CN116964482A - 用于计算机的具有降低功耗的声学接近度检测 - Google Patents

用于计算机的具有降低功耗的声学接近度检测 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于计算机或类似设备的接近度检测系统和方法。该计算机包括至少两个换能器单元，该至少两个换能器单元能够发射在预定频率范围内的声学信号，所述声学信号用于对换能器进行识别。换能器单元在所述设备中被定位成彼此相距一距离，并且至少一个接收换能器能够接收在所述频率范围内的声学信号并且能够对换能器标识进行识别。该系统被配置成：基于发射的信号和接收的信号且基于测得的传播时间，来对每个换能器单元与反射物体之间的距离进行测量。该系统还被配置成将换能器单元中的每个换能器单元激活并且对所测得的距每个换能器单元的距离进行比较，从而对反射物体的方向进行计算，并且在检测到物体处于预定方向范围内时，向所述设备提供激活信号。

Description

用于计算机的具有降低功耗的声学接近度检测
技术领域
本发明涉及用于计算机或类似物的低功耗接近度检测。
背景技术
目前，计算机和类似设备变得越来越先进，并且也变得复杂，包括许多不同的单元和过程，用于为用户提供最佳且简单的设备体验。然而，这些过程和单元需要电力，并且增加了设备的复杂性和价格，以及故障的机会。一种众所周知的用于降低功耗的解决方案是睡眠模式，睡眠模式被配置成当计算机处于不活动状态达预定时间量时被激活。这些模式通常需要用户的动作，例如移动鼠标或触摸键盘，有时需要输入密码，或者通过触摸指纹传感器来进行。US2013275872A1中提出了更先进的解决方案，在该解决方案中，诸如麦克风之类的声学传感器被配置成对声源(尤其是语音)的方向进行感测，并且在用户位于设备前面时将设备激活。然而，这代表一种复杂且因此耗电的算法，并且可能需要诸如麦克风之类的专用单元，因为并非每个设备都设置有多于一个麦克风并且也不具有所必要的麦克风质量。US2019220112涉及一种主要包括一个发射器和一个换能器的解决方案，其中对直接发射信号路径和反射信号路径之间的差异进行分析。US5758173和WO2011/004135中提到了涉及与计算机和键盘相关的声学传感器的其他解决方案。
发明内容
本发明涉及一种简单、低成本的系统和算法，其可以在大多数计算机和类似物中实现而无需额外的硬件或单元。这是如所附权利要求书中指定的那样获得的。
根据本发明的系统和方法提供了一种适合在具有两个扬声器以及一个或更多个麦克风的现有计算机中使用的解决方案，其中，扬声器和麦克风优选地能够在近超声范围内以一定灵敏度进行操作。每个发射的声学信号需要非常低的能量消耗，甚至可以通过仅使用一个扬声器直到接收到反射，然后添加下一个扬声器来查看反射的人相对于计算机是否处于正确的位置来减少能量消耗。这还使得根据本发明的系统能够忽略位于计算机附近但不位于适合主动使用计算机的位置的人，从而通过保持在睡眠模式或类似模式来节省电力。
本发明在下面参考在计算机中的使用来讨论，但是也可以用于其他应用，例如对用户相对于投影仪、智能板的存在进行检测，其中可能需要用户相对于设备的位置在预定限制内以激活设备。
附图说明
下面将参考通过示例示出本发明的附图来讨论本发明。
图1示出了从上面看的根据本发明的设备的优选实施方式。
图2示出了本发明的替代实施方式。
具体实施方式
从图1可以看出，诸如计算机、屏幕或类似物的电子设备1设置有两个换能器2a、2b，通常它们之间的距离在至少20cm至30cm的范围内。在所示的示例中，这些换能器是能够发射可听范围之外的信号的扬声器。所发射的声学信号可以被预定距离范围内的人4a、4b反射，并且由位于扬声器之间的接收器3接收，优选地，接收器3是也能够接收近超声范围内的声学信号的麦克风。接收器也可以在换能器2a、2b中实现或替代地在换能器2a、2b中实现。
如本领域众所周知的，例如与声纳相关，反射将导致在发射时间之后的某一时间处检测到接收的信号，其指示从发射器到物体4a、4b以及返回的距离。这是使用足够短的声学脉冲来执行的，以提供清晰的反射信号，从而不会在发射的信号和接收的信号之间引起干扰。还可以发射具有预定特性、例如频率范围或分布的脉冲，使得系统可以识别它是从哪个换能器发射的，从而可能缩短脉冲之间的时间并且/或者减少信号之间干扰的机会。如上所述，与预定激活位置的允许偏差可以由用户预先确定和调节，但可以在计算机前面的45度范围内。
优选地，设备中的系统发射脉冲，然后打开接收器以在对应于预定距离范围的时间窗口内检测输入信号。例如，如果根据本发明的设备是计算机，则时间窗口可以对应于25cm和1.5m之间的距离。
根据本发明的一个实施方式，对两个距离D1、D2以及距离之间的差进行测量，其中使用相同的换能器进行反射信号的发射和接收。以交替顺序进行测量，使得一次对一个距离进行测量，从而避免信号之间的干扰。如果设备如图所示有两个扬声器，每一侧具有一个扬声器，如果用户坐在设备(例如，通过计算机前面的键盘)正前方，则两个扬声器将对两个扬声器到用户的距离进行测量。因此，如果测量到两个基本上相似的距离D1、D2，则设备可以被激活，因为存在用户4a需要访问它的可能性。如果测量到两个不同的距离D1'、D2'，则设备不会被激活，因为人不位于将使用设备的位置处。
根据另一实施方式，使用一个独立的接收器3，其中测量到的距离将为D1+D3和D2+D3。然而，如果D3位于扬声器之间的中间，则D3对于两个信号而言是相同的，并且对于所有实际目的，距离D1和D2以及它们之间的差将是主要变量。
用户可以根据设备和环境来选择允许的距离D1、D2以及它们之间的差。
在图2中，示出了具有两个接收器/麦克风3a、3b的更复杂的配置。通过将它们之间的距离选择为相对于所应用的波长范围相对较短(通常为5cm至8cm)，这可以通过使用接收到的声学信号之间的相位差来增加对方向测量的额外控制。
由于发射的声学信号可能被设备附近的静态物体反射，因此系统可以包括包含先前测量的存储器，其中计算单元能够将先前数据与新测量进行比较，从而识别声学信号响应中的变化，并且通过与历史数据的比较来对场景中新物体的距离和位置进行检测。
另一种解决方案可以是对接收的信号与发射的信号相比的频谱进行分析，以提供有关新物体的信息，例如，以区分硬物体例如家具与软物体诸如人。
因此，本发明可以通过以选定的间隔发射超声脉冲直到接收到反射来在低功率情况下操作。系统可以通过与先前的测量进行比较来学习识别静态的反射体，从而对场景中的新反射进行检测。
为了减少功耗，最初可以仅对一个距离进行测量，仅当检测到反射物体时才激活对第二距离的测量。然后对这两个距离进行检测，并且可以激活系统。
激活可以以更多步骤来执行。例如，设备的初始激活可以启动身份认证例程，诸如使用相机进行面部识别、激活指纹传感器或语音识别、或停用睡眠模式或激活键盘照明，或者它可以激活手势和使用替代声学传感器或其他传感器进行运动分析。它还可以使用蓝牙、Wi-Fi或设备接收和确认的声学信号来发起与注册用户上注册的任何其他设备诸如移动电话的连接。替代地或附加地，使用由根据本发明的设备识别的蓝牙、Wi-Fi或声学信号检测到的存在的电子发射器诸如移动电话可以用于激活根据本发明的接近度感测。
在一个实施方式中，本发明的操作可以遵循以下步骤：
1)以预定速率从系统中的换能器中的至少一个换能器发射近超声范围内的声学信号。声音可以被编码或具有已知的特性，诸如频率范围和分布、线性调频、时间戳等，以容易被接收器识别。
2)使用诸如麦克风之类的接收器对预定波长范围进行监测，以获得具有预定特性的反射信号。
3)以交替顺序从两个传感器发射信号，对发射时间和检测时间进行记录，并且将它们与接收器处的到达时间进行比较。接收器能够区分发射的信号，例如通过选定的时间窗口或通过信号特性来区分发射的信号。
4)在接收到来自两个传感器的信号时，该系统对每个信号从换能器到反射物体再返回接收器的传播时间差进行计算。
5)在传播时间差小于预定限制时，该系统可以假定用户存在于计算机前面，并且用户可以激活计算机、屏幕或系统的其他选定部分。
上述过程和系统在一些情况下可以具有某些变化。例如，接收器可以与发射换能器中的一个发射换能器或两个发射换能器相关，或者甚至在发射换能器中的一个发射换能器或两个发射换能器中实现，例如，发射换能器能够使用同一单元进行发射和接收。如果使用一个这样的换能器，则可以相应地校准系统，因为当用户位于设备前面时，来自另一个发射器的传播时间可能比来自第一换能器和返回的传播时间长。还可以使用两个能够发射和接收的换能器，每个换能器对到物体的距离进行测量。
来自每个换能器的信号可以被加时间戳或编码，例如被加时间戳有或被编码有不同的频率和/或幅度分布，使得接收器能够区分它们以对单独的距离进行测量。这样，还可以同时发射和接收来自换能器的信号。
由于换能器的数量可能取决于可用的硬件，因此本发明描述了一种解决方案，其中从扬声器的子集—其中子集是一个或更多个扬声器—播放不同的超声信号(例如，不同的正弦、线性调频信号、任意调制或这些信号的任意组合)，或者替代地，可以在扬声器的子集—其中子集是一个或更多个扬声器—上时移地播放相同的信号。
在不同信号或时移信号来自扬声器的不同子集的情况下，对来自一个或更多个超声传感器(例如麦克风、换能器等)的输入超声数据中的回声进行处理允许系统区分来自扬声器的一个子集的信号和来自扬声器的其他子集的信号。因此，将有可能确定沿着或平行于通过不同扬声器子集的轴线的用户存在的位置、用户运动、用户位置和用户姿势。在任何时候，系统都可以使用特定设备上的一些但不是全部音频输出部件(即扬声器、耳机接收器等)。
使用来自不同有源扬声器的子集的不同超声信号的好处是，它允许新的平台设计，其中使用单个超声传感器(例如麦克风、换能器等)或将两个或更多个超声传感器及其位置分开的配置不太重要。此外，在大多数支持声音回放的设备上，出于立体声质量原因，扬声器具有最大的分开。在笔记本电脑上，扬声器通常间隔20cm至30cm，而麦克风仅间隔5cm至8cm。通过将扬声器很好地间隔开，例如位于键盘的每一侧上或笔记本电脑下方的两侧上，可以显著地提高滑动和其他手势的整体性能。使用两个扬声器而不是两个麦克风的好处是，笔记本电脑上的扬声器通常距离更分开，从而可以更准确地估计方向。
总之，本发明涉及用于计算机或类似设备的接近度检测系统的系统和方法以及对应的计算机实现的方法，该设备包括至少两个换能器单元，至少两个所述换能器单元能够发射在预定频率范围和时间段内的声学信号并且在所述设备中被定位成彼此相距一距离。该系统还包括至少一个接收换能器，该接收换能器能够接收所述频率范围内的声学信号，并且该系统被配置成基于发射的信号和接收的信号且基于测得的传播时间，来对每个换能器单元与反射物体之间的距离进行测量，优选地使用众所周知的脉冲回波技术进行测量。
根据一个实施方式，该系统被配置成以交替时间序列同时或交替地将换能器单元中的每个换能器单元激活，并且对所测得的从每个换能器单元到物体的距离进行比较，并且基于两个距离之间的差来对反射物体的方向进行计算。当发现物体位于预定的方向范围内时，系统可以向设备提供激活信号。这样，当用户相对于计算机处于正确的位置时，设备可以从睡眠模式或类似模式被激活，但如果有人坐在使用计算机的可用位置范围之外的一侧，则设备不会被激活。优选地，激活要求还考虑了与设备的距离，从而将可用范围限定在与设备的预定角度和距离内。
作为交替时间序列的替代或除交替时间序列之外，换能器可以发射不同的波形，例如编码信号，使系统能够识别来自每个传感器的信号，从而识别发射每个信号的位置。
该系统可以基于普通计算机，其中所述两个换能器单元由各自发射所述声学信号的立体声扬声器构成，并且至少一个接收换能器由用于接收信号的麦克风构成。
作为替代方案，换能器中的至少一个换能器适于发射和接收所述声学信号，因此发射换能器和接收器换能器由同一换能器单元构成，并且可以被配置成从接收到的信号中识别并提取其自身的信号。
为了不打扰用户，所使用的频率范围在可听范围之外，优选地，频率范围在近超声范围内，例如，频率范围在20kHz至30kHz之间，优选地，频率范围在20kHz至25kHz之间。这可能取决于相关情况下的换能器。
如上所述，该过程可以通过接收所识别的电磁信号或声学信号(例如，蓝牙或Wi-Fi)来启动，或者激活可以基于对例如用户电话的存在进行识别的类似信号来结束。
优选地，计算装置包括用于存储表示非活动状态的一组历史记录的反射的存储装置，其中计算装置因此能够对新的反射物体进行检测并因此对到该新物体的方向进行计算。
根据本发明的用于对位于设备前面的位置处的物体或人进行检测的方法，其中如上所述，该设备包括至少两个换能器单元，并且至少两个换能器单元被配置成对与所述换能器中的每个换能器和物体的距离进行测量。该方法和/或执行该方法的计算机实现的软件产品包括执行以下步骤：
a.在已知时间处从第一已知位置发射第一声学信号。
b.在接收到所述第一声学信号的反射时，对第一声学信号的发射和接收之间的第一传播时间进行记录。
c.在第二已知时间处从第二已知位置单独或同时发射第二声学信号。
d.在接收到所述第二声学信号的反射时，对第二声学信号的发射和接收之间的第二传播时间进行记录。
e.对所述传播时间之间的差进行计算，并且当所述差小于预定值时，提供反射物体处于某些方向的范围内的指示并且将设备中的预定特征激活。
优选地，计算还包括对物体距设备的距离进行的检测，在物体位于预定范围内时指示所述激活。

Claims (15)

1.一种用于计算机或类似设备的接近度检测系统，所述计算机包括：至少两个换能器单元，至少两个所述换能器单元能够发射在预定频率范围内的声学信号，所述声学信号用于对所述换能器单元进行识别，至少两个所述换能器单元在所述设备中被定位成彼此相距一距离；以及
至少一个接收换能器，至少一个所述接收换能器能够接收在所述频率范围内的声学信号并且能够对换能器标识进行识别，其中，所述系统被配置成：基于发射的信号和接收的信号且基于测得的传播时间，来对每个换能器单元与反射物体之间的距离进行测量，
所述系统被配置成：以预定时间序列将所述换能器单元中的每个换能器单元激活，并且对所测得的距每个换能器单元的距离进行比较，从而对反射物体的方向进行计算，并且在检测到物体处于预定方向范围内时，向所述设备提供激活信号，并且其中，所述换能器单元以交替顺序被激活，所述标识由所述序列定义。
2.根据权利要求1所述系统，其中，来自所述换能器单元中的每个换能器单元的信号被编码，以对所述换能器单元进行识别。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述信号被同时发射。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述两个换能器单元由发射所述声学信号的扬声器构成，并且所述至少一个接收换能器由用于接收所述信号的麦克风构成。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换能器单元中的一个换能器单元适于发射所述声学信号和接收所述声学信号两者，因此发射换能器和接收器换能器由同一换能器单元构成。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述频率范围在近超声范围内，例如，所述频率范围在20kHz至30kHz之间，优选地，所述频率范围在20kHz至25kHz之间。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被配置成：当所述反射物体处于预定距离范围内时，将所述设备激活。
8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述激活包括通过密码、生物特征测量、蓝牙或Wi-Fi中的至少一种进行的验证。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，计算装置包括用于存储表示非活动状态的一组历史记录的反射的存储装置，所述计算装置因此能够对新的反射物体进行检测并且因此对到新物体的方向进行计算。
10.一种用于对设备的前面一位置中的物体或人进行检测的方法，所述设备包括至少两个换能器单元并且所述设备被配置成对所述换能器中的每个换能器与所述物体的距离进行测量，所述方法包括下述步骤：
a.在已知时间处从第一已知位置发射第一声学信号，
b.在第二已知时间处从第二已知位置发射第二声学信号，
c.在接收到所述声学信号的反射时，对所述第二声学信号的发射和接收之间的第二传播时间进行记录，
d.对所述传播时间之间的差进行计算，并且当所述差小于预定值时，提供所述反射物体处于某些方向范围内的指示并且将所述设备中的预定特征激活。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述计算还包括对所述物体距所述设备的距离进行的检测，在所述物体位于预定范围内时指示所述激活。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述换能器单元中的一个换能器单元适于发射所述声学信号和接收所述声学信号两者，因此发射换能器和接收器换能器由同一换能器单元构成。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述频率范围在近超声范围内，例如，所述频率范围在20kHz至30kHz之间，优选地，所述频率范围在20kHz至25kHz之间。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述计算包括存储表示非活动状态的一组历史记录的反射，所述计算装置因此能够对新的反射物体进行检测并且因此对到所述新物体的方向进行计算。
15.一种计算机实现的软件产品，所述计算机实现的软件产品被配置成执行根据权利要求10至14中任一项所述的方法。
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