一种触控定位系统及方法

技术领域

本发明涉及超声触控及定位技术领域，具体为一种触控定位系统及方法。

背景技术

目前市场上使用的触控屏的种类主要包括:电容触摸屏、红外线触摸屏以及电容触摸屏，这些屏幕能够提供很高的定位精度，因而被广泛应用于电视、电脑、手机等电子设备中，然而上述这类触控屏都是接触式触控，需要触控物体接触屏幕才能够进行定位，对于触控物体悬空条件下的定位则无法正常工作；而近年来随着体感游戏和虚拟现实游戏的兴起，触控物体隔空对显示屏进行触控的需求越来越强烈。

超声触控技术是使用一个能够发射超声的触控笔作为触控物体，然后通过测量触控笔到麦克风的距离实现对超声发射器坐标定位。超声触控技术可以实现三维坐标的定位，因而可以在触控物不接触显示屏的条件下实现对显示屏的隔空触控操作，但是现有超声触控技术是通过时延差测量触控笔到麦克风的距离，其测量精度会受到采样点误差或外界环境的影响，使得触控笔坐标定位精度难以达到1mm。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种触控定位系统及方法，其可有效实现触控笔的准确定位，提高定位精度。

其技术方案是这样的，一种触控定位系统，包括发射端和接收端，所述发射端中设置有信号发射模块，所述接收端中设置有信号接收模块，其特征在于：所述接收端中还设置有与所述信号接收模块连接的定位模块；其中，

所述信号发射模块，用于同时发射超声波信号和红外同步信号；

所述信号接收模块，用于根据接收的信号获得红外同步数字信号和包含所述超声波信号的幅度信息和相位信息的超声复数信号，随后将超声复数信号和红外同步数字信号发送给所述定位模块；

所述定位模块，用于根据接收的信号获得所述发射端到达所述信号接收模块的距离，随后根据获得的距离信息确定所述发射端的定位坐标。

进一步地，所述发射端采用的触控笔，所述接收端采用的显示屏；所述信号发射模块包括超声发射器和红外发射器；所述信号接收模块包括麦克风和红外接收器，所述麦克风设有四个，四个电连接的所述麦克风接收所述超声发射器发射的超声波信号，所述红外接收器接收所述红外发射器发射的红外同步信号；

进一步地，所述超声发射器将扫频信号转换为超声波信号后发射至所述麦克风；所述扫频信号的初始频率为-1.5kHz、终止频率为1.5kHz、采样频率为48kHz，所述扫频信号的持续时间为5ms；

一种触控定位方法，其特征在于：其包括：

发射端以一预设频率向接收端同步发射超声波信号和红外同步信号；

将超声波信号解调滤波，得到包含所述超声波信号的幅度信息和相位信息的超声复数信号；

根据超声复数信号和红外同步信号获得所述发射端到达所述接收端的距离，确定所述发射端的定位坐标。

进一步地，所述信号发射模块中的超声发射器将扫频信号转换为超声波信号后发射至所述信号接收模块的麦克风，信号转换包括以下步骤：

S1.1、扫频信号的脉冲函数数学表达式如下：

其中，T表示脉冲持续时间，f1表示脉冲频谱宽度的一半，t表示时间，j表示麦克风编号；

S1.2、将脉冲函数g(t)以T为间隔周期性的重复得到超声基带信号，超声基带信号数学表达式如下：

其中，m的取值范围为[1,+inf]；

S1.3、将超声基带信号分别取实部和虚部，将实部信号与cos(2πf

最后将相乘后的两路信号相加得到最终的超声波信号u(t)，超声波信号u(t)的数学表达式为：

u(t)＝real(s(t))×cos(2πf

其中，f

进一步地，超声波信号解调滤波包括以下步骤：

S2.1、四个所述麦克风以采样频率f

S2.2、超声信号v

S2.3、将脉冲函数g(t)的共轭逆序列g

S2.4、根据公式获得超声复数信号r

进一步地，所述红外接收器以48kHz的采样频率对红外同步信号进行采样得到红外同步数字信号w(t)，通过计算红外同步数字信号w(t)和超声复数信号r

其中t′

t

Δt

进一步地，根据公式

其中，n

φ

λ表示调制频率f

d′

进一步地，确定所述触控笔的定位坐标，包括以下步骤：

S3.1、根据公式获得所述触控笔到达各麦克风之间的距离差估计值：

d″

S3.2、假设触控笔的空间坐标为(x,y,z)，选择下标号为i,j,k的三个麦克风，即麦克风i的空间坐标为(x

将公式(5)、(6)经过化简得到：

A＝[d″

其中，x

y

A为4×3的矩阵，b为4×1的向量；

S3.3、使用最小二乘法得到：

进一步地，对获得的触控笔的定位坐标进行最优坐标选择，包括：

四个所述麦克风获得3^4＝81种距离组合，通过81种距离组合获得所述触控笔的81个定位坐标，随后根据公式：

/>

将81个定位坐标代入公式(11)、(12)中后，选取β数值最小的坐标作为最终的触控笔的定位坐标；

其中，φ

α

β是最终的误差计算函数。

本发明的有益效果是，其根据超声复数信号和红外同步数字信号获得触控笔到达显示屏的距离，随后跟距离信息确定触控笔的坐标定位，通过在定位触控点坐标过程中引入了幅度信息和相位信息,极大的提高了超声定位的精度,可将超声定位的精度提高到1mm，且可避免频率偏移导致的相位偏移对定位精度造成的影响，具有较好的使用价值。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明中发射端的流程图；

图3为本发明中接收端的流程图；

图4为本发明所采用的超声波脉冲信号自相关曲线图。

具体实施方式

如图1～图4所示，一种触控定位系统，包括发射端和接收端，发射端中设置有信号发射模块，接收端中设置有信号接收模块，接收端中还设置有与信号接收模块连接的定位模块；其中，信号发射模块，用于同时发射超声波信号和红外同步信号；

信号接收模块，用于将接收的超声波信号进行解调滤波，得到包含超声波信号的幅度信息和相位信息的超声复数信号，随后将超声复数信号和红外同步数字信号发送给定位模块；定位模块，用于根据接收的信号获得发射端到达信号接收模块的距离，随后根据获得的距离信息确定触控笔的定位坐标。

发射端采用的触控笔，接收端采用的显示屏；信号发射模块包括超声发射器和红外发射器；信号接收模块包括麦克风和红外接收器，麦克风设有四个，四个电连接的麦克风接收超声发射器发射的超声波信号，红外接收器接收红外发射器发射的红外同步信号；超声发射器用扫频信号作为脉冲函数，在将扫频信号转换为超声波信号后发射至麦克风；扫频信号的初始频率为-1.5kHz、终止频率为1.5kHz、采样频率为48kHz，扫频信号的持续时间为5ms，即以5ms为间隔周期性重复上述扫频信号生成超声基带信号，取调制频率f

一种触控定位方法，其包括：

首先，包含超声发射器和红外发射器的触控笔以一预设频率向显示屏同步发射超声波信号和红外同步信号；

具体地，信号发射模块中的超声发射器采用扫频信号作为超声脉冲信号,然后将扫频信号转换为超声波信号后发射至信号接收模块的麦克风，信号转换包括以下步骤：

S1.1、扫频信号的脉冲函数数学表达式如下：

其中，T表示脉冲持续时间，f1表示脉冲频谱宽度的一半，t表示时间，

脉冲函数具有非常强的自相关特性,其自相关函数的数学表达式如下:

其中*表示卷积操作，g

图4中(Ⅰ)为y(t)信号的波形图,可以看到其在峰值时刻附近的信号具有很高的幅度,而其余时刻信号的幅度几乎为0；

图4中(Ⅱ)展示了对脉冲信号添加高斯白噪声后,信噪比为0dB,使用g

S1.2、将脉冲函数g(t)以T为间隔周期性的重复得到超声基带信号，超声基带信号数学表达式如下：

其中，m的取值范围为[1,+inf]；g(t-mT)表示将信号g(t)延迟m个T时间；s(t)为g(t)的不断重复；

假如T＝25ms，将g(t)重复100遍发射得到2.5s的信号s(t)，那么m的取值范围就是1～100，则s(t)等于g(t-T),g(t-2T),g(t-3T),…,g(t-100T)的累加，m就是表示第几个g(t)信号的重复发射；

S1.3、将超声基带信号分别取实部和虚部，将实部信号与cos(2πf

最后将相乘后的两路信号相加得到最终的超声波信号u(t)，超声波信号u(t)的数学表达式为：

u(t)＝real(s(t))×cos(2πf

其中，f

接着，显示屏时钟同步接收到超声波信号和红外同步信号，即四个麦克风和红外接收器的时钟同步，可同时工作，使用四个麦克风完成超声波信号的接收，使用红外接收器接收红外同步信号，然后将超声波信号解调滤波，得到包含超声波信号的幅度信息和相位信息的超声复数信号；

具体地，超声波信号解调滤波包括以下步骤：

S2.1、四个麦克风以采样频率f

S2.2、超声信号v

S2.3、将脉冲函数g(t)的共轭逆序列g

S2.4、根据公式获得超声复数信号r

r

红外接收器以48kHz的采样频率对红外同步信号进行采样得到红外同步数字信号w(t)，通过计算红外同步数字信号w(t)和超声复数信号r

其中t′

t

Δt

考虑到红外同步信号以光速传播,其传输时间可近似认为为0，则Δt

最后，根据超声复数信号和红外同步信号获得触控笔到达显示屏的距离，确定触控笔的定位坐标。

具体地，根据公式

其中，n

φ

λ表示调制频率f

如：f

d′

而上述将n

进一步地，实际情况下信号接收模块的超声波信号的中心频率与调制频率f

则确定触控笔的定位坐标，包括以下步骤：

S3.1、根据公式获得触控笔到达各麦克风之间的距离差估计值：

d″

S3.2、i,j,k均表示麦克风编号，且i,j,k三个编号不能同时相同；

则假设触控笔的空间坐标为(x,y,z)，选择其中三个麦克风，即麦克风i的空间坐标为(x

将公式(5)、(6)经过化简得到：

A＝[d″

其中，x

t

对四个麦克风进行(i,k,j)的排列组合,可以得到4组公式(8)和(9)，将四组公式合并，则A为4×3的矩阵,b为4×1的向量；

S3.3、使用最小二乘法得到：

由于d″

S3.4、对获得的触控笔的定位坐标进行最优坐标选择，包括：

由于触控笔到麦克风的距离d″

如此四个麦克风将获得3^4＝81种距离组合，将81种距离组合代入公式(5)-(10)中，可获得触控笔的81个定位坐标，随后根据公式：

/>

81个定位坐标中只有一个最准确的坐标，因此，将81个定位坐标代入公式(11)、(12)中后，选取β数值最小的坐标作为最终的触控笔的空间坐标；

其中，φ

α

β是最终的误差计算函数。

本发明采用扫频信号作为超声波发射信号，利用扫频信号的自相关特性提升显示屏接收信号的信噪比，减少采样点误差，同时测量四个麦克风接收信号的相位信息，且在定位触控点坐标过程中引入了相位信息，降低了采样点误差的影响，同时通过触控点到各麦克风的距离差完成触控点坐标计算，避免了频率偏移导致的相位偏移对定位精度造成的影响，将超声触控技术的坐标定位精度提升到1mm。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。