基于超声定位的远距离PC体感输入方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声定位的远距离PC体感输入方法，佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角，最后，根据超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角确定对PC的操作输入信息。本发明专利技术更为精确，能够检测到类似手指的小范围运动，能够完成更为复杂的操作，更大幅度提升用户的体验。

Long distance PC somatosensory input method based on ultrasonic positioning

The invention discloses a remote PC ultrasound localization of somatosensory input method based on at least one ultrasonic narrowband signal sent to wear will be produced in different parts of the body of the ultrasonic transmitter in one or more users to the receiving array, according to the ultrasonic signal arrival with narrowband receiver delay array ultrasound the transmitter in three-dimensional space position, and the azimuth angle and pitching angle, finally, according to the ultrasonic transmitter in three-dimensional space position, and the azimuth and elevation angle to determine the operation input information on PC. The invention is more accurate and can detect small range motions similar to fingers, and can perform more complicated operations and greatly enhance the user experience.

【技术实现步骤摘要】
基于超声定位的远距离PC体感输入方法
本专利技术属于体感
，具体涉及一种基于超声定位的远距离PC体感输入方法。
技术介绍
目前商用体感产品随工作原理的不同，主要可分为三大类：惯性感测、光学感测以及惯性及光学联合感测。惯性感测主要是以惯性传感器为主，感测使用者肢体动作的物理参数，来求得使用者在空间中的各种动作。且由于MEMS陀螺仪的出现也加速了惯性感测的发展，但其仅能对运动的趋势进行感测，且精度受限。光学感测主要是通过光学传感器获取人体影像，再将此人体影像的肢体动作与游戏中的内容互动，但主要是以2D平面为主。直到2010年，Microsoft发表了跨世代的全新体感感应套件——Kinect，同时使用激光及摄像头(RGB)来获取人体影像信息，可捕捉人体3D全身影像，而且不受任何灯光环境限制。但光学感测，其性能受外界环境和相应的图像处理算法影响。从使用效果看，其输入时，要求操作着有明显的动作，如手的大幅度挥动，身体的大幅度舞动。其无法用于较复杂的信息输入，分辨率低。例如kinect存在对个别动作的响应延迟，且无法识别手部动作的细微变化。联合感测的主要代表厂商为Nintendo及Sony。2006年所推出的Wii，主要是在手柄上放置一个重力传感器，用来侦测手部三轴向的加速度，以及红外线传感器，用来感应在电视屏幕前方的红外线发射器讯号，主要可用来侦测手部在垂直及水平方向的位移，来操控空间鼠标。但联合感测仍是采用惯性感测和光学感测的技术，依旧存在上述缺陷。而今，除了依照体感方式与原理的不同分为的三大类：惯性感测、光学感测以及惯性及光学联合感测之外，新创公司UltraHaptics希望通过使用超声波，经空气传播投射出三维的触感，从而改变我们与电子设备互动的方式。这将使虚拟现实头盔的使用者不仅能看到，还能触碰到投射到他们眼前的虚拟世界。为了创建隐形按钮，UltraHaptics使用数个超声波扬声器，将声波集中在特定的某一点上。声音在空气传播时产生了压力差，因此通过将这些压力差聚集在某一目标位置，其结果是产生了一个局部高压点。如果把手挡在中间，这个高压点便会发出足够的力量，使皮肤产生微微震动，进而使手感知到它的存在，其原理类似于光学感测，也存在相同的缺陷，无法用于较复杂的信息输入，分辨率低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于超声定位的远距离PC体感输入方法。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术实施例提供一种基于超声定位的远距离PC体感输入方法，该方法为：佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角，最后，根据超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角确定对PC的操作输入信息。上述方案中，该方法还包括对所述至少一个超声窄带信号进行压缩传感信道估计，具体为：在循环矩阵U中选取一个与与接收信号相似度最高的原子，通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近，获得最终结果。上述方案中，所述通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近中，单次迭代具体为：求得循环矩阵U中各行与接收序列y间的内积；根据信噪比估计结果保留至少一项结果；对保留的至少一项结果进行频域变换，在频域去除噪声，再次比较；取最大值输出；在循环矩阵U中去除最大项，进入下次迭代。上述方案中，所述佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，具体为：S11、产生两个独立的随机数U1，U2，均符合均值为0，标准差为1的高斯分布；S12、令Vi＝2Ui-1，i＝1，2，并计算S＝V1+V2；S13、若S≥1，计算并计算随机变量X1＝V1Y，X2＝V2Y；若S＜1，则返回S11，S14、采用累加法加以改进，若随机变量相互独立且满足同分布，则通过基于中心极限定理累加变换以后的随机变量满足：式中Xk为随机变量，k＝1......n，E等于均值u，D等于方差σ2；S15、取n＝12，将在[0，1]上均匀分布、均值为μ＝1/2方差为σ2＝1/12的序列累加，此时：所得为高斯白噪声序列；S16、将S15产生的高斯白噪声序列通过不同通带特性的IIR滤波器得到不同特性的超声窄带信号。上述方案中，所述根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置，具体为：将每个超声窄带信号的时间差定义为一组声波数据，所述声波数据与声速的乘积就是声源到达测量点的实际距离，根据至少三组超声波数据对目标作三圆定位，三圆定位中目标的位置是以各接收站为圆心，以各接收站同时测量目标的距离为半径的三个圆的交点来确定。上述方案中，所述根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置，具体为：选取三维空间内的若干个测设立接收阵元，被测目标佩戴超声发送端，分别测量被测目标到各接收阵元的距离被测物体坐标到三个发射点的距离，根据坐标和距离确定被测目标的位置。上述方案中，所述根据坐标和距离确定被测目标的位置，具体为三个测点在测量坐标系中的位置分别记为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)并且均设置接收阵元，所述被测目标佩戴超声发送端发送的超声窄带信号到达3个接收阵元的时间分别为Δt1,Δt2,Δt3，超声窄带信号在空气中传播的速度为c，根据三球定位公式有：联立以上方程组，获得被测目标的位置。上述方案中，所述据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的方位角和俯仰角，具体为：入射信号在XOY平面投影与x正半轴的夹角为方位角θ，入射信号与法线z正半轴的夹角为俯仰角φ，空间入射信号波到达这相邻两接收阵元的路程差s为:s＝xcosθcosφ+ysinθcosφ+zsinφ，其中x，y，z分别为两接收阵元之间距离在X、Y、Z轴上的投影，由于相邻两个传感器阵元同在XOY平面内，则s为:空间远场信号到达相邻两接收阵元的时间差为：相位差为：式中，λ为信号的波长，ω为角速度，c为信号传播速率，f为信号频率，f0为信号中心频率，f＝f0。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术更为精确，能够检测到类似手指的小范围运动，能够完成更为复杂的操作，更大幅度提升用户的体验；2、本专利技术能够实现多点运动同时检测，即同时一个用户的多点检测或者多个用户的检测，且不会互相干扰；3、本专利技术的使用与环境无关，不受使用环境光照、噪音等各种因素的影响，抗干扰性强；4、本专利技术能够减少由于设备通常在室内使用，墙壁反射等造成的混响等会影响方位估计的精度的问题。附图说明图1为本专利技术的单次迭代流程图；图2为本专利技术的高斯白噪声序列的自相关，互相关特性；图3为本专利技术的超声窄带信号的时域幅度；图4为三圆定位法的原理图；图5为被测物体到三个测量点的距离示意图；图6为阵列中两传感器阵元的空间位置关系；图7为本专利技术的室内信道仿真结果；图8为本专利技术采用DFT-MP算法进行信道估计结果图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，该方法为：佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角，最后，根据超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角确定对PC的操作输入信息。

【技术特征摘要】
2016.10.14 CN 20161089780791.基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，该方法为：佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，根据所述超声窄带信号到达不同接收阵元的时延确定超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角，最后，根据超声发送端三维空间中的位置、以及其方位角和俯仰角确定对PC的操作输入信息。2.根据权利要求1所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，该方法还包括对所述至少一个超声窄带信号进行压缩传感信道估计，具体为：在循环矩阵U中选取一个与接收信号相似度最高的原子，通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近，获得最终结果。3.根据权利要求2所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于:所述通过和接收信号内积最大的行向量进行迭代逼近中，单次迭代具体为：求得循环矩阵U中各行与接收序列y间的内积；根据信噪比估计结果保留至少一项结果；对保留的至少一项结果进行频域变换，在频域去除噪声，再次比较；取最大值输出；在循环矩阵U中去除最大项，进入下次迭代。4.根据权利要求1或2所述的基于超声定位的远距离PC体感输入方法，其特征在于，所述佩戴于一个或多个用户在身体的不同部位的超声发送端将产生的至少一个超声窄带信号发送到接收阵列，具体为：S11、产生两个独立的随机数U1,U2，均符合均值为0，标准差为1的高斯分布；S12、令Vi＝2Ui-1，i＝1，2，并计算S＝V1+V2；S13、若S≥1，计算并计算随机变量X1＝V1Y，X2＝V2Y；若S＜1，则返回S11，S14、采用累加法加以改进，若随机变量相互独立且满足同分布，则通过基于中心极限定理累加变换以后的随机变量满足:式中Xk为随机变量，k＝1……n,E等于均值u，D等于方差σ2；S15、取n＝12，将在[0,1]上均匀分布、均值为μ＝1/2，方差为σ2＝1/12...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏为，黄浩倩，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35