CN103455171B - 一种三维交互电子白板系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种三维交互电子白板系统及方法，适用于人机交互、信息化教育、三维立体图像与视频交互控制等应用领域。基于三维超声波无线定位技术，利用频分复用技术和陷波技术实现多目标实时的分离与识别。根据超声波接收信号的幅值，自动选取幅值较大且不在同一条直线上的4个接收器为定位接收器，利用信噪比较高的超声波信号进行目标定位。基于超声波到达时间差方法由主控制器完成移动目标的三维定位，并将移动目标的定位信息传送给三维交互控制软件，由三维控制软件完成多目标的三维跟踪、显示及交互控制。

Description

一种三维交互电子白板系统及方法

技术领域

本发明涉及一种三维交互电子白板系统及方法，具体涉及一种基于超声波无线定位技术的三维交互电子白板及方法，可实现多目标的三维实时定位与跟踪，可用于人机交互、教育信息化、三维图像及视频交互控制等领域。

背景技术

随着教育信息化的推广，三维视频、图像等教学资源库的出现，急需三维操控技术的支持。针对传统交互电子白板不能支持三维媒体操控的缺陷，本发明公开一种三维交互电子白板，提供一种新型教育信息化教学基础系统。

三维交互电子白板的关键技术是三维高精度无线定位技术，主要包括三维电磁定位、三维超声定位和数字视觉定位技术。三维电磁定位技术的定位范围较小，很难实现大尺寸多目标操控功能。数字视觉应用在三维定位中，很难象二维平面定位那样设计特殊边框，仅靠数字图像识别算法实现目标跟踪，算法复杂，受环境影响较大。最适用于三维交互电子白板的定位技术是超声波定位技术，虽然需要专用发射器，但超声波定位范围大，精度高，可以采用频分和时分复用技术实现多目标识别与跟踪。

中国专利“一种超声波定位装置及其定位方法”(申请号200710026504.0)公开了一种超声波定位装置及方法，利用4个以上超声接收模块，实现对发射笔的三维定位，支持非接触触控功能，但未考虑超声接收器接收角度的影响，并且不支持多目标定位。中国专利“大范围多目标超声跟踪定位系统和方法”(申请号201010546442.8)公开了一种大范围多目标超声跟踪定位系统及方法，采用不同频率和不同时隙实现多目标识别，采用空间分割法实现大范围定位和跟踪。该系统及方法主要提供一种室内三维定位跟踪与定位系统，在定位精度和定位均匀度考虑较少，接收器布置方案及空间切换机制不适应于交互电子白板，

为解决传统电子白板的不能支持多目标三维定位、非接触操控的缺陷，基于超声波无线定位技术，公开一种具备三维多目标操控功能的三维交互电子白板系统及方法。

发明内容

本发明的目的是要提供一种大尺寸三维交互电子白板，具备三维无线定位、非接触操控、多目标识别与操控等功能，其核心是三维超声交互定位系统。

本发明基于三维超声波无线定位技术，提供一种大尺度、多目标、高精度的三维交互定位系统，该系统主要包括主控制器、接收器、发射器及三维交互控制模块4部分。各部分组成及功能：

(1)主控制器

主要包括同步信号提取电路、微处理器1(MCU)、通信接口电路(UART)、USB接口。

主控制器主要完成多路超声定位信号时延差的接收、移动目标的实时定位与跟踪、系统同步信号产生、多传感器无缝拼接等功能。

同步信号提取电路：根据每个接收器发出的不同目标到达触发信号，利用逻辑电路判断出不同目标的第一个到达信号，将该信号作为该目标的时延差提取同步信号，提供各接收器，由接收器完成个目标信号的时延差提取。

微处理器1：主要完成移动多目标时延差的读取、三维目标实时定位计算与跟踪、以及多路超声波信号的自适应无缝拼接。

通信接口电路：主控制器与各接收器的通信接口，主控制器的UART作为主机，各接收器UART模块作为从机，由主机按照约定的协议控制各接收器完成时延差数据的传输。

USB接口：该接口负责与PC机通信，完成各目标三维定位数据的传送并接收系统软件命令和系统配置信息。

(2)接收器

接收器安装在普通白板(平板显示器、背投、大尺寸拼接屏等)上下两边，各接收器之间距离相等，根据操控范围大小和精度要求确定接收器之间间距和数量。

主要包括超声波接收器、低噪声宽带超声放大电路、陷波器、A/D采样电路、微处理器(MCU)、数据存储器、程序存储器等几部分。

接收器主要完成多目标超声信号的接收、分离、采集、时延差计算及数据传送。

超声波接收器：主要接收多个不同频率发射器发射的超声波信号，采用宽带接收传感器，具有接收角度大、带宽宽的特点，满足基于频分复用多目标信号的接收的要求。超声波接收器可采用超声波传感器、PVDF超声传感器、硅麦克风等超声波接收器件。

低噪声宽带超声信号放大电路：对接收到的微弱超声信号进行放大，通带为20KHz～80KHz，通带增益为60dB。

陷波器：用于滤除其它目标信号，实现不同目标信号的分离。

A/D采样电路：每个频率超声波信号配置一个A/D采样电路，完成对应频率超声波信号的数据转换，供微处理器提取超声波时延差信息。

微处理器2：采用具备高速运算能力的微处理器，可以是单片机，数字信号处理器(DSP)、ARM等，主要完成多目标超声信号的实时采集、目标信号到达时延差的提取。超声信号采集采用DMA方式进行，每个目标利用1个DMA通道，满足实时性的要求。时延差提取基于超声信号特征提取算法，提高系统定位精度。

数据存储器：用于存储A/D转换后的超声波数据。

程序存储器：用于存储微处理器程序和系统配置数据。

同步信号触发转换电路：产生多个目标到达触发信号，与主控制器同步信号提取电路连接，产生系统各目标同步信号。

通信接口电路2：采用UART协议，在主控制器的控制下，完成各目标时延差的传送。

(3)发射器

设计指套式发射器(单目标)和笔式发射器(双目标)两种：笔式发射器安装两个超声波发射器，发射两种频率的超声波信号；指套式发射器可以套在手指上使用，只含有一个超声波发射器。两种发射器上均设有鼠标左右键。为避免接收端各发射器发射信号相互干扰及便于提取，各超声波发射器发射频率间隔要求大于10KHz。

系统采用频分复用技术对发射器进行识别与分离，指套式发射器发射某一固定频率的超声波信号，笔式发射器发射两种频率的超声波信号。

发射器主要包括单片机、波形变换及功率放大、变压器和超声波发射器构成。

单片机：采用低功耗单片机，主要完成发射器整体控制及发射超声波激励信号，产生超声脉冲信号，脉宽与发射频率成正比。

波形变换及功率放大：对单片机产生的脉宽信号进行波形变换，转变成与发射频率同频的信号，并进行功率放大。

变压器：将经过波形及功率放大后的超声激励信号进行放大，产生较高幅值的超声波驱动信号。

超声波发射器：考虑到超声波的发射角度，采用PVDF压电薄膜，设计成圆桶形，保证水平全向发射(即360度水平方向全向发射)、垂直具有90度的波束的优点，发射频率与直径成反比，根据不同目标，设计不同直径的发射器。

电源电路：采用电池供电，包括DC/DC升压电路及电源管理电路，具有电源保护和低电压报警功能。

(4)三维交互控制模块

多点三维交互控制模块设置在计算机上，接收主控制器传送的多目标定位信息，并根据坐标信息实现多点三维交互控制功能，包括自适应无缝拼接、单击、双击、拖拽、推拉、旋转等多种三维交互操作，支持实时无痕书写、存储、编辑等传统交互电子白板功能。

多点三维交互控制模块采用频分复用技术实现多个发射器的识别与定位，每个发射器发射不同频率的超声波信号，接收器根据系统的容量，设置不同频率的陷波电路，实现不同发射器的超声波信号的分离，由后续电路完成超声信号的采集及时延差的提取，并完成发射器坐标的计算。

三维交互控制系统的工作原理是发射器发射某一频率的超声波，接收器根据接收的超声信号的频率选择相应的滤波与陷波处理电路，根据接收到的超声波信号最大起振加速度，提取到达各接收器的时间差，并将到达时间差和超声波信号的最大幅度传送给主控制器。主控制器根据各接收器接收到超声信号的幅度，自适应选择信号较好的接收器，采用TDOA(Time Difference of Arrival：到达时间差)算法，对发射器进行三维实时定位与跟踪。

本发明提供一种三维超声波无线定位方法，包括：

(1)根据信号幅度，选取4个同一平面上不在同一条直线上接收信号最大的接收器作为定位接收器，表示为R₁、R₂、R₃和R₄，4个接收器的坐标分别为R₁(x₁，y₁，0)、R₂(x₂，y₂，0)、R₃(x₃，y₃，0)和R₄(x₄，y₄，0)。

(2)以主控制器产生的同步信号为时间基准，R₁为参考接收器，由主控制器提取移动目标P(x，y，z)所发射的超声波达到R₂、R₃、R₄定位接收器的传播时间与到达的R₁的时间差，即τ₁、τ₂、τ₃。令接收器R₁与移动目标的距离为l，超声波的传播速度为c，得到以下关于x，y，z和l的4个四元二次方程。

(x-x₁)²+(y-y₁)²+z²＝l²

(x-x₂)²+(y-y₂)²+z²＝(l-τ₁c)²

(x-x₃)²+(y-y₃)²+z²＝(l-τ₂c)²

(x-x₄)²+(y-y₄)²+z²＝(l-τ₃c)²

(3)将τ₁、τ₂、τ₃和4个定位接收器的坐标值带入到上面四元二次方程中，求解方程计算出移动目标P的坐标x，y，z，实现对移动目标的定位。

本发明的优点在于：依据各接收器接收到的超声信号幅值自动选取定位接收器，并根据发射器频率设计陷波器，通过硬件陷波电路实现多目标的分离，避免各定位信号相互干扰，保证系统定位的实时性、稳定性及精度。采用数字信号处理技术，根据接收信号特征提取超声波到达时刻，保证时延差提取的精度。本发明提供的三维交互电子白板采用超声波无线定位技术实现多目标的定位跟踪，定位范围大，定位精度高，实时性高，在兼容二维交互电子白板的前提下，具备三维多点交互式控制、远距离非接触书写等功能。

附图说明

图1为三维交互电子白板组成示意图

图2大尺度三维交互系统组成框图

图3主控制器组成框图

图4接收器组成框图

图5a指套式发射器(单目标)组成框图

图5b笔式发射器(双目标)组成框图

图6移动目标定位原理示意图

图7接收器发送的数据格式

具体实施方式

本发明提供了一种三维交互电子白板系统，其核心是三维交互控制系统，主要包括：主控制器、接收器、发射器及三维交互控制模块。

主控制器：包括同步信号提取电路、微处理器、USB通信接口、UART通信接口。主要完成多路超声定位信号时延差的接收、移动目标的实时定位与跟踪、系统同步信号产生、多传感器无缝拼接等功能。

接收器：包括超声波接收器、低噪声宽带超声放大电路、陷波器、A/D采样电路、微处理器(MCU)、数据存储器、程序存储器等几部分。完成多目标超声信号的接收、分离、采集、时延差计算及数据传送。

发射器：包括指套式发射器(单目标)和笔式发射器(双目标)两种，笔式发射器安装两个超声波发射器，发射两种频率的超声波信号。指套式发射器可以套在手指上使用，只含有一个超声波发射器，两种发射器上均设有鼠标左右键。为避免各目标信号在接收端相互干扰及便于提取，各超声波发射器发射频率间隔要求大于10KHz。发射器主要包括单片机、波形变换及功率放大、变压器和超声发射器、电源电路构成。主要完成超声波发射与驱动。

三维交互控制模块：主要包括三维多点交互控制模块、接收器自适应校准模块、三维显示模块等。三维多点交互控制模块安装在计算机上，接收到主控制器发送的各目标的三维坐标信息，根据三维坐标信息提取目标的移动的速度、加速度、移动角度等信息，通过运算实现三维目标的三维跟踪、显示、控制、无痕书写、编辑存储等功能，支持三维环境下拖拽、推拉、旋转等多种手势的识别。

将超声三维交互控制系统安装在普通白板上，与投影机和电脑构成三维交互电子白板，如图1所示。图1中普通白板可以由黑板、玻璃板、墙面等硬质板面替代，构成正投式三维交互电子白板。

将超声三维交互控制系统安装在平板显示器屏上，与电脑构成三维交互电子白板。采用平板显示屏克服了正投式造成遮挡和投影机眩光的影响。随着三维显示技术在平板显示屏上的发展及平板显示屏成本的降低，平板三维显示屏将逐渐普及，采用本发明提供的三维交互控制系统，可应用于大屏幕平板拼接显示屏上，构成大尺度三维交互电子白板。

将超声三维交互控制系统安装在背投显示器屏，与电脑构成三维交互电子白板。同样，可应用于大屏幕背投拼接显示屏上，构成大尺度三维交互电子白板。

下面结合附图1～7描述本发明的具体实施方式。

本发明提供的三维交互电子白板系统的核心是超声三维交互控制系统，由主控制器、接收器、发射器及三维交互控制模块4部分，系统组成框图如图2所示。

图2中接收器安装在普通白板(或平板显示屏、投影屏等硬质平面，为便于说明，下面就普通白板为例进行描述)两边框上，相邻接收器之间距离为D，两边框各安装n、m个接收器，n、m的大小与交互操作范围有关，操控范围越大，n和m越大。考虑的三维空间操控，每个接收器接收以自己为球心的半个圆球范围内发射器发射的超声波信号，特别是在板面附近操作时，接收器的接收角较大，信号衰减大。综合考虑的发射器发射功率、接收器的灵敏度和接收角，间距D一般控制在50cm～100cm范围内。为便于描述，普通白板作为投影面，白板上下两边框各安装n和m个接收器，并按顺序编号，上边框上的接收器编号为接收器1～n，下边框上的接收器编号为接收器n+1～n+m，识别目标数为4，4个目标的超声波发射中心频率分别为25KHz、35KHz、45KHz、55KHz，详细组成如图2所示。

超声三维交互控制系统各部分的组成和主要功能如下：

(1)主控制器

组成：主要包括同步信号提取电路、微处理器、USB接口、通信接口电路(UART)，组成框图如图3所示。

功能：主要完成多路超声定位信号时延差的接收、移动目标的实时定位与跟踪、系统同步信号产生、多传感器无缝拼接等功能。

同步信号提取电路：根据每个接收器发出的不同目标到达触发信号，利用逻辑电路判断出不同目标的第一个到达信号，将该信号作为该目标的时延差提取同步信号，提供给各接收器，各接收器以此信号为基准，完成个目标信号的时延差提取。该部分电路可由采用CPLD，也可采用分立门电路完成。图3中RCV1_1～RCV1_4为接收器1接收到的4个目标的同步信号，同样的RCV2_1～RCV2_4为接收器2接收到4个目标的同步信号，其他接收器一次类推。同步信号提取电路根据接收器发送过来的同步信号，对应各个目标，最先接收到超声波信号的接收器所发出的同步信号作为该目标时延差提取的时间基准信号(以下简称为时基信号)，图3中，SYN_1为目标1的系统时基信号，SYN_2为目标2的系统时基信号，以此类推出其他目标信号，每个系统时基信号与每个接收器连接。

微处理器1：可采用数字信号处理器(DSP)、单片机、ARM等具有高速处理能力的处理器，主要完成移动多目标时延差的读取、三维实时定位与跟踪、以及多路超声信号的自适应无缝拼接。

USB接口：与PC机通信接口，将个目标的三维定位数据传送给安装在PC机上的三维交互控制软件，并接受系统软件命令和系统配置信息。

UART通信接口：利用UART通信模块，主控制器作为主机，各接收器UART模块作为从机，由主机控制实现各接收器时延差数据的传输及传送各接收器的配置信息。

(2)接收器

接收器安装显示屏(投影屏)的两个边框上，接收器数量分别为n、m，共n+m个，相邻两个接收器间距D。

每个接收器结构与功能相同，主要包括超声波传感器、低噪声宽带超声放大电路、陷波器、A/D采样电路、微处理器2(MCU)、数据存储器、程序存储器，组成框图如图4所示。

接收器主要完成多目标超声信号的接收、分离、采集、时延差计算及传送。

超声波传感器：为了保证较大的接收角度，利用PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜，设计成半球形接收换能器，具有接收角度大、带宽宽的特点，带宽覆盖所有目标发射超声波信号的频段，保证多目标信号能够无损接收。

低噪声宽带超声信号放大电路：对接收到的微弱超声信号进行放大，通带范围覆盖所有目标发射超声波的频带，本实施实例中，宽带放大器的通带范围为20KHz～80KHz，通带增益为60dB。

陷波器：用于滤除其它目标信号，实现不同目标信号的分离。若目标数为M，需要设计M-1个陷波器，把其他目标信号全部滤除，仅保留本目标信号。该陷波器采用模拟电路设计，避免采用数字滤波造成微处理器2的运算量增加，提高实时性。

A/D采样电路：采用高速A/D转换器，一般要求采样率高于500KSPS。为保证实时性，每个目标信号配置一个A/D转换器。

微处理器2：要求微处理器内部含有直接数据存取(DMA)模块，可采用数字信号处理器(DSP)，也可采用具有高速运算能力的单片机、ARM等微处理器。微处理器1主要完成4个目标超声信号的实时采集、目标信号到达时延差的提取。超声信号采集采用DMA方式进行，每个目标利用1个DMA通道，满足实时性的要求。时延差提取基于超声信号特征提取算法，提高系统定位精度。

数据存储器：用于存储A/D转换后的目标数据，根据采样率大小和定位范围配置数据存储空间大小，选择相应存储大小的存储芯片。

程序存储器：用于存储系统引导程序和系统配置数据，可以采用微处理器内部Flash程序存储器，也可外扩Flash存储器。

同步信号触发转换电路：由模拟电路设计完成，采用双阈值触发机制，产生4个目标超声波信号到达触发信号，与主控制器同步信号提取电路连接，由控制器产生系统各目标同步信号。

通信接口电路：按照UART协议，为每个接收器均配置1个地址，在主控制器的控制下，完成各目标时延差的传送。

接收器按照图7所示的数据格式将定位信息发送给主控制器，每次传送5个字节，第一字节中地址码表示每个接收器的地址编码；第二、三字节表示超声波到达时延；第四字节表示接受到的超声波信号的幅值，供主控制器选取定位接收器；第五字节表示功能码和目标吗，功能码用bit5～bit7，主要表示发射器功按键功能，bit0～bit4表示目标编码，用于区别不同目标。

(3)发射器

设计发射器分指套式发射器(单目标)和笔式发射器(双目标)两种，组成框图分别如图5a和图5b所示。笔式发射器设计两个超声波发射器，两个发射器有一定间距，系统同时完成两个接收器的定位，通过笔式发射器可以实现拖拽、推拉、旋转等多种手势的识别。指套式发射器可以套在手指上使用，只含有一个发射源。两种发射器上均设有鼠标左右键。

发射器主要包括单片机、波形变换及功率放大、变压器、PVDF超声波发射器及电源模块构成。

单片机：采用低引脚单片机，产生脉冲信号，脉宽与发射频率成正比。

波形变换及功率放大：对单片机产生的脉宽信号进行波形变换，转变成与发射频率同频的信号，并选用场效应管、三极管、集成运放进行放大。

变压器：将波形变换后的信号进行脉冲升压，产生数百伏的超声驱动信号，驱动超声波发射器。

PVDF超声波发射器：采用PVDF压电薄膜，设计成圆筒形，便于安装在笔式发射器和指套式发射器上，具有水平全向波束、垂直具有90度的波束的优点，发射频率与直径成反比，根据不同目标，设计不同直径的发射器。为易于区分各目标发射信号，各发射器发射的超声信号的中心频率间隔设定为10KHz，但不限于此。本实施实例4个目标的超声波发射中心频率分别为25KHz、35KHz、45KHz、55KHz。指套式发射器发射某一固定频率的超声信号，笔式发射器发射其中两种频率的超声波信号。

(4)三维交互控制模块

三维交互控制模块安装在计算机上，接收到主控制器发送的各目标的三维坐标信息，根据三维坐标信息提取目标的移动的速度、加速度、移动角度等信息，通过运算实现三维目标的三维跟踪、显示、控制、无痕书写、编辑存储等功能，支持三维环境下拖拽、推拉、旋转等多种手势的识别，并具备接收器位置校准功能。

本发明采用达到时间差算法(TDOA)实现移动目标的三维定位。基于时间差算法(TDOA)，至少需要4个不在同一条直线上的接收器才能完成移动目标的定位，本发明中，要求这4个接收器不在同一条直线上(如图2中，不全在同一边框上)，下面结合图6详细描述移动目标的定位方法。

图6为移动目标的三维定位示意图，图中P表示移动目标，P的三维坐标为P(x，y，z)，R₁、R₂、R₃和R₄表示4个不在同一直线上的接收器，接收器均位于x，y平面内，即z＝0。根据接收器接收信号幅度大小选取定位接收器，在图2中的n+m接收器中，选取接收信号幅度最大的4个接收器作为定位接收器，要求4个接收器不在同一条直线上(不在同一条边框上)。4个接收器的坐标分别为R₁(x₁，y₁，0)、R₂(x₂，y₂，0)、R₃(x₃，y₃，0)和R₄(x₄，y₄，0)，要求x₁≠x₂≠x₃≠x₄，通过安装可以保证x₁≠x₂≠x₃≠x₄。移动目标P发射的超声信号达到接收器R₁、R₂、R₃和R₄所传播的距离分别为l₁、l₂、l₃和l₄。

以接收器R₁为参考点，令l₁＝l，超声波传播速度为c，移动目标P发射超声波到达接收器R₂所经历时间和与到达接收器R₁的时间差为τ₁，同样，到达R₃所经历时间和与到达接收器R₁的时间差为τ₂，到达R₄所经历时间和与到达接收器R₁的时间差为τ₃，因此l₁、l₂、l₃和l₄可以表示为l₁＝l；l₂＝l+τ₁c；l₃＝l+τ₂c；l₄＝l+τ₃c。τ₁，τ₂，τ₃通过由各接收器根据接收到超声波信号波形特征和主控制器的主同步信号进行测算得到。

根据图6移动目标与接收器之间的关系，可列出以下四元二次方程：

(x-x₁)²+(y-y₁)²+z²＝l² (1)

(x-x₂)²+(y-y₂)²+z²＝(l-τ₁c)² (2)

(x-x₃)²+(y-y₃)²+z²＝(l-τ₂c)² (3)

(x-x₄)²+(y-y₄)²+z²＝(l-τ₃c)² (4)

由(1)式和(2)式得到

由(1)式和(3)式得到

由(1)式和(4)式得到

令 则式(5)、式(6)和式(7)可写为

x+m₁₁y-m₁₂l＝m₁₃ (8)

x+m₂₁y-m₂₂l＝m₂₃ (9)

x+m₃₁y-m₃₂l＝m₃₃ (10)

由式(8)和式(9)可得

(m₂₁-m₁₁)y+(m₂₂-m₁₂)l＝m₂₃-m₁₃ (11)

由式(8)和式(9)可得

(m₃₁-m₁₁)y+(m₃₂-m₁₂)l＝m₃₃-m₁₃ (12)

由式(11和式(12)可得

将y、l代入到式(11)，得到坐标x。再根据式(1)，计算得到坐标z，从而得到移动目标P的三维坐标，实现对移动目标的定位。

移动目标三维定位方法主要步骤包括：

(1)根据信号幅度，在全部接收器中，选取4个接收信号最大的接收器作为定位接收器，表示为R₁、R₂、R₃和R₄，4个接收器的坐标分别为R₁(x₁，y₁，0)、R₂(x₂，y₂，0)、R₃(x₃，y₃，0)和R₄(x₄，y₄，0)。

(2)以主控制器产生的同步信号为时间基准，R₁、R₂、R₃和R₄定位接收器提取移动目标P(x，y，z)所发射的超声波信号到达各定位接收器的时间与同步信号的时间差t₁、t₂、t₃、t₄，按照图7所示的数据格式发送给主控制器。由于主控制产生的同步信号时根据超声波信号的阈值产生的，误差较大，因此t₁、t₂、t₃、t₄误差也较大。为提高系统定位精度，以R₁为参考接收器，计算发射超声波达到R₂、R₃、R₄定位接收器的传播时间与到达的R₁的时间差，即τ₁＝t₂-t₁，τ₂＝t₃-t₁，τ₃＝t₄-t₁。令接收器R₁与移动目标的距离为l，超声波的传播速度为c，得到式(1)～(4)。

(3)通过式(13)和式(14)计算得到y和l，将y、l代入到式(11)，得到坐标x。

(4)将x、y和l代入式(1)，得到坐标z，从而得到移动目标P的三维坐标，实现对移动目标的定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超声波三维交互电子白板定位系统，其特征在于：

包括主控制器、接收器、发射器、三维交互控制模块，其中，主控制器包括同步信号提取电路、微处理器、USB通信接口、UART通信接口；接收器包括超声波接收器、低噪声宽带超声放大电路、陷波器、A/D采样电路、微处理器MCU、数据存储器、程序存储器；发射器包括单片机、波形变换及功率放大、变压器、超声发射器和电源电路；三维交互控制模块包括三维多点交互控制模块、接收器自适应校准模块、三维显示模块，超声波三维交互电子白板定位系统采用超声波定位技术，利用频分复用技术对发射器进行识别与分离，接收器利用陷波器分离多目标信号，主控制器根据接收器接收超声波信号幅度，选取4个接收信号幅度值最大的接收器作为定位接收器，其中4个定位接收器不在同一直线上，定位接收器以主同步信号为时基信号，提取超声波到达时间，选取4个定位接收器中一个作为参考定位接收器，由主控制器完成其他3个定位接收器相对参考定位接收器的超声波到达时间差，并完成移动目标的三维坐标的计算，将数据传送给三维交互控制模块，实现三维交互控制操作、显示。

2.如权利要求1所述的一种超声波三维交互电子白板定位系统，其特征在于：

(1)根据信号幅度，选取4个接收信号幅度值最大的接收器作为定位接收器，表示为R₁、R₂、R₃和R₄，4个接收器的坐标分别为R₁(x₁，y₁，0)、R₂(x₂，y₂，0)、R₃(x₃，y₃，0)和R₄(x₄，y₄，0)；

(2)以主控制器产生的主同步信号为时间基准，R₁、R₂、R₃和R₄定位接收器提取移动目标P(x，y，z)所发射的超声波信号到达各定位接收器的时间与主同步信号的时间差t₁、t₂、t₃、t₄，以R₁为参考定位接收器，计算发射超声波到达R₂、R₃、R₄定位接收器的传播时间与到达的R₁的时间差，即τ₁＝t₂-t₁，τ₂＝t₃-t₁，τ₃＝t₄-t₁，采用达到时间差算法(TDOA)，通过τ₁、τ₂、τ₃完成移动目标的定位。

3.如权利要求1所述的一种超声波三维交互电子白板定位系统，其特征在于不同目标的发射器发射不同频率的超声波信号，利用频分复用技术，设计硬件陷波器，滤除其他目标信号，实现目标信号的分离。

4.如权利要求1所述的一种超声波三维交互电子白板定位系统，其特征在于发射器为指套式发射器或笔式发射器，其中指套式发射器装有一个超声波发射器，为单目标式；笔式发射器装有两个超声波发射器，为双目标式。