TWI698793B - 電磁三維定位系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明包含一種電磁三維定位系統，包含：線狀天線陣列及處理電路。線狀天線陣列包含排列成陣列之線狀天線，以感測由待測物件產生之外部諧振刺激行為，產生各具有諧振強度之感測訊號。處理電路執行電磁三維定位方法，包含：自線狀天線接收感測訊號；根據諧振強度，判斷線狀天線陣列上的最大諧振強度感測點；根據最大諧振強度感測點，計算待測物件相對線狀天線陣列之二維平面座標；選擇線狀天線陣列上的另二輔助感測點；以及根據最大諧振強度感測點及二輔助感測點對應的諧振強度及相對距離，計算待測物件相對線狀天線陣列之三維座標。

Description

電磁三維定位系統及方法

本發明是關於三維定位技術，尤其是關於一種電磁三維定位系統及方法。

許多行動裝置如智慧型手機或是平板電腦均採用觸控面板做為使用者輸入的介面，而非傳統的實體鍵盤。然而，觸控面板往往無法精確地捕捉細膩的手寫或手繪動作。因此，許多行動裝置允許藉由觸控筆或是其他外部輸入媒介搭配觸控面板進行輸入，使輸入的動作能夠達到更高的精確度。

一般常見的觸控筆，是搭配電容性或是電感性的觸控介面來進行輸入。然而，就電感性的觸控介面而言，需要在觸控面板加上一層電感偵測器，不僅厚度增加，成本也增加。而被動式電容觸控筆雖然不對顯示面板的厚度造成影響，但是需要面積較大的筆尖，不容易精確的輸入。

鑑於先前技術的問題，本發明之一目的在於提供一種電磁三維定位系統及方法，以改善先前技術。

本發明之一目的在於提供一種電磁三維定位系統及方法，以藉由感測線狀天線陣列與待測物件間的電磁效應的諧振，決定待測物件相對線狀天線陣列的三維座標，達到三維定位的功效。

本發明包含一種電磁三維定位系統，其一實施例包含：線狀天線陣列以及處理電路。線狀天線陣列包含排列成陣列之複數個線狀天線，線狀天線配置以感測由待測物件產生之外部諧振刺激行為，以產生各具有諧振強度之複數個感測訊號。處理電路電性耦接於線狀天線陣列的各線狀天線，並配置以執行複數軟韌體可執行指令，以執行電磁三維定位方法，電磁三維定位方法包含：自線狀天線接收感測訊號；根據感測訊號各具有之諧振強度，判斷線狀天線陣列上的最大諧振強度感測點；根據最大諧振強度感測點，計算待測物件相對線狀天線陣列之二維平面座標；在最大諧振強度感測點外，選擇線狀天線陣列上的另二輔助感測點；以及根據最大諧振強度感測點以及二輔助感測點對應的諧振強度以及彼此在線狀天線陣列的相對距離，計算待測物件與線狀天線陣列之垂直距離，進而決定待測物件相對線狀天線陣列之三維座標。

本發明另包含一種電磁三維定位方法，其一實施例包含下列步驟：使線狀天線陣列中所包含排列成陣列之複數個線狀天線，感測由待測物件產生之外部諧振刺激行為，以產生各具有諧振強度之複數個感測訊號；使電性耦接於線狀天線陣列的各線狀天線之處理電路，自線狀天線接收感測訊號；使處理電路根據感測訊號各具有之諧振強度，判斷線狀天線陣列上的最大諧振強度感測點；使處理電路根據最大諧振強度感測點，計算待測物件相對線狀天線陣列之二維平面座標；使處理電路在最大諧振強度感測點外，選擇線狀天線陣列上的另二輔助感測點；以及使處理電路根據最大諧振強度感測點以及二輔助感測點對應的諧振強度以及彼此在線狀天線陣列的相對距離，計算待測物件與線狀天線陣列之垂直距離，進而決定待測物件相對線狀天線陣列之三維座標。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

本發明之一目的在於提供一種電磁三維定位系統及方法，以藉由感測線狀天線陣列與待測物件間的電磁效應的諧振，決定待測物件相對線狀天線陣列的三維座標，達到三維定位的功效。

請同時參照圖1及圖2。圖1為本發明之一實施例中，一種電磁三維定位系統100的方塊圖。其中，電磁三維定位系統100包含：線狀天線陣列110以及處理電路120。

圖2為本發明之一實施例中，圖1的電磁三維定位系統100中的線狀天線陣列110的立體圖。

於一實施例中，電磁三維定位系統100可設置於一個電子裝置，例如但不限於智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦或其他類型的電子裝置中。電磁三維定位系統100配置以對外部的待測物件180進行感測，並計算待測物件180相對電磁三維定位系統100週邊的空間的三維位置。其中，待測物件180可為例如，但不限於觸控筆或是其他可與電磁三維定位系統100間進行電磁效應的諧振而進行感應的裝置。

線狀天線陣列110包含排列成陣列之複數個線狀天線。於一實施例中，線狀天線陣列110可形成於例如，但不限於電子裝置的螢幕下方，以對外部的待測物件180進行感測。

於一實施例中，線狀天線包含複數個第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及複數個第二軸向天線ANY ₁-ANY _N。第一軸向天線ANX ₁-ANX _M平行排列於第一軸向X上，而第二軸向天線ANY ₁-ANY _N平行排列於第二軸向Y上。其中，第二軸向Y與第一軸向X互不平行。於一範例中，第一軸向X以及第二軸向Y可如圖1所示，以大致上為垂直的結構排列。然而於其他範例中，第一軸向X以及第二軸向Y間亦可形成任意不為0度或180度的角度，以使第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N排列形成陣列。

於一實施例中，第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N形成不同向且互不接觸的排列結構，以達到電性隔離且分別進行感測的功效。第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N的數目分別為M個及N個。於不同的實施例中，數目M與N可依實際需求而為相同或是不同。

第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N配置以感測由待測物件180產生之外部諧振刺激行為，以產生各具有諧振強度之複數個感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N。

於一範例中，待測物件180可包含用以產生外部諧振刺激行為的諧振刺激電路190。於一實施例中，諧振刺激電路190可為無線訊號發射元件，並可藉由此無線訊號發射元件主動發射具有狀態變化且帶有頻率之無線訊號WS。第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N配置以偵測無線訊號WS來產生感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N。

於另一範例中，待測物件180所包含用以產生外部諧振刺激行為的諧振刺激電路190可為外部諧振電路，並至少包含例如，但不限於容感電路。當待測物件180與線狀天線陣列110的實體位置接近時，將可使諧振刺激電路190與第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N產生諧振並因而具有感應電動勢，進一步使第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N產生感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N。

依據待測物件180與不同的第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N間的距離遠近，感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N可具有不同的諧振強度。於一實施例中，諧振強度是由感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N的能量強度及/或頻率大小決定。

處理電路120電性耦接於線狀天線陣列110的各線狀天線，並可執行軟韌體可執行指令125，以執行電磁三維定位系統100的功能。

更詳細來說，處理電路120可從電磁三維定位系統100中包含的儲存電路（未繪示）擷取軟韌體可執行指令125，且軟韌體可執行指令125包含例如，但不限於用以操作與控制線狀天線陣列110與其他電磁三維定位系統100包含的硬體模組的相關指令，進一步操作與控制線狀天線陣列110與其他電磁三維定位系統100包含的硬體模組，達到前述對外部的待測物件180進行感測，並計算待測物件180相對電磁三維定位系統100週邊的空間的三維位置的目的。

以下將搭配圖1以及圖2，詳細說明電磁三維定位系統100的運作過程。

首先，處理電路120自線狀天線陣列110的各第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N接收其根據待測物件180的外部諧振刺激行為所產生的感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N。

於一實施例中，處理電路120與線狀天線陣列110間可包含例如，但不限於天線切換開關130、放大器140以及類比至數位轉換電路150（在圖1標示為ADC）。其中，天線切換開關130包含多個開關（未標示）。雖然並未在圖1示出，然而天線切換開關130的各開關是可與各第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N間電性耦接，以進一步控制各第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N是否與放大器140電性耦接。感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N可在天線切換開關130的連接下，傳送至放大器140以及類比至數位轉換電路150進行訊號放大以及類比至數位轉換後，再傳送至處理電路120。

接著，處理電路120根據感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N各具有之諧振強度，判斷線狀天線陣列110上的最大諧振強度感測點P1。

於一實施例中，最大諧振強度感測點P1位於待測物件180在第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N所形成的平面結構的垂直投影處。實作上，處理電路120可根據感測訊號SX ₁-SX _M中具有最大諧振強度者對應的第一軸向天線（例如，但不限於感測訊號SX ₄對應的第一軸向天線ANX ₄），以及感測訊號SY ₁-SY _N中具有最大諧振強度者對應的第二軸向天線（利如感測訊號SY ₅對應的第二軸向天線ANY ₅），決定最大諧振強度感測點P1在線狀天線陣列110上的位置。

進一步地，處理電路120根據最大諧振強度感測點P1，計算待測物件180相對線狀天線陣列110之二維平面座標。於一實施例中，相對於線狀天線陣列110之二維平面座標，可根據線狀天線陣列110中各第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及各第二軸向天線ANY ₁-ANY _N的資訊，例如但不限於長度、相對位置、距離等進行定義。舉例而言，如天線陣列110為一長方形，相對線狀天線陣列110之二維平面座標的原點可為其中一頂點。線狀天線陣列110上的各點座標，則可依照該點分別至自原點延伸出的第一軸向X與第二軸向Y間的實際距離定義。

各第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及各第二軸向天線ANY ₁-ANY _N的長度、相對位置、距離的資訊，可儲存於電磁三維定位系統100中包含的儲存電路中，以由處理電路120擷取。

由於最大諧振強度感測點P1是根據對應於具有最大諧振強度的感測訊號的第一軸向天線ANX ₄以及第二軸向天線ANY ₅決定，因此處理電路120可根據上述第一軸向天線ANX ₄以及第二軸向天線ANY ₅的資訊，由第一軸向天線ANX ₄以及第二軸向天線ANY ₅的交集計算出待測物件180在線狀天線陣列110上的二維平面座標。

需注意的是，上述二維平面座標的計算方式僅為一範例。於其他實施例中，可依照實際需求而對於座標系統有不同的定義，而以不同的方式進行計算。本發明並不限於此。

於一實施例中，處理電路120可根據最大諧振強度感測點P1之諧振強度，直接判斷待測物件180相對線狀天線陣列110之垂直距離為0，進而直接決定三維座標。更詳細來說，當計算待測物件與線狀天線陣列之垂直距離，進而決定待測物件相對線狀天線陣列之三維座標。

而當處理電路120根據最大諧振強度感測點P1之諧振強度，判斷待測物件180相對線狀天線陣列110之垂直距離不為0時，將進一步在最大諧振強度感測點P1外，選擇線狀天線陣列110上的另二輔助感測點P2以及P3。

於一實施例中，處理電路120可依據線狀天線陣列110上，由不同的第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N的交集所形成的複數個感測點，判斷各個感測點對應的諧振強度，並依據第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N於線狀天線陣列110上之位置選擇輔助感測點P2以及P3。

舉例而言，位於第一軸向天線ANX ₃以及第二軸向天線ANY ₅之交集的感測點P2以及位於第一軸向天線ANX ₄以及第二軸向天線ANY ₄之交集的感測點P3可由於與最大諧振強度感測點P1距離最近且具有僅次於最大諧振強度感測點P1的諧振強度，而被選為輔助感測點。

於一實施例中，處理電路120除上述感測點對應諧振強度以及第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N於線狀天線陣列110上之位置外，更可依據例如，但不限於第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N之掃瞄順序來選擇輔助感測點P2以及P3。

舉例而言，第一軸向天線ANX ₁-ANX _M之掃瞄順序可由第一軸向天線ANX ₁起始掃至第一軸向天線ANX _M為止，而第二軸向天線ANY ₁-ANY _N之掃瞄順序可由第二軸向天線ANY ₁起始掃至第二軸向天線ANY _N為止。

當第一軸向天線ANX ₃以及第二軸向天線ANY ₅之交集的感測點P2，以及第一軸向天線ANX ₅以及第二軸向天線ANY ₅之交集的感測點（未標示）的諧振強度相當時，處理電路120可優先選擇掃瞄順序在前的感測點P2為輔助感測點。類似地，當第一軸向天線ANX ₄以及第二軸向天線ANY ₄之交集的感測點P3，以及第一軸向天線ANX ₄以及第二軸向天線ANY ₆之交集的感測點（未標示）的諧振強度相當時，處理電路120可優先選擇掃瞄順序在前的感測點P3為輔助感測點。

需注意的是，上述輔助感測點的選擇方式僅為一範例。於其他實施例中，亦可能參考其他感測點的參數來選擇輔助感測點。

處理電路120將在選擇輔助感測點P2以及P3後，根據最大諧振強度感測點P1以及輔助感測點P2以及P3對應的諧振強度以及彼此在線狀天線陣列 110的相對距離，計算待測物件180與線狀天線陣列110之垂直距離，進而決定待測物件180相對線狀天線陣列110之三維座標。

如前所述，由於諧振強度是由能量強度及/或頻率大小決定，因此處理電路120可依據感測訊號的能量強度及/或頻率大小與物件距離的關係資訊，經由三點定位而計算待測物件180與線狀天線陣列110之垂直距離。其中，感測訊號的能量強度及/或頻率大小與物件距離的關係資訊，可儲存於電磁三維定位系統100中包含的儲存電路中，以由處理電路120擷取。

於一實施例中，待測物件180與線狀天線陣列110之垂直距離，是位於和第一軸向X以及第二軸向Y均垂直的第三軸向Z上的距離。因此，處理電路120可根據所計算出位於第一軸向X以及第二軸向Y的二維平面座標以及位於第三軸向Z上的垂直距離，決定待測物件180相對線狀天線陣列110之三維座標。

綜合上述，上述實施例中的電磁三維定位系統可藉由線狀天線陣列與待測物件進行電磁效應的諧振，根據所產生的感測訊號的諧振強度來決定待測物件相對線狀天線陣列的三維座標，達到三維定位的功效。

請參照圖3。圖3為本發明一實施例中，一種電磁三維定位方法300的流程圖。

除前述裝置外，本發明另揭露一種電磁三維定位方法300，應用於例如，但不限於圖1的電磁三維定位系統100中。電磁三維定位方法300之一實施例如圖3所示，包含下列步驟：

S310：使線狀天線陣列110中所包含排列成陣列之線狀天線，例如但不限於圖1所示的第一軸向天線ANX ₁-ANX _M以及第二軸向天線ANY ₁-ANY _N，感測由待測物件180產生之外部諧振刺激行為，以產生各具有諧振強度之感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N。

S320：使處理電路120自線狀天線接收感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N。

S330：使處理電路120根據感測訊號SX ₁-SX _M以及SY ₁-SY _N各具有之諧振強度，判斷線狀天線陣列110上的最大諧振強度感測點P1。

S340：使處理電路120根據最大諧振強度感測點P1，計算待測物件180相對線狀天線陣列110之二維平面座標。

S350：使處理電路120在最大諧振強度感測點P1外，選擇線狀天線陣列110上的另二輔助感測點P2以及P3。

S360：使處理電路120根據最大諧振強度感測點P1以及二輔助感測點P2以及P3對應的諧振強度以及彼此在線狀天線陣列110的相對距離，計算待測物件180與線狀天線陣列110之垂直距離，進而決定待測物件180相對線狀天線陣列110之三維座標。

需注意的是，上述的實施方式僅為一範例。於其他實施例中，本領域的通常知識者當可在不違背本發明的精神下進行更動。

綜合上述，本發明中的電磁三維定位系統及方法可藉由線狀天線陣列與待測物件進行電磁效應的諧振，根據所產生的感測訊號的諧振強度來決定待測物件相對線狀天線陣列的三維座標，達到三維定位的功效。

雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100:電磁三維定位系統

110:線狀天線陣列

120:處理電路

125:軟韌體可執行指令

130:天線切換開關

140:放大器

150:類比至數位轉換電路

180:待測物件

190:諧振刺激電路

300:電磁三維定位方法

ANX₁-ANX_M:第一軸向天線

ANY₁-ANY_N:第二軸向天線

P1:最大諧振強度感測點

P2、P3:輔助感測點

SX₁-SX_M、SY₁-SY_N:感測訊號

WS:無線訊號

X:第一軸向

Y:第二軸向

Z:第三軸向

S310~S360:步驟

［圖1］顯示本發明之一實施例中，一種電磁三維定位系統的方塊圖； ［圖2］顯示本發明之一實施例中，圖1中的電磁三維定位系統的線狀天線陣列的立體圖； ［圖3］顯示本發明之一實施例中，一種電磁三維定位方法的流程圖。

100:電磁三維定位系統

110:線狀天線陣列

120:處理電路

125:軟韌體可執行指令

130:天線切換開關

140:放大器

150:類比至數位轉換電路

180:待測物件

190:諧振刺激電路

ANX₁-ANX_M:第一軸向天線

ANY₁-ANY_N:第二軸向天線

SX₁-SX_M、SY₁-SY_N:感測訊號

WS:無線訊號

X:第一軸向

Y:第二軸向

Z:第三軸向

Claims (12)

1. 一種電磁三維定位系統，包含：一線狀天線陣列，包含排列成一陣列之複數個線狀天線，該等線狀天線配置以感測由一待測物件產生之一外部諧振刺激行為，以產生各具有一諧振強度之複數個感測訊號；以及一處理電路，電性耦接於該線狀天線陣列的各該等線狀天線，並配置以執行複數軟韌體可執行指令，以執行一電磁三維定位方法，該電磁三維定位方法包含：自該等線狀天線接收該等感測訊號；根據該等感測訊號各具有之該諧振強度，判斷該線狀天線陣列上的一最大諧振強度感測點；根據該最大諧振強度感測點，計算該待測物件相對該線狀天線陣列之一二維平面座標；在該最大諧振強度感測點外，依據該線狀天線陣列上的複數個感測點各對應的該諧振強度、各對應的該等線狀天線於該線狀天線陣列上之一位置以及各對應的該等線狀天線之一掃瞄順序，選擇該線狀天線陣列上的另二輔助感測點；以及根據該最大諧振強度感測點以及該二輔助感測點對應的該諧振強度以及彼此在該線狀天線陣列的一相對距離，計算該待測物件與該線狀天線陣列之一垂直距離，進而決定該待測物件相對該線狀天線陣列之一三維座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電磁三維定位系統，其中該等線狀天線包含：複數個第一軸向天線，平行排列於一第一軸向上；以及複數個第二軸向天線，平行排列於一第二軸向上，其中該第二軸向與該第一軸向互不平行，其中該等第一軸向天線以及該等第二軸向天線形成不同向且互不接觸的排列結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電磁三維定位系統，其中該外部諧振刺激行為是由該待測物件之一諧振刺激電路主動發射具有一狀態變化且帶有頻率之一無線訊號產生，其中該諧振刺激電路為一無線訊號發射元件。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電磁三維定位系統，其中該外部諧振刺激行為是由該待測物件之一諧振刺激電路接近該諧振電路產生之一感應電動勢，其中該諧振刺激電路為一外部諧振電路。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電磁三維定位系統，其中該諧振強度由一能量強度及/或一頻率大小決定。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電磁三維定位系統，其中該電磁三維定位方法更包含：根據該最大諧振強度感測點之該諧振強度直接判斷該待測物件相對該線狀天線陣列之該垂直距離為0，進而直接決定該三維座標。
7. 一種電磁三維定位方法，包含： 使一線狀天線陣列中所包含排列成一陣列之複數個線狀天線，感測由一待測物件產生之一外部諧振刺激行為，以產生各具有一諧振強度之複數個感測訊號；使電性耦接於該線狀天線陣列的各該等線狀天線之一處理電路，自該等線狀天線接收該等感測訊號；使該處理電路根據該等感測訊號各具有之該諧振強度，判斷該線狀天線陣列上的一最大諧振強度感測點；使該處理電路根據該最大諧振強度感測點，計算該待測物件相對該線狀天線陣列之一二維平面座標；使該處理電路在該最大諧振強度感測點外，依據該線狀天線陣列上的複數個感測點各對應的該諧振強度、各對應的該等線狀天線於該線狀天線陣列上之一位置以及各對應的該等線狀天線之一掃瞄順序，選擇該線狀天線陣列上的另二輔助感測點；以及使該處理電路根據該最大諧振強度感測點以及該二輔助感測點對應的該諧振強度以及彼此在該線狀天線陣列的一相對距離，計算該待測物件與該線狀天線陣列之一垂直距離，進而決定該待測物件相對該線狀天線陣列之一三維座標。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電磁三維定位方法，其中該等線狀天線包含：複數個第一軸向天線，平行排列於一第一軸向上；以及複數個第二軸向天線，平行排列於一第二軸向上，其中該第二軸向與該第一軸向互不平行，其中該等第一軸向天線以及該等第二軸向天線形成不同向且互不接觸的排列結構。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電磁三維定位方法，其中該外部諧振刺激行為是由該待測物件之一諧振刺激電路主動發射具有一狀態變化且帶有頻率之一無線訊號產生，其中該諧振刺激電路為一無線訊號發射元件。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電磁三維定位方法，其中該外部諧振刺激行為是由該待測物件之一諧振刺激電路接近該諧振電路產生之一感應電動勢，其中該諧振刺激電路為一外部諧振電路。
11. 如申請專利範圍第7項所述之電磁三維定位方法，其中該諧振強度由一能量強度及/或一頻率大小決定。
12. 如申請專利範圍第7項所述之電磁三維定位方法，更包含：使該處理電路根據該最大諧振強度感測點之該諧振強度直接判斷該待測物件相對該線狀天線陣列之該垂直距離為0，進而直接決定該三維座標。

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