基于声光的无触摸式人机交互产品设计

中国电信股份有限公司广东研究院 赖琮霖 黄庆涛

0 引言

当代，全球进入了数字智能时代，人类与机器的交互变得越来越紧密频繁，人机交互技术正向拟人化、智能化、实体化、自然化方向发展[1-2]。其中，用户体验是人机交互产品设计的重要因素[3]，好的用户体验除了满足用户的功能性需求外，还要重视其享乐心理需求，简洁优雅但又不失惊喜，提升用户感官体验。传统的触摸式交互，例如键盘、鼠标、手柄等，已较难进一步提升用户体验。鉴于此，本文设计一种无触摸式的人机交互产品，基于超声波与激光物理媒介，利用Arduino处理器与上位机通信。用户只要轻触光束，便实现人—光/声—电—机的快速联系，具有低成本、响应快、部署便捷等优点，为用户带来不一样的交互体验。

1 硬件电路设计

总体设计有两种模式，模式1将用户是否遮挡光线的动作视作“1”，“0”状态。模式2在模式1的基础上增加了遮挡位置的识别，进一步扩展了可识别的操作范围，从而提升了产品的工作能力。产品硬件部分可分为激光发射模块、激光接收识别模块、超声波测距模块、音频播放模块、微控制器模块。整机以5V电源适配器供电，微控制器选用Arduino，光源选用6个300mw绿色激光管，利用uLn2003进行激光管驱动。接收部分利用光敏电阻串入LM324电压比较器，与基准电压2V作比较实现光-电转换。6路比较器结果经过74148编码后送至控制器，以此节约控制器的引脚资源。控制器在模式1开关模式下，直接进行下一步控制。在模式2，控制器会先触发超声波测距模块计算遮光处垂直距离，将垂直距离分成3段，其结果返回Arduino后通过USB串口控制上位机，并选择事先存储在SD卡内不同音调和音色的音频。外部开关可选择不同乐器，钢琴音、小提琴音和竖琴音。水平面从左到右依次do re mi fa so la，垂直面低位表示低八度，中位正常音，高位表示高8度。选出的音频经过74595并串转换和D/A数模转换器送到喇叭放音。产品框架长宽高分别为80cm，40cm，50cm（见图1）。

1.1 控制器模块设计

Arduino UNO是一款便捷灵活、跨平台、开放性的微处理器，包含32KB的Flash Memory，2KB的SRAM，1KB的EEPROM，支持USB与上位机通信，封装了底层硬件驱动，支持14个数字引脚和6个模拟引脚，16MHz的晶振频率。利用Arduino IDE进行编程操作简单，功能强大。缺点是晶振频率不够高，处理音频较为吃力，并且管脚数不够多。前者可以将音频处理转到硬件上实现，后者则使用两块控制板解决，一块控制激光发送，一块控制激光接收（见图2）。

1.2 激光发射模块设计

图1 产品框图与功能逻辑图

图2 产品模块图

图3 激光驱动电路

LED与激光均可作为光源，在光源选择上，LED节能省电，但其散射严重，手遮在光路上对光敏电阻没有明显效果。激光光路集中亮度高，当光敏电阻受光照射，测试阻值为，无光照射时阻值，区分明显，对光亮变化感应灵敏。激光属于大功能器件，为尽可能提高发射模块性能，经测试，每路激光需，当电源为2.5V180mA时最亮，180mA*6为1080mA。为同时驱动6路，需采用功率放大器件，本方案采用高压大电流达林顿晶体管阵列电路，其集成芯片uLn2003A的特点是响应快，可驱动的功率高，适用本产品（见图3）。

1.3 激光接收模块设计

产品的光-电转换能力靠光敏电阻实现，接收面较小，一般的只有0.5cm。激光具有高度指向性，在发射端只要有一丝偏移，经过一定距离后，都会产生较大的偏移。为解决该问题，产品利用反光纸制成的接收模具使得激光就算不正对光敏电阻，也会在多次的反射后射到电阻产生作用，类似漏斗的原理。以一路接收为例，根据下图组建电路，利用LM324电压比较器将连续的电压值转化成高低电平，比较器的基准电压选用2V（取和作参考电阻）。接收电路使得当有光直射R1时，结果输出高电平，反之输出低电平。之后将6路输出电压利用74148进行8-3编码后送至接收控制器（见图4）。

1.4 超声波测距模块设计

目前常用的测距方案有激光测距、红外测距（GP2D12）和超声波测距。激光测距精度高，反应时间快，但对目标颜色和角度敏感，器件价格高。红外测距原理与激光测距了类似，其发出红外光，对人体较为敏感，但其电压精度与距离是非线性关系的，基本测距范围在10cm到40cm之间，价格也较高。超声波测距方案较为理想，超声波发生装置和接收装置可集成到一块器件上，通过计算超声波的往返时间，可计算出距离。超声波的指向性较强，能耗较少，价格较低，故选用。

图4 激光接收电路

图5 超声波测距模块与接收控制板接线图

Arduino UNO处理器有6个模拟输入引脚，接受0-5V的电压输入，处理器会根据电压值自动做A/D转换成0-1023之间的值。超声波模块选用4Pin反射型，其4个引脚分别是VCC、GND、Trig、Echo。当Trig引脚收到一个大于10ms的高电频信号，则触发8个超声波，同时将Echo置高电平，当超声波接收器接收到8个超声波后（见图5），Echo立即变成低电平。Echo置成高电平的时间为，声波速度以进行计算，则声波从发射到撞到物体的具体为：

1.5 音频播放模块设计

SD卡在产品中用于存储音频文件，它可工作在SD模式和SPI模式，这里用SPI模式，与处理器进行串行通信。Arduino代码开源，可直接调用函数SD.OPEN读取SD卡，操作性好。音频文件是WAV格式，以8bit的PCM编码，可以用脉冲宽度调制（PWM）进行解码，但其对滤波电路和晶振要求高，噪声较大，并且会占用一部分处理器的能力。而DAC0832硬件解码方式不会长时占用CPU，音频的还原度较高，其缺点是I/O占用较多，但可利用74HC595串并转换解决。DAC0832采用单缓冲工作方式，当管脚获得一个上升沿信号，会自动把数据转换相应的模拟电压。但其内部运放的基准电压必须为负，在单电源供电的前提下，需使用IC7660实现-5V供电（见图6）。

图6 SD卡模块与74HC595串并转换

1.6 产品实物图（见图7）

图7 产品实物图

2 软件设计

Arduino具有类Java/C的开发环境，编写方便，结构清晰。硬件程序利用Arduino IDE完成光线遮挡识别、距离计算、开关控制、音频选择以及对上位机的控制。用Processing工具开发上位机的应用程序，例如贪吃色、推箱子、打砖头等。

2.1 硬件程序设计

硬件程序通过持续监听74148的输出起到识别激光的遮挡情况的作用。当第n路激光被用户遮住，控制器会给超声波trig管脚置10ms高电平，并开始计时，直到超声波Echo管脚变成低电平为止。之后利用公式（1）计算遮住位置的垂直距离，根据高度归类第m层。此外，外部开关可选择乐器种类。通过m,n和开关可唯一确定SD内的音频，之后放音，同时对上位机进行控制。动作完成后继续对输入口进行监听。

将超声波模块记录的Echo时长值通过串口输出至上位机测试查看，可在调整参数后对超声波的使用性能进行优化。

图8 硬件程序逻辑

2.2 应用程序设计

产品设计了4种应用程序，如图9所示。其中4根光束可控制动作，第6根光束可切换应用。

图9 产品应用程序

由于篇幅原因，下面对“推箱子”的程序设计逻辑进行描述。图9（右下）的“笑脸”表示小人，“星星”表示物品，有“X”的正方形表示箱子，其他正方形表示墙壁。推箱子的原理是利用坐标关系，游戏中的每个元素都有坐标。游戏通过坐标的加减乘除来执行和识别动作规则。小人的动作只有“上下左右”，游戏的约束条件是碰到墙壁不能往前推，因此要对小人的动作和箱子墙壁的相对位置进行判断，而成功条件是物品和箱子坐标重合。当所有物品都被箱子盖住的时候，则通往下一关。每一关的原理都相同，仅仅初始参数设置不同，这里不再详述。

图10 “推箱子”应用逻辑

3 结论

本文设计的无触摸式人机交互产品具有交互体验好，控制灵活，扩展性强，成本低等优点。当前大多激光类产品还处于“光效”应用，仅利用光束应用感时尚前卫的特点提升产品视觉效果。而光作为未来趋势的一种通信方式，具有速度快，干扰小等特点，除了视觉效果提升外，产品还利用激光实现两板间无触摸式的信息交互，使其脱离了传统触摸式的物理条件限制。本设计产品的应用领域可包含娱乐、工业控制、办公等等，在未来的数字城市中，新型人机交互产品会给人们带来更炫酷的生活体验。

[1]赵永惠.人机交互研究综述[J].信息与电脑,2017(23)：24-25.

[2]周彦鹏.数字媒体时代多媒体终端的人机交互方式新发展[J].大众文艺,2017(8)：272.

[3]丁一,郭伏,胡名彩,等.用户体验国内外研究综述[J].工业工程与管理,2014(4)：92-97.

[4]童诗白,华成英.模拟电子线路基础[M].高等教育出版社,2006.

[5]阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社,1997.

[6]孙骏荣,吴明展.Arduino一试就上手[M].科学出版社,2012.

[7]O’Reilly.爱上制作6[M].人民邮电出版社,2010.

[8]谭亮.Processing互动编程技术[M].电子工业出版社,2011.