CH702398A2 - Procedimento per la rilevazione degli spostamenti di un emettore di ultrasuoni e dispositivo di rilevamento degli spostamenti tridimensionali di un emettore di ultrasuoni. - Google Patents

Abstract

Il procedimento e il dispositivo inventati utilizzano la rilevazione, la comparazione, la misurazione nonché la valutazione della differenza di fase tra un segnale a ultrasuoni emesso da un emettore e un analogo segnale di riferimento presente in un ricevitore per rilevare e quantificare con precisione ogni spostamento dell’emettore di ultrasuoni. L’emettore e il ricevitore sono sincronizzati mediante un segnale trasmesso via cavo, via radio o altro. Con l’utilizzo di tre o più microfoni è possibile determinare lo spostamento nelle tre dimensioni x, y, z dell’emettore di ultrasuoni che per esempio potrebbe essere incorporato in un mouse per computer utilizzabile anche per disegni tridimensionali o in un telecomando per console di gioco. Al posto di utilizzare gli ultrasuoni emessi da un emettore è possibile comparare solo gli ultrasuoni riflessi da un ogetto mobile passivo.

Description

[0001] Il procedimento e il dispositivo inventati fanno parte del campo tecnologico dell’elettronica e concernono un metodo per determinare lo spostamento lungo gli assi x, y, z, di un emettore di ultrasuoni e un dispositivo in grado di rilevare con grande precisione gli spostamenti di questo emettore di ultrasuoni. Il procedimento inventato utilizza la misurazione della differenza di fase tra un segnale a ultrasuoni emesso da un emettore mobile e un analogo segnale di riferimento presente in un ricevitore fisso. L’emettore e il ricevitore sono sincronizzati mediante un segnale trasmesso via cavo, via radio o altro.

[0002] Dotando il ricevitore di tre o più microfoni è possibile determinare lo spostamento nelle tre dimensioni x, y, z. dell’emettere di ultrasuoni che per esempio potrebbe essere incorporato in un mouse per elaboratore utilizzabile anche per disegni tridimensionali o in un joystick per console di gioco. Sono pure possibili altre applicazioni scientifiche in tutti gli ambiti dove sia necessario rilevare con precisione e in tempo reale il movimento su un piano o nello spazio di singoli oggetti situati nel raggio di pochi metri. Il procedimento inventato permette di rilevare lo spostamento anche quando ci sono degli ostacoli tra il modulo emettore (1) e il modulo ricevitore (3). Inoltre il dispositivo funzionante in base al procedimento inventato non necessita di una superficie di appoggio o di riferimento. Inoltre il consumo energetico è modesto.

[0003] Come variante per la comparazione delle fasi è pure ipotizzabile che vengano utilizzati solo gli ultrasuoni riflessi dall’oggetto mobile in esame, rendendo così superfluo il modulo emettore. Questo procedimento permetterebbe di migliorare notevolmente la sensibilità e la precisione degli attuali sensori di prossimità e ecografi attualmente basati sulla sola rilevazione dell’eco degli ultrasuoni.

[0004] La posizione iniziale del modulo emettore può essere determinata mediante la misura del tempo di percorrenza degli ultrasuoni dal modulo emettore (1) ai vari microfoni (12). Questa tecnologia è nota tuttavia è inedito il suo abbinamento a un sistema di rilevamento del movimento tramite la misurazione della differenza di fase. La posizione iniziale del modulo emettore (1) può anche essere rilevata contando il numero di onde (6) presenti tra il modulo emettore (1) e il modulo ricevitore (3). Il numero di onde (6) può essere contato interrompendo l’emissione del segnale a ultrasuoni (2) e contando le onde (6, fig. 1 ) che ancora pervengono al microfono (12) fino alla fine del segnale (2). Essendo la lunghezza dell’onda (6) nota è facile stabilire la distanza (9) del modulo emettore (1) o della superficie riflettente (23). La quantificazione della distanza (9) permette in seguito di definire con buona approssimazione la posizione del modulo emettore (1) rispetto al modulo ricevitore (3). Un’applicazione del principio e del dispositivo inventati potrebbero per esempio essere utilizzati per controllare e quantificare con precisione i movimenti nello spazio ravvicinato di un oggetto o di un telecomando. Una variante del dispositivo inventato prevede che gli spostamenti siano rilevati confrontando il segnale a ultrasuoni riflesso da un oggetto o da una superficie con un segnale uguale predefinito e già presente nel dispositivo. La differenza di fase tra i due segnali darà la misura degli spostamenti dell’oggetto o della superficie riflettente.

[0005] Per evitare interferenze, le frequenze del segnale a ultrasuoni possono essere differenziate e adattate caso per caso.

[0006] Lo spostamento del modulo emettore genera un effetto Doppler. Se il modulo emettore non si sposta ad alta velocità l’effetto Doppler non ha una grande influsso. In caso di spostamenti veloci si può compensare l’effetto Doppler mediante un’opportuna regolazione.

Stato della tecnica

[0007] Per determinare la posizione e il movimento di un oggetto nello spazio i rilevatori ad ultrasuoni e simili oggi noti si basano sull’eco e sulla velocità del suono nell’aria. Viene emesso un segnale ad ultrasuoni o altro e si misura il lasso di tempo che il riflesso dello stesso segnale impiega per ritornare al punto di partenza. Conoscendo la velocità del suono o del segnale si può calcolare la distanza tra l’emettore e l’oggetto rilevato. Questi rilevatori utilizzano lo stesso principio di funzionamento del SONAR o RADAR.

[0008] È noto il metodo di rilevare lo spostamento in 3 dimensioni mediante una videocamera abbinata a un elaboratore di immagini che calcoli la distanza in base alle dimensioni dell’oggetto. È pure noto il metodo di utilizzare due videocamere e determinare la posizione dell’oggetto mediante una triangolazione, procedura che però necessita di parecchia energia e complessi analisi di immagine e quindi potenza di calcolo.

[0009] Un’altra possibilità consiste nell’utilizzare dei sensori a infrarossi che però determinano la posizione la distanza e dell’oggetto con una certa approssimazione. Con questo metodo è difficile determinare la posizione o lo spostamento dell’oggetto nelle tre dimensioni.

[0010] I mouse attualmente in uso rilevano i movimenti relazionandoli meccanicamente o mediante una fonte luminosa a una superficie sulla quale si muovono. Nei computer portatili una piccola superficie è utilizzata come sensore. In altri casi è la mano stessa dell’operatore che funge da superficie di riferimento. Vi è comunque sempre necessità di una superficie di appoggio o di riferimento. II dispositivo inventato permette di rilevare i movimenti indipendentemente dalla presenza o meno di una superficie di appoggio o di riferimento.

[0011] Non sono noti sistemi di rilevazione del movimento di un’emettore di ultrasuoni mediante la misurazione dello spostamento di fase. Pure non è noto l’abbinamento di un sistema di quantificazione della distanza mediante la rilevazione del tempo di percorrenza degli ultrasuoni con il sistema di rilevazione del movimento mediante la misurazione dello spostamento di fase.

[0012] Una forma di realizzazione dell’invenzione si riferisce alle figure allegate delle quali la <tb>- fig. 1<sep>rappresenta il principio teorico su cui si basa il procedimento inventato <tb>- fig. 2<sep>rappresenta lo schema di funzionamento di un esempio di realizzazione dell’invenzione <tb>- fig. 3<sep>rappresenta una variante di applicazione del procedimento inventato

[0013] La fig. 1 rappresenta il principio inventato: Con il no. 1 è rappresentato il modulo emettore degli ultrasuoni 2. Preferibilmente il modulo emettore 2 è costituito da un elemento mobile. Con il no. 2 sono rappresentati gli ultrasuoni emessi dal modulo emettore 1. Il no 6 indica un’onda di questi ultrasuoni. Con il no. 3 è rappresentato il modulo ricevitore nel quale è presente il segnale fisso di riferimento degli ultrasuoni 4. Con il no. 5 è rappresentato lo spostamento della fase (o differenza di fase) tra gli ultrasuoni 2 emessi dal modulo emettore mobile 1 rispetto al segnale fisso di riferimento 4. Lo spostamento 5 della fase è dovuto allo spostamento fisico del modulo emettore 1 per esempio nel senso della freccia 7. Nel modulo ricevitore 3 lo spostamento di fase 5 viene rilevato mediante comparazione di fase e misurato a intermittenza ravvicinata. Questa misurazione permette di quantificare con precisione lo spostamento fisico effettuato dal modulo emettore di ultrasuoni 1 rispetto al modulo ricevitore 3. Con il no. 6 è indicata un’onda del segnale a ultrasuoni. Con il no. 8 è indicato il collegamento che serve a sincronizzare gli ultrasuoni 2 emessi dal modulo emettore 1 con il segnale fisso di riferimento 4 presente nel modulo ricevitore 3. Preferibilmente questo collegamento 8 di sincronizzazione avviene mediante un segnale radio, mediante un filo o altro. Il segnale a ultrasuoni emesso è perciò alla stessa frequenza del segnale di riferimento. La sincronizzazione potrebbe essere tralasciata se, mediante l’utilizzo di due generatori di frequenza uguali, il segnale emesso dal modulo emettore fosse perfettamente uguale a quello fisso di riferimento. Con il no. 9 è indicata la distanza tra il modulo emettore 1 e il modulo ricevitore 3. Questa distanza può essere rilevata e quantificata misurando il tempo di percorrenza degli ultrasuoni dal modulo emettore 1 al modulo ricevitore 3. Questa tecnologia è nota, tuttavia è inedito il suo abbinamento a un sistema di rilevazione e misurazione dello spostamento tramite il rilevamento della differenza di fase. La quantificazione della distanza 9 permette di definire con buona approssimazione la posizione iniziale del modulo emettore 1 rispetto al modulo ricevitore 3.

[0014] La fig. 2 rappresenta Io schema di funzionamento di un esempio di realizzazione dell’invenzione: dal generatore di frequenza di ultrasuoni 16 (moltiplicatore della frequenza, filtri, oscillatore, ecc.) il segnale predefmito di sincronizzazione 20 viene trasmesso sotto forma di segnale radio tramite l’emettore radio 17 e il ricevitore radio 19 al modulo emettore 1. Qui il segnale predefinito passa attraverso la regolazione 18 (filtri, amplificatore, ecc.) e arriva sincronizzato sulla stessa frequenza di quello di riferimento (4 fig. 1) all’altoparlante a ultrasuoni 10. Da qui il segnale parte sotto forma di ultrasuoni 2 e viene captato da uno o più microfoni 12 del modulo ricevitore 3 disposti a triangolo. Il segnale 2 captato dai microfoni 12 passa nel blocco di regolazione 13 (generalmente uno per ogni microfono) dove viene elaborato in vari modi (amplificazione, AGC, regolazione di potenza, filtri, ecc.). Da qui il segnale arriva nel comparatore di fase 14 (ne occorre uno per ogni microfono e può essere composto da una porta logica AND o OR ma può essere integrato direttamente nel microcontrollore 15). Nel comparatore di fase (14) il segnale in arrivo viene comparato con il segnale fisso di riferimento generato dal generatore di frequenza (16) e la differenza di fase (5 fig. 1 ) tra i due segnali viene rilevata e evidenziata in continuazione. Il risultato della comparazione, ovvero la differenza di fase, è direttamente funzione dello spostamento della sorgente degli ultrasuoni. La differenza di fase viene misurata e quantificata nel microcontrollore MCU 15. La variazione di questa differenza di fase (5 fìg. 1 ) permette di rilevare e quantificare lo spostamento fisico del modulo emettore 1. Grazie alla misurazione mediante tre microfoni il microcontrollore può calcolare lo spostamento e la posizione nelle tre dimensioni x, y, z. Il microcontrollore 15 può anche misurare e quantificare il tempo di percorrenza del segnale a ultrasuoni dal modulo emettore al modulo ricevitore quantificando così con buona approssimazione la distanza tra i due moduli, dunque anche la posizione iniziale del modulo emettore nelle tre dimensioni x, y, z. Alla fine del processo i dati elaborati dal microcontrollore MCU 15 vengono trasmessi all’elaboratore utente tramite per esempio un cavo, porta USB o altro.

[0015] La fig. 3 rappresenta una variante di realizzazione del dispositivo inventato: dal generatore di frequenza di ultrasuoni 16 (moltiplicatore della frequenza, filtri, oscillatore, ecc.) il segnale con frequenza predefinita passa attraverso la regolazione 18 e arriva all’altoparlante a ultrasuoni 10. Da qui parte sotto forma di un segnale a ultrasuoni 2 verso l’oggetto o una superficie 23 dal quale viene riflesso 22 e arriva al o ai microfoni 12. Il segnale 22 captato dal o dai microfoni 12 passa nel blocco di regolazione 13 (generalmente uno per ogni microfono) dove viene elaborato in vari modi. Da qui il segnale arriva nel comparatore di fase 14 (ne occorre uno per ogni microfono e può essere composto da una porta logica AND o OR, ma può essere integrato direttamente nel microcontrollore 15). Nel comparatore di fase (14) il segnale in arrivo viene comparato con il segnale fisso di riferimento generato dal generatore di frequenza (16) e la differenza di fase (5 fig. 1 ) tra i due segnali viene rilevata e evidenziata in continuazione. Il risultato della comparazione è direttamente funzione dello spostamento dell’oggetto o superficie 23 che riflette gli ultrasuoni. La differenza di fase viene misurata e quantificata nel microcontroller MCU 15. La variazione di questa differenza di fase (5, Fig.1) permette di rilevare e quantificare in continuazione gli spostamenti fisici dell’oggetto 23. Il microcontroller 15 può anche rilevare, misurare e quantificare il tempo di percorrenza del segnale 2 a ultrasuoni dall’altoparlante 10 all’oggetto/superficie e ritorno 22, quantificando così con buona approssimazione la distanza tra i due in modo da definire la posizione iniziale dell’oggetto o superficie 23. Alla fine del processo i dati elaborati dal microcontrollore MCU 15 vengono trasmessi all’elaboratore utente 21 tramite per esempio un cavo, porta USB o altro.

Claims (9)

1. Procedimento per la rilevazione degli spostamenti caratterizzato dal fatto che si basa sulla rilevazione, la comparazione, la misurazione nonché la valutazione della differenza di fase (5, fig. 1) tra un segnale a ultrasuoni (2, fig. 1) emesso da un emettore (1, fig. 1) e un analogo segnale di riferimento (4, fig. 1) presente in un ricevitore (3, fig. 1).

2. Dispositivo di rilevamento degli spostamenti di un emettore mobile di ultrasuoni caratterizzato dal fatto che per rilevare e quantificare gli spostamenti utilizza la rilevazione, la comparazione, la misurazione e la valutazione della diferenza di fase tra un segnale a ultrasuoni emesso da un emettore (1, fig. 2) e un analogo segnale di riferimento presente in un ricevitore (3, fig. 2).

3. Dispositivo come alla rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che il segnale a ultrasuoni emesso dall’emettore è sincronizzato con il segnale di riferimento presente nel ricevitore.

4. Dispositivo come alle rivendicazioni 2 e 3, caratterizzato dal fatto che la sincronizzazione avviene preferibilmente mediante un segnale trasmesso preferibilmente via onde radio (20, fig. 2).

5. Dispositivo come alle rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che per rilevare e quantificare i movimenti dell’emettere (1, fig. 2) lungo gli assi x, y, e z il ricevitore (3, fig. 2) è munito di uno o più microfoni (12, fig. 2) non allineati.

6. 6 Dispositivo come alle rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che per rilevare e quantificare i movimenti di un oggetto mobile (23, fig. 3) rileva e valuta la differenza di fase tra l’eco (22, fig. 3) del segnale a ultrasuoni emesso (2, fig. 3) e un segnale di riferimento.

7. Dispositivo come alle rivendicazioni 2 e 6, caratterizzato dal fatto che il segnale a ultrasuoni emesso (2, fig. 3) e il segnale di riferimento sono alla stessa frequenza.

8. Dispositivo come alle rivendicazioni 2 e 6, caratterizzato dal fatto che al rilevamento dei movimenti mediante la misurazione della differenza di fase è abbinato il rilevamento della distanza basato sulla misurazione del tempo di percorrenza andata e ritorno (2 e 22, fig. 3) del segnale a ultrasuoni tra l’emettore e la superficie (23, fig. 3) che riflette il segnale.

9. Dispositivo come alle rivendicazioni 2 e 6, caratterizzato dal fatto che al rilevamento dei movimenti mediante la misurazione della differenza di fase è abbinato il rilevamento della distanza basato sul conteggio delle onde (6, fig. 1) che ancora pervengono al microfono (12) dopo l’interruzione dell’emissione del segnale a ultrasuoni.