CN102928843A - 使用声波测量物体空间位置的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种使用声波测量物体空间位置的方法及系统，适于使用声波收发装置及多个声波接收装置以测量指示物品的位置。此方法首先取得声波收发装置至每一声波接收装置之间的相对位置；之后再取得对应于从声波收发装置发出声波、一直到声波收发装置与声波接收装置接收到从指示物品反射而回的反射声波之间所需的反射时间；最后就利用这些相对位置与反射时间，计算指示物品的位置。

Description

使用声波测量物体空间位置的方法及系统

技术领域

本发明是有关于一种测量物体空间位置的方法及系统，且特别是有关于一种使用声波测量物体空间位置的方法及系统。

背景技术

传统的电容式、电阻式以及表面声波触控技术等，只能对于位处屏幕表面的触控进行侦测，且因为电子元件合格率的限制，在大面积触控的应用上会导致成本快速上升。另一种运用深度摄影机进行位置判断的技术则因光学限制之故，仅能在30公分以外才有效，并不适于近距离的触控应用；此外因为摄影机视角问题，在大面积触控时所能涵盖的区域偏小，故同样不适于大面积触控的应用。

有鉴于此，一种被称为脉冲-回声超音波(pulse-echo ultrasound)的技术便开始被使用于近距离且大面积的触控环境上。此种技术是根据声音传递的速度来计算待测物体与感应器之间的距离，然后透过几何关系而获知待测物体的位置。然而，欲使用此技术必须先克服两个问题：其一是需要知道声音速度的大小，但因为声音速度会随着温度与湿度而有所改变，所以必须随时校正才能维持精准度；其二是如何利用反射时间资讯来计算待测物体的三度空间坐标，亦即，用来计算待测物体三度空间坐标的计算方式的复杂度将很大程度的影响到物体侦测的运作流畅程度。

发明内容

本发明的目的之一就是在提供一种使用声波测量物体空间位置的方法与系统，其不需要确认声音速度即可进行物体位置的量测。

本发明提出一种使用声波测量物体空间位置的方法，其适于使用一个声波收发装置及多个声波接收装置以测量指示物品的位置。此方法先取得声波收发装置至每一声波接收装置之间的相对位置，并取得对应于从声波收发装置发出声波，直至由声波收发装置与由声波接收装置接收到从指示物品反射而回的反射声波之间所需的反射时间，之后再利用所取得的相对位置与反射时间来计算指示物品的位置。

本发明还提出一种使用声波测量物体空间位置的系统，此系统用于测量指示物品的位置，并包括声波生发装置、第一与第二声波接收装置、记录元件以及计算单元。其中，声波收发装置发出声波至指示物品，并接收因声波从指示物品反射而回所产生的第一声波反射信号。第一与第二声波接收装置分别接收因为前述声波从指示物品反射而回所产生的第二与第三声波反射信号。记录元件记录第一声波接收装置与声波收发装置之间的第一相对位置资讯，并记录第二声波接收装置与声波收发装置之间的第二相对位置资讯。计算单元根据从声波收发装置从发出声波至声波收发装置本身接收到第一声波反射信号所需的第一反射时间、从声波收发装置发出声波至第一声波接收装置接收第二声波反射信号所需的第二反射时间、从声波收发装置发出声波至第二声波接收装置接收第三声波反射信号所需的第三反射时间、第一相对位置资讯以及第二相对位置资讯，以计算指示物品的位置。

本发明预先记录声波收、发元件之间的相对位置作为计算指示物品时的参数，再配合各反射时间以及对应的空间几何关系，如此就可以在没有确切的声速数据的情况下计算出指示物品的空间位置。

为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的系统方块图；

图2为图1所示之实施例的俯视示意图；

图3为根据本发明一实施例的实施步骤流程图。

其中，附图标记：

10：使用声波测量物体空间位置的系统

15：指示物品                    100：面板

110：声波收发装置               120、122、124：声波接收装置

130：记录元件                   140：计算单元

S300~S312：本发明一实施例之实施步骤

具体实施方式

请参照图1，其为根据本发明一实施例的系统方块图。如图1所示，在本实施例中，使用声波测量物体空间位置的系统10包括了声波收发装置110、声波接收装置120、122与124、记录元件130以及计算单元140。虽然这些装置与元件在本实施例中被设置在面板100的四周或其内部，但这并非唯一的设计方式。例如，面板100本身可以只是一个用于显示而没有触控功能的屏幕，或者可以是一块用于涂写字画的板子。当然，记录元件130与计算单元140等可以不被设置在屏幕或板子之内，而是独立在外并以能沟通数据的方式与声波收发装置110及声波接收装置120、122与124等相互耦接。

在图1所示的实施例中，声波收发装置110会发出声波以便后续量测操作的进行。由声波收发装置110所发出的声波在碰撞到指示物品15之后会四散反射至各处，而从指示物品15反射而回的声波中的一部分则会分别被声波收发装置110本身以及声波接收装置120、122与124所接收。这些被接收的反射声波(后称为声波反射信号)的接收时间点与原本发出声波的时间点之间的差异，会被传送到记录元件130或直接传送到计算单元140，以使计算单元140能配合记录元件130所储存之声波收发装置110与声波接收装置120、122与124间的相对位置资讯，对指示物品15的空间位置进行计算。

请参照图2，其为图1所示之实施例的俯视示意图。应注意的是，此图仅用于表示声波收发装置110与声波接收装置120、122与124间的相对位置关系，以借此让本领域技术人员知悉何谓前述的相对位置资讯，但并不以此代表这些装置的实际长度与形状。

如图2所示，此实施例以声波收发装置110为原点，并以声波接收装置120相对于声波收发装置110在X轴上的位移量为h1，在Y轴与在Z轴上的位移量因为其值为0，所以没有标示出来；以声波接收装置122相对于声波收发装置110在X轴上的位移量为h2，在Y轴与在Z轴上的位移量因为其值为0，所以没有标示出来；并以声波接收装置124相对于声波收发装置110在X轴上的位移量为h3，在Y轴上的位移量为h4，在Z轴上的位移量因为其值为0，所以没有标示出来。所述各轴上的位移量会被储存在记录元件130之中，以备后续计算时使用。

请参照图3，其为根据本发明一实施例的实施步骤流程图。为方便说明，请一并参照图1。在本实施例中，首先自记录元件130中取得先前储存的各个相对位置资讯(步骤S300)；并在声波收发装置110与声波接收装置120、122与124等各自收到声波反射信号之后，计算收到声波反射信号的时间点与声波收发装置110发出声波的时间点之间的时间差异以作为相对应的反射时间(步骤S302)。在取得相对位置资讯以及反射时间之后，这两组参数会被提供给计算单元140以计算指示物品15的位置。

在计算指示物品15的位置时，可以考虑利用以下的方式来进行：

以X_i=[x_i y_i z_i]^T，i=1表示声波收发装置110的空间坐标，i为其他值时表示分别表示一个声波接收装置的空间坐标。例如，可以以X₂代表声波接收装置120的空间坐标，以X₃代表声波接收装置122的空间坐标，并以X₄代表声波接收装置124的空间坐标。此外，并以τ_i为声波收发装置110到第i-1个声波接收装置的反射时间。例如，可以i=1时(τ₁)表示声波收发装置110发出声波到声波收发装置110自身收到声波反射的反射时间，并以i=2时(τ₂)表示声波收发装置110发出声波到声波接收装置120收到声波反射的反射时间，以i=3时(τ₃)表示声波收发装置110发出声波到声波接收装置122收到声波反射的反射时间，以i=4时(τ₄)表示声波收发装置110发出声波到声波接收装置124收到声波反射的反射时间。

如此，根据声波收发装置110、声波接收装置120、122与124及指示物品15之间的几何空间关系，可以得到以下式子：

(X_i-X₁)^TX+(vτ₁-vτ_i)*vτ₁/2=(1/2)*(|X_i|²-|X₁|²+v²τ₁ ²-v²τ_i ²)

其中，v为未知的声速，X=[x y z]^T，代表指示物品15的空间位置。

以i从2到4代入，则可得以下各式：

${(X_2-X_1)}^{T}X+({\mathrm{v\τ}}_1-{\mathrm{v\τ}}_2)\frac{{\mathrm{v\τ}}_1}{2}=\frac{1}{2}({\left|X_2\right|}^2-{{|X}_1|}^2+v^2{\mathrm{\τ}}_1^2-v^2{\mathrm{\τ}}_2^2)$

${(X_2-X_1)}^{T}X+({\mathrm{v\τ}}_1-{\mathrm{v\τ}}_3)\frac{{\mathrm{v\τ}}_1}{2}=\frac{1}{2}\left(\right|{X_3|}^2-{\left|X_1\right|}^2+v^2{\mathrm{\τ}}_1^2-v^2{\mathrm{\τ}}_3^2)$

${(X_4-X_1)}^{T}X+({\mathrm{v\τ}}_1-{\mathrm{v\τ}}_4)\frac{{\mathrm{v\τ}}_1}{2}=\frac{1}{2}({\left|X_4\right|}^2-{\left|X_1\right|}^2+v^2{\mathrm{\τ}}_1^2-v^2{\mathrm{\τ}}_4^2)$

以另一种方式表示，上述各式可化整为以下式子：

${(X_2-X_1)}^T\frac{X}{v^2}-\frac{1}{2}({\left|X_2\right|}^2-{\left|X_1\right|}^2)=\frac{1}{v^2}=\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2)-\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2){\mathrm{\τ}}_1----\left(1\right)$

${(X_3-X_1)}^T\frac{X}{v^2}-\frac{1}{2}({\left|X_3\right|}^2-{\left|X_1\right|}^2)\frac{1}{v^2}=\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_3^2)-\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_3){\mathrm{\τ}}_1----\left(2\right)$

${(X_4-X_1)}^T\frac{X}{v^2}-\frac{1}{2}({\left|X_4\right|}^2-{\left|X_1\right|}^2)\frac{1}{v^2}=\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_4^2)-\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_4){\mathrm{\τ}}_1----\left(3\right)$

如此，在上述(1)、(2)、(3)共三个式子中，总共包含了表示指示物品15的空间位置的x、y、z三个未知数，以及一个代表声速的未知数v，总共存在有四个未知数。

设以，则可将W^*表示为

若以

为w₁，

为w₂，

为w₃，则W^*可被表示为[w₁ w₂ w₃]¹。为简化前式，同时可令w₄为。如此，则可将前式(1)~(3)化为下式：

$\left[\begin{array}{c}{(X_2-X_1)}^T-\frac{1}{2}({\left|X_2\right|}^2-{\left|X_1\right|}^2)\\ {(X_3-X_1)}^T-\frac{1}{2}({\left|X_3\right|}^2-{\left|X_1\right|}^2)\\ {(X_4-X_1)}^T-\frac{1}{2}({\left|X_4\right|}^2-{\left|X_1\right|}^2)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{w}_1\\ w_2\\ w_3\\ w_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2)-\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2){\mathrm{\τ}}_1\\ \frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_2^1-{\mathrm{\τ}}_3^2)-\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_3){\mathrm{\τ}}_1\\ \frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_4^2)-\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_4){\mathrm{\τ}}_1\end{array}\right]---\left(4\right)$

因为有4个未知数，所以上式(4)没有唯一解。但若如图1所示般使声波收发装置110与声波接收装置120、122与124共平面，则未知数w₃的影响将会消失。换言之，可以令X₁=[0 0]、X₂=[-h₁ 0]、X₃=[h₂ 0]以及X₄=[h₃ h₄]，则上式(4)将降维度而成为：

$\left[\begin{array}{ccc}-h_1& 0& -\frac{1}{2}{h}_1^2\\ h_2& 0& -\frac{1}{2}{h}_2^2\\ h_3& h_4& -\frac{1}{2}(h_3^2+h_4^2)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\\ w_1\\ w_2\\ w_4\\ \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2)-\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2){\mathrm{\τ}}_1\\ \frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_3^2)-\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_3){\mathrm{\τ}}_1\\ \frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_4^2)-\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_4){\mathrm{\τ}}_1\end{array}\right]---\left(5\right)$

若以F表示式(5)的第一个阵列、W表示式(5)的第二个阵列，并以B表示式(5)的第三个阵列，则上式可被简单表示为：FW=B，而其解则可被表示为W=F^-1B。

由于F中的值都是先前已知的h₁、h₂、h₃与h₄等声波收发装置110与声波接收装置120、122与124间的相对位置，因此阵列F^-1可以在事先计算而得。据此，很容易就可以得到阵列W的解而无须对阵列F进行矩阵反转(matrix inverse)运算，整体来说计算量是很低的。

一旦得到阵列W的解，那么指示物品15的x与y坐标以及当下的声音速度都可以利用先前设定的式子反推而得，亦即：

x=w₁/w₄

y=w₂/w₄

$v=\sqrt{1/w_4}$

另外，由于声波收发装置110是收发共体，而指示物品15与声波收发装置110之间的距离为τ₁/2w₄，因此指示物品的z轴坐标可由下式计算而得：

$z=\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{2w_4}\right)}^2-{\left(\frac{w_1}{w_4}\right)}^2-{\left(\frac{w_2}{w_4}\right)}^2}$

由此，指示物品15的空间位置就可以得到确认。而使用声波测量物体空间位置的系统10也就可以根据指示物品15的空间位置而进行相对应的后续操作。

在一个实施例中，既然已经取得指示物品15的空间位置，那么整个指示物品空间位置15的判断流程就已经可以算是结束了。然而，图3所示的实施例在取得指示物品的空间位置之后，还更进一步把先前根据同样参数而计算获得的w₄取出，并利用w₄的值而计算出目前的声速(步骤S306)。在计算出声速之后，此方法进一步判断此一计算出来的声速是否落在合理的范围内(步骤S308)。假若所计算出来的声速是落在合理的范围内，那么就表示这次计算出来的指示物品15的空间位置是合理的，于是就可以输出指示物品15的空间位置以便后续操作之用(步骤S310)；相对的，假若所计算出来的声速并没有落在合理的范围内，那么就表示这次计算出来的指示物品15的空间位置是不合理的，于是就会舍弃此次的计算结果不用(步骤S312)。

换言之，在整个流程中，声速并不用来计算指示物品15的空间位置，而只是被选择性的用来确认此次计算出来的指示物品15的空间位置是否合理而已。因此，声速并不是在计算指示物品15的空间位置时所需的必要参数，自然也就不需要在指示物品15的空间位置计算期间进行即时的更新。如此一来，就可以避免先前技术对于即时更新声速上的需求，进而减少对应的计算步骤。

根据上述的实施例，当声波收发装置110与声波接收装置120、122与124被设置在同一个平面上的时候，就可以侦测出指示物品1 5的三度空间位置。然而，此时声波收发装置110与声波接收装置120、122与124不能够排成一直线，否则前述式(5)就无法有正确解。而从另一个角度来看，若各声波接收装置没有被设置在同一个平面上，则也只需要比图1所示的实施例增加一个声波接收装置就能利用前述的方法计算指示物品15的三度空间位置。

再者，假若只是要计算指示物品15的二度空间位置，那么只需要排成一排的一个声波收发装置以及两个声波接收装置就可以完成。计算时所使用的方程式亦如以上所述的思考流程，在此不予赘述。

综上所述，本发明预先记录声波收、发元件之间的相对位置作为计算指示物品时的参数，再配合各反射时间以及对应的空间几何关系，借此在没有确切的声速数据的情况下计算出指示物品的空间位置。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，因此本发明之保护范围当视权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种使用声波测量物体空间位置的系统，其特征在于，适于测量一指示物品的位置，该系统包括：

一声波收发装置，用以发出一声波至该指示物品，并接收因该声波从该指示物品反射而回所产生的一第一声波反射信号；

一第一声波接收装置，接收因该声波从该指示物品反射而回所产生的一第二声波反射信号；

一第二声波接收装置，接收因该声波从该指示物品反射而回所产生的一第三声波反射信号；

一记录元件，记录该第一声波接收装置与该声波收发装置之间的一第一相对位置资讯，以及记录该第二声波接收装置与该声波收发装置之间的一第二相对位置资讯；以及

一计算单元，根据该声波收发装置从发出该声波至接收到该第一声波反射信号所需的一第一反射时间、从该声波收发装置发出该声波至该第一声波接收装置接收该第二声波反射信号所需的一第二反射时间、从该声波收发装置发出该声波至该第二声波接收装置接收该第三声波反射信号所需的一第三反射时间、该第一相对位置资讯及该第二相对位置资讯，计算该指示物品的位置。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该声波收发装置、该第一声波接收装置及该第二声波接收装置排列在一直线上。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，更包括：

一第三声波接收装置，接收因该声波从该指示物品反射而回所产生的一第四声波反射信号，

其中，该记录元件更记录该第三声波接收装置与该声波收发装置之间的一第三相对位置资讯，且该计算单元于计算该指示物品的位置时，更进一步依据该第三相对位置资讯以及从该声波收发装置发出该声波至该第二声波接收装置接收该第四声波反射信号所需的一第四反射时间以进行计算。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，该声波收发装置、该第一声波接收装置、该第二声波接收装置及该第三声波接收装置被排列在同一平面上，但不在同一直线上。

5.一种使用声波测量物体空间位置的方法，其特征在于，适于使用一声波收发装置及多个声波接收装置以测量一指示物品的位置，该方法包括：

取得该声波收发装置至每一该些声波接收装置之间的一相对位置；

取得对应于从该声波收发装置发出声波，到该声波收发装置与到该些声波接收装置接收到从该指示物品反射而回的反射声波之间所需的多个反射时间；以及

利用该些相对位置与该些反射时间，计算该指示物品的位置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该些声波接收装置被排列为在同一平面上但不在同一直线上。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，计算该指示物品的位置时采用并列下列方程式以求解：

(X_i-X₁)^TX+(vτ₁-vτ_i)*vτ₁/2=(1/2)*(|X_i|²-|X₁|²+v²τ₁ ²-v²τ_i ²)

其中X_i=[x_i y_i z_i]^T，i=1表示该声波收发装置的空间坐标，i为其他值时表示分别表示该些声波接收装置之一的空间坐标，

τ_i为该声波收发装置到第i-1个声波接收装置的反射时间，其中i=1时表示声波收发装置发出声波到声波收发装置自身收到声波反射的反射时间，v为声速。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，于计算该指示物品的位置之外，更进一步计算对应的声音速度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，更利用所计算出来的声音速度以确认所计算出的该指示物品的位置是否可用。

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