基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法技术

本发明专利技术提供一种基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，属于人机交互、虚拟现实技术领域。计算单元接收上位机发送的聚焦点坐标，并计算组合超声波传感器阵列上各通道驱动信号延迟时间并进行量化；计算单元生成控制单元的系统时钟与系统聚焦信号，并将其与延迟数据与传感器状态信号发送到控制单元；控制单元根据接收的延迟数据与传感器状态信号设置通道计数器，并使用计数器完成各通道驱动信号的延迟控制；控制单元产生超声波传感器驱动信号并进行放大。本发明专利技术实现大孔径阵列的局部超声聚焦，并通过对聚焦点的控制在没有物理接触或物理条件时产生接近真实的用户体验，用于人机交互、虚拟现实、增强现实等领域。

Focusing method of local ultrasonic sensor array based on multi array synthetic aperture

【技术实现步骤摘要】
基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法
本专利技术属于人机交互、虚拟现实
，尤其涉及一种空中超声波聚焦方法，实现多个超声波传感器阵列的局部控制与空中聚焦。
技术介绍
随着人机交互技术的发展，出现了各种以人为中心的高效自然的人机交互方式，与此同时，人机交互过程中的各种感知反馈也随之发展。在交互过程中，用户经常需要各种感知反馈来进行操作引导或增强用户体验。随着科技的发展，人机交互逐渐从平面交互向三维空间交互过渡。三维人机交互中，随着视觉和听觉反馈技术的成熟，触觉反馈成为进一步增强三维人机交互沉浸感的必然发展。现有的触觉反馈中，大部分设备通过在人体上附加额外的设备，如手套、机械臂等，以此实现触觉反馈，但这种方法因为与人体接触，不仅影响用户的体验，还会给用户带来不舒适感，体验较差。因此，人们逐渐将研究目标放在非接触式触觉反馈方法上。目前存在的几种非接触式触觉反馈方法有空气式触觉反馈(AIREAL)、激光式触觉反馈和超声波式触觉反馈等。因为空气式触觉反馈精度较低且不能精准控制、激光式触觉反馈容易被人体或障碍物遮挡并且对人体皮肤由危本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于，包括下列步骤：/n(1)计算单元根据接收的上位机发送的焦点坐标计算组合超声波传感器阵列上各个通道的驱动信号延迟时间并进行量化，得到延迟数据Data

【技术特征摘要】
1.一种基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)计算单元根据接收的上位机发送的焦点坐标计算组合超声波传感器阵列上各个通道的驱动信号延迟时间并进行量化，得到延迟数据Dataijmn；
(2)计算单元根据超声波传感器的半辐射角θ确定组合超声波传感器阵列上各个传感器的工作状态，得到传感器状态信号Sijmn；
(3)计算单元将延迟数据与传感器状态信号按各个超声波传感器阵列进行分组，生成系统聚焦信号xEn(k)与控制单元的系统时钟，并将其发送至对应的控制单元；
(4)控制单元根据接收的延迟数据设置各通道计数器的计数终止值Cmn，并初始化通道计数器；
(5)控制单元根据系统聚焦信号与传感器状态信号确定是否启动各通道计数器，计数器启动后以时钟CLK_DELAY作为计数时钟，每个时钟周期计数值加一，到达计数终止值Cmn时，启动时钟分频模块，生成传感器驱动信号并输出，完成驱动信号的延迟控制。


2.根据权利要求1所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：所述步骤(1)中的组合超声波传感器阵列是由多个超声波传感器阵列排列为I行J列得到的孔径更大的超声波传感器阵列，更大的孔径可使产生的聚焦点更小，分辨率更高，产生的触觉反馈力更大，得到更好的触觉体验。


3.根据权利要求2所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：所述步骤(1)中组合超声波传感器阵列上各通道驱动信号延迟时间的计算与量化方法如下：
1)计算组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列上传感器Smn(xm,yn,0)距离焦点的距离sijmn：



其中，P(x,y,z)为焦点坐标，Smn(xm,yn,0)表示组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列中第m行第n列传感器的坐标，xm＝(m-1)*d+(i-1)*Δx，yn＝(n-1)*d+(j-1)*Δy，1≤m≤M，1≤n≤N，1≤i≤I，1≤j≤J，d是超声波传感器阵列中相邻超声波传感器中心间的距离，Δx，Δy分别为x轴与y轴方向上相邻超声波传感器阵列间的间隔；
2)计算组合超声波传感器阵列中第i行第j列个超声波传感器阵列上传感器Smn(xm,yn,0)发射的超声波到达焦点所需的时间tijmn：
tijmn＝sijmn/c
其中，c是超声波在空气中的传播速度；
3)取超声波到达时间tijmn的最大值tmax：



4)计算组合超声波传感器阵列上各通道驱动信号的延迟时间τijmn：
τijmn＝tmax-tijmn
5)将驱动信号延迟时间τijmn量化为延迟控制时钟CLK_DELAY下的周期数，向上取整得到Dataijmn：



其中，fDelay为延迟控制时钟CLK_DELAY的频率，表示向上取整。
延迟控制时钟CLK_DELAY为驱动信号延迟时间τijmn的量化时钟，同时作为计数器的计数时钟，延时单位δ为时钟频率的倒数，表示为：





4.根据权利要求1或2所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：单个超声波传感器阵列由MN个超声波传感器组成，排列成M行N列。


5.根据权利要求1所述的基于多阵列合成孔径的局部超声波传感器阵列聚焦方法，其特征在于：所述步骤(2)中组合超声波传感器阵列上各个传感器工作状态的确定方法如下：
1)计算单元根据超声波传感器的半衰减角计算传感器的最大辐射长度Lmax：



其中，z为焦点距离超声波传感器阵列的距离，即焦点的z轴坐标，θ为超声波传感器的半衰减角，具体可查阅超声波传感器的数据手册；
2)将第(1)步计算出的传感器距焦点的距离sijmn与最大辐射长度Lmax进行比较，若sijmn小于等于Lmax，则表示焦点处于传感器辐射范围内，传感器正常工作，状态信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建，于帆，孙晓颖，林琳，燕学智，王庆龙，王知强，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22