一种利用低频超声进行多手指定位的方法与流程

本发明属于声学以及信号处理领域，尤其涉及一种利用低频超声进行多手指定位的方法。

背景技术：

随着计算机技术的迅速发展，人与计算机的交互活动逐渐成为人们日常生活的一个重要组成部分。鼠标、键盘等传统的人机交互设备在使用的自然性和友好性等方面存在一定的局限，因此研究符合人际交流习惯的人际交互技术，建立和谐自然的人际交互环境成为当前的发展趋势。手势是一种自然直观的交互方式，表达意义丰富便捷，因此手势识别是当前人际交互的研究热点。

手势是一种自然、直观、易于学习的人机交互手段。以人手直接作为计算机的输入设备，人机件的通讯将不再需要中间的媒体，用户可以简单地定义一种适当的手势来对周围的机器进行控制。而手势识别最基本的工作就是对手特定部位的定位。

利用低频超声进行多手指定位的方法可应用于手机等多种电子设备，实现对手指的实时定位

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是在固定设备只有两个超声发射器和一个超声接收器的情况下实现超声发射器的定位，提供了一种利用低频超声进行多手指定位的方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种利用低频超声进行多手指定位的方法，包括如下步骤：

步骤1，在待测区域放置位置固定的两个超声发射器A、B和超声接收器，使超声接收器的接收点和两个超声发射器的发射点不在同一条直线上，在手的不同位置分别装备超声发射器，形成共包含N个位置待测的超声发射器的超声发射器组，所述位置固定的两个超声发射器和超声接收器均与数据处理和控制设备相连；

步骤2，根据位置固定的两个超声发射器和超声接收器的位置，建立坐标系；

步骤3，通过测量计算出超声接收器的接收点向超声发射器1的发射点引出的射线与X轴的夹角θ₀；

步骤4，选取N个互不相同的频率f_n，n＝1，2，3，...，N，位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位为0，在超声接收器处采样并恢复得到幅度和相位信息；位置固定的超声发射器2包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位为0，在超声接收器处采样并恢复得到幅度和相位信息；

步骤5，位置待测的超声发射器组同时发射超声信号，第n个超声发射器，n＝1，2，3，...，N，发射频率为f_n的正弦超声信号，在超声接收器处采样并恢复得到相位信息，计算位置待测的超声发射器组中每个超声发射器的发射点与超声接收器接收点的距离依次为γ_0n，n＝1，2，3，...，N；

步骤6，位置待测的超声发射器组发射超声信号，第n个超声发射器，n＝1，2，3，...，N，发射频率为f_n，幅度为S₀，初始相位为0的正弦超声信号，同时位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，控制其初始相位以保证位置待测的超声发射器组和位置固定的超声发射器1中频率相同的成分在超声接收器接收点处的相位相同，在超声接收器处采样并恢复得到幅度信息，计算位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器1发射点和超声接收器接收点的连线的夹角θ_01n，n＝1，2，3，...，N；

步骤7，位置待测的超声发射器组发射超声信号，第n个超声发射器，n＝1，2，3，...，N，发射频率为f_n，幅度为S₀，初始相位为0的正弦超声信号，同时位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，重复步骤6同样可以得到位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器2发射点和超声接收器接收点的连线的夹角θ_02n，n＝1，2，3，...，N；

步骤8，由γ_0n，θ_01n和θ_02n可以确定出位置待测的超声发射器组每个超声发射器发射点的位置；

步骤9，不断重复步骤5到步骤8，从而实现对手指的实时定位。

步骤4中，在超声接收器处采样并恢复得到频率f_n，n＝1，2，3，...，N所对应的幅度为S_1n，n＝1，2，3，...，N，相位求和取平均得平均相位α₁；位置固定的超声发射器2重复上述步骤得到频率f_n，n＝1，2，3，...，N所对应的幅度为S_2n，n＝1，2，3，...，N以及平均相位α₂。

步骤5中，在超声接收器处采样并恢复得到频率f_n，n＝1，2，3，...，N所对应的幅度为S_0n，n＝1，2，3，...，N，相位为α_0n，n＝1，2，3，...，N，由相位信息可以得到位置待测的超声发射器组中每个超声发射器的发射点与超声接收器接收点的距离依次为其中c是超声在空气中的传播速度。

步骤6中，位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位分别为α_1n＝α_0n-α₁，n＝1，2，3，...，N，以保证位置待测的超声发射器组和位置固定的超声发射器1中频率相同的成分在超声接收器接收点处的相位相同，则两者发射的信号在超声接收器接收点处干涉后仍然只包含f_n，n＝1，2，3，...，N的频率成分，在超声接收器处采样并恢复得到频率f_n，n＝1，2，3，...N所对应的幅度为S_01n，n＝1，2，3，...，N，则位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器1发射点和超声接收器接收点的连线的夹角

步骤7中，位置固定的超声发射器2发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位分别为α_2n＝α_0n-α₂，n＝1，2，3，...，N，在超声接收器处得到一组恢复信号的幅度信息S_02n，n＝1，2，3，...，N，则位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器2发射点和超声接收器接收点的连线的夹角

步骤8中，由γ_0n，θ_01n和θ_02n三个已知参数就可以确定三维空间下的点坐标。

本发明中，针对数据处理和控制设备，主要实现对超声接收器采样的数据进行信号处理与拟合，得到接收信号的幅度与相位信息，同时由信号的幅度与相位信息计算出位置待测的超声发射器组中每个超声发射器的发射点与超声接收器接收点的距离γ_0n，每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器1、2发射点和超声接收器接收点的连线的夹角θ_01n、θ_02n，从而再由γ_0n，θ_01n和θ_02n计算出位置待测的超声发射器组每个超声发射器发射点位置坐标。

本发明中，采用无方向性的超声接收器，即超声接收器在各个方向上的衰减是相同的。

本发明中，f_n，n＝1，2，3，...N的选取应当控制在一定频段，在超声接收器采样后通过滤波器对信号进行实时滤波，去除不在选定频段中的噪声。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的说，上下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的说明，上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的设备组成图。

图2是坐标系建立的示意图。

图3是坐标计算过程中涉及的各参量的示意图。

具体实施方式

本发明在固定设备只有两个超声发射器和一个超声接收器的情况下实现对手指的定位。本发明充分利用超声干涉的性质实现对手指的定位。本发明公开了一种利用低频超声进行多手指定位的方法，包括如下步骤：

步骤1，在待测区域放置位置固定的两个超声发射器A、B和超声接收器，使超声接收器的接收点和两个超声发射器的发射点不在同一条直线上，在手的不同位置分别装备超声发射器，形成共包含N个位置待测的超声发射器的超声发射器组，所述位置固定的两个超声发射器和超声接收器均与数据处理和控制设备相连；

步骤2，根据位置固定的两个超声发射器和超声接收器的位置，建立坐标系；

步骤3，通过测量计算出超声接收器的接收点向超声发射器1的发射点引出的射线与X轴的夹角θ₀；

步骤4，选取N个互不相同的频率f_n，n＝1，2，3，...，N，位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位为0，在超声接收器处采样并恢复得到幅度和相位信息；位置固定的超声发射器2包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位为0，在超声接收器处采样并恢复得到幅度和相位信息；

步骤5，位置待测的超声发射器组同时发射超声信号，第n个超声发射器，n＝1，2，3，...，N，发射频率为f_n的正弦超声信号，在超声接收器处采样并恢复得到相位信息，计算位置待测的超声发射器组中每个超声发射器的发射点与超声接收器接收点的距离依次为γ_0n，n＝1，2，3，...，N；

步骤6，位置待测的超声发射器组发射超声信号，第n个超声发射器，n＝1，2，3，...，N，发射频率为f_n，幅度为S₀，初始相位为0的正弦超声信号，同时位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，控制其初始相位以保证位置待测的超声发射器组和位置固定的超声发射器1中频率相同的成分在超声接收器接收点处的相位相同，在超声接收器处采样并恢复得到幅度信息，计算位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器1发射点和超声接收器接收点的连线的夹角θ_01n，n＝1，2，3，...，N；

步骤7，位置待测的超声发射器组发射超声信号，第n个超声发射器，n＝1，2，3，...，N，发射频率为f_n，幅度为S₀，初始相位为0的正弦超声信号，同时位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，重复步骤6同样可以得到位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器2发射点和超声接收器接收点的连线的夹角θ_02n，n＝1，2，3，...，N；

步骤8，由γ_0n，θ_01n和θ_02n可以确定出位置待测的超声发射器组每个超声发射器发射点的位置；

步骤9，不断重复步骤5到步骤8，从而实现对手指的实时定位。

其中，步骤4中，在超声接收器处采样并恢复得到频率f_n，n＝1，2，3，...，N所对应的幅度为S_1n，n＝1，2，3，...，N，相位求和取平均得平均相位α₁；位置固定的超声发射器2重复上述步骤得到频率f_n，n＝1，2，3，...，N所对应的幅度为S_2n，n＝1，2，3，...，N以及平均相位α₂。

步骤5中，在超声接收器处采样并恢复得到频率f_n，n＝1，2，3，...N所对应的幅度为S_0n，n＝1，2，3，...，N，相位为α_0n，n＝1，2，3，...，N，由相位信息可以得到位置待测的超声发射器组中每个超声发射器的发射点与超声接收器接收点的距离依次为其中c是超声在空气中的传播速度。

步骤6中，位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位分别为α_1n＝α_0n-α₁，n＝1，2，3，...，N，以保证位置待测的超声发射器组和位置固定的超声发射器1中频率相同的成分在超声接收器接收点处的相位相同，则两者发射的信号在超声接收器接收点处干涉后仍然只包含f_n，n＝1，2，3，...，N的频率成分，在超声接收器处采样并恢复得到频率f_n，n＝1，2，3，...，N所对应的幅度为S_01n，n＝1，2，3，...，N，则位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器1发射点和超声接收器接收点的连线的夹角

步骤7中，位置固定的超声发射器2发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位分别为α_2n＝α_0n-α₂，n＝1，2，3，...N，在超声接收器处得到一组恢复信号的幅度信息S_02n，n＝1，2，3，...，N，则位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器2发射点和超声接收器接收点的连线的夹角

步骤8中，由γ_0n，θ_01n和θ_02n三个已知参数就可以确定三维空间下的点坐标。

具体实施例

如图1所示，本实施例公开的一种利用低频超声进行多手指定位的方法，按照如下内容设置部件：在待测区域放置位置固定的两个超声发射器A(002)、B(003)和超声接收器(001)，使超声接收器(001)的接收点和两个超声发射器A(002)、B(003)的发射点不在同一条直线上，在手的不同位置分别装备超声发射器，形成共包含N个位置待测的超声发射器的超声发射器组(004)，在本例中N＝5，所述位置固定的两个超声发射器A(002)、B(003)和超声接收器(001)均与数据处理和控制设备(005)相连。

图2，坐标系建立的示意图中，建立的是右手系的空间直角坐标系。

图3，坐标计算过程中涉及的各参量的示意图中，只标出了位置待测的超声发射器的超声发射器组中一个超声发射器的参量，其余超声发射器的参量以此类推。

所述的超声发射器A002、B003为两个相同的小型扬声器，频率范围为20Hz到25kHz，本例中只用到低频超声频段20kHz到22kHz。

所述的超声接收器001，为小型的麦克风，接收的频率范围为15Hz到25kHz，本例中只用到低频超声频段20kHz到22kHz，超声接收器001以f_s＝100kHz的采样频率采样超声信号后通过通带为20kHz-22kHz的数字带通滤波器进行滤波，随后进行函数拟合可以得到所采样的超声信号的幅度和相位信息。

所述的位置待测的超声发射器组004，包含N个小型扬声器，在本例中N＝5，每个扬声器频率范围为20Hz到25kHz，本例中只用到低频超声频段20kHz到22kHz。

所述的数据处理和控制设备005，主要实现对超声接收器采样的数据进行信号处理与拟合，得到接收信号的幅度与相位信息，同时由信号的幅度与相位信息计算出位置待测的超声发射器组中每个超声发射器的发射点与超声接收器接收点的距离，每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器1、2发射点和超声接收器接收点的连线的夹角，从而再计算出位置待测的超声发射器组每个超声发射器发射点位置坐标。

控制设备执行如下步骤实现对手指的定位：

步骤1，在待测区域放置位置固定的两个超声发射器A、B和超声接收器，使超声接收器的接收点和两个超声发射器的发射点不在同一条直线上，在手的不同位置分别装备超声发射器，形成共包含N个位置待测的超声发射器的超声发射器组，所述位置固定的两个超声发射器和超声接收器均与数据处理和控制设备相连；

步骤2，根据位置固定的两个超声发射器和超声接收器的位置，建立坐标系；

步骤3，通过测量计算出超声接收器的接收点向超声发射器1的发射点引出的射线与X轴的夹角θ₀；

步骤4，选取N个互不相同的频率f_n，n＝1，2，3，...，N，位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位为0，在超声接收器处采样并恢复得到幅度和相位信息；位置固定的超声发射器2包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位为0，在超声接收器处采样并恢复得到幅度和相位信息；

步骤5，位置待测的超声发射器组同时发射超声信号，第n个超声发射器，n＝1，2，3，...N，发射频率为f_n的正弦超声信号，在超声接收器处采样并恢复得到相位信息，计算位置待测的超声发射器组中每个超声发射器的发射点与超声接收器接收点的距离依次为γ_0n，n＝1，2，3，...，N；

步骤6，位置待测的超声发射器组发射超声信号，第n个超声发射器，n＝1，2，3，...，N，发射频率为f_n，幅度为S₀，初始相位为0的正弦超声信号，同时位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，控制其初始相位以保证位置待测的超声发射器组和位置固定的超声发射器1中频率相同的成分在超声接收器接收点处的相位相同，在超声接收器处采样并恢复得到幅度信息，计算位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器1发射点和超声接收器接收点的连线的夹角θ_01n，n＝1，2，3，...，N；

步骤7，位置待测的超声发射器组发射超声信号，第n个超声发射器，n＝1，2，3，...，N，发射频率为f_n，幅度为S₀，初始相位为0的正弦超声信号，同时位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，重复步骤6同样可以得到位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器2发射点和超声接收器接收点的连线的夹角θ_02n，n＝1，2，3，...，N；

步骤8，由γ_0n，θ_01n和θ_02n可以确定出位置待测的超声发射器组每个超声发射器发射点的位置；

步骤9，不断重复步骤5到步骤8，从而实现对手指的实时定位。

其中，步骤2中，坐标系的建立，如图2所示，是以超声接收器的接收点为原点，从超声接收器的接收点向两个超声发射器的发射点引出两条射线形成的夹角的角平分线为X轴，垂直于超声接收器的接收点和两个超声发射器的发射点所在平面向上的方向为Z轴，与X，Z轴形成右手坐标系的方向为Y轴。

步骤3中，在本例中，固定设备超声发射器1和超声发射器2是对称放置的，θ₀的选取对最终定位的精确度起到一定的影响。

步骤4中，本例中N＝5，取f_n＝(0.5·n+19.5)kHz，n＝1，2，3，...，N，在低频超声频段20kHz到22kHz中。在超声接收器处采样并恢复得到频率f_n，n＝1，2，3，...N所对应的幅度为S_1n，n＝1，2，3，...，N，相位求和取平均得平均相位α₁；位置固定的超声发射器2重复上述步骤得到频率f_n，n＝1，2，3，...，N所对应的幅度为S_2n，n＝1，2，3，...，N以及平均相位α₂。

步骤5中，在超声接收器处采样并恢复得到频率f_n，n＝1，2，3，...，N所对应的幅度为S_0n，n＝1，2，3，...，N，相位为α_0n，n＝1，2，3，...，N，由相位信息可以得到位置待测的超声发射器组中每个超声发射器的发射点与超声接收器接收点的距离依次为其中c是超声在空气中的传播速度，在标准大气压和室温下，c＝343m/s。

步骤6中，位置固定的超声发射器1发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位分别为α_1n＝α_0n-α₁，n＝1，2，3，...，N，以保证位置待测的超声发射器组和位置固定的超声发射器1中频率相同的成分在超声接收器接收点处的相位相同，则两者发射的信号在超声接收器接收点处干涉后仍然只包含f_n，n＝1，2，3，...，N的频率成分，在超声接收器处采样并恢复得到频率f_n，n＝1，2，3，...，N所对应的幅度为S_01n，n＝1，2，3，...，N，则位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器1发射点和超声接收器接收点的连线的夹角

步骤7中，位置固定的超声发射器2发射包含频率f_n，n＝1，2，3，...，N的超声信号，每个频率对应的幅度为S₀，初始相位分别为α_2n＝α_0n-α₂，n＝1，2，3，...，N，在超声接收器处得到一组恢复信号的幅度信息S_02n，n＝1，2，3，...，N，则位置待测的超声发射器组中每个超声发射器发射点和超声接收器接收点的连线与超声发射器2发射点和超声接收器接收点的连线的夹角

步骤8中，由γ_0n，θ_01n和θ_02n，如图3所示，可以计算出位置待测的超声发射器组每个超声发射器发射点位置的球坐标为其中则转换为直角坐标为

步骤9中，重复步骤5到步骤8的周期决定了对手指的实时定位的时间分辨率，超声接收器001每次采样点数都应当大于2N，在本例中超声接收器001采样频率为f_s＝100kHz，每次采集100个数据点，步骤5到步骤8共进行3次采样，则相邻两次多手指定位的时间间隔为T＝3ms，若要提高时间分辨率，可适当减少每次采样的点数。

本发明中涉及对滤波后的超声接收器的采样信号进行函数拟合得到采样信号的幅度和频率信息，其中，位置待测的超声发射器组中的超声发射器个数N直接影响函数拟合的速度和误差，本例中，首先从滤波后的超声接收器的采样信号取出2N组数据，可以解出唯一的频率f_n，n＝1，2，3，...，N的所对应的幅度和相位，以解出的N个幅度和N个相位为初始解，对滤波后的超声接收器的采样信号进行有限次迭代，解出使误差最小的N个幅度和N个相位，拟合出最终的函数解。

本发明提出了一种利用低频超声进行多手指定位的方法，应当指出，所需的超声发射器和超声接收器的形式不对本专利构成限制；所建立的坐标系的形式不对本专利构成限制；固定设备安装的相对位置不对本专利构成限制；所述的位置待测的超声发射器的超声发射器组安装位置以及安装个数不对本专利构成限制。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离发明原理的前提下还可以做出若干改进和润饰，这些也应视为本发明的保护范围。另外，本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。