CN105302296A - 基于激光雷达的人机交互地面系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的人机交互地面系统，包括至少两个激光雷达探测装置、控制主机以及显示屏；所述至少两个激光雷达探测装置连接所述控制主机；所述显示屏为安装在地面上的LED显示屏或者投影仪将显示内容投射到地面上；其中所述激光雷达探测装置形成与地面平行的放射状激光扫描面，检测所述扫描面上的触摸动作进而定位触摸点的极坐标信息；所述控制主机根据所述触摸点的极坐标信息和对应激光雷达探测装置的空间位置信息计算出触摸点的空间位置。通过上述方式，本发明能够解决现有激光雷达触控技术中检测量有限的问题，并且灵活适应地面显示区域的大小。

Description

基于激光雷达的人机交互地面系统

技术领域

本发明涉及人机交互技术，特别是涉及一种基于激光雷达的触控人机交互技术。

背景技术

目前常用的地面投影交互系统是采用红外摄像机捕捉人体的运动和位置信息，由于自然光包含红外光，这项技术存在一个问题就是非常容易受到环境光的干扰，户外和灯光比较明亮的户内会出现反应过敏或者失灵的现象。

激光雷达触控技术采用激光雷达探测装置形成放射状激光扫描面，检测所述扫描面上的触摸动作进而定位一个或多个触摸点的位置信息，相对于传统的红外技术，具有对环境光线不敏感，抗干扰能力强等优点。但是由于激光雷达接受传感器的体积和功率限制，有效的检测半径仅为3m，形成的扫描面为半径3m的半圆，离探测装置较远的区域定位精度会下降，检测量有限。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于激光雷达的人机交互地面系统，能够解决目前激光雷达触控技术中检测量有限的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光雷达的人机交互地面系统，包括：至少两个激光雷达探测装置、控制主机以及显示屏；所述至少两个激光雷达探测装置连接所述控制主机；所述显示屏为安装在地面上的LED显示屏或者投影仪将显示内容投射到地面上；其中所述激光雷达探测装置形成与地面平行的放射状激光扫描面，检测所述扫描面上的触摸动作进而定位触摸点的极坐标信息；所述控制主机根据所述触摸点的极坐标信息和对应激光雷达探测装置的空间位置信息计算出触摸点的空间位置。

其中所述至少两个激光雷达探测装置分布于所述显示屏周边。

其中所述至少两个激光雷达探测装置形成的激光扫描面在同一平面上，并且形成的激光扫描面部分重叠。

其中所述至少两个激光雷达探测装置形成的激光扫描面至少在两个不同平面上，并且沿着垂直于地面的方向分布，以实现立体触控。

其中所述至少两个激光雷达探测装置使用的激光频率各不相同，并且所述至少两个激光雷达探测装置中的每个激光雷达探测装置只检测与自身发出激光频率相同的激光。

其中所述至少两个激光雷达探测装置使用的激光为调制激光，所述至少两个激光雷达探测装置中的每个激光雷达探测装置使用的调制激光包含自身识别信息，并且所述至少两个激光雷达探测装置中的每个激光雷达探测装置识别出包含自身识别信息的调制激光并进行处理。

其中所述激光雷达探测装置包括红外激光雷达发射器，红外激光雷达接收器和电机；所述红外激光雷达发射器和所述红外激光雷达接收器固定在所述电机的输出轴上；所述电机带动所述红外激光雷达发射器和所述红外激光雷达接收器往复运动。

其中所述至少两个激光雷达探测装置中的任意一个激光雷达探测装置的红外激光雷达接收器不会接受其他激光雷达探测装置直接射入的红外激光。

其中所述至少两个激光雷达探测装置与所述控制主机之间的连接方式为有线连接和/或无线连接。

本发明的有益效果是：通过至少两个激光雷达探测装置的协调和组合可以有效的扩大检测量，并且灵活适应地面显示区域的大小。

附图说明

图1是现有技术中采用投影仪的激光雷达人机交互地面系统的示意图；

图2是本发明人机交互地面系统一个实施例中两个激光雷达探测装置相对设置并且扫描面部分重叠的示意图；

图3是本发明人机交互地面系统一个实施例中扫描面在同一平面上的至少两个激光雷达探测装置组合检测触摸点的流程图；

图4是本发明人机交互地面系统另一个实施例中多个激光雷达探测装置形成的扫描面在同一平面上的示意图；

图5是本发明人机交互地面系统又一个实施例中多个激光雷达探测装置形成的扫描面在不同平面上实现立体触控的示意图；

图6是本发明人机交互地面系统又一个实施例中扫描面在不同平面上的多个激光雷达探测装置组合检测触摸点的流程图。

具体实施方式

图1为现有采用投影仪的激光雷达人机交互地面系统的示意图。现有技术中采用投影仪的激光雷达人机交互地面系统包括激光雷达探测装置1、控制主机2以及投影仪3，其中激光雷达探测装置1连接控制主机2。

投影仪3将显示内容投射在地面上形成显示屏，也可以使用安装在地面上的LED屏作为显示屏。安装在地面上的激光雷达探测装置1形成平行于地面的放射状激光扫描面11，检测使用者的肢体或使用的其他物体对激光的阻挡信息来确定触摸点的极坐标信息，并将极坐标信息传送给控制主机2。控制主机2根据触摸点的极坐标信息和激光雷达探测装置1的空间位置信息计算出触摸点的空间位置，并根据该空间位置判断是否需要更新显示内容；如果需要，投影仪3输出更新后的显示内容。

图中扫描线之间的角间距仅为示意，实际角间距受到激光雷达探测装置中动力装置(一般为步进电机或伺服电机)和激光脉冲频率的限制。可以看出在放射状激光扫描面11中，离激光雷达探测装置1越远，两条扫描线之间的距离越远，触摸点12的定位精度越低。激光雷达探测装置1有效的检测半径仅为3m，形成的扫描面为半径3m的半圆，检测量有限。

参阅图2，为解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光雷达的人机交互系统实施方式，系统包括：

至少两个激光雷达探测装置(图2以两个激光雷达探测装置为例)201和202、控制主机220以及显示屏230。显示屏230可以为投影仪将显示内容投射到地面上形成的显示区域，也可以为安装在地面上的LED显示屏。至少两个激光雷达探测装置201和202连接控制主机220。激光雷达探测装置201和202在形成平行于地面的放射状激光扫描面211和212，检测所述扫描面211和212上的触摸动作进而定位触摸点241和242的极坐标信息。控制主机220根据触摸点241和242的极坐标信息和对应激光雷达探测装置201和202的空间位置信息计算出触摸点241和242的空间位置。其中两个激光雷达探测装置201和202检测半径和扫描线的角间距相同，两者相对设置使得形成的扫描面211和212在同一平面上并且部分重叠。系统安装完成之后需要进行校准，以显示屏230为参考获得激光雷达探测装置201和202的空间位置，并且确保扫描面211和212在同一个平面上并且部分重叠。

因本发明实施方式中将激光雷达探测装置201和202设置为扫描面211和212在同一个平面上并且部分重叠，因此在重叠区域能够提高检测精度，以下描述提高检测精度的原理：

假设在重叠区域存在两个触摸点241、242，触摸点241能够被两个激光雷达探测装置201和202的扫描线各自检测到；而触摸点242由于位于激光雷达探测装置201所射出的两条相邻扫描线之间，没有被激光雷达探测装置201检测到，对激光雷达探测装置201而言出现了漏检，只被激光雷达探测装置202的扫描线检测到。

则对于能够被两个激光雷达探测装置201和202的扫描线各自检测到的触摸点241，存在两个检测结果，可以根据此两检测结果排除检测误差提高检测精度；而对于被激光雷达探测装置201漏检的触摸点242而言，则幸运地被激光雷达探测装置202检测到，同样能够提高检测精度。

图中扫描线之间的角间距仅为示意，实际应用中为了形成有效的扫描面，角间距一般小于1°。一般而言，只要如图2所示将激光雷达探测装置201和202设置为扫描面211和212在同一个平面上并且部分重叠，则在重叠区域能够形成扫描线交错的网格结构，使得重叠区域能被更多扫描线覆盖到，进而能够提高检测精度。

其中激光雷达探测装置201和202均包括激光雷达发射器、激光雷达接收器和电机(图中均未画出)；激光雷达发射器和激光雷达接收器固定在电机的输出轴上；电机带动激光雷达发射器和激光雷达接收器往复运动。在本发明的一个实施例中，激光雷达发出的激光为红外激光，可以减少触摸屏对屏幕显示内容的影响。

激光雷达探测装置201和202与控制主机220之间的连接方式可以为有线连接，如串口，USB；也可以为无线通信，如Wi-Fi；或者是二者的结合。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，扫描面在同一平面上的至少两个激光雷达探测装置组合检测触摸点的实施步骤包括：

步骤310，检测触摸动作并从激光雷达探测装置获得触摸点的极坐标。

每个激光雷达探测装置的电机均按照设定速度转动以带动激光雷达发射器和激光雷达接收器旋转，激光雷达发射器旋转的同时发射红外激光脉冲，形成放射状的激光扫描面。如果在扫描面中出现触摸点，即有物体阻挡了激光，则红外激光脉冲被反射回激光雷达探测装置，从而被激光雷达接收器接收，经计算得到触摸点的距离信息，加上检测到触摸点时激光雷达探测装置与水平面的角度信息，组合成为触摸点的极坐标。每个触摸点可能只被一个激光雷达探测装置检测到，也可能被至少两个激光雷达探测装置检测到。

步骤320，根据触摸点的极坐标和对应激光雷达探测装置的空间位置信息计算触摸点的空间坐标。

由于获得的触摸点的坐标信息是相对于激光雷达探测装置的极坐标，不存在鬼点问题。根据触摸点的极坐标和对应激光雷达探测装置的空间位置信息计算得出触摸点的空间坐标。

步骤330，判断是否有触摸点被至少两个激光雷达探测装置检测到。

当根据至少两个激光雷达探测装置计算出的至少两个触摸点空间坐标完全相同或者间距小于某个阈值(根据测量精度设置)时，可判定为一个触摸点被至少两个激光雷达探测装置检测到。

步骤340，计算被至少两个激光雷达探测装置检测到的触摸点的空间坐标。

该触摸点的空间坐标由步骤330中所述空间坐标完全相同或者间距小于某个阈值的至少两个触摸点的空间坐标共同决定。当所述至少两个触摸点的空间坐标完全相同时，那么该坐标即为实际触摸点的空间坐标。当所述至少两个触摸点空间坐标间距小于某个阈值(根据测量精度设置)时，计算平均数得到实际触摸点的空间坐标。

举例说明一个触摸点被两个激光雷达探测装置检测到的情况下的判定和坐标计算过程(步骤330和340)。例如激光雷达探测装置A检测到的触摸点a的极坐标为(ρ1,θ1)，计算得到的空间坐标为(x1,y1,z1)，激光雷达探测装置B检测到的触摸点b的极坐标为(ρ2,θ2)，计算得到的空间坐标为(x2,y2,z2)；如果两个空间坐标完全相同即x1＝x2,y1＝y2,z1＝z2，那么a和b为同一个触摸点，实际空间坐标为(x,y,z)，其中x＝x1＝x2,y＝y1＝y2,z＝z1＝z2；如果两个空间坐标之间的距离小于某个阈值(根据测量精度设置)，那么a和b为同一个触摸点，实际触摸点的空间坐标(x,y,z)可以为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)的平均值，即 也可以引入极坐标的半径求出加权平均值，半径越短，测量精度越高，所占的权重越大， $y=\frac{\mathrm{\ρ}2}{\mathrm{\ρ}1+\mathrm{\ρ}2}y1+\frac{\mathrm{\ρ}1}{\mathrm{\ρ}1+\mathrm{\ρ}2}y2,z=\frac{\mathrm{\ρ}2}{\mathrm{\ρ}1+\mathrm{\ρ}2}z1+\frac{\mathrm{\ρ}1}{\mathrm{\ρ}1+\mathrm{\ρ}2}z2.$ 当一个触摸点被多个激光雷达探测装置检测到时，判定和计算坐标的方法同上。

步骤350，将触摸点的空间坐标转换为显示屏上的平面坐标。

将触摸点的空间坐标转换为平面坐标，再将触摸点的平面坐标对应投映到显示屏上的平面坐标。如果触摸屏和显示屏之间存在缩放关系，那么将触摸点的平面坐标进行缩放处理之后再投映到显示屏上。

结合图2和图3，两个激光雷达探测装置201和202相对设置，形成的扫描面211和212部分重叠。触摸点242虽然在激光雷达探测装置201的检测半径内，但是因为离激光雷达探测装置201距离较远且位于两条扫描线之间而被漏检，另一个激光雷达探测装置202检测到了触摸点242，弥补了单个激光雷达探测装置检测量不足的缺陷，提高了检测精度。

如图4所示，在本发明的另一个实施例中，至少两个激光雷达探测装置(图中以3对相对设置的激光雷达探测装置为例)401、402……至406分布于显示屏430的周边，形成的平行于地面的激光扫描面411、412……至416在同一平面上以实现触控平面的扩大，激光雷达探测装置401、402……至406与控制主机相连(图中未画出)。图中每对激光雷达探测装置相对设置且扫描面部分重叠；也可以由单侧的激光雷达探测装置来扩大触控平面，比如取消402、404和406，由401、403和405组合形成更大的触控平面，或者取消401、403和405，由402、404和406组合形成更大的触控平面。激光雷达探测装置的个数可以根据实际屏幕的大小以及精度要求而设置。

扫描面在同一平面上的多个激光雷达探测装置组合检测探测点的过程如图3所示。结合图4和图3，触摸点441只被激光雷达探测装置401检测到，没有被其他激光雷达探测装置检测到，且在其他激光雷达探测装置的检测范围之外；触摸点442只被激光雷达探测装置405检测到，没有被其他激光雷达探测装置检测到，且在其他激光雷达探测装置的检测范围之外。扫描面在同一平面上的多个激光雷达探测装置组合扩大了触控平面以适应更大的显示屏430，扩大了检测量。

如图5所示，在本发明的又一个实施例中，5个激光雷达探测装置501、502……至505安装在支撑架59上，形成的平行于地面的激光扫描面511、512……至515在不同的平面上，并且沿着垂直于地面的方向分布，以实现立体触控，激光雷达探测装置501、502……至505与控制主机相连(图中未画出)。系统安装完成之后需要进行校准，以地面为参考获得激光雷达探测装置501至505的空间位置。

图中虽然画出了激光雷达探测装置501、502……至505共5个激光雷达探测装置，实际激光雷达探测装置的数目可以为大于等于2的任意整数。图中垂直于地面的方向上的多个激光雷达探测装置501、502……至505之间的距离决定了纵向的定位精度，激光雷达探测装置的数量和间距共同决定了纵向的触控范围。图中所示的每个扫描平面上只使用了一个激光雷达探测装置，也可以使用激光扫描面在同一平面上的至少两个雷达探测装置来扩大单个平面的检测量。

如图6所示，在本发明的一个实施例中，扫描面在不同平面上的多个激光雷达探测装置组合检测触摸点的实施步骤包括：

步骤610，检测触摸动作并从激光雷达探测装置获得触摸点的极坐标。

每个激光雷达探测装置的电机均按照设定速度转动以带动激光雷达发射器和激光雷达接收器旋转，激光雷达发射器旋转的同时发射红外激光脉冲，形成放射状的激光扫描面。如果在扫描面中出现触摸点，即有物体阻挡了激光，则红外激光脉冲被反射回激光雷达探测装置，从而被激光雷达接收器接收，经计算得到触摸点的距离信息，加上检测到触摸点时激光雷达探测装置与水平面的角度信息，组合成为触摸点的极坐标。

步骤620，根据触摸点的极坐标和对应激光雷达探测装置的空间位置信息计算触摸点的空间坐标。

由于获得的触摸点的坐标信息是相对于激光雷达探测装置的极坐标，不存在鬼点问题。根据触摸点的极坐标和对应激光雷达探测装置的空间位置信息计算得出触摸点的空间坐标。

步骤630，将触摸点的空间坐标组合得到立体触控的空间信息。

将分布在至少两个不同平面上的触摸点的空间坐标组合起来，得到立体触控的空间位置、大小和形状信息。

如果在单个扫描平面上使用了至少两个雷达探测装置来扩大单个平面的检测量，那么在计算触摸点的空间坐标时需要加入是否被至少两个雷达探测装置检测到的判断，具体过程可以参考前面图3中的步骤330和340。

结合图5和图6，多个激光雷达探测装置501、502……至505形成的激光扫描面在不同的平面上，并且沿着垂直于地面的方向分布形成扫描空间，当有物体进入扫描空间时，在不同平面上检测到触摸点，将触摸点的空间坐标组合计算，可以得到物体的空间位置、大小和形状信息，实现了立体触控，扩大了检测量。

为了防止不同的激光雷达探测装置之间的相互干扰，在本发明的一个实施例中，每个激光雷达探测装置中的激光雷达发射器发出的激光频率各不相同，在每个激光雷达探测装置中激光雷达接收器的前面加装滤光片，每个滤光片只允许与该激光雷达探测装置中的激光雷达发射器发出的激光频率相同的光通过，使得每个激光雷达探测装置只检测与自身发出激光频率相同的激光。

为了防止不同的激光雷达探测装置之间的相互干扰，在本发明的另一个实施例中，激光雷达探测装置使用的激光为调制激光，每个激光雷达探测装置使用的调制激光包含自身识别信息，每个激光雷达探测装置中的激光雷达接收器接收到激光之后进行解调，只对包含自身识别信息的调制激光进行处理。

当两个激光雷达探测装置相对设置时，有可能会发生对射，即其中一个激光雷达探测装置中的激光雷达发射器发出的激光直接射入另一个激光雷达探测装置中的激光雷达接收器，这样会产生较强的干扰。在本发明的另一个实施例中，任意一个激光雷达探测装置的红外激光雷达接收器不会接受其他激光雷达探测装置直接射入的红外激光。当两个相对设置的激光雷达探测装置转动速度以及往复运动的角度范围都相同时，可以使两者启动角度不同和/或启动时间不同来形成两个激光雷达探测装置之间的角度差来避免对射。此外，还可以在两个激光雷达探测装置发生对射时控制激光雷达发射器不工作和/或激光雷达接收器不接收激光来避免干扰。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于激光雷达的人机交互地面系统，其特征在于，所述系统包括：

至少两个激光雷达探测装置、控制主机以及显示屏；

所述至少两个激光雷达探测装置连接所述控制主机；

所述显示屏为安装在地面上的LED显示屏或者投影仪将显示内容投射到地面上；

其中所述激光雷达探测装置形成与地面平行的放射状激光扫描面，检测所述扫描面上的触摸动作进而定位触摸点的极坐标信息；

所述控制主机根据所述触摸点的极坐标信息和对应激光雷达探测装置的空间位置信息计算出触摸点的空间位置。

2.根据权利要求1所述的人机交互地面系统，其特征在于，所述至少两个激光雷达探测装置分布于所述显示屏周边。

3.根据权利要求1所述的人机交互地面系统，其特征在于，所述至少两个激光雷达探测装置形成的激光扫描面在同一平面上，并且形成的激光扫描面部分重叠。

4.根据权利要求1所述的人机交互地面系统，其特征在于，所述至少两个激光雷达探测装置形成的激光扫描面至少在两个不同平面上，并且沿着垂直于地面的方向分布，以实现立体触控。

5.根据权利要求1所述的人机交互地面系统，其特征在于，所述至少两个激光雷达探测装置使用的激光频率各不相同，并且所述至少两个激光雷达探测装置中的每个激光雷达探测装置只检测与自身发出激光频率相同的激光。

6.根据权利要求1所述的人机交互地面系统，其特征在于，所述至少两个激光雷达探测装置使用的激光为调制激光，所述至少两个激光雷达探测装置中的每个激光雷达探测装置使用的调制激光包含自身识别信息，并且所述至少两个激光雷达探测装置中的每个激光雷达探测装置识别出包含自身识别信息的调制激光并进行处理。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的人机交互地面系统，其特征在于，所述激光雷达探测装置包括红外激光雷达发射器，红外激光雷达接收传感器和电机；所述红外激光雷达发射器和所述红外激光雷达接收传感器固定在所述电机的输出轴上；所述电机带动所述红外激光雷达发射器和所述红外激光雷达接收传感器往复运动。

8.根据权利要求7所述的人机交互地面系统，其特征在于，所述至少两个激光雷达探测装置中的任意一个激光雷达探测装置的红外激光雷达接收器不会接受其他激光雷达探测装置直接射入的红外激光。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的人机交互地面系统，其特征在于，所述至少两个激光雷达探测装置与所述控制主机之间的连接方式为有线连接和/或无线连接。