一种基于超声波的交互设施实现方法技术

本发明专利技术涉及一种基于超声波的交互设施实现方法，包括一个固定尺寸的平板，以及至少一对声电换能器。该方法利用点击产生的弹性机械波即超声波在设施内交互平面内传递时，到达不同传感器组的时间差推导触碰的位置。平板边缘具有相对中正面对称型的坡面，可增强触碰产生的非对称型传递超声波的信号，并抵消对称型超声波。换能器在平板坡面上相对于中正面对称粘贴并具相反极性，通过桥接进一步抵消对称型超声波。本发明专利技术适用于制作具有平整水平表面的交互界面，并可以整体装配进入现有桌面或橱窗，实现如：交互柜台、交互桌台、交互球拍、交互地板、智能公交站台等产品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及人机交互领域，特别涉及一个用户与电脑交互的触控界面，特别涉及一个新的在平板状交互设施内激发和接收超声波的设施，并基于该超声波的监测获取触控点位置信息从而实现人机交互的方法，该设施可用于交互柜台、交互球台、交互球拍等。
技术介绍
触控技术可以实现更具个性化的人机交互方式，能够为用户带来更好的应用体验。触控意即让电脑使用者透过触觉达至图像应用控制的输入技术。触控界面的展示载体通常为LCD或LED屏幕。触摸屏为典型的应用，该应用中，用户透过自己的手指将信息传给机器，机器透过视觉(显示屏)来将这个信息解释和展示给用户。在这个过程中，用户的手指往往要接触触摸屏，通过手指在触控屏上的位置和运动传递信息给机器。能让电脑感受到物理上的触碰的事物包括：热力、指压、高速摄影机、红外线、光学感应、电阻改变、超声波接收器，微音器、雷射波幅感应器及影子感应器等。要使用触控技术，传统装置必需配备触模屏或触控版，同时需装载可辨认手指触碰的软件。根据已公布的资料，如WO 9611378(A1)，WO 0038104(A1)，以及WO2004055661(A1)，存在一种根据点击或碰撞在一个平板里产生的超声波进行计算，推导(x，y)坐标值的触控技术。此类技术通常应用在玻璃或金属材质上，具有四对超声波换能器，并通常对界面的机械机构进行优化，提高信噪比，从而收集点击产生的声波到达不同换能器产生的信号。此类技术往往具有相应的算法，能根据触碰产生的振动波(超声波)达到不同换能器组的时间差计算推导位置信息。此类技术可以支持多达数平方米的交互界面的设计和制造。根据已公布的资料，如ZL 201110225709.8，存在一种根据点击或碰撞在一个平板里产生的超声波进行计算，推导(x，y)坐标值的触控技术。此类技术通常应用在玻璃或金属材质上，具有四对超声波换能器，并通常对界面的机械机构进行优化，提高信噪比，从而收集点击产生的声波到达不同换能器产生的信号。此类技术往往具有相应的算法，能根据触碰产生的振动波(超声波)达到不同换能器组的时间差计算推导位置信息。此类技术可以支持多达数平方米的交互界面的设计和制造。然而，目前应用此类技术的专利技术拥有多项不足。首先，通常交互界面的面积
越大，应用此类技术的触摸屏的精度越低，这通常是由于超声波信息在平板里进行固体传递时的衰减造成。另一方面，超声波换能器的大小，精度以及抗电磁干扰的能力，甚至电线接入的质量，都会对此类技术的精度造成影响，从而，为了提升精度和准确性，工程设计人员往往需要在换能器外布置保护壳或通过绝缘涂层等方式减少环境因素带来的信号污染。从而，传统应用此类超声波到达时间差技术的专利技术并不适合家具或建筑行业内的工程人员直接使用。事实上，根据现有的文献检索，尚未存在一种集成了换能器后依然保持平面度的交互界面，并且该交互界面可以作为窗户或桌面的一部分直接整合进现有的工作环境如双层玻璃或餐馆桌台里。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题即是解决所有上述问题，并提供相应的解决方案。本专利技术提供一种将点击触控产生的超声波通过特别设计的结构，使得超声波在平板里传递时会根据预先制定的传递路线传递，从而提升触控检测的精度和准确性。为此，本专利技术基于超声波实现了一种新型的人机交互设施实现方法，设计了一种平面化的人机交互平板，该平板经过特殊方法的加工，从而既可以提升触控精度。为了实现这些目标，本专利技术首先建议了一种激发-接收超声波的设施，该设施包含了一个硬质平板，该平板可以自由振动，并连接有数个压电陶瓷换能器。该平板的厚度，其边缘的加工以及该平板的固有振动频率均是本专利技术的核心参数。事实上，当该平板被应用于检测一个点击触碰的位置时，根据信号处理的算法，我们检测由点击产生的非对称超声波，该点击可以由手指，笔，硬塑料外壳，钥匙，戒指等各类物体产生。为了实现良好的精度，我们主要关心点击时产生的多频率振动波中高频的部分，特别是80kHz到100kHz的部分。本专利技术涉及的机械弹性振动波，或所谓超声波的典型波长为40mm，涉及平板材质为玻璃或硬铝。本专利技术涉及的压电陶瓷换能器的尺寸需要小于波长的一半。平板材质为玻璃时，其厚度处于0.5mm和20mm之间，其边长最高为6.8米。在此配置条件下，点击触碰所产生的机械弹性波为Lamb型超声波。此类超声波特点，为在我们考虑的频率范围内，只存在两种振动波传递模式，一种为对称型，一种称为非对称型。而当平板材质为玻璃或金属时，非对称型传递方式的超声波的振幅远远高于对称型传递方式下的超声波。从而，针对非对称型传递超声波进行检测，对于点击触碰的力度轻微时更有优势。考虑到我们并不预先了解点击触碰的大小和方式，我们需要事先选择两种传
递方式中的一种进行监测。Lamb型超声波的另一个特点，是其传递模式可以根据边界条件进行筛选。Lamb型超声波的传递，可以看做是平板内部的一个机械弹性横波和一个机械弹性纵波的集合。可以观察到，在非对称传递模式下，横波针对平板中层面为非对称分布，而纵波为对称分布，而在对称传递模式下则恰恰相反，纵波为非对称分布。此种特性可以被利用来在监测时对不同传递模式进行限定和筛选。我们只需将尺寸完全相同，具有完全一致规格的声电换能器两两一对，分别在平板的上下表面对称粘贴，在激发或检测超声波时同时检测，可以根据电信号的叠加或相减，选择非对称模式或对称模式下的超声波信号强度。典型情况下，我们选择将两两一对的换能器信号叠加，也就是说，增强了非对称模式超声波信号的同时，通过结构设计去除了对称模式下的超声波信号。类似结构设计，除了将两两一对的换能器对称的贴在平板的倒脚的上下表面，也可以在平板的侧边使用。而此时对加工精度的要求更高，此时平板边缘往往需要抛光打磨，且尺寸较小对换能器的安装精度要求更高。在上述配置下，我们可以使用四组换能器来检测点击位置。每组换能器拥有两两相对的一组声电换能器，分别占据平板的四个几何顶点。平板的几何形状可以是正方形也可以是长方形。检测位置的计算，通过观察触碰产生的超声波到达不同顶点的时间差来计算。本专利技术所涉及的交互界面中很重要的一个工艺流程是平板边缘的加工方式。事实上，当平板受到一个点击触碰时，不同传递模式的超声波同时产生并以不同速度在平板内传递，并在接触到平板边缘时进行反射。而根据边缘表面质量的不同，两种模式之间会产生相应的变换，即部分非对称模式传递的超声波在边缘反射后会转变为对称型模式传递的超声波，反之亦然。此种变换或多或少会给测量触碰点位置带来困扰。一般而言，边缘受到损坏或进行加工后，均会出现类似问题。本专利技术涉及的平板界面，其边缘需要保持平整，或进行倒圆加工。本专利技术涉及到的平板的一个典型特征是对平板边缘进行双面对称结构的坡度加工。比如，一个10mm厚度的玻璃平板，经过坡度加工后，其厚度在30mm的长度里，逐渐由10mm线性下降到5mm直到平板边界。在此缓慢渐变坡度加工的情况下，可以减少产生超声波在到达边缘时进行反射从而发生传递模式变换的发生。而另一个优点，由于平板边缘厚度降低，在边缘处振动波的波幅得到进一步增强，从而，处于边缘处的换能器组获得的电信号得到增强。选择30mm的坡度加工的长度，可以让一般尺寸为20mm直径0.5mm厚度的换能器被完整放置在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超声波的交互设施实现方法，其特征在于：该实现方法包括如下步骤：(1)、该设施具有一个局部几何区域能够对于对称型传递的超声波产生衰减效应，并有压电换能器可以检测到点击触碰时激发产生的非对称型模式传递的超声波，该局部区域内平板的表面非水平面而是相对于平板半高度面的具有一定角度的对称坡形表面；同时所述换能器两两相对，在平板上相对于半高度面对称布置；(2)、利用多点触控技术获取多点接触位置信息，具体如下：a、取两个弹性机械波发生/接受器，分别放置或固定在投影图形的一条对角线的顶点上，所述弹性机械波发生/接受器包括：弹性机械波发生/接受装置，其为压电陶瓷片所述换能器为压电陶瓷盘片，其两面均覆盖有银涂层电极，所述换能器两两一组，并具有相反的极性，每组在平板上的位置为相对于平板正中面即半厚度面为对称；压电陶瓷盘片非与平板接触的一面电极与双股电线焊接相连，并受金属外壳保护，构成一个兜帽机械结构，形成一个电磁屏蔽法拉第笼；兜帽内部填充有树脂，使其内部整体具有一定机械性能，可简便且精确的布置在所述平板上；所述的圆盘状压电陶瓷及其法拉第笼亦可以被替代为半圆型或长方型压电陶瓷及相适应的结构，所述压电陶瓷片的工作频率为20kHz～2MHz；无线或蓝牙通信装置，其用于进行弹性机械波发生/接受装置与电脑或微处理芯片之间的信号传递和沟通；调节开关，其根据电脑或微处理芯片的指令使所述弹性机械波发生/接受器在发生器与接收器之间进行转换；b、规定两个所述弹性机械波发生/接受器中的一个为弹性机械波发生器，另一个为弹性机械波接收器；c、所述弹性机械波接收器对接收到的机械波进行监控，当观测到该机械波发生变化时，判定设施表面与用户手指发生了接触，通过对变化后的机械波进行校验和比对，推导出多点触控位置信息，该多点触控位置信息包含有接触点的数量和各接触点的位置信息；d、通过电脑或微处理芯片的处理将所述多点触控位置信息反应为规定的人机互动操作。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超声波的交互设施实现方法，其特征在于：该实现方法包括如下步骤：(1)、该设施具有一个局部几何区域能够对于对称型传递的超声波产生衰减效应，并有压电换能器可以检测到点击触碰时激发产生的非对称型模式传递的超声波，该局部区域内平板的表面非水平面而是相对于平板半高度面的具有一定角度的对称坡形表面；同时所述换能器两两相对，在平板上相对于半高度面对称布置；(2)、利用多点触控技术获取多点接触位置信息，具体如下：a、取两个弹性机械波发生/接受器，分别放置或固定在投影图形的一条对角线的顶点上，所述弹性机械波发生/接受器包括：弹性机械波发生/接受装置，其为压电陶瓷片所述换能器为压电陶瓷盘片，其两面均覆盖有银涂层电极，所述换能器两两一组，并具有相反的极性，每组在平板上的位置为相对于平板正中面即半厚度面为对称；压电陶瓷盘片非与平板接触的一面电极与双股电线焊接相连，并受金属外壳保护，构成一个兜帽机械结构，形成一个电磁屏蔽法拉第笼；兜帽内部填充有树脂，使其内部整体具有一定机械性能，可简便且精确的布置在所述平板上；所述的圆盘状压电陶瓷及其法拉第笼亦可以被替代为半圆型或长方型压电陶瓷及相适应的结构，所述压电陶瓷片的工作频率为20kHz～2MHz；无线或蓝牙通信装置，其用于进行弹性机械波发生/接受装置与电脑或微处理芯片之间的信号传递和沟通；调节开关，其根据电脑或微处理芯片的指令使所述弹性机械波发生/接受器在发生器与接收器之间进行转换；b、规定两个所述弹性机械波发生/接受器中的一个为弹性机械波发生器，另一个为弹性机械波接收器；c、所述弹性机械波接收器对接收到的机械波进行监控，当观测到该机械波发生变化时，判定设施表面与用户手指发生了接触，通过对变化后的机械波进行校验和比对，推导出多点触控位置信息，该多点触控位置信息包含有接触点的数量和各接触点的位置信息；d、通过电脑或微处理芯片的处理将所述多点触控位置信息反应为规定的人机互动操作。2.根据权利要求1所述的基于超声波的交互设施实现方法，其特征在于：所述的设施表面为平板，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘源，
申请(专利权)人：南京优触电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32