CN117075759A - 一种基于超声导波的手写输入方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的手写输入方法及设备，包括手写板与手写笔。手写板本体为一块常见材料的薄板，其表面粘贴有若干个压电传感器，传感器围成的区域为手写输入区域；手写笔内部集成有超声波发射装置。通过手写笔在手写板上激发特定波形的振动信号，利用压电传感器接收手写板中传播的超声导波信号；通过对各个传感器接收的信号进行数据处理和分析，利用定位算法实现对手写笔笔尖位置的预测；通过手写笔在手写板上移动时连续激发和接收超声导波，将连续定位结果进行平滑成像，实现对手写笔笔尖位置的追踪，进而实现手写输入。本发明具有结构形式简单，制造成本及故障发生率低，不易受环境因素影响，抗刮伤、抗暴性好，使用寿命长等优点。

Description

一种基于超声导波的手写输入方法及设备

技术领域

本发明属于声学传感技术领域，涉及一种基于超声导波的手写输入方法及设备。

背景技术

手写设备因其操作简单快捷的特点已成为当前人机互动类电子产品的首选配置，从工业到家庭，从办公到娱乐到处可见其身影，人们在追求准确稳定，方便快捷的同时，提出了更多的期望和要求，如进一步增强灵敏度，减小尺寸，降低能耗等。

目前主流的手写设备主要分为电阻式和电容式触控屏。电阻式触摸屏的工作原理是通过压力感应原理来实现对屏幕内容的操作和控制，其优点是精确度高，可以用任何物体来触摸，但其多点触控的实现难度较大。电容式触控屏是利用人体的电流感应来进行工作，其优点是可以支持多点触控技术，但容易发生误触。此外，不管是电阻式或电容式触控屏，其内部结构都相对比较复杂(赵婕.浅谈触摸屏技术及其应用[J].电子世界,2018,(23):127-128)。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种基于超声导波的手写输入方法及设备，其技术方案如下：

一种基于超声导波的手写输入设备，包括手写板与手写笔，所述手写板的本体为薄板状，本体表面固定有若干个压电传感器并围成矩形手写区域；所述手写笔内部集成有超声波发射装置；所述压电传感器的数目根据手写板的大小及所需手写精度确定。

进一步的，所述的手写板的本体材质为金属、塑料、玻璃等常见的各向同性工程材料。

进一步的，所述的压电传感器引线集成于手写板背部，并与数据采集分析系统连接。

一种基于超声导波的手写输入方法，通过所述手写笔在手写板上激发特定波形的振动信号，利用所述压电传感器接收手写板中传播的超声导波信号；通过对各个压电传感器接收的超声导波信号进行数据处理和分析，利用定位算法实现对手写笔笔尖位置的确定；通过手写笔在手写板上移动时连续激发和接收超声导波，将连续定位结果进行平滑成像，实现对手写笔笔尖位置的追踪，进而实现手写输入。

所述定位算法包括5个步骤：

1)压电传感器信号归一化处理

在手写板表面进行激励时，采集各压电传感器接收的超声导波信号。为方便计算波达时间，首先对信号进行Hilbert变换以获得信号包络线，再按信号的最大绝对幅值对信号进行归一化处理。

2)求波达时间差

以归一化信号第一个极大值对应的时刻为波到达各压电传感器的时刻，计算波到达不同压电传感器的时间差。

3)计算波速

根据激励点到任意一个压电传感器之间的距离，以及波从激励点发出到达该传感器所经历的时间，可计算出波速。

4)构建误差函数

设手写区域内某点为笔尖激励的位置坐标，构建误差函数E(x,y)，若该点为真实激励施加的位置，那么误差函数的值将最小。

5)概率成像定位

定义每个坐标点作为激励施加点的概率为误差最小值除以该点的误差值，搜索手写区域内每个坐标点，以每个坐标点的概率值作为像素值进行成像，概率最大的位置即为预测的手写输入位置。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于超声导波的手写输入方法和设备的有益效果是：

1)结构形式简单，手写板材料可任意选择，制造成本及故障发生率低；

3)不易受温度、湿度等环境因素的影响，不需要进行特殊维护；

4)抗刮伤、抗暴性良好，使用寿命长，适用于公共场所。

附图说明

图1为基于超声导波的手写输入设备原理图，图中：1手写板，2手写笔，3压电传感器；

图2所示为中心频率100kHz的5周期汉宁窗调制正弦波信号；

图3所示为用于验证超声导波手写输入方法的有限元模型；

图4a为单次激励后单一压电传感器接收到的原始信号；

图4b为图4a信号经过Hilbert变换和归一化处理后的信号；

图5为基于定位算法得到的单次激励定位结果图；

图6a为多个激励点的实际位置(“DUT”字样)；

图6b为对图6a的多个激励点进行定位的结果图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明的技术方案进行清楚完整的描述。

图1所示为基于超声导波的手写输入设备原理图。包括手写板1与手写笔2，所述手写板1的本体为一块由金属、塑料或玻璃等各向同性工程材料制成的矩形薄板；本体表面固定有若干个压电传感器3并围成矩形区域，压电传感器3的数目根据手写板的大小及所需手写精度确定，图中所示为4个传感器的情况，分别位于矩形薄板的4个顶角处；所述压电传感器3引线集成于手写板1背部并通过一个接口与数据采集分析系统连接；所述手写笔2内部集成有超声波发射装置；所述压电传感器3围成的矩形区域为手写区域。

通过所述手写笔2在手写板1上激发如图2所示的5周期汉宁窗调制正弦波信号，利用所述压电传感器3接收手写板1中传播的超声导波信号；通过对各个压电传感器3接收的信号进行数据处理和分析，利用定位算法实现对手写笔2笔尖位置的确定；通过手写笔2在手写板1上移动时连续激发和接收超声导波，将连续定位结果进行平滑成像，就可以实现对手写笔2笔尖位置的追踪，进而实现手写输入。

所述定位算法包括如下5个步骤：

1)压电传感器信号归一化处理

在手写板表面进行激励时，采集各压电传感器接收的超声导波信号。为方便计算波达时间，首先对信号进行Hilbert变换以获得信号包络线：

将上式进行90°的相位转换得一个解析信号F_A(t)

F_A(t)＝f(t)+iH(t)＝e(t)·e^iΦ(t) (2)

其中，f(t)是原始信号，Φ(t)＝arctan(H(t)/f(t))，解析信号的实部为原始信号本身，虚部即为其相应的Hilbert变换，e(t)是F_A(t)的模，Φ(t)是瞬时相位。

再按信号的最大绝对幅值对信号进行归一化处理，归一化的信号为：

2)求波达时间差

以归一化信号第一个极大值对应的时刻为波到达各压电传感器的时刻。设压电传感器的总个数为n，并依次编为1～n号。如果波到达i,j,k,l号压电传感器的时刻分别为TOA_i、TOA_j、TOA_k和TOA_l，则波到达i,j号压电传感器间的时间差为：

Δt_ij＝TOA_i-TOA_j (4)

波到达k,l号压电传感器间的时间差为：

Δt_kl＝TOA_k-TOA_l (5)

3)计算波速

根据激励点(x_c,y_c)到任意一个压电传感器(x_m,y_m)之间的距离，以及波从激励点发出到达该传感器所经历的时间t_m，可得出波速，即

4)构建误差函数

根据激励源与压电传感器间的距离L、应力波从激励源传播到传感器的时间t和应力波到传感器方向的波速Cg三者之间的关系，对于i,j,k,l(i,j,k,l＝1,2,…,n)号传感器可列以下方程：

L_i＝Cg_i·t_i (7)

L_j＝Cg_j·t_j (8)

L_k＝Cg_k·t_k (9)

L_l＝Cg_l·t_l (10)

而：

t_i＝TOA_i-t₀ (11)

t_j＝TOA_j-t₀ (12)

t_k＝TOA_k-t₀ (13)

t_l＝TOA_l-t₀ (14)

其中，t₀为激励的开始时刻。

对于各向同性材料，可以认为其各个方向的波速相同，即均等于Cg；

式(7)-式(8)，得：

L_i-L_j＝Cg·Δt_ij (16)

式(9)-式(10)，得：

L_k-L_l＝Cg·Δt_kl (17)

式(16)/式(17)，得：

则：

(L_i-L_j)·Δt_kl-(L_k-L_l)·Δt_ij＝0 (20)

假定手写区域内某点的位置坐标(x,y)为笔尖激励的位置坐标，可构建以下误差函数：

若(x,y)为真实激励施加的位置坐标，那么误差函数的值会最小。

5)概率成像定位

搜索手写区域内每个坐标点的误差值E(x,y)，定义每个坐标点为激励施加点的概率为：

以每个坐标点的概率值作为像素值进行成像，概率最大的位置即为预测的手写输入位置。

实施例：基于有限元仿真的超声导波手写输入方法验证

下面采用有限元仿真验证基于超声导波的手写输入方法的可行性。如图3所示是其有限元模型，手写板本体材料为铝，总体尺寸为400mm×400mm，厚度为2mm，将中心200mm×200mm的矩形区域设为手写区域，本实施例设置4个压电传感器，分别置于手写区域的四角。

图4a所示是在手写区域内某个点单次激励后单一压电传感器接收到的原始信号，图4b是该信号经过Hilbert变换和归一化处理后的信号，图4b中所示标记点即为波达时刻点。

图5所示是基于定位算法得到的单次激励的定位结果图。激励点的坐标为(125mm,250mm)，通过定位算法得到的预测位置坐标与实际激励点一致。

图6a和图6b所示是进行多点激励时激励点的实际位置及定位结果示意图。可以看到，激励点呈现“DUT”的字样，通过定位算法得到的预测点连成的图像和“DUT”基本吻合，从而验证了本专利所公布方法连续手写成像的可行性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超声导波的手写输入设备，其特征在于，包括手写板与手写笔，所述手写板的本体为薄板状，本体表面固定有若干个压电传感器并围成矩形手写区域；所述手写笔内部集成有超声波发射装置；所述压电传感器的数目根据手写板的大小及所需手写精度确定。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的手写输入设备，其特征在于，所述的手写板的本体材质为各向同性工程材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的手写输入设备，其特征在于，所述的手写板的本体材质为各向同性的金属、塑料或玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的手写输入设备，其特征在于，所述的压电传感器引线集成于手写板背部，并与数据采集分析系统连接。

5.采用权利要求1-4任一所述的一种基于超声导波的手写输入设备进行手写输入的方法，其特征在于，通过所述手写笔在手写板上激发特定波形的振动信号，利用所述压电传感器接收手写板中传播的超声导波信号；通过对各个压电传感器接收的超声导波信号进行数据处理和分析，利用定位算法实现对手写笔笔尖位置的确定；通过手写笔在手写板上移动时连续激发和接收超声导波，将连续定位结果进行平滑成像，实现对手写笔笔尖位置的追踪，进而实现手写输入。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述定位算法包括5个步骤：

1)压电传感器信号归一化处理

在手写板表面进行激励时，采集各压电传感器接收的超声导波信号；需要首先对信号进行Hilbert变换以获得信号包络线，再按信号的最大绝对幅值对信号进行归一化处理；

2)求波达时间差

以归一化信号第一个极大值对应的时刻为波到达各压电传感器的时刻，计算波到达不同压电传感器的时间差；

3)计算波速

根据激励点到任意一个压电传感器之间的距离，以及波从激励点发出到达该传感器所经历的时间，可计算出波速；

4)构建误差函数

设手写区域内某点为笔尖激励的位置坐标，构建误差函数E(x,y)，若该点为真实激励施加的位置，那么误差函数的值将最小；

5)概率成像定位

定义每个坐标点作为激励施加点的概率为误差最小值除以该点的误差值，搜索手写区域内每个坐标点，以每个坐标点的概率值作为像素值进行成像，概率最大的位置即为预测的手写输入位置。