CN110058243A - 一种终端设备 - Google Patents

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Abstract

一种终端设备，包括超声波发射模块、超声波接收模块及处理模块，该终端设备被设置为：所述超声波发射模块发射超声波信号；所述超声波接收模块通过空气接收所述超声波信号；处理模块获取终端设备当前所处状态，所处状态包括远离状态和接近状态；在远离状态下处理模块检测接收到的所述超声波信号的第一特征值，判断是否达到预定的阈值，并且使用所述检测来确定是否转换为接近状态；在接近状态下处理模块检测接收到的所述超声波信号的第二特征值，判断是否达到预定的阈值，并且使用所述检测来确定是否转换为远离状态。

Description

一种终端设备
技术领域
本发明属于终端通讯技术领域，涉一种终端设备，具体是终端设备利用超声波信号控制终端设备的状态。
背景技术
在基于屏幕触控技术的终端设备中，接近传感是一项重要的防误触功能。传统的终端设备，如移动电话，其接近传感是通过红外接近传感实现的。它判断接收到的反射红外能量的大小来判断接近或者离开。这种方案的缺陷在于无法实现对运动物体进行跟踪测距，同时在智能设备不断要求扩大屏占比的背景下，红外接近传感器会占用额外的物料成本和手机正面的空间，影响屏占比的提升。
传统的超声波测距是利用超声波发射装置发射脉冲信号，通过计算障碍物反射的回波信号的飞行时间计算设备与障碍物之间的距离。由于发射信号和回波信号不能在时域上重叠，会出现一段测距距离的盲区，影响近距离测距精度。此外，在发射的超声波信号中包含音频分量，对发声器件的音频范围会产生干扰，不适合带语音或通话功能的终端设备使用场景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种终端设备检测接近的技术方案，通过发射连续波超声信号，检测检测超声的近场特征和反射回波的相位变化，来实现接近和远离状态的检测，不会影响发声器件的音频效果。
本发明的技术方案是一种终端设备，包括超声波发射模块、超声波接收模块及处理模块，该终端设备被设置为：
从所述超声波发射模块发射超声波信号；
在所述超声波接收模块处通过空气接收所述超声波信号；
在处理模块获取终端设备当前所处状态，所处状态包括远离状态和接近状态；
在远离状态时处理模块检测接收到的所述超声波信号的第一特征值，判断是否达到预定的阈值，并且使用所述检测来确定是否转换为接近状态；
在接近状态下处理模块检测接收到的所述超声波信号的第二特征值，判断是否达到预定的阈值，并且使用所述检测来确定是否转换为远离状态。
本技术方案的终端设备向外部空间发射固定频率的单频或者多频超声信号，当出现终端设备向障碍物，如人的头部，靠近远离或者障碍物向终端设备靠近远离的场景时，接收到发射的超声波信号会受到上述运动过程的影响。
信号发射模块可以是终端设备上已有的扬声器，可通过终端设备的控制电路和算法驱动扬声器发射一定频率的连续超声波信号，该超声波信号可以是单频信号、多频信号或跳频信号，频率包括但不限于20kHZ,22kHZ,40kHZ等。
信号接收模块可以是终端设备上已有的麦克风，可通过终端设备的麦克风或麦克风阵列接收超声波信号，接收的超声波信号包括有：
A、超声波直达信号，未经障碍物反射，直接通过空气传播被麦克风接收到的信号；B、超声波内部泄露信号，扬声器发出超声后经由终端设备内部结构泄露，传输到麦克风的超声信号；C、在空气中传播，经障碍物反射后的被麦克风接收到的信号，这部分的信息是我们需要的，障碍物与终端设备之间距离变化时，这部分信号也会随之变化，后继称这部分信号为运动信号，前面A和B的超声波信号由于其信号基本是不变的，称之为静态信号，可以通过信号处理后滤除这些信号，留下需要的运动信号。
信号处理模块对接收到的超声波信号进行信号处理，计算终端设备与障碍物的相对运动信息及距离信息，判断出对应的接近状态或远离状态。
以蜂窝电话为例，用户希望在电话接近人的头部时，电话自动禁用触摸或非触摸的各种输入，防止在接听时误操作，本技术方案定义接近状态，在接近状态下，终端设备被设置为禁止终端设备上的触摸或非触摸输入。相反的情况为远离状态，在远离状态下，终端设备被设置为启用终端设备上的触摸或非触摸输入。
终端设备在没有启动检测前，最初启动默认的状态是远离状态，在信号发射模块发射的超声波信号的声场中，当人的头部向电话移动(相对于电话是固定的)靠近时，会接收到上述所述的经头部反射回来的运动信号，运动信号是逐渐变化的，如运动信号的幅度和相位，根据声场学，在声场的远场区域，这种变化比较小表现不明显，随着靠近的距离越小，会进入到声场的近场区域，运动信号的变化会变的很明显，通过对运动信号进行实时的检测，检测是通过计算运动信号的第一特征值，给其一个预定的阈值，达到这个预定的阈值就转换为接近状态，禁止终端设备上的触摸或非触摸输入。
当终端设备处于接近状态下，处理模块检测接收到的运动信号的第二特征值，给其一个预定的阈值，达到这个预定的阈值，则转换为远离状态，启用终端设备上的触摸或非触摸输入。
终端设备发射与接收的超声波信号是连续的单频或多频的超声波正弦信号，对接收的所述超声波信号按设定时间间隔分隔成连续的帧单元，进行逐个帧单元处理。以设定时间间隔为基准，例如：1毫秒、10毫秒或100毫秒等的持续时间，把连续的超声波正弦信号进行分割，分成一段段的超声波正弦信号，每一段超声波信号作为一个帧单元。
先对帧单元内超声波正弦信号进行预处理，预处理的过程包括有提取同相分量和正交分量；同相分量经低通滤波、下采样、数字下变频获得基带同相分量，再通过频率补偿；正交分量经低通滤波、下采样、数字下变频获得基带正交分量，再通过频率补偿；对补偿后的基带同相分量和基带正交分量进行静态直流分量过滤，滤除静态信号，最终获得运动信号。
经过预处理后获得帧单元内的运动信号，获得第一特征值的检测过程是：提取运动信号的各个波的幅度，并计算帧单元内运动信号的幅度均值，每个帧单元都得到一个幅度均值，计算一定时间内连续的多个帧单元的幅度均值的方差，以方差的值作为第一特征值，由此可知其中一定时间包含有多个所述设定时间间隔。
经过预处理后获得帧单元内的运动信号，获得第二特征值的检测过程是：提取运动信号的幅度和相位，当幅度超过一个预设阈值时，依据帧单元内运动信号的相位变化，计算当前帧单元的距离变化，累计各个帧单元的距离变化的值作为第二特征值。当幅度没有超过预设阈值时，则不计算该帧单元的距离变化，不累计该帧单元的距离变化。
在本技术方案的一个实例中，所述终端设备为蜂窝电话，所述超声波发射模块是能够发射可听频率的扬声器，并且由电话呼叫触发使用扬声器发射超声波信号，同时在电话呼叫期间使用扬声器发射语音信号。
在本技术方案的一个实例中，所述终端设备为蜂窝电话，所述超声波接收模块是能够接收可听频率的麦克风，并且由电话呼叫触发使用麦克风接收超声波信号，同时在电话呼叫期间使用麦克风接收语音信号。
在本技术方案的一个实例中，所述终端设备为蜂窝电话，并且由电话呼叫触发所述处理模块的检测，
在本技术方案的一个实例中，所述终端设备包括蜂窝电话、智能手机、笔机本电脑、平板电脑和人体穿戴设备
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅针对的是一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出实施例中的处理系统的超声波信号处理的流程图。
图2示出实施例中的处理系统对超声波信号进行预处理的流程图。
图3示出实施例中的处理系统计算第一特征值的流程图。
图4示出实施例中的处理系统计算第二特征值的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明公开的范围之内。
在后续的描述中，使用诸如“模块”、“部件”，“组件”或“单元”等的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此可以混合地使用。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例是一种带触控屏的智能手机，包括有内置扬声器的听筒、麦克风和处理系统，其中扬声器可以向外部空间发射固定频率的连续的单频或者多频超声波信号，该超声波信号可以是单频信号、多频信号或跳频信号，频率可以选自20kHZ至48kHZ。
麦克风从空气中接收扬声器发射的超声波信号，本示例中麦克风是单个，在另一示例中，麦克风可以表示多个麦克风组成的阵列。
处理系统是对接收到的超声波信号进行信号处理，可以包括有DSP、CPU、ASIC、FPGA、微控制器、数模转换器、存储器、软件指令或其它常规组件中的一种或多种的组合。
如图1中所示，当手机有来电时，用户接听电话，此时智能手机扬声器、麦史风和处理系统被电话呼叫触发同时开启，开启后处理系统默认为远离状态，触控屏并没有禁止，用户可以操作触控屏，处理系统根据接收的超声波信号，持续进行处理并获得第一特征值。
当智能手机向用户做靠近运动，检测到第一特征超过设置的阈值Thr时，智能手机的系统被设置为进入接近状态，控制智能手机灭屏操作并禁止触控屏的输入。阈值Thr是表征扬声器的超声波形成声场的近场区域和远场区域的阈值，该阈值Thr是通过预先检测后设置到智能手机中，并且可以通过校验调节该阈值Thr，阈值Thr主要由扬声器的特性及导音结构决定，不同的扬声器及导音结构对应的阈值Thr可能存在不同。
智能手机被设置为进入接近状态后，设置此刻为距离坐标的零点，处理系统根据接收的超声波信号，持续进行处理并获得第二特征值，第二特征值实时反应的是智能手机和用户(反射回超声波信号的部位，如头部)发生相对的位移。这个位移可能是向用户靠近的移动，这种位移记为负向，也可能是向用户远离的移动，这种位移记为正向，持续对位移进行累计，累计一段特定时间窗口内智能手机和用户之间的距离变化，当达到设置的阈值Dis，可以认为智能手已经远离用户，需要转换为远离状态，启用触控屏的输入操作。
假定本示例中的智能手机的扬声器的声场的远场区域与近场区域的临界点在离扬声器中心点为3cm处，当手机向用户靠近时，在距离为3cm位置时，检测的第一特征值达到阈值Thr，手机被设置为进入接近状态，开始计算第二特征值，也就是在一段特定时间窗口内，持续的累计手机和用户之间的距离变化，这时存在多种情况：
手机继续向用户靠近，这种情况累计的距离变化是一个负值，认为没有超过阈值Dis,状态不改变；手机向用户远离，这种情况累计的距离变化是一个正值，设阈值Dis为2cm，当手机与用户远离在5cm处时，就会进行状态转换，进入远离状态；手机相对于用户静止不动，这是接电话时常见的情况，此时累计的距离变化接近为零，认为没有超过阈值Dis，状态不改变。
处理系统对接收的超声波信号是按照一个设定时间间隔分隔成连续的帧单元，进行逐个帧单元处理。以设定时间间隔为基准，把连续的超声波正弦信号进行分割，分成一段段的超声波正弦信号，每一段超声波信号作为一个帧单元。
如图2中所示，对帧单元内超声波正弦信号在计算特征值前先进行预处理，预处理的过程包括有提取同相分量和正交分量；同相分量经低通滤波、下采样、数字下变频获得基带同相分量，再通过频率补偿；正交分量经低通滤波、下采样、数字下变频获得基带正交分量，再通过频率补偿；对补偿后的基带同相分量和基带正交分量进行静态直流分量过滤，滤除静态信号，最终获得运动信号。
如图3中所示，经过预处理后获得帧单元内的运动信号，计算第一特征值的流程是：先设置一个固定长度的时间窗口，获取帧单元中每一个时间点的运动信号的幅度，并计算帧单元内运动信号的幅度均值，每个帧单元都得到一个幅度均值，将幅度均值以堆栈的方式插入至固定长度的时间窗口中，计算时间窗口中所有的幅度均值的方差，得到第一特征值。重复上述的操作，对每个帧单元进行处理。
如图4所示，经过预处理后获得帧单元内的运动信号，计算第二特征值的流程是：先设置一个固定长度的时间窗口，获得运动信号的幅度和相位，检测当幅度超过一个预设阈值时，依据帧单元内运动信号的相位变化，计算当前帧单元的距离变化，累计各个帧单元的距离变化的值作为第二特征值。当幅度没有超过预设阈值时，则不计算该帧单元的距离变化，不累计该帧单元的距离变化。重复上述的操作，对每个帧单元进行处理。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种终端设备，其特征在于，包括超声波发射模块、超声波接收模块及处理模块，该终端设备被设置为：
所述超声波发射模块发射超声波信号；
所述超声波接收模块通过空气接收所述超声波信号；
处理模块获取终端设备当前所处状态，所处状态包括远离状态和接近状态；
在远离状态下处理模块检测接收到的所述超声波信号的第一特征值，判断是否达到预定的阈值，并且使用所述检测来确定是否转换为接近状态；
在接近状态下处理模块检测接收到的所述超声波信号的第二特征值，判断是否达到预定的阈值，并且使用所述检测来确定是否转换为远离状态。
2.根据权利要求1所述的终端设备，其特征在于，该终端设备被设置为在所述接近状态下，所述终端设备被设置为禁止终端设备上的触摸或非触摸输入；在所述远离状态下，所述终端设备被设置为启用终端设备上的触摸或非触摸输入。
3.根据权利要求2所述的终端设备，其特征在于，该终端设备被设置为发射与接收的所述超声波信号为连续的单频或多频的超声波正弦信号，对接收的所述超声波信号按设定时间间隔分隔成连续的帧单元，进行逐个帧单元处理。
4.根据权利要求3所述的终端设备，其特征在于，该终端设备被设置为对帧单元的超声波正弦信号提取运动信号的幅度，并计算帧单元内运动信号的幅度均值，以一定时间内连续的多个帧单元的幅度均值的方差作为第一特征值，其中一定时间包含有多个所述设定时间间隔。
5.根据权利要求3所述的终端设备，其特征在于，该终端设备被设置为对帧单元内超声波正弦信号提取运动信号的幅度和相位，当幅度均值超过预设阈值时，依据帧单元内运动信号的相位变化，计算当前帧单元的距离变化，累计各个帧单元的距离变化的值作为第二特征值。
6.根据权利要求3至5任意项所述的终端设备，其特征在于，该终端设备被设置为在提取运动信号的幅度或相位之前，还对帧单元内超声波正弦信号进行预处理，预处理的过程依次包括有低通滤波、下采样、频响补偿和滤除静态信号。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的终端设备，其特征在于，所述终端设备为蜂窝电话，所述超声波发射模块是能够发射可听频率的扬声器，并且由电话呼叫触发使用扬声器发射超声波信号，同时在电话呼叫期间使用扬声器发射语音信号。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的终端设备，其特征在于，所述终端设备为蜂窝电话，所述超声波接收模块是能够接收可听频率的麦克风，并且由电话呼叫触发使用麦克风接收超声波信号，同时在电话呼叫期间使用麦克风接收语音信号。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的终端设备，其特征在于，所述终端设备为蜂窝电话，并且由电话呼叫触发所述处理模块的检测。
10.根据权利要求1-5任意一项所述的终端设备，其特征在于，所述终端设备包括蜂窝电话、智能手机、笔机本电脑、平板电脑和人体穿戴设备。
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