CN1740958A - 超声波定位控制装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声定位控制的装置及其方法，该装置包括主控单元和传感单元，主控单元包括鉴相器和数字信号处理器(DSP)，传感单元包括一定数量的超声波接收传感器和手写笔(教鞭)，传感单元可以通过有线或无线的方式与主控单元相互连接。利用该方法进行定位，不仅能够低成本、直观地实现对大显示屏幕或平面内的触摸点的位置信息检测，而且能够使触摸屏与显示屏等脱离而成为便于携带和安装的部件，以适用于不同尺寸的屏幕。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，涉及一种利用超声波技术对指定区域内的某点位置进行检测并进行定位的控制装置及其方法。
背景技术
目前通用的电子触摸屏或电子白板(或称投影幕)在实现二维平面定位时主要采用光学技术、声表面波技术以及电磁感应技术等，以上各种定位技术虽然各有其优点，但也有其不足之处，主要表现在：必须需要一块固定的触摸板或一个固定的框架，尺寸是生产时预定的，不能随实际情况随意调整；对于已有的普通计算机显示器，需要配备专属的定位装置和专业人员安装，因此生产和安装的费用非常高昂；另外，现有的平面定位技术对外界的光、电、灰尘和杂物干扰存在敏感等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服上面所述的缺点，提供一种利用超声波的二维平面定位的控制装置及其方法，其不仅能够低成本、直观地实现对大显示屏幕或平面内的触摸点的位置信息检测定位，而且能够使触摸屏与显示屏等脱离，成为便于携带和安装的部件，以适用于不同尺寸的屏幕。
本发明的超声波定位控制装置主要包括主控单元和传感单元，主控单元包括鉴相器和数据处理器(DSP)，所述的鉴相器结构主要包括构成已知的鉴相器结构的时序电路，“或”门构成的耦合电路，鉴别电路和积分电路；所述的数字信号处理器(DSP)包括构成已知的数字信号处理器结构的存储器，无线通信单元和微处理器等。传感单元包括以下部分：一定数量的超声波接收传感器；手写笔(教鞭)，所述的手写笔(教鞭)包括手柄、压电传感器和超声波换能器，压电传感器位于手写笔(教鞭)的笔端，用于与屏幕接触，超声波换能器位于手写笔(教鞭)的内部，手柄与压电传感器之间还可以具有一可伸缩的连接杆，所述的传感单元可以通过有线或无线的方式与主控单元相互连接，在有线方式中，本发明的超声波定位控制装置还包括传感器导线，其封装在信号电缆中，用于将超声波接收传感器与主控单元相互连接。
本发明的超声波定位控制装置的定位原理如下：根据数学分析可知在一个二维平面内，如果能够得到某点与三个不在同一直线上的、位置已知的点的距离，则该点的坐标可以被唯一地确定；如果能够得到某点与三个处在同一直线上的、位置已知的点的距离，则该点的坐标可以在以这条直线为分界线的某半个平面内被唯一地确定(这是因为在另外半个平面内具有其对称点)，举例如下：超声波接收传感器位于平面内一个参照坐标系内，p1、p2、p3表示最少所需的三个分布安装的超声波接收传感器，p表示平面内的某一点，参照坐标系的坐标轴分别是X、Y，设原点在P3，D1、D2、D3分别表示p点到上述三个安装点的距离，这里，取声速为v，当超声波接收传感器接收到特定的超声波信号后，将分别输出的电信号的时间序列，设定为t1、t2、t3，则可以得到下面的方程组：
V(t2-t1)＝D2-D1
v(t3-t3)＝D3-D1求解这个方程组，即可得到D1、D2、D3的值
V(t3-t2)＝D3-D2
再由解析几何的方法，就可以得到下面的方程组：
(x-x1)2+(y-y1)2＝D1 2
(x-x2)2+(y-y2)2＝D2 2
这里，x1、y1和x2、y2分别是点p1、p2在参照坐标系内的坐标，因此可以得到点p唯一的一组坐标值。所以，本超声波定位控制装置通过测量被定位点与多个已知点之间的距离，来得到并输出与被定位点的位置的相关参数，然后通过主控单元进行处理、计算，就可以最终得到被定位点在某个参照坐标系的位置坐标。
本超声波定位控制装置在工作时，首先将传感单元的超声波接收传感器安装在待检测区域的屏幕上，超声波接收传感器可以安装在固定的或可以活动的支架上，以适应固定地点或临时安装使用，也可以直接安装在有边界的硬质弹性表面上，其安装的方式可以用粘接的方法，但最佳情形是超声波接收传感器安装在屏幕的边缘，这样不但可防止影响屏幕的显示内容，而且由于超声波接收传感器之间的距离较远，所以能够提高定位的精度，超声波接收传感器的数量应该保证能够检测到完整的位置信息。
然后用手写笔(教鞭)与屏幕上的有效区域内的任何一点相接触，此时，手写笔(教鞭)笔端的压电传感器将检测到压力的变化，并将其作相应的调制以处理成为对应频率的电信号，然后与压电传感器相连接的超声波换能器将已调制的电信号转换为超声波并发射，超声波的产生是由超声波换能器内的超声波发生电路来发射的，被发射的超声波调制形式多种多样，从其波形来看，可以是单脉冲或等幅波，也可以是被编码的比特流，以增强传感系统的抗干扰性。
然后，待检测区域屏幕上的超声波接收传感器将对手写笔(教鞭)发出的超声波响应，接收超声波信号并且分别输出一个电信号，所述的电信号包含了该超声波接收传感器所在位置的全部信息，并且向主控单元发出对应平面二维关系的不同相位时钟频率的电波信号。
然后，主控单元的鉴相器将接收这些电波信号，并且检测出信号的相位，通过采样时钟对电波信号进行采样，得到在时间上离散的逻辑信号，再对通带差分解调，将上一个符号周期的采样信号与下一个符号周期的采样信号作异或运算，然后将异或输出通过一个积分，得到差分角度，差分角度信号再通过鉴别电路得到调制信号。
然后，与鉴相器相连接的数字信号处理器(DSP)处理经过传感器导线从超声波接收传感器接收并经过鉴相器鉴别的调制信号，并且根据信号的相位特征判断出触摸点的位置，这一过程利用软件算法编程来进行，该算法编程包含超声波接收传感器的已知位置，其采用以下数学公式计算触摸点的位置：
P(x，y)＝a(|(x1，y1)-p(m，n)|)bz1+a(|(x2，y2)-p(m，n)|)bz2+…+a(|(xi，yi)-p(m，n)|)bzi，
p(m，n)是超声波接收传感器的位置，a是反映触摸点压力zi对位置P(x，y)影响的加权因子，(|(xi，yi)-p(m，n)|)bzi是触摸点和超声波接收传感器之间的距离函数。依据的原理是由于超声波在某种介质中的传播速度已知，所以通过测量这些电信号之间的时间差，再经过数学计算，就可以得到该点与各个超声波接收传感器之间的距离，又因为所有的超声波接收传感器在实际的检测区域内的位置是确定的，这样通过数字信号处理器(DSP)的进一步计算，就可以得到该点在该检测区域内的确定位置坐标，从而实现定位的功能。
最后，由数字信号处理器(DSP)将触摸点的二维信息的位置参数编译成PC机能处理的信息流，这样就可以成为如键盘和鼠标之类的PC机的标准外设，从而可使操作者在需要使用大屏幕等场合时，能够远离鼠标而进行精确地控制定位。
本发明的优点在于：能够低成本、直观地实现对大显示屏幕或平面内的触摸点的位置信息检测；能够使触摸屏与显示屏等脱离，成为便于携带和安装的部件以适用于不同尺寸的屏幕；具有定位准，漂移少和可靠性高的特点，
附图说明
下面参照附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本超声波定位控制装置的有线方式的结构图；
图2是本超声波定位控制装置的无线方式的结构图；
图3是本超声波定位控制装置采用有线方式时与PC机外部系统的连接图；
图4是本超声波定位控制装置采用无线方式时与PC机外部系统的连接图；
图5是本发明的超声波换能器所采用的一种超声波脉冲产生和驱动电路图；
具体实施方式
如图1所示，本发明的超声波定位控制装置主要包括主控单元1和传感单元2，主控单元1包括鉴相器6和数据处理器(DSP)7，所述的鉴相器6结构主要包括时序电路，“或”门构成的耦合电路，鉴别电路和积分电路；所述的数字信号处理器(DSP)7包括存储器，无线通信单元和微处理器等。传感单元2包括一定数量的超声波接收传感器5；手写笔(教鞭)9，所述的手写笔(教鞭)9包括手柄、压电传感器4和超声波换能器3，压电传感器4位于手写笔(教鞭)9的笔端，用于与屏幕接触，超声波换能器3位于手写笔(教鞭)9的内部，手柄与压电传感器4之间还可以具有一可伸缩的连接杆。所述的传感单元2可以通过有线或无线的方式与主控单元1相互连接，在图1所示的有线方式中，本发明的超声波定位控制装置还包括传感器导线10，其封装在信号电缆中，用于将超声波接收传感器5与主控单元1相互连接。
图2是本超声波定位控制装置的无线方式的结构图，由图可知，超声波接收传感器5内部具有发射电路，可通过无线的方式向主控单元1传输信号。
图3是本超声波定位控制装置采用有线方式时与PC机外部系统的连接图；在工作时，首先将传感单元的超声波接收传感器5安装在待检测区域的屏幕8上，其安装的方式可以用粘接的方法，但最佳情形是超声波接收传感器5安装在屏幕的边缘，这样不但可防止影响屏幕8的显示内容，而且由于超声波接收传感器5之间的距离较远，所以能够提高定位的精度，超声波接收传感器5的数量应该保证能够检测到完整的位置信息，在这里设定的三个超声波接收传感器5位于参照坐标系的原点和坐标轴上，这些超声波接收传感器5的接收面要指向手写笔(教鞭)9笔端的压电传感器4所在的有效定位区域，以保证能够正常接收超声波。
然后用手写笔(教鞭)9与屏幕8上的有效区域内的任何一点相接触，此时，手写笔(教鞭)9笔端的压电传感器4将检测到压力的变化，并将其作相应的调制以处理成为对应频率的电信号，然后与压电传感器4相连接的超声波换能器3将已调制的电信号转换为超声波并发射，超声波的产生是由超声波换能器3内的超声波发生电路(参照图5)来发射的，被发射的超声波调制形式多种多样，从其波形来看，可以是单脉冲或等幅波，也可以是被编码的比特流，以增强传感系统的抗干扰性。
然后，在待检测区域屏幕8上的超声波接收传感器5将对手写笔(教鞭)9发出的超声波响应，接收超声波信号并且分别输出一个电信号，所述的电信号包含了该超声波接收传感器5所在位置的全部信息，并且向主控单元1发出对应平面二维关系的不同相位时钟频率的电波信号。
然后，主控单元1的鉴相器6将接收这些电波信号，并且检测出信号的相位，通过采样时钟对电波信号进行采样，得到在时间上离散的逻辑信号，再对通带差分解调，将上一个符号周期的采样信号与下一个符号周期的采样信号作异或运算，然后将异或输出通过一个积分，得到差分角度，差分角度信号再通过鉴别电路得到调制信号。
然后，与鉴相器6相连接的数字信号处理器(DSP)7处理经过传感器导线10从超声波接收传感器5接收并经过鉴相器6鉴别的调制信号，并且根据信号的相位特征判断出触摸点的位置，这一过程利用软件算法编程来进行，依据的原理是由于超声波在某种介质中的传播速度已知，所以通过测量这些电信号之间的时间差，再经过数学计算，就可以得到该点与各个超声波接收传感器5之间的距离，又因为所有的超声波接收传感器5在实际的检测区域内的位置是确定的，这样通过数字信号处理器(DSP)7的进一步计算，就可以得到该点在该区域内的确定位置坐标，从而实现定位的功能。
最后，由数字信号处理器(DSP)7将触摸点的二维信息的位置参数编译成PC机能处理的信息流，这样就可以成为如键盘和鼠标之类的PC机的标准外设，从而可使操作者在需要使用大屏幕等场合时，能够远离鼠标而进行精确地控制定位。
图5为本发明的超声波换能器3所采用的一种超声波脉冲产生和驱动电路图，能够驱动压电超声波换能器3发射稳定的短间隔超声脉冲，该电路的核心为双时基集成电路556，IC1为间隔脉冲发生电路，其输出的脉冲控制着以IC2构成的超声波电路的工作，使其产生稳定的时间间隔的超声波驱动信号，驱动压电超声波换能器YD发射超声波，IC2与C3、R4构成超声波振荡器，直接驱动压电超声波换能器YD工作，其它的元件的作用如下：D1、D2分别是C1的充放电通道二极管，C2、C4是防干扰电容，C5是电源滤波电容，R3是控制端的下拉电阻。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种超声波定位控制装置，其特征在于：该装置包括主控单元和传感单元。
2.如权利要求1所述的超声波定位控制装置，其特征在于：所述的主控单元包括鉴相器和数据处理器(DSP)，鉴相器结构主要包括时序电路，“或”门构成的耦合电路，鉴别电路和积分电路；数字信号处理器(DSP)结构主要包括存储器，无线通信单元和微处理器等。
3.如权利要求1所述的超声波定位控制装置，其特征在于：所述的传感单元包括一定数量的超声波接收传感器和手写笔，所述的手写笔包括手柄、压电传感器和超声波换能器，压电传感器位于手写笔的笔端，超声波换能器位于手写笔的内部，手柄与压电传感器之间还可以具有一可伸缩的连接杆。
4.一种利用如权利要求1所述的超声波定位控制装置的超声波定位控制方法，其特征在于：
该方法的步骤包括首先将传感单元的超声波接收传感器安装在待检测区域的屏幕上，超声波接收传感器可以安装在固定的或可以活动的支架上，以适应固定地点或临时安装使用，也可以直接安装在有边界的硬质弹性表面上，其安装的方式可以用粘接的方法，但最佳情形是超声波接收传感器安装在屏幕的边缘，超声波接收传感器的数量应该保证能够检测到完整的位置信息；
然后用手写笔与屏幕上的有效区域内的任何一点相接触，此时，手写笔笔端的压电传感器将检测到压力的变化，并将其作相应的调制以处理成为对应频率的电信号，然后与压电传感器相连接的超声波换能器将已调制的电信号转换为超声波并发射，超声波的产生是由超声波换能器内的超声波发生电路来发射的；
然后，在待检测区域屏幕上的超声波接收传感器将对手写笔发出的超声波响应，接收超声波信号并且分别输出一个电信号，所述的电信号包含了该超声波接收传感器所在位置的全部信息，并且向主控单元发出对应平面二维关系的不同相位时钟频率的电波信号；
然后，主控单元的鉴相器将接收这些电波信号，并且检测出信号的相位，通过采样时钟对电波信号进行采样，得到在时间上离散的逻辑信号，再对通带差分解调，将上一个符号周期的采样信号与下一个符号周期的采样信号作异或运算，然后将异或输出通过一个积分，得到差分角度，差分角度信号再通过鉴别电路得到调制信号；
然后，与鉴相器相连接的数字信号处理器(DSP)处理经过传感器导线从超声波接收传感器接收并经过鉴相器鉴别的调制信号，并且根据信号的相位特征判断出触摸点的位置，这一过程利用软件算法编程来进行，该算法编程包含超声波接收传感器的已知位置，其采用以下数学公式计算触摸点的位置：
P(x，y)＝a(|(x1，y1)-p(m，n)|)bz1+a(|(x2，y2)-p(m，n)|)bz2+…+a(|(xi，yi)-p(m，n)|)bzi，
p(m，n)是超声波接收传感器的位置，a是反映触摸点压力zi对位置P(x，y)影响的加权因子，(|(xi，yi)-p(m，n)|)bzi是触摸点和超声波接收传感器之间的距离函数；
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Assignee: Zhongshan Weili Electronic Technology Co., Ltd. Assignor: Yuan Fangge Contract record no.: 2010440000646 Denomination of invention: Ultrasonic wave positioning control apparatus and method thereof Granted publication date: 20080312 License type: Exclusive License Open date: 20060301 Record date: 20100604 |
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