DE69931602T2

DE69931602T2 - Ortungssystem für stift mit sender

Info

Publication number: DE69931602T2
Application number: DE69931602T
Authority: DE
Inventors: P. Robert San Carlos WOOD; Jacob San Francisco HAREL; Alfred Sunnyvale SAMSON HOU; Serge Belmont PLOTKIN
Original assignee: Luidia Inc
Current assignee: Luidia Inc
Priority date: 1998-11-10
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2019-10-09
Also published as: JP4809469B2; ATE328289T1; EP1046055A1; JP4808845B2; US6414673B1; IL137161A0; JP2010019857A; JP2002529746A; EP1635186A3; AU6297199A; AU741604B2; EP1046055B1; BR9906838A; DE69931602D1; WO2000028348A1; EP1635186A2; IL137161A; CA2316799A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Lokalisierungsalgorithmen für entfernte Vorrichtungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Algorithmussystem zum Bestimmen der Position einer elektronischen Zeigevorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Digitalisierungsstift- und Weißwandtafelsysteme werden für eine Vielzahl von elektronischen Anwendungen verwendet. Diese Systeme umfassen normalerweise eine Weißwandtafel, einen Positionsanzeigestift und eine zugeordnete Elektronik zum Bestimmen der Wechselwirkung zwischen der Weißwandtafel und dem Positionsanzeigestift. Ein Digitaldatensignal wird normalerweise abgeleitet, um die relative Position des Positionsanzeigestifts und der Weißwandtafel darzustellen.
Wenn ein Signal, wie z. B. Ultraschall, als ein Lokalisierungssignal für eine entfernte Vorrichtung verwendet wird, ist es oft schwierig, den Ort der Vorrichtung genau zu bestimmen, da es schwierig ist zu bestimmen, wo bei jedem von sequentiellen Langwellenpulsen als eine Bestimmung der Ankunftszeit bei externen Empfängern zu messen ist.
M. Stefik und C. Heater, Ultrasound Position Input Device, US-Patent Nr. 4,814,552 (21. März 1989), offenbart eine „Eingabevorrichtung oder einen Stift zum Eingeben von handgezeichneten Formen in einen Computer unter Verwendung eines Schreibinstruments, einen Druckschalter zum Bestimmen, ob sich das Instrument in Kontakt mit der Schreiboberfläche befindet, einen akustischen Sender zum Triangulieren der Position des Stiftes auf der Oberfläche und einen drahtlosen Sender zum Senden von Daten und Zeitgebungsinformationen an den Computer. Bei Betrieb sendet der Stift ein Infrarotsignal, das das System sofort empfängt, und einen Ultraschallpuls, den zwei Mikrophone nach einer Verzögerung empfangen, die von der Schallgeschwindigkeit und der Entfernung des Stiftes von dem Mikrophon abhängt". Während Stefik u. a. einen Algorithmus offenbart, um die eingehenden Ultraschallsignale zu analysieren, um den Stift zu lokalisieren, berechnet der Algorithmus Radien zu jedem der zwei Mikrophone unter Verwendung von Informationen von nur einem einzigen Schallpulsabtastwert, übersetzt die zwei Radien in einen berechneten X, Y-Ort und filtert dann die berechneten X, Y-Werte, wobei dieselben aus dem beschriebenen Weg entfernt werden, wenn dieselben von einem spezifizierten Grenzwert oder Bereich abweichen.
B. Edwards, Ultrasound Position Locating Method and Apparatus Therefor, US-Patent Nr. 5,142,506 (25. August 1992), offenbart ein „Positionslokalisierungsverfahren und eine – vorrichtung zum Messen von Entfernungen durch ein genaues Bestimmen der Laufzeit von Ultraschallwellenstößen zwischen zwei oder mehr Punkten". „Zeitgebungstakte werden gestartet, wenn jeder der Stöße ausgelöst wird, um von einem Sendepunkt emittiert zu werden, und werden angehalten, wenn ein hochgradig definierter Punkt in dem Stoß an einem entsprechenden Empfangspunkt empfangen wird. Der hochgradig definierte Punkt wird durch zuerst ein Analysieren des Stoßes bestimmt, um einen bestimmten Zyklus in dem Stoß zu identifizieren. Der bestimmte Zyklus wird dann analysiert, um den spezifischen Punkt in dem Zyklus zu erfassen".
Analoge Systeme, wie sie z. B. von Edwards beschrieben sind, sind inhärent auf einen Vergleich „während des Betriebs" zwischen einem aktuellen Signalstoß und einer kleinen Menge von Amplitudeninformation von einem einzigen vorangegangenen Signal beschränkt. Da analoge Systeme nicht die gesamten vorangegangenen Signalstöße in einem Speicher speichern, sind dieselben auf den Vergleich einer kleinen Anzahl von Merkmalen bei dem letzten vorangegangenen Signal beschränkt.
Während Edwards normalerweise mehrere Empfänger verwendet, um einen Sender unter Verwendung von gewöhnlichen trigonometrischen Berechnungen zu lokalisieren, ist das analoge System auf den Amplitudenvergleich zwischen einer kleinen Anzahl von gemessenen Spitzen bei aufeinander folgenden Zyklen innerhalb von „Stößen" des empfangenen Ultraschallsignalverlaufs beschränkt. Übliche Schwankungen des Signalverlaufs, normalerweise aufgrund der gewöhnlichen Verwendung eines Senders, entweder von der Ausrichtung des Senders zu den Empfängern, der Geschwindigkeit, mit der der Sender zwischen unterschiedlichen Regionen einer Schreiboberfläche bewegt wird, der Signalstärke des gesendeten Signals, Rauschen oder Reflexionen, können zu falschen Ergebnissen führen. Sich auf die Amplitude eines spezifischen Zyklus innerhalb eines Pulssignalverlaufs zu stützen, kann zu Fehlern von ein oder mehr Zyklen führen, was zu Positionserfassungsfehlern von mehreren Zentimetern führt. Fehler bei einem derartigen analogen System führen gewöhnlich entweder zu einem ungenau bestimmten Ort für den Sender oder zu einem bestimmten Ortpunkt, der aus dem beschriebenen Weg des bewegbaren Senders „hinausgeworfen" werden muss. Außerdem begrenzt das analoge System, das verwendet wird, inhärent den Vergleichstyp zwischen der Amplitude von ausgewählten Zyklusspitzen innerhalb von Signal-„Stößen" innerhalb eines vorangegangenen Ausgangssignals und eines aktuellen Ausgangssignals, wodurch verhindert wird, dass das analoge System ohne weiteres an Hardwareausführungsbeispiele oder verbesserte Signalverlaufvergleichstechniken anpassbar ist.
I. Gilchrist, Acoustic Mouse System, US-Patent Nr. 5,144,594 (3. September 1992), offenbart ein Akustikmaussystem, das „Anzeigen auf einer X-Y-Oberfläche der Fläche einer Anzeige steuert. Das System weist zumindest drei akustische Empfänger in einer x-y-Ebene und einen von Hand bewegbaren akustischen Sender auf, der sowohl parallel zu der x-y-Ebene als auch in einer z-Richtung senkrecht zu der x-y-Ebene bewegbar ist. Der Sender erzeugt periodische akustische Schwingungen in der Richtung des Trägers und seiner Empfänger. Eine Erfassungsschaltungsanordnung, die auf die Signale von den akustischen Empfängern anspricht, liefert Signale, die die absolute Position des akustischen Senders in der x-y-Ebene anzeigen. Ein Prozessor spricht auf die Signale von der Erfassungsschaltungsanordnung an, um Absolutpositionssignale an das Display zu liefern, wobei das Display durch ein Bewegen einer Anzeige zu einer entsprechenden Position auf der X-Y-Oberfläche der Displayfläche anspricht. Die Detektorschaltungsanordnung ist ferner befähigt, z-Positionssignale an das Display zu liefern, wobei das Display eine Displayfunktion gemäß den z-Positionssignalen modifizieren kann". Während Gilchrist ein allgemeines, auf einer periodischen akustischen Wellenlänge basierendes Positionsanzeigesystem offenbart, offenbart Gilchrist keinen nützlichen Algorithmus, durch den die Position des bewegbaren akustischen Senders durch die Erfassungsschaltungsanordnung entweder durch die Ankunftsrichtung oder durch die Ankunftszeit eines Sendesignals bestimmt wird. Außerdem erfordert das System offenbar ein Minimum von drei Akustikempfängerorten, um den bewegbaren akustischen Sender richtig zu lokalisieren. Gilchrist offenbart auch keine Signalverlaufanalysetechniken, die verwendet werden können, um eine ausreichende Genauigkeit bei der Bestimmung des bewegbaren akustischen Senders zu liefern.
Die offenbarten Systeme und Methodiken gemäß dem Stand der Technik liefern somit grundlegende Sendestift- und Weißwandtafelpositionierungssysteme zum Bestimmen der räumlichen Beziehung zwischen einem Stift und einer Schreibfläche, liefern jedoch keine genaue Einrichtung zum Bestimmen der Position der Spitze des Stifts. Die Entwicklung eines derartigen Sendestiftpositionierungssystems würde einen wichtigen technologischen Fortschritt darstellen. Außerdem würde die Entwicklung eines derartigen Sendestiftpositionierungssystems, das auch eine Einrichtung zum Übermitteln von Ergänzungsinformationen zwischen einem Sendestift und externen Empfängern liefert, einen weiteren wichtigen technologischen Fortschritt darstellen.
Die GB-A-2 304 190 bezieht sich auf ein Verfolgungssystem zum Verfolgen eines Wasserfahrzeugs. Das Verfolgungssystem weist eine Mehrzahl von Sensorvorrichtungen und eine Steuerstation auf. Jede Sensorvorrichtung ist angepasst, um ein Signal von dem zu verfolgenden Wasserfahrzeug zu empfangen und Verfolgungsdaten an die Steuerstation zu senden, wobei die Verfolgungsdaten Informationen aufweisen, die die Richtung betreffen, aus der das empfangene Signal von dem Wasserfahrzeug ausgegangen ist. Die Steuerstation ist angepasst, um die Verfolgungsdaten, die von jeder der Sensorvorrichtungen empfangen werden, zu verarbeiten und ein Ausgangssignal zu liefern, das die Position des Wasserfahrzeugs anzeigt. Jede Sensorvorrichtung weist ein Array von Hydrophonen auf, die in einer im Allgemeinen horizontalen Ebene angeordnet sind. Das Array von Hydrophonen empfängt ein Signal, das eine gepulste Wellenfront aufweist, und durch ein Bestimmen der relativen Zeitunterschiede zwischen den Signalen, die durch die Hydrophone empfangen werden, kann die Ankunftsrichtung des Signals, das von dem Wasserfahrzeug empfangen wird, relativ zu der Sensorvorrichtung bestimmt werden.
Die WO 98/38595 A bezieht sich auf eine Markierungsvorrichtung für eine elektronische Präsentationstafel. Eine Sendevorrichtung ist zur Verwendung mit einem herkömmlichen Stift offenbart, wobei der Ultraschallsender ein zylindrisches Element ist, das koaxial mit dem Stift und benachbart zu seiner Spitze liegt. Die Präsentationstafel umfasst zumindest zwei Empfänger, die relativ zu der Tafel befestigt sind, zum Empfangen der Signale, die von der Sendevorrichtung gesendet werden. Ein Prozessor, der auf Ausgangssignale von den zumindest zwei Empfängern anspricht, be rechnet eine aktuelle Position des Senders. Die Position wird von der Laufzeit (TOF) von Signalen von der Sendevorrichtung zu den Empfängern durch Triangulation abgeleitet.
Die WO 98/39729 A bezieht sich auf ein Präsentationstafeldigitalisierersystem für große Tafeln, das bevorzugt zumindest drei voneinander beabstandete Ultraschallempfängeranordnungen verwendet. Eine aktuelle Position eines Ultraschallsenders wird als ein gewichteter Schwerpunkt von Laufzeitpositionsmessungen basierend auf zumindest zwei Paaren von Empfängeranordnungen zugewiesen. Die verwendete Gewichtung schwankt in Abhängigkeit von dem Sender über die Tafel. Eine bevorzugte Struktur einer Ultraschallempfängeranordnung zur Verwendung bei dem System verwendet ein Paar von Ultraschallempfängern, die Seite an Seite in einer Linie angeordnet sind, die senkrecht zu der Oberfläche der Präsentationstafel ist.
Die EP-A-0 797 105 bezieht sich auf ein Verfahren für Laufzeitmessungen von elektrischen, elektromagnetischen oder akustischen Signalen, wobei ein Signal in der Form einer Wellengruppe, die während einer Mehrzahl von Schwingungen ansteigt und absteigt, abgetastet, digitalisiert und gespeichert und mit einem Referenzsignal korreliert wird. Das Referenzsignal ist bevorzugt ein Empfangssignal, das ansprechend auf eine ungestörte Sendung gespeichert wurde.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zu liefern, die eine genaue Bestimmung der Position einer Spitze eines Stifts ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.
Bei einem Ausführungsbeispiel, das einen Zweisignalsendestift aufweist, wird ein dritter Empfänger, der an einem Empfängerort angeordnet ist, verwendet, um die Ankunftszeit eines sekundären Ausgangssignals zu bestimmen, um die Entfernung zwischen, dem Zweisignalsendestift und dem Empfängerort zu bestimmen, während zwei oder mehr Empfänger an dem Empfängerort verwendet werden, um die Ankunftsrichtung des primären Ausgangssignals zu bestimmen. Alternative Ausführungsbeispiele ermöglichen das Senden von Ergänzungsinformationen von dem Sendestift zu den Empfängern unter Verwendung eines Wellenformens des Ausgangssignals.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht eines Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystems, wobei ein Einsignalsendestift innerhalb der Schreibfläche einer Weißwandtafel angeordnet ist, und wobei der Sendestift periodisch ein Ausgangssignal an externe Empfänger sendet;
2 zeigt die geometrische Beziehung zwischen einem Einsignalsendestift und zwei externen Empfängerorten;
3 ist eine Teildraufsicht von Empfängerorten, die an einer Oberfläche angeordnet sind;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystems, wobei ein Einsignalsendestift innerhalb eines Schreibvolumens angeordnet ist;
5 ist eine Teilschnittansicht eines Einsignalsendestifts, der einen Ausgangssignalwandler aufweist;
6 ist eine detaillierte Schnittansicht der Zeigespitze eines Einsignalsendestifts, der einen Ausgangssignalwandler aufweist;
7 ist eine perspektivische Teilansicht der Zeigespitze eines Einsignalsendestifts, der einen einzigen Ausgangssignalwandler aufweist;
8 ist eine schematische Ansicht des Sendens eines Ausgangssignals von einem Einsignalsendestift;
9 zeigt einen geformten Pulswellenverlauf eines Ausgangssignals, das von einem Sendestift gesendet wird;
10 zeigt einen berechneten umgeschriebenen Weg eines Einsignalsendestifts von sequentiellen Orten innerhalb der Schreibfläche einer Weißwandtafel;
11 zeigt eine Pulsfolge eines periodischen Ausgangssignals, wie dieselbe von einem Einsignalsendestift gesendet wird;
12 zeigt ein Ausgangssignal, wie dasselbe bei einem ersten externen Empfänger an einem ersten Empfängerort ankommt;
13 zeigt ein Ausgangssignal, wie dasselbe bei einem ersten externen Empfänger an einem zweiten Empfängerort ankommt;
14 zeigt die Phasendifferenz eines Ausgangssignals, das bei zwei externen Empfängern ankommt, die durch den Signalprozessor verwendet wird, um die Ankunftsrichtung des Ausgangssignals zu bestimmen;
15 zeigt ein Ausgangssignal, das bei einem ersten externen Empfänger an einem ersten Empfängerort ankommt;
16 zeigt ein Ausgangssignal, das bei einem zweiten externen Empfänger an einem ersten Empfängerort an kommt;
17 ist eine perspektivische Ansicht, die Veränderungen bei einer Sendestiftausrichtung zeigt, die den empfangenen Signalverlauf des zweiten Ausgangssignals verändern können, wenn dasselbe bei einem externen Empfänger ankommt;
18 ist eine Draufsicht, die die Richtempfangscharakteristika eines Beispiels von zweiten Ausgangssensoren bei externen Empfängern zeigt;
19 ist ein alternatives Beispiel des Sendestiftpositionierungssystems, das bewegbare Empfänger, einen Automatikkalibrierungssender und eine drahtlose Kommunikation zwischen den Empfängern und dem Signalprozessor aufweist;
20 ist eine Draufsicht eines Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystems, die die geometrische Beziehung zwischen einem Einsignalsendestift und drei externen Empfängern zeigt, wobei die berechnete Position des Einsignalsendestifts als der Schnittpunkt von drei Bogenlängen gezeigt ist;
21 zeigt ein Ultraschallpulsfolgesignal, wie dasselbe an einem ersten Empfängerort bei einem Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystem empfangen wird;
22 zeigt ein Ultraschallpulsfolgesignal, wie dasselbe an einem zweiten Empfängerort bei einem Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystem empfangen wird;
23 zeigt ein Ultraschallpulsfolgesignal, wie dasselbe an einem dritten Empfängerort bei einem Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystem empfangen wird;
24 zeigt ein Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystem mit großer Schreibfläche, wobei ein Weißwandtafelsender ein Rücksignal an einen Sendestift sendet, der eine Empfängerschaltung aufweist; was ermöglicht, die Periode zwischen nachfolgenden Ausgangssignalen zu steuern; und
25 zeigt einen Großschreibflächeneinsignalsendestift, der eine Empfängerschaltung aufweist;
26 ist eine Draufsicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung für ein kombiniertes Ankunftsrichtung- und Ankunftszeitzweisignalsendestiftlokalisierungssystem, wobei ein Zweisignalsendestift in der Schreibfläche einer Oberfläche angeordnet ist;
27 ist eine Teildraufsicht eines kombinierten Ankunftsrichtung- und Ankunftszeitzweisignalempfängergehäuses, das an einer Oberfläche angeordnet ist;
28 ist eine Teilschnittansicht eines Zweisignalsendestifts, der einen ersten Ausgangssignalwandler und einen zweiten Ausgangssignalwandler aufweist;
29 ist eine detaillierte Schnittansicht der Zeigespitze eines Zweisignalsendestifts;
30 ist eine perspektivische Teilansicht der Zeigespitze eines Zweisignalsendestifts;
31 ist eine schematische Ansicht des Sendens eines ersten Ausgangssignals und eines zweiten Ausgangssignals von einem Zweisignalsendestift;
32 zeigt ein wiederholtes Doppelausgangssignal, wie dasselbe von einem Zweisignalsendestift gesendet wird;
33 zeigt ein sekundäres Ausgangssignal, das codierte Informationen umfasst, die eine Stift-oben-Position und Ergänzungsinformationen anzeigen; und
34 zeigt ein sekundäres Ausgangssignal, das codierte Informationen umfasst, die eine Stift-unten-Position und Ergänzungsinformationen anzeigen.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
1 ist eine Draufsicht eines Einsignalsendestifts 30a, der innerhalb der Schreibfläche 14 einer Oberfläche 12 angeordnet ist, wobei der Einsignalsendestift 30a wiederholt ein zeitabhängiges Ausgangssignal 16 an zumindest zwei externe Empfänger 20a, 20b an jedem von zwei Empfängerorten 18a und 18b sendet. Bei der Oberfläche 12 handelt es sich normalerweise um eine Weißwandtafel, eine Tafel, einen Zeichentisch, einen Overheadprojektor, eine Projektorwand oder eine beliebige Art von Präsentationsoberfläche. Ein erster Neigungswinkel θ₁ 15a ist zwischen dem ersten Empfängerort 18a und der Senderichtung des Ausgangssignals 16 definiert. Ein zweiter Neigungswinkel θ₂ 15b ist zwischen dem zweiten Empfängerort 18b und der Senderichtung des Ausgangssignals 16 definiert.
Der Einsignalsendestift 30a weist ein Wandlerelement 28 (5–8) auf, das ein Ausgangssignal 16 aufweist, das verwendet wird, um den Ort der Zeigespitze 36 (5–7) des Einsignalsendestifts 30a bezüglich der Schreibfläche 14 einer Oberfläche 12 innerhalb eines Sendestiftlokalisierungssystems 10a, 10b, 10c zu bestimmen. Der Ausgangssignalwandler 28 sendet ein zeitabhängiges Ausgangssignal 16 von dem Einsignalsendestift 30 zu den externen Empfängern 20a, 20b an den Empfängerorten 18a und 18b.
Das Ausgangssignal 16, das wiederholt von dem Einsignalsendestift 30a, normalerweise auf eine periodische Weise, gesendet wird, kommt zu Zeiten an den zwei oder mehr Empfängerorten 18 an, die von der Geschwindigkeit des Ausgangssignals 16 und der Entfernung von dem Sendestift 30a zu jedem der Empfänger 20a, 20b abhängen. Zum Beispiel liegt die Frequenz des Ausgangssignals 16 innerhalb des Ultraschallfrequenzspektrums.
Wenn ein Ausgangssignal 16 an jedem der Empfänger 20a, 20b ankommt, wird das Signal 16 durch den Signalprozessor 57 (8) abgetastet, wie z. B. durch einen A/D-Wandler entweder an den Empfängerorten 18a, 18b oder an dem Signalprozessor 57. Das abgetastete Signal 16 wird dann an den Signalprozessor 57 (8) übertragen. Der Ort der Zeigespitze 36 (5–7) des Sendestifts 30 wird dann durch den Signalprozessor 57 durch ein Messen der relativen Phasendifferenz des Ausgangssignals 16 zwischen den externen Empfängern 20a, 20b an jedem Empfängerort 18a, 18b, ein Verwenden der Phasendifferenz des ankommenden Ausgangssignals 16 bei jedem Empfänger 20a und 20b, um die Ankunftsrichtung 15a, 15b des Ausgangssignals 16 zu jedem der Empfängerorte 18a, 18b zu bestimmen, und dann durch ein Bestimmen des Orts des Einsignalsendestifts 30a basierend auf den gleichzeitigen berechneten Richtungen 15a, 15b zu jedem der Empfängerorte 18a, 18b bestimmt.
2 zeigt die geometrische Beziehung 21 zwischen einem Einsignalsendestift 30a und zwei externen Empfängern 18, wobei die berechnete (X₁, Y₁)-Position 22 des Einsignalsen destifts 30a bezüglich einer X-Achse 24 und einer Y-Achse 26 dargestellt ist. Die Entfernung da zwischen dem ersten Empfängerort 18a und der berechneten (X₁, Y₁)-Position 22 ist entlang einem Richtungsvektor 23a definiert. Die Entfernung d_b zwischen dem zweiten externen Empfängerort 18b und der berechneten (X₁, Y₁)-Position 22 ist entlang einem Richtungsvektor 23b definiert. Die (X₁, Y₁)-Position 22 des Einsignalsendestifts 30a ist als der Schnittpunkt 22 des ersten Richtungsvektors 23a und des zweiten Richtungsvektors 23b innerhalb der Schreibfläche 14 gezeigt und berechnet.
3 ist eine Teildraufsicht der externen Empfänger 20a, 20b an den Empfängerorten 18a, 18b, die an einer Oberfläche 12 angeordnet sind. Der erste Empfängerort 18a umfasst einen ersten externen Empfänger 20a und einen zweiten externen Empfänger 20b und umfasst eine Signalverbindung 55a zu einem Signalprozessor 57 (10). Der zweite Empfängerort 18b umfasst ebenfalls einen ersten externen Empfänger 20a und einen zweiten externen Empfänger 20b und umfasst eine Signalverbindung 55b mit dem Signalprozessor 57.
Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungsprozess. Der Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungsprozess (1–4, 10), der ein Ausgangssignal 16 verwendet, um den Einsignalsendestift 30a relativ zu der Schreibfläche 14 einer Weißwandtafel 12 zu lokalisieren, weist die folgenden Schritte auf:

i) Senden eines Ausgangssignals 16 von einem Einsignalsendestift 30a zu einer Mehrzahl von externen Empfängern 20a, 20b an einer Mehrzahl von Empfängerorten 18;
ii) Bestimmen des Winkels 15a, 15b von jedem der Mehrzahl der Empfängerorte 18 zu dem Einsignalsendestift 30a basierend auf der Phasendifferenz des empfangenen Ausgangssignals 16 bei den externen Empfängern 20a, 20b; und
iii) Bestimmen des Orts des Einsignalsendestifts 30a basierend auf dem bestimmten Winkel 15a, 15b von jedem der Mehrzahl der Empfängerorte 18 zu dem Einsignalsendestift 30a.

4 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels des Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystems 10b, wobei ein Einsignalsendestift 30a innerhalb eines Schreibvolumens 14b angeordnet ist, und wobei der Einsignalsendestift 30a periodisch ein Ausgangssignal 16 an externe Empfänger 20a und 20b an jedem von drei Empfängerorten 18a, 18b und 18c sendet. Die geometrische Beziehung zwischen dem Einsignalsendestift 30a und den Empfängerorten 18a, 18b und 18c wird wiederholt bestimmt, wobei die aufeinander folgenden berechneten (X, Y, Z)-Positionen 31a, 31b, 31c des Einsignalsendestifts 30a einen Weg 82 bezüglich einer X-Achse 24, einer Y-Achse 26 und einer Z-Achse 29 beschreiben.
Einsignalsendestift. 5 ist eine Teilschnittansicht eines Einsignalsendestifts 30a, der einen Ausgangssignalwandler 28 aufweist, der entweder bei dem Ankunftsrichtungslokalisierungssystem 10a, 10b, 10c (1, 2, 4, 10) oder dem Ankunftszeitlokalisierungssystem 10d (20) verwendet wird. Obwohl der Sendestift 30a als ein Stift beschrieben ist, kann es sich dabei um eine beliebige Art von bewegbarer Sendevorrichtung handeln. Die Sendeschaltungsanordnung 40, die mit dem Ausgangssignalwandler 28 durch Anschlussleitungen 46a und 46b verbunden ist, regt den Ausgangssignalwandler 28 an, ein Ausgangssignal 16 zu erzeugen. Die Pulsfolge 89 des Ausgangssignals 16 (11) weist eine periodische Frequenz von 100 Pulsen pro Sekunde auf. Es wird bevorzugt, dass die Sendeschaltungsanordnung 40 einen phasenverschobenen Treibermechanismus umfasst, der wirksam das Ausgangssignal 16 formt und eine Rauschunterdrückung vornimmt, um ein gepulstes Ausgangssignal 16 kurzer Dauer zu erzeugen.
6 ist eine detaillierte Schnittansicht der Zeigespitze 36 eines Einsignalsendestifts 30a, der einen Ausgangssignalwandler 28 aufweist. 7 ist eine perspektivische Teilansicht der Zeigespitze 36 eines Einsignalsendestifts 30a, der einen einzigen piezoelektrischen Ausgangssignalwandler 28 aufweist. Ein optionaler Fingerschutz 38 schützt den Ausgangssignalwandler 28.
Ausgangssignalsendung. 8 ist eine schematische Ansicht 50 des Sendens des Ausgangssignals 16 von einem Einsignalsendestift 30a, bei dem es sich normalerweise um ein Ultraschallausgangssignal 16 handelt. Das Ausgangssignal 16 wird von einem oder mehr Wandlern 28 gesendet, die nahe der Zeigespitze 36 des Einsignalsendestifts 30a angeordnet sind. Der Wandler 28 ist eine zylindrische geschichtete piezoelektrische Schicht 56, die von einer äußeren leitfähigen Schicht 54a und einer inneren leitfähigen Schicht 54b umgeben ist, die mit der Sendeschaltungsanordnung 40 durch Anschlussleitungen 46a und 46b und Anschlussverbindungen 52a und 52b verbunden ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der verwendete Ultraschallwandler 28 Art. Nr. AT/R 40-10P, hergestellt von Nippon Ceramic Co. Ltd. aus Tottori-Shi, Japan. Der Einsignalsendestift 30a sendet wiederholt Ausgangssignale 16, normalerweise periodisch, mit einer Periode 95 (11).
9 zeigt einen vorangegangenen geformten Pulssignalverlauf 16a und einen aktuellen nachfolgenden geformten Pulssignalverlauf 16b, die entweder von einem Einsignalsendestift 30a, 30b (25) oder einem Zweisignalsendestift 30c (26, 28–30) gesendet wurden. Obwohl ein zweites Ultraschallausgangssignal 16 eine beliebige Signalverlaufform aufweisen kann, einschließlich eines einzigen Ultra schallpulses 72, wird es bevorzugt, dass der Signalverlauf geformt ist, um eine kurze Dauer aufzuweisen, wobei unterscheidende Wellencharakteristika vorliegen, was es ermöglicht, dass der Signalverlauf genau gemessen und verglichen wird, um eine genaue berechnete Position für einen Sendestift 30 zu liefern. In 9 umfassen die nachfolgenden zweiten Ausgangssignale 16a, 16b jedes zwei Hauptpulse 72a und 72b mit einer spezifischen Zeitgebung dazwischen.
Obwohl es Unterschiede zwischen der empfangenen Amplitude der nachfolgenden zweiten Ausgangssignale 16a und 16b gibt, behält jedes der Signale 16 Hauptmerkmale, wie z. B. Signalverlaufcharakteristika 72a, 72b, sowie wellenlängenabhängige Merkmale, wie z. B. Spitzen 76a, 76b, 76c und 76d, die Position von relativen Spitzen 76 und Spitzenamplituden. Ein Vergleich dieser Merkmale zwischen nachfolgenden gespeicherten digitalisierten Ausgangssignalen 16a und aktuellen Ausgangssignalen 16b ermöglicht, dass der berechnete umgeschriebene Weg 82 eines Sendestifts 30 genau bestimmt wird. Außerdem ermöglicht die Verwendung von unterscheidenden Signalverlaufcharakteristika 72a, 72b die Sendung anderer Informationen, die von dem Sendestift 30 zu den externen Empfängern 20 gesendet werden sollen, wie es im Folgenden erörtert ist.
Ein Vergleich des aktuellen Ausgangssignals 16b mit ein oder mehr gespeicherten Ausgangssignalen 16a wird bevorzugt für alle externen Empfänger 20 an jedem Empfängerort 18 wiederholt, was mehrere Schätzungen der Ausbreitungszeit des Ausgangssignals 16b und unterschiedliche Arrays mit den gespeicherten vorangegangenen Signalen 16a liefert.
10 ist eine Draufsicht 80 des Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystems 10c, die einen berechneten umgeschriebenen Weg 82 eines Einsignalsendestifts 30a von sequentiellen Orten innerhalb der Schreibfläche 14 einer Oberfläche 12 zeigt. Wenn der Einsignalsendestift 30a von einem Benutzer über die Schreibfläche 14 der Oberfläche 12 bewegt wird, wird die wiederholte Sendung der Ausgangssignale 16 an den externen Empfängern 18 empfangen. Die Empfänger 18 sind mit einem Signalprozessor 57 verbunden 55, der aufeinander folgende X-Y-Orte 84a, 84b, ... 84n bezüglich einer definierten X-Achse 24 und einer Y-Achse 26 berechnet. Die aufeinander folgenden X-Y-Orte 84a, 84b, ... 84n definieren einen Weg 82 für den Einsignalsendestift 30a. Die aufeinander folgenden X-Y-Orte 84a, 84b, ... 84n und der definierte Weg 82 können dann durch den Signalprozessor 57 gespeichert oder übertragen werden.
Ein Funktionsbereich 85 ist innerhalb der Schreibfläche 14 der Oberfläche 12 definiert. Eine Aktivierung des Einsignalsendestifts 30a innerhalb des Funktionsbereichs 85 wird selektiv verwendet, um Funktionsbefehle an entweder den Signalprozessor 57 oder an einen Computer 87, der mit dem Signalprozessor 57 verbunden ist, zu senden. Funktionsbefehle können verwendet werden, um den angezeigten Bildweg 82 zu drucken, den Bildweg 82 zu speichern, eine neue Seite zu erstellen oder Funktionen bei dem angeschlossenen Computer 87 zu steuern, wie z. B. durch ein Aktivieren von Pull-Down-Menüs an einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) 93 bei dem angeschlossenen Computer 87.
Eine programmierbare Steueranwendung 91 innerhalb des Computers 87 kommuniziert mit dem Signalprozessor 57, um Systemoptionen zu steuern, wie z. B. Signalverlaufvergleichsalgorithmen und die gewünschte Anzahl von vorangegangenen Ausgangssignalen 16a, die zu speichern 99 und mit aktuellen Ausgangssignalen 16b zu vergleichen sind. Da die vorangegangenen Ausgangssignale 16a auf eine digitale Weise erfasst und gespeichert werden, kann der Vergleich zwischen vorangegangenen Ausgangssignalen 16a und aktuellen Ausgangssignalen 16b wirksam durch die programmierbare Steueranwendungssoftware 91 überwacht oder modifiziert werden.
11 zeigt ein Ausgangssignal 16, wie dasselbe von einem Einsignalsendestift 30a, 30b gesendet wird. Die Ausgangs signalpulsfolge 89a ist aus einem wiederholten Senden eines Ausgangssignals 16 gebildet. Das wiederholte Senden des Ausgangssignals 16 ist normalerweise durch eine Periode P₁ 95 gekennzeichnet.
Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungsalgorithmus. In den 11–13 kommt das Ultraschallausgangssignal 16 bei jedem der externen Empfänger 20a, 20b an Empfängerorten 18 zu Zeiten an, die von der Geschwindigkeit des Ausgangssignals 16 und der Entfernung zwischen dem Sendestift 30 und den Empfängern 20a, 20b abhängen. 12 zeigt das Ausgangssignal 16, wie dasselbe bei einem ersten externen Empfänger 20a eines ersten Empfängerorts 18a ankommt. 13 zeigt das gleiche Ausgangssignal 16, wie dasselbe bei einem ersten externen Empfänger 20a eines zweiten weiteren Empfängerorts 18b ankommt. An jedem der Empfängerorte 18a, 18b hängt die Ankunftszeit des Ausgangssignals 16 von der Entfernung zwischen dem bewegbaren Einsignalsendestift 30a, 30b und jedem der externen Empfänger 20a und 20b ab. Die Weglängendifferenz für das ankommende Ausgangssignal 16 zwischen den benachbarten Empfängern 20a, 20b ist als eine Phasenverschiebung des ankommenden Ausgangssignals 16 zu sehen und wird durch den Signalprozessor 57 analysiert, um die Ankunftsrichtung 15a, 15b des Ausgangssignals 16 zu jedem Empfängerort 18 zu bestimmen.
Die Genauigkeit des Orts des Einsignalsendestifts 30a hängt deshalb von der Genauigkeit ab, mit der der Signalprozessor 57, der mit den externen Empfängern 20 an den Empfängerorten 18 verbunden ist, konstant die Ankunftsrichtung 15a, 15b des Ultraschallsignal-Signalverlaufs 16 bestimmen kann.
Ankunftsrichtungslokalisierungssystemsignalverarbeitung. 14 ist ein Graph, der ein empfangenes Ausgangssignal 16 an externen Empfängern 20a, 20b an einem Empfängerort 18 zeigt. Da die externen Empfänger 20a und 20b leicht vonein ander versetzt sind, definiert das Ausgangssignal 16 normalerweise eine leicht unterschiedliche Weglänge, um bei den externen Empfängern 20a und 20b anzukommen. Die berechnete Phasendifferenz 90 zwischen dem empfangenen Ausgangssignal 16 an den externen Empfängern 20a, 20b an dem Empfängerort 18a liefert den ersten Neigungswinkel θ₁ 15a. Auf ähnliche Weise wird die berechnete Phasendifferenz 90 zwischen dem empfangenen Ausgangssignal 16 an den externen Empfängern 20a, 20b an dem Empfängerort 18b durch den Signalprozessor 57 analysiert und liefert den zweiten Neigungswinkel θ₂ 15b. Bei gegebenem erstem Neigungswinkel θ₁ 15a und zweitem Neigungswinkel θ₂ 15b wird die X, Y-Position des Sendestifts innerhalb der zweidimensionalen Schreibfläche 14 bestimmt. Für externe Empfängerorte 18a, 18b, die durch eine Entfernung d₁ getrennt sind, ist die X, Y-Position des Sendestifts 30 gegeben durch:
Es wird bevorzugt, die externen Empfänger 20a, 20b an jedem Empfängerort 18 voneinander zu beabstanden, was zu einer Berechnung größerer Genauigkeit der Neigungswinkel θ₁, θ₂ führt. Falls jedoch die externen Empfänger 20a, 20b an jedem Empfängerort 18 um eine Entfernung voneinander beabstandet sind, die größer ist als eine Wellenlänge der gesendeten Frequenz des Ausgangssignals 16, kann es zu einer Zweideutigkeit bei der Phasenverschiebung gleich n·T kommen, wobei T gleich der Periode des Sendeausgangssignals 16 gleich (1/λ) ist, und n die Anzahl von Trennungswellenlängen zwischen den externen Empfängern 20a und 20b an jedem Empfängerort 18 ist.
Eine Bestimmung der Anzahl von Vollzyklusverschiebungen, die zwischen empfangenen Ausgangssignalen 16 an den getrennten externen Empfängern 20a und 20b existiert, wird durch den Signalprozessor 57 (10) erreicht. Obwohl es Unterschiede zwischen der empfangenen Amplitude der Ausgangssignale 16 an den benachbarten externen Empfängern 20a, 20b an jedem Empfängerort gibt, behält jedes der Signale 16 Hauptmerkmale, wie z. B. Signalverlaufcharakteristika 72a, 72b, sowie wellenlängenabhängige Merkmale, wie z. B. Spitzen 76a, 76b, 76c und 76d, die Position von relativen Spitzen 76 und Spitzenamplituden. Ein Vergleich dieser Merkmale zwischen digitalisierten Ausgangssignalen 16 bei den benachbarten Empfängern 20a, 20b ermöglicht, dass die Ankunftsrichtung 15a, 15b eines zweiten Ausgangssignals 16 genau bestimmt wird.
Während der obige Lösungsansatz ermöglicht, dass die Phasendifferenz mit einer Genauigkeit von ±1 Abtastwert gemessen wird, kann die Auflösung weiter auf besser als ±1 Abtastwert verbessert werden. 15 und 16 zeigen eine typische Systemkonfiguration, bei der die Ankunft des Ausgangssignals 16 an dem ersten externen Empfänger 20a der Ankunft des Ausgangssignals 16 an dem zweiten externen Empfänger 20b um mehrere Wellenlängen nacheilt.
Es wird angenommen, dass die Ausgangssignale 16 x₁(t) und x₂(t) an den Empfängern 20a und 20b, wie es in 15 und 16 gezeigt ist, als Sinuswellen mit Amplitudenmodulation angenähert werden. Der im Vorhergehenden beschriebene Lösungsansatz ergibt Delta (Δ) als die Phasendifferenznäherung zwischen x₁(t) und x₂(t). Wenn x₂'(t) = x₂(t + Δ), kann der Signalprozessor 57 den zusätzlichen Phasendifferenzkorrekturdurchschnitt folgendermaßen berechnen:
17 ist eine perspektivische Ansicht, die Veränderungen bei der Sendestiftausrichtung bezüglich der externen Empfängerorte 18a, 18b zeigt, die den empfangenen Signalverlauf des Ausgangssignals 16, wenn dasselbe an den Empfängerorten 18, 118 ankommt, erheblich verändern können. Wie es im Vorhergehenden erörtert ist, kann die Amplitude des eingehenden Signalverlaufs 16 sich erheblich von der Entfernung zu jedem der Empfängerorte 18a, 18b verändern. Andere Faktoren tragen ebenfalls zu der Dämpfung des Ausgangssignals 16 bei, einschließlich der Winkelausrichtung 98a, 98b zwischen dem Sendestift 30 und den externen Empfängern 20, dem Winkel 96 des geneigten bewegbaren Sendestifts 30 gegen die Oberfläche der Schreibfläche 14, der Axialdrehung 97 des Sendestifts 30 und selbst der verfügbaren Quellenleistung zu der Ausgangsschaltungsanordnung 40 innerhalb des Sendestifts 30. 18 ist eine Draufsicht, die die Richtempfangscharakteristika 99a, 99b eines Beispiels der externen Empfänger 20a, 20b an den Empfängerorten 18a, 18b zeigt. Die externen Empfänger 20a, 20b innerhalb der Empfängerorte 18a, 18b sind normalerweise in einem Winkel von etwa 45 Grad bezüglich einer rechteckigen Schreibfläche 14 platziert, um eine Signalerfassung des zweiten Ausgangssignals 16 zu verbessern.
Das Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c kann den Ort des Sendestifts 30 genau bestimmen, selbst wenn das Ausgangssignal 16 erheblich gedämpft ist. Das Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c umfasst gleichzeitige Ausgangssignale 16a, die an eng beabstandeten externen Empfängern 20a, 20b an jedem Empfängerort 18 ankommen. Obwohl das Ausgangssignal 16 gewöhnlich gedämpft wird, wie es im Vorhergehenden erörtert ist, sind Dämpfungscharakteristika zwischen dem Ausgangssignal ähnlich, wenn dasselbe an eng beabstandeten externen Empfängern 20a, 20b empfangen wird. Deshalb ergibt der Vergleich des empfangenen Ausgangssignals 16, um eine Ankunftsrichtung zu berechnen, genaue Ergebnisse.
Außerdem speichert das Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c vorteilhafterweise ein oder mehr vorangegangene Signale 16a für jeden externen Empfänger 20a, 20b, was den Vergleich einer großen Anzahl von Merkmalen zwischen dem aktuellen zweiten Ausgangssignal 16b und ein oder mehr vorangegangenen zweiten Ausgangssignalen 16a für jeden Externen 20a, 20b ermöglicht.
Da das aktuelle Ausgangssignal 16b und die ein oder mehr gespeicherten vorangegangenen Ausgangssignale 16a normalerweise miteinander normiert sind, und da detaillierte Merkmale zwischen dem aktuellen Ausgangssignal 16b und den ein oder mehr gespeicherten vorangegangenen Ausgangssignalen 16a zum Vergleich verwendet werden können, verhindert eine Dämpfung der eingehenden Signale 16 nicht, dass das Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c die X, Y-Position des Sendestifts 30 genau bestimmt.
Im Gegensatz dazu versagen analoge Systeme gemäß dem Stand der Technik, die sich auf den Vergleich einer begrenzten Anzahl von gemessenen Amplituden einer begrenzten Anzahl von Punkten, wie z. B. die gemessenen Amplituden von Stößen oder Spitzen oder ein Durchschnitt einer begrenzten Anzahl von Spitzen, stützen, gewöhnlich dabei, einen gültigen Datenpunkt für einen bewegbaren Zeiger zu finden, insbesondere wenn aufeinander folgende Ausgangspulse unterschiedlich gedämpft werden. Dies führt entweder zu falschen Positionen (z. B. normalerweise durch ein Übersehen einer gewünschten Signalspitze) oder dazu, dass es erforderlich ist, dass Positionspunkte in dem beschriebenen Weg eines bewegbaren Zeigers nicht verwendet werden, was zu einem ungenauen oder erratischen beschriebenen Weg führt.
Bei dem Digitalankunftsrichtungsarraysendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c ermöglicht die Speicherung des empfangenen Signals 16 in einem Speicher 158, dass Signalverarbeitungsvergleichstechniken zwischen dem aktuellen Ausgangssignal 16b und dem gespeicherten Signalverlauf 16a durchgeführt werden, z. B. durch Kreuzkorrelationsverfahren. Ein genauer Vergleich zwischen den Merkmalen der aktuellen 16b und der vorangegangenen Ausgangssignale 16a kann deshalb durchgeführt werden. Wenn die zweiten Ausgangssignale 16b bei dem Signalprozessor 57 ankommen, werden dieselben bevorzugt mit den vorangegangenen gespeicherten Signalen 16a normiert. Wenn die empfangenen zweiten Ausgangssignale 16b und die ein oder mehr gespeicherten zweiten Ausgangssignale 16a miteinander normiert sind, kann ein gültiger Vergleich zwischen den normierten Ausgangssignalen 16a, 16b vorgenommen werden. Wenn die empfangenen Ausgangssignale 16b und die ein oder mehr gespeicherten zweiten Ausgangssignale 16a stark variierende Signalstärken aufweisen, ist es trotzdem möglich, Merkmale zwischen den normierten Signalen zu kreuzkorrelieren, anstatt die Amplitude einer begrenzten Anzahl von Datenpunkten zu vergleichen.
Außerdem ermöglicht das Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c Veränderungen bei dem Vergleich von Merkmalen zwischen dem aktuellen zweiten Ausgangssignal 16b und den ein oder mehr gespeicherten vorangegangenen zweiten Ausgangssignalen 16a. Die programmierbare Steueranwendung 91 (10) ist normalerweise steuerbar und aktualisierbar, was es ermöglicht, dass der Signalprozessor 57 aktualisiert wird und ohne weiteres an unterschiedliche Sendestifte 30, unterschiedliche Oberflächen 12 und unterschiedliche externe Empfänger 20 angepasst wird.
Übermittlung von Ergänzungsinformationen. Die Ausgangssignalcharakteristika der Schaltungsanordnung 40 und das charakteristische Senderausgangssignal 16 können optional sekundäre Informationen an die Empfängerorte 18 übermitteln. Derartige Ergänzungsinformationen können einen Stiftaktivierungsstatus oder Stifttypen, wie z. B. Stifte unterschiedlicher Farbe oder für Stifte unterschiedlicher Breite oder sogar für berechnete Linientypen, wie z. B. für gestrichelte Linien, umfassen. Bei Systemen, bei denen mehr als ein Benutzer an der Weißwandtafel 12 entweder sequentiell oder gleichzeitig schreiben, können die Sendestifte 30 optional den bestimmten Benutzer jedes Sendestifts 30 übermitteln.
Stiftaktivierung. 9 zeigt ein typisches Ausgangssignal 16b für einen Sendestift 30 in einer „Stift-unten"-Position. Das Ausgangssignal 16b ist durch die Sendeschaltungsanordnung 40 modifizierbar, um unterschiedliche Signalzustände zu bezeichnen, wie z. B. um zu übermitteln, ob der Stift in einer ersten „Stift-oben"-Position deaktiviert ist oder sich in einer aktivierten zweiten „Stift-unten"-Position befindet. In 9 umfasst das aktuelle Ausgangssignal 16b zwei Signalverlaufpulse 72a, 72b, um eine „Stift-unten"-Position zu bezeichnen. Das aktuelle Ausgangssignal 16b umfasst normalerweise einen einzigen Ultraschallpuls 82a, um eine „Stift-oben"-Position zu bezeichnen.
Wenn das „Stift-oben"-Signal durch die externen Empfänger 20 empfangen wird, bestimmt der Signalprozessor 57, dass sich der Sendestift 30 aktuell in seiner „Stift-oben"-Position befindet. Die „Stift-oben"-Position bedeutet normalerweise, dass sich die Zeigespitze 36 des Sendestifts 30 nicht in Kontakt mit entweder der Schreibfläche 14 der Oberfläche 12 oder mit einer anderen Schreiboberfläche, die in der Schreibfläche 14 platziert ist, wie z. B. einem Stück Papier, befindet.
Wenn das „Stift-unten"-Signal durch die externen Empfänger 20 empfangen wird, bestimmt der Signalprozessor 57, dass sich der Stift 30 aktuell in seiner „Stift-unten"-Position befindet, und die Ankunftsrichtungen 15a, 15b des Stifts 30 werden ebenfalls bestimmt. Die „Stift-unten"-Position 68b bedeutet normalerweise, dass sich die Stiftspitze 36 in Kontakt mit entweder der Schreibfläche 14 der Oberfläche 12 oder mit einer anderen Schreiboberfläche, die in der Schreibfläche 14 platziert ist, wie z. B. einem Stück Papier, befindet.
Wenn der Sendestift 30 in der Stift-unten-Position entlang eines Wegs 82 bewegt wird, wird eine Reihe von Ausgangssignalen 16 an den externen Empfängern 20 empfangen, von denen aufeinander folgende Ankunftsrichtungen berechnet werden und nachfolgend X-Y-Koordinaten bestimmt werden, um eine Darstellung des Weges 82 des Sendestifts 30 zu erzeugen. Die Position des Sendestifts 30 wird auch berechnet, wenn sich der Sendestift nicht in Kontakt mit der Schreibfläche 14 befindet.
Berechnete Stiftattribute. Die Sendeschaltungsanordnung 40 in dem Sendestift 30 übermittelt bevorzugt Stiftattribute und kann eine Schalt- oder Kontinuierliche-Einstellung-Steuerung umfassen, um ein Sendesignal 16 zu erzeugen, das unterschiedliche Stiftattribute anzeigt. Zum Beispiel kann ein Sendestift 30, der eine einzige Schreibspitze 36 enthält, die eine Tintenfarbe, wie z. B. schwarze Tinte, aufweist, durch den Benutzer selektiv eingestellt werden, um ein Ausgangssignal 16 zu erzeugen, das gezeichneten Wegen 82 variierender Farben, Breiten oder Linienarten entspricht. Während der Benutzer auf einer Schreiboberfläche 14, wie z. B. einer Weißwandtafel 12, zeichnet oder schreibt, wobei ein schwarzer Weg 82 (10), wie z. B. Figuren oder Buchstaben, angezeigt wird, hängt das gesendete und verarbeitete Signal für den Weg 82 von den Stiftcharakteristika ab, die durch den Benutzer gewählt wurden.
Während 9 ein Ausgangssignal 16 zeigt, das eine Stiftunten-Position anzeigt, wobei zwei Signalverlaufpulse 72 verwendet werden, werden das Hinzufügen und die Beabstandung von Signalverlaufpulsen 72 bevorzugt verwendet, um codierte Ergänzungsinformationen zu übermitteln, wie z. B. bestimmte Farbe, Breite, Linienart oder Verfasser.
Bei dem Ausgangssignal 16, das in 9 gezeigt ist, überspannt die Zeit zwischen mehreren Signalverlaufpulsen 72 eine Zeit, die für eine bestimmte Stiftfarbe spezifisch ist. Zum Beispiel kann eine erste Zeitverzögerung zwischen den Signalverlaufpulsen 72 eine Stiftfarbe schwarz spezifizieren, während eine zweite Zeitverzögerung zwischen den Signalverlaufpulsen 72 eine Stiftfarbe blau spezifizieren kann.
Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystemvorteile. Das Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c bietet erhebliche Vorteile gegenüber Lokalisierungsverfahren gemäß dem Stand der Technik. Die Verwendung eines verbesserten Prozesses zum Berechnen der Phasendifferenz zwischen ankommenden Ausgangssignalen 16 ermöglicht, dass die Ankunftsrichtungen 15a, 15b genau bestimmt werden, und ermöglicht, dass der Sendestift 30 einen einzigen Sender 28 aufweist.
Selbstkalibrierung. Die Entfernung d₁ 17 (1) zwischen den Empfängerorten 18 kann entweder einmal festgelegt werden, wie z. B. für Empfängerorte 18, die eine feste Entfernung voneinander befestigt sind, oder kann periodisch festgelegt werden, wie z. B. für Empfängerorte 18, die an unterschiedlichen Positionen neu befestigt werden können. Die Entfernung d₁ zwischen festen Empfängerorten 18 kann in dem Signalprozessor 57 gespeichert werden, wie z. B. bei hergestellten Sendestift-30- und Tafelsystemen 10, bei denen die Entfernung zwischen festen Empfängerorten 18 durch den Entwurf der Oberfläche 12 gesteuert wird.
19 ist ein Sendestiftlokalisierungssystem 10d, bei dem die Empfängerorte 18a, 18b bewegbar sind, wobei ein Kalibrierungssender 92 an einem Empfängerort 18b hinzugefügt ist, der eine automatische Selbstkalibrierung für das System 10d liefert. Ein Autokalibrierungssendesignal 94 wird von dem Empfängerort 18b gesendet und wird an einem anderen Empfängerort 18a empfangen. Der Signalprozessor 57 analysiert das eingehende Autokalibrierungssendesignal 94 und bestimmt die Entfernung d₁ zwischen den Empfängerorten 18a, 18b. Eine drahtlose Verbindung ist zwischen den Empfängern 18a, 18b und dem Signalprozessor 57 bereitgestellt, wobei Informationsdatensignale 160a, 160b von den Empfängerorten 18a, 18b zu dem Signalprozessor 57 gesendet werden.
Beispiel für ein Ankunftsrichtungssenderlokalisierungssystem. Das Ankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c kann auch an größere Schreibflächen 14 angepasst sein. Bei grundlegenden Systemen wird die Periode zwischen nachfolgenden Ausgangssignalpulsen 16 durch die größte Entfernung über die Schreibfläche 14 bestimmt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel einer großen Weißwandtafel 10f, das in 24 und 25 gezeigt ist, umfasst der Einsignalsendestift 30b einen Stiftempfänger 144, und die Oberfläche 12 umfasst einen Weißwandtafelsender 102, der bei diesem Ausführungsbeispiel neben einem der Empfängerorte 18b gezeigt ist. Wenn der Sendestift 30b den Umfang der Schreibfläche 14 erreicht, bestimmt der Signalprozessor 57, dass sich der Einsignalsendestift 30b weit entfernt von einem oder mehr der Empfängerorte 18 befindet. Die erhöhte Entfernung erfordert eine längere Periode zwischen nachfolgenden Ausgangssignalen 16. In diesem Fall sendet der Signalprozessor 57 ein Rücksignal 104 an den Sendestiftempfänger 144 durch den Weißwandtafelsender 102. Die Signalschaltungsanordnung 40 in dem Einsignalsendestift 30b senkt dann steuerbar die Frequenz eines Sendens der Ausgangssignale 16 ansprechend auf das Rücksignal 104.
Ein Senken der gesendeten Frequenz der Einsignalpulsfolge 89a ermöglicht, dass jedes der Ausgangssignale 16 den Entferntesten jedes der externen Empfängerorte 18 vor dem Senden eines nachfolgenden Ausgangssignals 16 erreicht, so dass keine Überlappung von Informationen zwischen dem Empfang der Ausgangssignale 16 vorliegt. Während die erweiterte Periode zwischen den Ausgangssignalen 16 weniger häufige Aktualisierungen des Orts des bewegbaren Einsignalsendestifts 30b zulässt, ermöglicht das großflächige System 10e, dass der Einsignalsendestift 30b über eine große Schreibfläche 14 genau lokalisiert wird.
Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystem. 20 ist eine Draufsicht eines Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystems 10e, die die geometrische Beziehung zwischen einem Einsignalsendestift 30a, 30b und drei oder mehr externen Empfängerorten 18a, 18b, 18c, die jeder einen einzigen externen Empfänger 20 aufweisen, zeigt. Bei dem Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystem 10e wird die Position des Einsignalsendestifts 30a, 30b als der Schnittpunkt von drei Bogenlängen 101a, 101b und 101c berechnet. Durch ein Verwenden von drei oder mehr Empfängerorten 18a, 18b, ... 18n fungiert einer der Signalwege 16 als ein relativer Ausgangspunkt für die anderen Signalwege 16.
Da das Ausgangssignal 16 unterschiedlich gedämpft sein kann, wenn dasselbe an jedem der externen Empfängerorte 18a, 18b, 18c ankommt, wie es in 9 zu sehen ist, vergleicht der Signalprozessor 57 bevorzugt wiederholbare Referenzpunkte 77 (9) zwischen aktuellen Signalen 16b, die an jedem Empfänger 18a, 18b, 18c ankommen, und ein oder mehr gespeicherten vorangegangenen Ausgangssignalen 16a für jeden Empfänger 18a, 18b, 18c. Jeder beliebige wiederholbare Referenzpunkt 77 an dem Ausgangsultraschallsignal-Signalverlauf 16 ist ausreichend, um einen aktuellen Ausgangsultraschallsignal-Signalverlauf 16b, der an einem Empfängerort 18 ankommt, mit einem gespeicherten vorangegangenen Ausgangsultraschallsignal-Signalverlauf 16a zu vergleichen, der an dem gleichen Empfängerort 18b ankommt, solange der wiederholbare Referenzpunkt 77 übereinstimmend an dem aktuellen Ausgangsultraschallsignal-Signalverlauf 16b und an dem gespeicherten vorangegangenen Ausgangsultraschallsignal-Signalverlauf 16a identifiziert wird.
In 9 zeigt die Überschreitungszeitschwelle 73 einen Startpunkt für die wiederholten Ultraschallausgangssignale 16 an. Bei dem Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystem 10e wird es bevorzugt, eine linear abnehmende Ultraschallschwelle 73 zu verwenden, da die Amplitude des Ultraschallsignals 16 wie 1/r mit der Entfernung abfällt. Zu den Zeiten t1, t2, ... tN, wobei N gleich der Anzahl von Empfängerorten 18 ist (wobei N ≥ 3), wie es in 20 gezeigt ist, wird das Ultraschallsignal 16 an drei oder mehr externen Empfängerorten 18 empfangen.
Der Signalprozessor 57 findet einen wiederholbaren Referenzpunkt 77 an dem Ultraschallausgangssignal 16a, 16b, der zwischen der Schwellenüberschreitung 73 und der zweiten Spitze 76b liegt. In 9 wird ein Schwellenwert 75 von 0,5 Volt verwendet, um Punkte entlang den nachfolgenden Ausgangssignalen 16a, 16b zu bestimmen. Wie es in 9 zu sehen ist, befindet sich der erste Punkte entlang des ersten Ausgangssignals 16a, der den Schwellenwert überschreitet, entlang der ersten Spitze 76a. Im Gegensatz dazu befindet sich der erste Punkt entlang des zweiten Ausgangssignals 16b, der den Schwellenwert 75 überschreitet, entlang der zweiten Spitze 76b. Da nachfolgende Ausgangssignale 16a, 16b normalerweise unterschiedliche Amplituden aufweisen, kann eine willkürliche Messung einer Schwelle 75, um einen Referenzpunkt 77 zu bestimmen, Unterschiede zwischen nachfolgenden Signalen 16 in der Größenordnung von einer Wellenlänge ergeben.
Um einen genaueren wiederholbaren Referenzpunkt 77 bei dem aktuellen Ultraschallausgangsignal 16b zu liefern, der zwischen der Schwellenüberschreitung 73 und der zweiten Spitze 76b liegt, speichert der Signalprozessor 57 bevorzugt ein vorangegangenes Ausgangssignal 16a und vergleicht wiederholbare Merkmale zwischen dem aktuellen zweiten Ausgangssignal 16b und dem gespeicherten vorangegangenen zweiten Ausgangssignal 16a. Wiederholbare Merkmale, die unterscheidbar sind, umfassen normalerweise die Form von größeren Spitzen 72a, 72b und kleineren Spitzen 76a, 76b, eine Zwischenspitzenbeabstandung und die relative Amplitude der größeren Spitzen 72a, 72b und der kleineren Spitzen 76a, 76b.
Da das vorangegangene Ausgangssignal 16a bevorzugt gespeichert ist, können beliebige oder alle Merkmale analysiert und verglichen werden, um einen genauen wiederholbaren Referenzpunkt 77 zu bestimmen. Sogar die kombinierte Beziehung zwischen Sätzen von Merkmalen kann verglichen werden. Das aktuelle Ausgangssignal 16b und die ein oder mehr gespeicherten vorangegangenen Ausgangssignale 16a werden energienormiert, derart, dass einzelne Spitzen 72, 76 zwischen dem aktuellen Ausgangssignal 16b und den gespeicherten vorangegangenen Ausgangssignalen 16a aneinander angepasst werden. Die normierten Ausgangssignale werden dann bezüglich Merkmalen verglichen, die nicht von der Amplitude von getrennten Punkten bei den Signalen 16a, 16b, sondern von der Beziehung zwischen Merkmalen abhängen.
Bei dem Beispiel, das in 9 gezeigt ist, passt der Signalprozessor 57 die tatsächliche Schwellenüberschreitung an der Spitze 76b bei dem aktuellen Ausgangssignal 16b um die Periode einer Wellenlänge an, um eine angepasste Schwellenüberschreitung 77 herzustellen, die mit den Merkmalen des gespeicherten Signals 16a übereinstimmt. Auf diese Weise verwendet der Signalprozessor 57 bevorzugt den im Vorhergehenden empfangenen und gespeicherten Puls 16a von dem gleichen externen Empfängerort 18, um den wiederholbaren Referenzpunkt 77 bei dem aktuellen Ultraschallsignal 16b zu bestimmen.
Dieser bevorzugte Vergleich wird für das aktuelle Ausgangssignal 16b und das vorangegangene Ausgangssignal 16a für jeden der Empfängerorte 18a, 18b, 18c durchgeführt. Da das ankommende zweite Ausgangssignal 16 normalerweise unterschiedlich gedämpft wird, wenn dasselbe gesendet und zu unterschiedlichen Empfängerorten 18 geschickt wird, wird das Ausgangssignal 16a bevorzugt für jeden externen Empfänger 20 an den Empfängerorten 18 gespeichert, um einen genauen Vergleich für nachfolgende Ausgangssignale 16 zu liefern, die an jedem externen Empfänger 20 ankommen.
Das aktuelle Ultraschallsignal 16b für jeden Empfängerort 18 wird dann zusammen mit dem erfassten Start der Signalreferenzpunkte 73 und der wiederholbaren Punkte 77 in einem Speicher 99 zur Analyse von nachfolgenden Ausgangssignalen 16 gespeichert. Für jeden Empfängerort 18 können ein oder mehr vorangegangene Signale 16a mit den Referenzpunkten 73, 77 verwendet werden, um wiederholbare Merkmale 77 des aktuellen Ausgangssignals 16b zu bestimmen. Es wird jedoch normalerweise eine begrenzte Anzahl von vorangegangenen Ultraschallsignalen 16a von jedem Empfängerort 18 gespeichert, um Speicherplatz in dem Speicher 99 zu sparen.
Dies wird für alle N Empfängerorte 18 wiederholt, was N ≥ 3 Schätzungen der Ausbreitungszeit des zweiten Ausgangsultraschallsignals 16b ergibt. Die N ≥ 3 Ausgangssignale 16b werden dann zusammen mit den zugeordneten Referenzpunkten 73, 77 in dem Speicher 99 als vorangegangene Ausgangssignale 16a zur Analyse von nachfolgenden Ausgangssignalen 16b gespeichert.
Der Vergleich des aktuell empfangenen Ausgangssignals 16b mit vorhergehend empfangenen und gespeicherten Ausgangssignalen 16a führt zu konsistenten Zeitwerten, die konsistente Stiftortwerte 84a, 84b, ... 84n liefern, die einen glatten Weg 82 (10) definieren.
Ankunftszeitsendestiftlokalisierungsalgorithmus. Bei dem Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystem 10e wird jede Signalperiode gestartet und ist durch das Senden eines Ultraschallsignalverlaufs 16 definiert. 21 zeigt ein Ultraschallpulsfolgesignal 16, wie dasselbe an einem ersten Empfängerort 18a zu einem Zeitpunkt t₁ bei einem Ankunftszeitphasenarrayultraschallsystem 10b empfangen wird. Auf ähnliche Weise zeigt 22 das Ultraschallpulsfolgesignal 16, wie dasselbe an einem zweiten Empfängerort 18b zu einem Zeitpunkt t₂ empfangen wird, und 23 zeigt das Ultraschallpulsfolgesignal 16, wie dasselbe an einem dritten Empfängerort 18c zu einem Zeitpunkt t₃ empfangen wird. Die relative Zeit, damit das Ultraschallsignal 16 an den drei Empfängerorten 18a, 18b, 18c ankommt, liefert einen X-Y-Ort des Einsignalsendestifts 30a, 30b. Die Zeitpunkte t₁, t₂ und t₃ werden hinsichtlich a und b (20) berechnet, die dann verwendet werden, um den X-Y-Ort des Einsignalsendestifts 30a, 30b zu berechnen. Zeitpunkt t₂ ergibt sich folgendermaßen:
Ähnliche Gleichungen werden für t₁ und t₃ abgeleitet. Aus t₁ und t₂ ergeben sich X- und Y-Werte folgendermaßen:
Systemkalibrierung. Kleine Veränderungen der Entfernung D (20) zwischen den Empfängerorten 18 können auch durch den Signalprozessor 57 für das Ankunftszeitsendestiftlokalisierungssystem 10d kalibriert werden. Dies kann bei vielen Bedingungen nützlich sein, wie z. B. für die Veränderung der Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen umgebenden Umgebungen (z. B. Temperatur, Luftdruck, relative Feuchtigkeit). Aus drei Zeitschätzungen (t₁, t₂ und t₃) berechnet der Signalprozessor 57 die Entfernung zwischen den Empfängern 18 (dcalc) folgendermaßen:
Falls die berechnete dcalc sich erheblich von der bekannten Entfernung D zwischen den Empfängerorten 18 unterscheidet, bestimmt der Signalprozessor 57, dass ein Problem mit ein oder mehr der Zeitschätzungen t_i vorliegt. Der Signalprozessor 57 kann auch die bekannte Entfernung D mit der berechneten Entfernung D zwischen den Empfängerorten 18 mitteln, um den Wert von D adaptiv zu verändern.
Ausführungsbeispiel eines kombinierten Ankunftsriehtung- und Ankunftszeitzweisignalsendestiftlokalisierungssystems gemäß der Erfindung. 26 ist eine Draufsicht eines kombinierten Ankunftsrichtung- und Ankunftszeitzweisignalsendestiftlokalisierungssystems 10g, bei dem ein Zweisignalsendestift 30c in der Schreibfläche 14 einer Oberfläche 12 angeordnet ist. 27 ist eine Teildraufsicht eines kombinierten Ankunftsrichtung- und Ankunftszeitzweisignalempfängergehäuses, das an einer Oberfläche angeordnet ist. Der Zweisignalsendestift 30c weist mehrere Wandlerelemente 28, 128 (28–30) auf, die verwendet werden, um den Ort der Zeigespitze des Zweisignalsendestifts 30c bezüglich einer Schreibfläche 14 oder eines Schreibvolumens 14 eines kombinierten Ankunftsrichtung- und Ankunftszeitzweisignalsendestiftlokalisierungssystems 10f zu bestimmen.
Der Primärausgangssignalwandler 28 sendet ein primäres Ausgangssignal 16 von dem Zweisignalsendestift 30b zu den externen Empfängern 20a, 20b an dem Empfängerort 118. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Primärausgangssignalsensoren 28 Ultraschallsensoren, Art. Nr. AT/R 40-10P, hergestellt von Nippon Ceramic Co. Ltd. aus Tottori-Shi, Japan. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Primärausgangssignalwandler 28 an dem Sendestift 30 ein Ultraschallsender 28.
Ein Sekundärausgangselement 128, bevorzugt ein elektromagnetischer oder Infrarotsender 128, sendet ein sekundäres Ausgangssignal 128 von dem Zweisignalsendestift 30b zu einem Sekundärausgangssignalempfänger 120 (26, 27) an einem kombinierten Empfängerortgehäuse 118. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Sekundärausgangssignalempfänger 120 eine Infrarotphotodiode, Art. Nr. SFH 205FA, hergestellt von Siemens Microelectronics, Inc., aus Cupertino, Kalifornien.
Sendestift. 28 ist eine Teilschnittansicht eines Zweisignalsendestifts 30b, der einen Primärausgangssignalwandler 28 und einen Sekundärausgangssignalwandler 128 aufweist. Obwohl der Zweisignalsendestift 30b als ein Stift beschrieben ist, kann es sich dabei um eine beliebige Art von bewegbarer Sendevorrichtung handeln. Die Sendeschaltungsanordnung 40, die mit dem Sekundärausgangssignalwandler 128 durch Anschlussleitungen 42a und 42b verbunden ist, regt den Sekundärausgangssignalwandler 128 an, ein sekundäres Ausgangssignal 116 zu erzeugen. Die Sendeschaltungsanordnung 40 ist auch mit dem Primärausgangssignalwandler 28 durch Anschlussleitungen 46a und 46b verbunden und regt den Primärausgangssignalwandler 28 an, ein primäres Ausgangssignal 16 zu erzeugen. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Pulsfolge des primären Ausgangssignals 16 eine periodische Frequenz von 100 Pulsen pro Sekunde auf.
29 ist eine detaillierte Schnittansicht der Zeigespitze 36 eines Zweisignalsendestifts 30c, der einen ersten Ausgangssignalwandler 28 und einen Sekundärausgangssignalwandler 128 aufweist. 30 ist eine perspektivische Teilansicht der Zeigespitze 36 eines Zweisignalsendestifts 30c, der eine Mehrzahl von Sekundärausgangssignalwandlern 128 und einen einzigen piezoelektrischen Primärausgangssignalwandler 28 aufweist. Ein optionaler Fingerschutz 38 schützt die Sekundärausgangssignalwandler 128 und den Primärausgangssignalwandler 28.
Kombiniertes Ausgangssignalsenden. 31 ist eine schematische Ansicht des Sendens einer Zweisignalpulsfolge 89b von einem Zweisignalsendestift 30c, das ein wiederholtes erstes Ausgangssignal 16, das eine Periode P₁ 95 aufweist, und ein wiederholtes zweites Ausgangssignal 116 aufweist, das eine Periode P₂ 105 aufweist. 32 zeigt eine wiederholte Zweiausgangssignalpulsfolge 89b, wie dieselbe von einem Zweisignalsendestift 30c gesendet wird.
Das erste Ausgangssignal 16, wie es im Vorhergehenden für den Einsignalsendestift 30a, 30b beschrieben ist, ist normalerweise ein Ultraschallausgangssignal 16, das von ein oder mehr Ultraschallwandlern 28 gesendet wird, die in der Nähe der Zeigespitze 36 des Zweisignalsendestifts 30c angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Ultraschallwandler 28 eine zylindrische geschichtete piezoelektrische Schicht 56, die von einer äußeren leitfähigen Schicht 54a und einer inneren leitfähigen Schicht 54b umgeben ist, die mit der Sendeschaltungsanordnung 40 durch Anschlussleitungen 46a und 46b und Anschlussverbindungen 52a und 52b verbunden ist. Bei einem weiteren Ausführungs beispiel ist der verwendete Ultraschallwandler 28 Art. Nr. AT/R 40-10P, hergestellt von Nippon Ceramic Co. Ltd. aus Tottori-Shi, Japan.
Das zweite Ausgangssignal 116 ist normalerweise ein Infrarotausgangssignal 116, das von ein oder mehr Infrarotwandlern 128 gesendet wird, die in der Nähe der Zeigespitze 36 des Zweisignalsendestifts 30c angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Infrarotwandler 128 Art. Nr. SFH426, hergestellt von Siemens Microelectronics, Inc., aus Cupertino, Kalifornien. Obwohl nur ein Infrarotwandler 128 erforderlich ist, wird die Verwendung von mehr als einem Infrarotwandler 128 bevorzugt, da dieselbe ein besseres Sichtliniensenden des zweiten Ausgangssignals 116 zu dem Zweisignalempfängergehäuse 118 ermöglicht, derart, dass der Zweisignalsendestift 30c durch den Benutzer gedreht werden kann.
Zweisignalsendestiftlokalisierungsprozess. Der Zweisignalsendestiftlokalisierungsprozess, der ein wiederholtes Senden eines ersten Ausgangssignals 16 und eines zweiten Ausgangssignals 116 verwendet, um den Zweisignalsendestift 30c relativ zu der Schreibfläche 14 einer Oberfläche 12 zu lokalisieren, weist folgende Schritte auf:

i) wiederholtes Senden eines ersten Ausgangssignals 16, das eine erste Ausbreitungszeit aufweist, von dem Zweisignalsendestift 30c zu zumindest zwei ersten Signalempfängern 20a, 20b an einem Empfängerort 18;
ii) Senden eines zweiten Ausgangssignals 116, das eine Ausbreitungszeit aufweist, die sich von der Ausbreitungszeit des ersten Ausgangssignals 16 unterscheidet, von dem Zweisignalsendestift 30b zu einem zweiten Signalempfänger 120
iii) Bestimmen der Entfernung von dem Sendestift 30 zu dem Empfängerort 18 basierend auf der Ankunftszeit des zweiten Ausgangssignals 116 bei dem zweiten Ausgangssignalempfänger und der Ankunftszeit des ersten Ausgangssignals 16 zu zumindest einem der zwei ersten Ausgangssignalempfänger 20a, 20b an dem Empfängerort 18;
iv) Bestimmen der Ankunftsrichtung für das erste Ausgangssignal 16 zwischen dem Zweisignalsendestift 30c und dem Empfängerort 18 basierend auf der Phasendifferenz des zweiten Ausgangssignals 16 bei jedem der zweiten Signalempfänger 20a, 20b an dem Empfängerort 18; und
v) Bestimmen des Orts des Sendestifts 30 basierend auf der bestimmten Entfernung von dem Sendestift 30 zu dem Empfängerort 18 und auf der bestimmten Ankunftsrichtung des ersten Ausgangssignals 16 zwischen dem Zweisignalsendestift 30b und dem Empfängerort 18.

Bei den meisten Ausführungsbeispielen ist das erste Ausgangssignal 16 auf ähnliche Weise gedämpft, wenn dasselbe an jedem der ersten Ausgangssignalempfänger 20a, 20b an dem Zweisignalempfängerort 118 ankommt, was ermöglicht, dass eine genaue bestimmte Richtung berechnet wird, wie es im Vorhergehenden für das Einsignalankunftsrichtungssendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c beschrieben ist. Wie bei dem Einsignalsendestiftlokalisierungssystem 10a, 10b, 10c speichert 99 (26) das Zweisignalsendestiftlokalisierungssystem 10g bevorzugt die empfangenen ersten Ausgangssignale 16b, die an jedem der ersten Signalempfänger 20a, 20b empfangen werden, wobei normalerweise die vorangegangenen ersten Ausgangssignale 16a ersetzt werden, wobei der Prozess für das nächste empfangene erste Ausgangssignal 16b wiederholt wird. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Genauigkeit weiter verbessert, indem mehr als ein vorangegangener erster Ausgangssignalpuls 16 gespeichert wird und das eingehende erste Ausgangssignal 16b mit einer Mehrzahl von vorangegangenen ersten Ausgangssignalen 16a verglichen wird.
Ergänzungsinformationen bei dem Zweisignalsystem. Die Ausgangssignalcharakteristika der Schaltungsanordnung 40 und charakteristische Senderausgangssignale 16, 116 können optional sekundäre Informationen an die externen Empfänger 20a, 20b, 120 übermitteln. Derartige Ergänzungsinformationen können Stiftaktivierungsstatus oder Stifttypen, wie z. B. Stifte unterschiedlicher Farbe, oder für Stifte unterschiedlicher Breite oder sogar für berechnete Linientypen, wie z. B. für gestrichelte Linien, umfassen. Bei Systemen, bei denen mehr als ein Benutzer auf der Schreibfläche 14 der Oberfläche 12 entweder sequentiell oder gleichzeitig schreiben, können die Sendestifte 30c optional den bestimmten Benutzer jedes Sendestifts 30a übermitteln.
Wie es im Vorhergehenden für die Einsignalsendestifte 30a, 30b erörtert wurde, kann das erste Ausgangssignal 16 modifiziert werden, um Ergänzungsinformationen zu senden. Außerdem kann das zweite Ausgangssignal 116 modifiziert werden, um Ergänzungsinformationen zu senden. 33 zeigt ein zweites Ausgangssignal 116, das codierte Informationen 126, die eine Stift-oben-Position 129a anzeigen, und Ergänzungsinformationen 126c–126e umfasst. 34 zeigt ein zweites Ausgangssignal 116, das codierte Informationen 126, die eine Stift-unten-Position 129b anzeigen, und Ergänzungsinformationen 126c–126e umfasst. 33 zeigt ein sekundäres Ausgangssignal 116, das eine Stift-oben-Position 129a unter Verwendung eines einzigen Pulses 126a und codierte Ergänzungsinformationen 126c–126e anzeigt. 34 zeigt ein sekundäres Ausgangssignal 116, das eine Stiftunten-Position 129b unter Verwendung von zwei Pulsen 126a und 126b und codierte Ergänzungsinformationen 126c–126e anzeigt. In 33 umfasst das sekundäre Ausgangssignal 116 einen einzigen Infrarotpuls 126a innerhalb eines Zeit fensters 131a, um eine „Stift-oben"-Position 129a zu bezeichnen. Bei dem gleichen Ausführungsbeispiel umfasst das erste Ausgangssignal 116 zwei eng beabstandete Infrarotpulse 126a und 126b, um eine „Stift-unten"-Position 129b zu bezeichnen, wie es in 34 gezeigt ist. Die Ergänzungsinformationen 126c–126e liefern Bitinformationen, die Stiftcharakteristika definieren, wie z. B. bestimmte Farbe, Breite, Linientyp oder Benutzeridentifikation (z. B. Verfasser).
Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 33 und 34 gezeigt ist, ist eine Zeitlinie 124 in diskrete Fenster 131a–131d gebrochen, wobei die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Infrarotpulses 126c–126e eine binäre „0" oder „1" anzeigt, die mit Pulsen in den anderen Fenstern 131a–131d entlang der Zeitlinie 124 kombiniert werden kann, um eine Stiftfarbe oder einen -typ zu spezifizieren. Auf diese Weise wird das Vorhandensein eines Infrarotsignalpulses 126 in einem Fenster 131 als ein Bit in einer Zahl identifiziert.
Zum Beispiel werden bei einer Drei-Bit-Zahl drei Fenster 131b–131d von 25–50 ms, 50–75 ms und 75–100 ms verwendet, um eine Stiftfarbe zu spezifizieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das erste Fenster 131a von 0–25 ms verwendet, um das sekundäre Ausgangssignal 116 bezüglich des primären Ultraschallsignals 16 in einer Signalpulsfolge 89b zu starten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Drei-Bit-Zahl gewählt, um eine Stiftfarbe oder einen -typ darzustellen. Binärsignale spezifizieren diese Ergänzungsinformationen (z . B. 1 = schwarz; 2 = rot; 3 = grün; 4 = blau). Bei dem Beispiel, das in 33 gezeigt ist, ist die Binärzahl für das 25–50 ms-Fenster 131b eine „0"; die Binärzahl für das 50–75 ms-Fenster 131c ist eine „1"; und die Binärzahl für das 75–100 ms-Fenster 131d ist eine „1". Dies ergibt eine Binärzahl von „011" oder eine „3", die eine Stiftfarbe grün für einen Zweisignalsendestift 30c in einer „Oben"-Position 129a spezifiziert. Der gleiche „grüne" Sendestift 30c ist in 34 in der Unten-Position 129b gezeigt.
Obwohl das Sendestiftlokalisierungssystem 10 und seine Verwendungsverfahren hier im Zusammenhang mit Computereingabesystemen beschrieben sind, können die Techniken je nach Wunsch für andere Steuer- oder Anzeigevorrichtungen oder eine beliebige Kombination derselben implementiert werden.

Claims

Ein Lokalisierungssystem zwischen einer bewegbaren Vorrichtung (30c) und einem Empfängerort (118), das folgende Merkmale aufweist: ein erstes Ausgangssignal (16), das eine erste Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, wobei das erste Ausgangssignal (16) wiederholt von der bewegbaren Vorrichtung (30c) zu einer Mehrzahl von ersten Signalempfängern (20a, 20b) an dem Empfängerort (118) gesendet wird, wobei die Zeit, um jeden der ersten Signalempfänger (20a, 20b) zu erreichen, von einer Entfernung zwischen der bewegbaren Vorrichtung (30c) und jedem der Mehrzahl von ersten Signalempfängern (20a, 20b) abhängt; ein zweites Ausgangssignal (116), das eine zweite Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, die sich von der ersten Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Ausgangssignals (16) unterscheidet, wobei das zweite Ausgangssignal wiederholt von der bewegbaren Vorrichtung (30c) zu einem zweiten Signalempfänger (120) an dem Empfängerort (118) gesendet wird; und eine Einrichtung zum Bestimmen eines Ortes der bewegbaren Vorrichtung (30c) unter Verwendung des ersten Ausgangssignals (16), das an der Mehrzahl von ersten Signalempfängern (20a, 20b) empfangen wird, um eine Ankunftsrichtung des ersten Signals (16) zu dem Empfängerort (20a, 20b) zu bestimmen, und unter Verwendung des zweiten Ausgangssignals (116), um eine Entfernung von der bewegbaren Vorrichtung (30c) zu dem Empfängerort (118) zu berechnen.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem das empfangene erste Ausgangssignal mit einem gespeicherten vorangegangenen ersten Ausgangssignal verglichen wird.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Bestimmen eines Ortes der bewegbaren Vorrichtung ein gespeichertes vorangegangenes gesendetes erstes Ausgangssignal verwendet, um eine Entfernung von dem bewegbaren Sender zu jedem der Mehrzahl von ersten Signalempfängern zu berechnen.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Bestimmen eines Ortes der bewegbaren Vorrichtung programmierbar ist.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Ausgangssignal ein wiederholbares Merkmal umfasst, und wobei die Einrichtung zum Bestimmen eines Ortes der bewegbaren Vorrichtung das wiederholbare Merkmal des ersten Ausgangssignals und eines gespeicherten vorangegangenen gesendeten ersten Ausgangssignals vergleicht.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Bestimmen eines Ortes der bewegbaren Vorrichtung das erste Ausgangssignal und ein gespeichertes vorangegangenes gesendetes erstes Ausgangssignal normiert.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Ausgangssignal ein elektromagnetisches Ausgangssignal oder ein Infrarotausgangssignal ist.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Ausgangssignal einen ersten Signalzustand und einen zweiten Signalzustand aufweist.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 8, bei dem die bewegbare Vorrichtung ein Sendestift ist, wobei der erste Signalzustand einer Stift-oben-Position des Sendestiftes entspricht, und wobei der zweite Signalzustand einer Stift-unten-Position des Sendestifts entspricht.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Ausgangssignal codierte Informationen bezüglich der bewegbaren Vorrichtung enthält.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 10, bei dem die codierten Informationen eine bestimmte Farbe der bewegbaren Vorrichtung oder eine bestimmte Linienbreite der bewegbaren Vorrichtung oder eine bestimmte Linienart der bewegbaren Vorrichtung oder eine Benutzeridentifikation der bewegbaren Vorrichtung umfassen.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Ausgangssignal ein Ultraschallsendesignal ist.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine drahtlose Verbindung zwischen dem Empfängerort und der Einrichtung zum Bestimmen eines Orts der bewegbaren Vorrichtung.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: einen definierten Funktionsbereich, wodurch eine bewegbare Vorrichtung selektiv aktiviert wird, um Funktionen an einen Computer zu senden.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Ausgangssignal codierte Informationen bezüglich der bewegbaren Vorrichtung enthält.
Das Lokalisierungssystem gemäß Anspruch 15, bei dem die codierten Informationen eine bestimmte Farbe der bewegbaren Vorrichtung oder eine bestimmte Linienbreite der bewegbaren Vorrichtung oder eine bestimmte Linienart der bewegbaren Vorrichtung oder eine Benutzeridentifikation der bewegbaren Vorrichtung umfassen.
Ein Prozess zum Berechnen eines Ortes einer bewegbaren Vorrichtung relativ zu einer Oberfläche, der folgende Schritte aufweist: wiederholtes Senden eines ersten Ausgangssignals (16), das eine erste Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, von der bewegbaren Vorrichtung (30c) zu zumindest zwei ersten Signalempfängern (20a, 20b) an einem Empfängerort (118); wiederholtes Senden eines zweiten Ausgangssignals (116), das eine zweite Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, die sich von der ersten Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Ausgangssignals (16) unterscheidet, von der bewegbaren Vorrichtung (30c) zu einem zweiten Signalempfänger (120) an dem Empfängerort (118); Bestimmen einer Entfernung von der bewegbaren Vorrichtung (30c) zu dem Empfängerort (118) basierend auf einer Ankunftszeit des zweiten Ausgangssignals (116) bei dem zweiten Signalempfänger (120) und einer Ankunftszeit des ersten Ausgangssignals (16) zu zumindest einem der ersten Signalempfänger (20a, 20b) an dem Empfängerort (118); Bestimmen einer Ankunftsrichtung für das erste Ausgangssignal (16) zwischen der bewegbaren Vorrichtung (30c) und dem Empfängerort (118) basierend auf der Ankunftszeit des zweiten Ausgangssignals (116) bei jedem der zweiten Signalempfänger (120) an dem Empfängerort (118); und Berechnen des Ortes der bewegbaren Vorrichtung (30c) basierend auf der bestimmten Entfernung von der bewegbaren Vorrichtung (30c) zu dem Empfängerort (118) und auf der bestimmten Ankunftsrichtung des ersten Ausgangssignals (16) zwischen der bewegbaren Vorrichtung (30c) und dem Empfängerort (118).
Der Prozess gemäß Anspruch 17, der ferner folgenden Schritt aufweist: Vergleichen des ersten Ausgangssignals mit einem vorangegangenen ersten Ausgangssignal.
Der Prozess gemäß Anspruch 18, bei dem der Schritt des Vergleichens das erste Ausgangssignal, das an jedem der Mehrzahl von ersten Signalempfängern empfangen wird, mit einer Mehrzahl der gespeicherten vorangegangenen ersten Ausgangssignale vergleicht, die an jedem der Mehrzahl von ersten Signalempfängern empfangen wurden, um eine Entfernung von der bewegbaren Vorrichtung zu jedem der Mehrzahl von ersten Signalempfängern zu berechnen.
Der Prozess gemäß Anspruch 18, bei dem der Schritt des Vergleichens des ersten Ausgangssignals und des gespeicherten vorangegangenen ersten Ausgangssignals programmierbar ist.
Der Prozess gemäß Anspruch 18, bei dem das erste Ausgangssignal und das gespeicherte vorangegangene erste Ausgangssignal ein wiederholbares Merkmal umfassen, und wobei der Schritt des Vergleichens das wiederholbare Merkmal des ersten Ausgangssignals und des gespeicherten vorangegangenen ersten Ausgangssignals vergleicht.
Der Prozess gemäß Anspruch 17, bei dem die Oberfläche eine Weißwandtafel ist.
Der Prozess gemäß Anspruch 17, bei dem das zweite Ausgangssignal ein elektromagnetisches Ausgangssignal oder ein Infrarotausgangssignal ist.
Der Prozess gemäß Anspruch 17, bei dem das zweite Ausgangssignal einen ersten Signalzustand und einen zweiten Signalzustand aufweist.
Der Prozess gemäß Anspruch 24, bei dem der erste Signalzustand einer Stift-oben-Position der bewegbaren Vorrichtung entspricht, und bei dem der zweite Signalzustand einer Stift-unten-Position der bewegbaren Vorrichtung entspricht.
Der Prozess gemäß Anspruch 17, bei dem das zweite Ausgangssignal codierte Informationen bezüglich der bewegbaren Vorrichtung enthält.
Der Prozess gemäß Anspruch 26, bei dem die codierten Informationen eine bestimmte Farbe der bewegbaren Vorrichtung oder eine bestimmte Linienbreite der bewegbaren Vorrichtung oder eine bestimmte Linienart der bewegbaren Vorrichtung oder eine Benutzeridentifikation der bewegbaren Vorrichtung umfassen.
Der Prozess gemäß Anspruch 26, bei dem das erste Ausgangssignal ein Ultraschallsendesignal ist.
Der Prozess gemäß Anspruch 17, der ferner folgenden Schritt aufweist: Liefern einer drahtlosen Verbindung zwischen dem Empfängerort und einem Signalprozessor.
Der Prozess gemäß Anspruch 17, der ferner folgenden Schritt aufweist: Definieren eines Funktionsbereichs an der Oberfläche, wodurch die bewegbare Vorrichtung selektiv aktiviert wird, um Informationen an einen Computer zu senden.
Der Prozess gemäß Anspruch 17, bei dem das erste Ausgangssignal codierte Informationen bezüglich der bewegbaren Vorrichtung enthält.
Der Prozess gemäß Anspruch 31, bei dem die codierten Informationen eine bestimmte Farbe der bewegbaren Vorrichtung oder eine bestimmte Linienbreite der bewegbaren Vorrichtung oder eine bestimmte Linienart der bewegbaren Vorrichtung oder eine Benutzeridentifikation der bewegbaren Vorrichtung umfassen.