CN103176624B - 基于电磁感应信息交互技术的非触摸式指端方位识别方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁感应信息交互技术的非触摸式指端方位识别的方法，包括（1）开启第一磁场，并转入步骤（2）；（2）监测第一磁场中是否存在切割磁感线的线圈，若判断存在线圈，确定第一磁场中线圈数量，转入步骤（3）；若不存在线圈，继续步骤（2）监测；（3）分别计算并存储各线圈外法向方向的仰俯角θ，并转入步骤（4）；（4）关闭第一磁场，开启第二磁场，转入步骤（5）；（5）结合各线圈的仰俯角θ，分别计算并存储各线圈外法向方向的方位角，以确定各线圈外法向方向，同时转入步骤（1），继续各线圈移动方向监测。本发明通过产生磁通密度方向相互正交的两维时变磁场，实现在操作者手指所在的空间，判断单一或多个手指指向的目的。

Description

基于电磁感应信息交互技术的非触摸式指端方位识别方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种物体方位的识别方法。

背景技术

目前无论是Pad还是手机，都较多采用触摸屏幕的方式，通过指端的滑动或者以手指点击形成某种预先设定的点击图案等方式，实现菜单的选择、文字的输入、以及对图标的各种操作。这种通过触摸进行信息交互的方式有很多缺点，例如信息传递的灵敏度和准确度会受到手指接触屏幕的面积、指压的强度以及手指的湿度等影响，造成信息传递不畅，且必须通过手指与屏幕之间接触才能实现信息的输入，从而无法实现一定距离的远程操作，又在一定场合时，当其他物体触击屏幕或者多个手指同时点击屏幕时，系统无法有效识别指令的正确性，导致信息输入模糊等等。

现在的时代对于人机交互技术的渴求已经越来越高涨了。与传统用户界面相比,引入了视觉和听觉之后的多媒体用户界面,最重要的变化就是界面不再是一个静态界面,而是一个与时间有关的时变媒体界面，能够通过人体的动作或声音作为信号的一种输入形式来达到控制的目的，更加贴合人的本能感官。所以，本发明计方法亦是迎合了如今的主要潮流方向，通过一种新的非触摸式指端方位识别方法来达到识别动作的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁感应信息交互技术的非触摸式指端方位识别方法，为非接触式的能够在近距和远距实现准确信息传递的方法，以提高人机交互时的舒适度与有效度。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于电磁感应信息交互技术的非触摸式指端方位识别的方法，包括以下步骤，

（1）开启第一磁场，并转入步骤（2）；所述第一磁场产生的磁感应线覆盖操作者手指所在的空间。

优选的，第一磁场产生的磁感应线覆盖电子产品屏幕上方空间。

（2）监测第一磁场中是否存在切割磁感线的线圈，若判断存在线圈，确定第一磁场中的线圈数量，转入步骤（3）；若判断不存在线圈，继续步骤（2）监测；

（3）分别计算并存储各线圈外法向方向的仰俯角θ，并转入步骤（4）；

（4）关闭第一磁场，开启第二磁场，转入步骤（5）；所述第二磁场产生的磁感应线覆盖操作者手指所在的空间。

优选的，第二磁场产生的磁感应线覆盖电子产品屏幕上方空间。

（5）结合各线圈的仰俯角θ，分别计算并存储各线圈外法向方向的方位，以确定各线圈外法向方向，识别各线圈的移动轨迹，同时转入步骤（1），继续各线圈下一刻的外法向方向的监测。

优选的，所述第一磁场与所述第二磁场方向正交设置。

所述步骤（3）中，仰俯角θ的确定包括以下步骤，

（a）确定第一磁场中各线圈外法向e_n的方向；

（b）分别计算穿过各线圈的磁通量φ₁(t)大小；

（c）利用法拉第电磁感应定律，确定各线圈中第一电流i₁的表达式，计算并统计各线圈中第一电流i₁的大小；

（d）取其各线圈中第一电流i₁的最大值i_1max，计算并存储各线圈外法向方向的仰俯角θ值。

所述步骤（b）中，磁通量φ₁(t)大小为

φ₁(t)＝πR²B₀cosω₁t(cosθ-θsinθ)

所述步骤（c）中，各线圈中第一电流i₁表达式为：

$i_1\left(t\right)=-\frac{N}{R_e}\×\frac{{\mathrm{d\φ}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\πR}}^2{B}_0{\mathrm{\ω}}_1\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\Δ\μ}}_1)(\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ})}{\mathrm{Re}}$

式中的N=1为线圈的圈数，R_e为金属线圈的电阻值。

所述步骤（5）中，方位角的确定包括以下步骤，

（i）确定第二磁场中各线圈外法向e_n的方向；

（ii）分别确定穿过各线圈的磁通量φ₂(t)大小；

（iii）利用法拉第电磁感应定律，确定各线圈中第二电流i₂表达式，计算并统计各线圈中第二电流i₂的大小；

（iv）取其各线圈中第二电流i₂最大值i_2max，确定并存储各线圈外法向方向的方位角值。

所述步骤（ii）中，磁通量φ₂(t)大小为

所述步骤（iii）中，第二电流i₂的表达式为

式中N为线圈的圈数，本式中为便于计算选取N=1，R_e为金属线圈的电阻值；

所述外法向的方向e_n的确定包括以下步骤，

（一）确定第一方向e_n的表达式

（二）将所述第一方向有球坐标系转换为直角坐标系，获得在直角坐标系中的线圈外法向的第一法向，即

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种非接触式的，能够在近距和远距实现准确信息传递的方法，使得现有电子产品屏幕的大小无须要符合手指移动、触碰的范围，即不限制屏幕大小，或者屏幕必须和人体较为接近；另外采用本发明所示的方法进行方位识别，信息传递的灵敏度和准确度不会受到手指接触屏幕的面积、指压的强度以及手指的湿度等因素的影响；且能避免有其他物体或者多个手指触碰屏幕而引起的信息模糊等。

附图说明

图1线圈切割时外法向方向的仰俯角θ的方向示意图；

图2（a）为第一电流i₁大小随着时间（共100个时域采样点）变化的曲线示意图；

图2（b）为实际测量时仰俯角θ与t的仿真图；

图2（c）为采用本发明所得到的仰俯角θ与t的仿真图；

图3线圈切割时外法向方向的方位角的方向示意图；

图4（a）第二电流i₂随着时间（共100个时域采样点）变化的曲线示意图；

图4（b）为θ＝60°时，实际测量的方位角与t的仿真图；

图4（c）为θ＝60°时，采用本发明所得到的方位角与t的仿真图；

图5为本发明仰俯角θ和方位角的角度的范围；

图6为产生第一磁场的装置连接示意图；

图7为磁场方向为e_Z时，第一电流i₁以及第一磁场的磁感应强度大小示意图；

图8为产生第二磁场的装置连接示意图；

图9为磁场方向为e_X时，第二电流i₂以及第二磁场的磁感应强度大小示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提供了一种基于电磁感应信息交互技术的非触摸式指端方位识别的方法，将手指移动的动作作为信号的一种输入形式，进行人机交互，从而实现远程或近距离的进行电子产品的操作，原理如下：在操作者手指所在的空间，设置产生磁通密度方向相互正交的两维时变磁场，利用时变磁场在闭合线圈中产生感应电流的原理，通过确定各个线圈的方位角和俯仰角θ信息，从而获知每个单独线圈的走向，对操作者指端方位进行自动识别，以精确判断用户手指指向。

本发明所示的基于电磁感应信息交互技术的非触摸式指端方位识别的方法具体包括以下步骤：

（1）开启第一磁场，并转入步骤（2）；本实施例中，第一磁场产生的磁感应线覆盖电子产品屏幕的上方空间。

首先在电子产品周边空间的水平方向上设置一个磁场发生器，磁场发生器装置连接如图6所示，输入为交流电信号大小如图7所示，第一磁场发生器的磁感应强度大小为

B₁(t)＝B₀×cos(ω₁t+Δμ₁)

式中ω₁为磁场变化的角频率，Δμ₁为初相位，B₀为最大的磁通密度的幅值，磁通密度的方向为z轴，方向垂直于水平面,即图中e_Z所示方向，磁感应线覆盖电子产品屏幕的上方空间，从而近距离操控电子产品时，手指携带的线圈切割第一磁场，线圈中产生第一电流。

（2）监测第一磁场中是否存在切割磁感线的线圈，若判断存在线圈，确定第一磁场中的线圈数量，转入步骤（3）；若判断不存在线圈，继续步骤（2）监测；

本实施例中，当系统监测到电子产品屏幕上方空间中存在切割磁感线的线圈时，说明手指分别带上线圈在第一磁场中移动，需要确定手指的下一步动作，进行方位识别。系统首先确定磁场中线圈的数量，并进一步的通过确定各个线圈的方位角和俯仰角θ信息，从而获知每个单独线圈的走向，以识别每个携带线圈的手指下一步动作，最终确定方位移动信息。

（3）分别计算各线圈外法向方向的仰俯角θ，并转入步骤（4）；计算机通过统计各线圈移动切割第一磁场时，各线圈中第一电流i₁大小的变化，从而最终各线圈的外法向的仰俯角θ，以识别线圈移动方向。

本实施例中，首先完成对线圈外法向方向的仰俯角θ的估计。具体包括以下步骤。

（a）确定第一磁场中各线圈外法向的方向e_n在直角坐标系中表达式；本实施例中，计算机首先确定各线圈外法向的方向e_n在直角坐标系中表达式：

具体计算过程如下

如附图1所示，由于线圈套在手指上，手指方向与线圈垂直，因此手指的指向即为线圈的法向，因此，线圈外法向e_n的表达式

为不失一般性，式中r设为1，即由设为单位法向量，采用的是球坐标系。将所述第一法向由球坐标系转换为直角坐标系，获得在直角坐标系中的线圈的外法向的方向。

并将e_n在球坐标中的表达式代入上式，即：

于是得线圈外法向的方向e_n在直角坐标系中表达式。

（b）分别确定穿过各线圈的磁通量φ₁(t)大小；由于第一磁场发生器的磁感应强度大小以确定，故穿过各线圈的磁通量可以通过以下式计算得到：

φ₁(t)＝∫∫e_n·B₁(t)ds＝πR²×(e_n·B₁(t))

将式第一磁场发生器的磁感应强度表达式代入上式中，可知步骤（b）中，磁通量φ₁(t)大小为

φ₁(t)＝πR²B₀cosω₁t(cosθ-θsinθ)

此处，“·”代表的是矢量之间的点积，R为线圈的半径。

（c）利用法拉第电磁感应定律，确定各线圈中第一电流i₁的表达式，计算并统计各线圈中第一电流i₁的大小，即

$i_1\left(t\right)=-\frac{N}{R_e}\×\frac{{\mathrm{d\φ}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\πR}}^2{B}_0{\mathrm{\ω}}_1\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\Δ\μ}}_1)(\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ})}{\mathrm{Re}}---\left(2\right)$

式中的N=1为线圈的圈数，R_e为金属线圈的电阻值。

（d）取其各线圈中第一电流i₁的最大值i_1max，即sin(ω₁t+Δμ₁)＝1，即可计算获得各线圈外法向方向的仰俯角θ值。

本实施例中，由于初相角Δμ₁的数值无法预测，不能通过式(2)直接得到θ值，因此通过测得感应电流i₁一个周期的数值，取其最大值i_1max，即sin(ω₁t+Δμ₁)＝1，代入式（2）中即可计算获得θ值。

如图2所示，附图2为将归一化处理并且ω₁取100π得到的仿真结果。图2（a）为电流i随着时间（共100个时域采样点）变化的曲线，图2（b）为线圈的仰俯角θ随着时间变化的真实曲线，图2（c）为利用本发明所示的方法计算得到的仰俯角θ估计值。从图2可以看出，仰俯角θ估计值和真实值是一致的。

且通过仿真研究表明这种一一对应的关系，在仰俯角θ位于0到130度之间都是成立的。通过，即式(2)在θ∈(0,130°)时的取值和θ角之间是一一对应的关系，可以用来唯一确定θ角，其中130度的取值为计算机仿真获得。

（4）关闭第一磁场，开启第二磁场，并转入步骤（5）；

本实施例中，所述第一磁场与所述第二磁场方向正交设置。第二磁场产生的磁感应线同样覆盖电子产品屏幕上方空间。当系统已经计算并存储各线圈的仰俯角θ的大小后，判断关闭步骤（1）中e_Z方向的磁场，同时，开启如图8所示的磁场发生装置，以在水平面上设置第二个磁场发生器，第二磁场输入的交流电信号大小如图9所示，本实施例中，第二磁场的磁通密度的方向为e_X，输出为大小为

B₂(t)＝B₀×cos(ω₁t+Δμ₂)e_X

（5）分别计算各线圈方位角并结合各线圈的仰俯角θ，确定各线圈此刻的移动轨迹，同时转入步骤（1），监测各线圈下一刻的移动轨迹。

本实施例中，方位角的确定包括以下步骤，

（i）确定第二磁场中各线圈外法向的方向e_n；本实施例中，外法向的方向e_n的确定如前所述，表达式为：

（ii）分别确定穿过各线圈的磁通量φ₂(t)大小；如图3所示，穿过线圈的磁通量为：

φ₂(t)＝∫∫e_n·B₂(t)ds＝πR²×(e_n·B₂(t))

即

（iii）利用法拉第电磁感应定律，根据所述磁通量φ₂(t)大小确定各线圈中第二电流i₂的表达式，计算并存储第二电流i₂的大小。

式中的N=1为线圈的圈数，R_e为金属线圈的电阻值；

（iv）取其各线圈中第二电流i₂的最大值i_2max，即sin(ω₁t+Δμ₂)＝1，并通过已经获得的θ值，确定各线圈外法向方向的方位角值。

由于初相角Δμ₂的数值大小无法确定，因此如前所述，本实施例中采用在测得感应电流i₂一个周期后取最大值i_2max即sin(ω₁t+Δμ₂)＝1的方式，并通过已经获得的θ值，由式(3)确定角大小。

本实施例中，如图3所示，通过仿真研究表明，当时，式（3）和角一一对应。

图4即为设定θ＝60°时，对角进行估计的仿真结果。其中，图4（a）第二电流i₂随着时间（共100个时域采样点）变化的曲线示意；图4（b）为θ=60゜时，实际测量的方位角与t的仿真图；图4（c）为θ＝60°时，采用本发明所得到的方位角与t的仿真图；从图4（b）与图4（c）的对比中可以看到，当角为0与到130度之间时，通过本发明所示方法，能够得到方位角正确的估计值。

最后结合测得的θ和值，即可得到线圈的法向量，从而实现指端方位的识别达。附图5所示为水平和仰俯角θ的角度的范围，均在0到130度之间。这个范围已经足以覆盖手指能够转动的范围。

本发明是所示的方法能够精确判断用户手指指向的装置，不仅可广泛应用于pad、手机等带有触摸屏的电子设备中，也可以用于在更大空间内识别多个物体的移动轨迹和形态方位，是实现虚拟现实的必要技术和工具。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于电磁感应信息交互技术的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)开启第一磁场，并转入步骤(2)；所述第一磁场产生的磁感应线覆盖操作者手指所在的空间；

(2)监测第一磁场中是否存在切割磁感线的线圈，若判断存在线圈，确定第一磁场中的线圈数量，转入步骤(3)；若判断不存在线圈，继续步骤(2)监测；

(3)分别计算并存储各线圈外法向方向的仰俯角θ，并转入步骤(4)；

(4)关闭第一磁场，开启第二磁场，转入步骤(5)；所述第二磁场产生的磁感应线覆盖操作者手指所在的空间；

(5)结合各线圈的仰俯角θ，分别计算并存储各线圈外法向方向的方位角以确定各线圈外法向方向，识别各线圈的移动轨迹，同时转入步骤(1)，继续各线圈下一刻的外法向方向的监测。

2.根据权利要求1所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：所述第一磁场与所述第二磁场方向正交设置，第一磁场与所述第二磁场产生的磁感应线覆盖系统屏幕上方空间。

3.根据权利要求1所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，仰俯角θ的确定包括以下步骤，

(a)确定第一磁场中各线圈外法向的方向；

(b)分别计算穿过各线圈的磁通量Φ₁(t)大小；

(c)利用法拉第电磁感应定律，确定各线圈中第一电流i₁大小的表达式，计算并统计各线圈中第一电流i₁的大小；

(d)取其各线圈中第一电流i₁的最大值i_1max，计算并存储各线圈外法向方向的仰俯角θ值。

4.根据权利要求3所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：所述步骤(b)中，磁通量Φ₁(t)大小为

Φ₁(t)＝πR²B₀cosω₁t(cosθ-θsinθ)

式中R为线圈的半径，ω₁为磁场变化的角频率，B₀为最大的磁通密度的幅值，t为时间。

5.根据权利要求3所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：所述步骤(c)中，各线圈中第一电流i₁表达式为：

$i_1\left(t\right)=-\frac{N}{R_e}\×\frac{{\mathrm{d\φ}}_1\left(t\right)}{dt}=\frac{{\mathrm{\πR}}^2{B}_0{\mathrm{\ω}}_{1}sin({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\Δ\μ}}_1)(cos\mathrm{\θ}-\mathrm{\θ}sin\mathrm{\θ})}{R_e}$

式中R为线圈的半径，ω₁为磁场变化的角频率，B₀为最大的磁通密度的幅值，t为时间，

Δμ₁为初相角；φ₁(t)为穿过该线圈的磁通量；

式中的N为线圈的圈数，R_e为金属线圈的电阻值。

6.根据权利要求5所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：N的值为1。

7.根据权利要求1所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，方位角的确定包括以下步骤，

(i)确定第二磁场中各线圈外法向的方向；

(ii)分别确定穿过各线圈的磁通量φ₂(t)大小；

(iii)利用法拉第电磁感应定律，确定各线圈中第二电流i₂表达式，计算并统计各线圈中第二电流i₂的大小；

(iv)取其各线圈中第二电流i₂最大值i_2max，确定并存储各线圈外法向方向的方位角值。

8.根据权利要求7所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：所述步骤(ii)中，磁通量φ₂(t)大小为

式中R为线圈的半径，ω₁为磁场变化的角频率，B₀为最大的磁通密度的幅值，t为时间。

9.根据权利要求7所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：所述步骤(iii)中，第二电流i₂的表达式为

式中R为线圈的半径，ω₁为磁场变化的角频率，B₀为最大的磁通密度的幅值，t为时间，Δμ₂为初相角；

式中的N为线圈的圈数，R_e为金属线圈的电阻值。

10.根据权利要求9所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：N的值为1。

11.根据权利要求3或7所述的非触摸式指端方位识别的方法，其特征在于：外法向的方向e_n的确定包括以下步骤，

(一)确定外法向的方向e_n的表达式

(二)将球坐标系转换为直角坐标系，获得在直角坐标系中的线圈外法向的方向e_n，即

其中，e_r，e_θ，e_φ为球坐标系下的单位矢量；

e_x，e_y，e_z为直角坐标系下的单位向量。