CN103324298A - 超声波激光投影键盘和信息输入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波激光投影键盘和一种信息输入方法，其中超声波激光投影键盘包括：激光投影模块、控制单元和超声波传感器模组，其中，激光投影模块用于将键盘图像投影到预定位置，形成虚拟键盘；控制单元用于控制激光投影模块完成键盘图像的投影，确定输入物的坐标，根据该坐标匹配出在坐标系中的对应按键，并将按键表示的信息输入指定设备；超声波传感器模组用于将检测区域覆盖在虚拟键盘上，检测超声波传感器与进入检测区域的输入物之间的距离，并将检测信号传输至控制单元。通过本发明的技术方案，可以在平面上投射出全尺寸的激光虚拟键盘，利用超声波的特性实现键盘的输入，有效地提高了输入速度，且便于携带。

Description

超声波激光投影键盘和信息输入方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，具体而言，涉及一种超声波激光投影键盘和一种信息输入方法。

背景技术

随着电子产品智能化、小型化、便携性的发展趋势，目前一些平板电脑、手机等智能移动设备一般通过触摸屏来完成文本的输入工作，由于显示屏面积有限，键盘较小，容易误操作，影响输入速度，而传统的机械式键盘又不便于携带。

因此本发明提出了一种新型的超声波激光投影键盘，可以在平面上投射出全尺寸的激光虚拟键盘，利用超声波的特性实现键盘的输入，有效地提高了文本输入速度，且便于携带。

发明内容

考虑到上述背景技术，本发明提出了一种新型的超声波激光投影键盘，可以在平面上投射出全尺寸的激光虚拟键盘，利用超声波的特性实现键盘的输入，有效地提高了信息输入速度，且便于携带。

有鉴于此，根据本发明的一个方面，提出了一种超声波激光投影键盘，包括：激光投影模块、控制单元和超声波传感器模组，其中，所述激光投影模块用于将键盘图像投影到预定位置，形成虚拟键盘；所述控制单元用于控制所述激光投影模块完成所述键盘图像的投影，以及根据所述超声波传感器模组的检测信号确定输入物在所述虚拟键盘所在坐标系中的坐标，根据所述坐标匹配出在所述坐标系中的对应按键，并将所述按键表示的信息输入指定设备；所述超声波传感器模组用于将检测区域覆盖在所述虚拟键盘上，检测超声波传感器与进入所述检测区域的输入物之间的距离，并将检测信号传输至所述控制单元。

在该技术方案中，通过使用激光投影形成虚拟键盘，用户可以直接在虚拟键盘中进行文本输入，提高了键盘携带的便捷性，提升了用户的体验。具体来说，激光投影模块将键盘图像投影到预定的位置（例如与智能终端设备有预设距离的桌面）上形成虚拟键盘，其中，键盘图像的数据信息可以是预先存储在控制单元的内存中，控制激光投影模块完成对键盘图像的投影。超声波传感器模组中的传感器阵列的有效监测区域覆盖整个虚拟键盘图像的平面，在虚拟键盘图像的上表面上形成一个隐形的超声波有效监测区域曲面体，当输入物（例如手指、触摸笔）触碰虚拟键盘图像上的按键时，即进入隐形超声波有效监测区域曲面体，超声波传感器发射的超声波遇到输入物被反射回来，反射波由超声波传感器的接收装置接收，控制单元根据超声波测距原理把超声波传感器测得的数据经分析计算后得出输入物在虚拟键盘图像区域坐标系中的中心坐标，将输入物中心坐标所对应的虚拟键盘按键的按键信息由控制单元输入到智能终端设备例如手机中，完成激光投影键盘的信息输入。

根据本发明的另一方面，还提供了一种信息输入方法，包括：将键盘图像投影到预定位置，形成虚拟键盘；将多个超声波传感器的检测区域覆盖在所述虚拟键盘上，检测所述超声波传感器与进入所述检测区域的输入物之间的距离；根据所述超声波传感器的检测信号确定所述输入物在所述虚拟键盘所在坐标系中的坐标，根据所述坐标匹配出在所述坐标系中的对应按键，并将所述按键表示的信息输入指定设备。

在该技术方案中，通过使用激光投影形成虚拟键盘，用户可以直接在虚拟键盘中进行文本输入，提高了键盘携带的便捷性，提升了用户的体验。具体来说，激光投影模块将键盘图像投影到预定的位置（例如与智能终端设备有预设距离的桌面）上形成虚拟键盘，其中，键盘图像的数据信息可以是预先存储在控制单元的内存中，控制激光投影模块完成对键盘图像的投影。超声波传感器模组中的传感器阵列的有效监测区域覆盖整个虚拟键盘图像的平面，在虚拟键盘图像的上表面上形成一个隐形的超声波有效监测区域曲面体，当输入物（例如手指、触摸笔）触碰虚拟键盘图像上的按键时，即进入隐形超声波有效监测区域曲面体，超声波传感器发射的超声波遇到输入物被反射回来，反射波由超声波传感器的接收装置接收，控制单元根据超声波测距原理把超声波传感器测得的数据经分析计算后得出输入物在虚拟键盘图像区域坐标系中的中心坐标，将输入物中心坐标所对应的虚拟键盘按键的按键信息由控制单元输入到智能终端设备例如手机中，完成激光投影键盘的信息输入。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的超声波激光投影键盘的框图；

图2示出了根据本发明实施例的信息输入方法的流程图；

图3示出了根据本发明实施例的超声波激光投影键盘的模块图；

图4A示出了根据本发明实施例的超声波传感器有效监测区域的立体图；

图4B示出了根据本发明实施例的虚拟键盘上表面超声波有效监测区域的立体图；

图4C示出了根据本发明实施例的超声波有效监测区域的侧视图；

图4D示出了根据本发明实施例的超声波有效监测区域的俯视图；

图5A和图5B示出了根据本发明实施例的超声波虚拟键盘监测原理示意图；

图6A和图6B示出了根据本发明实施例的手指位置定位示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1示出了根据本发明实施例的超声波激光投影键盘的框图。

如图1所示，根据本发明实施例的超声波激光投影键盘100，包括：激光投影模块102、控制单元104和超声波传感器模组106，其中，所述激光投影模块102用于将键盘图像投影到预定位置，形成虚拟键盘；所述控制单元104用于控制所述激光投影模块102完成所述键盘图像的投影，以及根据所述超声波传感器模组106的检测信号确定输入物在所述虚拟键盘所在坐标系中的坐标，根据所述坐标匹配出在所述坐标系中的对应按键，并将所述按键表示的信息输入指定设备；所述超声波传感器模组106用于将检测区域覆盖在所述虚拟键盘上，检测超声波传感器与进入所述检测区域的输入物之间的距离，并将检测信号传输至所述控制单元104。

在该技术方案中，通过使用激光投影形成虚拟键盘，用户可以直接在虚拟键盘中进行文本输入，提高了键盘携带的便捷性。具体来说，激光投影模块102将键盘图像投影到预定的位置（例如与智能终端设备有预设距离的桌面）上形成虚拟键盘，其中，键盘图像的数据信息可以是预先存储在控制单元104的内存中，控制激光投影模块完成对键盘图像的投影。超声波传感器模组106中的传感器阵列的有效监测区域覆盖整个虚拟键盘图像的平面，在虚拟键盘图像的上表面上形成一个隐形的超声波有效监测区域曲面体，当输入物（例如手指、触摸笔）触碰虚拟键盘图像上的按键时，即进入隐形超声波有效监测区域曲面体，超声波传感器发射的超声波遇到输入物被反射回来，反射波由超声波传感器的接收装置接收，控制单元104根据超声波测距原理把超声波传感器测得的数据经分析计算后得出输入物在虚拟键盘图像区域坐标系中的中心坐标，将输入物中心坐标所对应的虚拟键盘按键的按键信息由控制单元输入到智能终端设备例如手机中，完成激光投影键盘的信息输入。

在上述技术方案中，优选地，所述超声波传感器模组106中的每个超声波传感器的位置与所述虚拟键盘中的按键以预定坐标关系对应。

通过使每个超声波传感器的位置与虚拟键盘中的按键之间形成一定的坐标对应关系（例如将超声波传感器模组中的第一个超声波传感器对应虚拟键盘的左侧第一行的第一个按键，或将超声波传感器模组中的中间超声波传感器对应虚拟键盘的第一行的中间按键，或相邻两个按键之间对应一个超声波传感器），可以在检测到输入物（例如手指）触碰到虚拟键盘的按键时，根据输入物的坐标来确定被触压的按键，以准确地完成激光投影键盘的输入。

在上述技术方案中，优选地，所述超声波传感器的检测区域的外切线与所述虚拟键盘所在的平面平行。

在该技术方案中，超声波传感器的检测区域的外切线与虚拟键盘所在的平面平行，虚拟键盘的各个键盘中心到超声波有效监测区域具有相同的最大值，确保虚拟键盘中所有的按键处于同一监测状态下，提高了检测按键中心坐标的准确性。

在上述技术方案中，优选地，所述控制单元104根据超声波传感器的距离检测信号可计算出所述输入物的坐标（x，y）区域范围。

在该技术方案中，由于虚拟键盘中每个按键与相应的超声波传感器的位置关系是确定的，例如每个按键中心可正对一个超声波传感器（将正对的超声波传感器称为主超声波传感器），因此当输入物触碰按键时，通过主超声波传感器的坐标x可以确定输入物（例如手指）的坐标x所在的范围，根据超声波传感器的距离检测信号可以得出输入物的中心坐标的坐标y的范围，从而确定输入物的中心坐标的区域范围，将输入物的中心坐标与键盘按键的有效输入区间进行匹配，匹配成功的按键即为输入物触碰的按键，系统将该键击按键的按键编号输入到智能终端设备中以实现键盘的输入功能。

在上述技术方案中，优选地，所述控制单元按照下述公式计算出所述输入物的坐标（x，y），

$\left\{\begin{array}{c}{(x-(i-1)s-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_1}^2---\left(1\right)\\ {(x-(2i-1)\frac{s}{2}-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_2}^2---\left(2\right)\end{array}\right.,$

其中，（1）公式为检测到所述输入物的主超声波传感器的测量曲线公式，（2）公式为检测到所述输入物的辅超声波传感器的测量曲线公式，i为检测到所述输入物的主超声波传感器的序号，D为按键的键宽，s为按键的键距，l₀为所述超声波传感器模组与所述虚拟键盘第一排按键上边沿之间的距离，L₁为所述主超声波传感器与所述输入物之间的距离，L₂为所述辅超声波传感器与所述输入物之间的距离，所述主超声波传感器为正投于所述输入物触碰的按键的超声波传感器，所述辅超声波传感器为除所述主超声波传感器之外的可检测所述按键的超声波传感器。

由于由一个主超声波传感器检测到输入物的坐标并不能精准地得出输入物的按键位置（是一个中心坐标范围），因此引入辅超声波传感器的测量曲线公式，通过主超声波传感器和辅超声波传感器的测量曲线公式建立方程组可以精确地确定出输入物所在的中心坐标，提高了键盘输入的准确性。在设计虚拟键盘与超声波传感器模组的坐标位置对应关系时，每个超声波传感器可能检测多个按键，即一个按键可能被多个超声波传感器检测到，因此，可以选择其中一个超声波传感器为主超声波传感器，其他超声波传感器为辅超声波传感器，典型地，可以正对按键的超声波传感器为主超声波传感器，其他超声波传感器为辅超声波传感器。辅超声波传感器的检测辅助校正主超声波传感器的检测结果，提高虚拟键盘按键的测量精度。

在上述技术方案中，优选地，所述控制单元104存储有多种类型的键盘图像，根据所述超声波传感器模组的布局，控制所述激光投影模块调整所选择的键盘图像与所述超声波传感器模组之间的坐标对应关系，并开启可检测所述虚拟键盘的超声波传感器。

为了便于适用各种应用场景，可预先存储多种类型的键盘图像，用户可根据需要选择不同类型的键盘图像并投影形成虚拟键盘，或者，虚拟键盘的大小可以根据用户的需要进行设定（例如控制单元104可根据用户的操作指令对键盘图像进行缩放处理或放大处理来满足用户的实际需要），从而防止了使用较小的键盘而影响用户的输入速度，提升用户的使用体验，例如在投影屏幕有限的情况下，可选择小键盘图像进行投影，在手指较大的情况下，可选择大键盘图像进行投影。另一方面，由于超声波传感器模组中超声波传感器的数量是固定的，但是键盘图像的类型是根据用户的选择确定的，即是变化的，因此可以根据虚拟键盘的大小和/或形状来开启可检测虚拟键盘的超声波传感器，而不需要的其他传感器处于关闭状态，有效节省了终端电量，降低功耗，并且在超声波传感器有富余的情况下，可调整键盘图像与超声波传感器的相对位置，例如左对齐，右对齐或中间对齐，并开启可检测该虚拟键盘的超声波传感器，从而提高了控制灵活性。

在上述技术方案中，优选地，按照下述公式计算出每个超声波传感器所能检测的按键数，以确定所述虚拟键盘被检测区域全部覆盖所需的超声波传感器的数量，

其中，d是在所述超声波传感器距离所述输入物为L处，所述虚拟键盘所在的平面切割所述超声波传感器的检测区域的割线长度，θ是所述超声波传感器的波束半功率角，h是所述检测区域的外切线与所述虚拟键盘之间的垂直距离。

在该技术方案中，由于虚拟键盘所在平面与单个超声波传感器的有效监测区域相交形成抛物线曲面，该抛物线曲面范围即超声波传感器所能检测的虚拟键盘的范围，根据每个超声波传感器所能检测的范围来确定全部检测一个虚拟键盘需要开启的超声波传感器的数量，当然，也可以固定需开启的超声波传感器的数量，通过调整单个超声波传感器所能检测虚拟键盘的检测范围，来实现在固定数量的超声波传感器状态下，可将检测区域覆盖整个虚拟键盘，或者在检测区域不能完全覆盖整个虚拟键盘时，可切换键盘图像，调整虚拟键盘，来使检测区域可完全覆盖整个虚拟键盘。

图2示出了根据本发明实施例的信息输入方法的流程图。

如图2所示，根据本发明实施例的信息输入方法的流程，包括：步骤202，将键盘图像投影到预定位置，形成虚拟键盘；步骤204，将多个超声波传感器的检测区域覆盖在所述虚拟键盘上，检测所述超声波传感器与进入所述检测区域的输入物之间的距离；步骤206，根据所述超声波传感器的检测信号确定所述输入物在所述虚拟键盘所在坐标系中的坐标，根据所述坐标匹配出在所述坐标系中的对应按键，并将所述按键表示的信息输入指定设备。

在该技术方案中，通过使用激光投影形成虚拟键盘，用户可以直接在虚拟键盘中进行文本输入，提高了键盘携带的便捷性，提升了用户的体验。具体来说，激光投影模块将键盘图像投影到预定的位置（例如与智能终端设备有预设距离的桌面）上形成虚拟键盘，其中，键盘图像的数据信息可以是预先存储在控制单元的内存中，控制激光投影模块完成对键盘图像的投影。超声波传感器模组中的传感器阵列的有效监测区域覆盖整个虚拟键盘图像的平面，在虚拟键盘图像的上表面上形成一个隐形的超声波有效监测区域曲面体，当输入物（例如手指、触摸笔）触碰虚拟键盘图像上的按键时，即进入隐形超声波有效监测区域曲面体，超声波传感器发射的超声波遇到输入物被反射回来，反射波由超声波传感器的接收装置接收，控制单元根据超声波测距原理把超声波传感器测得的数据经分析计算后得出输入物在虚拟键盘图像区域坐标系中的中心坐标，将输入物中心坐标所对应的虚拟键盘按键的按键信息由控制单元输入到智能终端设备例如手机中，完成激光投影键盘的信息输入。

在上述技术方案中，优选地，每个所述超声波传感器的位置与所述虚拟键盘中的按键以预定坐标关系对应。

在该技术方案中，通过使每个超声波传感器的位置与虚拟键盘中的按键之间形成一定的坐标对应关系（例如将超声波传感器模组中的第一个超声波传感器对应虚拟键盘的左侧第一行的第一个按键，或将超声波传感器模组中的中间超声波传感器对应虚拟键盘的第一行的中间按键，或相邻两个按键之间对应一个超声波传感器），可以在检测到输入物（例如手指）触碰到虚拟键盘的按键时，根据输入物的坐标来确定被触压的按键，以准确地完成激光投影键盘的输入。

在上述技术方案中，优选地，所述超声波传感器的检测区域的外切线与所述虚拟键盘所在的平面平行。

在该技术方案中，超声波传感器的检测区域的外切线与虚拟键盘所在的平面平行，虚拟键盘的各个键盘中心到超声波有效监测区域具有相同的最大值，确保虚拟键盘中所有的按键处于同一监测状态下，实现了检测按键中心坐标的准确性。

在上述技术方案中，优选地，所述控制单元根据超声波传感器的距离检测信号可计算出所述输入物的坐标（x，y）区域范围。在该技术方案中，由于虚拟键盘中每个按键与相应的超声波传感器的位置关系是确定的，例如每个按键中心可正对一个超声波传感器（将正对的超声波传感器称为主超声波传感器），因此当输入物触碰按键时，通过主超声波传感器的坐标x可以确定输入物（例如手指）的坐标x所在的范围，根据超声波传感器的距离检测信号可以得出输入物的中心坐标的坐标y的范围，从而确定输入物的中心坐标的区域范围，将输入物的中心坐标与键盘按键的有效输入区间进行匹配，匹配成功的按键即为输入物键击按键，系统将该键击按键的按键编号输入到智能终端设备中以实现键盘的输入功能。

在上述技术方案中，优选地，按照下述公式计算出所述输入物的坐标（x，y），

$\left\{\begin{array}{c}{(x-(i-1)s-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_1}^2---\left(1\right)\\ {(x-(2i-1)\frac{s}{2}-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_2}^2---\left(2\right)\end{array}\right.,$

其中，（1）公式为检测到所述输入物的主超声波传感器的测量曲线公式，（2）公式为检测到所述输入物的辅超声波传感器的测量曲线公式，i为检测到所述输入物的主超声波传感器的序号，D为按键的键宽，s为按键的键距，l₀为所述超声波传感器模组与所述虚拟键盘第一排按键上边沿之间的距离，L₁为所述主超声波传感器与所述输入物之间的距离，L₂为所述辅超声波传感器与所述输入物之间的距离，所述主超声波传感器为正投于所述输入物触碰的按键的超声波传感器，所述辅超声波传感器为除所述主超声波传感器之外的可检测所述按键的超声波传感器。

由于由一个主超声波传感器检测到输入物的坐标并不能精准地得出输入物的按键位置（是一个中心坐标范围），因此引入辅超声波传感器的测量曲线公式，通过主超声波传感器和辅超声波传感器的测量曲线公式建立方程组可以精确地确定出输入物所在的中心坐标，实现键盘输入的准确性。在设计虚拟键盘与超声波传感器模组的坐标位置对应关系时，每个超声波传感器可能检测多个按键，即一个按键可能被多个超声波传感器检测到，因此，可以选择其中一个超声波传感器为主超声波传感器，其他超声波传感器为辅超声波传感器，典型地，可以正对按键的超声波传感器为主超声波传感器，其他超声波传感器为辅超声波传感器。辅超声波传感器的检测辅助校正主超声波传感器的检测结果，提高虚拟键盘按键的测量精度。

在上述技术方案中，优选地，还包括：预置多种类型的键盘图像，根据所述超声波传感器模组的布局调整所选择的键盘图像与所述超声波传感器模组之间的坐标对应关系，并开启可检测所述虚拟键盘的超声波传感器。

为了便于适用各种应用场景，可预先存储多种类型的键盘图像，用户可根据需要选择不同类型的键盘图像并投影形成虚拟键盘，或者，虚拟键盘的大小可以根据用户的需要进行设定（例如可根据用户的操作指令对键盘图像进行缩放处理或放大处理来满足用户的实际需要），从而防止了使用较小的键盘而影响用户的输入速度，提升用户的体验，例如在投影屏幕有限的情况下，可选择小键盘图像进行投影，在手指较大的情况下，可选择大键盘图像进行投影。另一方面，由于超声波传感器模组中超声波传感器的数量是预设的，但是键盘图像的类型是根据用户的选择确定的，即是变化的，因此可以根据虚拟键盘的大小和/或形状来开启可检测虚拟键盘的超声波传感器的数量，而其他传感器处于关闭状态，有效节省了终端电量，降低功耗，并且在超声波传感器有富余的情况下，可调整键盘图像与超声波传感器的相对位置，例如左对齐，右对齐或中间对齐，并开启可检测该虚拟键盘的超声波传感器，从而提高了控制灵活性。

在上述技术方案中，优选地，按照下述公式计算出每个超声波传感器所能检测的按键数，以确定所述虚拟键盘被检测区域全部覆盖所需的超声波传感器的数量，

其中，d是在所述超声波传感器距离所述输入物为L处，所述虚拟键盘所在的平面切割所述超声波传感器的检测区域的割线长度，θ是所述超声波传感器的波束半功率角，h是所述检测区域的外切线与所述虚拟键盘之间的垂直距离。

在该技术方案中，由于虚拟键盘所在平面与单个超声波传感器的有效监测区域相交形成抛物线曲面，该抛物线曲面范围即超声波传感器所能检测的虚拟键盘的范围，根据每个超声波传感器所能检测的范围来确定全部检测一个虚拟键盘需要开启的超声波传感器的数量，当然，也可以固定需开启的超声波传感器的数量，通过调整单个超声波传感器所能检测虚拟键盘的检测范围，来实现在固定数量的超声波传感器状态下，可将检测区域覆盖整个虚拟键盘，或者在检测区域不能完全覆盖整个虚拟键盘时，可切换键盘图像，调整虚拟键盘，来使检测区域可完全覆盖整个虚拟键盘。

图3示出了根据本发明实施例的超声波激光投影键盘的模块图。

如图3所示，根据本发明实施例的超声波激光投影键盘的模块包括：

激光投影模块302，用于将键盘图像投影到智能终端设备附近的桌面上形成虚拟键盘，所述键盘图像的图像数据存储在微处理器控制单元304的内存中，可由微处理器控制单元304控制不同键盘类型的切换。

微处理控制单元304，用于控制激光投影模块302完成键盘图像的投影，超声波传感器模组306与激光投影模块302之间按照一定坐标映射关系进行安装调试定位，使超声波传感器模组306中每个传感器与桌面上的虚拟键盘图像以一定坐标关系对应。

超声波传感器模组306，超声波传感器模组306中的超声波传感器阵列的有效监测区域覆盖整个虚拟键盘图像的平面，在虚拟键盘图像的上表面上形成一个隐形的超声波有效监测区域曲面体，当手指触碰虚拟键盘图像上的按键，即进入隐形超声波有效监测区域曲面体，超声波传感器发射的超声波遇到手指被反射回来，反射波由超声波传感器的接收装置接收，微处理器控制单元304根据超声波测距原理把相邻两超声波传感器测得的数据经分析计算后得出手指在虚拟键盘图像区域坐标系中的中心坐标，将手指中心坐标所对应的虚拟键盘按键的按键编号由微处理器控制单元304输入到智能终端设备中，完成激光投影键盘的输入。

智能终端设备308，可以是平板电脑、台式投影仪、手机、MP4等智能终端移动设备。

超声波激光投影键盘可以直接集成到智能终端设备308中，也可以通过通信模块310与智能终端设备308进行通信。通信模块可以是USB有线通信、蓝牙、WiFi等通信方式，用户可根据自己的需要选择适合的连接方式。

下面结合图4A至图4D详细说明如何判断单个超声波传感器所能监测的虚拟键盘的按键数。

如图4A所示，根据超声波的传播特性，超声波传感器402的有效监测区域是以波束半功率角为θ向外扩散的，收发一体式超声波传感器402的有效监测区域404为圆锥体，只要物体（例如手指）进入超声波传感器的有效监测区域404内，超声波传感器402发射的超声波就会被物体反射回来，反射波被超声波传感器402的接收装置接收，系统可以得到超声波从发射到接收在介质中传播的时间，再乘以超声波在介质中的传播速度，即可计算出超声波传感器402到入侵超声波传感器402有效监测区域404内的物体的空间距离，由超声波传感器402的坐标对应关系可获得物体的中心坐标，实现对超声波传感器402有效监测区域404内的物体位置的定位。

本发明将以上基本原理应用到对手指键击键盘按键的定位中，如图4A所示，超声波有效监测区域404是以圆锥体向外发散的，调整超声波传感器的旋转角度，使超声波传感器402投射的有效监测区域404的外切线如图4A中AB线平行于虚拟键盘所在的平面406，则虚拟键盘的各个键盘中心到超声波有效监测区域404的最大值都为h,使得虚拟键盘上所有的按键处于同一监测状态下。

如图4B所示，投射截面egf与虚拟键盘在同一平面上，根据系统要求设置投射截面egf（即虚拟键盘所在平面406）到超声波有效监测区域404的最大值h的大小，曲面体ABegf为单个超声波传感器在虚拟键盘所在平面406上方的超声波有效监测区域404。由于虚拟键盘的按键必须在超声波投射的有效监测区域与键盘所在平面相交的轮廓曲线egf内，所以为了便于分析整个系统的设计，需要求出曲线egf的割线eg的长度满足的方程式，用于判断单个超声波传感器所能监测的虚拟键盘的按键数。

根据超声波的特性和几何关系式进行求解割线eg的长度的方程式，如图4A和图4B所示，θ为超声波传感器的波束半功率角，L为超声波传感器402到投射平面上入侵超声波有效监测区域404键击按键手指的最短距离，h为超声波有效监测区域404波束最边缘（如AB）到虚拟键盘所在平面406的垂直距离，R为波束角圆锥体ABC横截圆面的半径。

如图4D所示为图4A超声波传感器402的有效监测区域404的俯视图，图4C是侧视图，h在系统确定后为已知量，超声波传感器的波束半功率角θ是已知的，L是超声波传感器测得的数据为已知量，具体公式中的L按照理论标准值来推导，由h、θ和L可求出r,进而求得d。其中r为横截圆面的圆心到割线eg的距离，d为割线eg的长度。

由ΔA'O'B'直角关系，可得R=Ltanθ。如图4A所示，虚拟键盘所在平面406与超声波有效监测区域404相交曲线的中心线必然与波束角圆锥体ABC中心线相交，这两条中心线在侧平面上的投影为图4C中af和A'O'，相交于p点，在p点处，r=0，因此对于r的求解分为两种情况：

当r>0时，在ΔabB'中， ${\mathrm{aB}}^{\′}=\frac{h}{\cos \mathrm{\θ}},$ $r=R-{\mathrm{aB}}^{\′}=R-\frac{h}{\cos \mathrm{\θ}};$

当r<0时， $r=R-(2R-\frac{h}{\cos \mathrm{\&theta;}})=\frac{h}{\cos \mathrm{\&theta;}}-R.$

由以上可得

根据图4D的直角三角关系，可求出超声波有效监测区域在虚拟键盘平面上的有效监测区域轮廓曲线egf的割线长度d，

$d=2\sqrt{R^2-r^2}=2\sqrt{R^2-{(R-\frac{h}{\mathrm{cso\&theta;}})}^2}=2\sqrt{\frac{2\mathrm{Rh}}{\cos \mathrm{\&theta;}}-\frac{h^2}{\cos {\mathrm{\&theta;}}^2}}.$

把R=Ltanθ代入上式中，可得到有效监测区域轮廓曲线割线长度d与h、L及θ的关系方程式： $d=2\sqrt{\frac{{2\mathrm{hL}\sin \mathrm{\&theta;}-h}^2}{{\cos \mathrm{\&theta;}}^2}}.$

由以上关系式可以计算出单个超声波传感器所能监测的键盘按键数。

下面结合图5A至图5B以及图6A至图6B以实例详细说明超声波键盘监测的工作原理。

本发明以投影手机全键盘为例，激光投影模块向智能终端设备前方平面投射全尺寸手机全键盘，其键盘按键布局可如图5A所示，激光投影模块可以投影多种类型键盘图像，不仅限于上述的手机全键盘。

普通的全尺寸键盘是键距在19mm-19.5mm以内的键盘，键距是按键中心与相邻按键中心之间的距离，全尺寸键盘按键的键宽通常在10mm以上，键宽越大越不易出现误打，本例以键宽为17mm，键距为19mm为例，则按键间隙为2mm，一个按键的宽度为17mm，两个按键的宽度为36mm。通常投影键盘到激光投影设备的距离为60mm，而本发明中超声波传感器模组与激光投影模块在同一装置中，所以可以设定超声波传感器模组到虚拟投影键盘第一排按键上边沿的距离l₀为60mm，该距离l₀可以根据系统需要进行调整，在计算有效监测区域轮廓曲线割线长度d时，L的值至少大于60mm。根据公式若虚拟键盘上方超声波有效监测区域曲面体的最大高度值h=10mm，超声波传感器测得的超声波传感器到入侵有效监测区域手指的距离L=100mm，超声波传感器的波束半功率θ=15°，则可计算出超声波有效监测区域轮廓曲线割线长度d约为42mm，而相邻两个按键的键宽约为36mm，因此在距离超声波传感器100mm位置处，单个超声波传感器能监测的键盘按键数为2，依此类推，可求出任意距离为L的位置处，单个超声波传感器所能监测的键盘按键数。实际在超声波监测系统确定后，h和θ为具体的数值，公式的关系式变成d与L的二次函数关系式，其图形为抛物线。

如图5A所示，超声波传感器模组是由多个超声波传感器按照一定规则组成的阵列，由于单个超声波传感器所能监测的键盘按键个数是确定的，需要多个超声波传感器组成超声波传感器阵列502才能使超声波有效监测区域曲面体覆盖整个投影键盘。激光投影模块投射的全尺寸手机全键盘布局如图5A中504所示，系统以左上角键盘按键上边沿向右为x轴，以左上角键盘按键最左边沿为y轴建立键盘图像区域平面坐标系，每个超声波传感器对应一列键盘，且超声波传感器的中心与键盘按键中心在同一直线上，即超声波传感器阵列是按照键盘按键中心的x坐标排列的，这种阵列设计易于求出键击按键的x坐标。在系统设置好h、θ及l₀的具体数值后，其超声波传感器阵列在投影键盘平面上的超声波有效监测区域轮廓曲线示意图如图5A所示，投影键盘第一行按键的中心与其他行按键的中心不重合，系统设置键盘的第一行按键对应A_i系列超声波传感器，而键盘其他行按键对应B_i系列超声波传感器，从图中可以看出A_i系列和B_i系列超声波传感器的超声波有效监测区域轮廓曲线所包含的按键布局不同，如超声波传感器A₂的有效监测区域轮廓曲线f₃包含的按键为“w”、“a”、“s”、“'”、“z”、“符”、“123”等7个按键，B₂的有效监测区域轮廓曲线f₄包含的按键为“w”、“e”、“s”、“z”、“123”等5个按键。每个超声波传感器负责检测的键盘按键为超声波传感器中心线上的按键，将每列键盘按键中心线上的超声波传感器作为该列按键的主超声波传感器，有公共监测区域的相邻超声波传感器为该列键盘按键的辅助传感器。如按键“w”的主传感器为A₂,此按键既在B₁传感器的有效监测区域内，又在B₂传感器的有效监测区域内，则B₁和B₂传感器为按键“w”的辅助传感器；按键“s”、“z”及“123”三个按键的主传感器为B₂，而此按键既在A₂传感器的有效监测区域内，又在A₃传感器的有效监测区域内，因此A₂和A₃传感器为这三个按键的辅助传感器，键盘按键的检测以主传感器的检测结果为主，以辅助传感器的检测作为辅助校正，提高键盘按键的测量精度。

依照图5A键盘的布局方式，在每列键盘按键的中心线上放置一个传感器的情况下，每个键盘按键除了有一个主传感器可以完成按键的定位外，还有相邻的两个辅助传感器帮助辅助校正，由此构成了任意一个按键都同时处于3个传感器的检测中，实际上每个按键只需要处于两个传感器的检测中就可以精确定位按键，如图中f₇～f₁₂曲线所示，只需要A_i系列或B_i系列传感器工作就可以完成按键检测。当手指键击图5A中的“123”按键时，投影键盘将转为数字键盘，其布局发生改变如图5B所示，投影键盘仍以左上角键盘为坐标基准，A₁～A₅传感器是每列键盘按键的主超声波传感器，可以完成对整个数字键盘的检测，剩余传感器不工作，但B₁～B₅传感器可以作为数字键盘按键的辅助传感器。

如图5A和图5B所示，系统的超声波传感器模组与激光投影模块结合设计调整，使第一个超声波传感器的中心与投影键盘左上角第一个按键的中心在同一直线上，以该按键的左上角为坐标原点，分别以该按键上边沿和左边沿所在直线为投影键盘的x轴和y轴建立键盘区域坐标系。激光投影模块按一定比例对投影键盘进行投影，D为投影键盘按键的键宽，s为投影键盘的键距，相邻按键之间的间隙Δ=s-D，根据投影键盘的坐标关系可以求出任意按键的有效输入区间为：

{x_i∈(m+(i-1)s,m+(i-1)s+D),y_j∈(n+(j-1)s,n+(j-1)s+D)}，i=1,2,3…;j=1,2,3…

其中m为每列符合相邻按键间隙为Δ的第一个按键左边沿的初始x坐标值，n为每行符合相邻按键间隙为Δ的第一个按键上边沿的初始y坐标值，i为每列符合相邻按键间隙为Δ的第i列键盘按键，j为每行符合相邻按键间隙为Δ的第j行键盘按键。本发明以图5A的投影键盘按键布局为例，由坐标关系和按键布局规则可以计算出第一行每列按键符合相邻按键间隙为Δ的第一个按键左边沿的初始x坐标值m=0，其余行每列按键符合相邻按键间隙为Δ的第一个按键左边沿的初始x坐标值

所有行按键符合相邻按键间隙为Δ的第一个按键上边沿的初始y坐标值n=0，其投影键盘每个按键的有效输入区间的矩阵阵列如下表所示：

有效输入区间矩阵阵列对应图5A键盘中的每个按键，x_iy_j为符合相邻按键间隙为Δ的第i列第j行按键对应的有效输入区间，如x₂y₃为符合相邻按键间隙为Δ的第2列第3行按键“z”，其有效输入区间为

只要键击按键手指的中心坐标的x坐标在

区间内及y坐标在(2s,2s+D)区间内，则该次键击为有效键击，系统将把该按键编号“z”输入到智能终端设备中，完成键盘输入，该原理适合其他任意布局和类型的投影键盘。根据超声波的特性，当手指键击键盘按键时，手指将进入超声波传感器阵列的有效监测区域曲面体内，被键击按键的主超声波传感器及相邻辅超声波传感器迅速响应，并将测得的数据上传给微处理器控制单元，经分析处理后得出手指的中心坐标，实现对键击手指位置的定位。

本发明以图5A键盘为例，被键击按键的主超声波传感器和辅超声波传感器有A_i与B_i（如图6A所示）、B_i与A_i+1（如图6B所示）、A_i与A_i+1（图中未示出）、B_i与B_i+1（图中未示出）等四种组合形式，无论主传感器和辅助传感器为何种组合形式，根据超声波传感器的测距原理都可求得主超声波传感器和辅超声波传感器的测量曲线方程，并将这两个曲线方程联立可求出手指的中心坐标，如图6A所示，若被键击按键的主超声波传感器和辅超声波传感器分别为A_i和B_i，其测得的数据分别为L₁和L₂，则曲线方程式为：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-(i-1)s-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_1}^2\\ {(x-(2i-1)\frac{s}{2}-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_2}^2\end{array}\right.,$

由上述公式可得出手指的中心坐标，将手指的中心坐标与键盘按键的有效输入区间进行匹配，匹配成功的按键即为手指键击按键，系统将该键击按键的按键编号输入到智能终端设备中。手指敲击键盘进入隐形超声波有效监测区域曲面体，持续一段时间后离开隐形超声波有效监测区域曲面体，实现对键盘按键的单击操作，根据持续时间的长短判断手指所执行的是按键的单击，还是长按操作，手指离开隐形超声波有效监测区域曲面体为对键盘按键的释放操作。

应该理解，通过单个测量曲线方程也能够获取手指的位置区域，由于超声波传感器与虚拟键盘的坐标位置关系是对应确定的，因此根据检测到手指的超声波传感器在x轴上的位置就能够确定手指在x轴上的坐标范围，通过上述曲线公式就可以求出y轴上坐标范围，从而确定手指触碰按键的位置区域。

需说明的是，由于根据超声波传感器的特性可求出单个超声波传感器在虚拟键盘上的检测范围，因此在键盘图像发生变化时，可计算变化后的虚拟键盘全部被检测到时所需的超声波传感器的数量，而超声波传感器的阵列是固定的，因此可调整虚拟键盘与超声波传感器阵列的位置对应关系，并在确定位置对应关系后，开启相应的超声波传感器，以保证能够检测到整个虚拟键盘，并关闭不需要的超声波传感器，节省电能。

综上所述，无论投影键盘按键的类型和布局如何变化，超声波传感器阵列都能实现对键盘按键的精确检测，由系统的微处理器控制单元根据键盘布局合理分配超声波传感器阵列中需要工作的传感器，有效的提高了整个系统的工作效率。系统的激光投影模块在智能终端设备的前方平面投射出全尺寸的虚拟投影键盘，超声波传感器模组在微处理器控制单元的控制下，在虚拟投影键盘的上表面形成了一个隐形的超声波有效监测区域曲面体，并给每个按键分配主超声波传感器和辅超声波传感器，微处理器控制单元控制超声波传感器模组中的超声波传感器依次循环扫描虚拟键盘，当手指敲击按键时，将进入隐形超声波有效监测区域曲面体，超声波传感器发射的超声波遇到手指被反射回来，反射波被超声波传感器的接收装置接收，依据超声波测距原理，系统中的微处理器控制单元根据超声波传感器模组中测得的数据得出手指的中心坐标，并把手指的中心坐标与键盘中的按键的有效输入区间进行匹配，将匹配成功的按键对应的按键编号输入到智能终端设备中，实现键盘输入功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种超声波激光投影键盘，其特征在于，包括：激光投影模块、控制单元和超声波传感器模组，其中，

所述激光投影模块用于将键盘图像投影到预定位置，形成虚拟键盘；

所述控制单元用于控制所述激光投影模块完成所述键盘图像的投影，以及根据所述超声波传感器模组的检测信号确定输入物在所述虚拟键盘所在坐标系中的坐标，根据所述坐标匹配出在所述坐标系中的对应按键，并将所述按键表示的信息输入指定设备；

所述超声波传感器模组用于将检测区域覆盖在所述虚拟键盘上，检测超声波传感器与进入所述检测区域的输入物之间的距离，并将检测信号传输至所述控制单元。

2.根据权利要求1所述的超声波激光投影键盘，其特征在于，所述超声波传感器模组中的每个超声波传感器的位置与所述虚拟键盘中的按键以预定坐标关系对应。

3.根据权利要求2所述的超声波激光投影键盘，其特征在于，所述超声波传感器的检测区域的外切线与所述虚拟键盘所在的平面平行。

4.根据权利要求2所述的超声波激光投影键盘，其特征在于，所述控制单元根据所述超声波传感器的距离检测信号可计算出所述输入物的坐标（x，y）区域范围。

5.根据权利要求2所述的超声波激光投影键盘，其特征在于，所述控制单元按照下述公式计算出所述输入物的坐标（x，y），

$\left\{\begin{array}{c}{(x-(i-1)s-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_1}^2---\left(1\right)\\ {(x-(2i-1)\frac{s}{2}-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_2}^2---\left(2\right)\end{array}\right.$

其中，（1）公式为检测到所述输入物的主超声波传感器的测量曲线公式，（2）公式为检测到所述输入物的辅超声波传感器的测量曲线公式，i为检测到所述输入物的主超声波传感器的序号，D为按键的键宽，s为按键的键距，l₀为所述超声波传感器模组与所述虚拟键盘第一排按键上边沿之间的距离，L₁为所述主超声波传感器与所述输入物之间的距离，L₂为所述辅超声波传感器与所述输入物之间的距离，所述主超声波传感器为正投于所述输入物触碰的按键的超声波传感器，所述辅超声波传感器为除所述主超声波传感器之外的可检测所述按键的超声波传感器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超声波激光投影键盘，其特征在于，所述控制单元存储有多种类型的键盘图像，根据所述超声波传感器模组的布局，控制所述激光投影模块调整所选择的键盘图像与所述超声波传感器模组之间的坐标对应关系，并开启可检测所述虚拟键盘的超声波传感器。

7.根据权利要求6所述的超声波激光投影键盘，其特征在于，所述控制单元按照下述公式计算出每个超声波传感器所能检测的按键数，以确定所述虚拟键盘被检测区域全部覆盖所需的超声波传感器的数量，

其中，d是在所述超声波传感器距离所述输入物为L处，所述虚拟键盘所在的平面切割所述超声波传感器的检测区域的割线长度，θ是所述超声波传感器的波束半功率角，h是所述检测区域的外切线与所述虚拟键盘之间的垂直距离。

8.一种信息输入方法，其特征在于，包括：

将键盘图像投影到预定位置，形成虚拟键盘；

将多个超声波传感器的检测区域覆盖在所述虚拟键盘上，检测所述超声波传感器与进入所述检测区域的输入物之间的距离；

根据所述超声波传感器的检测信号确定所述输入物在所述虚拟键盘所在坐标系中的坐标，根据所述坐标匹配出在所述坐标系中的对应按键，并将所述按键表示的信息输入指定设备。

9.根据权利要求8所述的信息输入方法，其特征在于，每个所述超声波传感器的位置与所述虚拟键盘中的按键以预定坐标关系对应。

10.根据权利要求9所述的信息输入方法，其特征在于，所述超声波传感器的检测区域的外切线与所述虚拟键盘所在的平面平行。

11.根据权利要求9所述的信息输入方法，其特征在于，根据所述超声波传感器的距离检测信号可计算出所述输入物的坐标（x，y）区域范围。

12.根据权利要求9所述的信息输入方法，其特征在于，按照下述公式计算出所述输入物的坐标（x，y），

$\left\{\begin{array}{c}{(x-(i-1)s-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_1}^2---\left(1\right)\\ {(x-(2i-1)\frac{s}{2}-\frac{D}{2})}^2+{(y+l_0)}^2={L_2}^2---\left(2\right)\end{array}\right.$

其中，（1）公式为检测到所述输入物的主超声波传感器的测量曲线公式，（2）公式为检测到所述输入物的辅超声波传感器的测量曲线公式，i为检测到所述输入物的主超声波传感器的序号，D为按键的键宽，s为按键的键距，l₀为所述超声波传感器模组与所述虚拟键盘第一排按键上边沿之间的距离，L₁为所述主超声波传感器与所述输入物之间的距离，L₂为所述辅超声波传感器与所述输入物之间的距离，所述主超声波传感器为正投于所述输入物触碰的按键的超声波传感器，所述辅超声波传感器为除所述主超声波传感器之外的可检测所述按键的超声波传感器。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的信息输入方法，其特征在于，还包括：预置多种类型的键盘图像，根据所述超声波传感器模组的布局调整所选择的键盘图像与所述超声波传感器模组之间的坐标对应关系，并开启可检测所述虚拟键盘的超声波传感器。

14.根据权利要求13所述的信息输入方法，其特征在于，按照下述公式计算出每个超声波传感器所能检测的按键数，以确定所述虚拟键盘被检测区域全部覆盖所需的超声波传感器的数量，

其中，d是在所述超声波传感器距离所述输入物为L处，所述虚拟键盘所在的平面切割所述超声波传感器的检测区域的割线长度，θ是所述超声波传感器的波束半功率角，h是所述检测区域的外切线与所述虚拟键盘之间的垂直距离。

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