制器相关分析结果的显示装置。本发明在获取相关实验数据的基础上，进行了键盘制作和定位算法的分析，完成键盘模型与数值读取工作后，把理论计算值与实际读取值进行了比对分析，从理论和实践两个方面确认了系统的精度和可靠性；最后完成出租车乘降站地图演示功能，同时还扩展了该键盘的其它功能。

Description

一种基于激光扫描的非接触式按键系统

技术领域

本发明属于数据处理设备技术领域，尤其涉及一种基于激光扫描的非接触式按键系统。

背景技术

目前，要设计一个用于招出租车的显示装置，在出租车乘降站放置一个市区地图，想要去哪里就点击地图中相应位置，该地名称在LED显示屏上显示，或直接联入滴滴打车系统，这样即使没有智能手机或者没有数据流量的人群也可以轻易的招到出租车，同时还可以方便的实现出租车拼车，缓解市内的交通拥堵问题。在设计过程中发现地图键盘的设计是关键问题。

由于地图键盘是安装在室外，会受到风吹雨淋日晒等不利环境的影响，同时由于人们在使用时的各种复杂情况：例如，手指上有水或油污，或者有些人会采用手机、钥匙、伞尖等随身携带的物品来点击地图，发现无论采用触摸屏还是机械式、电容式按键等接触式按键都存在易污易损等问题，而采用光幕等非接触式按键还存在精度低、结构复杂、开发难度大等问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：

目前在室内常采用触摸屏来实现一些特定场合的键盘功能，虽然其精度较高、显示直观、信息量丰富但是该方案成本高、开发周期长、受触面积小、易被污损从而影响使用性能；在室外常用机械式按键例如门禁系统，但是采点精度低；还有一些采用红外或激光等制作的光幕式键盘，其发光点和采光点较多，结构复杂且检测精度也不高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于激光扫描的非接触式按键系统。

本发明是这样实现的，

一种基于激光扫描的非接触式按键系统，包括：

与控制器有线连接，用于对定位在图片和文字展示信息的任意平面上物体进行扫描的激光发射接收器；

与控制器有线连接，用于对激光发射接收器扫描角度进行调整的旋转机构；

用于接收激光发射接收器扫描的信息并进行分析和处理，还用于调整旋转机构运行状态的控制器；

与控制器有线连接，用于显示激光发射接收器检测到的定位信息和控制器相关分析结果的显示装置；

所述激光发射接收器为两个或三个；旋转机构为一个至三个。

进一步，激光发射接收器与旋转机构根据功能要求具体配置包括：双激光发射接收器和双旋转机构组合体、或三个激光发射接收器和三旋转机构组合体、或双激光发射接收器和单旋转机构组合体。

进一步，所述控制器通过螺栓固定在基于激光扫描的非接触式按键系统的壳体后端面；

所述任意平面贴附在所述壳体上端面；

所述显示装置通过螺栓固定在所述壳体的上部；

所述激光发射接收器通过螺栓固定在旋转机构座架上；所述旋转机构座架通过螺栓固定在旋转机构上；所述旋转机构通过螺栓固定在壳体的上部；

旋转机构由具有记录旋转角度功能的电机组成，所述电机为舵机、步进电机或测速电机的一种；所述旋转机构或为由普通电机与编码器组合而成的旋转机构。

进一步，所述显示装置包括液晶显示屏、LED显示屏；所述液晶显示屏、LED显示屏均通过导线连接控制器；所述显示装置还包括对扫描的任意平面内显示信息进行更改的装置；所述更改的装置通过导线连接控制器。

进一步，激光发射接收器和旋转机构位于被扫描的地图任意边的两侧，两个或三个激光发射接收器旋转的激光射线形成的扇形交汇区域完全覆盖被扫描任意平面。

进一步，所述任意平面上镶嵌有多个道路指示灯；所述多个道路指示灯均通过导线连接控制器；基于激光扫描的非接触式按键系统的壳体上通过螺栓固定用于播报控制器指令的喇叭。

进一步，所述控制器接收激光发射接收器扫描的信息并进行分析和处理中，具体包括：

在任意信息平面上方采用旋转的激光发射接收器发射的激光射线通过扫描产生一层激光光幕，当有物体触碰到光幕时，激光发射接收器把相关信号传送给控制器；当激光射线被阻挡时，通过此时的两个或三个激光发射接收器与物体之间的角度值和物体与两个或三个激光发射接收器发射源之间的距离值通过三角函数公式计算出物体在扫描的任意平面上的具体位置的坐标值。

本发明另一目的在于提供一种利用上述的基于激光扫描的非接触式按键系统的室外呼叫出租车定位系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述的基于激光扫描的非接触式按键系统的购物商城引导定位系统。

本发明的优点及积极效果为：

采用本发明提供的基于激光扫描的非接触式按键系统，在相同的检测面积时，可比触摸屏降低90％的成本，由于本方法检测的分辨率不是均匀分布的，可适用于对分辨率不高，尤其是平面信息量分布不均匀的场合，例如市区地图，越靠近市中心信息量越密集，越是郊区信息量分布越稀疏。如果采用光源间距1厘米的光幕，本发明可节省95％的光源个数仍能够达到相应精度。

本发明为了解决现有技术的问题，采用了舵机带动激光传感器扫描感知击键位置。可以通过指、笔、钥匙、手机等细杆或有尖角类物品指示在相应的区域，由两个舵机承载的激光发射接收器扫描对其进行定位，从而实现按键检测的功能。

本发明在获取相关实验数据的基础上，进行了键盘制作和定位算法的分析，完成键盘模型与数值读取工作后，把理论计算值与实际读取值进行了比对分析，从理论和实践两个方面确认了系统的精度和可靠性；最后完成出租车乘降站地图演示功能，同时还扩展了该键盘的功能，使其可以应用在大型购物商场的引导地图中。

本发明采用了转换法和代替法来实现位置的测量，传统按键都是基于直角坐标系测量X、Y两个坐标的值，本发明转换为测量两个激光传感器扫描到物体的角度；用三角坐标系的两个角度值来代替直角坐标系的两个长度值，在不均匀降低少量检测精度的同时大幅度简化机构。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于激光扫描的非接触式按键系统示意图；

图2是本发明实施例提供的图1的正视图。

图3是本发明实施例提供的图1的背视图。

图4是本发明实施例提供的图1的仰视图。

图5是本发明实施例提供的基于激光扫描的非接触式按键系统右视图。

图中：1、激光发射接收器；2、显示装置；3、旋转机构座架；4、旋转机构；5、壳体；6、滑动变阻器；7、任意平面；8、垫块；9、按钮；10、控制器；11、三极管；12、电阻；13、喇叭；14、电容；15、电池；16、接线口；17、道路指示灯。

图6是本发明实施例提供的基于激光扫描的非接触式按键系统电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的基于激光扫描的非接触式按键系统包括：

与控制器10有线连接，用于对定位在图片和文字展示信息的任意平面7上物体进行扫描的激光发射接收器1；

与控制器10有线连接，用于对激光发射接收器扫描角度进行调整的旋转机构4；

用于接收激光发射接收器1扫描的信息并进行分析和处理，还用于调整旋转机构4运行状态的控制器10；

与控制器10有线连接，用于显示激光发射接收器1检测到的定位信息和控制器10相关分析结果的显示装置2；

所述激光发射接收器1为两个或三个；旋转机构4为一个至三个；激光发射接收器与旋转机构根据功能要求具体配置包括：双激光发射接收器和双旋转机构组合体、或三个激光发射接收器和三旋转机构组合体、或双激光发射接收器和单旋转机构组合体。

所述控制器10通过螺栓固定在基于激光扫描的非接触式按键系统的壳体后端面；

所述任意平面7贴附在所述壳体5上端面；

所述显示装置2通过螺栓固定在所述壳体5的上部；

所述激光发射接收器1通过螺栓固定在旋转机构座架3上；所述旋转机构座架3通过螺栓固定在旋转机构4上；所述旋转机构4通过螺栓固定在壳体5的上部；

旋转机构4由具有记录旋转角度功能的电机组成，所述电机为舵机、步进电机或测速电机的一种；所述旋转机构或为由普通电机与编码器组合而成的旋转机构。

所述显示装置2包括液晶显示屏、LED显示屏；所述液晶显示屏、LED显示屏均通过导线连接控制器10；所述显示装置还包括对扫描的任意平面内显示信息进行更改的装置。

激光发射接收器1和旋转机构4位于被扫描的地图任意边的两侧，两个或三个激光发射接收器旋转的激光射线形成的扇形交汇区域完全覆盖被扫描任意平面。

所述任意平面上镶嵌有多个道路指示灯17；所述多个道路指示灯均通过导线连接控制器10。

所述两个或三激光发射接收器1均通过滑动变阻器6与控制器10有线连接。

所述壳体5下端通过胶粘接有位于壳体不同端的两个垫块8；所述控制器10通过螺栓固定在壳体下端并位于两个垫块8之间。

所述壳体5上端通过螺栓固定有按钮9；所述按钮9通过导线与控制器连接；所述控制器10上集成有三极管11、电阻12、电容14、接线口16和MCU；所述三极管11、电阻12、电容14、接线口16均通过导线连接MCU。

所述壳体5上通过螺栓固定用于播报控制器指令的喇叭13；所述壳体下端面上通过螺栓固定有电池15；所述电池15通过导线分别连接控制器10、激光发射接收器1、旋转机构4、显示装置2。

下面结合工作原理对本发明作进一步描述。

本发明是人与智能机器信息交互的一种方法，具有触摸屏操作简便直观的优点，采用触摸屏和安全光幕的操作原理，但不同于安全光幕的是光幕产生方式不一样，本发明光幕是通过激光发射接收器旋转产生的。在任意平面上，可以通过平面上的图像、文字等读取信息，如显示器、地图、黑板、墙壁，也可以通过在平面上放置接收装置来感应相应的动作，从而把动作信息传送给控制器，例如最常见的墙壁上的开关，触摸屏就是在显示器表面上加上一层感应膜，薄膜开关面板就是在开关按键上覆盖一层绘制了相关信息的薄膜，安全光幕就是相关区域前产生一层红外线光幕。这些都是为了实现在读取平面信息的同时还能把点击信息传送给控制器。

本发明也是这样的原理：在任意信息平面上方采用旋转的激光发射接收器发射的激光射线扫描产生一层激光光幕，当有物体触碰到光幕时，激光发射接收器把相关信号传送给控制器。普通的安全光幕是通过若干固定位置的光线发射接收器，分辨率取决于安装个数，若是需要高分辨率则会使得结构变得复杂，成本也会提高，本发明是采用光线扫描来形成光幕。光线扫描也有两种方式，一种是激光射线平行移动形成矩形光幕，一种是激光射线旋转形成扇形光幕。平等移动的装置机械结构比旋转机构要复杂的多。所以本发明采用了旋转机构。

本发明得到的定位精度在扫描平面内是不均匀分布的。目前激光发射接收器有两种，一种是可以精确测量阻挡激光射线的物体与激光发射端的距离，一种是只能测出是否有物体阻挡了激光射线而无法精确分辨距离远近，前一种可以测距的激光发射接收器非常昂贵，不适合在本发明这种场合使用和推广。如果未来出现价格较低的可精准测距的激光发射接收器，则完全可以采用它来制作本发明提及的装置，激光发射接收器的安装位置一旦固定，当激光射线被阻挡时，可以通过此时的角度值和物体与发射源之间的距离值来计算出物体在扫描平面上的具体位置。目前本发明制作的装置采用的是不可测距的激光发射接收装置，由于只能知道角度值而不知道距离值，所以无法实现精确定位，但是可以通过增加一个检测量来实现精确定位。目前本发明采用的是两个激光发射接收器和两个旋转机构形成的双点定位方法：以分布在两个不同位置的旋转激光源发出的射线形成两个扇形光幕，所交叉覆盖的区域内任何一点有物体阻挡激光射线时，系统会得到两个角度值，通过三角函数计算可得知其位置坐标值。

进一步，采用两个激光源同时布置在一个旋转机构上，通过两个激光射线被物体阻挡时的两个角度也可以计算出其位置坐标，但是由于两激光源位置必须位于其旋转直径之内，两点距离过远会导致旋转机构尺寸过大，距离过近则会导致测量精度下降，但是可以通过提高角度测量传感器的精度来弥补。受机构尺寸和测量精度所限，目前该装置应用场合未知。

进一步，可以通过增加激光源和旋转机构的设置个数提高测量精度和测量速度，使其达到更高的功能要求，例如采用三激光发射接收器和三旋转机构可以使用得其部分区域精度提高。

进一步，也可以通过振镜式激光扫码枪的原理来形成光幕扫描和物体检测，振镜式激光扫码枪是把激光投射到一个振动的镜子上，产生一条激光扫描线，然后通过CCD或摄像头等视觉识别技术采集反射光线的强弱，来判断物体的位置。

本发明点击采用非接触式，减少使用时被污损的情况。本发明采用双点激光旋转扫描，用感应角度定位，结构简单、成本低廉、精度高、受触面积大、抗干扰性强。可适用于室内外全天候各种恶劣环境。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明实施例提供的按键系统为了解决现有技术的问题采用了舵机带动激光发射接收器扫描感知击键位置。

本发明实施例提供的按键系统在获取相关实验数据的基础上，进行了键盘制作和定位算法的分析，完成键盘模型与数值读取工作后，把理论计算值与实际读取值进行了比对分析，从理论和实践两个方面确认了系统的精度和可靠性；最后完成出租车乘降站地图演示功能，同时还扩展了该键盘的功能，使其可以应用在大型购物商场的引导地图中。

本发明实施例提供的按键系统采用了转换法和代替法来实现位置的测量，传统按键都是基于直角坐标系测量X、Y两个坐标的值，本发明转换为测量两个激光发射接收器扫描到物体的角度，用三角坐标系的两个角度值来代替直角坐标系的两个长度值。

本发明实施例提供的激光发射接收器电压5V，电流100mA，检测距离在1厘米至1.5米之间。其工作原理是由激光发生器产生一束激光，当激光照射到物体上会产生反射，接收端有光敏元件和滤光透镜，可以接收到反射光，并输出相应信号。由于滤光透镜只允许激光波段光波进入，所以外界强光对传感器几乎不造成任何干扰。

其尺寸较小可方便安装：长:20MM、宽:10MM、高:8MM。光电式传感器(光电开关)是NPN常开型，光电开关的技术参数:

1)输出电流DC/SCR/继电器Control output：100mA/5V供电；

2)消耗电流DC<25mA；

3)响应时间<2ms；

4)指向角：≤7.5°,有效距离1-100CM可调；

5)检测物体：透明或不透明体。

本发明实施例提供的旋转机构有两种，一种是采用直流电机+编码器，这种方案检测速度快、精度高，但是结构较复杂，程序控制也比较麻烦；另一种采用舵机，结构简单，程序简单，但是由于旋转角度只有180度，所以只能完成往复式扫描，降低了检测的速度。为了保证检测精度，本发明实施例提供的按键系统利用的是数字舵机。

本发明实施例提供的控制器的MCU采用Arduino控制器，指令简单、编程容易，Arduino有UNO、Nano、2560三种型号，为了节省空间本发明采用Nano型Arduino。

由于双激光发射接收器激光旋转扫描，在检测区域的分辨率是不均匀的，本发明实施例提供的地图采用方格纸进行精确定点测量测试实验，每格内记录下来左右舵机的旋转角度，根据数据分析，越靠近中心区域，数值精确度越高，越靠近边缘区域精确度越低，这一特性最适合在市区地图上应用，因为市中心比较繁华，信息点也比较密集，而郊区的信息点则比较分散。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光扫描的非接触式按键系统，其特征在于，所述基于激光扫描的非接触式按键系统包括：

与控制器有线连接，用于对定位在图片和文字展示信息的任意平面上物体进行扫描的激光发射接收器；

与控制器有线连接，用于对激光发射接收器扫描角度进行调整的旋转机构；

用于接收激光发射接收器扫描的信息并进行分析和处理，还用于调整旋转机构运行状态的控制器；

与控制器有线连接，用于显示激光发射接收器检测到的定位信息和控制器相关分析结果的显示装置；

所述激光发射接收器为两个或三个；旋转机构为一个至三个。

2.如权利要求1所述的基于激光扫描的非接触式按键系统，其特征在于，激光发射接收器与旋转机构根据功能要求具体配置包括：双激光发射接收器和双旋转机构组合体、或三个激光发射接收器和三旋转机构组合体、或双激光发射接收器和单旋转机构组合体。

3.如权利要求1所述的基于激光扫描的非接触式按键系统，其特征在于，

所述控制器通过螺栓固定在基于激光扫描的非接触式按键系统的壳体后端面；

所述任意平面贴附在所述壳体上端面；

所述显示装置通过螺栓固定在所述壳体的上部；

所述激光发射接收器通过螺栓固定在旋转机构座架上；所述旋转机构座架通过螺栓固定在旋转机构上；所述旋转机构通过螺栓固定在壳体的上部；

旋转机构由具有记录旋转角度功能的电机组成，所述电机为舵机、步进电机或测速电机的一种；所述旋转机构或为由普通电机与编码器组合而成的旋转机构。

4.如权利要求1所述的基于激光扫描的非接触式按键系统，其特征在于，

所述显示装置包括液晶显示屏、LED显示屏；所述液晶显示屏、LED显示屏均通过导线连接控制器；所述显示装置还包括对扫描的任意平面内显示信息进行更改的装置；所述更改的装置通过导线连接控制器。

5.如权利要求1所述的基于激光扫描的非接触式按键系统，其特征在于，激光发射接收器和旋转机构位于被扫描的任意平面任意边的两侧，两个或三个激光发射接收器旋转的激光射线形成的扇形交汇区域完全覆盖被扫描任意平面。

6.如权利要求1所述的基于激光扫描的非接触式按键系统，其特征在于，所述任意平面上镶嵌有多个道路指示灯；所述多个道路指示灯均通过导线连接控制器；基于激光扫描的非接触式按键系统的壳体上通过螺栓固定用于播报控制器指令的喇叭。

7.如权利要求1所述的基于激光扫描的非接触式按键系统，其特征在于，所述控制器接收激光发射接收器扫描的信息并进行分析和处理中，具体包括：

在任意信息平面上方采用旋转的激光发射接收器发射的激光射线通过扫描产生一层激光光幕，当有物体触碰到光幕时，激光发射接收器把相关信号传送给控制器；当激光射线被阻挡时，通过此时的两个或三个激光发射接收器与物体之间的角度值和物体与两个或三个激光发射接收器发射源之间的距离值通过三角函数公式计算出物体在扫描的任意平面上的具体位置的坐标值。

8.一种利用权利要求1所述的基于激光扫描的非接触式按键系统的室外呼叫出租车定位系统。

9.一种利用权利要求1所述的基于激光扫描的非接触式按键系统的购物商城引导定位系统。