CN106383598A - 发射器定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明是关於一种发射器定位系统，其包括一发射器，至少二光接收模块，以及一信号处理单元。所述发射器产生光束信号。每个光接收模块具有一光学透镜和一光接收传感器。所述光接收传感器通过光学透镜经由一第一光接收表面和一第二光接收表面接收光束信号并将光束信号相应的转换成第一和第二光电流信号。信号处理单元接收所述第一和第二光电流信号，并根据第一和第二光电流信号之间的差分运算来相应的计算光束信号的入射角度，然后根据至少两个入射角度计算发射器的位置资讯。通过本发明的发射器定位系统，可以简化定位系统的复杂度并可以对位置资讯进行即时的计算。

Description

发射器定位系统

技术领域

本发明是关于一种定位系统，特别是指一种发射器定位系统。

背景技术

在现有技术中，有一种定位系统是采用角度侦测，且因为所述定位系统中的发射器相对于接收器的角度是基于发射器或接收器的已知旋转位置而决定，所以须依赖发射器和接收器的旋转来定位。因此，在此现有技术中，发射器位置的即时更新频率将受限于所使用马达的最大旋转速度。又因为需要使用到例如直流马达的机械移动零件，此种定位系统产品的可靠度和寿命也会受到限制。此外，这种现有的系统需要较多的电力，且会产生使用者不希望有的噪音。况且，在这种系统中，高精确度的位置侦测需要依赖于对于电机轴准确角度的确定，使得系统需要复杂的校正以及组装，或者需要使用较昂贵的步进马达。

另外一种现有的定位系统是通过执行飞行时间(time-of-flight)来直接测量距离而非使用角度决定，因此需要使用高速电子器件来精确的测量飞行时间。例如，为了达到毫米级的精确度，要求微微秒(picosecond)级的时间测量解析度。这种系统需要具有超高速上升时间的雷射或RF脉冲以及高速的接收器，这些都将增加定位系统的成本与复杂度。

为了改进前述对于飞行时间测量的严苛要求，现有技术中已有结合光输出信号与超声波发射器和接收器的定位系统。因为声音比光的速度慢很多，所以对于系统电子器件测量信号到达时间的精确度要求相对较低。然而，超声波发射器和接收器倾向于使用窄带(narrow-band)元件，因此若不通过复杂的计算方式，将难以准确地确定到达时间。此外，超声波传感器一般需要由压电薄膜和/或特殊材料制作的特殊零件，将导致限制此类系统的生产数量以及增加制造成本。

因此，现有的定位系统都存在一定的缺点，而有进一步改良的必要。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种可解决上述问题的发射器定位系统。为了达成上述目的，本发明的发射器定位系统包含一发射器，至少二光接收模块，以及一信号处理单元。可将所述定位系统用于一书写表面，且所述发射器具有光发射组件，其会产生光束信号。所述至少二光接收模块安装在书写表面的不同位置，每个光接收模块具有一光学透镜和一光接收传感器，所述光学透镜安装在光接收模块的外部表面并接收光束信号以使所述光束信号通过光学透镜，所述光接收传感器具有一第一光接收表面和一第二光接收表面，且光接收传感器经由第一光接收表面和第二光接收表面接收光束信号并相应的将所述光束信号转换成第一光电流信号和第二光电流信号。所述信号处理单元与所述至少二光接收模块电性连接，并从每个光接收传感器接收第一光电流信号和第二光电流信号，且所述信号处理单元根据第一光电流信号和第二光电流信号之间的差分运算来相应的计算每个光接收模块的光学透镜上的入射角度，以及根据至少二入射角度来计算发射器的位置信息。

因此，所述发射器定位系统是用于简化现有技术系统的复杂度，降低成本且实现即时的位置计算，克服了现有技术使用的定位系统的问题。

附图说明

图1是根据本发明的发射器定位系统的示意图；

图2是根据本发明的发射器的示意图；

图3是根据本发明的发射器定位系统的方块图；

图4是在图3中根据本发明的光接收模块的方块图；

图5A显示根据本发明的一具体实例的光束信号入射角度的示意图；

图5B是图5A的光接收传感器的俯视示意图；

图6A显示根据本发明的另一具体实例的光束信号入射角度的示意图；

图6B是图6A的光接收传感器的俯视示意图；

图7是根据本发明第一具体实例的发射器计算位置的示意图；

图8是根据本发明第二具体实例的发射器计算位置的示意图；

图9A是根据本发明第三具体实例的发射器计算位置的示意图；

图9B是根据本发明具有波长过滤组件的光接收模块的示意图；以及

图10是是根据本发明第四具体实例的发射器计算位置的示意图。

具体实施方式

以下配合附图及本发明的优选实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

如图1所示，发射器定位系统包括发射器、至少二个光接收模块20以及信号处理单元30。在此具体实例中，所述发射器为发射笔10，且发射器定位系统是被应用在具有书写表面41的书写板40，例如应用在白板上。

如图2所示，发射笔10具有笔身11、发光组件12以及电源供应组件13。发光组件12和电源供应组件13设置于笔身11中。此外，发光组件12可例如为发光二级管(LED)或激光二极管。电源供应组件13可例如为电池，像是钮扣电池。电源供应组件13用于供应发射笔10所需的电力。发光组件12与电源供应组件13电性连接。当按压发射笔10的电源按钮(图中未显示)或者以发射笔10的笔尖14接触书写表面41后，将开启发光组件12，发射笔10的发光组件12产生光束信号S_L且光束信号S_L向外发射。例如，当笔尖14和书写表面41接触时，笔尖14使发射笔10内部的电子开关(图中未显示)被激活，并使得光束从发射笔10发射。优选的，光束信号S_L是一重复且依赖于时间的光信号，且该光束信号S_L是360度传播的形式。此外，光束信号S_L可为可见光或例如紫外光的不可见光。进一步的，可使用曲线表面使光束信号S_L以辐射形式散布。光束信号S_L可为脉冲的或连续的，且甚至可被编码用来传送关于发射笔10或其环境的额外信息，包括发射笔10的颜色，使用者的ID，或来自使用者的录音等。

参考图1，在本具体实例中，光接收模块20的数量为两个，且两个光接收模块20分别安装于书写板40的书写表面41的两个不同角落。信号处理单元30与两个光接收模块20电性连接。发射笔10和光接收模块20的详细操作将于下面详细说明。

如图3所示，所述两个光接收模块20为第一光接收模块201和第二光接收模块202。第二光接收模块202可以是和第一光接收模块201相同的也可以是不同的。第一光接收模块201和第二光接收模块202接收来自发射笔10的光束信号S_L。第一光接收模块201接收光束信号S_L并将其转换成第一光电流信号S_I11和第二光电流信号S_I12。类似的，第二光接收模块202也接收光束信号S_L并将其转换成第一光电流信号S_I21和第二光电流信号S_I22。

如图4所示，每个光接收模块20包括有一光学透镜21和一光接收传感器22。光学透镜21设置于光接收模块20的外表面并接收光束信号S_L。光束信号S_L穿过光学透镜21到光接收传感器22，使得光接收传感器22可以侦测到光束信号S_L。

光接收传感器22具有第一光接收表面221和第二光接收表面222。例如，光接收传感器22可为一分列式光电池传感器(split photo-cell sensor)，例如双电池光传感器(bi-cell photosensor)或四象限光传感器(quadrant photosensor)。此外，光接收传感器22可为具有两个或多个电池的整合传感器。光接收传感器22将从第一光接收表面221接收的光束信号S_L转换成第一光电流信号S_I1。类似的，光接收传感器22将从第二光接收表面222接收的光束信号S_L转换成第二光电流信号S_I2。

因此，每个光接收模块20可输出两个信号，包括第一光电流信号S_I1和第二光电流信号S_I2。在本具体实例中，第一光接收模块201输出第一光电流信号S_I11和第二光电流信号S_I12，第二光接收模块202输出第一光电流信号S_I21和第二光电流信号S_I22。

参考图3，信号处理单元30与第一光接收模块201和第二光接收模块202电性连接以接收四个光电流信号S_I11-S_I22。信号处理单元30的详细操作将说明如后。

如图1所示，光接收模块20安装在书写板40的书写表面41的角落位置。如图5A所示，发射笔10的笔尖14直接在书写表面41的光接收模块20上施力(书写)。如此一来，在此实施例中，光接收模块20的光学透镜21上光束信号S_L的入射角度为零度。

如图5B所示，当入射角度为零度时，光束信号S_L在光接收传感器22的第一光接收表面221和第二光接收表面222上的束成像15投影是相等的，即，在第一光接收表面221上和在第二光接收表面222上的束成像15面积相等。在此具体实例中，光接收传感器22为双电池光传感器。换言之，在第一光接收表面221入射的光子量和在第二光接收表面222入射的光子量相等，即第一光电流信号S_I1和第二光电流信号S_I2相等。

在第二实施例中，如图6A所示，在光接收模块20的光学透镜21上的光束信号S_L入射角度θ大约为20度。

如图6B所示，光束信号S_L在光接收传感器22的第一光接收表面221和第二光接收表面222上的束成像15投影是不相等的，即，在第一光接收表面221上的束成像15面积大于在第二光接收表面222上的束成像15面积，因为束成像15偏向第一光接收表面221。换言之，在第一光接收表面221入射的光子量大于在第二光接收表面222入射的光子量，即第一光电流信号S_I1大于第二光电流信号S_I2。

因此，信号处理单元30根据在第一光电流信号S_I1和第二光电流信号S_I2之间的差分运算来相应的计算每个光接收模块20的光学透镜21的光束信号S_L入射角度θ。如图7所示，发射笔10的笔尖14坐标为(X1,Y1)，其中以第一光接收模块201的坐标为参考坐标。

在此披露中，发明人使用两光电流信号S_I1、S_I2之间的归一化(normalizeddifference)运算来计算入射角度。两个光电流信号间的归一化运算定义当校正出一常数因子后，入射角度θ和(S_I1-S_I2)/(S_I1+S_I2)成正比，即

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\left(\frac{S_{I1}-S_{I2}}{S_{I1}+S_{I2}}\right)---\left(1\right)$

如式(1)所表示，入射角度θ和第一光电流信号S_I1与第二光电流信号S_I2的差值除以第一光电流信号S_I1与第二光电流信号S_I2的和值所获得数值的反正弦转换值成正比。使用信号差(S_I1-S_I2)除以信号和(S_I1+S_I2)是为了消除光强级变化的影响。

如图7和图3所示，从第一光接收模块201输出的第一光电流信号S_I11和第二光电流信号S_I12是用于让信号处理单元30根据式(1)计算第一入射角度θ1，即，

$\mathrm{\θ}1={\sin }^{-1}\left(\frac{S_{I11}-S_{I12}}{S_{I11}+S_{I12}}\right)---\left(2\right)$

类似的，从第二光接收模块202输出的第一光电流信号S_I21和第二光电流信号S_I22是用於让信号处理单元30根据式(1)计算第一入射角度θ2，即，

$\mathrm{\θ}2={\sin }^{-1}\left(\frac{S_{I21}-S_{I22}}{S_{I21}+S_{I22}}\right)---\left(3\right)$

其中(S_I1-S_I2)为正数或(S_I1-S_I2)为负数是表示光束信号S_L在光学透镜21上的入射角度θ的方向是不同的。

在计算光接收模块20的光学透镜21的光束信号S_L入射角度θ之後，信号处理单元30会根据至少两个入射角度θ来计算发射笔10在书写表面41上的位置资讯。

参考图7，已知书写表面41长度为X，且第一光接收模块201安装在左下角并接近书写表面41的左边线411和底边线413。第二光接收模块202安装在右下角并接近书写表面41的右边线412和底边线413。X1是指从笔尖14到第一光接收模块201沿Y轴方向延伸的虚拟线之间的长度，X2是指从笔尖14到第二光接收模块202沿Y轴方向延伸的虚拟线之间的长度。Y1是指从笔尖14到第一光接收模块201沿X轴方向延伸的虚拟线之间的长度，Y2与Y1相同。第一入射角度θ1是指介於第一光接收模块201沿Y轴方向延伸的虚拟线与光束信号S_L之间的角度。第二入射角度θ2是指介於第二光接收模块202沿Y轴方向延伸的虚拟线与光束信号S_L之间的角度。

从笔尖14到第一光接收模块201和第二光接收模块202的向量交点通过三角函数计算。

在一具体实例中，使用的三角函数是如下所列的正切函数转换。

X1+X2＝X (4)

Y1＝Y2 (5)

tanθ1＝X1/Y1 (6)

tanθ2＝X2/Y2 (7)

X1＝Y1×tanθ1 (8)

X2＝Y2×tanθ2＝Y1×tanθ2 (9)

X1+X2＝Y1×(tanθ1+tanθ2) (10)

$Y1=X\frac{1}{(\tan \mathrm{\θ}1+\tan \mathrm{\θ}2)}---\left(11\right)$

根据式(8)和(11)，X1可表示如下：

$X1=X\frac{\tan \mathrm{\θ}1}{(\tan \mathrm{\θ}1+\tan \mathrm{\θ}2)}---\left(12\right)$

因此，发射笔10笔尖14的坐标(X1,Y1)可根据式(2)、(3)、(11)、(12)计算。

如图8所示，当发射笔10的笔尖14从坐标(X1,Y1)移动到另一坐标(X1’,Y1’)再到另一坐标(X1”,Y1”)时，可以计算发射笔10的即时位置资讯。首先，当笔尖14在坐标(X1,Y1)时，可通过四个光电流信号S_I11–S_I22根据式(2)和(3)来计算入射角度θ1、θ2，然後坐标(X1,Y1)可通过两个入射角度θ1、θ2根据式(11)和(12)来计算。之後，当笔尖14移动到坐标(X1’,Y1’)时，可通过四个光电流信号S_I11–S_I22根据式(2)和(3)来计算入射角度θ1’、θ2’，然後坐标(X1’,Y1’)可通过两个入射角度θ1’、θ2’根据式(11)和(12)来计算。之後，当笔尖14移动到坐标(X1”,Y1”)时，可通过四个光电流信号S_I11–S_I22根据式(2)和(3)来计算入射角度θ1”、θ2”，然後坐标(X1”,Y1”)可通过两个入射角度θ1”、θ2”根据式(11)和(12)来计算。因此，可以获得发射笔10的即时位置。

如图9A所显示，在此具体实例中，在书写表面41上同时使用两个发射笔10。类似的，当第一发射笔的第一笔尖141在坐标(X1,Y1)时，可通过四个光电流信号S_I11–S_I22根据式(2)和(3)来计算入射角度θ11、θ12，然後坐标(X1,Y1)可通过两个入射角度θ11、θ12根据式(11)和(12)或式(20)和(21)来计算。此外，当第二发射笔的第二笔尖142在坐标(X2,Y2)时，可通过四个光电流信号S_I11–S_I22根据式(2)和(3)来计算入射角度θ21、θ22，然後坐标(X2,Y2)可通过两个入射角度θ21、θ22根据式(11)和(12)或式(20)和(21)来计算。优选的，从第一发射笔发射的第一光束信号S_L1的波长与第二发射笔发射的第二光束信号S_L2的波长是不同的。如图9B所示，第一光接收模块201和第二光接收模块202进一步提供波长过滤组件23并设置在光学透镜21和光接收传感器22之间。因此，第一光接收模块201和第二光接收模块202可分辨第一光束信号S_L1和第二光束信号S_L2以正确的收集光电流信号，使信号处理单元30可根据光电流信号计算入射角度并根据对应的入射角度接着计算第一笔尖141和第二笔尖142的坐标。或者，波长过滤组件23可设置在光学透镜21前面。例如，两个发射笔可通过选择不同的红外线LEDs而被设计成在不同波长发射信号，例如一个发射笔在810nm且另一个在950nm波长发射信号。光接收模块20的波长过滤组件23可设计为只选择其中一发射笔使用的波长而过滤掉(阻挡/忽略)另一发射笔使用的波长。

如图10所示，发射器定位系统也可运用在三维的书写空间。在书写空间42中操作发射笔10，且笔尖14的坐标为(X1,Y1,Z1)。为了计算三维数值，即X1、Y1、Z1，至少需要使用三个光接收模块201-203。在此具体实例中，三个光接收模块201-203安装在书写空间42的三个不同角落。此外，在信号处理单元30中预先确定书写空间42，也就是说书写空间42的每个边长是已知的。类似的，通过光接收模块201-203接收并转换光束信号S_L以相应的计算光束信号S_L在光接收模块201-203的光学透镜上的入射角度。之後，信号处理单元30根据计算得到的入射角度计算三个座标值X1、Y1、Z1以获得在书写空间42中的笔尖14的位置资讯。

通过本发明定位系统的设计，可具有至少如下所列的优点：

1.本发明是通过发射可见或不可见光束来计算发射器的位置资讯而不需要使用额外的马达或超声波元件，可以简化系统的复杂度，降低成本。

2.通过本发明系统和计算方式，因为可以同时计算所有的入射角度，所以可以获得即时的发射笔位置资讯。

3.本发明所使用的发光组件(例如LED或雷射二极管)以及光接收传感器(例如双电池光传感器或四象限光传感器)的本质上都是高速的，所以位置资讯的计算和测量都能够以高的更新频率即时的进行，理论上说可以高至数百兆赫(MHz)，而能够平稳的捕捉到发射器的移动。

4.可以容易地在发射器所发射的光信号中编码额外的信息，像是音频信号和例如颜色或线宽等信息。

5.因为不需要如飞行时间计算一样使用参考点，发射器的校正和软件运算更为简单。

以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，应当可以利用上述揭示的技术内容作出些许改变或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (15)

1.一种发射器定位系统，其特征在于，可应用在一书写表面且包含：

一发射器，包含有一用来产生光束信号的发光组件；

至少二光接收模块，其设置在书写表面的不同位置，且每个光接收模块包含：

一安装在光接收模块外部表面的光学透镜，其用于接收光束信号以使所述光束信号通过光学透镜；以及

一具有一第一光接收表面和一第二光接收表面的光接收传感器，且所述光接收传感器经由第一光接收表面和第二光接收表面接收光束信号并相应的将所述光束信号转换成一第一光电流信号和一第二光电流信号；以及

一与所述至少二光接收模块电性连接的信号处理单元，其是设置为从每个光接收传感器接收第一光电流信号和第二光电流信号，且所述信号处理单元根据第一光电流信号和第二光电流信号之间的差分运算来相应的计算每个光接收模块的光学透镜上的入射角度，以及根据至少二入射角度来计算发射器的位置信息。

2.根据权利要求1所述的发射器定位系统，其中所述差分运算是一归一化运算，所述光束信号的入射角度和第一光电流信号与第二光电流信号的差值除以第一光电流信号与第二光电流信号的和值所获得的比值成正比。

3.根据权利要求2所述的发射器定位系统，其中所述光束信号的入射角度与所述比值的反正弦转换值成正比。

4.根据权利要求1所述的发射器定位系统，其中通过一三角函数计算发射器的位置资讯。

5.根据权利要求2所述的发射器定位系统，其中通过一三角函数计算发射器的位置资讯。

6.根据权利要求3所述的发射器定位系统，其中通过一三角函数计算发射器的位置资讯。

7.根据权利要求4所述的发射器定位系统，其中所述三角函数是一入射角度的正切转换。

8.根据权利要求5所述的发射器定位系统，其中所述三角函数是一入射角度的正切转换。

9.根据权利要求6所述的发射器定位系统，其中所述三角函数是一入射角度的正切转换。

10.根据权利要求1所述的发射器定位系统，其中当所述发射器定位系统应用在二维空间时，所述至少二光接收模块的数量为两个。

11.根据权利要求1所述的发射器定位系统，其中当所述发射器定位系统应用在三维空间时，所述至少二光接收模块的数量为三个。

12.根据权利要求1所述的发射器定位系统，其中所述至少二光接收模块是安装在所述书写表面的不同角落。

13.根据权利要求1所述的发射器定位系统，其中所述光接收传感器是一双电池光传感器(bi-cell photosensor)或一四象限光传感器(quadrant photosensor)。

14.根据权利要求1所述的发射器定位系统，其中所述光束信号是一具有可见光波长或不可见光波长的光。

15.根据权利要求1所述的发射器定位系统，其中所述发光组件是一发光二极管或一激光二极管。