CN106774901A - 基于超声定位的远距离pc体感输入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声定位的远距离PC体感输入方法，佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角，最后，根据超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角确定对PC的操作输入信息。本发明更为精确，能够检测到类似手指的小范围运动，能够完成更为复杂的操作，更大幅度提升用户的体验。

Description

基于超声定位的远距离PC体感输入方法

技术领域

本发明属于体感技术领域，具体涉及一种基于超声定位的远距离PC体感输入方法。

背景技术

目前商用体感产品随工作原理的不同，主要可分为三大类：惯性感测、光学感测以及惯性及光学联合感测。惯性感测主要是以惯性传感器为主，感测使用者肢体动作的物理参数，来求得使用者在空间中的各种动作。且由于MEMS陀螺仪的出现也加速了惯性感测的发展，但其仅能对运动的趋势进行感测，且精度受限。光学感测主要是通过光学传感器获取人体影像，再将此人体影像的肢体动作与游戏中的内容互动，但主要是以2D平面为主。直到2010年，Microsoft发表了跨世代的全新体感感应套件——Kinect，同时使用激光及摄像头(RGB)来获取人体影像信息，可捕捉人体3D全身影像，而且不受任何灯光环境限制。但光学感测，其性能受外界环境和相应的图像处理算法影响。从使用效果看，其输入时，要求操作着有明显的动作，如手的大幅度挥动，身体的大幅度舞动。其无法用于较复杂的信息输入，分辨率低。例如kinect存在对个别动作的响应延迟，且无法识别手部动作的细微变化。联合感测的主要代表厂商为Nintendo及Sony。2006年所推出的Wii，主要是在手柄上放置一个重力传感器，用来侦测手部三轴向的加速度，以及红外线传感器，用来感应在电视屏幕前方的红外线发射器讯号，主要可用来侦测手部在垂直及水平方向的位移，来操控空间鼠标。但联合感测仍是采用惯性感测和光学感测的技术，依旧存在上述缺陷。

而今，除了依照体感方式与原理的不同分为的三大类：惯性感测、光学感测以及惯性及光学联合感测之外，新创公司UltraHaptics希望通过使用超声波，经空气传播投射出三维的触感，从而改变我们与电子设备互动的方式。这将使虚拟现实头盔的使用者不仅能看到，还能触碰到投射到他们眼前的虚拟世界。为了创建隐形按钮，UltraHaptics使用数个超声波扬声器，将声波集中在特定的某一点上。声音在空气传播时产生了压力差，因此通过将这些压力差聚集在某一目标位置，其结果是产生了一个局部高压点。如果把手挡在中间，这个高压点便会发出足够的力量，使皮肤产生微微震动，进而使手感知到它的存在，其原理类似于光学感测，也存在相同的缺陷，无法用于较复杂的信息输入，分辨率低。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于超声定位的远距离PC体感输入方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种基于超声定位的远距离PC体感输入方法，该方法为：佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角，最后，根据超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角确定对PC的操作输入信息。

上述方案中，该方法还包括对所述至少一个超声窄带信号进行压缩传感信道估计，具体为：在循环矩阵U中选取一个与与接收信号相似度最高的原子，通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近，获得最终结果。

上述方案中，所述通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近中，单次迭代具体为：求得循环矩阵U中各行与接收序列y间的内积；根据信噪比估计结果保留至少一项结果；对保留的至少一项结果进行频域变换，在频域去除噪声，再次比较；取最大值输出；在循环矩阵U中去除最大项，进入下次迭代。

上述方案中，所述佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，具体为：

S11、产生两个独立的随机数U₁，U₂，均符合均值为0，标准差为1的高斯分布；

S12、令V_i＝2U_i-1，i＝1，2，并计算S＝V₁+V₂；

S13、若S≥1，计算并计算随机变量X₁＝V₁Y，X₂＝V₂Y；若S＜1，则返回S11，

S14、采用累加法加以改进，若随机变量相互独立且满足同分布，则通过基于中心极限定理累加变换以后的随机变量满足：

式中X_k为随机变量，k＝1......n，E等于均值u，D等于方差σ²；

S15、取n＝12，将在[0，1]上均匀分布、均值为μ＝1/2方差为σ²＝1/12的序列累加，此时：

所得为高斯白噪声序列；

S16、将S15产生的高斯白噪声序列通过不同通带特性的IIR滤波器得到不同特性的超声窄带信号。

上述方案中，所述根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置，具体为：将每个超声窄带信号的时间差定义为一组声波数据，所述声波数据与声速的乘积就是声源到达测量点的实际距离，根据至少三组超声波数据对目标作三圆定位，三圆定位中目标的位置是以各接收站为圆心，以各接收站同时测量目标的距离为半径的三个圆的交点来确定。

上述方案中，所述根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置，具体为：选取三维空间内的若干个测设立接收阵元，被测目标佩戴超声发送端，分别测量被测目标到各接收阵元的距离被测物体坐标到三个发射点的距离，根据坐标和距离确定被测目标的位置。

上述方案中，所述根据坐标和距离确定被测目标的位置，具体为三个测点在测量坐标系中的位置分别记为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)并且均设置接收阵元，所述被测目标佩戴超声发送端发送的超声窄带信号到达3个接收阵元的时间分别为Δt₁,Δt₂,Δt₃，超声窄带信号在空气中传播的速度为c，根据三球定位公式有：联立以上方程组，获得被测目标的位置。

上述方案中，所述据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的方位角和俯仰角，具体为：入射信号在XOY平面投影与x正半轴的夹角为方位角θ，入射信号与法线z正半轴的夹角为俯仰角φ，空间入射信号波到达这相邻两接收阵元的路程差s为:s＝xcosθcosφ+ysinθcosφ+zsinφ，其中x，y，z分别为两接收阵元之间距离在X、Y、Z轴上的投影，由于相邻两个传感器阵元同在XOY平面内，则s为:空间远场信号到达相邻两接收阵元的时间差为：相位差为：式中，λ为信号的波长，ω为角速度，c为信号传播速率，f为信号频率，f₀为信号中心频率，f＝f₀。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明更为精确，能够检测到类似手指的小范围运动，能够完成更为复杂的操作，更大幅度提升用户的体验；

2、本发明能够实现多点运动同时检测，即同时一个用户的多点检测或者多个用户的检测，且不会互相干扰；

3、本发明的使用与环境无关，不受使用环境光照、噪音等各种因素的影响，抗干扰性强；

4、本发明能够减少由于设备通常在室内使用，墙壁反射等造成的混响等会影响方位估计的精度的问题。

附图说明

图1为本发明的单次迭代流程图；

图2为本发明的高斯白噪声序列的自相关，互相关特性；

图3为本发明的超声窄带信号的时域幅度；

图4为三圆定位法的原理图；

图5为被测物体到三个测量点的距离示意图；

图6为阵列中两传感器阵元的空间位置关系；

图7为本发明的室内信道仿真结果；

图8为本发明采用DFT-MP算法进行信道估计结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种基于超声定位的远距离PC体感输入方法，该方法为：佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角，最后，根据超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角确定对PC的操作输入信息。

该方法还包括对所述至少一个超声窄带信号进行压缩传感信道估计，具体为：基于在循环矩阵U中选取一个与与接收信号相似度最高的原子，通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近，获得最终结果。

通过压缩传感信道估计减少多径的影响(由于墙壁的反射产生，减少墙壁混响)，从而提高体感输入技术的精确度。

如图1所示，所述通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近中，单次迭代具体为：求得循环矩阵U中各行与接收序列y间的内积；根据信噪比估计结果保留至少一项结果，其中，高信噪比保留最大值，低信噪比保留前几项；对保留的至少一项结果进行频域变换，在频域去除噪声，再次比较；取最大值输出；在循环矩阵U中去除最大项，进入下次迭代。

令观测矩阵为：稀疏列向量为：[h₀ h₁ h₂ h₃]^T，得到测量向量为：

在所述观测矩阵中选取与测量向量最相匹配的一列，省略投影公式中的分母，得到如下公式：

所述观测矩阵中的第一列的共轭与测量向量点乘，得：

[x₀ ²h₀ x₁ ²h₀ x₁x₀h₁ x₂ ²h₀ x₂x₁h₁ x₂x₀h₂ x₃ ²h₀ x₃x₂h₁ x₃x₁h₂ x₃x₀h₃]^T，

对其进行傅里叶变换，0Hz处得到最大值，为直流分量，去掉0Hz之外的交流分量，之后进行逆傅里叶变换，再将得到序列的各元素相加，这时通过投影公式计算投影，比较投影结果的最大值，找出最匹配的列，接下来继续通过MP算法求出信道系数和残差信号，并重复进行迭代，得到最终结果。

所述佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，具体为：

S11、产生两个独立的随机数U₁，U₂，均符合均值为0，标准差为1的高斯分布；

S12、令V_i＝2U_i-1，i＝1，2，并计算S＝V₁+V₂；

S13、若S≥1，计算并计算随机变量X₁＝V₁Y，X₂＝V₂Y；若S＜1，则返回S11，

S14、采用累加法加以改进，若随机变量相互独立且满足同分布，则通过基于中心极限定理累加变换以后的随机变量满足：

式中X_k为随机变量，k＝1......n，E等于均值u，D等于方差σ²；

S15、取n＝12，将在[0，1]上均匀分布、均值为μ＝1/2方差为σ²＝1/12的序列累加，此时：

所得为高斯白噪声序列；该高斯白噪声序列具有较好的白色性能，其信号波形和自相关函数如图2所示；本发明采用的这种方法能够在硬件设施允许下极大程度接近标准的高斯白噪声分布，且在生产过程中不需要复杂的运算，可以在保证数据性能满足要求的同时，降低功耗，节约成本；

S16、将S15产生的高斯白噪声序列通过不同通带特性的IIR滤波器得到不同特性的超声窄带信号，如图3所示，通过滤波器，窄带噪声能量很集中于设定的带宽内。

所述根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置，具体为：将每个超声窄带信号的时间差定义为一组声波数据，所述声波数据与声速的乘积就是声源到达测量点的实际距离，根据至少三组超声波数据对目标作三圆定位，三圆定位中目标的位置是以各接收站为圆心，以各接收站同时测量目标的距离为半径的三个圆的交点来确定。

利用超声波的测距原理，采用反射式测距法，即发射超声波并接受由被射物体产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。利用超声波的空间传输特性，来确定目标的具体位置。为了克服超声波信号衰减而影响传输距离的缺陷，可以采用单向测距法。将超声波发生器置于被定为的物体上，向周围按照一定的时间间隔发送超声波脉冲，在周围3个固定位置上分别接受超声波发射装置上发射出来的脉冲信号，由于超声波的传播速度比较慢，所以通过比较三个装置收到信号的时间先后，可以反演出超声波发射的具体位置，也就是被定位的目标的位置。当物体移动的时候，可以通过不间断测量，描出物体的运动轨迹。一般来说，超声波定位的精度在5cm以内，响应速度为0.1秒，定位范围为半径30米的区间。

超声波测量的定位也分为三球定位原理和三圆定位原理两种情况。应用于三维坐标系的时候被称为三球定位原理，应用于二维坐标系的时候被称为三圆定位原理。是利用超声波传感器能感受超声波的物理现象，把感知到的超声波时间差作为测量数据来进行定位的。基于超声波测量的定位算法原理图如图4所示。将超声波的时间差定义为一组声波数据。声波数据与声速的乘积就是声源到达测量点的实际距离，利用三组超声波数据，可以对被测目标作三圆定位，三圆定位中目标的位置是以各接收站为圆心，以各接收站同时测量目标的距离为半径的三个圆的交点来确定，三个测点在测量坐标系中的位置分别记为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)并且均设置接收阵元，所述被测目标佩戴超声发送端发送的超声窄带信号到达3个接收阵元的时间分别为Δt₁,Δt₂,Δt₃，超声窄带信号在空气中传播的速度为c，根据三球定位公式有：联立以上方程组，获得被测目标的位置。

为计算方便，选取几个特殊点在空间的某些位置上设立接收阵元、超声发送端,分别测量被测物体到各接收点的距离，经过计算就可以确定被测物体的位置。以三维空间为例，可以在坐标原点(0,0,0)，(x，0,0)，(0，y，0)三个位置布置测量点。如图5所示，被测物体到三个测量点的距离分别为R₁,R₂,R₃。被测物体坐标(x,y,z)到三个发射点的距离分别为R₁,R₂,R₃，可得到以下方程：

求解上列方程可得：

本发明中超声定位是基于阵列信号的处理，利用超声阵列传感器接收目标信号并估计各单元传感器阵元的时延，然后通过算法对各个单元传感器阵元的接收信号进行计算，从而得到目标的空间方位角和俯仰角信息，为了进一步精确目标位置，可利用侧向线交叉定位法。

超声阵列的测向原理如下：首先利用某种阵列结构的超声阵列传感器接收超声窄带信号；再利用波达方向估计算法对窄带信号进行处理，得到超声发射器相对于超声阵列传感器测量位置的方位角和俯仰角。若将信号视为远场信号，则同一信号到达不同的两个传感器阵元时，会存在一个波程差，这个波程差使得各接收传感阵元间存在一个相位差，因为不同的两个传感器阵元的空间坐标已知，所以我们可以利用这个相位差来得到信号的方位角信息。图5两传感器阵元的空间位置关系。考虑空间任意相邻的两传感器阵元，d为两阵元的间距，c为信号的波速，分别为入射信号波的方位角和俯仰角，由图可知，入射信号在XOY平面投影与x正半轴的夹角为方位角，入射信号与法线z正半轴的夹角为俯仰角。则可以推导空间入射信号波到达这相邻两传感器阵元的路程差s为:

其中x，y，z分别为两传感器阵元之间距离在X、Y、Z轴上的投影。

为了计算方便，，考虑相邻两个传感器阵元同在XOY平面内，则s为:

则空间远场信号到达相邻两传感器阵元的时间差为：

相位差为：

式中，λ为信号的波长，f为信号频率，f₀为信号中心频率，对于窄带信号可认为，f＝f₀。

本发明采用平面阵列传感器测向原理，该方式能够同时测出超声发射装备的方位角与俯仰角。平面阵列及其空间来波信号示意图，如图6所示。阵元间距d₁沿Z轴方向，d₂沿Y轴方向，共有p×q个阵元。以图中(1,1)位置阵元的坐标为参考点，分别表示信号来波方向的方位角与俯仰角。则(i，j)位置上的阵元与(1,1)位置上的阵元相位差为：

式中，λ为入射信号波长，z_i为第(i，j)个阵元在Z轴上的投影长度，z_i＝(i-1)d₁。

y_j＝(j-1)d₁为第(i，j)个阵元在Y轴上的投影长度，则可推得平面阵列的方向图函数表达式为：

式中

为实现超声阵列传感器的定位算法，通过基于两条测向线交叉定位算法是在不同的两个位置分别采取两组超声阵列信号，则阵列传感器在两测量位置发出的测向线必将交于一点，交点就是局放源所在位置，原理图如图5。在图中，S(x，y，z)为发射设备坐标，阵列传感器的位置A₁,A₂的坐标分别为(0,0,0)、(d，0,0)，发射设备在XOY平面上的投影为S’(x，y)，两条测向线的方位角和俯仰角分别为根据图中所示的几何关系，可得：

得S’的坐标为：

由上列二式可得：

通过上式可以整理得发射设备坐标为：

最后，利用本发明的室内信道建模过程，对于室内六墙面均为非坚硬墙面，室内信道冲激响应的分析方法如下：

建立直角坐标系O-xyz

t＝时间

R＝|X-X′|

X：发送端位置坐标

X′：接收端位置坐标

c：声速

p＝(q,j,k)r＝(n,l,m)

β：六个边界的反射系数

R_P＝(x-x′+2qx′,y-y′+2jy′,z-z′+2kz′)

R_r＝2(nL_x,lL_y,mL_z)

室内声信道冲激响应：

本发明中对三维建模方法进行了仿真。设室内空间大小(8,12,10)，发射点坐标(3,7,4)，接收点坐标(2,1,3),取前7径的结果如下表和图7所示：

多径条数	时延/s	幅度衰减
			1	0	1
2	0.0050	0.7046
			3	0.0058	0.6829
4	0.0091	0.4653
			5	0.0188	-0.3575
6	0.0241	-0.1473
			7	0.0291	-0.2798

表1多径的时延和幅度衰减

信道建模的图形表示如图7所示。

在MATLAB仿真过程中，可以采用循环前缀就能进行信道估计，文中的压缩传感信道估计均在时域进行，均衡方法采用迫零均衡。循环前缀长度为128个码元，数据块长度为256个码元。基带仿真中的多径信道采用把图7信道近似表达为h＝[1zeros(1,5*tnum)0.7047zeros(1,1*tnum)0.6829zeros(1,3*tnum)0.4653zeros(1,10*tnum)-0.3575zeros(1,5*tnum)-0.1473zeros(1,6*tnum)-0.2798]，信噪比设为20dB，在此基础上进行DFT-MP信道估计。

修改的算法DAMP的具体步骤：X为观测矩阵，y为测量向量。

第P次迭代:

经过n次迭代，满足终止条件后，将h_j赋值给h中对应的第k_j个元素，最后用stem(abs(h))将估计信道结构画出，得到的信道估计如图8所示，从结果可得，使用DFT-MP算法，在估计精确度得到很大提高的同时，大大减小了计算的复杂度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，该方法为：佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角，最后，根据超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角确定对PC的操作输入信息。

2.根据权利要求1所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，该方法还包括对所述至少一个超声窄带信号进行压缩传感信道估计，具体为：在循环矩阵U中选取一个与接收信号相似度最高的原子，通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近，获得最终结果。

3.根据权利要求2所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于:所述通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近中，单次迭代具体为：求得循环矩阵U中各行与接收序列y间的内积；根据信噪比估计结果保留至少一项结果；对保留的至少一项结果进行频域变换，在频域去除噪声，再次比较；取最大值输出；在循环矩阵U中去除最大项，进入下次迭代。

4.根据权利要求1或2所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，所述佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，具体为：

S11、产生两个独立的随机数U₁,U₂，均符合均值为0，标准差为1的高斯分布；

S12、令V_i＝2U_i-1，i＝1，2，并计算S＝V₁+V₂；

S13、若S≥1，计算并计算随机变量X₁＝V₁Y，X₂＝V₂Y；若S＜1，则返回S11，

S14、采用累加法加以改进，若随机变量相互独立且满足同分布，则通过基于中心极限定理累加变换以后的随机变量满足:

$Y_n=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{x}_k-E\left({\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{x}_k\right)}{\sqrt{D\left({\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{x}_k\right)}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{x}_k-n\mathrm{\μ}}{\sqrt{n\mathrm{\σ}}},$

式中X_k为随机变量，k＝1……n,E等于均值u，D等于方差σ²；

S15、取n＝12，将在[0,1]上均匀分布、均值为μ＝1/2，方差为σ²＝1/12的序列累加，此时：

所得为高斯白噪声序列；

S16、将S15产生的高斯白噪声序列通过不同通带特性的IIR滤波器得到不同特性的超声窄带信号。

5.根据权利要求1所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，所述根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置，具体为：将每个超声窄带信号的时间差定义为一组声波数据，所述声波数据与声速的乘积就是声源到达测量点的实际距离，根据至少三组超声波数据对目标作三圆定位，三圆定位中目标的位置是以各接收站为圆心，以各接收站同时测量目标的距离为半径的三个圆的交点来确定。

6.根据权利要求1所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，所述根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置，具体为：选取三维空间内的若干个测点设立接收阵元，被测目标佩戴超声发送端，分别测量被测目标到各接收阵元的距离，根据坐标和距离确定被测目标的位置。

7.根据权利要求6所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于：所述根据坐标和距离确定被测目标的位置，具体为：三个测点在测量坐标系中的位置分别记为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)并且均设置接收阵元，所述被测目标佩戴超声发送端发送的超声窄带信号到达3个接收阵元的时间分别为Δt₁,Δt₂,Δt₃，超声窄带信号在空气中传播的速度为c，根据三球定位公式有：联立以上方程组，获得被测目标的位置。

8.根据权利要求5所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，所述据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的方位角和俯仰角，具体为：入射信号在XOY平面投影与x正半轴的夹角为方位角θ，入射信号与法线z正半轴的夹角为俯仰角φ，空间入射信号波到达这相邻两接收阵元的路程差s为:s＝xcosθcosφ+ysinθcosφ+zsinφ，其中x，y，z分别为两接收阵元之间距离在X、Y、Z轴上的投影，由于相邻两个传感器阵元同在XOY平面内，则s为:空间远场信号到达相邻两接收阵元的时间差为：相位差为： 式中，λ为信号的波长，ω为角速度，c为信号传播速率，f为信号频率，f₀为信号中心频率，f＝f₀。