CN103019446B - 基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，该方法通过在触控设备感知面板下布置几个传感器，感应因触击而产生的冲击波信号，检测冲击波信号能量及其到达时间，根据冲击波群速度在各向同性或准各向同性结构上各方向上近似相等的原理，对触击位置进行分析计算，根据触击力度与冲击波信号能量成正比的关系，对触击能量进行分析计算。本发明改变了传统技术中需要设置阵列传感器等群组传感器感应触击力度的方法，减少所需传感器数量，进而减小触控设备的总重量、复杂性和能耗，使得成本得以大幅度降低。本发明可以用于具有感知面板如触摸屏、游戏控制板、射击靶等的电子设备，对当前基于电阻、电容等技术的定位方法起辅助或替换作用。

Description

基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法

技术领域

本发明涉及一种触击位置和触击能量的监测方法，特别是关于一种触控设备用的基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法。

背景技术

触控设备因其操作简单快捷的特点已成为当前人机互动类电子产品的首选配置，从工业到家庭，从办公到娱乐到处可见其身影。人们在追求准确稳定，方便快捷的同时，提出了更多的期望和要求，如进一步增强力度感应的灵敏度，减轻重量，降低能耗等。

以带有触摸屏的电子产品为例，当前市场上的主流技术大多采用电容式触摸屏。但电容式触摸屏无法直接感应触击的力度，且只能感应皮肤的点击，对指甲，戴着手套的手指或其他物体的点击则无法感应，因此操作上仍有不便。当前主要通过分布在触摸屏下的传感器群来解决上述问题，但它有几大缺点：1、传感器只能感应其附近的力度，因此需要设置较多的传感器构成群组才能覆盖整个触摸屏，这样就会增加设备的重量、复杂性和耗电量。2、传感器与手指触击之间还隔着几层玻璃，手指触击的能量经玻璃分散衰减后才能被传感器感应到，因此精度不高，很难准确地给出触击的力度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，采用本发明的触控设备相比现有技术，具有能耗低、灵敏度高且系统复杂性低的优点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，该方法通过布置在触控设备感知面板下的传感器感应因触击感知面板而产生的冲击波信号，检测到达的冲击波信号能量及其到达时间，根据冲击波群速度在各向同性或准各向同性结构上各方向上近似相等的原理，对触击位置进行分析计算，根据触击力度与冲击波信号能量成正比的关系，对触击能量进行分析计算。

上述方法包括以下步骤：

1）在触控设备感知面板下任意位置分散设置四个以上的传感器，记录各传感器的位置坐标；

2）当人的手指或其他物体触击感知面板的一点时，于触击点处产生冲击波，各传感器检测收到的冲击波信号能量，并记录冲击波信号到达时间；

3）根据冲击波群速度在各向同性或准各向同性结构上各方向上近似相等的原理，任选四个传感器，建立波速方程组：

$\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}}=\frac{T_2-T_1}{T_3-T_2},$

$\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}}=\frac{T_2-T_1}{T_4-T_3},$

其中，（x₁,y₁）,（x₂,y₂）,（x₃,y₃）,（x₄,y₄）为四个传感器的位置坐标，T₁，T₂，T₃，T₄为四个传感器记录的冲击波信号到达时间，（x,y）为触击点位置坐标，求解上述方程组得到触击点的位置坐标（x,y）；

4）对每个传感器，求其检测到的冲击波信号能量与其对应的出厂前所标定的能量衰减函数之积，为其对应的触击能量；

5）任选一个传感器，将其所对应的触击能量作为待求的目标触击能量，或任选两个以上传感器，将它们所对应的触击能量的平均值作为待求的目标触击能量。

上述传感器检测到的冲击波信号能量E_i通过下式确定：

$E_i={\∫}_{T_i}^{T_{\mathrm{is}}}{S_i}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，S_i(t)是传感器检测到的信号波形振幅，t表示时间，T_is为S_i(t)小于一给定临界阈值S_c的时间，T_i为冲击波信号到达时间，i＝1,2,3......是传感器标号。

在上述触控设备感知面板每一边设置两个以上的传感器，所述步骤3）和5）中，选取每一边上接收时间最长的传感器，用其参数进行计算。

上述步骤4）中的能量衰减函数通过以下步骤进行标定：

①以给定触击能量的触击设备击打离传感器距离为r的触摸屏上的一点；

②通过采集到的传感器信号以及触击能量得到比值E/E₀；

③将r和E/E₀作为该次击打特征数据记录下来；

④重复步骤①～③n次，击打触摸屏不同部位，得到n组特征数据；

⑤用数据拟合方法拟合以上n组特征数据，得到能量衰减函数F(r)。

上述触控设备是带有感知面板的电子乐器，带有触控面板的游戏机，自动感应靶和带有击打感应器的机器设备中的一种。

上述感知面板是平面面板和曲面面板中的一种。

上述感知面板采用金属、玻璃、塑料或皮革制成。

上述传感器是压电传感器、电阻传感器和光纤传感器中的一种。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、采用本发明的触控设备在感知面板下布放四个以上的传感器接收触击点处传来的冲击波，利用声波传播原理，以及触击力度与传感器接收到的能量成正比的关系对触击位置和触击能量进行计算，改变了传统技术中需要设置阵列式传感器等群组传感器感应触击力度的方法，可以大大减少所需传感器的数量，进而减小触控设备的总重量、复杂性和能耗，并使得成本得以大幅度降低。2、采用本发明的触控设备，其感知面板的面积增大，无需增加传感器的数量，且面板越大，触击位置和触击能量的测量结果精度越高。3、采用本发明的触控设备还可以在感知面板的每边设置两个以上的传感器接收触击点处传来的冲击波，选取每边到达时间最长的信号，以其为基准计算触击能量，以较好地消除感知面板边缘反射信号对能量感应的干扰，进一步提高测量结果的精确度。本发明可以用于具有感知面板的设备，如触摸屏、游戏控制板、射击靶等，对当前基于电阻、电容、图像识别等技术的定位方法可以起辅助或替换作用。

附图说明

图1是本发明实施例一的传感器位置示意图；

图2是本发明冲击波信号示意图；

图3是本发明实施例二的传感器位置示意图；

图4是运用本发明的单电子乐器示意图；

图5是运用本发明的多电子乐器示意图；

图6是运用本发明的平板电脑示意图；

图7是运用本发明的自动感应靶示意图；

图8是运用本发明的机器人感应系统示意图。

具体实施方式

本发明需要在触控设备感知面板下分散设置四个以上的传感器。传感器感知面板上任一位置的触击，接收因触击而产生的冲击波信号，然后通过对接收到的冲击波信号进行分析，确定触击位置，得出触击能量，从而为量化触击提供依据。

下面以带有触摸屏的触控设备为例，结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，实施例一在触控设备感知面板，也即触摸屏下分散设置了四个传感器，其位置分别表示为（x₁,y₁）,（x₂,y₂）,（x₃,y₃）,（x₄,y₄）。当人的手指或其他物体触击触摸屏一点时，于触击点（x,y）处将会产生冲击波。冲击波沿着触摸屏向各个方向传播，位于触摸屏下的四个传感器随之检测到相应的波信号。将四个传感器检测到的波信号到达时间分别表示为T₁，T₂，T₃，T₄，对于各项同性或近似各项同性的触摸屏而言，冲击波的群速度在各个传播方向上可以近似地视为相等，因此得出以下方程组：

$\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}}=\frac{T_2-T_1}{T_3-T_2},$

$\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}}=\frac{T_2-T_1}{T_4-T_3}.$

求解上述方程组即可获得触击点坐标（x,y），从而确定触击位置。

对于不会导致触摸屏产生永久变形或损伤的触击而言，触击可视为低速冲击。低速冲击使得触摸屏只产生弹性变形。当触击位置与传感器之间的距离保持不变时，触击能量与传感器所检测到的波信号能量成正比。传感器所检测到的波信号能量与触击能量以及触击位置与传感器之间的距离关系可以通过出厂前对同批次触摸屏中的一个进行标定实验获得。以传感器1为例，传感器1所检测到的信号能量E₁、触击能量E₀₁，以及触击位置与传感器1之间的距离r₁之间的关系满足下式：

E₀₁＝F₁(r₁)E₁

其中，F₁(r₁)是传感器1的能量衰减函数，其函数形式由标定实验确定。

触击点（x,y）与传感器1（x₁,y₁）之间的距离r₁可以通过下式确定：

$r_1=\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}$

传感器1所检测到的冲击波信号能量E₁可通过下式确定：

$E_1={\∫}_{T_1}^{T_{1s}}{S_1}^2\mathrm{dt}$

其中，S₁(t)是传感器1检测到的信号波形振幅（如图2所示），t表示时间，T_1s为S₁(t)小于一给定临界阈值S_c的时间。

同理，对于其余三个传感器可以获得各自对应的触击能量E₀₂、E₀₃、E₀₄。对四个传感器所对应的触击能量取平均值，即可求得目标触击能量E：

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{1}{4}(E_{01}+E_{02}+E_{03}+E_{04}).$

当然实际操作中也可不限于此，可以只选其中某一传感器对应的触击能量作为待求的目标触击能量，或选二或三个传感器对应的触击能量，取其平均值作为待求的目标触击能量。

上述实施例中，触摸屏的能量衰减函数可以通过以下步骤进行标定：

1）以可获知触击能量的触击设备（如落球，力锤等）击打离传感器距离为r的触摸屏上的一点；

2）通过采集到的传感器信号以及触击能量得到比值E/E₀；

3）将r和E/E₀作为该次击打特征数据记录下来；

4）重复步骤1）～3）n次，击打触摸屏不同部位，得到n组特征数据；击打次数越多，最终结果能量衰减系数将越精确；

5）用数据拟合方法拟合以上n组特征数据，即可得到一个函数形式的能量衰减函数F(r)。

如果系统所采用的传感器性能及尺寸完全相同，那么能量衰减函数也将适用于其他的传感器；如果系统所采用的传感器性能及尺寸不完全相同，那么可分别测出每个传感器对应的能量衰减函数。

对于实施例一设置有四个传感器的感应系统而言，当触击点位于传感器到触摸屏边界的垂线上，或在垂线附近时，触摸屏边界会对波进行反射，附近的传感器可能会同时检测到波信号及其反射信号，导致测量结果产生较大误差。为解决此问题，可以采用每边设置两个以上的传感器构造感应系统。如图3所示，实施例二在触摸屏下分散设置八个传感器，每边上设置两个传感器。每边两个传感器可以大致分布于该边的三分点处，但不限于此。

当监测触击位置和触击能量时，首先比较每个边上的传感器接受到的冲击波的时间，选取每边上接收时间最长的传感器的信号进行分析计算。分析计算方法与实施例一相同，此处不再赘叙。这样计算触击能量能够较好地消除触摸屏边缘反射信号对能量感应的干扰，能够有效提高测量结果的精确度。

上述实施例仅为本发明的应用示例，绝不仅限于电子设备的触摸屏，它还可用于下述领域：

1）如图4所示，带有感知面板的单电子乐器。在击打设备感知面板上布置传感器感应击打的位置和能量，传感器与信号处理器连接，然后通过音响设备发出与用同样能量击打真实乐器同样位置发出的相同或类似的声音。

2）如图5所示，带有感知面板的多电子乐器。在上述技术的基础上，将该感知面板划分出多个区域模拟多个不同的乐器，如鼓、锣和钹，以本发明识别出击打的位置属于某个区域之后用信号处理器调出该区域所代表的乐器的发声特点，进而模拟出该乐器。多电子乐器感知面板可以由一个人操作或多人操作组成一个乐团。

3）如图6所示，带有触控面板的游戏机，如平板电脑。通过本发明感应对游戏控制器击打的位置和能量来实现对游戏的操作。比如可以不同的能量击打控制感知面板的不同位置来模拟对游戏中角色的击打。

4）如图7所示，自动感应靶。在射击靶面板下布置传感器，传感器与信号处理器连接，信号处理器分析计算出结果后，传给射击成绩计分牌显示出来。应用该发明，可以准确快速地感应出射击点的位置和力度，实自动射击评估。

5）如图8所示，带有击打感应器的机器设备。如一机器人感应系统布置有传感器，传感器与机器人的控制中枢连接，控制中枢里设置有信号处理器对传感器采集的信息进行计算分析，控制中枢根据信号处理器的分析结果，如受击打位置和力度，控制机器人动力设备使机器人做出不同的动作。

上述实施例中，感知面板可以是平面面板、曲面面板或其他形式面板。

上述实施例中，感知面板可以采用金属、玻璃、塑料、皮革或复合材料制成。

上述实施例中，传感器可以是压电传感器、电阻传感器、光纤传感器或其他变形测量传感器。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各步骤中的算法，传感器布置等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，其特征在于：该方法通过布置在触控设备感知面板下的传感器感应因触击感知面板而产生的冲击波信号，检测到达的冲击波信号能量及其到达时间，根据冲击波群速度在各向同性或准各向同性结构上各方向上近似相等的原理，对触击位置进行分析计算，根据触击能量与冲击波信号能量成正比的关系，对触击能量进行分析计算；

对每个传感器，求其检测到的冲击波信号能量与其对应的出厂前所标定的能量衰减函数之积，为其对应的触击能量；所述能量衰减函数通过以下步骤进行标定：

①以给定触击能量的触击设备击打离传感器距离为r的触摸屏上的一点；

②通过采集到的传感器信号以及触击能量得到比值E/E₀；

③将r和E/E₀作为该次击打特征数据记录下来；

④重复步骤①～③n次，击打触摸屏不同部位，得到n组特征数据；

⑤用数据拟合方法拟合以上n组特征数据，得到能量衰减函数F(r)。

2.如权利要求1所述的基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，其包括以下步骤：

1)在触控设备感知面板下任意位置分散设置四个以上的传感器，记录各传感器的位置坐标；

2)当人的手指或其他物体触击感知面板的一点时，于触击点处产生冲击波，各传感器检测收到的冲击波信号能量，并记录冲击波信号到达时间；

3)根据冲击波群速度在各向同性或准各向同性结构上各方向上近似相等的原理，任选四个传感器，建立波速方程组：

$\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}}=\frac{T_2-T_1}{T_3-T_2},$

$\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}}=\frac{T_2-T_1}{T_4-T_3},$

其中，(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃),(x₄,y₄)为四个传感器的位置坐标，T₁，T₂，T₃，T₄为四个传感器记录的冲击波信号到达时间，(x,y)为触击点位置坐标，求解上述方程组得到触击点的位置坐标(x,y)；

4)对每个传感器，求其检测到的冲击波信号能量与其对应的出厂前所标定的能量衰减函数之积，为其对应的触击能量；

5)任选一个传感器，将其所对应的触击能量作为待求的目标触击能量，或任选两个以上传感器，将它们所对应的触击能量的平均值作为待求的目标触击能量。

3.如权利要求2所述的基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，其特征在于，所述传感器检测到的冲击波信号能量E_i通过下式确定：

$E_i={\∫}_{T_i}^{T_{\mathrm{is}}}{S_i}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，S_i(t)是传感器检测到的信号波形振幅，t表示时间，T_is为S_i(t)小于一给定临界阈值S_c的时间，T_i为冲击波信号到达时间，i＝1,2,3……是传感器标号。

4.如权利要求2所述的基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，其特征在于：在所述触控设备感知面板每一边设置两个以上的传感器，所述步骤3)和5)中，选取每一边上接收时间最长的传感器，用其参数进行计算。

5.如权利要求3所述的基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，其特征在于：在所述触控设备感知面板每一边设置两个以上的传感器，所述步骤3)和5)中，选取每一边上接收时间最长的传感器，用其参数进行计算。

6.如权利要求1～5任意一项所述的基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，其特征在于：所述触控设备是带有感知面板的电子乐器，带有触控面板的游戏机，自动感应靶和带有击打感应器的机器设备中的一种。

7.如权利要求1～5任意一项所述的基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，其特征在于：所述的感知面板是平面面板和曲面面板中的一种。

8.如权利要求1～5任意一项所述的基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，其特征在于：所述感知面板采用金属、玻璃、塑料或皮革制成。

9.如权利要求1～5任意一项所述的基于波传播时间及能量函数的触击位置和能量测量方法，其特征在于：所述传感器是压电传感器、电阻传感器和光纤传感器中的一种。