ITTO970136A1 - OPTOELECTRONIC SYSTEM FOR THE DETECTION OF THE SPACE COORDINATES OF AN OBJECT - Google Patents
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Description
Descrizione dell'Invenzione Industriale avente per titolo: Description of the Industrial Invention entitled:
"Sistema optoelettronico per il rilevamento delle coordinate spaziali di un oggetto" "Optoelectronic system for detecting the spatial coordinates of an object"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un sistema optoelettronico per il rilevamento delle coordinate spaziali di un oggetto. The present invention refers to an optoelectronic system for detecting the spatial coordinates of an object.
Le applicazioni di tale sistema note nella tecnica coprono svariati campi, i più comuni dei quali sono le applicazioni multimediali che impiegano calcolatori, i sistemi di rilevamento del corpo umano in movimento nello spazio ed i dispositivi di puntamento per calcolatori. The applications of this system known in the art cover various fields, the most common of which are multimedia applications using computers, systems for detecting the human body moving in space and pointing devices for computers.
I dispositivi attualmente utilizzati in questi campi hanno le seguenti limitazioni: The devices currently used in these fields have the following limitations:
nelle applicazioni multimediali, i dispositivi sono molto costosi poiché impiegano sensori di derivazione industriale normalmente molto più accurati del necessario (accelerometri, giroscopi, sistemi meccanici, ecc.); in multimedia applications, the devices are very expensive since they use sensors of industrial origin which are usually much more accurate than necessary (accelerometers, gyroscopes, mechanical systems, etc.);
nei sistemi di rilevamento del corpo umano in movimento nello spazio, si utilizzano soluzioni meccaniche che sono assai complesse e costose da realizzare ; in systems for detecting the human body moving in space, mechanical solutions are used which are very complex and expensive to implement;
in molti casi sarebbe sufficiente un dispositivo con bassa linearità e precisione e solo due gradi di libertà (ad esempio il sistema di puntamento per un calcolatore). in many cases a device with low linearity and precision and only two degrees of freedom would be sufficient (for example the pointing system for a computer).
Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore, fornendo un sistema optoelettronico di semplice costruzione e bassissimo costo per il rilevamento delle sei coordinate spaziali (tre coordinate cartesiane e tre coordinate angolari) di un oggetto. The object of the present invention is to solve the aforesaid problems of the prior art, providing an optoelectronic system of simple construction and very low cost for detecting the six spatial coordinates (three Cartesian coordinates and three angular coordinates) of an object.
I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell'invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un sistema optoelettronico come quelli descritti nelle rivendicazioni 1, 3 e 5. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l'oggetto delle rivendicazioni 2, 4 e da 6 a l3. The aforesaid and other objects and advantages of the invention, as will emerge from the following description, are achieved with an optoelectronic system such as those described in claims 1, 3 and 5. Preferred embodiments and non-trivial variants of the present invention form the object of claims 2, 4 and 6 to 13.
La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: The present invention will be better described by some preferred embodiments, provided by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:
la Figura 1 è una vista schematica che illustra il principio generale di funzionamento del sistema optoelettronico della presente invenzione; Figure 1 is a schematic view illustrating the general operating principle of the optoelectronic system of the present invention;
la Figura 2 è una vista schematica che illustra il principio di funzionamento di una forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 2 is a schematic view illustrating the principle of operation of an embodiment of the present invention;
la Figura 3 è una vista schematica che illustra il principio di funzionamento di un'altra forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 3 is a schematic view illustrating the principle of operation of another embodiment of the present invention;
- la Figura 4 è uno schema a blocchi di una prima possibile realizzazione pratica del sistema optoelettronico secondo la presente invenzione; Figure 4 is a block diagram of a first possible practical embodiment of the optoelectronic system according to the present invention;
- la Figura 5 è uno schema a blocchi di una seconda possibile realizzazione pratica del sistema optoelettronico secondo la presente invenzione; Figure 5 is a block diagram of a second possible practical embodiment of the optoelectronic system according to the present invention;
- la Figura 6 è una vista in prospettiva di una possibile realizzazione di un ricevitore secondo la presente invenzione; e Figure 6 is a perspective view of a possible embodiment of a receiver according to the present invention; And
la Figura 7 è una vista dall'alto del ricevitore di Figura 6. Figure 7 is a top view of the receiver of Figure 6.
Con riferimento in particolare alle Figure da 1 a 3, verranno dapprima illustrati i principi teorico-pratici di funzionamento del sistema optoelettronico della presente invenzione, tenendo presente che esso è comunque adatto per il riconoscimento delle posizione di un oggetto nello spazio a vari livelli di completezza e di precisione anche superiori a quelli raffigurati. With reference in particular to Figures 1 to 3, the theoretical-practical operating principles of the optoelectronic system of the present invention will be first illustrated, bearing in mind that it is in any case suitable for recognizing the position of an object in space at various levels of completeness. and precision even higher than those shown.
Il principio di funzionamento del sistema si basa sulle caratteristiche di direzionalità di un rivelatore o ricevitore ovvero sulla· dipendenza della sensibilità del ricevitore dall'angolo di provenienza del segnale da rilevare. The operating principle of the system is based on the directional characteristics of a detector or receiver or on the dependence of the sensitivity of the receiver on the angle of origin of the signal to be detected.
Ne è un esempio la sensibilità di un microfono direzionale avente la caratteristica forma a cardioide, mentre un rivelatore fotosensibile ha una sensibilità di tipo "coseno" (proporzionale al coseno dell'angolo tra la direzione di propagazione del segnale e la normale alla'superficie sensibile del rivelatore). An example is the sensitivity of a directional microphone having the characteristic cardioid shape, while a photosensitive detector has a "cosine" sensitivity (proportional to the cosine of the angle between the direction of propagation of the signal and the normal to the sensitive surface detector).
E' chiaro che, dato un ricevitore con una sua caratteristica direzionalità e un trasmettitore di segnale, dalla sola misura dell'intensità del segnale rilevato dal ricevitore non si hanno sufficienti informazioni sulla posizione reciproca tra trasmettitore e ricevitore in quanto l'ampiezza del segnale ricevuto può dipendere sia dalla direzione da cui arriva il segnale (direzione in cui si pone il trasmettitore), sia dalla distanza a cui si pone il trasmettitore, sia dalla potenza del trasmettitore stesso. It is clear that, given a receiver with its own characteristic directionality and a signal transmitter, only from the measurement of the intensity of the signal detected by the receiver we do not have sufficient information on the reciprocal position between transmitter and receiver as the amplitude of the received signal it can depend both on the direction from which the signal arrives (direction in which the transmitter is placed), on the distance at which the transmitter is placed, and on the power of the transmitter itself.
Per avere informazioni relative alla posizione spaziale reciproca di un trasmettitore e di un ricevitore, si può ricorrere a diverse soluzioni: To obtain information on the mutual spatial position of a transmitter and a receiver, various solutions can be used:
- muovere il ricevitore alla ricerca della massima sensibilità; - move the receiver in search of maximum sensitivity;
- moltiplicare i trasmettitori collocandoli in diversi punti dello spazio (in questo caso è necessario conoscere a priori la potenza dei singoli trasmettitori); - multiply the transmitters by placing them in different points of the space (in this case it is necessary to know in advance the power of the individual transmitters);
moltiplicare i ricevitori collocandoli fisicamente nello stesso centroide ma dotandoli di diverso orientamento spaziale (in questo caso occorre conoscere le sensibilità dei diversi ricevitori) . multiply the receivers by physically placing them in the same centroid but providing them with different spatial orientation (in this case it is necessary to know the sensitivities of the different receivers).
Tenendo presente questo principio, per collocarsi nello spazio tridimensionale è sufficiente disporre di un numero adeguato di ricevitori e trasmettitori: il rapporto tra di essi fornisce le informazioni cercate; qualora il numero di trasmettitori/ricevitori sia maggiore del minimo sufficiente, si creerà una ridondanza di informazioni che serve a migliorare la conoscenza della posizione e per permettere al sistema di funzionare anche quando non tutti i trasmettitori sono in vista. Keeping this principle in mind, to place oneself in three-dimensional space it is sufficient to have an adequate number of receivers and transmitters: the relationship between them provides the information sought; if the number of transmitters / receivers is greater than the minimum sufficient, a redundancy of information will be created which serves to improve the knowledge of the position and to allow the system to operate even when not all transmitters are in sight.
A livello concettuale dato un insieme di trasmettitori con coordinate di ciascuno note singolarmente ed emissione di ciascuno identificabile univocamente, è possibile da un singolo ricevitore dotato di un sufficiente numero di elementi ricavare la propria posizione spaziale con sei gradi di libertà (tre coordinate cartesiane e tre coordinate angolari), purché esso riceva il segnale da un numero sufficiente di trasmettitori. On a conceptual level, given a set of transmitters with coordinates of each known individually and emission of each uniquely identifiable, it is possible from a single receiver equipped with a sufficient number of elements to obtain its spatial position with six degrees of freedom (three Cartesian coordinates and three angular coordinates), provided that it receives the signal from a sufficient number of transmitters.
E' importante notare anche che, a rigore, è possibile invertire il ruolo di trasmettitori e ricevitori in quanto il principio di funzionamento rimane invariato: esso si basa sempre sulla misura dell'angolo relativo trasmettitore-sensore indipendentemente dal fatto che il sistema di riferimento sia costituito da trasmettitori e siano(I i sensori a muoversi nello spazio o che invece siano i trasmettitori a muoversi in uno spazio definito da una serie di ricevitori. Inoltre non è detto che il numero dei ricevitori e trasmettitori debba essere uguale in quanto, purché si abbiano sufficienti gradi di libertà, il sistema potrebbe funzionare anche con un solo ricevitore o con un solo trasmettitore, come si vedrà meglio in seguito. It is also important to note that, strictly speaking, it is possible to reverse the role of transmitters and receivers as the operating principle remains unchanged: it is always based on the measurement of the relative transmitter-sensor angle regardless of whether the reference system is consisting of transmitters and are (I the sensors that move in space or that instead it is the transmitters that move in a space defined by a series of receivers. Furthermore, the number of receivers and transmitters must not be the same as, have sufficient degrees of freedom, the system could also work with a single receiver or with a single transmitter, as will be seen better later.
Verranno ora discussi gli aspetti concettuali su cui si basa il sistema optoelettronico della presente invenzione. The conceptual aspects on which the optoelectronic system of the present invention is based will now be discussed.
Nelle comunicazioni a breve distanza, i dispositivi ad infrarossi sono attualmente la soluzione tecnologica più conveniente anche se è ovvio che la presente invenzione è applicabile anche a dispositivi funzionalmente equivalenti di cui si abbia disponibilità al momento. In short distance communications, infrared devices are currently the most convenient technological solution even if it is obvious that the present invention is also applicable to functionally equivalent devices that are currently available.
Si consideri pertanto il caso di un rivelatore di fotoni a semiconduttori quale il classico rivelatore a giunzione P-N di silicio: polarizzandolo inversamente, la corrente che attraversa la giunzione e quindi il segnale elettrico utile, è proporzionale al numero di fotoni incidenti sul rivelatore, trascurando in prima approssimazione le perdite per riflessione. Consider therefore the case of a semiconductor photon detector such as the classic silicon P-N junction detector: by biasing it inversely, the current that crosses the junction and therefore the useful electrical signal, is proportional to the number of photons incident on the detector, neglecting in first approximation the losses by reflection.
Con riferimento alla Fig . 1, dato un rivelatore piano di area A e di forma qualunque e data una sorgente di fotoni paralleli (un caso ideale è una sorgente posta a distanza infinita, ma nel caso pratico è sufficiente che la distanza tra rivelatore e sorgente sia molto maggiore delle dimensioni fisiche della sorgente stessa e del rivelatore) che genera un flusso φ (fotoni/sec*area), il segnale elettrico S generato sul rivelatore è proporzionale al coseno dell'angolo formato dalla direzione di propagazione dei fotoni con la normale alla superficie del rivelatore (sempre trascurando in prima approssimazione gli effetti della riflessione), ovvero alla proiezione della superficie sul piano normale alla direzione di propagazione dei fotoni. Si ha pertanto: With reference to Fig. 1, given a plane detector of area A and of any shape and given a source of parallel photons (an ideal case is a source placed at an infinite distance, but in the practical case it is sufficient that the distance between the detector and the source is much greater than the dimensions of the source itself and of the detector) which generates a flux φ (photons / sec * area), the electrical signal S generated on the detector is proportional to the cosine of the angle formed by the direction of propagation of the photons with the normal to the detector surface ( always neglecting the effects of reflection as a first approximation), that is to the projection of the surface on the plane normal to the direction of propagation of the photons. We therefore have:
a = angolo tra la normale alla superficie del rivelatore e la direzione di propagazione di fotoni φ = flusso a = angle between the normal to the detector surface and the direction of photon propagation φ = flux
Se si considera ora, anziché una<' >sorgente di luce ordinaria, una sorgente di luce polarizzata linearmente, equipaggiando il sensore con un polarizzatore, si ha un segnale che dipende dalla rotazione del sensore rispetto all'asse che congiunge il sensore con l'emettitore, ovvero è proporzionale al coseno dell'angolo formato tra la direzione di polarizzazione della luce incidente e l'asse ottico del filtro polarizzatore. If we now consider, instead of an ordinary light source, a linearly polarized light source, equipping the sensor with a polarizer, we have a signal that depends on the rotation of the sensor with respect to the axis that joins the sensor with the emitter, i.e. it is proportional to the cosine of the angle formed between the polarization direction of the incident light and the optical axis of the polarizing filter.
Questo consente di guadagnare un grado di libertà senza aumentare il numero dei sensoritrasmettitori, e ciò può essere conveniente in applicazioni particolari che non consentano, per motivi di costi, spazi o altro, l'utilizzo della tecnica standard fino ad ora trattata. This allows to gain a degree of freedom without increasing the number of sensor-transmitters, and this can be convenient in particular applications that do not allow, for reasons of cost, space or other, the use of the standard technique discussed up to now.
Verranno ora illustrate due tecniche teoriche che consentono di rilevare l'otientamento di un oggetto su cui sono collegati i rivelatori di flusso di fotoni, rispetto ad un sistema di riferimento costituito da un insieme di emettitori di fotoni {generatori di flusso) senza la necessità di conoscere il valore del flusso φ, la sensibilità del sensore D e l'area A dello stesso. Two theoretical techniques will now be illustrated which allow to detect the orientation of an object on which the photon flux detectors are connected, with respect to a reference system consisting of a set of photon emitters (flux generators) without the need for know the value of the flow φ, the sensitivity of the sensor D and the area A of the same.
Le due tecniche descritte sono atte alla misura di un singolo angolo definito su un piano: si tratta quindi di un problema a una dimensione. Si vedrà più avanti che, moltiplicando gli elementi che formano il sistema, è possibile raggiungere la conoscenza delle sei coordinate che definiscono completamente un corpo rigido nello spazio. The two techniques described are suitable for measuring a single defined angle on a plane: it is therefore a one-dimensional problem. It will be seen later that, by multiplying the elements that form the system, it is possible to reach the knowledge of the six coordinates that completely define a rigid body in space.
Verrà ora descritta la prima tecnica teorica del sistema della presente invenzione. The first theoretical technique of the system of the present invention will now be described.
Con riferimento alla Fig. 2, l'oggetto sotto esame è dotato di almento due rilevatori a, b di uguale area e sensibilità, aventi rispettive normali Na e Nb e posti su due piani formanti un angolo β. With reference to Fig. 2, the object under examination is equipped with at least two detectors a, b of equal area and sensitivity, having respective normal Na and Nb and placed on two planes forming an angle β.
Considerando un flusso di fotoni normale alla retta di congiunzione dei due piani, l'angolo a formato dal flusso incidente con la normale Na al rilevatore a può essere ricavato dalle relazioni: Considering a photon flux normal to the line joining the two planes, the angle a formed by the incident flux with the normal Na to the detector a can be obtained from the relations:
Da questo rapporto si determina a, dato che l'angolo β è noto per costruzione ed il rapporto dei segnali generati dai due rilevatori viene misurato. From this ratio a is determined, since the angle β is known by construction and the ratio of the signals generated by the two detectors is measured.
Nel caso più semplice, che è anche illustrato in Fig. 2, se i due rilevatori a, b sono posti ad angolo retto (β = 90°), la relazione diventa: In the simplest case, which is also illustrated in Fig. 2, if the two detectors a, b are placed at right angles (β = 90 °), the relationship becomes:
e pertanto l'angolo or resta univocamente determinato in un campo di valori dal rapporto dei segnali sui due rilevatori. E' evidènte che il rapporto è determinato soltanto se entrambi i and therefore the angle o remains uniquely determined in a range of values by the ratio of the signals on the two detectors. It is evident that the relationship is determined only if both
rilevatori sono illuminati. Si può quindi facilmente dedurre che il campo massimo teorico di un siffatto sistema di misura è pari all'angolo <β >formato dai due rilevatori a, b. detectors are illuminated. It can therefore be easily deduced that the theoretical maximum field of such a measurement system is equal to the angle <β> formed by the two detectors a, b.
Verrà ora descritta la seconda tecnica teorica del sistema della presente invenzione. The second theoretical technique of the system of the present invention will now be described.
Con riferimento ora alla Fig. 3, si consideri il caso in cui l'oggetto di cui si desidera conoscere l'orientamento sia dotato di un solo rilevatore piano A e che il sistema di riferimento sia costituito da due sorgenti a’, b’ che emettono flussi di uguale intensità ed incidenti sul rilevatore A stesso ma non paralleli fra loro. With reference now to Fig. 3, consider the case in which the object whose orientation is to be known is equipped with a single plane detector A and that the reference system consists of two sources a ', b' which they emit flows of equal intensity and incident on detector A itself but not parallel to each other.
Si consideri anche, sempre per semplicità come nel caso di Fig. 2, che i vettori di direzione dei due flussi e la normale N al rilevatore A giacciano sullo stesso piano. It should also be considered, again for simplicity as in the case of Fig. 2, that the direction vectors of the two flows and the normal N to detector A lie on the same plane.
E' necessario che il rilevatore sia in grado di distinguere i fotoni provenienti dai due emettitori a<1>, b’, e questo è facilmente ottenibile modulando i flussi e demodulando i segnali ottenuti in modo sincrono o asincrono. The detector must be able to distinguish the photons coming from the two emitters a <1>, b ', and this is easily achieved by modulating the flows and demodulating the signals obtained in a synchronous or asynchronous way.
Definiti i flussi relativi ai due The flows relating to the two have been defined
emettitori a', b' captati dal rilevatore A, con riferimento alla Fig. 3 e dove K è una costante che dipende dalla sensibilità e dall'area del rilevatore A, si ha: emitters a ', b' captured by detector A, with reference to Fig. 3 and where K is a constant that depends on the sensitivity and on the area of detector A, we have:
Pertanto, dal rapporto dei segnali e dal valore noto di β, si determina univocamente l'angolo di orientamento del rilevatore rispetto al sistema di riferimento. Analogamente al caso precedente, l'angolo β definisce il campo di angoli in cui il sistema può funzionare: in questo caso l'escursione massima è di 180° - β. Therefore, the orientation angle of the detector with respect to the reference system is uniquely determined from the ratio of the signals and the known value of β. Similarly to the previous case, the angle β defines the range of angles in which the system can work: in this case the maximum excursion is 180 ° - β.
Quanto visto in precedenza si riferisce alla misura dell'angolo di orientamento di un oggetto rotante intorno ad un asse: come si e già detto, aumentando il numero di rilevatori e trasmettitori, è possibile conoscere l'orientamento di un oggetto nello spazio tridimensionale, ovvero le coordinate angolari dell'oggetto. What we saw above refers to the measurement of the angle of orientation of an object rotating around an axis: as already mentioned, by increasing the number of detectors and transmitters, it is possible to know the orientation of an object in three-dimensional space, that is the angular coordinates of the object.
Nel caso in cui i trasmettitori non siano posti a distanza infinita (caso reale), l'angolo relativo sensore-trasmettitore dipende non solo dall'orientamento dell'oggetto nello spazio (i tre angoli di Eulero), ma anche dalle coordinate cartesiane del suo baricentro ottico: in questo modo si identifica completamente la posizione spaziale dell'oggetto con sei gradi di libertà. If the transmitters are not placed at an infinite distance (real case), the relative sensor-transmitter angle depends not only on the orientation of the object in space (the three Euler angles), but also on the Cartesian coordinates of its optical center of gravity: in this way the spatial position of the object with six degrees of freedom is completely identified.
Si può concludere, quindi, che· in uno spazio illuminato da una o più sorgenti di radiazione di cui siano note le coordinate cartesiane, e disponendo di un solido equipaggiato con uno o più sensori di cui siano noti gli orientamenti relativi, è possibile, a partire dei segnali rivelati dai sensori, calcolare gli angoli relativi solido-sorgenti e, da questi, calcolare le tre coordinate cartesiane e le tre coordinate angolari che definiscono completamente il solido stesso nel sistema di riferimento solidale con le sorgenti. It can therefore be concluded that in a space illuminated by one or more radiation sources whose Cartesian coordinates are known, and having a solid equipped with one or more sensors whose relative orientations are known, it is possible to starting from the signals detected by the sensors, calculate the relative solid-source angles and, from these, calculate the three Cartesian coordinates and the three angular coordinates that completely define the solid itself in the reference system integral with the sources.
Con riferimento ora alle Figure da 4 a verranno descritte due possibili realizzazioni pratiche del sistema optoelettronico secondo la presente invenzione. With reference now to Figures 4 to two possible practical embodiments of the optoelectronic system according to the present invention will be described.
Le applicazioni descritte sono relative al caso bidimensionale, .al' caso cioè in cui si vogliano conoscere solo due coordinate ortogonali, come ad esempio avviene in un dispositivo di puntamento per calcolatori. The applications described relate to the two-dimensional case, ie to the case in which only two orthogonal coordinates are to be known, as occurs for example in a pointing device for computers.
Il diagramma a blocchi di Fig. 4 descrive una prima realizzazione pratica del sistema utilizzabile con un numero n di di dispositivi di trasmissione ed 1 dispositivo di ricezione (o sensore-rilevatore). Il sistema di Fig. 4 comprende sostanzialmente un circuito di pilotaggio 1 che aziona un dispositivo di trasmissione 'composto da una pluralità di trasmettitori (in questo caso diodi emettitori di luce visibile o I.R. o U.V. o LED) 3, accendendoli in successione e regolandone l'intensità di emissione luminosa in funzione del segnale di intensità proveniente da un'unità demultiplexer sincrona 5, collegata al circuito di pilotaggio 1 tramite un oscillatore 6. Tale unità 5 è collegata al dispositivo di ricezione 7 tramite un preamplificatore 9, e separa il segnale del dispositivo di ricezione 7 in n segnali relativi agli n trasmettitori 3; inoltre, l'unità 5 genera un segnale proporzionale all'intensità totale da inviare all'unità 1, come detto. The block diagram of Fig. 4 describes a first practical embodiment of the system usable with a number n of transmission devices and 1 receiving device (or sensor-detector). The system of Fig. 4 substantially comprises a driving circuit 1 which activates a transmission device composed of a plurality of transmitters (in this case visible light emitting diodes or I.R. or U.V. or LEDs) 3, switching them on in succession and adjusting the 'intensity of light emission as a function of the intensity signal coming from a synchronous demultiplexer unit 5, connected to the driving circuit 1 through an oscillator 6. This unit 5 is connected to the receiving device 7 through a preamplifier 9, and separates the signal of the receiving device 7 in n signals relating to the n transmitters 3; moreover, the unit 5 generates a signal proportional to the total intensity to be sent to the unit 1, as mentioned.
L'effetto dell'unità 5 è inoltre quello di isolare i segnali utili dal rumore di fondo causato da altre sorgenti luminose presenti nell'ambiente. The effect of the unit 5 is also to isolate the useful signals from the background noise caused by other light sources present in the environment.
I segnali in uscita dall'unità demultiplexer 5 entrano in un circuito logico di ingresso 11, che elabora tali segnali e ne estrae le coordinate x, y. Entrambi i segnali di coordinata x, y (per comodità di rappresentazione si è illustrata solo la circuiteria collegata al segnale y, essendo essa identica a quella collegata al segnale x) entrano in ingresso su un derivatore 13, che calcola la "velocità" di spostamento delle coordinate e passa tali dati ad un circuito 15 per il calcolo del valore assoluto della direzione B e ad un circuito 17 per la generazione di un segnale di clock C: i suddetti segnali B e C rappresentano rispettivamente entità e verso dello spostamento del cursore sul monitor. Questi segnali B e C vengono inviati in ingresso ad un circuito logico di gestione 19 (analogo a quello utilizzato dagli attuali mouse), il quale a sua volta invia segnali in ingresso, ad esempio ad un personal computer (non illustrato) o a dispositivi di elaborazione equivalenti, per la relativa elaborazione. The output signals from the demultiplexer unit 5 enter an input logic circuit 11, which processes these signals and extracts their x, y coordinates. Both the x, y coordinate signals (for the sake of representation, only the circuitry connected to the y signal has been illustrated, since it is identical to the one connected to the x signal) enter into input on a differentiator 13, which calculates the "speed" of displacement coordinates and passes these data to a circuit 15 for the calculation of the absolute value of the direction B and to a circuit 17 for the generation of a clock signal C: the aforementioned signals B and C represent respectively the entity and direction of the cursor movement on the monitor. These signals B and C are sent in input to a management logic circuit 19 (similar to that used by current mice), which in turn sends input signals, for example to a personal computer (not shown) or to processing devices. equivalents, for its processing.
Il diagramma a blocchi di Fig. 5 descrive una seconda realizzazione pratica del sistema utilizzabile con 1 dispositivo di trasmissione ed una pluralità (in questo caso 4) di dispositivi di ricezione (o sensori-rilevatori). Il sistema di Fig. 5 comprende sostanzialmente un dispositivo di ricezione 21, che verrà meglio descritto in seguito, atto a rilevare la luce emessa da un dispositivo di trasmissione 23, che anche in questo caso è stato realizzato tramite un LED. Una rete di ingresso 25, collegata al dispositivo di ricezione 21 tramite un preamplificatore 27, estrae le coordinate di direzione x', y' dai segnali di ingresso dal dispositivo di ricezione 21 e fornisce un segnale ∑' proporzionale all'intensità totale di radiazione. Tali segnali vengono inviati ad un demodulatore sincrono 29, il quale estrae i segnali delle coordinate x, y ed il segnale ∑ di somma (intensità) dal rumore di fondo. Quest'ultimo segnale viene inviato ad un circuito di pilotaggio 31, collegato al deomdulatore sincrono 29 tramite un oscillatore 32, che aziona il dispositivo trasmettitore 23 sopra citato. The block diagram of Fig. 5 describes a second practical embodiment of the system which can be used with 1 transmission device and a plurality (in this case 4) of receiving devices (or sensor-detectors). The system of Fig. 5 substantially comprises a receiving device 21, which will be better described hereinafter, adapted to detect the light emitted by a transmission device 23, which also in this case has been realized by means of an LED. An input network 25, connected to the receiving device 21 through a preamplifier 27, extracts the x ', y' direction coordinates from the input signals from the receiving device 21 and supplies a signal ∑ 'proportional to the total intensity of radiation. These signals are sent to a synchronous demodulator 29, which extracts the signals of the x, y coordinates and the sum (intensity) signal ∑ from the background noise. This last signal is sent to a driving circuit 31, connected to the synchronous deomdulator 29 by means of an oscillator 32, which activates the transmitter device 23 mentioned above.
In modo del tutto analogo al caso precedente, i segnali di coordinata x, y (per comodità di rappresentazione si è illustrata solo la circuiteria collegata al segnale· y, essendo essa identica a quella collegata al segnale x) entrano in ingresso su un derivatore 33, che calcola la "velocità" di spostamento delle coordinate e passa tali dati ad un circuito 35 per il calcolo del valore assoluto della direzione B' e ad un circuito 37 per l'inviio di un segnale di clock C : i suddetti segnali B' e C rappresentano rispettivamente entità e verso dello spostamento del cursore sul monitor. Questi segnali B' e C vengono inviati in ingresso ad un circuito logico di gestione 39 (analogo a quello utilizzato dagli attuali mouse), il quale a sua volta invia segnali in ingresso, ad esempio ad un personal computer (non illustrato) o dispositivi di elaborazione equivalenti, per la relativa elaborazione. In a completely analogous way to the previous case, the x, y coordinate signals (for the sake of representation, only the circuitry connected to the y signal has been illustrated, since it is identical to that connected to the x signal) enter into input on a differentiator 33 , which calculates the "speed" of displacement of the coordinates and passes such data to a circuit 35 for the calculation of the absolute value of the direction B 'and to a circuit 37 for sending a clock signal C: the aforementioned signals B' and C represent respectively the amount and direction of the cursor movement on the monitor. These signals B 'and C are sent in input to a management logic circuit 39 (similar to that used by current mice), which in turn sends input signals, for example to a personal computer (not shown) or control devices. equivalent processing, for its processing.
Con riferimento ora alle Figure 6 e 7, è illustrata in maggior dettaglio una forma di realizzazione del dispositivo di ricezione, ad esempio il 21 in Fig. 5. Il dispositivo di ricezione 21 è costituito da un solido sostanzialmente piramidale, con tante facce 41 quante sono necessarie per garantire i rilevamenti richiesti (nelle Figure ne sono illustrate 4, a formare una piramide a base quadrata): ogni faccia 41 è costituita da un elemento fotosensibile che funge da elemento ricevitore vero e proprio. Sono possibili ovviamente una pluralità di conformazioni diverse del dispositivo di ricezione 21, sia per quanto riguarda il numero delle facce della piramide, sia per quanto riguarda la sua forma solida generica spaziale. With reference now to Figures 6 and 7, an embodiment of the receiving device is shown in greater detail, for example 21 in Fig. 5. The receiving device 21 is constituted by a substantially pyramidal solid, with as many faces 41 as they are necessary to guarantee the required detections (4 are illustrated in the Figures, forming a pyramid with a square base): each face 41 consists of a photosensitive element which acts as a real receiver element. Obviously, a plurality of different conformations of the receiving device 21 are possible, both as regards the number of faces of the pyramid and as regards its generic spatial solid shape.
Oltre alle applicazioni sopra descritte, sono possibili svariati utilizzi del sistema optoelettronico della presente invenzione. Come esempi non limitativi si ricordano i seguenti: In addition to the applications described above, various uses of the optoelectronic system of the present invention are possible. As non-limiting examples, the following are mentioned:
a) dispositivo di puntamento per calcolatore, utile per sostituire il cosiddetto e ben noto "mouse", da utilizzarsi volgendo la testa nella direzione in cui si vuole far muovere il cursore: per questa applicazione una possibile soluzione è uri dispositivo ricevitore-sensore a piramide con base triangolare o con base quadrata ed un trasmettitore . a) computer pointing device, useful to replace the so-called and well-known "mouse", to be used by turning the head in the direction in which you want to move the cursor: for this application a possible solution is a pyramid receiver-sensor device with triangular base or square base and a transmitter.
b) sistema di riconoscimento della posizione della testa nello spazio {cosiddetto casco multimediale virtuale), in cui il calcolatore di elaborazione può essere informato della posizione del casco con sei gradi di libertà; questa applicazione ha una possibile soluzione con un sensore a piramide con base quadrata o triangolare ed una pluralità di almeno tre trasmettitori. Per completezza, il sistema va affiancato dalla possibilità di "fare click" in qualche modo, per potersi completamente sostituire al mouse. b) system for recognizing the position of the head in space (so-called virtual multimedia helmet), in which the processing computer can be informed of the position of the helmet with six degrees of freedom; this application has a possible solution with a pyramid sensor with a square or triangular base and a plurality of at least three transmitters. For completeness, the system must be accompanied by the possibility of "clicking" in some way, to be able to completely replace the mouse.
Possibili soluzioni sono: (1) una pedaliera, tipicamente per un utilizzo industriale; (2) un sistema di riconoscimento vocale, per un utilizzo domestico, di ufficio o di ausilio per disabili. c) Sistema di virtualizzazione completa del movimento di un corpo umano nello spazio: per realizzare questa soluzione è necessaria una tuta attrezzata con sensori poliedrici alle estremità delle parti del corpo all'interno di un sistema di riferimento formato da una pluralità sufficientemente estesa di trasmettitori a seconda del livello di completezza di analisi che si desidera ottenere. Possible solutions are: (1) a pedal board, typically for industrial use; (2) a voice recognition system, for use in the home, office or as an aid to the disabled. c) Complete virtualization system of the movement of a human body in space: to achieve this solution, a suit equipped with polyhedral sensors at the ends of the body parts is required within a reference system formed by a sufficiently extended plurality of transmitters to depending on the level of completeness of analysis to be obtained.
d) Applicazioni industriali, ad esempio nel campo dello studio delle deformazioni (prove di crash, ecc.). d) Industrial applications, for example in the field of deformation studies (crash tests, etc.).
e) Dispositivi di ausilio per disabili o per usi professionali (puntamento di oggetti, utilizzo del calcolatore, ecc.) che non richiedano di usare le mani. e) Aids for the disabled or for professional use (pointing of objects, use of the computer, etc.) that do not require the use of hands.
Per la sua versatilità applicativa, la presente invenzione potrà anche essere accoppiata a dispositivi di elaborazione più potenti di quelli attualmente conosciuti, utilizzabili al posto dei personal computer o dei mezzi di elaborazione equivalenti sopra citati. Ci si riferisce in particolare alle reti neurali, che attualmente sono realizzate tramite software, ma che in futuro potranno essere contenute in dispositivi hardware in grado di migliorare notevolmente le prestazioni ed i costi del sistema optoelettronico della presente invenzione . Due to its versatility of application, the present invention can also be coupled to more powerful processing devices than those currently known, which can be used in place of the personal computers or equivalent processing means mentioned above. Reference is made in particular to neural networks, which are currently implemented by means of software, but which in the future may be contained in hardware devices capable of significantly improving the performance and costs of the optoelectronic system of the present invention.
Claims (13)
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