CN111831121B - 一种人机交互动态虚拟热环境系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人机交互动态虚拟热环境系统及其实现方法，包括环境室、动力机组和控制设备，动力机组为环境室提供热环境，动力机组包括第一制冷机组和第二制冷机组；环境室为半封闭舱室，用户处于环境室内，环境室的内壁设有多个进风口，第一制冷机组通过进风口为环境室提供冷风或热风，第二制冷机组通过导热元件为环境室的内壁提供冷量或热量，环境室的每个内壁表面均设有多个触摸区，每个触摸区对应一组或多组导热元件，虚拟成像设备包括多个虚拟场景，控制设备根据用户选定的虚拟场景和用户的位移信息、动作信息和触摸信息，实时控制动力机组为环境室提供相应热环境。本发明可为用户提供一个真实的、沉浸式的多感官物理环境与交互体验。

Description

一种人机交互动态虚拟热环境系统及实现方法

技术领域

本发明涉及建筑环境与设备、人工智能领域，尤其涉及一种人机交互动态虚拟热环境系统及实现方法。

背景技术

改善现实生活中的居住环境，可以有效提高用户们的生活质量。作为建筑设备，空调设备/技术的迅速发展，使人们可以在炎热夏天更加舒适的生活在凉爽的屋内。适当合理的利用空调制冷热泵设备/技术，甚至可以使人们在同一个空间内获得四季如春的感觉，或者是一天四季的不停变化。虚拟现实技术是近些年发展起来的一种环境体验技术。通过给人们带上虚拟现实设备(例如头盔和眼镜)，或直接进入带有虚拟成像功能的房间/大厅，并且提前在虚拟设备中植入设置好的场景，可以使得人们在一个固定的地方，在短暂的时间内看到或者感受到不同场地、环境下的境况。可以实现在同一地方迅速游览世界各地，或者是体验太空和月球环境，甚至是一个完全通过人工设定假象的虚拟空间(比如游戏场景)。通常，虚拟场景不仅需要相应的图像/影像设备，还需要与之相对应的热力学设备，提供与其对应的热环境(主要是温度、湿度与风速等)。

传统的虚拟热环境中的设备则由所需要设定的环境来进行提前设计和布置，即用户进入环境室前，配套设备和虚拟的场景已经提前设置完成。人进入环境室后，通常只能进行场景选择，而不能进行自行修改和设定环境场景，或者是热力学设备根据人在环境中的情况进行相关的调整。而在现实生活中，人作为一个个体，不管在任何一个环境之中，一定是一个重要的对环境影响的生物体。由于用户的作用和影响非常重大，如需要较为真实的实现虚拟的环境，则需要考虑用户的因素，增加相关的机制和设备，实现用户与机器交互的工程。

发明内容

本发明提供了一种人机交互动态虚拟热环境系统及其实现方法，不仅可以实现在各种环境下的虚拟模拟，也可以实现人与环境，环境与设备之间的即时交互传递，为用户提供一个真实的、沉浸式的多感官物理环境与交互体验。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种人机交互动态虚拟热环境系统，包括环境室、动力机组和控制设备，动力机组为环境室提供热环境，动力机组包括第一制冷机组和第二制冷机组；环境室为半封闭舱室，用户处于半封闭舱室内，环境室内设有虚拟成像设备，用户可从虚拟成像设备中选定虚拟场景，虚拟成像设备与控制设备通信连接；环境室的内壁设有多个进风口，第一制冷机组通过进风口为环境室提供冷风或热风，环境室的内壁与外壁之间均匀布设多组并列设置的导热元件，第二制冷机组通过导热元件为环境室的内壁提供冷量或热量，环境室的每个内壁表面均设有多个触摸区，每个触摸区对应一组或多组导热元件，控制设备根据用户选定的虚拟场景和用户的位移信息、动作信息和触摸信息，实时控制动力机组为环境室提供相应送风参数和相应内壁的壁面温度。

作为本发明的优选方式之一，所述虚拟成像设备为VR设备或全息影像设备。

作为本发明的优选方式之一，所述第一制冷机组为压缩制冷机组，第二制冷机组为压缩制冷机组和/或半导体制冷机组，导热元件为换热管和/或半导体片。

作为本发明的优选方式之一，环境室内均匀布设多个热力学动态监测装置，每个触摸区均设有动态触摸装置，热力学动态监测装置用于捕捉用户在环境室内的位移信息和动作信息，动态触摸装置用于感测用户的触摸信息。

作为本发明的优选方式之一，所述虚拟成像设备包括可触摸界面生成模块，用户在环境室内动作时，可触摸界面生成模块生成虚拟物品界面，虚拟物品界面的位置与内壁的一个或多个触摸区相匹配，虚拟物品界面对应的热环境为冰冷、烫热或冷热交替中的任一种。

作为本发明的优选方式之一，用户的任意肢体靠近虚拟物品界面对应的内壁时，第一制冷机组为环境室提供与该虚拟场景和虚拟物品界面对应的送风参数，第二制冷机组为该内壁提供与该虚拟物品界面对应的热环境。

作为本发明的优选方式之一，用户的任意肢体接触该虚拟物品界面对应的触摸区时，第二制冷机组为该触摸区对应的导热元件提供与该虚拟物品界面对应的热环境。

作为本发明的优选方式之一，控制设备包括安全预警模块，用户触摸该虚拟物品界面对应的内壁时，安全预警模块控制第二制冷机组使得触摸区的温度处于安全范围内。

作为本发明的优选方式之一，所述送风参数包括送风温度、湿度、风速和风向，第一制冷机组为环境室提供与虚拟场景相应的送风温度和湿度，环境室的每个内壁表面均设有定向风扇，定向风扇根据用户的位移信息定向控制风向和风速。

本发明还提供一种人机交互动态虚拟热环境实现方法，包括：

用户从虚拟成像设备中选定虚拟场景；

实时获取用户在环境室内的位移信息、动作信息和触摸信息；

根据用户的位移信息和动作信息，控制环境室的送风参数和相应壁面温度，使用户处于与虚拟场景相应的热环境内；

用户靠近或触摸任一内壁时，控制该内壁触摸区和/或其周边导热元件的温度，使其产生与虚拟场景中的虚拟物品界面对应的热环境。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

本发明既可以随着用户的位移和动作实时控制热环境，还可以与虚拟成像设备人机交互，用户看到的虚拟物品界面热环境都可以通过感触来实现，为用户提供了一个真实、沉浸式的多感官物理环境与交互体验。

附图说明

图1为实施例1所述人机交互动态虚拟热环境系统原理示意图；

图2为实施例1所述环境室内使用状态示意图；

图3为实施例2所述环境室内使用状态示意图；

图4为实施例3所述第二制冷机组和环境室内布置示意图；

图中，10-第一制冷机组，20-第二制冷机组，30-环境室，40-控制设备；11-进风口，12-出风口，13-双向风口，14-风扇，21-换热管，22-半导体片，31-热力学动态监测装置，32-触摸区，33-动态触摸装置；51-VR眼镜，52-全息影像设备。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步地描述，但本发明的保护范围并不仅仅限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种人机交互动态虚拟热环境系统，包括动力机组、环境室30和控制设备40，动力机组提供相关的热环境，环境室30为环境半封闭舱室，用户佩戴VR设备处于环境半封闭舱室内，环境室内提供相关的虚拟环境并接受人体的反馈实现人机互动，控制设备40提供相关的控制机制和策略。

动力机组包括第一制冷机组10和第二制冷机组20，第一制冷机组10和第二制冷机组20均为压缩制冷机组，第一制冷机组10通过设于环境室的多个进风口11为环境室提供冷风或热风，第二制冷机组20通过设于环境室内壁与外壁之间的多组换热管21为内壁提供冷量或热量(环境室的四面均设有换热管，图中仅示出两面)。每组换热管21之间并联设置(制冷剂管与换热管的连接图中未示出)，可通过控制分流阀门使第二制冷机组仅为某一组或多组换热管21提供冷量或热量，优选地，相同面积内并联的换热管组数越多越好。

环境室内，空气经过过滤器后进入风箱，在风箱中被来自于第一动力机组的制冷剂降温除湿后，经过加热器进行调节温度，随后进入环境室的进风口11，对环境室进行降温，实现制冷的目的。从第二动力机组中的低温制冷剂在环境室的换热管21中，提供壁面的辐射制冷工况。环境室的侧壁和顶壁均设有进风口11和出风口12，顶壁还设有双向风口13，既可以进风也可以出风，具体风向由实际工况而定，环境室的冷风或热风经出风口排出室外，优选地，经出风口排出室外进行余热利用后再排出室外，由此实现该系统的节能减排。

环境室30的送风参数包括送风温度、湿度、风速和风向，第一制冷机组10为环境室提供与虚拟场景相应的送风温度和湿度，环境室的每个内壁表面均设有定向风扇14(图中仅示出两个)，定向风扇14根据用户的位移信息定向控制风向和风速。

如图2所示，环境室30的上下左右均匀布设多个热力学动态监测装置31，用于捕捉用户在环境室内的位移信息和动作信息，环境室30的每个内壁表面均设有多个触摸区32，每个触摸区32均设有多个动态触摸装置33，每个触摸区32与一组或多组换热管21的位置相对应，动态触摸装置33用于感测用户的触摸信息。

控制设备与第一制冷机组和第二制冷机组中的截止阀、压缩机、风出口风道、分流阀以及定向风扇、热力学动态监测装置、动态触摸装置和VR设备均电性连接。

VR设备可以为VR眼镜51或VR头盔或其他VR成像设备。

环境室的人机交互功能：

VR眼镜51内设有多个虚拟场景，例如古代皇宫、城堡、北极、各种游戏场景等，VR眼镜51包括可触摸界面生成模块，用户在环境室内动作时，可触摸界面生成模块可生成虚拟物品，该虚拟物品对应有冰冷、烫热或冷热交替中的任一种热环境。

当用户在环境室内进行运动时，环境室会通过用户所带的VR设备生成虚拟场景。用户在环境室内，由于眼睛所感受到的成像不同，进行相应的动作，这些动作通过室内的热力学动态监测设备和动态触摸装置进行捕捉和反馈。当用户靠近或贴近墙壁时，墙壁的换热管和环境室的送风装置根据热力学动态监测设备和壁面动态触摸装置进行捕捉和反馈的信号进行开和关的调整。与用户贴近或用户所接触的换热管组进行工作或关闭，提供用户所需要的触感，或保护用户不被冻/烫伤，而周围的换热管组进行工作，通过辐射和余热给用户虚拟出一种周围的环境工况。环境室的进风口根据用户的位置进行送风，维持整个环境室内的温度达到所需的环境。

例如用户处在一个虚拟的北极的探险环境。当用户在虚拟场景(环境室)内走动/运动时，虚拟场景会生成岩石等虚拟物品界面，因为是虚拟界面，这个岩石可以试给用户冰冷或烫热的感觉，或者冷热与冰冷交替发生。当用户靠近这些虚拟物品界面中的物品(为墙壁)时，墙壁会根据用户的位置，进行换热管组的开启和关闭，使该墙壁产生冰冷或烫热的辐射热环境，同时，可控制第一制冷机组以及定向风扇、风机模拟送风温湿度、风速、风向，让用户感受到极为逼真的北极的岩石附近热环境。当用户触碰岩石对应的触摸区时，可控制第二制冷机组为该触摸区内的换热管组提供冷量或热量，保证用户碰触的地方有虚拟界面中的冷热的感觉。而远离用户的触摸区，由于换热管组较难辐射给用户体热量或冷量，因此换热管组进行关闭，节省整个设备的能耗。

可见，本实施例所述人机交互动态虚拟热环境系统，既可以随着用户的位移和动作实时控制热环境，还可以与VR设备人机交互，用户看到的虚拟物品界面热环境都可以通过感触来实现，为用户提供了一个真实、沉浸式的多感官物理环境与交互体验。

本实施例中，为了保证用户的肢体不被冻伤或烫伤，可在控制设备中嵌入安全预警模块，用户触摸内壁时，安全预警模块控制触摸区的温度处于安全范围内。

实施例2

如图3所示，本实施例所述人机交互动态虚拟热环境系统，与实施例1不同之处在于，虚拟成像设备为全息影像设备52，其安装于环境室的顶部或者底部或其它位置，可为整个环境室内呈现虚拟场景。该全息影像设备与控制设备进行通信连接。

用户在全息影像设备中选定虚拟场景，环境室的四周即可呈现相应的虚拟场景，用户在环境室内走动/运动时，虚拟场景会生成相应的虚拟物品界面，例如，在某一游戏场景中，突然飘起了雪花，还有一个雪人，此时控制设备40即可控制第一制冷机组10为环境室提供雪花相应的环境，当用户靠近该雪人对应的墙壁时，控制第二制冷机组20为该墙壁提供雪人的冷环境，当用户远离墙壁时，关闭第二制冷机组，维持最低能耗。若随着用户的走动，又看到了沙漠等炎热环境，即刻改变第一制冷机组的工况，使其为用户提供炎热环境，其他工况的控制过程诸如此类，不再一一赘述。

实施例3

如图4所示，本实施例所述人机交互动态虚拟热环境系统，与实施例1不同之处在于，导热元件为半导体片，第二制冷机组为半导体制冷机组，可通过半导体片为环境室的壁面提供冷量或热量。半导体制冷/制热较为迅速，且半导体片较容易控制，本实施例在每个内壁里侧贴设多排半导体片，每排半导体片由多个半导体片组成，每个半导体之间均通过开关阀并联设置(图中仅示出一排半导体片的并联连接)，每个触摸区对应多个半导体片。如此结构，使得控制设备较为容易、且灵活地控制触摸区对应的半导体片的温度。

例如，用户处在一个虚拟的冰山探险环境，当用户在环境室内走动时，通过佩戴的VR眼镜看到了自己被冰山围绕，环境室内的环境即为寒冷，第一制冷机组和第二制冷机组均工作，为环境室提供寒冷工况。若用户靠近某一内壁，控制半导体制冷机组为该内壁提供冰山所需的更低的冷量，若用户用手触摸或者背部、腿部接触到内壁的某一触摸区，控制半导体制冷机组为该触摸区内的半导体片提供更低的冷量，该触摸区周围的半导体片继续维持环境室冷量即可。若感测到用户在动态接触内壁，那么，实时动态地控制用户触摸区的温区，为用户提供逼真的冷环境接触感受。

实施例4

本实施例提供一种人机交互动态虚拟热环境实现方法，用于实施例1-3所述的人机交互动态虚拟热环境系统，包括以下步骤：

用户从虚拟成像设备中选定虚拟场景；

实时获取用户在环境室内的位移信息、动作信息和触摸信息；

根据用户的位移信息和动作信息，控制环境室的送风参数和相应壁面温度，使用户处于与虚拟场景相应的热环境内；

用户靠近或触摸任一内壁时，控制该内壁触摸区和/或其周边导热元件的温度，使其产生与虚拟场景中的虚拟物品界面对应的热环境。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种人机交互动态虚拟热环境系统，其特征在于，包括环境室、动力机组和控制设备，动力机组为环境室提供热环境，动力机组包括第一制冷机组和第二制冷机组；

环境室为半封闭舱室，用户处于半封闭舱室内，环境室内设有虚拟成像设备，用户可从虚拟成像设备中选定虚拟场景，虚拟成像设备与控制设备通信连接；

环境室的内壁设有多个进风口，第一制冷机组通过进风口为环境室提供冷风或热风，环境室的内壁与外壁之间均匀布设多组并列设置的导热元件，第二制冷机组通过导热元件为环境室的内壁提供冷量或热量，环境室的每个内壁表面均设有多个触摸区，每个触摸区对应一组或多组导热元件，控制设备根据用户选定的虚拟场景和用户的位移信息、动作信息和触摸信息，实时控制动力机组为环境室提供相应送风参数和相应内壁的壁面温度；

所述虚拟成像设备包括可触摸界面生成模块，用户在环境室内动作时，可触摸界面生成模块生成虚拟物品界面，虚拟物品界面的位置与内壁的一个或多个触摸区相匹配，虚拟物品界面对应的热环境为冰冷、烫热或冷热交替中的任一种；

用户的任意肢体靠近虚拟物品界面对应的内壁时，第一制冷机组为环境室提供与该虚拟场景和虚拟物品界面对应的送风参数，第二制冷机组为该内壁提供与该虚拟物品界面对应的热环境。

2.根据权利要求1所述的人机交互动态虚拟热环境系统，其特征在于，所述虚拟成像设备为VR设备或全息影像设备。

3.根据权利要求2所述的人机交互动态虚拟热环境系统，其特征在于，所述第一制冷机组为压缩制冷机组，第二制冷机组为压缩制冷机组和/或半导体制冷机组，导热元件为换热管和/或半导体片。

4.根据权利要求3所述的人机交互动态虚拟热环境系统，其特征在于，环境室内均匀布设多个热力学动态监测装置，每个触摸区均设有动态触摸装置，热力学动态监测装置用于捕捉用户在环境室内的位移信息和动作信息，动态触摸装置用于感测用户的触摸信息。

5.根据权利要求4所述的人机交互动态虚拟热环境系统，其特征在于，用户的任意肢体接触该虚拟物品界面对应的触摸区时，第二制冷机组为该触摸区对应的导热元件提供与该虚拟物品界面对应的热环境。

6.根据权利要求5所述的人机交互动态虚拟热环境系统，其特征在于，控制设备包括安全预警模块，用户触摸该虚拟物品界面对应的内壁时，安全预警模块控制第二制冷机组使得触摸区的温度处于安全范围内。

7.根据权利要求1所述的人机交互动态虚拟热环境系统，其特征在于，所述送风参数包括送风温度、湿度、风速和风向，第一制冷机组为环境室提供与虚拟场景相应的送风温度和湿度，环境室的每个内壁表面均设有定向风扇，定向风扇根据用户的位移信息定向控制风向和风速。

8.人机交互动态虚拟热环境实现方法，用于权利要求1-7中任一项所述人机交互动态虚拟热环境系统，其特征在于，包括：

用户从虚拟成像设备中选定虚拟场景；

实时获取用户在环境室内的位移信息、动作信息和触摸信息；

根据用户的位移信息和动作信息，控制环境室的送风参数和相应壁面温度，使用户处于与虚拟场景相应的热环境内；

用户靠近或触摸任一内壁时，控制该内壁触摸区和/或其周边导热元件的温度，使其产生与虚拟场景中的虚拟物品界面对应的热环境。