CN101029931A - 一种超声波定位装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波定位装置和定位方法，它包括可发射超声波的信号笔、超声波接收模块、主处理模块，当信号笔位于书写平面上时，通过轻触开关控制信号笔的超声波发射模块发射周期性的超声波脉冲信号；设置在定位范围内的至少四个超声波接收模块分别接收超声波信号，并分别放大输出至主处理模块；主处理模块的自动增益电路将各个接收方向上的超声波信号放大，并通过脉冲转换电路转换成脉冲信号；信号选通电路可选择输入各方向的脉冲信号，主处理模块的微处理器依据该各方向上接收超声波的时间和超声波的波速，计算出坐标点值，实现定位。本发明可以减小书写笔的体积，应用在任何材质的书写表面，无需特定的触摸平面，抗干扰性强，工艺简化，可以灵活实现任何尺寸的屏幕定位，简单方便，效果显著。

Description

一种超声波定位装置及其定位方法

技术领域

本发明是涉及一种超声波定位技术及设备，特别是涉及一种应用于电子显示设备或者其他书写平面实现书写板功能及智能输入的定位装置及定位方法。

背景技术

随着多媒体技术的飞跃发展，人机交互方式多种多样，目前常用的电子触摸屏技术或电子白板投影屏幕技术给人机交互提供了极大的方便，特别是光学定位技术、表面声波定位技术及电磁感应定位技术等的应用，为人机交互的方式提供了多种解决方法，而且性能和可靠性也在不断的完善。

目前市场上常见的应用各种定位技术的产品各有其优缺点和限制：较大一部分都要用到固定的触摸板和特定的触摸平面或者是生产时预定尺寸的框架，还有一些产品在生产工艺、安装及调试方面有一定的限制，或者对外界的光、电、灰尘杂物等干扰敏感，这些都给生产和应用带来极大的不方便。

现有的超声波定位技术大多数都是基于超声波和红外，超声波发射笔发射红外和超声波，超声波接收板检测红外信号和超声波信号，其中红外信号作为接收超声波的时间基准，根据检测到的超声波传输时间计算出定位点与超声波换能器的距离，从而实现定位。但现有的采用超声波定位技术的产品有很多缺陷：如CN1831745A专利文献中公开的技术方案中要用到保护板及一个或多个保护板支撑件来保护显示面板，这不仅预定了定位范围还增加了生产成本及安装调试难度；再如CN1595348A专利文献公开的技术方案中的信号笔包括电池、机械开关、线路板和超声波传感器，还用到了红外发射传感器，这不仅大大增加了信号笔的体积，发射红外光信号还消耗大量的能量，减少了电池的使用寿命，而且机械开关迟滞，用力过大会滑伤书写表面，用力过小接触不良，使用起来很不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、安装方便、成本低、抗干扰性强、处理速度快、适用于大屏幕及拼接墙定位的抗干扰型超声波定位装置及定位方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案；一种超声波定位装置，它包括具有超声波发射模块并可由轻触开关控制超声波发射的信号笔，用于完成定位的至少四个超声波接收模块，以及主处理模块，各接收模块均包括可接收信号笔发射超声波的超声波换能器和放大输出该超声波信号至主处理模块的超声波放大处理电路，主处理模块包括依次连接的可放大接收模块输出信号的自动增益电路、将信号转换成所需波形信号的脉冲转换电路、可选择输入各方向波形信号的信号选通电路以及可依据测量出的各方向接收超声波的时间和超声波传播速度确定信号笔坐标的带通用端口的微处理器。

通过轻触开关控制信号笔的超声波发射模块周期性的发射超声波脉冲信号，此时信号笔在定位范围内由浮空点P1(pfx，pfy，H)移动至坐标为(px，py，O)的书写点P，其之间间距设定为H，参考坐标系以书写平面的左上角为原点，向右的方向为X轴，向下的方向为Y轴，指向空间的方向为Z轴；用于完成定位的至少四个超声波接收模块分别接收信号笔发射出的超声波信号，再分别放大处理并输出至主处理模块，各接收模块的坐标分别为(p1x，p1y，H1)、(p2x，p2y，H2)、(p3x，p3y，H3)、(p4x，p4y，H4)，……，(pnx，pny，Hn)，其接收到的超声波到达时间分别为t1、t2、t3，t4，……，tn，与实际超声波的传输时间偏差为Δt；主处理模块的自动增益电路将各个接收方向上的超声波信号放大，并通过脉冲转换电路转换成脉冲信号；信号选通电路可选择输入各方向的脉冲信号，主处理模块的微处理器依据该各方向上接收超声波的时间和超声波的波速，这里的波速是依据温度传感器确定的运行环境温度所对应的波速V，任意选取四个超声波接收模块的坐标，利用以下公式计算出此时信号笔所处书写点P的坐标信息，即：

(H-H1)²+(px-p1x)²+(py-p1y)²＝V²(t1-Δt)²

(H-H2)²+(px-p2x)²+(py-p2y)²＝V²(t2-Δt)²

(H-H3)²+(px-p3x)²+(py-p3y)²＝V²(t3-Δt)²

(H-H4)²+(px-p4x)²+(py-p4y)²＝V²(t4-Δt)²

带入已知参数，计算得到H和px、py的值，即可以得到P点在定位范围内的位置，并输出相应坐标值于外界的计算机上，便可以实现定位。

所述的各接收模块位于不在同一条直线上的同一个书写平面内的至少四个点上，或者位于空间内不在同一条直线上的至少四个点上，或者位于同一条直线上但不平行于书写平面的至少四个点上。

该超声波定位装置中的超声波信号笔体积小、结构简单且功耗小延长了电池的使用寿命节省了能源，同时该超声波定位装置及定位方法可以应用在任何材质的书写表面，无需固定的触摸板和特定的触摸平面或者是生产时预定尺寸的框架，在超声波换能器及定位算法的最大检测范围之内可以灵活实现任何尺寸的屏幕定位。

本发明超声波定位装置中信号笔上设有力感应传感器，其原理是通过模拟人的握笔书写习惯加入了无线压力感应模块，可控制所述超声波发射模块发射超声波信号并且精确反映书写笔锋，书写感觉舒适逼真；该信号笔靠近笔尖的端部上设有与所述超声波发射模块相连的超声波发射元件；超声波换能器和放大处理电路之间设有低通滤波器，增强抗干扰性。

所述的微处理器为设有通用接口的基于32位ARM RISC结构的微处理器MCU。例如我们可以选用带有通用接口或扩展的无线接口，高性能的微处理器，这样就能够满足系统测量及运算需求。

所述的主处理模块上设有与所述微处理器相连的温度传感器。可通过温度传感器测量当前环境温度，以此来确定计算距离时所用的波速，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。

对于面积较大的定位区域，可以划定若干个定位范围，相邻的定位范围可以共用超声波接收模块和相应的主处理模块，在最大检测范围之内设置至少四个超声波接收模块和相应的主处理模块，可以采用模块化的生产工艺，通过改变接收模块的数量和主处理模块的数量可以灵活开发出大屏幕拼接墙的超声波定位系统，实现大屏幕拼接墙的书写板功能及智能输入功能。

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

本发明去掉书写笔上的红外信号，可以大幅度减小书写笔的体积，减小电池功耗，延长电池使用寿命，使用会更加方便舒适；去掉红外光信号，还可以避免外界光的干扰，不仅提高了超声波定位系统的抗干扰性，还简化了生产工艺，美化了信号书写笔的外观。本定位技术还发明了超声波的三维定位算法，书写笔可以不接触屏幕而实现书写，无需特定的触摸平面，因此该超声波定位装置及定位方法可以应用在任何材质的书写表面，比如软屏幕等。另外本发明无需固定尺寸的触摸板或生产时预定尺寸的框架，因此在超声波换能器及定位算法的最大检测范围之内可以灵活实现任何尺寸的屏幕定位，比如应用在大屏幕拼接墙上简单方便效果显著。

附图说明

图1是本发明实施例1超声波定位装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1超声波定位装置的信号笔结构示意图；

图3是本发明实施例1接收模块原理示意图；

图4是本发明实施例1主处理模块原理示意图；

图5是本发明实施例1定位算法原理示意图；

图6是本发明实施例1中三维定位方法1原理示意图；

图7是本发明实施例1中三维定位方法2原理示意图；

图8是本发明超声波定位装置应用在m*N的大屏幕拼接墙上的实施例2的结构示意图；

图9是本发明实施例3的定位算法原理示意图。

具体实施方式

实施例1：

本发明的超声波定位装置结构示意图如图1所示，包括超声波信号笔1、分别位于书写平面相对两个边缘上的超声波接收模块201、202、203、204，以及主处理模块3。所述超声波接收模块201、202、203、204和主处理模块3之间分别由电源线、地线、超声波信号线相连。

所述的超声波信号笔1结构示意图如图2所示：它包括电池14、超声波发射电路11以及控制发射超声波的轻触开关13和力感应传感器15，靠近笔尖的端部上设有与超声波发射模块11相连接的超声波发射元件12。

所述的超声波接收模块原理示意图如图3所示：包括依次连接的超声波换能器21、低通滤波电路22、前置放大处理电路23及功率放大电路24。

所述的超声波主处理模块原理示意图如图4所示：包括分别对应接收相应方向上接收模块201、202、203、204输出超声波信号的自动增益电路311、312、313、314，以及对应的脉冲转换电路331、332、333、334，其中在二者之间分别设有第三级的放大滤波电路321、322、323、324；各脉冲转换电路连接信号选通电路34，该信号选通电路34连接可与外界PC进行数据传输的微处理器MCU35。

所述超声波定位系统工作原理如下：超声波信号笔1书写时力感应传感器15工作，可控制所述超声波发射模块周期性的发射40khz的超声波脉冲信号并且无线压力感应模块与主处理模块通信精确反映书写笔锋；如果不需要体现笔锋的书写场合轻按触摸开关即可完成书写和定位；接收模块上的超声波换能器21接收超声波信号并经过低通滤波器22及两级放大处理电路23、24处理，处理后的各接收方向上的超声波信号通过信号线送到主处理模块3中，主处理模块3的各自动增益电路311、312、313、314分别将各个接收方向上的超声波信号放大到一定倍数以达到后续的脉冲计算电路的最佳电平，各脉冲转换电路331、332、333、334将转换后的波形信号经信号选通电路34送入MCU35作处理。所述的微处理器为设有通用接口的基于32位ARM RISC结构的微处理器MCU。例如我们可以选用带有通用接口或扩展的无线接口，高性能的微处理器，这样就能够满足系统测量及运算需求。所述超声波定位装置及定位方法其定位精度可以达到1mm，甚至更小。

该超声波定位装置定位算法原理如下：如图5所示超声波接收模块201、202、203、204分别位于一参照坐标平面内，在书写平面相对的两个边缘分别布设两个接收模块。所述的分布包括不在同一直线上的任何组合，可以位于不在同一条直线上的同一个平面内或者位于空间上不在一条直线上的至少四个点上，比如相对两边每边放置两个超声波接收模块、任一边放两个超声波接收模块剩下三边任意两边各放一个超声波接收模块或四边每边放一个超声波接收模块等等组合。本实施例的分布安装如图5所示，各接收模块201、202、203、204的超声波换能器211、212、213、214的坐标分别为(p1x，p1y)、(p2x，p2y)、(p3x，p3y)、(p4x，p4y)，P表示平面内要定位的任意点，坐标为(px，py)，参考坐标系的坐标轴为X，Y，这里设定超声波速度为V，这里由于超声波属于声波范围，其波速V与温度有关，表1列出了几种不同温度下的波速。

                           表1波速与温度关系

温度/℃	-20	-10	0	10	20	30	100
								波速/m/s	319	325	323	338	344	349	386

在测距时由于温度变化，可通过温度传感器测量当前环境温度确定计算距离时所用的波速V，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。当超声波接收模块接收到特定的超声波信号，将分别输出超声波信号的时间序列波形，设超声波到达第一个超声波换能器的时间为t1，到达另三个换能器时间为t2，t3，t4，他们与实际超声波传输时间偏差为Δt，信号笔1上的超声波发射元件12位于浮空点P1处，其离书写平面的距离(根据笔尖的长度设定合适的距离范围)为H，则可以得到下面的方程组：

(1)H²+(px-p1x)²+(py-p1y)²＝V²(t1-Δt)²

(2)H²+(px-p2x)²+(py-p2y)²＝V²(t2-Δt)²

(3)H²+(px-p3x)²+(py-p3y)²＝V²(t3-Δt)²

(4)H²+(px-p4x)²+(py-p4y)²＝V²(t4-Δt)²

解上述方程组得到H，px，py，Δt的值，即可以得到P点的唯一坐标值即确定了书写信号笔在书写平面内的位置。

这里t1为超声波换能器211接收到的第一个超声波信号序列到达的时间，t2，t3，t4为另外三个接收模块上的超声波换能器212、213、214接收到超声波信号序列的到达时间，Δt为各个接收模块上的超声波换能器接收到的超声波信号序列与他们实际传输的时间差，H为书写信号笔上的超声波发射元件离书写平面的距离。

现有的超声波定位产品的信号笔执行书写动作接触屏幕时，使得书写笔尾部的机械开关闭合，才发射超声波信号，所以在书写时必须使用一定力度才能正常书写，而且开关有一定的开关行程，用力过小开关可能未闭合，用力过大可能刮伤屏幕，加剧了笔尖的摩擦损耗。而在一些使用软屏幕的场合中是无法使用的。本发明的超声波三维定位算法可以克服这些问题，采用该超声波定位算法的定位装置只需轻轻接触屏幕完成书写动作，即使在软屏幕上也可以正常的完成书写和操作，克服了现有的超声波定位产品不能在软材质平面内书写和操作的问题，而且不必用力书写，即不会磨损笔尖也不会刮伤屏幕表面。

参阅图6，是一种超声波定位方法：操作者通过触摸打开信号笔1上的轻触开关13，使信号笔1发射超声波，如图6所示在屏幕的两边相向放置四个接收模块，由换能器212和换能器214构成的触发平面与由换能器211和换能器213构成的书写平面平行，可根据实际情况和需求调整两平面之间的距离，四个接收模块同步工作检测超声波信号到达时间来计算是否到达触发平面，如果计算判断到达触发平面，系统进入书写状态。当信号笔1穿过触发平面后到达书写平面，由接收换能器211，212，213检测到的超声波到达时间t1、t2、t3计算信号笔1在书写平面的坐标来实现定位。其中触发点P和书写点P′的连线垂直于书写平面和触发平面即为触发平面和书写平面的距离，可以根据需要设定触发平面到书写平面这一阈值，一般我们习惯设定笔尖距离屏幕小于2mm视为进入书写状态。这样即可轻轻的接触屏幕完成书写动作，即使在软屏幕上也可以正常的完成书写和操作，克服了现有的超声波定位产品不能在软材质平面内书写和操作的问题，而且不必用力书写不会磨损笔尖也不会刮伤屏幕表面。

参阅图7，是另一种超声波定位方法：操作者通过触摸打开信号笔1上的轻触开关13，使书写信号笔1发射超声波，如图7所示在屏幕的相对的两边各放置两个接收模块，两边同时检测超声波信号。浮空点P1和书写点P的连线垂直于书写平面即为浮空点到书写平面的距离H，当书写笔在浮空点P1点时，取四个接收模块上的换能器211、212、213、214检测到的超声波信号的时间t1、t2、t3、t4来建立立体模型，求出浮空点P1和书写点P的距离。可以根据需要设定触发平面到书写平面距离的阈值，一般我们习惯设定笔尖距离屏幕小于2mm视为进入书写状态。当此距离阈值小于2mm视为接触平面，进入书写状态。

实施例2：

本发明的超声波定位装置及定位方法还可以应用在m*N的大屏幕拼接墙上，如图8所示m*N的大屏幕拼接墙，其中m和N分别表示拼墙的列数和行数，这里在超声波换能器可以检测到的最大范围之内N可以是一行或多行。在屏幕拼接墙上放置多个接收模块，每两个相邻的拼墙可以划定在一个定位区域即共用单个检测区域的四个超声波接收模块，每四个超声波接收模块检测一定范围内的超声波信号，然后送给各自检测区域范围的主处理模块，首先确定各自检测区域的位置坐标，再由一个主控板协调各检测区域范围内的主处理模块同步工作，将各自检测区域范围内的书写点的位置信息上报给主处理板综合计算，从而实现m*N的大屏幕拼接墙的定位。

实施例3：

参阅图9，本发明实施例3的超声波定位装置定位算法原理如下：超声波接收模块201、202、203、204分别位于不平行书写平面的同一直线上，该直线可以垂直于定位范围的书写平面，也可以是如图所示的方式，各接收模块201、202、203、204的超声波换能器211、212、213、214距书写平面的距离分别是H1、H2、H3、H4，P表示平面内要定位的任意点，各接收模块的坐标分另为(p1x，p1y，H1)、(p2x，p2y，H2)、(p3x，p3y，H3)、(p4x，p4y，H4)，其接收到的超声波到达时间分别为t1、t2、t3、t4，与实际超声波的传输时间偏差为Δt；信号笔1上的超声波发射膜12位于浮空点P1处，其离书写平面的距离(根据笔尖的长度设定合适的距离范围)为H，按照实施例1的方式建立立体模型，并按照以下公式计算，即：

(H-H1)²+(px-p1x)²+(py-p1y)²＝V²(t1-Δt)²

(H-H2)²+(px-p2x)²+(py-p2y)²＝V²(t2-Δt)²

(H-H3)²+(px-p3x)²+(py-p3y)²＝V²(t3-Δt)²

(H-H4)²+(px-p4x)²+(py-p4y)²＝V²(t4-Δt)²

可以得到P点的唯一坐标值，确定了书写信号笔在书写平面内的位置。其他技术特征与实施例1相同，在此不予赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，本领域中的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变更均包括在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声波定位装置，其特征在于：它包括具有超声波发射模块并可由轻触开关控制超声波发射的信号笔、用于完成定位的至少四个超声波接收模块，以及主处理模块，各接收模块均包括可接收信号笔发射超声波的超声波换能器和放大输出该超声波信号至主处理模块的超声波放大处理电路，主处理模块包括依次连接的可放大接收模块输出信号的自动增益电路、将信号转换成所需波形信号的脉冲转换电路、可选择输入各方向波形信号的信号选通电路以及可依据测量出的各方向接收超声波时间和超声波传播速度确定信号笔坐标的带通用端口的微处理器。

2.根据权利要求1所述的一种超声波定位装置，其特征在于：各所述的接收模块位于不在同一条直线上的同一个书写平面内的至少四个点上，或者位于空间内不在同一条直线上的至少四个点上，或者位于同一条直线上但不平行于书写平面的至少四个点上。

3.根据权利要求1或2所述的一种超声波定位装置，其特征在于：所述的信号笔上设有力感应传感器来控制所述超声波发射模块发射超声波信号及模拟笔锋。

4.根据权利要求3所述的一种超声波定位装置，其特征在于：所述的信号笔靠近笔尖的端部上设有与所述超声波发射模块相连的超声波发射元件。

5.根据权利要求1或2所述的一种超声波定位装置，其特征在于：所述的主处理模块上设有与所述微处理器相连的温度传感器。

6.根据权利要求1或2所述的一种超声波定位装置，其特征在于：对于面积较大的定位区域，可以划定若干个定位范围，相邻的定位范围可以共用超声波接收模块和相应的主处理模块，在最大检测范围之内设置至少四个超声波接收模块和相应的主处理模块。

7.一种如权利要求1所述的一种超声波定位装置的定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：

a、通过轻触开关控制信号笔的超声波发射模块周期性的发射超声波脉冲信号，此时信号笔在定位范围内由浮空点P1(pfx，pfy，H)移动至坐标为(px，py，0)的书写点P，其之间间距设定为H；

b、用于完成定位的至少四个超声波接收模块分别接收信号笔发射出的超声波信号，并分别放大处理并输出至主处理模块，各接收模块的坐标分别为(p1x，p1y，H1)、(p2x，p2y，H2)、(p3x，p3y，H3)、(p4x，p4y，H4)，……，(pnx，pny，Hn)，其接收到的超声波到达时间分别为t1、t2、t3，t4，……，tn，与实际超声波的传输时间偏差为Δt；

c、主处理模块的自动增益电路将各个接收方向上的超声波信号放大，并通过脉冲转换电路转换成脉冲信号；

d、主处理模块的信号选通电路选择输入各个方向的脉冲信号送入微处理器MCU；

e、主处理模块的微处理器依据该各方向上接收超声波的时间和超声波的波速，这里的波速是依据温度传感器确定的运行环境温度所对应的波速V，任取四个超声波接收模块的坐标，利用以下公式计算出此时信号笔所处书写点P的坐标信息，即：

(H-H1)²+(px-p1x)²+(py-p1y)²＝V²(t1-Δt)²

(H-H2)²+(px-p2x)²+(py-p2y)²＝V²(t2-Δt)²

(H-H3)²+(px-p3x)²+(py-p3y)²＝V²(t3-Δt)²

(H-H4)²+(px-p4x)²+(py-p4y)²＝V²(t4-Δt)²

带入已知参数，计算得到H和px、py的值，即可以得到P点在定位范围内的位置，实现定位。

8.根据权利要求7所述的一种超声波定位方法，其特征在于：所述的接收模块位于不在同一条直线上的同一个书写平面内，或者位于空间上不在一条直线上的至少四个点上，或者位于一条直线上但不平行于书写平面的至少四个点上接收所述的该信号笔发射出的超声波信号。

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