基于压电微机械超声换能器的人机交互系统及方法与流程

1.本发明涉及超声定位领域，特别是涉及一种基于压电微机械超声换能器的人机交互系统及方法。


背景技术：

2.随着信息技术的发展，传统的人机交互方式如键盘、鼠标，已难以满足人们对于高质量人机交互的需要。笔式交互是一种重要的人机交互方式，通过类似于传统的纸笔隐喻(metaphor)来提供给人们最大的习惯性。同时，笔式人机交互避免了对键盘、鼠标的需要，满足了现有智能终端设备小型化、便携化的要求。但是，传统笔式人机交互仍然需要特制的可以发射定位信号的笔作为交互的媒介，从而，不需要特制信号笔，而使用任一物体即可作为交互媒介的人机交互系统是下一步的发展方向。
3.人机交互系统中最关键的技术是交互目标的定位，目前用于人机交互中的空间定位技术主要包括激光定位技术、红外光学定位技术、可见光定位技术、计算机视觉、惯性传感器定位、超声波定位技术。上述定位技术中，超声波对颜色、光强度不敏感；超声波对光线和电磁场的敏感程度低，可在黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰等环境中使用；超声波换能器构成的传感器结构实现简单、制作成本低廉、信号分析与处理简便可靠，方便实现便携化、集成化及实时性控制。因此，超声波定位技术在人机交互中得到了广泛的发展。
4.现有超声人机交互技术多基于笔式人机交互方案，仍没有摆脱信号笔的限制。此外，所使用的超声换能器多基于传统体压电超声换能器，其中，体压电换能器的原理主要是利用压电陶瓷的厚度振动模式产生超声波，由于厚度模式的谐振频率只与换能器的厚度相关，在同一平面上很难制作不同谐振频率的超声换能器，且当其应用于高频时，厚度需要控制在亚微米级精度，其加工难度较高。
5.因此，提供一种基于压电微机械超声换能器的人机交互系统及方法，实属必要。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于压电微机械超声换能器的人机交互系统及方法，用于解决现有技术中采用超声笔的人机交互在应用及制备上的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于压电微机械超声换能器的人机交互系统，所述人机交互系统包括：
8.人机交互目标，通过所述人机交互目标反射超声信号；
9.发射接收模块，所述发射接收模块包括发射pmut、接收pmut及发射接收模块控制器，且所述发射接收模块控制器将电信号传输给所述发射pmut，以启动所述发射pmut发射超声信号，所述接收pmut接收经所述人机交互目标反射的超声信号，且所述接收pmut将接收到的超声信号转换为电信号，并传输给所述发射接收模块控制器，通过所述发射接收模块控制器进行解析，获取所述人机交互目标的空间位置信息；
10.智能终端设备，所述智能终端设备接收所述人机交互目标的所述空间位置信息，完成交互。
11.可选地，所述发射接收模块包括二维发射接收模块，所述二维发射接收模块包括1个以上的发射pmut阵列及2个以上共线的接收pmut阵列。
12.可选地，所述发射接收模块包括三维发射接收模块，所述三维发射接收模块包括1个以上的发射pmut阵列及3个以上非共线的接收pmut阵列。
13.可选地，所述发射接收模块包括单片式三维发射接收模块，所述单片式三维发射接收模块包括1个以上的发射pmut单元及3个以上非共线的接收pmut单元。
14.可选地，pmut的压电层包括aln压电层、zno压电层、pzt压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。
15.可选地，所述智能终端设备包括pc、智能手机及平板电脑中的一种或组合。
16.可选地，所述发射接收模块与所述智能终端设备工作于有线模式或无线模式。
17.可选地，所述人机交互系统还包括底板。
18.本发明还提供一种基于压电微机械超声换能器的人机交互系统的交互方法，包括以下步骤：
19.所述发射接收模块控制器将电信号传输给所述发射pmut，以启动所述发射pmut发射超声信号；
20.超声信号经所述人机交互目标进行反射；
21.所述接收pmut接收经所述人机交互目标反射的超声信号，且所述接收pmut将接收到的超声信号转换为电信号，并传输给所述发射接收模块控制器，通过所述发射接收模块控制器进行解析，获取所述人机交互目标的空间位置信息；
22.所述发射接收模块将所述超声笔的空间位置信息发送至所述智能终端设备，完成交互。
23.可选地，获取所述人机交互目标的空间位置信息的方法为结合勾股定理及位移公式，对所述人机交互目标的空间位置进行解析。
24.如上所述，本发明的基于压电微机械超声换能器的人机交互系统及方法，包括人机交互目标、发射接收模块及智能终端设备，且发射接收模块中设置有发射pmut、接收pmut及发射接收模块控制器，其中，发射接收模块控制器将电信号传输给发射pmut，以启动发射pmut发射超声信号，接收pmut接收经人机交互目标反射的超声信号，且接收pmut将接收到的超声信号转换为电信号，并传输给发射接收模块控制器，通过发射接收模块控制器进行解析，获取人机交互目标的空间位置信息，智能终端设备接收人机交互目标的空间位置信息，完成交互。本发明利用pmut尺寸小、功耗低、价格低、性能优异、方便集成的优点，将之与人机交互相结合，无需采用传统的超声笔，可大幅缩小设备尺寸、减小设备价格、提高设备性能及设备应用便捷性。
附图说明
25.图1显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的二维人机交互系统的结构示意图。
26.图2显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的三维人机交互系统的结构示意
图。
27.图3显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的单片式三维人机交互系统的结构示意图。
28.图4显示为图1中的二维发射接收模块的结构示意图。
29.图5显示为图2中的三维发射接收模块的结构示意图。
30.图6显示为图3中的单片式三维发射接收模块的结构示意图。
31.图7显示为图4及图5中的pmut阵列的结构示意图。
32.图8显示为图6中的pmut阵列的结构示意图。
33.图9显示为本实施例中pmut阵元的剖面结构示意图。
34.图10显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的人机交互系统的结构框图。
35.图11显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的人机交互系统的交互方法流程图。
36.元件标号说明
37.101、102、103
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底板
38.201、202、203
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人机交互目标
39.301
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二维发射接收模块
40.302
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三维发射接收模块
41.303
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单片式三维发射接收模块
42.3011
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二维发射接收模块本体
43.3012
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第一接收pmut阵列
44.3013
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第一发射pmut阵列
45.3014
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第二接收pmut阵列
46.3021
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三维发射接收模块本体
47.3022
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第一接收pmut阵列
48.3023
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第二接收pmut阵列
49.3024
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第一发射pmut阵列
50.3025
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第三接收pmut阵列
51.3031
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单片式三维发射接收模块本体
52.3032
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发射接收pmut阵列
53.401、402、403
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智能终端设备
54.500、600
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pmut阵列
55.510
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pmut阵元
56.501
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si衬底
57.502
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空腔
58.503
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si结构层
59.504
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底电极
60.505
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压电层
61.506
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顶电极
62.507
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sio2绝缘层
63.508
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第一铝电极
64.509
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二铝电极
65.601
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中心发射pmut阵元
66.602
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一接收pmut阵元
67.603
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第二接收pmut阵元
68.604
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第三接收pmut阵元
具体实施方式
69.目前，基于微机电系统(微机电系统英文全称：micro-electro-mechanical system，简称：mems)制作的微机械超声换能器(微机械超声换能器英文全称：micromachined ultrasonic transducer，简称：mut)工作在弯曲模式，具有刚度较低的振动薄膜，并且其谐振频率通过平面内尺寸控制，对加工精度要求较小。随着mems超声换能器技术的逐渐成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易实现大规模生产的优点，微机械超声换能器将逐步取代传统的体压电换能器。
70.微机械超声换能器主要分两种：电容式微机械超声换能器(capacitance mut，cmut)和压电式微机械超声换能器(piezoelectric mut，pmut)。其中，cmut利用上下极板间形成的电容，通过金属电极间的直流偏置电压使振动薄膜向下弯曲，再通过施加一定频率的交流电压，驱动薄膜上下振动，推动介质辐射超声波。反之，振动薄膜在直流偏置电压的作用下保持静态弯曲平衡，当超声波推动薄膜振动时，电极间距的改变引起电容值的改变，从而产生与声波相关的电信号。根据cmut的工作原理，为了维持较高的输出压力和灵敏度，其需要数百伏的偏置电压和亚微米的极板间间隙。较小的间隙导致了复杂的制造流程，以及极板间的粘连问题；数百伏的偏置电压进一步增加了系统的复杂性，也带来了安全隐患。pmut基于压电薄膜的压电效应/逆压电效应可实现电能和声能的相互转换，相较于cmut，pmut结构简单，容易制造，并且不需要数百伏的偏置电压，从而便于应用在智能终端领域。
71.本实施例将pmut应用于人机交互系统，发射接收模块包括发射pmut、接收pmut及发射接收模块控制器，发射接收模块控制器启动发射pmut发射超声信号，接收pmut接收经人机交互目标反射的超声信号并传输给发射接收模块控制器，通过发射接收模块控制器进行解析，获取人机交互目标的空间位置信息；利用pmut尺寸小、功耗低、价格低、性能优异、方便集成的优点，将之与人机交互相结合，从而可大幅缩小设备尺寸、减小设备价格、提高设备性能及设备应用便捷性。
72.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
73.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
74.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解
到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于
……
之间”表示包括两端点值。
75.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
76.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
77.本实施例提供一种基于压电微机械超声换能器的人机交互系统，所述人机交互系统包括：底板、人机交互目标、发射接收模块及智能终端设备。其中，依据所述发射接收模块的不同选择，本实施例包含3种技术方案，即：如图1的基于压电微机械超声换能器的二维人机交互系统、如图2的基于压电微机械超声换能器的三维人机交互系统以及如图3的基于压电微机械超声换能器的单片式三维人机交互系统。
78.其中，底板101、102、103用于提供书写平面，若书写平面平整，该部件亦可不布置；人机交互目标201、202、203可为墨水笔、手指以及各种可以反射超声波的物体即可；所述发射接收模块基于压电微机械超声换能器(pmut)设计，根据具体的应用环境可以布置为如图1中的二维发射接收模块301、如图2中的三维发射接收模块302。以及基于压电微机械超声换能器可以在同一芯片上布置多个pmut阵元，因此在单个芯片上面也可分别设置发射pmut和接收pmut，从而所述发射接收模块也可以设计为如图3中的单片式发射接收模块303。
79.其中，所述发射接收模块包括发射接收模块本体、发射pmut阵列\发射pmut阵元、接收pmut阵列\接收pmut阵元。如图10，所述发射接收模块本体中包含发射接收模块控制器，进一步的，所述发射接收模块本体中还可包括超声信号发射电路、超声信号处理电路及供电单元，在所述发射接收模块控制器控制所述超声信号发射电路驱动所述发射pmut阵列\发射pmut阵元发射超声信号后，由所述接收pmut阵列\接收pmut阵元接收由所述人机交互目标201、202、203反射的超声波，并通过所述超声信号处理电路和所述发射接收模块控制器处理所述接收pmut阵列\接收pmut阵元接收到的超声信号，解析所述人机交互目标201、202、203的空间位置信息，并将空间位置信息发送至智能终端设备401、402、403。
80.如图4和图10所示，所述二维发射接收模块301包括二维发射接收模块本体3011、第一接收pmut阵列3012、第一发射pmut阵列3013及第二接收pmut阵列3014。所述二维发射接收模块本体3011中包含发射接收模块控制器、超声信号发射电路、超声信号处理电路及供电单元，在所述发射接收模块控制器控制所述超声信号发射电路驱动所述第一发射pmut阵列3013发射超声信号后，由所述第一接收pmut阵列3012和所述第二接收pmut阵列3014接收由所述人机交互目标201反射的超声波，并通过所述超声信号处理电路和所述发射接收模块控制器处理所述第一接收pmut阵列3012和所述第二接收pmut阵列3014接收到的超声信号，解析所述人机交互目标201的二维位置，并将位置发送至所述智能终端设备401。
81.所述二维发射接收模块301中的所述发射pmut阵列的数目大于等于1个，所述接收pmut阵列的数目大于等于2个，并且所述接收pmut阵列共线。本实施例中包含1个所述发射
pmut阵列及2个所述接收pmut阵列，但所述二维发射接收模块301的设置并非局限于此。
82.其中，当所述二维发射接收模块301中所述接收pmut阵列的数目多于2个时，可以使接收数据冗余，利用冗余数据处理算法，可以提高定位的准确性。此外，多于1个的所述发射pmut阵列和多于2个的所述接收pmut阵列还可以保证在pmut阵列失效时，所述二维发射接收模块301还能正常运作，以保证系统的稳定性。
83.如图5和图10所示，所述三维发射接收模块302包括三维发射接收模块本体3021、第一接收pmut阵列3022、第二接收pmut阵列3023、第一发射pmut阵列3024及第三接收pmut阵列3025。所述三维发射接收模块本体3021中包含发射接收模块控制器、超声信号发射电路、超声信号处理电路及供电单元，在所述发射接收模块控制器控制所述超声信号发射电路驱动所述第一发射pmut阵列3024发射超声信号后，由所述第一接收pmut阵列3022、第二接收pmut阵列3023和所述第三接收pmut阵列3025接收由所述人机交互目标202反射的超声波，并通过所述超声信号处理电路和所述发射接收模块控制器处理所述第一接收pmut阵列3022、第二接收pmut阵列3023和所述第三接收pmut阵列3025接收到的超声信号，解析所述人机交互目标202的三维位置，并将位置发送至所述智能终端设备402。
84.所述三维发射接收模块302中所述发射pmut阵列的数目大于等于1个，所述接收pmut阵列的数目大于等于3个，并且所述接收pmut阵列不能全部共线。本实施例中包含1个所述发射pmut阵列及3个非共线的所述接收pmut阵列，但所述三维发射接收模块302的设置并非局限于此。
85.其中，当所述三维发射接收模块302中所述接收pmut阵列的数目多于3个时，可以使接收数据冗余，利用冗余数据处理算法，可以提高定位的准确性。此外，多于1个的所述发射pmut阵列和多于3个的所述接收pmut阵列还可以保证在pmut阵列失效时，所述三维发射接收模块302还能正常运作，保证系统的稳定性。
86.如图6和图10所示，所述单片式三维发射接收模块303包括单片式三维发射接收模块本体3031及发射接收pmut阵列3032。所述发射接收pmut阵列3032中各阵元相互独立，可包含大于等于1个的发射pmut阵元和数目大于等于3个的接收pmut阵元。所述单片式三维发射接收模块本体3031中包含发射接收模块控制器、超声信号发射电路、超声信号处理电路及供电单元，在所述发射接收模块控制器控制所述超声信号发射电路驱动所述发射接收pmut阵列3032中的所述发射pmut阵元发射超声信号后，由所述发射接收pmut阵列3032中的所述接收pmut阵元接收由所述人机交互目标203反射的超声波，并通过所述超声信号处理电路和所述发射接收模块控制器处理所述接收pmut阵元接收到的超声信号，解析所述人机交互目标203的三维位置，并将位置发送至所述智能终端设备403。
87.所述发射接收pmut阵列3032中所述发射pmut阵元的数目大于等于1个，所述接收pmut阵元的数目大于等于3个，并且所述接收pmut阵元不能全部共线。如图8所示，本实施例中，所述发射接收pmut阵列3032采用pmut阵列600，所述pmut阵列600中设置有具有9个pmut阵元，但所述pmut阵列600的结构并非局限于此。
88.其中，当所述发射接收pmut阵列3032中所述接收pmut阵元的数目多于3个时，可以使接收数据冗余，利用冗余数据处理算法，可以提高定位的准确性。此外，多于1个的所述发射pmut阵元和多于3个的所述接收pmut阵元还可以保证在pmut阵元失效时，所述发射接收pmut阵列3032能正常运作，保证系统的稳定性。
89.如图7所示，本实施例中的所述二维发射接收模块301和所述三维发射接收模块302中的pmut阵列均为pmut阵列500，包括多个pmut阵元510，多个顶电极焊盘和多个底电极焊盘，所述pmut阵列500中所有阵元共顶电极和共底电极，并由顶电极焊盘和底电极焊盘分别引出。
90.如图8所示，本实施例中的所述单片式三维发射接收模块303中的pmut阵列为pmut阵列600，包括多个pmut阵元，多个顶电极焊盘和多个底电极焊盘，所述pmut阵列600中所有所述pmut阵元共底电极，但顶电极相互独立，以单独驱动。
91.如图9显示为图7及图8中的所述pmut阵元的剖面结构图，所述pmut阵元通过mems技术加工而成，自上而下包括sio2绝缘层507、顶电极506、压电层505、底电极504、si结构层503、si衬底501。其中，所述si衬底501刻蚀有空腔502用以保证pmut的弯曲振动。第一铝电极508和第二铝电极509分别用于引出所述底电极504和顶电极506。当在所述底电极504和顶电极506之间施加交流电场时，所述压电层505中产生的横向应力将带动所述pmut阵元510弯曲振动，从而产生超声波。其中，所述pmut阵元可采用相同结构或不同结构。所述压电层505可为aln压电层、zno压电层、pzt压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。
92.本实施例中，优选所述pmut阵列500中所有的所述pmut阵元的结构均相同，以及所述pmut阵列600中所有的所述pmut阵元的结构均相同，优选所述压电层505为aln压电层，但所述pmut阵列的材质、结构等的选择并非局限于此。
93.作为示例，所述智能终端设备可包括pc、智能手机及平板电脑中的一种或组合；所述发射接收模块与所述智能终端设备可工作于有线模式或无线模式，所述智能终端设备的种类及与所述发射接收模块的通讯方式，此处不作过分限制。
94.参阅图10及图11，本实施例还提供一种基于压电微机械超声换能器的人机交互系统的交互方法，包括以下步骤：
95.所述发射接收模块控制器将电信号传输给所述发射pmut，以启动所述发射pmut发射超声信号；
96.超声信号经所述人机交互目标进行反射；
97.所述接收pmut接收经所述人机交互目标反射的超声信号，且所述接收pmut将接收到的超声信号转换为电信号，并传输给所述发射接收模块控制器，通过所述发射接收模块控制器进行解析，获取所述人机交互目标的空间位置信息；
98.所述发射接收模块将所述超声笔的空间位置信息发送至所述智能终端设备，完成交互。
99.作为示例，获取所述人机交互目标的空间位置信息的方法为结合勾股定理及位移公式，对所述人机交互目标的空间位置进行解析。具体解析方法如下：
100.参阅图1、图4及图7，以所述二维发射接收模块301为例，对所述人机交互目标201的位置进行二维解析的方法包括：
101.以所述第一发射pmut阵列3013为原点，所述第一接收pmut阵列3012和所述第二接收pmut阵列3014的连线为x轴，垂直x轴的直线为y轴建立坐标系。所述第一发射pmut阵列3013的坐标为(0，0)，所述第一接收pmut阵列3012的坐标为(x
r1-2d
，0)和所述第二接收pmut阵列3014的坐标为(x
r2-2d
，0)，所述人机交互目标201的坐标为(x
2d
，y
2d
)，所述人机交互目标201(x
2d
，y
2d
)所发射的超声波到达所述第一接收pmut阵列3012、第二接收pmut阵列3014的
时间分别为t
1-2d
、t
2-2d
。设所述人机交互目标201与所述第一发射pmut阵列3013、第一接收pmut阵列3012、第二接收pmut阵列3014的距离分别为d
1-2d
、d
2-2d
、d
3-2d
，超声波的传播速度为c，则得到下述方程：
[0102][0103][0104][0105]d1-2d
+d
2-2d
＝ct
1-2d
；
[0106]d1-2d
+d
3-2d
＝ct
2-2d
。
[0107]
通过求解上述方程即可求得所述人机交互目标201的位置。同理增加接收阵列的数目，并选择其他任意2个pmut阵列，亦可求得所述人机交互目标201的坐标。将多个所述人机交互目标201的坐标数据通过冗余算法处理，如加权平均、卡尔曼滤波等，可以获得更为准确的所述人机交互目标201的坐标。
[0108]
参阅图2、图5及图7，以所述三维发射接收模块302为例，对所述人机交互目标202的位置进行三维解析的方法包括：
[0109]
以所述第一发射pmut阵列3024为原点，所述第一接收pmut阵列3022和所述第三接收pmut阵列3025的连线为x轴，所述第一发射pmut阵列3024和所述第二接收pmut阵列3023的连线为y轴，垂直xy平面的直线为z轴建立坐标系。所述第一发射pmut阵列3024的坐标为(0，0，0)，所述第一接收pmut阵列3022、第二接收pmut阵列3023、第三接收pmut阵列3025的坐标分别为(x
r1-3d
，0，0)，(0，y
r2-3d
，0)，(x
r3-3d
，0，0)。所述人机交互目标202的坐标为(x
3d
，y
3d
，z
3d
)，所发射的超声波到达所述第一接收pmut阵列3022、第二接收pmut阵列3023、第三接收pmut阵列3025的时间分别为t
1-3d
、t
2-3d
、t
3-3d
。设所述人机交互目标202与所述第一发射pmut阵列3024、第一接收pmut阵列3022、第二接收pmut阵列3023、第三接收pmut阵列3025的距离分别为d
1-3d
、d
2-3d
、d
3-3d
、d
4-3d
,超声波的传播速度为c，则得到下述方程：
[0110][0111][0112][0113][0114]d1-3d
+d
2-3d
＝ct
1-3d
，
[0115]d1-3d
+d
3-3d
＝ct
2-3d
，
[0116]d1-3d
+d
4-3d
＝ct
3-3d
。
[0117]
通过求解上述方程即可求得所述人机交互目标202的位置。同理增加接收阵列的数目，并选择其他任意3个不在同一直线上的pmut阵列，亦可求得所述人机交互目标202的坐标。将多个所述人机交互目标202坐标数据通过冗余算法处理，如加权平均、卡尔曼滤波等，可以获得更为准确的所述人机交互目标202的坐标。
[0118]
参阅图3、图6及图8，以所述单片式三维发射接收模块303为例，对所述人机交互目标203的位置进行三维解析的方法包括：
[0119]
以所述pmut阵列600的中心发射pmut阵元601为原点，横向为x轴，纵向为y轴，垂直
xy平面的直线为z轴建立坐标系。所述中心发射pmut阵元601的坐标为(0，0，0)，在所述pmut阵列600中选择3个非共线的pmut阵元，包括位于左上的第一接收pmut阵元602、位于右上的第二接收pmut阵元603以及位于左下的第三接收pmut阵元604，且坐标分别为(x
r1-s
,y
r1-s
，0)，(x
r2-s
，y
r2-s
，0)，(x
r3-s
，y
r3-s
，0)。所述人机交互目标203的坐标为(xs，ys，zs)，所发射的超声波到达所述第一接收pmut阵元602、第二接收pmut阵元603、第三接收pmut阵元604的时间分别为t
1-s
、t
2-s
、t
3-s
。设所述人机交互目标203与所述中心发射pmut阵元601、第一接收pmut阵元602、第二接收pmut阵元603、第三接收pmut阵元604的距离分别为d
1-s
、d
2-s
、d
3-s
、d
4-s
,超声波的传播速度为c，则得到下述方程：
[0120][0121][0122][0123][0124]d1-s
+d
2-s
＝ct
1-s
，
[0125]d1-s
+d
3-s
＝ct
2-s
，
[0126]d1-s
+d
4-s
＝ct
3-s
。
[0127]
通过求解上述方程即可求得所述人机交互目标203的位置。同理选择其他任意3个不在同一直线上的pmut阵元，亦可求得所述人机交互目标203的坐标。将多个所述人机交互目标203的坐标数据通过冗余算法处理，如加权平均、卡尔曼滤波等，可以获得更为准确的所述人机交互目标203的坐标。
[0128]
综上所述，本发明的基于压电微机械超声换能器的人机交互系统及方法，包括人机交互目标、发射接收模块及智能终端设备，且发射接收模块中设置有发射pmut、接收pmut及发射接收模块控制器，其中，发射接收模块控制器将电信号传输给发射pmut，以启动发射pmut发射超声信号，接收pmut接收经人机交互目标反射的超声信号，且接收pmut将接收到的超声信号转换为电信号，并传输给发射接收模块控制器，通过发射接收模块控制器进行解析，获取人机交互目标的空间位置信息，智能终端设备接收人机交互目标的空间位置信息，完成交互。本发明利用pmut尺寸小、功耗低、价格低、性能优异、方便集成的优点，将之与人机交互相结合，无需采用传统的超声笔，可大幅缩小设备尺寸、减小设备价格、提高设备性能及设备应用便捷性。
[0129]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。