一种二维多目标超声定位系统和定位方法 专利技术说明

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术1.本发明涉及一种超声笔定位方法，具体涉及一种以红外信号为时间基准的基于超声波的电视屏幕落笔点定位方法，可实现多支笔在屏幕上同时书写，从而更好的应用于交互式触屏功能、更直观的使用平板电视。背景技术：2.随着虚拟现实技术的兴起和发展，人们对人机交互产品的体验需求也越来越多。目前市场上出现的交互式屏幕都是采用单笔书写，已有一些关于双笔书写功能的介绍。中国专利“一种基于电子白板实现双笔书写的方法”(申请号201210338872.x)提供了一种基于电子白板实现双笔书写的方法，通过两个摄像头分别检测对应手写笔的状态，图像采集模块采集各个摄像头的图像数据，并将图像数据通过图像存储模块存储到sdram芯片中，同时，通过图像处理模块进行计算得到手写笔留下的光斑坐标，通过pc机将光斑的坐标进行显示来实现双笔书写，但是此类方法需要特定的摄像机对手写笔进行定位，成本较高，受光照、肤色等因素影响；中国专利“多目标三维超声定位系统”(201320612723.8)提出了一种多目标三维超声定位系统，以红外信号为基准，通过红外信号与超声信号的频分复用实现多目标区分，采用陷波器电路与数字滤波器相结合的方式，分离出不同目标的超声定位信号，但是此方法在两支超声笔发射波形和频率都相同的超声波信号的情况下，无法区分二者；专利“平板结构的超声波手写板”(cn201010264728.7)包含有一支手写超声笔，分别安装在各向同性的硬质手写底板边缘上不同位置的至少三只超声波接收器，以及相匹配的信号接收放大处理电路和数据计算处理单元，一条超声信号发射时间的标定通道，以及一个能够安装在超声笔内用于检测书写压力的元件。超声笔包含有超声波发射器，与由硬质弹性材料制造的笔尖机械耦合连接，笔尖还可以使用变幅杆的结构，但是无法同时支持多笔工作。3.中国专利“一种多笔同时书写的电磁感应显示装置”(201420151401.2)提出了一种多笔同时书写的电磁感应显示装置，本实用新型通过接收线圈分别接收不同电磁笔发出的电磁波频率信号后，电磁信号经模拟开关、模拟选频放大电路和a/d转换电路后，将电磁信号转换成数字信号，发送给处理器，进行处理，处理器采用现有技术中的计算方法处理不同电磁笔的书写笔迹后，将书写轨迹信号经过电脑传给投影机，实现多笔书写的目的。但是此方法必须使用专用的电子笔进行操作，而且电磁波对人的身体有一定的辐射。4.中国专利“一种基于超声波的电子白板双笔书写方法”(cn201710678439.3)将超声笔作为红外信号和超声信号的发射端，将接收端固定在设备上，利用红外信号的不同脉冲宽度作为区分两支笔的时间基准，通过接收另一支笔发出的红外信号，判断其是否处在工作状态，然后结合无线传输获取的位置区域状态指令实现自己的工作逻辑时序，按下笔尖开始工作，本专利的不同之处在于以超声笔作为接收端，将红外和超声发射端固定在屏幕上，发射端采用时分复用的形式工作，可以支持多于2只笔的同时使用，缺点是屏幕边缘布置发射元件占用空间大。5.专利“手持或便携设备的超声手写输入检测装置”(cn00133388.7)也是将超声笔作为发射端，接收端安装在便携设备的壳体,而且只支持单笔书写。技术实现要素：6.本发明提供一种二维多目标超声定位系统和定位方法，利用doa原理，以红外信号为同步信号，以超声笔作为接收端，发射端采用时分复用的方式工作，经过一系列计算实现多支笔二维坐标的获取，利用超声波完成定位，不受电磁信号的干扰，支持多根笔同时工作。7.本发明采取的技术方案是，包括发射装置和接收装置，其中发射装置包括第一超声发射模块、第二超声发射模块、红外发射模块，处理器，蓝牙通信模块主机，所述两个超声发射模块位置已知，材料为pvdf压电薄膜，使超声波发射角度为180°，且发射的超声信号是波形相同，频率都为fkhz的超声波，两个超声发射模块安装在液晶屏幕边缘上；所述红外发射模块，第一超声发射模块，第二超声发射模块和蓝牙通信模块主机与处理器连接；8.所述接收装置包括n支超声笔，n≥3，每只超声笔包括超声接收模块，红外接收模块，微处理器，时钟模块，蓝牙通信模块从机，其中超声接收模块包括两个超声传感器，安装在超声笔底端，从横截面看安装位置与圆心的连线夹角为九十度，使用时使其朝向发射装置，超声接收模块、红外接收模块、时钟模块、蓝牙通信模块从机与微处理器连接。9.采用二维多目标超声定位系统的定位方法，包括下列步骤：10.(a)、接收模块安装在n支超声笔上，坐标设为p1(x1,y1)，p2(x2,y2)…pn(xn,yn)；11.(b)、利用到达时差tdoa原理，以红外信号作为时间基准，因为红外信号传播速度远大于超声信号的传播速度；12.(c)、通过超声笔接收到红外信号和超声信号的时间差值进行定位，时钟模块中定时器以超声笔n接收到红外信号的时刻作为时间基准从0开始计时，到超声接收模块接收到超声波时得到时刻值t1n，并继续计时到超声接收模块再次接收到超声波时得到时刻值t2n，将两时刻值通过蓝牙通信模块从机传回屏幕端处理器；13.(d)、两个超声发射模块的位置坐标已知且分别为o1(0,0),o2(a,0)；超声笔坐标设为pn(xn,yn)，t为系统的工作周期，v为超声波传播的速度；14.(e)、o1pn是第n支超声笔与第一超声发射模块的距离，o2pn是第n支超声笔与第二超声发射模块的距离，两个距离如下：15.o1pn＝t1n×v[0016][0017]解得：[0018][0019][0020]如上实现了在二维空间对多个超声笔的坐标获取，实现了二维多目标定位。[0021]本发明步骤d中所述的系统工作周期t为：当在屏幕上存在落点距离第一超声发射模块最远的超声笔时，从第一超声发射模块开始工作到该超声笔接收到超声信号所需的时间设为t1；当在屏幕上存在落点距离第二超声发射模块最远的超声笔时，从第二超声发射模块开始工作到该超声笔接收到超声信号所需的时间设为t2；t＝2max(t1,t2)，分别以两个超声发射端为圆心，以为半径的两个圆的相交面积为书写区域,v为超声波传播速度，t的取值可以使屏幕处于书写区域内，使超声笔无论在屏幕的哪个位置书写都可以完成定位。[0022]本发明工作周期t随着书写屏幕面积的变化，当以为半径的圆面积需要变化时，t也随之变化。[0023]本发明步骤d中所述两个超声发射模块采用时分复用的方式，可以容纳多支超声笔同时工作，互不影响，具体方式如下：红外发射模块和第一超声发射模块同时开始工作，后第二超声发射模块开始工作，直到周期结束，超声笔的超声接收模块在前只能接收到第一超声信号，在后只能接收到第二超声信号。[0024]本发明任何一个超声笔加入工作时以接收到红外发射模块发射的红外信号为开始工作的时间点，因此超声笔加入工作时有以下两种情况：[0025](1)超声笔刚好在红外脉冲发射时加入工作，此时没有时延，正常工作；[0026](2)超声笔加入工作时错过了红外脉冲的上升沿或者错过了整个红外脉冲，认为是没有接收到完整的红外脉冲，需要延时m等待下一个周期的红外脉冲开始工作，m《t。[0027]本发明的优点是采用tdoa原理，使用基于同步信号的定位技术，以红外信号为时间基准，得到超声笔接收到红外信号和超声信号的时间值，利用蓝牙通信技术无线传输数据，通过几何方程解算得到接收模块在二维平面的x轴，y轴坐标，实现对复数支超声笔的定位，本发明支持多支笔同时工作，超声笔可以随时加入工作，且有结构简洁，易于实现等优点，适用于平板电视的信息采集。附图说明[0028]图1是本发明电视屏幕的结构示意图；[0029]图2是本发明超声笔的结构示意图；[0030]图3是本发明超声接收模块位置图；[0031]图4是本发明超声笔最大工作区域图；[0032]图5是本发明超声笔定位原理图；[0033]图6是本发明超声笔工作时序图；[0034]图7是本发明gap广播工作流程图；[0035]图8是本发明的工作流程图。具体实施方式[0036]包括发射装置和接收装置，其中发射装置包括第一超声发射模块、第二超声发射模块、红外发射模块，处理器，蓝牙通信模块主机，所述两个超声发射模块位置已知，材料为pvdf压电薄膜，使超声波发射角度为180°，且发射的超声信号是波形相同，频率都为fkhz的超声波，两个超声发射模块安装在液晶屏幕边缘上；所述红外发射模块，第一超声发射模块，第二超声发射模块和蓝牙通信模块主机与处理器连接；[0037]所述接收装置包括n支超声笔，n≥3，每只超声笔包括超声接收模块，红外接收模块，微处理器，时钟模块，蓝牙通信模块从机，其中超声接收模块包括两个超声传感器，安装在超声笔底端，从横截面看安装位置与圆心的连线夹角为九十度，使用时使其朝向发射装置，超声接收模块、红外接收模块、时钟模块、蓝牙通信模块从机与微处理器连接。[0038]采用二维多目标超声定位系统的定位方法，包括下列步骤：[0039](a)、接收模块安装在n支超声笔上，坐标设为p1(x1,y1)，p2(x2,y2)…pn(xn,yn)；[0040](b)、利用到达时差tdoa原理，以红外信号作为时间基准，因为红外信号传播速度远大于超声信号的传播速度；[0041](c)、通过超声笔接收到红外信号和超声信号的时间差值进行定位，时钟模块中定时器以超声笔n接收到红外信号的时刻作为时间基准从0开始计时，到超声接收模块接收到超声波时得到时刻值t1n，并继续计时到超声接收模块再次接收到超声波时得到时刻值t2n，将两时刻值通过蓝牙通信模块从机传回屏幕端处理器；[0042](d)、两个超声发射模块的位置坐标已知且分别为o1(0,0),o2(a,0)；超声笔坐标设为pn(xn,yn)，t为系统的工作周期，v为超声波传播的速度；[0043](e)、o1pn是第n支超声笔与第一超声发射模块的距离，o2pn是第n支超声笔与第二超声发射模块的距离，两个距离如下：[0044]o1pn＝t1n×v[0045][0046]解得：[0047][0048][0049]如上实现了在二维空间对多个超声笔的坐标获取，实现了二维多目标定位。[0050]本发明步骤d中所述的系统工作周期t为：当在屏幕上存在落点距离第一超声发射模块最远的超声笔时，从第一超声发射模块开始工作到该超声笔接收到超声信号所需的时间设为t1；当在屏幕上存在落点距离第二超声发射模块最远的超声笔时，从第二超声发射模块开始工作到该超声笔接收到超声信号所需的时间设为t2；t＝2max(t1,t2)，分别以两个超声发射端为圆心，以为半径的两个圆的相交面积为书写区域,v为超声波传播速度，t的取值可以使屏幕处于书写区域内，使超声笔无论在屏幕的哪个位置书写都可以完成定位。[0051]本发明工作周期t随着书写屏幕面积的变化，当以为半径的圆面积需要变化时，t也随之变化。[0052]本发明步骤d中所述两个超声发射模块采用时分复用的方式，可以容纳多支超声笔同时工作，互不影响，具体方式如下：红外发射模块和第一超声发射模块同时开始工作，后第二超声发射模块开始工作，直到周期结束，超声笔的超声接收模块在前只能接收到第一超声信号，在后只能接收到第二超声信号。[0053]本发明任何一个超声笔加入工作时以接收到红外发射模块发射的红外信号为开始工作的时间点，因此超声笔加入工作时有以下两种情况：[0054](1)超声笔刚好在红外脉冲发射时加入工作，此时没有时延，正常工作；[0055](2)超声笔加入工作时错过了红外脉冲的上升沿或者错过了整个红外脉冲，认为是没有接收到完整的红外脉冲，需要延时m等待下一个周期的红外脉冲开始工作，m《t。[0056]为了使本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。[0057]图1、2、3为本发明所需要的电视屏幕和超声笔的结构示意图，包括电视100，多支超声笔200两部分，其中电视上方20cm*3cm的集成模块电路板101主要包括第一超声发射模块102，第二超声发射模块103，红外发射模块104，处理器105，蓝牙通信模块主机106，在此实际系统中，给定了超声发射模块发射的超声波信号频率都为40khz，发射的红外信号脉冲为tu＝180us；电视屏幕面积由实际需求决定；图2中超声笔200中主要包括按键201，红外接收模块202，微处理器203，超声接收模块204，笔尖205，蓝牙通信模块从机206，超声接收模块包括两个超声接收器，位置关系如剖面图3。[0058]定义二维多目标超声定位系统的工作周期t：当第一超声发射模块工作时，存在落点距离其最远的超声笔108，该超声笔接收到超声波后第二超声模块立刻开始工作，此时也存在落点距离第二超声模块最远的超声笔107，这种情况下从红外发射模块开始工作到超声笔接收到第二个超声信号为止的时间长度定义为t,如图4所示，以任意一个接收端构成的以为半径的圆内工作的区域为书写区域,t的取值可以使屏幕处于书写区域内，使超声笔无论在屏幕的哪个位置书写都可以完成定位。[0059]如图5所示，两个超声发射模块304、305的位置坐标已知且分别为o1(0,0),o2(a,0)，超声笔在屏幕上工作时落点如301、302、303所示，坐标未知设为p1(x1,y1)，p2(x2,y2)…pn(xn,yn)。[0060]超声发射模块工作采用时分复用的形式，红外发射模块406和第一超声发射模块404同时开始工作，后第二超声发射模块405开始工作。定时器从以超声笔n的红外接收模块201接收到红外信号的时刻作为时间基准从0开始计时，到超声接收模块204接收到第一超声发射模块404发射的超声波时得到时刻值t1n，继续计时到超声接收模块204接收到第二超声发射模块405发射的超声波时得到时刻值t2n，两个超声发射模块404、405的位置坐标已知且分别为o1(0,0),o2(a,0)，v为超声波传播的速度，计算方法如下：[0061]第n个超声笔pn位置信息如下：[0062][0063]解得[0064][0065][0066]如图6所示，501、502是红外发射模块发射的红外脉冲，503为红外发射模块和第一超声发射模块同时开始工作的时间，504为第二超声模块开始工作的时间。[0067]任何一个超声笔加入工作时以接收到红外发射模块发射的红外信号为开始工作的时间点。因此超声笔加入工作时有以下两种情况：[0068](1)超声笔刚好在红外脉冲发射时503加入工作，此时没有时延，正常工作；[0069](2)超声笔加入工作时错过了红外脉冲的上升沿或者错过了整个红外脉冲，认为是没有接收到完整的红外脉冲，需要延时m等待下一个周期的红外脉冲开始工作，m《t。[0070]红外发射模块和第一超声发射模块同时开始工作后，多支超声笔陆续接收到第一超声发射模块发射的超声波505，直到距红外发射模块开始工作时长后，第二超声发射模块开始工作504,多支超声笔陆续接收到第二超声发射模块发射的超声波506。[0071]在超声笔传回接收到超声信号的时间值数据时采用一主机,多从机的形式传输，多支超声笔同时通过蓝牙通信模块传输数据的方法如下：[0072]采用gap(generic access profile)访问规范，支持一主多从的数据传输，主机106安装在发射端蓝牙通信模块，每支超声笔上各安装一个从机206，支持的从机最大连接数为20；[0073]该访问规范保证不同的蓝牙芯片可以互相发现对方并建立连接，从而进行更多的数据交换；如图7的gap广播工作流程图所示，在gap中主机与从机的数据传输流程如下：[0074]a.从机需不停的向外广播，使主机知道其存在。[0075]b.主机发出扫描请求。[0076]c.从机回复扫描回复，传输数据。[0077]gap通信中，从机是gap服务端(server)，主机是gap客户端(client)，主机向从机发起扫描请求，从机将会给主机建议连接间隔(connection interval),主机就会在每个连接间隔尝试去重新连接，检查是否有新的数据。[0078]图8为工作流程图700，对准备工作的超声笔进行初始化702，红外发射模块和第一超声发射模块同时开始工作703,超声笔检测周围是否有红外存在，若检测到红外，为排除干扰，判断是否为系统的红外信号704，若判断是第一红外，定时器开始计时，接收到超声信号时蓝牙通信模块从机传回当前时间值数据至主机705，定时器继续计时，第二超声发射模块开始工作706，超声笔继续检测超声信号，接收到超声信号时蓝牙通信模块从机传回当前时间值数据至主机，定时器清零707,返回到703继续检测。同时处理器根据得到的时间值计算超声笔落点坐标完成定位708。[0079]在工作过程中会产生一些可忽略的误差如下：[0080]超声笔开始工作的位置和实际的落笔点产生误差，经过估算超声笔在屏幕上的书写速度u，误差距离小于u×t，根据屏幕面积推算t一般为1-20ms之间，误差距离在几毫米左右可以忽略；超声笔是不断移动的，定位与实际位置会有误差，从超声笔接收到第一超声发射模块发射的超声波到处理器接收到数据并计算结束的时间间隔为te,在这期间超声笔是移动的，产生的误差小于u×te,te小于t，可以忽略不计。[0081]上文的描述针对特定的实施例，在实际的实现过程中，可以对描述的实施例进行其他的变形和修改，以实现更多的操作或更方便的书写。由此，这些描述应该被理解为仅对各种原理进行说明，而非对本发明进行限制。









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