虚拟控制装置和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年7月31日提交的美国临时申请No.62/539,337的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明总体上涉及虚拟控制装置和系统，并且更具体地涉及可以在飞机卫生间中使用的虚拟控制装置和系统。
背景技术
公共洗手间，特别是飞机上的洗手间，可能很脏。因此，乘客试图在卫生间中尽可能少地触摸东西。因此，用于提供非接触式“按钮”或控件的系统是对当前飞机卫生间的改进。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种虚拟控制系统，该虚拟控制系统包括控制单元、手势识别装置和全息图产生装置。全息图产生装置被配置为在第一空间体积中产生全息图。手势识别装置被配置为识别第一空间体积内的适当手势。控制单元被配置为在手势识别装置识别出适当手势时向要控制的部件发送信号。在优选实施例中，虚拟控制系统包括声场产生器，该声场产生器被配置为在第二空间体积中产生声场。第一空间体积和第二空间体积至少部分重叠以形成虚拟控制体积。手势识别装置被配置为识别虚拟控制体积内的适当手势。应当理解，适当手势是用户的引起向要控制的部件(并从第一状态切换到第二状态)发送信号的唯一手势。例如，在扭转动作是旋钮的适当手势的情况下，如果用户只是将手放在第一空间体积或虚拟控制体积内，则不会发送信号。换句话说，门不会打开。需要适当的手势防止意外接通或断开部件。
在优选实施例中，虚拟控制系统与飞机卫生间相关联，并且全息图具有或将被用户感知为旋钮、按钮、杆或开关之一的形状。优选地，全息图在与要控制的部件相邻的位置中产生。
根据本发明的另一方面，提供一种将要控制的部件从第一状态切换到第二状态的方法。该方法包括提供虚拟控制系统，该虚拟控制系统包括控制单元、声场产生器、手势识别装置和全息图产生装置。全息图产生装置被配置为在第一空间体积中产生全息图，并且声场产生器被配置为在第二空间体积中产生声场。第一空间体积和第二空间体积至少部分重叠以形成虚拟控制体积。手势识别装置被配置为识别、感知、确定或检测虚拟控制体积内的人的动作或手势。该方法还包括在第一空间体积中投影全息图、在第二空间体积中产生声场、在手势识别装置识别出虚拟控制体积内的适当手势时向控制单元发送信号，以及从控制单元向要控制的部件发送信号以及将要控制的部件从第一状态切换到第二状态。
根据本发明的另一方面，提供了一种飞机卫生间，其包括限定卫生间内部的外壳、可在打开位置和关闭位置之间移动的门、位于卫生间内部的水槽、位于卫生间内部的马桶、以及虚拟控制系统。虚拟控制系统包括控制单元、手势识别装置和全息图产生装置。全息图产生装置被配置为产生在卫生间内部的第一空间体积中的全息图，并且手势识别装置被配置为识别在第一空间体积内的适当手势。控制单元被配置为在手势识别装置识别出适当手势时向要控制的部件发送信号。要控制的部件与马桶、水槽或门之一相关。在优选实施例中，飞机卫生间还包括声场产生器，该声场产生器被配置为在卫生间内部的第二空间体积中产生声场。第一空间体积和第二空间体积至少部分重叠以形成虚拟控制体积。手势识别装置被配置为识别虚拟控制体积内的适当手势。
本发明允许在不实际触摸任何物理物体的情况下启动控件。在优选实施例中，本发明用于飞机卫生间。然而，这不是对本发明的限制，并且该系统可以用在其它卫生间和需要非接触式控制的任何其它环境中。本发明为用户提供了可见的和/或有形的控件，而无需实际触摸物理对象以启动该控件。通常，本发明结合了声场(用于触觉)和全息图(用于视觉)以及手势识别装置。手势识别是计算装置对人体动作的数学解释。在使用中，用户看到控制装置的全息图，并具有在启动控件时触摸控制装置的感觉，而没有实际触摸物理的和潜在的肮脏或危险的物体。
在优选实施例中，本发明包括控制单元(CPU)、激光系统(或其它全息图产生装置)、声场产生器和手势识别装置。控制单元指示激光系统创建全息图。例如，仅当门打开并且有人进入洗手间时才产生全息图。在这种情况下，卫生间包括计时器，其中全息图在经过一定时间后关闭，并在门打开时重新开启。卫生间还可在其中包括动作传感器，该动作传感器感测人何时在卫生间中并启动其中的虚拟控制装置的全息图和声场。将理解的是，虚拟控制系统的所有部件(声场产生器、全息图产生器、动作传感器、手势识别装置等)都与控制单元(或多个控制单元)通信。
控制单元还引导声场产生器产生具有与全息图的位置和形状至少部分且优选地完全重合的位置和形状的声场。全息图和声场在本文中一起称为“虚拟控制装置”。因此，在使用中，用户将全息图和所产生的声场感知为可见(全息图)和可触摸(所产生的声场的“感觉”)控件。当用户通过将他们的手指或手放在全息图中来“按下”或“转动”虚拟控制装置时，他们会感觉到声场并启动由虚拟控制装置控制的动作。手势识别装置记录或感测用户对虚拟控制装置的“按压”，该手势处理装置处理手部动作，从而产生向控制单元发送的信号，该控制单元将该信号转换为所需的启动或动作。
控制(中央处理)单元向全息图产生装置和声场产生器发送信号。控制单元从处理人手势的手势识别装置接收信号。当控制单元从手势识别装置接收到信号时，控制单元发送用于执行动作的信号(例如，给卫生间门解锁以使其打开)。
激光系统包括所有必要的装置，以产生清晰可见的全息图。全息术是众所周知的，因此将省略详细描述。作为参考，请参见https:en.wikipedia.org/wiki/Holography(关于全息术的Wikipedia条目)，其全部内容通过引用合并于此。在优选实施例中，声场产生器产生足以激发人的触觉传感器的声场，以使声场被感知为触摸了物理对象。在美国专利公开号2016/0124080中教导了示例性声场产生器，其全部内容通过引用并入本文。
优选地，全息图和声场的位置和形状至少部分重合，因此用户将它们感知为“虚拟”物理对象。因此，在使用中，用户将如同物理控制装置一样识别虚拟控制装置。例如，在打开卫生间门的情况下，虚拟控制装置可以表现为可旋转的旋钮或枢转杆或具有可旋转的旋钮或枢转杆的形状。在其它情况下，虚拟控制装置可以是按钮、开关、手柄、马桶冲洗按钮，手柄或杆、水龙头旋钮等。当用户“触摸”虚拟旋钮时(将手放在由全息图占用的相同区域或体积中)，用户会感觉到声场，这给用户带来触摸旋钮的感觉。应当理解，要控制的部件通常是开关或闩锁或与较大的部件或乘客在洗手间中使用的部件相关联的其它部件。例如，对于马桶，要控制的实际部件可以是使马桶冲水的开关。对于水槽，要控制的实际部件可能是开启或关闭水的开关。对于门旋钮，要控制的实际部件可能是在闩锁位置和未闩锁位置之间移动的闩锁。本领域普通技术人员将理解，通过操作每个虚拟控制装置，期望每个关联的动作具有的“要控制的部件”是什么。
例如通过用户扭转他们的手来“触摸”虚拟控制装置(旋钮)的动作向手势识别装置发送信号，然后该信号通知控制单元打开门。全息术是众所周知的，因此将省略详细描述。作为参考，请参见https:en.wikipedia.org/wiki/Gesture_recognition(有关手势识别的Wikipedia条目)，其全部内容通过引用合并于此。手势识别是计算机科学和语言技术的构成部分，用于通过数学算法解释人的手势。手势可以源自任何身体动作或状态，但通常源自面部或手部。用户可以使用简单的手势来控制装置或与装置进行交互，而无需实际触摸它们。手势识别装置可以是例如摄像机和计算机视觉算法。在其它情况下，该手势可能会导致控制装置打开垃圾桶、开启或关闭水、开启或关闭灯、将马桶座圈调高或放低、分配肥皂、乘务员通话等。这些部件是在本文中通常称为“要控制的部件”或“要接通或断开的部件”。
应当理解，控制单元与要接通或断开的部件进行电气或数据通信，使得当控制单元的信号(从手势识别装置接收到信号之后)被发送到要接通或断开的部件时，要接通或断开的部件适当运行。
本发明可以用于卫生间之外的其它场景。例如，本发明可以用于虚拟人体(可能是通过视频等看到的实际的人)的“触摸”，该虚拟人体可以在用户在物理上没有与对象在同一位置的情况下被看到(作为全息图)和被触摸(通过产生的声场)。在对象的位置处，可以产生给对象提供触摸感的类似的声场。
本领域普通技术人员将认识到，单独的系统可以用于每个卫生间部件，或者单个或多个系统可以投射到多个部件或与多个部件相关联。换句话说，在本发明的实施例中，激光系统、声场产生器和手势识别装置可以分别用于要控制的每个卫生间部件。在另一实施例中，单个系统可以投射到两个或更多个位置，其中一个或多于一个单元控制投射、信号和启动。
本文公开了一种将要控制的部件从第一状态切换到第二状态的方法(例如，从断开到接通、从关闭到打开或从闩锁到解锁)。该方法包括提供虚拟控制系统，该虚拟控制系统包括控制单元、声场产生器、手势识别装置和全息图产生装置。全息图产生装置被配置为在第一空间体积中产生全息图，并且声场产生器被配置为在第二空间体积中产生声场。第一空间体积和第二空间体积至少部分重叠以形成虚拟控制体积(或面积-声场可在表面上产生)。手势识别装置被配置为识别虚拟控制体积内的人的动作或手势。该方法还包括在第一空间体积中投影全息图，在第二空间体积中产生声场，在虚拟控制体积内打手势，其中，手势识别装置识别手势并向控制单元发送信号。并且其中，控制单元向要控制的部件发送信号，并将要控制的部件从第一状态切换到第二状态。
附图说明
通过参考附图可以更容易地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的优选实施例的流程图；
图2是卫生间内部的透视图，示出了其中的多个虚拟控制装置；且
图3是卫生间内部的一部分的透视图，示出了其中的多个控制装置。
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部分。
具体实施方式
以下描述和附图是说明性的，并且不应解释为限制性的。描述了许多具体细节以提供对本公开的透彻理解。然而，在某些情况下，为了避免使描述不清楚，没有描述众所周知的或常规的细节。在本公开中对一个或一实施例的引用可以是但不一定是对同一实施例的引用；并且，这些附图标记表示实施例中的至少一个。
在本说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指的是同一实施例，也不是与其它实施例互斥的单独或替代的实施例。此外，描述了可以由一些实施例而不是其它实施例展现的各种特征。类似地，描述了可能是一些实施例但不是其它实施例的要求的各种要求。
在说明书中，在本公开的上下文中以及在使用每个术语的特定上下文中，本说明书中使用的术语通常具有本领域的普通含义。在下文或说明书的其它地方讨论了用于描述本公开的某些术语，以向从业者提供关于本公开的描述的附加指导。为方便起见，可以用斜体和/或引号将某些术语突出显示：突出显示的使用对术语的范围和含义没有影响；无论是否突出显示，在相同上下文中，术语的范围和含义都相同。
应当理解，可以以一种以上的方式说同一件事。因此，替代语言和同义词可以用于本文讨论的任何一个或多个术语。是否在此阐述或讨论术语没有特殊意义。提供了某些术语的同义词。一个或多个同义词的引用不排除使用其它同义词。本说明书中任何地方的示例的使用，包括本文讨论的任何术语的示例，仅是说明性的，并不旨在进一步限制本公开或任何示例性术语的范围和含义。同样，本公开不限于本说明书中给出的各种实施例。
在无意进一步限制本公开的范围的情况下，以下给出根据本公开的实施例的仪器、装置、方法及其相关结果的示例。注意，为了方便读者，可以在示例中使用标题或副标题，这绝不应该限制本公开的范围。除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。在发生冲突的情况下，以本文件包括定义为准。
应当理解，诸如“前”，“后”，“顶部”，“底部”，“侧面”，“短”，“长”，“上”，“下”，“后”，在此使用的“向前”，“内侧”，“外侧”和“下方”仅是为了便于描述，并且指的是如图所示的部件的方向。应当理解，本文描述的部件的任何取向都在本发明的范围内。
现在参考附图，其中附图是为了说明本发明，而不是为了限制本发明。图1-3示出虚拟控制系统10，该虚拟控制系统10包括至少一个虚拟控制装置，该虚拟控制装置用于将要控制的部件从第一状态切换到第二状态(例如，接通至断开)。该系统包括控制单元12，声场产生器14、手势识别装置16和全息图产生装置18。全息图产生装置18被配置为在第一空间体积20中产生全息图，该声场产生器图14被配置为在第二空间体积22中产生声场。如图1所示，第一空间体积20和第二空间体积22至少部分地重叠以形成虚拟控制体积24。手势识别装置16被配置为识别虚拟控制体积24内的人的动作或手势。
应当理解，本文所述的虚拟控制系统和各个虚拟控制装置被示出并描述为在飞机卫生间内使用。然而，这仅是示例性的，而不是对本发明的限制。虚拟控制系统可以在部件被控制的任何情况或位置中使用，并且可以在第一状态和第二状态或多个状态之间切换。系统10可以包括由单个控制单元12控制的多个虚拟控制装置。
在使用中，全息图产生装置18在第一空间体积20中投射或产生全息图，并且声场产生器14在第二空间体积22中产生声场。因此，用户可以看到全息图，从而提供虚拟控制装置位置的视觉表示。例如，如图2所示，虚拟控制装置可以是卫生间内的“虚拟”门旋钮30，“虚拟”冷热水龙头旋钮32或“虚拟”乘务员呼叫按钮34。图3示出了在虚拟控制体积24附近的全息图产生装置18和手势识别装置16的示例性定位。如图所示，全息图产生装置18将全息图投影在第一空间体积20中(以虚线示出)，声场产生器14在第二空间体积22(以虚线示出)中产生声场，并且在第一空间体积和第二空间体积重叠的地方形成虚拟控制体积24或装置。并且因此，当用户将手放在与门旋钮30的全息图相同的大致位置上时(即，在虚拟控制体积24中)，他们会感觉到声场，从而给他们触摸门旋钮的感觉。然后，用户通过在虚拟控制体积内以通常的动作来扭转他们的手以转动门旋钮来做出手势。手势识别装置16识别手势(扭转动作)并将向控制单元12发送信号。然后，控制单元12向要控制的部件(即处于关闭状态的闩锁)发送信号并对其进行从第一状态到第二状态的切换(即从关闭到打开，从而允许用户打开门)。
本领域普通技术人员将理解，系统10的部件可以放置在可以执行其功能的任何位置。例如，在卫生间内可以有为卫生间内的所有不同的“虚拟”控件投射或产生全息图的单一全息图产生装置、和/或有为所有不同的“虚拟”控件产生声场的单一声场产生器。在另一实施例中，在卫生间内可以有用于每个不同“虚拟”控件的单独的全息图产生装置和声场产生器。也可以有单个或多个手势识别装置。上面讨论的部件可以安装在卫生间的墙壁、门、天花板或其它表面上或之中。一个或多个部件也可以被容纳或定位在壳体或单元内。在另一实施例中，可以省略声场产生器，并且虚拟控制系统可以省略系统的“触摸感觉”部件。
除非上下文清楚地另外要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应理解为包含性含义，而不是排他性或穷举性含义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。如本文所用，术语“连接”、“耦合”或其任何变体是指两个或更多个元件之间的直接或间接的任何连接或耦合。元件之间的连接的耦合可以是物理的、逻辑的或其组合。另外，当在本申请中使用时，词语“在此”、“上方”、“下方”和类似含义的词语应整体上指本申请，而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，在上面的优选实施方式的详细描述中使用单数或复数的词语也可以分别包括复数或单数。涉及两个或多个项目的列表中的单词“或”涵盖该单词的以下所有解释：列表中的任何项目，列表中的所有项目以及列表中项目的任何组合清单。
本公开的实施例的以上详细描述不旨在是详尽的或将本教导限制为以上公开的精确形式。尽管以上出于说明性目的描述了本公开的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本公开的范围内可以进行各种等效修改。此外，在此指出的任何特定数字仅是示例：替代实现可采用不同的值，测量值或范围。
本文提供的本公开的教导可以应用于其它系统，不一定是上述系统。可以将上述各种实施例的元素和动作组合以提供其它实施例。本文描述或使用的任何测量仅是示例性的，而不是对本发明的限制。可以使用其它测量。此外，本文所述的任何特定材料仅是示例：替代实现可采用不同的材料。
以上提及的任何专利、申请和其它参考文献，包括可能在随附的申请文件中列出的任何参考文献，均通过引用全文并入本文。如果需要，可以修改本公开的各方面以采用上述各种参考文献的系统、功能和概念，以提供本公开的又一实施例。
可以根据以上对优选实施例的详细描述，对本公开进行这些和其它改变。尽管以上描述描述了本公开的某些实施例，并且描述了预期的最佳模式，但是无论以上在文本中出现的多么详细，都可以以许多方式来实践教导。该系统的细节可以在其实现细节上有很大变化，同时仍然被本文公开的主题所涵盖。如上所述，当描述本公开的某些特征或方面时所使用的特定术语不应被认为暗示该术语在本文中被重新定义为限于与该术语相关联的本公开的任何特定特性、特征或方面。通常，除非以上优选实施例的详细描述部分明确定义了这样的术语，否则不应将以下权利要求书中使用的术语解释为将本公开限制为说明书中公开的特定实施例。因此，本公开的实际范围不仅涵盖所公开的实施例，而且还包括实践或实现根据权利要求的公开的所有等效方式。
因此，尽管已经示出并描述了本发明的示例性实施例，但是应当理解，本文所用的所有术语都是描述性的而不是限制性的，并且可以由具有本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行许多改变、修改和替换。
