CN113078012A - 一种红外光阵列结构的空中按键及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种红外光阵列结构的空中按键及其实现方法，通过在空中按键内设置一安装平面，在安装平面中心位置中装有1个中心红外收发管，在安装平面周边位置上，等角度关系安装若干相同的红外收发管，形成一个红外收发管阵列；其实现方法是根据各红外收发对管信号的强弱，计算周边比中心红外收发对管信号强的连续红外收发对管的个数与总的红外收发管数的比值，判定空中按键是否有手指遮挡，可以解决空中按键组合使用时误点击的难题，从而大大降低疫情期间多人触摸按键存在的交叉感染的可能性，且本发明的空中按键非常易于实现、成本低廉、工艺简单、安装和维护也非常方便，便于大规模推广。

Description

一种红外光阵列结构的空中按键及其实现方法

技术领域

本发明主要涉及计算机交互领域，主要涉及空中触控技术，具体涉及一种红外光阵列结构的空中按键的结构及其实现方法。

背景技术

在新冠疫情期间，多人触摸电梯按键极有可能会发生病毒、细菌的交叉感染，不利于疫情的防护，非接触式空中触控是解决交叉感染问题的有效手段。空中触控技术是一种极有发展前途的交互式输入技术，近年来发展十分迅速。主要包括基于图像处理的触控技术和其它技术实现的触控技术，图像处理的触控技术容易受周边环境干扰且安装环境受限。而技术相对成熟的主要有电容式、表面声波式、红外线式等触控技术，其中电容式触控技术触控距离短，容易出现误点击操作；表面声波式触控技术存在响应慢、灵敏度差的问题；现有的红外线式触控技术实现的空中按键，能够解决单个按键空中触控问题，但大多数情况下如电梯按键，都是由多个按键组合安装在一起，点击其中某一个按键，会出现相邻按键也被误点击的情况，如何有效解决误点击的问题，这是一个难题。

因此，现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明针对上述难题，提出了一种红外光阵列结构的空中按键及其实现方法，以期通过在按键中布置若干个红外收发对管，并采用红外扫描信号强弱的方法准确判定遮挡位置，以实现按键的非接触式空中触控操作，从而通过空中触摸能有效实现按键交互功能，解决按键直接触摸产生的细菌和病毒的交叉感染问题

本发明为达到上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种红外光阵列结构的空中按键是特点是：所述空中按键内设有一腔体，所述腔体的底面为安装平面，且所述安装平面平行于所述空中按键的表面；在所述安装平面上设置有红外收发对管阵列，所述红外收发对管阵列是在安装平面的中心位置中装有1个收发一体的中心红外收发对管，在所述安装平面的周边位置上，且与所述中心位置呈等角度关系安装若干相同的红外收发对管；所有红外收发对管的发散角均在0°到180°之间的同一固定值，且所述红外收发对管中心点的红外信号最强。

一种所述的红外光阵列结构的空中按键的实现方法的特点是，按如下方法获取红外收发对管遮挡距离：

首先进行标定处理，在空中按键表面进行遮挡标定，获得红外接收管的最大响应电压Vmax0，其表示最小遮挡距离；在距离空中按键表面L处进行遮挡标定，获得红外接收管的最小响应电压Vmin0，其表示最大遮挡距离，其中，L为最远触控距离；移走遮挡物，获得红外接收管的环境响应电压V0；空中按键启动时，获得红外接收管的工作环境响应电压Vb，从而计算得到环境补偿电压，并用于对最大响应电压Vmax0和最小响应电压Vmin0进行补偿后得到最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin；

空中按键工作时，实时获取每一个红外接收管电压，并利用最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin进行归一化处理，令最小值为0，最大值为100，从而得到归一化的电压V，利用电压和遮挡距离的对应关系，实时得到遮挡距离d，无遮挡时的遮挡距离d为无穷大，并用L+1表示。

本发明所述的红外光阵列结构的空中按键的实现方法的特点也在于，是按如下步骤判别空中按键有无手指遮挡：

步骤1：利用红外收发对管遮挡距离的获取方法得到遮挡距离d[i]，i＝0,1,…n；

步骤2：若中心位置的0号红外收发对管的遮挡距离d[0]>L，则判定空中按键无手指遮挡，并用L+1表示手指遮挡距离D，并结束；

步骤3：计算1,2，…n号红外收发对管中遮挡距离小于d[0]的连续红外收发对管的最大个数kmax；

步骤4：计算kmax/n的比值，若比值小于等于S，则判定空中按键有手指遮挡，并将d[0]作为空中按键的手指遮挡距离D；其中，S表示比例阈值，且0<S<1/2；

步骤5：若比值大于S，则判定空中按键无手指遮挡，并将L+1作为空中按键的手指遮挡距离D。

本发明所述的红外光阵列结构的空中按键的实现方法的特点也在于，是按如下步骤识别空中按键的空中按击和空中点击：

令扫描频率为P，定义以T时间内进入距离Dq且以T时间内退出距离Dq为一个空中点击，定义以T时间内进入和退出距离小于距离阈值Ds时为空中按键按下，且Ds＜Dq，T远大于扫描周期1/P；定义一个数组Dt，其长度为m＝P×T+1，初始数组Dt中的每个元素Dt[0],Dt[1],…,Dt[m-1]均为L，定义指针Point，且初值为0；定义状态变量State，其初值为0，每一个扫描周期执行如下步骤：

步骤A：使用空中按键有无手指遮挡的判别方法，获得空中按键有无手指遮挡和手指遮挡距离D；

步骤B：Point赋值(Point+1)mod m，其中mod为取模运算，将D放入Dt[Point]中，求出数组Dt中所有元素与Dt[Point]的差值，记差值最大值为Max，最小值为Min；

步骤C：若空中按键无手指遮挡，则State赋值0，执行空中按键断开，并结束；

步骤D：若Max≤Ds且|Min|≤Ds且空中按键有手指遮挡时间≥T，则执行空中按键按下；

步骤E：当State为0时，若Max≥Dq，则State赋值1，并结束；

步骤F：当State为1时，若|Min|≥Dq，则State赋值0，执行一次空中按键的空中点击。

与现有技术比较，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出的红外光阵列结构的空中按键，在空中按键底部和四周设置若干红外收发对管，形成红外收发对管阵列，根据各红外收发对管信号的强弱，计算周边比中心红外收发对管信号强的连续红外收发对管的个数与总的红外收发对管数的比值，判定空中按键是否有手指遮挡，从而解决空中按键组合使用时的误点击难题；

2、本发明的遮挡距离获取方法，通过定标处理和环境补偿，可以精确获得手指遮挡距离，解决了工作环境和时刻等因素带来的手指距离获取不准的问题。

3、本发明的空中按键空中按击和空中点击的实现方法，利用有效算法同时判定手指一定时间内前进、后退距离和驻留位置，实现按击和点击操作，复杂度低，判别准确。

4、本发明的空中按键，便于实现，市场上现有的一般红外收发对管便能满足本发明需要，无须增加其它光学器件；本发明的空中按键便于任何组合使用。

5、本发明的空中按键，可以直接替换电梯、门禁等各种设备上的按键，安装和维护方便。

附图说明

图1为本发明的一种红外光阵列结构的空中按键示意图；

图2为空中按键红外收发对管安装布局示意图；

图3为空中按键最大响应电压标定处理示意图；

图4为空中按键最小响应电压标定处理示意图；

图5为空中按键环境背景电压标定处理示意图；

图6为空中按键有手指遮挡示意图；

图7为空中按键红外收发对管接收信号强弱示意图；

图8为空中按键按下操作示意图；

图9为空中按键有遮挡手指且手指前进状态示意图；

图10为空中按键执行空中点击操作示意图；

图11为空中按键断开操作示意图；

图12为按键处理器连接示意图。

具体实施方式

本实施例中，一种红外光阵列结构的空中按键：是在空中按键内设有一腔体，腔体的底面为安装平面，且安装平面平行于空中按键的表面；在安装平面上设置有红外收发对管阵列，红外收发对管阵列是在安装平面的中心位置中装有1个收发一体的中心红外收发对管，在安装平面的周边位置上，且与中心位置呈等角度关系安装若干相同的红外收发对管；所有红外收发对管的发散角均在0°到180°之间的同一固定值，且红外收发对管中心点的红外信号最强。

具体实施时，如图1所示在空中按键的表面下方平行于空中按键表面的20mm距离处，设有一红外收发对管的安装平面，安装平面的大小与形状和空中按键一致；在安装平面上设置有红外收发对管阵列，红外收发对管阵列是在空中按键底部中心即在安装平面的中心位置中装有1个收发一体的中心红外收发对管，令其编号为0，在安装平面的周边位置上，且与中心位置呈等角度关系均匀安装7个红外收发对管，按顺序对其进行编号1，2，…7，如图2所示，角度α1＝α2＝…＝α7。所有红外收发对管的发散角均在0°到180°之间的同一固定值，且红外收发对管中心点的红外信号最强。

本实施例中，一种红外光阵列结构的空中按键的实现方法，是按如下方法获取红外收发对管遮挡距离：

首先进行标定处理，在空中按键表面进行遮挡标定，获得红外接收管的最大响应电压Vmax0，其表示最小遮挡距离，如图3所示；在距离空中按键表面L处进行遮挡标定，获得红外接收管的最小响应电压Vmin0，其表示最大遮挡距离，其中，L为最远触控距离，如图4所示；移走遮挡物，获得红外接收管的环境响应电压V0，如图5所示；空中按键启动时，获得红外接收管的工作环境响应电压Vb，从而计算得到环境补偿电压，并用于对最大响应电压Vmax0和最小响应电压Vmin0进行补偿后得到最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin；

空中按键工作时，实时获取每一个红外接收管电压，并利用最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin进行归一化处理，令最小值为0，最大值为100，从而得到归一化的电压V，利用电压和遮挡距离的对应关系，实时得到遮挡距离d，无遮挡时的遮挡距离d为无穷大，并用L+1表示。

具体实施时，L取50mm。

本实施例中，一种红外光阵列结构的空中按键的实现方法，是按如下步骤判别空中按键有无手指遮挡：

步骤1：利用红外收发对管遮挡距离的获取方法得到遮挡距离d[i]，i＝0,1,…n；

步骤2：若中心位置的0号红外收发对管的遮挡距离d[0]>L，则判定空中按键无手指遮挡，并用L+1表示手指遮挡距离D，并结束；

步骤3：计算1,2，…n号红外收发对管中遮挡距离小于d[0]的连续红外收发对管的最大个数kmax；

步骤4：计算kmax/n的比值，若比值小于等于S，则判定空中按键有手指遮挡，并将d[0]作为空中按键的手指遮挡距离D；其中，S表示比例阈值，且0<S<1/2；

步骤5：若比值大于S，则判定空中按键无手指遮挡，并将L+1作为空中按键的手指遮挡距离D。

具体实施时，S取1/4，n取8。从图6可以看出本发明解决误点击的效果，1、2、3号空中按键有手指遮挡，分别计算红外收发对管的最大个数kmax与总的对管数n的比值。如图7所示，1号空中按键kmax/n的比值为3/4，大于阈值S；2号空中按键的kmax/n比值为1，大于阈值S；3号空中按键的kmax/n比值为1/4，等于阈值S，满足条件，所以正确判定3号空中按键有手指遮挡，而排出了1号、2号空中按键的手掌遮挡。

本实施例中，一种红外光阵列结构的空中按键的实现方法，是按如下步骤识别空中按键的空中按击和空中点击：

令扫描频率为P，定义以T时间内进入距离Dq且以T时间内退出距离Dq为一个空中点击，定义以T时间内进入和退出距离小于距离阈值Ds时为空中按键按下，且Ds＜Dq，T远大于扫描周期1/P；定义一个数组Dt，其长度为m＝P×T+1，初始数组Dt中的每个元素Dt[0],Dt[1],…,Dt[m-1]均为L，定义指针Point，且初值为0；定义状态变量State，其初值为0，每一个扫描周期执行如下步骤：

步骤A：使用空中按键有无手指遮挡的判别方法，获得空中按键有无手指遮挡和手指遮挡距离D；

步骤B：Point赋值(Point+1)mod m，其中mod为取模运算，将D放入Dt[Point]中，求出数组Dt中所有元素与Dt[Point]的差值，记差值最大值为Max，最小值为Min；

步骤C：若空中按键无手指遮挡，则State赋值0，执行空中按键断开，并结束；

步骤D：若Max≤Ds且|Min|≤Ds且空中按键有手指遮挡时间≥T，则执行空中按键按下；

步骤E：当State为0时，若Max≥Dq，则State赋值1，并结束；

步骤F：当State为1时，若|Min|≥Dq，则State赋值0，执行一次空中按键的空中点击。

具体实施时，令扫描频率P为100次/s，T为0.1s，数组Dt长度m为10，Ds为5mm，Dq为10mm，Dt元素初始值均为51mm。如图8所示空中按键有手指遮挡，手指遮挡距离D为48mm，差值最大值Max和最小值Min是3mm，均小于Ds＝5mm，则只要手指在触发区停留时间在0.1秒以上，则判定空中按键按下；如图9所示手指为前进状态，手指遮挡距离D＝25mm，差值最大值Max为26mm，大于Dq(10mm)，状态变量state赋值1；如图10所示，手指为后退状态，手指遮挡距离D＝40mm，最小值Min为-15mm，|Min|＝15>Dq，且状态变量state＝1，则判定空中按键执行一次点击操作，并将状态变量state赋值0；如图11所示手指不在触发区，空中按键无手指遮挡，手指距离D＝51mm，则执行按键断开操作。

本发明上述所有方法均在如图12所示的按键处理器中完成，按键处理器由单片机、放大、采样、电源等电路组成。按键处理器扫描获得所有红外收发对管的电信号，实现上述各种方法，在图12所示的输出接口中执行空中按键的按下、断开、点击等各种操作。

综上所述，本发明的空中按键可有效解决空中按键组合使用时误点击难题，抗干扰性强、灵敏度高、成本低、工艺简单等诸多优点，可以直接替换电梯、门禁等各种设备上的按键，使得安装和维护方便，特别便于推广应用。

Claims (4)

1.一种红外光阵列结构的空中按键，其特征是：所述空中按键内设有一腔体，所述腔体的底面为安装平面，且所述安装平面平行于所述空中按键的表面；在所述安装平面上设置有红外收发对管阵列，所述红外收发对管阵列是在安装平面的中心位置中装有1个收发一体的中心红外收发对管，在所述安装平面的周边位置上，且与所述中心位置呈等角度关系安装若干相同的红外收发对管；所有红外收发对管的发散角均在0°到180°之间的同一固定值，且所述红外收发对管中心点的红外信号最强。

2.一种权利要求1所述的红外光阵列结构的空中按键的实现方法，其特征是，按如下方法获取红外收发对管遮挡距离：

首先进行标定处理，在空中按键表面进行遮挡标定，获得红外接收管的最大响应电压Vmax0，其表示最小遮挡距离；在距离空中按键表面L处进行遮挡标定，获得红外接收管的最小响应电压Vmin0，其表示最大遮挡距离，其中，L为最远触控距离；移走遮挡物，获得红外接收管的环境响应电压V0；空中按键启动时，获得红外接收管的工作环境响应电压Vb，从而计算得到环境补偿电压，并用于对最大响应电压Vmax0和最小响应电压Vmin0进行补偿后得到最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin；

空中按键工作时，实时获取每一个红外接收管电压，并利用最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin进行归一化处理，令最小值为0，最大值为100，从而得到归一化的电压V，利用电压和遮挡距离的对应关系，实时得到遮挡距离d，无遮挡时的遮挡距离d为无穷大，并用L+1表示。

3.根据权利要求2所述的红外光阵列结构的空中按键的实现方法，其特征是，按如下步骤判别空中按键有无手指遮挡：

步骤1：利用红外收发对管遮挡距离的获取方法得到遮挡距离d[i]，i＝0,1,…n；

步骤2：若中心位置的0号红外收发对管的遮挡距离d[0]>L，则判定空中按键无手指遮挡，并用L+1表示手指遮挡距离D，并结束；

步骤3：计算1,2，…n号红外收发对管中遮挡距离小于d[0]的连续红外收发对管的最大个数kmax；

步骤4：计算kmax/n的比值，若比值小于等于S，则判定空中按键有手指遮挡，并将d[0]作为空中按键的手指遮挡距离D；其中，S表示比例阈值，且0<S<1/2；

步骤5：若比值大于S，则判定空中按键无手指遮挡，并将L+1作为空中按键的手指遮挡距离D。

4.根据权利要求3所述的红外光阵列结构的空中按键的实现方法，其特征是，按如下步骤识别空中按键的空中按击和空中点击：

令扫描频率为P，定义以T时间内进入距离Dq且以T时间内退出距离Dq为一个空中点击，定义以T时间内进入和退出距离小于距离阈值Ds时为空中按键按下，且Ds＜Dq，T远大于扫描周期1/P；定义一个数组Dt，其长度为m＝P×T+1，初始数组Dt中的每个元素Dt[0],Dt[1],…,Dt[m-1]均为L，定义指针Point，且初值为0；定义状态变量State，其初值为0，每一个扫描周期执行如下步骤：

步骤A：使用空中按键有无手指遮挡的判别方法，获得空中按键有无手指遮挡和手指遮挡距离D；

步骤B：Point赋值(Point+1)modm，其中mod为取模运算，将D放入Dt[Point]中，求出数组Dt中所有元素与Dt[Point]的差值，记差值最大值为Max，最小值为Min；

步骤C：若空中按键无手指遮挡，则State赋值0，执行空中按键断开，并结束；

步骤D：若Max≤Ds且|Min|≤Ds且空中按键有手指遮挡时间≥T，则执行空中按键按下；

步骤E：当State为0时，若Max≥Dq，则State赋值1，并结束；

步骤F：当State为1时，若|Min|≥Dq，则State赋值0，执行一次空中按键的空中点击。

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