一种悬浮式投影交互系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种悬浮式投影交互系统，由磁悬浮控制底座部分和悬浮交互投影部分两个组件构成，两个组件又分为磁悬浮模块、无线充电模块、交互触控模块、微型投影模块和核心控制板模块五个子系统。所述磁悬浮控制底座部分主要用于悬浮起上方悬浮交互投影部分，并为其无线传输电能，悬浮交互投影部分主要用于多角度投影、网络通信和实现触控交互功能。本发明可有效解决当前微型投影易受振动影响，造成投影画面抖动、镜头无法自动调焦、投影区域无法自动梯形校正等问题，同时利用线性激光、摄像头和微型投影为使用者提供投影交互操作手段，从而呈现出一种全新的悬浮投影交互体验方式，让投影摆脱外界干扰，开辟悬浮微型投影交互市场应用新思路。
【专利说明】
一种悬浮式投影交互系统
技术领域
[0001]本发明涉及磁悬浮技术、无线充电、微型投影技术和触控交互技术，具体涉及一种悬浮式投影交互系统。
【背景技术】
[0002]当前，微型投影仪技术逐步走向成熟，市场规模逐步扩大，但是该技术所衍生的产品均存在问题，如易受振动影响、需要固定位置播放、固定焦距需要手动调试，且用于近距离播放的短焦镜头成本昂贵，使得一般消费者只能望而却步，此外对于微型投影仪的图像梯形矫正和自动对焦等操作大多采用插入式鼠标或者手动调节，容易导致投影位置和焦距的改变，从而造成投影画面质量的下降。磁悬浮技术是根据磁铁的同性相斥、异性相吸原理，产生悬浮效果。该技术的应用也在相关展示领域得到展现，如磁悬浮地球仪、磁悬浮展示台和磁悬浮音箱等，这些应用通过新奇的悬浮效果吸引了顾客眼球，展现了良好的市场前景。但是磁悬浮技术也存在诸多问题，如磁悬浮地球仪、磁悬浮音箱等存在有意外断电后悬浮物掉落摔坏和伤及手指的风险。现今无线充电的应用大多是采用电磁感应原理，以空气为介质实现电能传输的技术。该技术当前主要用于手机近距离无线充电，不仅可以做到一对多充电、智能充电，还能充分实现充电的便利化、安全化，但充电距离短、电能转换率低、抗干扰能力弱和易造成辐射等成为该技术发展难以克服的障碍，因而无线充电技术的普及仍需时日。当前激光红外键盘主要是利用红外激光和摄像头图像采集，同时搭配镭射光线打出键盘格子从而对手指位置进行标定和判断。激光红外键盘区别于传统机械键盘，具有轻便易携带、使用方便等优点。但在技术上还无法做到触控的精细化和小区域灵敏化，触控区域面积也不可由使用者喜好改变，准确度有一定的限制，而且镭射光线对眼睛有一定的伤害，不适合儿童使用，导致市场产品销售不佳。
[0003]鉴于以上问题，有必要提供一种无线充电和触控交互的磁悬浮投影系统平台，既能够解决微型投影易受振动影响、无法自动调焦、梯形校正和短焦投影成本高的问题，又能解决因意外断电而摔坏悬浮物的问题，同时提供投影交互操作，进而为开发者带来新的投影研发思路，降低镜头生产成本，同时也为消费者呈现一种全新的磁悬浮投影体验方式，而且目前将激光、摄像头和磁悬浮微型投影画面三者合到一起来进行触控交互的悬浮投影产品并未出现，悬浮式交互投影使得整体结构功能富有立体感、动态感、生命感等。这一产品的出现将开辟悬浮微型投影交互市场应用新思路，其必然具有很好的市场推广价值。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的问题和不足，本发明提出一种悬浮式投影交互系统，既能够解决微型投影易受振动影响、无法自动调焦、梯形校正和短焦投影成本高的问题，又能解决因意外断电而摔坏悬浮物的问题，同时利用激光、摄像头和微型投影为使用者提供一种全新的悬浮投影交互体验方式，让投影彻底摆脱外界振动干扰，调焦繁琐、图像矫正困难和物理键盘限制问题，开辟悬浮微型投影交互市场应用新思路。
[0005]为解决上述问题，本发明提出了一种悬浮式投影交互系统，从结构划分所述悬浮式投影交互系统包括磁悬浮控制底座部分和悬浮交互投影部分上下两部分，从功能划分所述悬浮式投影交互系统包括磁悬浮模块、无线充电模块、交互触控模块、微型投影模块和核心控制板模块五个模块。
[0006]所述磁悬浮模块包括位于磁悬浮控制底座部分内部的锂电池(I)、永磁铁环(2)、电磁铁线圈柱(3)、霍尔传感器(4)和底座内部控制板(6)，以及位于悬浮交互投影部分内部的悬浮磁铁(10)。
[0007]所述无线充电模块包括位于磁悬浮控制底座部分内部的无线充电发射线圈(7)和悬浮交互投影部分内部的无线充电接收线圈(9)。
[0008]所述交互触控模块包括位于磁悬浮控制底座部分的线激光发射器(5)和位于悬浮交互投影部分的摄像头(12)。
[0009]所述微型投影模块包括位于悬浮交互投影部分的微型投影光机(13)和反射透射装置(14)，所述微型投影光机(13)用于投射画面，所述反射透射装置(14)处于所述微型透射光机(13)的投射路径上时，用于折射所述微型投影光机(13)投射的画面至投影区域，以形成触控桌面。
[0010]所述核心控制板模块包括位于悬浮交互投影部分内部的核心控制板(11)，用于控制所述悬浮式投影交互系统中各个模块。
[0011]本发明提出的方案中所述磁悬浮控制底座内部主要由一块环形永磁铁、底座内部控制板、线激光、四个电磁铁线圈、起落架和电机、大功率无线充电发射线圈和霍尔传感器组成。底座内部控制板主要有电流监控检测、电流控制和与网络通信组件组成，磁悬浮控制底座外部凹槽设有协助稳定悬浮物的起落架。
[0012]所述悬浮交互投影部分主要由悬浮磁铁、贴于悬浮磁铁底层的接收线圈、核心控制板、摄像头、微型投影光机和可以翻动的光路模组组成，它们共同连接于核心控制板模块。
[0013]所述微型投影设备和光路模组由投影设备和反光镜片组成，主要结合物理原理和数学计算制造出一套具备短焦镜头功能的光路系统，满足特定的投射角度和固定投射比的投影镜头搭配形成短焦镜头的功能需求。其中微型投影光机自制，对于流明度的选取，经过反复试验验证达到合适，并能够解决当今微投影设备加风扇散热问题。
[0014]所述摄像头主要用来采集线激光和微型投影光机投射的图像，主要依靠特定的算法进行定位处理和梯形校正，可以把任意平面作屏幕使用，实现无物理屏也能进行交互操作功能，具有很高的算法实现难度和新颖性。
[0015]本发明的有益效果是:
[0016]I)利用磁悬浮方式投影，解决了传统微型投影仪固定位置播放易摆放位置振动而影响投影画面质量问题，给人耳目一新的感觉，大大增强了投影体验效果。
[0017]3)特殊光学结构的反射透射板，满足多角度微型投影投放画面模式，即可向下投射于桌面观看投影画面，亦可斜向上投射于墙面等观看投影画面，操作简单边界，改变以往微型投影改变投射角度后需要重新固定和调焦的繁琐。
[0018]4)利用自平衡起落架来协助使用者把需要稳定的悬浮物定位到固定位置，悬浮物平衡后自动收起并隐藏与底座上部的凹槽内，当出现意外断电时，自平衡起落架弹起以支撑悬浮物，保证悬浮物会摔落下来而造成损坏，解决了现存产品如，磁悬浮地球仪、磁悬浮音箱等摆放困难和意外断电易摔坏问题。
[0019]5)利用线激光、摄像头和微型投影光机共同构成投影交互系统，实现微型投影的自动对焦、自动梯形校正和手势位置的确定和定位，可把任意桌面当作触摸屏幕使用，实现了以往传统键盘和触摸屏的所有功能，给用户带来炫酷的操作体验。
【附图说明】
[0020]图1为本发明整体立体组合示意图；
[0021 ]图2为本发明磁悬浮电磁铁搭配协助悬浮起落架分解示意图；
[0022]图3为本发明微型投影光路原理平面示意图。
[0023]附图标记:1_锂电池;2-永磁铁环;3-电磁铁线圈柱;4-霍尔传感器;5-线激光发射器;6-底座内部控制板;7-无线充电发射线圈；8-自平衡起落架;9-无线充电接收线圈；10-悬浮永磁铁11-核心控制板;12-摄像头;13-微型投影光机;14-反射透射板。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0025]下面结合附图与具体方式对本发明进一步描述。
[0026]参见图1、图2，本发明提供了一种悬浮式投影交互系统，从结构上所述悬浮式投影交互系统包括磁悬浮控制底座部分和悬浮交互投影部分，形成上下两大部分。从实现功能上所述悬浮式投影交互系统包括磁悬浮模块、无线充电模块、交互触控模块、微型投影模块和核心控制板模块五个主要功能模块。
[0027]参见图1，所述磁悬浮模块包括磁悬浮控制底座部分内部的永磁铁环(2)、电磁铁线圈柱(3)、霍尔传感器(4)、底座内部控制板(6)和悬浮交互投影部分内部的悬浮磁铁
(10)。所述磁悬浮控制底座内部的永磁铁环(2)、霍尔传感器(4)和电磁铁线圈柱(3)共同受底座内部控制板(6)协调控制。所述永磁铁环(2)位于磁悬浮控制底座部分内部，用于吸引悬浮磁铁(10)，配合电磁铁线圈柱(3)排斥悬浮磁铁，共同保证上方悬浮交互投影部分的稳定;所述悬浮磁铁用于托起系统上方悬浮交互投影部分，固定于悬浮部分的外壳下部。所述电磁铁线圈柱(3)包括四个，分别位于磁悬浮控制底座部分内部的四个方向上;所述霍尔传感器(4)有2个，位于四个电磁铁线圈柱(3)的中间，与无线充电发射线圈(7)处于同一平面，一个水平放置一个垂直摆放，用以检测水平方向和垂直方向的磁量变换导致电流的变化，变化经过底座内部控制板(6)外围电路上的运放电路和A/D采集输入至底座内部控制板
(6)主控芯片分析处理，当两个不同角度摆放的霍尔传感器(4)监测到悬浮磁铁(10)因上下偏移造成不同方向磁通量变化，继而造成底部闭环系统整体磁通量的偏移改变，之后底座内部控制板(6)根据霍尔传感器(4)计算出四个方向上的磁通量大小去改变四个电磁铁线圈柱(3)通过电流的大小量，从而控制电磁铁线圈柱(3)输出不同大小电流，以使四个电磁铁对悬浮磁铁(10)的斥力得到增大或者减小，从而使上方的悬浮磁铁(10)发生上下的偏移。四个电磁铁线圈柱(3)构成的闭环系统根据上方悬浮磁铁(10)偏移的造成力量的不均产生不同的斥力来排斥悬浮磁铁(10)，进而构成一个闭环系统保证悬浮平衡。
[0028]参见图1、图2，所述无线充电模块包括位于底座内上表面的无线充电发射线圈(7)和位于上部的悬浮内部贴于悬浮磁铁(10)下表面的无线充电接收线圈(9)，所述无线充电发射线圈(7)位于所述底部电磁铁线圈柱(3)的上方，利用电磁感应原理传输电能到无线充电接收线圈(7)。无线充电发射线圈(7)由独自开发的无线发射电路系统和底座内部发射线圈(7)组成，利用电磁感应原理接收来自下方传递来的电能，其中无线发射系统外围电路设计位于底部控制板(6)上并受其控制，悬浮体内的核心控制板6上拥有自行设计的无线监控电路，其主要具有无线充电电流监测功能和续航能力监控功能。无线充电发射线圈(9)位于永磁铁环(2)和电磁铁线柱(3)表面，配合霍尔传感器(4)实时监测，既不影响正常悬浮所需要的磁量又能提高电能传输功率。接收线圈是基于电磁感原理而制作和改进的，能够提高一定的接收效率和功率。
[0029]参见图1，所述交互触控模块包括位于磁悬浮控制底座部分的线激光发射器(5)和位于悬浮交互投影部分倾斜的摄像头(12)，其中，所述线激光发射器(5)灯头照射方向为水平方向，发射的激光在触控桌面上方形成一个一字线激光平面，水平扇形照射角度为180°，为手指反光采集图像使用。当手指去触摸桌面时，线激光会照射到手指上，此时摄像头会接收到手指的线激光反光，从而定位手指位置;所述摄像头(12)用于采集触控桌面上的手指动作图像，当没有手指去触碰桌面时，摄像头接收不到反光，当有手指去进行触控操作时，会拍摄到反光，进而根据反光位置来定位。所述摄像头(12)倾斜于悬浮交互投影部分上表面，微型投影光机(13)投射画面到任意平面形成触控桌面后，由所述摄像头(12)实时采集在触控桌面上的手指动作图像，核心控制板(11)再对所述摄像头采集得到手指同坐图像进行实时算法处理，形成一个实时图像采集系统。所述触控桌面有效区域具有以任意物体平整表面、桌面等为触摸屏的优势，使用户摆脱鼠标和物理屏幕操作的限制。所述核心控制板11依靠交互触控模块采集手指动作图像和依靠内部程序算法以实现触控的动作校正和定位。
[0030]参见图1、图3，所述微型投影模块位于悬浮交互投影部分，主要包括微型投影光机
(13)和反射透射装置(14)，受核心控制板(11)控制。所述微型投影光机(13)位于悬浮体内部按照光学计算获得的固定位置，所述反射透射装置(14)受小电机控制，并有两个位置可以选择，当在位置I时，从外界看不到里面的投影光机，此时反射投射装置(14)起反射作用，当在位置2时，从外界能看到里面的投影光机，此时投影画面可直射出来。当反射透射装置
(14)起反射作用时，射出的投影光线经位于悬浮体外部的反射透射装置(14)位于位置I时被反射，光路由原来的直线变为折线，从而延长了投影路径，使本来投射比变小，从而使投射出来的画面更大。反射到投影桌面形成与地面成45-60度角的投影区域，协同触控交互模块中的倾斜摄像头(12)实现梯形校正和自动调节焦距，具有不用短焦镜头即可实现多角度微型投影和自动梯形校正功能。当位于位置I时，反射透射装置(14)此时镜面为反光镜，其中一面镀有金属。当投影光机射出的画面照射到其表面后，画面被反射到触控桌面上，这样触控桌面上即可呈现投影画面，交互触控模块即可正常使用。当反射透射装置(14)位于位置2时，镜面不再起遮挡作用，投影光机投射出的画面会直接投射到墙上，此时设备即可当作普通微型投影仪使用，交互触控模块此时不可用。其中，位置I处于所述投影光机投射路径的预定位置，所述位置2位于所述投影光机投射路径之外的预定位置。所述微型投影部分通过独立制作的光学投影光路传输结构搭配固定投射比的微型投影光机(13)和反射透射装置(14)，形成一套短距离即可满足投射比的新方法，直接改变了以往依靠短焦镜头方法来满足短距离投射较大画面的方法，大大节省了购买短焦镜头成本。另外亦可实现透射功能，从而可以把悬浮投影当作投影仪使用，使之既能把画面投射到桌面上又能投射到墙面或天花板上。
[0031]参见图1，所述核心控制板模块包括位于悬浮交互投影部分内部的核心控制板
(11)，主要用于控制上部分各模块之间的协调运行以及进行网络通信和接收底座无线指令。所述核心控制板模块依靠来自电源线连接无线充电接收线圈(9)的电能工作，通过数据线与摄像头(12)、微型投影光机(13)和无线传输系统连接在一起，执行控制操作命令。所述核心控制板模块连接摄像头(12)和微型投影光机(13)，主要完成和控制系统的投影成像、交互触控和网络通信，其外围无线充电保护电路主要完成对无线充电接收线圈(9)过压过流的保护。核心控制板(11)是悬浮交互投影部分的大脑。
[0032]参见图2，所述自平衡起落架(8)由电机控制，对称分布于底座上表面凹槽内，具体由两个弧形的支撑和位于底层内的转动卡位电机组成，一端固定于底座上受电机控制，另外一段可在电机的控制下自由摆动0°到90°。正常工作时自动收回贴于下底面，异常断电后依靠底座内的控制系统控制自动弹起，用于支撑上方悬浮物，电源由内部的可充电锂电池提供。其主要功能是用于帮助系统开机后悬浮物悬浮和意外断电时阻止悬浮物掉落，当系统开启后悬浮起落架开始协助使用者准确定位上方物体，确定放置位置正确后将自动收起到底座上的凹槽内。
[0033]进一步而言，本发明可作为研发平台，为教育组织和开发人员提供软硬件支持。
[0034]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种悬浮式投影交互系统，其特征在于:从结构划分所述悬浮式投影交互系统包括磁悬浮控制底座部分和悬浮交互投影部分上下两部分，从功能划分所述悬浮式投影交互系统包括磁悬浮模块、无线充电模块、交互触控模块、微型投影模块和核心控制板模块五个模块； 所述磁悬浮模块包括位于磁悬浮控制底座部分内部的锂电池(I)、永磁铁环(2)、电磁铁线圈柱(3)、霍尔传感器(4)和底座内部控制板(6)，以及位于悬浮交互投影部分内部的悬浮磁铁(10)； 所述无线充电模块包括位于磁悬浮控制底座部分内部的无线充电发射线圈(7)和悬浮交互投影部分内部的无线充电接收线圈(9); 所述交互触控模块包括位于磁悬浮控制底座部分的线激光发射器(5)和位于悬浮交互投影部分的摄像头(12); 所述微型投影模块包括位于悬浮交互投影部分的微型投影光机(13)和反射透射装置(14)，所述微型投影光机(13)用于投射画面，所述反射透射装置(14)处于所述微型透射光机(13)的投射路径上时，用于折射所述微型投影光机(13)投射的画面至投影区域，以形成触控桌面； 所述核心控制板模块包括位于悬浮交互投影部分内部的核心控制板(U)，用于控制所述悬浮式投影交互系统中各个模块。2.根据权利要求1所述的一种悬浮式投影交互系统，其特征在于:所述无线充电发射线圈(7)和霍尔传感器(4)与底层内部控制板(6)相连接，底座内部控制板(6)依靠检测到的霍尔传感器(4)的监控参数控制电磁铁线圈柱(3)输出电流的大小，产生所需的斥力，协同无线充电电磁感应的变化来保证上方的永磁铁环(2)稳定;悬浮交互投影部分内部由所述无线充电接收线圈(9)为核心控制板(11)提供电能，核心控制板(11)连接摄像头(12)和微型投光机(13) ο3.根据权利要求1所述的一种悬浮式投影交互系统，其特征在于:所述电磁铁线圈柱(3)包括位于所述磁悬浮控制底座内部四个方向上的四个电磁铁线圈柱;所述霍尔传感器包括两个，一个水平放置，一个垂直放置，用于分别监测水平方向和垂直方向上磁通量变化。4.根据权利要求1所述的一种悬浮式投影交互系统，其特征在于:无线充电接收线圈(9)贴于悬浮磁铁(1)下表面，且其位于在永磁铁环(2)和电磁铁线柱(3)上方。5.根据权利要求1所述的一种悬浮式投影交互系统，其特征在于，所述核心控制板(II)获取所述摄像头(12)采集的手指动作和投影区域边界图像，并对其进行处理以实现触控的动作定位和图像矫正。6.根据权利要求1所述的一种悬浮式投影交互系统，其特征在于，所述线激光发射器(5)用于发射激光以在触控桌面上方形成一个一字线激光平面，当手指去触摸触控桌面时，线激光会照射到手指上，此时摄像头会接收到手指的线激光反光，从而定位手指位置。7.根据权利要求1所述的一种悬浮式投影交互系统，其特征在于，所述微型投影光机(13)按照光学计算获得的固定位置，与水平面逆时针呈预定角度，保证投影光线从悬浮交互投影部分出射至外部;射出的投影光线经所述反射透射装置(14)折射后，形成与地面呈45-60度角的投影区域，投射后可直接把投影画面投射到墙上，做普通投影仪使用。8.根据权利要求1所述的一种悬浮式投影交互系统，其特征在于，所述反射透射装置(14)受所述核心控制板(11)控制，能够移动至所述微型投影光机(13)投射路径之外的位置。9.根据权利要求1所述的一种悬浮式投影交互系统，其特征在于，还包括:自平衡起落架(8)，其位于所述磁悬浮控制底座部分的上表面凹槽里面，所述自平衡起落架(8)包括两个弧形的支撑架和转动卡位电机，所述两个弧形的支撑架的一端固定于底座上，另一端在电机的控制下自由摆动0°到90°，用于在开机后支撑所述悬浮交互投影部分至悬浮位置，以及在意外断电时自动弹起以保证所述悬浮交互投影部分保持在悬浮位置，在所述悬浮式投影交互系统正常工作时所述自平衡起落架(8)收起到底座上的凹槽内，由锂电池(I)提供断电后所需的电能。10.根据权利要求1和权利要求4所述的一种悬浮式投影交互系统，所述微型投影光路系统由固定位置的微型投影光机(13)和反射透射装置(14)组成。
【文档编号】G03B21/00GK105867702SQ201610179114
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】刘禹, 倪晚成, 白忠可, 刘东昌, 吕石磊
【申请人】中国科学院自动化研究所