基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈的制作方法
【專利摘要】基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈，涉及智能家居領域。它是為了解決現(xiàn)有臺燈模式單一，以及臺燈智能程度低的問題。本發(fā)明通過虛擬模型軟件、語音、手動操作方式與用戶交互的智能臺燈，具有根據(jù)語音指令自動尋書、尋臉、自動調節(jié)燈光強弱和光線焦點等功能?？刂破饔布贏TMEGA芯片為核心的單片機開發(fā)，利用芯片有限的資源，擴展各種端口，集成各種模塊，在實現(xiàn)產品智能化功能的同時保持產品緊湊、性價比高。另外，上位機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，借助虛擬三維模型及機器人學正逆運動學理論，對虛擬模型的運動進行求解并生成控制實體臺燈的命令。本發(fā)明適用于智能家居領域。
【專利說明】基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及智能家居領域。

【背景技術】
[0002]隨著電子技術的不斷發(fā)展，人們對電子產品的要求越來越高，對臺燈性能的要求也越來越苛刻。目前市場上有各種類型的臺燈，但普遍只注重外觀和燈光的亮度調節(jié)等基本功能，這些傳統(tǒng)臺燈模式單一，只具備簡單的用戶體驗，功能都大同小異。國內在臺燈方面的研究和專利側重于臺燈的造型設計，另外一些研究是增減一些器件來實現(xiàn)一些如臺燈工作模式、播放音樂等簡單功能，這些研究均沒有從根本上解決臺燈模式單一、臺燈智能程度低、用戶體驗度低等問題。國外在臺燈方面的研究成熟的多，在臺燈開發(fā)中很注重用戶的體驗度，已經成功將無線充電技術整合入臺燈，簡單的用戶交互功能已經實現(xiàn)，產品的功能很豐富。然而，基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈目前還沒有出現(xiàn)，所以，開發(fā)該款產品很有必要。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有臺燈模式單一，以及臺燈智能程度低的問題，從而提供了一種基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈。
[0004]基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈，它包括它臺燈本體，所述臺燈本體中的燈管接入電源；
[0005]它還包括觸摸屏和執(zhí)行機構2-4 ；
[0006]所述執(zhí)行機構2-4包括兩個互相垂直的舵機1-5，所述兩個垂直的舵機1-5用于控制臺燈本體中的燈頭在水平平面和豎直平面轉動；
[0007]它還包括控制器2 ；
[0008]控制器2包括語音識別電路2-1、光線檢測及控制電路2-2、圖像檢測電路2_3、單片機核心電路2-5、儲存電路2-6、通信電路2-7和降壓電路2-8 ；
[0009]語音識別電路2-1的語音信號輸出端連接單片機核心電路2-5的語音信號輸入端，光線檢測電路2-2的光信號輸出端連接單片機核心電路2-5的光信號輸入端，圖像檢測電路2-3的圖像信號輸出端連接單片機核心電路2-5的圖像信號輸入端，儲存電路2-6的儲存信號端與單片機核心電路2-5的儲存信號端相連接，通信電路2-7的通信信號端與單片機核心電路2-5的通信信號端相連接，降壓電路2-8的降壓信號輸出端連接單片機核心電路2-5的降壓信號輸入端，單片機核心電路2-5的控制信號輸出端連接執(zhí)行機構2-4的控制信號輸入端；
[0010]語音識別電路2-1用于識別臺燈本體所在環(huán)境下的語音信號；
[0011]光線檢測及控制電路2-2用于采集臺燈本體所在環(huán)境下的光強，以及根據(jù)采集到的光強控制施加在燈管兩端電壓的大??；
[0012]圖像檢測電路2-3用于識別定位圖像中的人臉或書的位置；單片機核心電路2-5用于臺燈本體所在環(huán)境下的語音信號、來自通信電路的控制信號、觸摸控制信號控制執(zhí)行機構2-4工作；
[0013]還用于根據(jù)圖像檢測電路2-3識別定位圖像中的人臉或書的位置，計算兩個舵機的位移量，并根據(jù)該位移量控制兩個舵機1-5做相應轉動；
[0014]儲存電路2-6用于存儲單片機核心電路2-5中的數(shù)據(jù)及圖像檢測電路2-3檢測到的圖像信息；
[0015]通信電路2-7用于與手機或筆記本電腦進行信號的接收和發(fā)送；
[0016]降壓電路2-8用于調整電源電壓后給單片機核心電路2-5供電。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1.控制系統(tǒng)使用Atmega2560作為控制芯片，該芯片攜帶有大量的可使用資源，開發(fā)中預留許多端口 ；系統(tǒng)硬件在模塊化的設計思想下，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的外圍模塊，使硬件有很好的可持續(xù)發(fā)展前景。
[0019]2.該智能臺燈有三種控制模式，即虛擬模型控制(電腦/手機)、語音控制及傳統(tǒng)的手動控制，且臺燈能與操作人員進行簡單的交互，這些模式及功能極大的提高了用戶的體驗度，使產品更加智能化、人性化。
[0020]3.開發(fā)的用戶軟件集成了實際臺燈的三維模型，各部分結構、外觀、參數(shù)一一對應，通過無線通信模塊可將實際臺燈與虛擬三維模型位置參數(shù)精確的對應起來，從而實現(xiàn)二者的交互。該操作方法新穎，用戶體驗度高，使產品的功能更加豐富。
[0021]4.該臺燈使用LD3320非特定語音識別模塊，能夠識別非特定語音，通過優(yōu)化后的算法，不需要事先訓練與錄音就能完成非特定語音識別。從而使臺燈使用簡單，面向更多的用戶。
[0022]5.臺燈使用健壯的圖像處理算法識別書本或者人臉，識別正確率高，識別時間短；經過優(yōu)化后的電機控制算法則保證了臺燈運行時的穩(wěn)定。
[0023]6.本發(fā)明不僅是一款臺燈，也是一款智能型機器人，購買者可以通過修改上位機代碼、在預留端口處給臺燈添加相關模塊來實現(xiàn)更多功能，趣味性高。
[0024]7.本發(fā)明可以作為學校學生學習電機控制、圖像識別、語音開發(fā)、單片機開發(fā)、機器人實踐等工具，實現(xiàn)更多價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的機械機構圖；
[0026]圖2為控制器2的內部電路示意圖。

【具體實施方式】
[0027]【具體實施方式】一:下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述的基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈，它包括它臺燈本體，所述臺燈本體中的燈管接入電源；
[0028]它還包括觸摸屏和執(zhí)行機構2-4 ；
[0029]所述執(zhí)行機構2-4包括兩個互相垂直的舵機1-5，所述兩個垂直的舵機1-5用于控制臺燈本體中的燈頭在水平平面和豎直平面轉動；
[0030]它還包括控制器2 ；
[0031]控制器2包括語音識別電路2-1、光線檢測及控制電路2-2、圖像檢測電路2_3、單片機核心電路2-5、儲存電路2-6、通信電路2-7和降壓電路2-8 ；
[0032]語音識別電路2-1的語音信號輸出端連接單片機核心電路2-5的語音信號輸入端，光線檢測電路2-2的光信號輸出端連接單片機核心電路2-5的光信號輸入端，圖像檢測電路2-3的圖像信號輸出端連接單片機核心電路2-5的圖像信號輸入端，儲存電路2-6的儲存信號端與單片機核心電路2-5的儲存信號端相連接，通信電路2-7的通信信號端與單片機核心電路2-5的通信信號端相連接，降壓電路2-8的降壓信號輸出端連接單片機核心電路2-5的降壓信號輸入端，單片機核心電路2-5的控制信號輸出端連接執(zhí)行機構2-4的控制信號輸入端；
[0033]語音識別電路2-1用于識別臺燈本體所在環(huán)境下的語音信號；
[0034]光線檢測及控制電路2-2用于采集臺燈本體所在環(huán)境下的光強，以及根據(jù)采集到的光強控制施加在燈管兩端電壓的大小；
[0035]圖像檢測電路2-3用于識別定位圖像中的人臉或書的位置；單片機核心電路2-5用于臺燈本體所在環(huán)境下的語音信號、來自通信電路的控制信號、觸摸控制信號控制執(zhí)行機構2-4工作；
[0036]還用于根據(jù)圖像檢測電路2-3識別定位圖像中的人臉或書的位置，計算兩個舵機的位移量，并根據(jù)該位移量控制兩個舵機1-5做相應轉動；
[0037]儲存電路2-6用于存儲單片機核心電路2-5中的數(shù)據(jù)及圖像檢測電路2_3檢測到的圖像信息；
[0038]通信電路2-7用于與手機或筆記本電腦進行信號的接收和發(fā)送；
[0039]降壓電路2-8用于調整電源電壓后給單片機核心電路2-5供電。
[0040]【具體實施方式】二:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈作進一步限定，本實施方式中，臺燈本體包括基座1-1、燈桿1-2、燈罩1-3和轉軸1-4 ；
[0041]基座1-1與燈桿1-2的底部通過螺栓連接，燈桿1-2的頂部垂直安裝有兩個互相垂直的舵機1-5，轉軸1-4的底部置于舵機1-5的上方，燈罩1-3的底部通過螺栓與轉軸1-4的頂部相連接，基座1-ι上表面設置有觸摸屏。
[0042]【具體實施方式】三:本實施方式對【具體實施方式】二所述的基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈作進一步限定，本實施方式中，燈桿1-2包括上支架和下支架，上支架和下支架之間通過萬向節(jié)連接。
[0043]【具體實施方式】四:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈作進一步限定，本實施方式中，圖像檢測電路2-3采用OpenCV機器學習算法實現(xiàn)識別定位圖像中的人臉或書的位置。
[0044]【具體實施方式】五:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈作進一步限定，本實施方式中，光線檢測及控制電路2-2采用二極管和BH1750芯片實現(xiàn)。
[0045]通電后在控制器控制下臺燈初始化位置、燈光亮度，燈頭移動到預定位置。
[0046]控制器控制檢測周圍環(huán)境光線后，按照預定亮度，自動調節(jié)燈光電流，使智能燈達到預定亮度；在控制器控制下臺燈搜索周圍的無線信號與聲音，根據(jù)有無信號，自動轉換到虛擬模型控制模式或聲音控制模式。
[0047]若進入虛擬模型控制模式，從無線通信處獲得信息，經控制器分析后產生控制命令，使執(zhí)行機構做出相應運動；若進入聲音控制模式，控制模塊檢測識別后的聲音信號，產生命令，使執(zhí)行機構做出相應運動。
[0048]智能臺燈運行中，攝像頭根據(jù)語音指令按預定時間間隔拍攝周圍環(huán)境，并將圖像上傳,供上位機識別與決策,從而根據(jù)決策命令自動跟蹤書本或人臉。
[0049]通信電路與上位機進行無線連接，上位機軟件主要由虛擬三維臺燈模型、運動學算法、圖像處理算法、控制命令生成/發(fā)送等算法構成。虛擬三維臺燈使用C++語言在3DsMax的輔助下，結合OpenGL建模語言開發(fā)，建立的虛擬三維模型與實際臺燈各部位一一對應，并采用固定的縮放比，模型逼真；所述的虛擬臺燈模型能夠使用鼠標或手指改變不同結構間的相對位置，并將這些位姿信息通過無線通信模塊發(fā)送到實際臺燈端，供臺燈控制模塊分析并做出相應運動；所述的上位機軟件，開發(fā)有接收并分析無線信息的程序，可將所得信息應用于虛擬模型；所述的上位機軟件能夠根據(jù)虛擬模型的相對位姿進行逆運動學分析，得到實際臺燈運行參數(shù)。
[0050]所述的單片機核心電路2-5搭載有下位機程序，能夠處理語音識別、光線檢測模塊、舵機、亮度控制模塊的信號；所述的下位機程序能夠接收無線通信模塊的數(shù)據(jù)，做出相應運動；所述的下位機程序能夠將當前臺燈位姿信息編碼后通過無線通信模塊發(fā)送；所述的下位機程序采用模糊PID方式來控制舵機，該方式使舵機的運轉穩(wěn)定，臺燈動作平緩，而且超調小，運動到目的位置時間短；所述的下位機程序能夠將特殊控制下的攝像頭拍到的圖像信息通過無線通信方式發(fā)送。
[0051]一種基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈控制模塊用以處理分析接收、探測得到的各種數(shù)據(jù)，該模塊搭載Atmel的AVR8比特系列芯片Atmega2560及其初始化電路,并添加簡單LED做指示燈。各外部模塊通過預置的端口與該控制模塊連接。
[0052]所述的攝像頭模塊使用0V7670CM0S VGA圖像傳感器及其外圍電路組成，該圖像傳感器能實現(xiàn)50/60HZ的自動檢測，具有640*480分辨率，VGA圖像最高能達到30幀/秒，滿足設計要求。攝像頭按照固定時間采集到周圍環(huán)境圖像后，使用OpenCV機器學習算法訓練后的文件自動識別定位圖像中的書或人臉，并使用特定算法計算書/人臉的位置，并計算出舵機的位移量。
[0053]所述的降壓模塊使用橋式整流濾波電路和7805以及一些電容組成。該模塊能夠將220V電壓轉化為12V與5V電壓，為相關模塊提供工作電壓。通過橋式整流與濾波后的電壓穩(wěn)定，能保證各模塊的正常運行。
[0054]所述的光線檢測模塊基于BH1750芯片及外圍電阻、電容電路組成，模塊具有很高的精度，通過I2C總線控制。通過感光模塊采集光的強度，經過模數(shù)轉換及核心控制模塊處理后自動調節(jié)智能臺燈的亮度。
[0055]所述的語音識別模塊使用現(xiàn)成的LD3320模塊構成，該模塊能識別非特定語音，通過添加咪頭與喇叭，可實現(xiàn)語音信號的采集與分析。該模塊檢測環(huán)境中的特定語音指令，分析后將信號發(fā)送到Atmega核心控制模塊進行進一步處理，然后控制智能臺燈做出相應的運動。
[0056]所述的無線通信模塊采用ZigXbee作為通信載體,使用串口連接；所選的ZigXbee可任意設置波特率性能。通過該模塊，可實現(xiàn)手機、筆記本電腦命令的接收與發(fā)送，從而無線控制智能臺燈。
[0057]執(zhí)行機構能帶動特制燈罩運動，使攝像頭與燈罩方向發(fā)生改變，從而自動尋書、尋臉并做出簡單的舞蹈動作。
[0058]本發(fā)明設計了一款可以通過虛擬模型軟件、語音、手動操作方式與用戶交互的智能臺燈，具有根據(jù)語音指令自動尋書、尋臉、自動調節(jié)燈光強弱和光線焦點等功能?？刂破饔布贏TMEGA芯片為核心的單片機開發(fā)，利用芯片有限的資源，擴展各種端口，集成各種模塊，在實現(xiàn)產品智能化功能的同時保持產品緊湊、性價比高。另外，上位機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，借助虛擬三維模型及機器人學正逆運動學理論，對虛擬模型的運動進行求解并生成控制實體臺燈的命令。根據(jù)實際臺燈各項物理參數(shù)，設計了適合本智能燈的控制算法，使系統(tǒng)的軟硬件工作可靠，臺燈動作穩(wěn)定。
【權利要求】
1.基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈，它包括它臺燈本體，所述臺燈本體中的燈管接入電源； 其特征在于:它還包括觸摸屏和執(zhí)行機構(2-4)； 所述執(zhí)行機構(2-4)包括兩個互相垂直的舵機(1-5)，所述兩個垂直的舵機(1-5)用于控制臺燈本體中的燈頭在水平平面和豎直平面轉動； 它還包括控制器(2); 控制器⑵包括語音識別電路(2-1)、光線檢測及控制電路(2-2)、圖像檢測電路(2-3)、單片機核心電路(2-5)、儲存電路(2-6)、通信電路(2-7)和降壓電路(2_8)； 語音識別電路(2-1)的語音信號輸出端連接單片機核心電路(2-5)的語音信號輸入端，光線檢測電路(2-2)的光信號輸出端連接單片機核心電路(2-5)的光信號輸入端，圖像檢測電路(2-3)的圖像信號輸出端連接單片機核心電路(2-5)的圖像信號輸入端，儲存電路(2-6)的儲存信號端與單片機核心電路(2-5)的儲存信號端相連接，通信電路(2-7)的通信信號端與單片機核心電路(2-5)的通信信號端相連接，降壓電路(2-8)的降壓信號輸出端連接單片機核心電路(2-5)的降壓信號輸入端，單片機核心電路(2-5)的控制信號輸出端連接執(zhí)行機構(2-4)的控制信號輸入端； 語音識別電路(2-1)用于識別臺燈本體所在環(huán)境下的語音信號； 光線檢測及控制電路(2-2)用于采集臺燈本體所在環(huán)境下的光強，以及根據(jù)采集到的光強控制施加在燈管兩端電壓的大?。? 圖像檢測電路(2-3)用于識別定位圖像中的人臉或書的位置；單片機核心電路(2-5)用于臺燈本體所在環(huán)境下的語音信號、來自通信電路的控制信號、觸摸控制信號控制執(zhí)行機構(2-4)工作； 還用于根據(jù)圖像檢測電路(2-3)識別定位圖像中的人臉或書的位置，計算兩個舵機的位移量，并根據(jù)該位移量控制兩個舵機(1-5)做相應轉動； 儲存電路(2-6)用于存儲單片機核心電路(2-5)中的數(shù)據(jù)及圖像檢測電路(2-3)檢測到的圖像信息； 通信電路(2-7)用于與手機或筆記本電腦進行信號的接收和發(fā)送； 降壓電路(2-8)用于調整電源電壓后給單片機核心電路(2-5)供電。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈，其特征在于:臺燈本體包括基座(1-1)、燈桿(1-2)、燈罩(1-3)和轉軸(1-4)； 基座(1-1)與燈桿(1-2)的底部通過螺栓連接，燈桿(1-2)的頂部垂直安裝有兩個互相垂直的舵機(1-5)，轉軸(1-4)的底部置于舵機(1-5)的上方，燈罩(1-3)的底部通過螺栓與轉軸(1-4)的頂部相連接，基座(1-1)上表面設置有觸摸屏。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈，其特征在于:燈桿(1-2)包括上支架和下支架，上支架和下支架之間通過萬向節(jié)連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈，其特征在于:圖像檢測電路(2-3)采用OpenCV機器學習算法實現(xiàn)識別定位圖像中的人臉或書的位置。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的可交互智能臺燈，其特征在于:光線檢測及控制電路(2-2)采用二極管和BH1750芯片實現(xiàn)。
【文檔編號】G05B19/042GK104076927SQ201410336593
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權日:2014年7月15日
【發(fā)明者】李東潔, 宋鑒, 付英杰, 張越, 尤波, 何岸花 申請人:哈爾濱理工大學