CN107728518A - 多功能智能人机交互控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能智能人机交互控制系统及控制方法，该控制系统包括：红外手势采集模块，用于采集用户所做的操作手势所对应的操作信号；控制模块，与红外手势采集模块相连，用于采集操作信号并对操作信号进行处理分析得出操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度，以及将手势方向、手指数量和挥动速度进行结合定义得出具体的控制指令；通讯模块，与控制模块连接，用于接收控制模块得出的控制指令并发送给与之连接的智能家居系统。本发明以最小的体积、成本实现了控制功能的最大化，较小的体积便于集成在各型智能家居系统中，操作时无需直接接触，提高了智能家居系统面板的安全性、整洁度和使用寿命。

Description

多功能智能人机交互控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能家居、红外控制领域，特别地，涉及一种多功能智能人机交互控制系统及其控制方法。

背景技术

随着智能家居行业的快速发展，人机交互控制技术得到越来越广泛的应用，人机交互控制作为系统硬件的控制主要组成部分，发挥着原来越大的作用。满足功能要求的红外控制系统成本高，制作工艺复杂，体积大，不能大规模生产，无法满足智能家居系统集成应用；传统的大规模生产的红外控制系统技术含量低、结构功能单一，体积大，只能起到简单的红外感应的作用，不能满足不同手势、不同手指数实现多种控制的功能。

发明内容

本发明提供了一种多功能智能人机交互控制系统及其控制方法，以解决现有技术不能满足不同手势、不同手指数实现多种控制的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种多功能智能人机交互控制系统，包括：红外手势采集模块，用于采集用户所做的操作手势所对应的操作信号；控制模块，与红外手势采集模块相连，用于采集操作信号并对操作信号进行处理分析得出操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度，以及将手势方向、手指数量和挥动速度进行结合定义得出具体的控制指令；通讯模块，与控制模块连接，用于接收控制模块得出的控制指令并发送给与之连接的智能家居系统。

进一步地，红外手势采集模块包括两个红外发射子模块以及两个红外接收子模块，两个红外发射子模块用于分别向两个不同的区域发射红外信号，两个红外接收子模块用于接收经用户的操作手指反射的红外信号。

进一步地，红外手势采集模块包括按顺序排列在同一直线上的第一红外接收子模块、第一红外发射子模块、第二红外发射子模块和第二红外接收子模块，第一红外发射子模块和第二红外发射子模块同时为第一红外接收子模块和第二红外接收子模块提供信号源。

具体地，红外手势采集模块还包括与红外接收子模块连接的低通滤波器、连接于所述低通滤波器之后的运算放大器、以及与运算放大器连接的电压反相器，红外接收子模块接收经用户的操作手指反射的红外信号，并将其转化为电压信号后输入低通滤波器；低通滤波器用于对输入的电压信号进行滤波处理后输入运算放大器；运算放大器用于对输入的信号的比例放大后输入控制模块进行逻辑运算；电压反相器用于为运算放大器提供反向电压。

进一步地，控制模块包括AD信息采样单元、采样信息计算处理单元、控制指令计算单元、控制指令下发单元，AD信息采样单元用于根据预定的采样周期对操作信号进行采样；采样信息计算处理单元通过对采样数据进行分析得出操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度；控制指令计算单元根据手势方向、手指数量和挥动速度计算出需发出的控制指令；控制指令下发单元用于通过设定的协议将控制指令下发给通讯模块。

多功能智能人机交互控制系统还包括与控制模块连接的触摸模块，触摸模块包括触摸集成电路和触摸键，触摸键用于感应手指的触摸动作，触摸集成电路用于采集触摸动作对应的操作信号并输入控制模块。

根据本发明的另一方面，还提供了一种多功能智能人机交互控制方法，应用于如上述的多功能智能人机交互控制系统中，包括以下步骤：

步骤S100，红外手势采集模块采集用户所做的操作手势所对应的操作信号；

步骤S200，控制模块采集操作信号并对操作信号进行处理分析得出操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度，以及将手势方向、手指数量和挥动速度进行结合定义得出具体的控制指令；

步骤S300，通讯模块接收控制模块得出的控制指令并发送给与之连接的智能家居系统。

进一步地，步骤S100包括：控制模块发出设定频率的载波信号，通过驱动电路驱动红外手势采集模块中的两个红外发射子模块分别向两个不同的区域发射红外信号；红外手势采集模块中的两个红外接收子模块分别接收经用户的操作手指反射的红外信号。

进一步地，步骤S200包括：控制模块采集两个红外接收子模块各自接收到的红外信号，根据采集的持续的信号强度以及信号的同步性判断用户的靠近操作，并向智能家居系统发出唤醒指令。

进一步地，步骤S200包括：控制模块采集两个红外接收子模块各自接收到的红外信号；控制模块对采集的两组信号进行相位比较，当两组信号的相位不一致时，将手势方向分为左、右；当两组信号的相位一致时，根据采集的信号的强弱变化，将手势方向分为靠近、远离；控制模块对采集的每一组信号分别进行取样，通过分析取样数据的波形峰值及周期判断操作手指的手指数量，同时将两组信号分别判断得出的手指数量进行比较，当两组手指数量一致时，判断为正确动作；当两组手指数量不一致时，判断为误动作并忽略该组数据；控制模块通过对采集的两组信号的相位差进行计算以判断手势的挥动速度。

本发明的多功能智能人机交互控制系统通过对操作的手势方向、手指数量和挥动速度的结合判断，以最小的体积、成本实现了控制功能的最大化，同时较小的体积便于集成在各型智能家居系统中；操作时无需直接接触，满足使用者不方便直接接触时的控制，在一定程度上提高了智能家居系统面板的安全性、整洁度和使用寿命；本发明的多功能智能人机交互控制方法，根据手势方向、手指数量和挥动速度结合定义多种控制指令，无需进入操作面板，可直接通过手势的操作控制智能家居系统进入具体的功能，操作更加方便快捷，精度高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的多功能智能人机交互控制系统的结构框图；

图2是图1中双红外手势采集模块、控制模块以及通讯模块的功能模块框图；

图3是本发明优选实施例的多功能智能人机交互控制方法的流程图；

图4是本发明优选实施例的多功能智能人机交互控制方法中控制模块进行信号分析的示意图。

附图标号说明：

1、红外手势采集模块；10、红外发射子模块；11、红外接收子模块；R1、第一红外接收子模块；T1、第一红外发射子模块；T2、第二红外发射子模块；R2、第二红外接收子模块；12、低通滤波器；13、运算放大器；14、电压反相器；

2、控制模块；20、AD信息采样单元；21、采样信息计算处理单元；22、控制指令计算单元；23、控制指令下发单元；

3、通讯模块；4、触摸模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种多功能智能人机交互控制系统，包括：红外手势采集模块1，用于采集用户所做的操作手势所对应的操作信号；控制模块2，与红外手势采集模块1相连，用于采集操作信号并对操作信号进行处理分析得出操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度，以及将手势方向、手指数量和挥动速度进行结合定义得出具体的控制指令；通讯模块3，与控制模块2连接，用于接收控制模块2得出的控制指令并发送给与之连接的智能家居系统，实现与智能家居系统的交互。

进一步地，红外手势采集模块1包括两个红外发射子模块10以及两个红外接收子模块11，两个红外发射子模块10用于分别向两个不同的区域发射红外信号，两个红外接收子模块11用于接收经用户的操作手指反射的红外信号。

本优选实施例中控制模块2为DSP控制器。通讯模块3为485通讯模块。红外发射子模块10为红外发射器，红外接收子模块11为红外接收器。

本发明的多功能智能人机交互控制系统在两个不同的区域布置两个红外发射子模块10，通过控制模块2发出一定频率的载波信号，通过驱动电路驱动红外发射器中的红外发射二极管发射一定频率的红外波。控制模块2通过调节载波信号的频率及占空比可以调节红外发射子模块10的发射频率，进而控制手势感应的距离。

参照图1，本发明的多功能智能人机交互控制系统将红外手势采集模块1一共分为四个子模块。进一步地，为减少感应区域，四个子模块为按顺序排列在同一直线上的第一红外接收子模块R1、第一红外发射子模块T1、第二红外发射子模块T2和第二红外接收子模块R2，第一红外发射子模块T1和第二红外发射子模块T2同时为第一红外接收子模块R1和第二红外接收子模块R2提供信号源。当操作手指经过第一红外接收子模块R1的接收区域时，第一红外发射子模块T1以及第二红外发射子模块T2发出的红外信号经物体反射，第一红外接收子模块R1接收到反射的红外信号，第二红外接收子模块R2受到的影响较小，反之亦然。

本发明通过红外手势采集模块1中四个子模块的特殊排列方式，两个红外发射子模块10与红外发射子模块10被设计在同一小区域内，方便集成到智能家居系统中，保证了系统的整体外观；这种排列方式将两个红外发射子模块10的利用最大化，可同时为两个红外接收子模块11提供红外信号；同时两个红外接收子采集信号互不影响，解决了红外信号发射强度的问题，增加了红外识别区域的整洁度和整体效果。

进一步地，如图2中，红外手势采集模块1还包括与红外接收子模块11连接的低通滤波器12、连接于所述低通滤波器12之后的运算放大器13、以及与运算放大器13连接的电压反相器14。红外接收子模块11接收经用户的操作手指反射的红外信号，并将其转化为电压信号后输入低通滤波器12。低通滤波器12用于对输入的电压信号进行滤波处理后输入运算放大器13。运算放大器13用于对输入的信号的比例放大后输入控制模块2进行逻辑运算。电压反相器14用于为运算放大器13提供反向电压。

进一步地，控制模块2包括AD信息采样单元20、采样信息计算处理单元21、控制指令计算单元22、控制指令下发单元23。AD信息采样单元20用于根据预定的采样周期对操作信号进行采样。采样信息计算处理单元21通过对采样数据进行分析得出操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度。控制指令计算单元22根据手势方向、手指数量和挥动速度计算出需发出的控制指令。控制指令下发单元23用于通过设定的协议将控制指令下发给通讯模块3。

本发明的多功能智能人机交互控制系统还包括与控制模块2连接的触摸模块4，触摸模块4包括触摸集成电路和触摸键，触摸键用于感应手指的触摸动作，触摸集成电路用于采集触摸动作对应的操作信号并输入控制模块2。触摸模块4用于实现一键系统开关、紧急报警等快速反应的辅助功能。

本发明的多功能智能人机交互控制系统，以较少的红外手势采集模块1实现了对信号处理利用的最大化，在一定程度上降低了生产成本，在系统集成中体积小，以达到整体美观、体积小、功能齐全的效果；红外手势采集模块1采用了双路红外发射接收，可分别工作，通过对两个红外发射子模块10以及两个红外接收子模块11的位置设置，可实现信号发射强度的最大化，同时两个红外接收子模块11互不影响；仅需要两个红外接收子模块11就可实现对手势方向、手指数量、挥动速度的判断，不仅减少了生产成本，同时将体积进一步减少，方便模块化，易于系统集成；兼具一键触摸键功能，可实现一键系统开关、紧急报警等快速反应的辅助功能。

根据本发明的另一方面，还提供了一种多功能智能人机交互控制方法，应用于如上述的多功能智能人机交互控制系统中，参照图3，该控制方法包括以下步骤：

步骤S100，红外手势采集模块1采集用户所做的操作手势所对应的操作信号；

步骤S200，控制模块2采集操作信号并对操作信号进行处理分析得出操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度，以及将手势方向、手指数量和挥动速度进行结合定义得出具体的控制指令；

步骤S300，通讯模块3接收控制模块2得出的控制指令并发送给与之连接的智能家居系统，实现与智能家居系统的交互。

进一步地，步骤S100包括：控制模块2发出设定频率的载波信号，通过驱动电路驱动红外手势采集模块1中的两个红外发射子模块10分别向两个不同的区域发射红外信号；红外手势采集模块1中的两个红外接收子模块11分别接收经用户的操作手指反射的红外信号。

进一步地，步骤S200包括：控制模块2采集两个红外接收子模块11各自接收到的红外信号，根据采集的持续的信号强度以及信号的同步性判断用户的靠近操作，并向智能家居系统发出唤醒指令。具体地，当控制模块2采集到的两组信号比较强且两组信号一致时，则判断为用户靠近，此时控制模块2箱智能家居系统发出唤醒指令。

进一步地，步骤S200还包括：控制模块2采集两个红外接收子模块11各自接收到的红外信号；控制模块2对采集的两组信号进行相位比较，当两组信号的相位不一致时，将手势方向分为左、右；当两组信号的相位一致时，根据采集的信号的强弱变化，将手势方向分为靠近、远离；控制模块2对采集的每一组信号分别进行取样，通过分析取样数据的波形峰值及周期判断操作手指的手指数量，同时将两组信号分别判断得出的手指数量进行比较，当两组手指数量一致时，判断为正确动作；当两组手指数量不一致时，判断为误动作并忽略该组数据；控制模块2通过对采集的两组信号的相位差进行计算以判断手势的挥动速度。

参照图2和图4，本发明的多功能智能人机交互控制方法的一种优选实施方式的具体过程如下：

DSP控制器发出设定频率的载波信号，通过驱动电路驱动两个红外发射器分别向两个不同的区域发射红外信号。两个红外接收器分别接收从操作手指反射回来的红外信号，并转换为电压信号，送入低通滤波器12降低杂波的影响，再通过运算放大器13进行信号的比例放大后输入DSP控制器。

DSP控制器中的AD信息采样单元20通过高频率地采集两个红外接收器采集和处理后的不同信号，经内部嵌入的算法对采样数据进行手势方向、手指数量以及挥动速度的判定：

DSP控制器中的采样信息计算处理单元21对两组信号的相位进行比较，当两组信号相位不一致时，将手势方向分为左、右；当相位一致时，根据获取信号的强弱变化，将手势方向分为靠近、远离，其中，信号变强时手势方向为靠近，信号变弱时手势方向为远离。

DSP控制器中的采样信息计算处理单元21对每一组信号的波形峰值及周期进行分析，通过取样数据判断操作手指的手指数量，系统识别的指数可分为指数1、指数2、指数3、指数4，同时与另一组信号判断得出的手指数进行比较，当两组手指数量一致时，判断为正确动作；当两组手指数量不一致时，判断为误动作并忽略该组数据。

DSP控制器中的采样信息计算处理单元21对两组信号的相位差进行计算，将手势挥动速度分为快、慢，具体可根据具体要求进行定制。

DSP控制器中的控制指令计算单元22根据采样信息计算处理单元21分析得出的手势方向、手指数量和挥动速度，计算出需发出的控制指令，实现多路控制输入功能，可自定义控制指令，并通过控制指令下发单元23通过一定协议下发给485通讯模块。485通讯模块通过485通讯接口将控制指令发送给智能家居系统，实现人机交互的功能。

本发明的多功能智能人机交互控制方法操作时无需直接接触，满足使用者不方便直接接触时的控制，在一定程度上提高了智能家居控制系统面板的安全性、整洁度、使用寿命；该控制方法根据手势方向、手指数量、挥动速度定义多种控制指令，无需进入操作面板，可直接通过手势的操作控制系统进入具体的功能，操作更加快捷方便，精度高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能智能人机交互控制系统，其特征在于，包括：

红外手势采集模块(1)，用于采集用户所做的操作手势所对应的操作信号；

控制模块(2)，与所述红外手势采集模块(1)相连，用于采集所述操作信号并对所述操作信号进行处理分析得出所述操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度，以及将所述手势方向、所述手指数量和所述挥动速度进行结合定义得出具体的控制指令；

通讯模块(3)，与所述控制模块(2)连接，用于接收所述控制模块(2)得出的所述控制指令并发送给与之连接的智能家居系统。

2.根据权利要求1所述的多功能智能人机交互控制系统，其特征在于，

所述红外手势采集模块(1)包括两个红外发射子模块(10)以及两个红外接收子模块(11)，两个所述红外发射子模块(10)用于分别向两个不同的区域发射红外信号，两个所述红外接收子模块(11)用于接收经用户的操作手指反射的红外信号。

3.根据权利要求2所述的多功能智能人机交互控制系统，其特征在于，

所述红外手势采集模块(1)包括按顺序排列在同一直线上的第一红外接收子模块(R1)、第一红外发射子模块(T1)、第二红外发射子模块(T2)和第二红外接收子模块(R2)，所述第一红外发射子模块(T1)和所述第二红外发射子模块(T2)同时为所述第一红外接收子模块(R1)和所述第二红外接收子模块(R2)提供信号源。

4.根据权利要求2所述的多功能智能人机交互控制系统，其特征在于，

所述红外手势采集模块(1)还包括与所述红外接收子模块(11)连接的低通滤波器(12)、连接于所述低通滤波器(12)之后的运算放大器(13)、以及与所述运算放大器(13)连接的电压反相器(14)，

所述红外接收子模块(11)接收经用户的操作手指反射的红外信号，并将其转化为电压信号后输入所述低通滤波器(12)；

所述低通滤波器(12)用于对输入的电压信号进行滤波处理后输入所述运算放大器(13)；

所述运算放大器(13)用于对输入的信号的比例放大后输入所述控制模块(2)进行逻辑运算；

所述电压反相器(14)用于为所述运算放大器(13)提供反向电压。

5.根据权利要求1所述的多功能智能人机交互控制系统，其特征在于，

所述控制模块(2)包括AD信息采样单元(20)、采样信息计算处理单元(21)、控制指令计算单元(22)、控制指令下发单元(23)，

所述AD信息采样单元(20)用于根据预定的采样周期对所述操作信号进行采样；

所述采样信息计算处理单元(21)通过对采样数据进行分析得出所述操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度；

所述控制指令计算单元(22)根据所述手势方向、所述手指数量和所述挥动速度计算出需发出的所述控制指令；

所述控制指令下发单元(23)用于通过设定的协议将所述控制指令下发给所述通讯模块(3)。

6.根据权利要求1所述的多功能智能人机交互控制系统，其特征在于，

所述多功能智能人机交互控制系统还包括与所述控制模块(2)连接的触摸模块(4)，所述触摸模块(4)包括触摸集成电路和触摸键，所述触摸键用于感应手指的触摸动作，所述触摸集成电路用于采集所述触摸动作对应的操作信号并输入所述控制模块(2)。

7.一种多功能智能人机交互控制方法，应用于如权利要求1至6中任一所述的多功能智能人机交互控制系统中，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100，红外手势采集模块(1)采集用户所做的操作手势所对应的操作信号；

步骤S200，控制模块(2)采集所述操作信号并对所述操作信号进行处理分析得出所述操作手势的手势方向、手指数量和挥动速度，以及将所述手势方向、所述手指数量和所述挥动速度进行结合定义得出具体的控制指令；

步骤S300，通讯模块(3)接收所述控制模块(2)得出的所述控制指令并发送给与之连接的智能家居系统。

8.根据权利要求7所述的多功能智能人机交互控制方法，其特征在于，所述步骤S100包括：

所述控制模块(2)发出设定频率的载波信号，通过驱动电路驱动所述红外手势采集模块(1)中的两个红外发射子模块(10)分别向两个不同的区域发射红外信号；

所述红外手势采集模块(1)中的两个红外接收子模块(11)分别接收经用户的操作手指反射的红外信号。

9.根据权利要求8所述的多功能智能人机交互控制方法，其特征在于，所述步骤S200包括：

所述控制模块(2)采集两个红外接收子模块(11)各自接收到的红外信号，根据采集的持续的信号强度以及信号的同步性判断用户的靠近操作，并向智能家居系统发出唤醒指令。

10.根据权利要求8所述的多功能智能人机交互控制方法，其特征在于，所述步骤S200包括：

所述控制模块(2)采集两个红外接收子模块(11)各自接收到的红外信号；

所述控制模块(2)对采集的两组信号进行相位比较，当两组信号的相位不一致时，将手势方向分为左、右；当两组信号的相位一致时，根据采集的信号的强弱变化，将手势方向分为靠近、远离；

所述控制模块(2)对采集的每一组信号分别进行取样，通过分析取样数据的波形峰值及周期判断操作手指的手指数量，同时将两组信号分别判断得出的手指数量进行比较，当两组手指数量一致时，判断为正确动作；当两组手指数量不一致时，判断为误动作并忽略该组数据；

所述控制模块(2)通过对采集的两组信号的相位差进行计算以判断手势的挥动速度。