专利名称：使用超声波的信息输入设备及其位置识别方法
技术领域：
本发明涉及一种输入设备，更具体地讲，涉及一种输入设备中使用超声 波的信息输入设备及其位置识别方法，所述信息输入设备能够识别用户所画 的或者所写的信息。
背景技术：
在回顾输入设备中的计算机输入设备时，通常，计算机具有诸如键盘和 鼠标的输入设备和诸如显示器和打印机的输出设备，所述输入设备和输出设 备都连接至计算机。此外，计算机可连接至执行多种功能的多个外围设备。 这些外围设备包括输出计算机中的声音的扬声器、驱动存储电影或多媒体数
据的DVD标题的DVD-ROM驱动器等。
同样，计算机外围设备根据其用途也是多种多样的，其中，输入设备也 是多种多样的，包括键盘或鼠标、用于输入用户语音的麦克风、使用计算机 读取图片或照片的扫描仪、通过手的触摸输入位置的触摸屏、数字转换器， 由于数字转换器可用作笔而通常用于CAD或图形设计中。
计算机如此多样，从而用户可根据其意图精确地将数据或信息输入到计 算机。例如，键盘具有被分配给字符、数字或特定符号的键，因此，当用户 按下相应的键时，可以输入字符、数字或特定符号。
然而，这种键盘的问题在于用户难以输入任意类型的数据或信息(如 曲线)，而且用户难以将显示器屏幕上的一点移到期望的位置。因此，出现了 鼠标这种输入设备以解决可输入指示任意类型的数据或信息的问题。然而， 这种鼠标不能精确地输入数据或信息，从而出现了 一种诸如数字转换器的输 入设备来解决该问题。
同时，在类似于数字转换器的笔型计算机输入设备中存在一种使用超声 波的计算机输入设备，该计算机输入设备随着笔的移动产生超声波，并识别 位置。将参照附图来对其进行描述。
图1是示出现有技术中使用超声波的笔型计算机输入设备的示图。 参照图1,当用户在附着有超声波传感器30和40并具有预定大小的面 板20上移动包括超声波发生器15的笔10时，超声波发生器15根据笔10的 移动产生超声波。附着到面板20两侧的左超声波传感器30和右超声波传感 器40感测产生的超声波，并跟踪笔10的位置，从而数据或信息被输入到计算机。
然而，由于使用超声波的传统笔型计算机输入设备在笔的中部具有用于 产生超声波的超声波发生器，因此出现了输入到计算机的笔的位置的错误， 该位置不同于用户的意图。此外，还出现了这样的问题，即，无法感测到小 于所产生的超声波的波长的笔的移动。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种使用超声波的输入设备及其位置识别 方法，所述设备使用利用超声波的输入设备的惯性能够识别输入单元的精确位置。
根据本发明的一方面，提供了一种信息输入设备，该信息输入设备包括 用于产生超声波信号并输入位置的输入单元和用于接收输入单元所产生的超 声波信号的接收器，其中，所述输入单元包括超声波发生器，根据输入单 元的移动产生超声波信号；控制器，产生使超声波发生器产生超声波的控制 信号，所述接收器包括超声波接收器，接收超声波发生器所产生的超声波 信号；信号处理器，根据相4f文互相关方案执行信号处理，以使用超声波接收 器所接收的超声波信号来跟踪输入单元的位置。
根据本发明实施例的使用超声波的信息输入设备通过按照相敏互相关方 案跟踪输入单元的位置可以感测比产生的超声波信号的波长小得多的输入单 元的移动，因此，可减小由于噪声而导致的误差。此外，可通过相敏互相关 方案减小超声波信号的频率，具有较低频率的超声波信号在空气中具有小的 损失。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用超声波的信息输入设备，该信 息输入设备包括用于产生超声波信号并输入位置的输入单元和用于接收输入 单元所产生的超声波信号的接收器，其中，所述输入单元包括超声波发生 器，根据输入单元的移动产生超声波信号；第一方向测量单元，测量输入单 元向着的方向；控制器，产生使超声波发生器产生超声波并使第一方向测量
单元测量输入单元的方向的控制信号，所述接收器包括超声波接收器，接
收超声波发生器所产生的超声波信号；第二方向测量单元，测量接收器向着 的方向；方向计算器，使用第一方向测量单元和第二方向测量单元所测量的 各个方向来计算输入单元和接收器之间的相对方向矢量；信号处理器，按照 相敏互相关方案执行信号处理，以使用超声波接收器所接收的超声波信号来 跟踪输入单元的位置；位置跟踪单元，才艮据方向计算器所产生的输入单元和 接收器之间的相对方向矢量来跟踪在信号处理器中跟踪的输入单元的位置以 及输入单元的最终位置。
根据本发明的另一实施例， 一种使用超声波的信息输入设备考虑输入单 元和接收器的方向来跟踪输入单元的位置，从而该信息输入设备可感测比产 生的超声波信号的波长小得多的输入单元的移动，减小噪声所引起的误差， 并跟踪输入单元的精确位置。此外，可通过相^:互相关方案减小超声波信号 的频率，具有减小后的频率的超声波信号在空中具有小的损失。
根据本发明的另 一方面，提供了一种使用超声波的信息输入设备的位置 识别方法，该信息输入设备包括用于产生超声波信号并输入位置的输入单元 和用于接收输入单元所产生的超声波信号的接收器，所述方法包括以下步骤 根据输入单元的移动产生超声波信号；接收产生的超声波信号；分别测量输 入单元和接收器的方向，并使用所述方向来计算输入单元和接收器的相对方 向矢量；按照相敏互相关方案执行信号处理，以使用超声波接收器所接收的 超声波信号来跟踪输入单元的位置；根据在信号处理器中跟踪的输入单元的 位置以及在计算步骤中计算的输入单元和接收器之间的相对方向矢量来跟踪 输入单元的最终位置。
根据上述方法， 一种使用超声波的信息输入设备考虑输入单元和接收器 的方向来跟踪输入单元的位置，从而该信息输入设备可感测比产生的超声波 信号的波长小得多的输入单元的移动，减小噪声所引起的误差，并跟踪输入 单元的精确位置。此外，可通过相敏互相关方案减小超声波信号的频率，具 有减小后的频率的超声波信号在空中具有小的损失。
通过下面参照附图对本发明优选实施例进行的描述，本发明的上述目的、 其它特点和优点将会变得更加清楚，其中图1是示出现有技术中使用超声波的笔型计算机输入设备的构造的示
构的示图3是示出根据本发明实施例的使用超声波的信息输入设备的方框结构 的示图5是示出根据本发明实施例的使用相敏互相关来跟踪输入单元的位置 的过程的流程图。
具体实施例方式
现在将详细描述本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在本发明 的描述中，在确定对有关公知的功能或结构的详细描述会不必要地使本发明 不清楚的情况下，将略掉对其的描述。
图2是示出根据本发明实施例的使用超声波的信息输入设备的示意性结 构的示图，其中，假设所述输入装置是笔型输入装置来给出描述。为了参考， 在手套类型的输入装置的情况下，该输入装置可以是容纳整个手的手套类型 或者是仅仅一个或几个手指插入所述手套并使用的手指鼠标类型。
参照图2，使用超声波的信息输入设备通常包括输入单元100,产生超 声波信号并输入位置；接收器200，接收在输入单元100中所产生的超声波 信号。
输入单元100包括超声波发生器110，产生超声波信号；第一方向测 量单元120，测量输入单元100向着的方向。接收器200是一个长杆，其可 附着到现有铁板300的固定部分，接收器200包括超声波接收器210，接 收超声波发生器110所产生的超声波信号；第二方向测量单元220，测量接 收器200向着的方向。
同时，图3是示出根据本发明实施例的使用超声波的信息输入设备的方 框结构的示图。如图3所示，输入单元100包括超声波发生器110、第一方 向测量单元120、操作按钮130、功能按钮140、传感器150、控制器160和 第一发送器170。
超声波发生器110产生用于跟踪输入单元100的位置的超声波信号，其
中，输入单元100在用户按下操作按钮130时操作。
第一方向测量单元120测量输入单元100向着的方向。第一方向测量单 元120使用三轴加速度计来测量输入单元100向着的方向，将描述的测量的 输入单元100的方向矢量连同在第二方向测量单元220中测量的接收器200 的方向矢量被用于测量输入单元100和接收器200之间的相对方向矢量。
操作按钮130用于操作输入单元100。当用户按下操作按钮130时，传 感器150感测按下操作并操作输入单元100。此外，从输入单元100输入的 线的宽度取决于在按钮130上所引起的压力。首先，当用户按下附着到输入 单元100的操作按钮130 —次时，输入单元100开始操作以产生超声波信号， 输入单元100的位置被输入到计算机。
此外，当用户按下操作按钮130三次时，在每个指定的步骤，输入到计 算机的线的宽度不同。根据压力的力度，这种指定的步骤可以是两个或三个 步骤，并且包括用于停止输入单元100的操作的步骤。
功能按钮140由一个或两个按钮组成，这些按4丑#:设计为执行特定功能，
如现有鼠标的左或右按钮的功能。因此，当用户按下功能按钮140时，连接 到其的传感器150感测按下操作，并执行根据感测结果指定的特定功能。这
控制器160输出控制信号，以便超声波发生器IIO产生超声波信号，第 一方向测量单元120测量输入单元100向着的方向。
第一发送器170将超声波发生器110所产生的超声波信号发送到输入单 元100的外部，接收器200的超声波接收器210接收通过第一发送器170向 外部发送的超声波信号。
同时，接收器200接收在输入单元100中所产生的超声波信号，以跟踪 输入单元100的位置，并将跟踪的位置发送给计算机。
该接收器200包括超声波接收器210、第二方向测量单元220、存储器 225、接收和控制单元230、信号校正单元240、方向计算器250、信号处理 器260、位置跟踪单元265和第二发送器270。
超声波接收器210接收超声波发生器110所产生的超声波信号。包括在 接收器200中的不止三个超声波接收器210跟踪输入单元IOO的特定位置。
第二方向测量单元220测量接收器200向着的方向。该第二方向测量单 元220使用三轴加速度计来测量接收器200向着的方向，测量的接收器200
的方向矢量连同已经测量的输入单元100的方向矢量^皮用于测量输入单元 100和接收器200之间的相对方向矢量。
测量输入单元100和接收器200之间的相对矢量的原因是为了跟踪输入 单元100的精确位置。这里，由于产生超声波的超声波发生器110不是位于 输入单元100的端部，所以当跟踪输入单元100的位置时，出现了这样的错 误，即，没有输入基于用户意图的实际位置。
因此，当使用预先测量的输入单元100和接收器200之间的相对方向矢 量以及输入单元100的端部和与输入单元100相隔预定距离的超声波发生器 110之间的距离值来进行计算时，通过应用三角法(trigonometry)以校正这 种错误，能够精确地测量输入单元100的端部的位置。
接收和控制单元230输出控制信号以使第二方向测量单元220能够测量 接收器200的方向，信号处理器260的位置跟踪单元265能够跟踪输入单元 100的正确位置。
信号校正单元240校正接收的超声波信号。该校正单元240可以是基于 超声波接收器210所接收的超声波信号的接收时间执行时间增益控制并校正 超声波信号的时间增益控制预放大器。
校正超声波信号的原因是超声波接收器210难以测量超声波，除非校 正超声波信号暴露在空中时所发生的衰减。此时，时间增益可以以公式的格 式或者查询表的格式存储在存储器225中。
方向计算器250才艮据第一方向测量单元120所测量的输入单元100的方 向矢量和第二方向测量单元220所测量的接收器200的方向矢量来计算输入 单元100和接收器200之间的相对矢量。
信号处理器260 4安照相每文互相关(phase sensitive cross-correlation)方案 执行信号处理，以使用超声波接收器210接收的超声波信号跟踪输入单元100 的位置(超声波发生器的位置)。下面将详细描述相敏互相关方案。
位置跟踪单元265使用信号处理器260所跟踪的输入单元100的位置(超 声波发生器的位置)以及方向计算器250所计算的输入单元100和接收器200 的相对方向矢量来跟踪输入单元100的最终位置(超声波发生器的位置)。此 时，可通过应用三角法来获得输入单元100的最终位置。
最终，第二发送器270将在位置跟踪单元265中跟踪的输入单元100的 最终位置发送给计算机。
以下，将参照附图来描述根据本发明的使用超声波的信息输入设备的操作。
图4是示出根据本发明的使用超声波的信息输入设备的操作的流程图。
参照图4,控制器160通过操作按钮130检查用户是否需要操作输入单 元100 (Sll)。当检查结果是存在操作要求时，控制器160使超声波发生器 IIO产生超声波信号，使第一方向测量单元20测量输入单元100向着的方向， 并使得输入单元100的位置输入开始(S12)。此时，第一方向测量单元120 使用三轴加速度计测量方向。
接收器200的超声波接收器210接收超声波发生器110所产生的超声波 信号(S13),接收的超声波信号被信号校正单元240中的时间增益控制预放 大器校正(S14)。此时，通过根据接收的超声波信号的接收时间校正时间增 益控制预放大器的时间增益来执行校正。
校正的超声波信号被转换成数字信号(S15)，并用于在信号处理器260 中通过相敏互相关方案来跟踪输入单元100的位置(超声波发生器的位置) (S16)。此外，使用跟踪的输入单元100的位置(超声波发生器的位置)以 及在方向计算器250中计算的输入单元100和接收器200的相对方向矢量， 通过应用三角法，在位置跟踪单元265中跟踪输入单元100的最终位置(输 入单元的端部的位置)(S17)。
此外，预先跟踪的输入单元100的最终位置(输入单元的端部的位置) 通过第二发送器270被发送给计算机(S18)。此时，第二发送器270和计算 机可以通过通用串行总线(USB)连接。
最终，接收和控制单元230检查是否存在输入单元100的操作终止要求 (S19)。当检查结果是存在操作终止要求时，操作被终止，否则，输入单元 IOO继续执行位置输入。
同时，将参照附图给出信号处理器260的相壽文互相关方案的详细描述。
图5是示出根据本发明实施例的使用相敏互相关跟踪输入单元的位置的 过程的流程图，其中，从接收的超声波信号转换来的数字信号被输入到信号 处理器260，输入单元100的最终位置^R跟踪。
参照图5,接收和控制单元230使转换的数字信号能够被输入到信号处 理器260( S21 )，并从输入的数字信号确定峰值输出通道(peak output channel) (S22)。此外，通过互相关来比较确定的峰值输出通道和参考信号(S23),
从而找到用于跟踪输入单元100的位置的近似峰值。
此夕卜，通过再次找到相位过零点(phase zero crossing point)来估计相位 过零值(phase zero crossing value ) ( S24 )，输入单元100的位置(超声波发 生器的位置)被跟踪(S25)。即，相敏互相关是这样一种方案在互相关过 程之后通过再次找到相位过零点来找到用于进行位置跟踪的精确的峰值。
使用通过相^:互相关过程跟踪的输入单元100的位置(超声波发生器的 位置)以及在方向计算器250中计算的输入单元100和接收器200之间的相 对方向矢量，应用三角法来跟踪输入单元100的最终位置(输入单元的端部 的位置)(S26)。
此外，所跟踪的输入单元100的最终位置(输入单元的端部的位置)被 存储在存储器225中作为用于跟踪下一位置的参考信号(S27)。
此外，当跟踪输入单元100的位置时，如果仅执行互相关过程，那么应 该用插值提高釆样率以找到用于跟踪输入单元100的位置的点的峰值，结果 计算量增加，而且获得的值还包括由于噪声影响而产生的误差元素。
然而，当在信号处理过程中使用相敏互相关方案时，不需要另外的插值， 因此，相对计算量减少，从而可以感测比载波波长小得多的输入单元的移动， 而且信噪比(SNR)增大。
如上所述，根据本发明，使用超声波和惯性来精确地跟踪输入单元的位 置，因此与用于跟踪输入单元的位置的输入单元相比，可以精确地执行输入。
尽管参照本发明的优选实施例描述并示出了本发明，但是本领域技术人 员应该清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修 改和变型。因此，本发明覆盖权利要求及其等同物的范围内的多种修改和变 型。
权利要求
1、一种信息输入设备，包括输入单元，用于产生超声波信号；接收器，用于接收输入单元所产生的超声波信号，其中，所述输入单元包括超声波发生器，根据输入单元的移动产生超声波信号；和控制器，产生使超声波发生器产生超声波的控制信号，所述接收器包括超声波接收器，接收超声波发生器所产生的超声波信号；和信号处理器，按照相敏互相关方案执行信号处理，以使用超声波接收器所接收的超声波信号来跟踪输入单元的位置。
2、 如权利要求1所述的信息输入设备，其中，所述输入单元是笔或手套 类型，并且还包括用于操作输入单元的操作按钮或用于执行特定功能的功能 按钮。
3、 如权利要求2所述的信息输入设备，其中，所述操作按钮通过用户的 按压来操作，从输入单元输入的线的宽度取决于按压的力度。
4、 如权利要求1所述的信息输入设备，其中，所述接收器包括用于跟踪 输入单元的空间位置的三个或更多个超声波接收器。
5、 如权利要求1所述的信息输入设备，其中，所述接收器包括信号校 正单元，通过根据超声波接收器所接收的超声波信号的接收时间执行时间增 益控制来校正超声波信号。
6、 一种使用超声波的信息输入设备，包括输入单元，用于产生超声波 信号并输入位置；接收器，用于接收输入单元所产生的超声波信号，其中，所述输入单元包括超声波发生器，根据输入单元的移动产生超声波信号；第一方向测量单元，测量输入单元向着的方向；和控制器，产生使超声波发生器产生超声波并使第 一方向测量单元测量输入单元的方向的控制信号，所述接收器包括 -超声波接收器，接收超声波发生器所产生的超声波信号； 第二方向测量单元，测量接收器向着的方向； 方向计算器，使用第一方向测量单元和第二方向测量单元所测量的 各个方向来计算输入单元和接收器之间的相对方向矢量；信号处理器，按照相敏互相关方案执行信号处理，以使用超声波接收器所接收的超声波信号来跟踪输入单元的位置；和位置跟踪单元，根据方向计算器所产生的输入单元和接收器之间的 相对方向矢量来跟踪在信号处理器中跟踪的输入单元的位置以及输入单 元的最终位置。
7、 如权利要求6所述的信息输入设备，其中，所述输入单元是笔或手套 类型，并且还包括用于操作输入单元的操作按钮或用于执行特定功能的功能 按钮。
8 如权利要求7所述的信息输入设备，其中，所述操作按钮通过用户的 按压来操作，从输入单元输入的线的宽度取决于按压的力度。
9、 如权利要求6所述的信息输入设备，其中，所述接收器包括用于跟踪 输入单元的空间位置的三个或更多个超声波接收器。
10、 如权利要求6所述的信息输入设备，其中，所述接收器包括信号 校正单元，通过根据在超声波接收器中接收的超声波信号的接收时间执行时 间增益控制来校正超声波信号。
11、 如权利要求6所述的信息输入设备，其中，所述第一方向测量单元 和第二方向测量单元使用三轴加速度计测量方向。
12、 一种使用超声波的信息输入设备的位置识别方法，该信息输入设备 包括用于产生超声波信号并输入位置的输入单元和用于接收输入单元所产生 的超声波信号的接收器，所述方法包括以下步骤根据输入单元的移动产生超声波信号； 接收产生的超声波信号；分别测量输入单元和接收器的方向，并使用所述方向来计算输入单元和 接收器的相对方向矢量；按照相敏互相关方案执行信号处理，以使用超声波接收器所接收的超声 波信号来跟踪输入单元的位置；根据在信号处理器中跟踪的输入单元的位置以及计算的输入单元和接收 器之间的相对方向矢量，跟踪输入单元的最终位置。
13、 如权利要求12所述的方法，其中，所述测量包括使用三轴加速度计 测量方向的子步骤。
14、如权利要求12所述的方法，还包括以下步骤通过根据在超声波接收器中接收的超声波信号的接收时间执行时间增益控制来校正超声波信号。
全文摘要
本发明涉及一种输入设备，更具体地讲，涉及一种使用超声波的信息输入设备和位置识别设备。所述信息输入设备包括用于产生超声波信号的输入单元和用于接收输入单元所产生的超声波信号的接收器，其中，所述输入单元包括超声波发生器，根据输入单元的移动产生超声波信号；控制器，产生使超声波发生器产生超声波的控制信号，所述接收器包括超声波接收器，接收超声波发生器所产生的超声波信号；信号处理器，按照相敏互相关方案执行信号处理，以使用超声波接收器所接收的超声波信号来跟踪输入单元的位置。
文档编号G06F3/033GK101180600SQ200580049897
公开日2008年5月14日 申请日期2005年9月6日 优先权日2005年5月26日
发明者徐宗范 申请人:徐宗范