CN111175763B - 基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，属于人机交互、虚拟现实技术领域。计算单元接收上位机发送的聚焦点坐标，并计算组合超声波传感器阵列上各通道驱动信号延迟时间并进行量化；计算单元生成控制单元的系统时钟与系统聚焦信号，并将其与延迟数据与传感器状态信号发送到控制单元；控制单元根据接收的延迟数据与传感器状态信号设置通道计数器，并使用计数器完成各通道驱动信号的延迟控制；控制单元产生超声波传感器驱动信号并进行放大。本发明实现大孔径阵列的局部超声聚焦，并通过对聚焦点的控制在没有物理接触或物理条件时产生接近真实的用户体验，用于人机交互、虚拟现实、增强现实等领域。

Description

基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法

技术领域

本发明属于人机交互、虚拟现实技术领域，尤其涉及一种空中超声波聚焦方法，实现多个超声波传感器阵列的局部控制与空中聚焦。

背景技术

随着人机交互技术的发展，出现了各种以人为中心的高效自然的人机交互方式，与此同时，人机交互过程中的各种感知反馈也随之发展。

在交互过程中，用户经常需要各种感知反馈来进行操作引导或增强用户体验。随着科技的发展，人机交互逐渐从平面交互向三维空间交互过渡。三维人机交互中，随着视觉和听觉反馈技术的成熟，触觉反馈成为进一步增强三维人机交互沉浸感的必然发展。现有的触觉反馈中，大部分设备通过在人体上附加额外的设备，如手套、机械臂等，以此实现触觉反馈，但这种方法因为与人体接触，不仅影响用户的体验，还会给用户带来不舒适感，体验较差。因此，人们逐渐将研究目标放在非接触式触觉反馈方法上。目前存在的几种非接触式触觉反馈方法有空气式触觉反馈(AIREAL)、激光式触觉反馈和超声波式触觉反馈等。因为空气式触觉反馈精度较低且不能精准控制、激光式触觉反馈容易被人体或障碍物遮挡并且对人体皮肤由危害，超声波式触觉反馈成为实现非接触式触觉反馈的较好方式。

目前已有一些关于超声聚焦方法的专利。

中国专利“一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统及方法”(公开号105426024A)公开了一种三维多点触觉反馈系统，具备手部位置检测、非接触触觉反馈、多点触觉反馈等功能，其核心是三维超声波阵列定位和高精度超声波聚焦技术。此方法对系统整体结构进行描述，并将计算得出的驱动信号延迟时间通过聚焦电路进行控制，产生触觉反馈。此方法仅描述了驱动信号延迟时间的计算，但对于延时的具体控制方法没有提及，并且此方法使用聚焦电路实现延迟控制，增加了系统负载，功耗和成本增加，不利于系统的小型化。

中国专利“基于可变长度移位寄存器的多通道超声波聚焦延时控制方法”(公开号110673731A)公开了一种基于可变长度移位寄存器的多通道超声波聚焦延时控制方法。此方法通过计算单元计算超声波传感器阵列各通道驱动信号延迟时间并进行量化，然后将其发送到延迟控制单元，延迟控制单元使用移位寄存器根据驱动信号延迟数据和延迟控制时钟实现超声阵列上多通道驱动信号的延迟控制。此方法使用移位寄存器实现多通道信号的延迟控制，当超声阵列较大时，驱动信号延迟时间量化后数值较大，移位寄存器的长度也将变大，使用的资源较多。

中国专利“一种辅助盲人感知的超声波触觉反馈系统及其方法”(公开号110515459A)公开了一种辅助盲人感知的超声波触觉反馈系统及其方法。此方法通过FPGA控制器完成焦点在不同单元坐标系下的转换并控制由超声相控阵包围的腔中的声压分布，通过驱动信号对各单元超声波换能器的作用在空间形成多个触觉点或立体图形，实现静止且可自由触摸的空中虚拟盲文点。此方法仅描述了超声触觉的实现方法，对驱动信号实现相位延迟的过程并未详细描述。

以上专利存在的问题是，当超声波传感器阵列尺寸较小时，系统产生的焦点较大，分辨率低，并且产生的触觉反馈力较小；但是当超声波传感器的尺寸较大时，虽然焦点变小，触觉反馈力变大，但是可能存在焦点在传感器辐射范围之外的情况，这种情况下，超声阵列上所有的传感器一直工作，将造成资源与能量的浪费，增大系统的噪声，并且较大的超声波传感器阵列加工困难，灵活性差，不好保存。

发明内容

本发明提供一种基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，以解决超声阵列上所有的传感器一直工作，造成资源与能量的浪费，增大系统的噪声，并且较大的超声波传感器阵列加工困难，灵活性差，不好保存的问题。

本方法依赖的超声聚焦系统由上位机、计算单元、控制单元和超声波传感器阵列组成。上位机一般是PC，计算单元由微处理器和存储器组成；控制单元由微处理器、存储器和MN个相同的驱动电路组成；超声波传感器阵列为M×N型，对应MN个超声通道。

本发明采取的技术方案是，包括如下步骤：

(1)计算单元根据接收的上位机发送的焦点坐标计算组合超声波传感器阵列上各个通道的驱动信号延迟时间并进行量化，得到延迟数据Data_ijmn；

(2)计算单元根据超声波传感器的半辐射角θ确定组合超声波传感器阵列上各个传感器的工作状态，得到传感器状态信号S_ijmn；

(3)计算单元将延迟数据与传感器状态信号按各个超声波传感器阵列进行分组，生成系统聚焦信号x_En(k)与控制单元的系统时钟，并将其发送至对应的控制单元；

(4)控制单元根据接收的延迟数据设置各通道计数器的计数终止值C_mn，并初始化通道计数器；

(5)控制单元根据系统聚焦信号与传感器状态信号确定是否启动各通道计数器，计数器启动后以时钟CLK_DELAY作为计数时钟，每个时钟周期计数值加一，到达计数终止值C_mn时，启动时钟分频模块，生成传感器驱动信号并输出，完成驱动信号的延迟控制。

进一步，步骤(1)中的组合超声波传感器阵列是由多个超声波传感器阵列排列为I行J列得到的孔径更大的超声波传感器阵列，更大的孔径可使产生的聚焦点更小，分辨率更高，产生的触觉反馈力更大，得到更好的触觉体验；

单个超声波传感器阵列由MN个超声波传感器组成，排列成M行N列；

进一步，步骤(1)中组合超声波传感器阵列上各通道驱动信号延迟时间的计算与量化方法如下：

1)计算组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列上传感器S_mn(x_m,y_n,0)距离焦点的距离s_ijmn：

其中，P(x,y,z)为焦点坐标，S_mn(x_m,y_n,0)表示组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列中第m行第n列传感器的坐标，x_m＝(m-1)*d+(i-1)*Δx，y_n＝(n-1)*d+(j-1)*Δy，1≤m≤M，1≤n≤N，1≤i≤I，1≤j≤J，d是超声波传感器阵列中相邻超声波传感器中心间的距离，Δx，Δy分别为x轴与y轴方向上相邻超声波传感器阵列间的间隔；

2)计算组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列上传感器S_mn(x_m,y_n,0)发射的超声波到达焦点所需的时间t_ijmn：

t_ijmn＝s_ijmn/c

其中，c是超声波在空气中的传播速度；

3)取超声波到达时间t_ijmn的最大值t_max：

4)计算组合超声波传感器阵列上各通道驱动信号的延迟时间τ_ijmn：

τ_ijmn＝t_max-t_ijmn

5)将驱动信号延迟时间τ_ijmn量化为延迟控制时钟CLK_DELAY下的周期数，向上取整得到Data_ijmn：

其中，f_Delay为延迟控制时钟CLK_DELAY的频率，

表示向上取整；

延迟控制时钟CLK_DELAY为驱动信号延迟时间τ_ijmn的量化时钟，同时作为计数器的计数时钟，延时单位δ为时钟频率的倒数，表示为：

进一步，步骤(2)中组合超声波传感器阵列上各个传感器工作状态的确定方法如下：

1)计算单元根据超声波传感器的半衰减角计算传感器的最大辐射长度L_max：

其中，z为焦点距离超声波传感器阵列的距离，即焦点的z轴坐标，θ为超声波传感器的半衰减角(具体可查阅超声波传感器的数据手册)；

2)将第(1)步计算出的s_ijmn与最大辐射长度L_max进行比较，若s_ijmn小于等于L_max，则表示焦点处于传感器辐射范围内，传感器正常工作，状态信号取1；反之，传感器不工作，状态信号取0，得到各个传感器的状态信号S_ijmn：

进一步，步骤(3)中延迟数据与传感器状态信号的分组方法与系统聚焦信号和控制单元的系统时钟生成方法如下：

1)计算单元在完成延迟数据与传感器状态信号的计算后，将延迟数据Data_ijmn与传感器状态信号S_ijmn按超声波传感器阵列进行分组并发送至相应的控制单元，即组合超声波传感器阵列上第1行1列的数据发送到控制单元1，第1行2列的数据发送到控制单元2，……，第I行J列的数据发送到控制单元IJ；

2)计算单元通过时钟分频产生控制单元的系统时钟，所有控制单元使用同一时钟，实现各个控制单元间的时钟同步；

3)计算单元在完成数据分组后，拉高系统聚焦信号x_En(k)，系统的聚焦时间t_focu可通过控制系统聚焦信号拉高的时钟周期数进行调整，聚焦时间计算方法：

其中，a为系统聚焦信号x_En(k)拉高的时钟周期数，f_STM为计算单元[101]系统时钟的频率；

进一步，步骤(4)通道计数器设置方法如下：

1)本发明使用计数器实现传感器驱动信号的延迟控制，控制单元根据接收的延迟数据设置计数器，各个控制单元的设置方法相同，下面以组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列所对应的控制单元为例进行具体说明，该单元接收的延迟数据为Data_mn，传感器状态信号为S_mn；

2)控制单元根据接收的延迟数据设置mn通道计数器的计数终止值C_mn：

C_mn＝Data_mn

3)将mn通道计数器初始化，计数器计数值置0。

进一步，步骤(5)计数器实现延迟控制方法如下：

1)控制单元在检测到系统聚焦信号x_En(k)为高电平1后，根据传感器状态信号确定是否启动各个通道的计数器；

2)控制单元根据传感器状态信号S_mn确定是否启动通道计数器。若传感器状态信号S_mn为高电平1，则启动通道计数器，开始计数，若传感器状态信号S_mn为低电平0，通道计数器保持初始状态不工作；

3)计数器启动后，以时钟CLK_DELAY作为计数时钟，每个时钟周期计数值加一，当达到设定的计数终止值C_mn时，延时标志信号x_mn(k)置为高电平1，并与系统聚焦信号x_En(k)进行与运算，得到分频使能信号x_divmn(k)：

x_divmn(k)＝x_En(k)&x_mn(k)

4)控制单元在检测到分频使能信号x_divmn(k)为高电平1时，启动该通道的时钟分频模块，产生传感器驱动信号x_Drive(k)；

5)超声波传感器的谐振频率是f_c(具体请查阅相关数据手册)，人类皮肤能感知到的触觉频率范围为1Hz～1000Hz，需要在1Hz～1000Hz中选取合适的调制频率f₀对传感器谐振频率信号x_c(k)进行调制，以产生人体能感知的触觉反馈；

6)控制单元通过时钟分频产生调制信号x₀(k)和传感器谐振频率信号x_c(k)；

7)将得到的调制信号x₀(k)和传感器谐振频率信号x_c(k)进行与运算，得到超声波传感器的驱动信号x_Drive(k)：

x_Drive(i)＝x₀(i)&x_c(i)

8)控制单元输出该通道的传感器驱动信号，经驱动电路进行放大后，驱动该通道超声波传感器发射超声波；

9)其余通道计数器使用同一时钟CLK_DELAY作为计数时钟，按照步骤2)～8)，使各通道的驱动信号在延迟个时钟周期后分频产生，然后输出，实现该超声波传感器阵列上各个传感器驱动信号的延迟控制；

10)其余超声波传感器阵列按照步骤1)～9)，实现各个超声波传感器阵列上各超声波传感器驱动信号的延迟控制，从而实现组合超声波传感器阵列上所有传感器驱动信号的延迟控制，完成聚焦。

本发明利用多个超声波传感器阵列合成更大的阵列孔径，根据超声波传感器的半衰减角控制组合阵列上各个超声波传感器的工作状态，并对处于工作状态的超声波传感器进行延迟控制，完成空中聚焦，实现三维空间中的非接触式触觉反馈。允许将多个超声波传感器阵列组合成更大的阵列，并且可以根据传感器的半衰减角决定传感器是否工作，减少资源与能量的浪费。

本发明的优点在于：通过组合多个超声波传感器阵列得到更大的发射孔径，从而得到更小的聚焦点与更大的触觉反馈力；扩展性大，可增加小型超声波传感器的数量，增大组合阵列的尺寸，并且当系统不使用时可拆解为多个小型超声传感器阵列，易于保存；通过状态信号控制各个超声波传感器的工作状态，可以实现局部阵列的聚焦，减少不必要的功耗，降低系统噪声；各个控制单元的系统时钟统一由计算单元提供，实现各个控制单元间的时钟同步。

附图说明

图1是本发明超声波聚焦系统组成框图；

图2是本发明超声波聚焦系统原理框图；

图3是本发明多超声波传感器阵列组合示意图；

图4是本发明超声波传感器阵列各通道信号延迟计算及量化流程图；

图5是本发明超声波传感器阵列聚焦原理示意图；

图6是本发明超声波传感器驱动信号生成示意图；

图7是本发明mn通道驱动信号延迟控制流程图；

图8是本发明单个超声波传感器阵列多通道信号延迟控制示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一、本发明依赖的超声波聚焦系统由上位机[100]、计算单元[101]、控制单元[102]和超声波传感器阵列[105]组成，系统组成框图如图1所示，系统各部分的组成如图2所示。

(1)上位机[100]是可以直接发送操作命令的计算机，一般是PC，负责将聚焦点坐标发送到计算单元[101]，实现超声波聚焦系统的灵活控制。

(2)计算单元[101]由微处理器[201]和存储器[202]组成。

微处理器[201]可以是DSP、单片机或FPGA等器件，用于接收上位机[100]发送的聚焦点坐标，进行超声波传感器阵列[105]上传感器驱动信号延迟时间的计算和量化，并根据超声波传感器的辐射角确定各个传感器的工作状态，生成状态信号，并生成系统聚焦信号与控制单元[102]的系统时钟，对延迟数据与状态信号进行分组，最后将延迟数据、传感器状态信号、控制单元[102]系统时钟与系统聚焦信号发送至控制单元[102]；

(3)控制单元[102]由微处理器[203]、存储器[204]和驱动电路[205]组成。

微处理器[203]为可编程逻辑器件，如CPLD、FPGA等，负责接收计算单元[101]发送的延迟数据与传感器状态信号，产生传感器驱动信号，根据传感器状态信号控制超声波传感器阵列[105]上各个传感器的工作状态，根据延迟数据完成各通道驱动信号的延迟控制；

驱动电路[205]由MN个相同的驱动电路组成，将微处理器[203]输出的驱动信号进行放大，为超声波传感器提供充足的能量，以此实现三维空间中的触觉反馈；

(4)超声波传感器阵列[105]为M×N阵列，对应MN个超声通道，可通过控制每个通道的超声波发射时间(驱动信号延迟时间)，使得各通道发射的超声波的相位在三维空间中某个位置进行叠加，从而产生人体可感知到的触觉反馈，这个位置就是焦点。

多个超声波传感器阵列[105]按图3所示排列为I行J列的组合超声波传感器阵列[301]，得到孔径更大的超声波传感器阵列，更大的孔径可使产生的聚焦点更小，分辨率更高，产生的触觉反馈力更大，得到更好的触觉体验。

二、一种基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，包括下列步骤：

(1)计算单元[101]计算组合超声波传感器阵列[301]上各个通道的驱动信号延迟时间并进行量化。

为提高触觉分辨率，增强触觉反馈力，将多个超声波传感器阵列[105]排列成I行J列的组合超声波传感器阵列[301]，如图3所示。

计算单元[101]根据接收的上位机发送的焦点坐标P(x,y,z)计算组合超声波传感器阵列[301]上各个通道的驱动信号延迟时间τ_ijmn，计算流程图如图4所示，超声聚焦原理如图5所示。具体方法如下：

1)计算组合超声波传感器阵列[301]中第i行第j列个超声波传感器阵列[105]上传感器S_mn(x_m,y_n,0)距离焦点的距离s_ijmn：

其中，S_mn(x_m,y_n,0)表示组合超声波传感器阵列[301]中第i行第j列个超声波传感器阵列[105]中第m行第n列传感器的坐标，x_m＝(m-1)*d+(i-1)*Δx，y_n＝(n-1)*d+(j-1)*Δy，1≤m≤M，1≤n≤N，1≤i≤I，1≤j≤J，d是超声波传感器阵列[105]中相邻超声波传感器中心间的距离，Δx，Δy分别为x轴与y轴方向上相邻超声波传感器阵列[105]间的间隔；

2)计算组合超声波传感器阵列[301]中第i行第j列个超声波传感器阵列[105]上传感器S_mn(x_m,y_n,0)发射的超声波到达焦点所需的时间t_ijmn：

t_ijmn＝s_ijmn/c

其中，c是超声波在空气中的传播速度；

3)取超声波到达时间t_ijmn的最大值t_max：

4)计算组合超声波传感器阵列[301]上各通道驱动信号的延迟时间τ_ijmn：

τ_ijmn＝t_max-t_ijmn

5)将驱动信号延迟时间τ_ijmn量化为延迟控制时钟CLK_DELAY下的周期数，向上取整得到Data_ijmn：

其中，f_Delay为延迟控制时钟CLK_DELAY的频率，

表示向上取整。

延迟控制时钟CLK_DELAY为驱动信号延迟时间τ_ijmn的量化时钟，同时作为计数器的计数时钟，延时单位δ为时钟频率的倒数，表示为：

(2)确定组合超声波传感器阵列[301]上各个传感器的工作状态。

大孔径的超声波传感器阵列可以产生更小的焦点与更大的反馈力，但是由于组合阵列尺寸较大而且超声波传感器的辐射角度有限，使得有些传感器发射的超声波不能到达焦点(或衰减较大)，不仅不能增加聚焦效果，还增加了无效的功耗，增大了系统的噪声。

为了降低不必要的功耗，减小噪声，可以根据传感器的半衰减角θ(大于此角度，发射强度衰减一半)计算传感器的工作状态，从而保证只有焦点处于传感器的辐射范围时，传感器才正常工作，否则，传感器不工作。下面结合图5进行说明。

1)计算单元[101]根据超声波传感器的半衰减角计算传感器的最大辐射长度L_max：

其中，z为焦点距离超声波传感器阵列的距离，即焦点的z轴坐标，θ为超声波传感器的半衰减角(具体可查阅超声波传感器的数据手册)；

2)将第(1)步计算出的s_ijmn与最大辐射长度L_max进行比较，若s_ijmn小于等于L_max，则表示焦点处于传感器辐射范围内，传感器正常工作，状态信号取1；反之，传感器不工作，状态信号取0，得到各个传感器的状态信号S_ijmn：

(3)计算单元[101]将延迟数据与传感器状态信号按超声波传感器阵列[105]进行分组，生成系统聚焦信号与控制单元[102]的系统时钟，并发送至对应的控制单元[102]。

1)计算单元[101]在完成延迟数据与传感器状态信号的计算后，将延迟数据Data_ijmn与传感器状态信号S_ijmn按超声波传感器阵列[105]进行分组并发送至相应的控制单元，即组合超声波传感器阵列[301]上第1行1列的数据发送到控制单元1[102]，第1行2列的数据发送到控制单元2[103]，……，第I行J列的数据发送到控制单元IJ[104]；

2)计算单元[101]通过时钟分频产生控制单元的系统时钟，所有控制单元使用同一时钟，实现各个控制单元[102]间的时钟同步；

3)计算单元[101]在完成数据分组后，拉高系统聚焦信号x_En(k)，系统的聚焦时间t_focu可通过控制系统聚焦信号拉高的时钟周期数进行调整，聚焦时间计算方法：

其中，a为系统聚焦信号x_En(k)拉高的时钟周期数，f_STM为计算单元[101]系统时钟的频率；

(4)设置计数器。

本发明使用计数器实现传感器驱动信号的延迟控制，控制单元[102]根据接收的延迟数据设置计数器。各个控制单元的设置方法相同，下面以组合超声波传感器阵列[301]中第i行第j列个超声波传感器阵列[105]所对应的控制单元为例进行具体说明，该单元接收的延迟数据为Data_mn，传感器状态信号为S_mn。

1)控制单元[102]根据接收的延迟数据设置mn通道计数器的计数终止值C_mn：

C_mn＝Data_mn

2)将mn通道计数器初始化，计数器计数值置0。

(5)启动延迟控制。

1)控制单元[102]在检测到系统聚焦信号x_En(k)为高电平1后，根据传感器状态信号确定是否启动各个通道的计数器；

2)控制单元[102]根据传感器状态信号S_mn确定是否启动通道计数器。若传感器状态信号S_mn为高电平1，则启动通道计数器，开始计数，若传感器状态信号S_mn为低电平0，通道计数器保持初始状态不工作。

3)计数器启动后，以时钟CLK_DELAY作为计数时钟，每个时钟周期计数值加一，当达到设定的计数终止值C_mn时，延时标志信号x_mn(k)置为高电平1，并与系统聚焦信号x_En(k)进行与运算，得到分频使能信号x_divmn(k)：

x_divmn(k)＝x_En(k)&x_mn(k)

4)控制单元[102]在检测到分频使能信号x_divmn(k)为高电平1时，启动该通道的时钟分频模块，产生传感器驱动信号x_Drive(k)[601]；

5)超声波传感器的谐振频率是f_c(具体请查阅相关数据手册)，人类皮肤能感知到的触觉频率范围为1Hz～1000Hz，需要在1Hz～1000Hz中选取合适的调制频率f₀对传感器谐振频率信号x_c(k)[603]进行调制，以产生人体能感知的触觉反馈。驱动信号生成示意图如图6所示；

6)控制单元通过时钟分频产生调制信号x₀(k)[602]和传感器谐振频率信号x_c(k)[603]；

7)将得到的调制信号x₀(k)[602]和传感器谐振频率信号x_c(k)[603]进行与运算，得到超声波传感器的驱动信号x_Drive(k)[601]：

x_Drive(i)＝x₀(i)&x_c(i)

8)控制单元[102]输出该通道的传感器驱动信号，经驱动电路[205]进行放大后，驱动该通道超声波传感器发射超声波。mn通道延迟控制流程图如图7所示；

9)其余通道计数器使用同一时钟CLK_DELAY作为计数时钟，按照步骤2)～8)，使各通道的驱动信号在延迟个时钟周期后分频产生，然后输出，实现该超声波传感器阵列[105]上各个传感器驱动信号的延迟控制。单个超声波传感器阵列多通道信号延迟控制示意图如图8所示；

10)其余超声波传感器阵列[105]按照步骤1)～9)，实现各个超声波传感器阵列[105]上各超声波传感器驱动信号的延迟控制，从而实现组合超声波传感器阵列[301]上所有传感器驱动信号的延迟控制，完成聚焦。

Claims (8)

1.一种基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)计算单元根据接收的上位机发送的焦点坐标计算组合超声波传感器阵列上各个通道的驱动信号延迟时间并进行量化，得到延迟数据Data_ijmn；

(2)计算单元根据超声波传感器的半辐射角θ确定组合超声波传感器阵列上各个传感器的工作状态，得到传感器状态信号S_ijmn；

(3)计算单元将延迟数据与传感器状态信号按各个超声波传感器阵列进行分组，生成系统聚焦信号x_En(k)与控制单元的系统时钟，并将其发送至对应的控制单元；

(4)控制单元根据接收的延迟数据设置各通道计数器的计数终止值C_mn，并初始化通道计数器；

(5)控制单元根据系统聚焦信号与传感器状态信号确定是否启动各通道计数器，计数器启动后以时钟CLK_DELAY作为计数时钟，每个时钟周期计数值加一，到达计数终止值C_mn时，启动时钟分频模块，生成传感器驱动信号并输出，完成驱动信号的延迟控制。

2.根据权利要求1所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：所述步骤(1)中的组合超声波传感器阵列是由多个超声波传感器阵列排列为I行J列得到的孔径更大的超声波传感器阵列，更大的孔径可使产生的聚焦点更小，分辨率更高，产生的触觉反馈力更大，得到更好的触觉体验。

3.根据权利要求2所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：所述步骤(1)中组合超声波传感器阵列上各通道驱动信号延迟时间的计算与量化方法如下：

1)计算组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列上传感器S_mn(x_m,y_n,0)距离焦点的距离s_ijmn：

其中，P(x,y,z)为焦点坐标，S_mn(x_m,y_n,0)表示组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列中第m行第n列传感器的坐标，x_m＝(m-1)*d+(i-1)*Δx，y_n＝(n-1)*d+(j-1)*Δy，1≤m≤M，1≤n≤N，1≤i≤I，1≤j≤J，d是超声波传感器阵列中相邻超声波传感器中心间的距离，Δx，Δy分别为x轴与y轴方向上相邻超声波传感器阵列间的间隔；M表示单个超声波传感器阵列中超声波传感器的行数，N表示单个超声波传感器阵列中超声波传感器的列数；

2)计算组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列上传感器S_mn(x_m,y_n,0)发射的超声波到达焦点所需的时间t_ijmn：

t_ijmn＝s_ijmn/c

其中，c是超声波在空气中的传播速度；

3)取超声波到达时间t_ijmn的最大值t_max：

4)计算组合超声波传感器阵列上各通道驱动信号的延迟时间τ_ijmn：

τ_ijmn＝t_max-t_ijmn

5)将驱动信号延迟时间τ_ijmn量化为延迟控制时钟CLK_DELAY下的周期数，向上取整得到Data_ijmn：

其中，f_Delay为延迟控制时钟CLK_DELAY的频率，

表示向上取整；

延迟控制时钟CLK_DELAY为驱动信号延迟时间τ_ijmn的量化时钟，同时作为计数器的计数时钟，延时单位δ为时钟频率的倒数，表示为：

4.根据权利要求1或2所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：单个超声波传感器阵列由MN个超声波传感器组成，排列成M行N列。

5.根据权利要求1所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：所述步骤(2)中组合超声波传感器阵列上各个传感器工作状态的确定方法如下：

1)计算单元根据超声波传感器的半衰减角计算传感器的最大辐射长度L_max：

其中，z为焦点距离超声波传感器阵列的距离，即焦点的z轴坐标，θ为超声波传感器的半衰减角，具体可查阅超声波传感器的数据手册；

2)将第(1)步计算出的传感器距焦点的距离s_ijmn与最大辐射长度L_max进行比较，若s_ijmn小于等于L_max，则表示焦点处于传感器辐射范围内，传感器正常工作，状态信号取1；反之，传感器不工作，状态信号取0，得到各个传感器的状态信号S_ijmn：

6.根据权利要求1所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：步骤(3)中延迟数据与传感器状态信号的分组方法与系统聚焦信号和控制单元的系统时钟生成方法如下：

1)计算单元在完成延迟数据与传感器状态信号的计算后，将延迟数据Data_ijmn与传感器状态信号S_ijmn按超声波传感器阵列进行分组并发送至相应的控制单元，即组合超声波传感器阵列上第1行1列的数据发送到控制单元1，第1行2列的数据发送到控制单元2，……，第I行J列的数据发送到控制单元IJ；

2)计算单元通过时钟分频产生控制单元的系统时钟，所有控制单元使用同一时钟，实现各个控制单元间的时钟同步；

3)计算单元在完成数据分组后，拉高系统聚焦信号x_En(k)，系统的聚焦时间t_focu可通过控制系统聚焦信号拉高的时钟周期数进行调整，聚焦时间计算方法：

其中，a为系统聚焦信号x_En(k)拉高的时钟周期数，f_STM为计算单元(101)系统时钟的频率。

7.根据权利要求1所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：所述步骤(4)通道计数器设置方法如下：

1)本发明使用计数器实现传感器驱动信号的延迟控制，控制单元根据接收的延迟数据设置计数器，各个控制单元的设置方法相同，下面以组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列所对应的控制单元为例进行具体说明，该单元接收的延迟数据为Data_mn，传感器状态信号为S_mn；

2)控制单元根据接收的延迟数据设置mn通道计数器的计数终止值C_mn：

C_mn＝Data_mn

3)将mn通道计数器初始化，计数器计数值置0。

8.根据权利要求1所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：所述步骤(5)计数器实现延迟控制方法如下：

1)控制单元在检测到系统聚焦信号x_En(k)为高电平1后，根据传感器状态信号确定是否启动各个通道的计数器；

2)控制单元根据传感器状态信号S_mn确定是否启动通道计数器，若传感器状态信号S_mn为高电平1，则启动通道计数器，开始计数，若传感器状态信号S_mn为低电平0，通道计数器保持初始状态不工作；

3)计数器启动后，以时钟CLK_DELAY作为计数时钟，每个时钟周期计数值加一，当达到设定的计数终止值C_mn时，延时标志信号x_mn(k)置为高电平1，并与系统聚焦信号x_En(k)进行与运算，得到分频使能信号x_divmn(k)：

x_divmn(k)＝x_En(k)&x_mn(k)

4)控制单元在检测到分频使能信号x_divmn(k)为高电平1时，启动该通道的时钟分频模块，产生传感器驱动信号x_Drive(k)；

5)超声波传感器的谐振频率是f_c，具体请查阅相关数据手册，人类皮肤能感知到的触觉频率范围为1Hz～1000Hz，需要在1Hz～1000Hz中选取合适的调制频率f₀对传感器谐振频率信号x_c(k)进行调制，以产生人体能感知的触觉反馈；

6)控制单元通过时钟分频产生调制信号x₀(k)和传感器谐振频率信号x_c(k)；

7)将得到的调制信号x₀(k)和传感器谐振频率信号x_c(k)进行与运算，得到超声波传感器的驱动信号x_Drive(k)：

x_Drive(i)＝x₀(i)&x_c(i)

8)控制单元输出该通道的传感器驱动信号，经驱动电路进行放大后，驱动该通道超声波传感器发射超声波；

9)其余通道计数器使用同一时钟CLK_DELAY作为计数时钟，按照步骤2)～8)，使各通道的驱动信号在延迟个时钟周期后分频产生，然后输出，实现该超声波传感器阵列上各个传感器驱动信号的延迟控制；

10)其余超声波传感器阵列按照步骤1)～9)，实现各个超声波传感器阵列上各超声波传感器驱动信号的延迟控制，从而实现组合超声波传感器阵列上所有传感器驱动信号的延迟控制，完成聚焦。

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