声学位置跟踪系统的制作方法
声学位置跟踪系统的制作方法
【专利说明】
[0001 ] 相关申请案的交叉参考
[0002] 本申请案主张2013年9月3日申请的第14/017，185号美国非临时申请案的优先权， 所述申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本文所揭示的实施例通常是针对跟踪声波跟踪系统中的发射装置的位置。
【背景技术】
[0004] 基于声学信号的位置跟踪系统可与例如智能电话、平板计算机和膝上型计算机等 移动装置一起使用。此外，基于声学信号的位置跟踪系统可与具有屏幕的基本上任何计算 装置一起使用。基于声学信号的位置跟踪系统的一个实例是具有声学信号发射器的数字 笔，所述声学信号发射器与作为计算装置的接收器通信，其中所述数字笔用以与所述计算 装置交互。
[0005] 常规的基于声学信号的位置跟踪系统包含发射声学信号的发射器以及接收所发 射的信号的接收器。所述接收器测量传播延迟，被称作接收到的声学信号的到达时间 ("Τ0Α"），且可使所述TOA乘以音速，以确定发射器的位置。使用多个接收器可允许三角测量 和/或另一形式的多边测量，且用于确定两个或甚至三个维度中的位置。使用TOA来确定位 置的跟踪系统在发射装置不与计算装置接触时，可具有性能限制，且具有次优准确性。此 外，可能需要额外时序同步或音速估计功能来减轻定位误差。
【发明内容】
[0006] 需要一种具有低电力要求，并不需要专用的同步硬件且容易在多种电子装置中实 施的改进的声学跟踪系统。
[0007] 与一些实施例一致，提供一种声学跟踪系统。所述声学跟踪系统包含移动装置，其 包含多个接收器，所述接收器能够接收来自安置成相对于彼此成固定的非平面关系的至少 三个发射器中的每一者的声学信号。所述声学跟踪系统还包含处理组件，其能够基于所述 多个接收器处接收到的声学信号来确定多维空间中的至少三个发射器的位置。所述声学跟 踪系统进一步包含应用程序控制器，其能够基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器 的所确定的位置来影响应用程序的操作。
[0008] 与一些实施例一致，本发明提供一种用于确定发射装置的位置的方法。所述方法 包含在多个接收器处接收来自安置成相对于彼此成固定的非平面关系的至少三个发射器 中的每一者的声学信号。所述方法还包含基于在所述多个接收器处接收到的声学信号来确 定多维空间中的至少三个发射器的位置。所述方法进一步包含基于所述至少三个发射器中 的一或多个发射器的所确定的位置来影响应用程序的操作。
【附图说明】
[0009] 图1是说明与一些实施例一致的声学跟踪系统的图。
[0010] 图2是说明根据实施例的发射装置的图。
[0011] 图3是说明根据实施例的发射装置的倾斜角的图。
[0012] 图4是说明与一些实施例一致的确定发射装置的位置的方法的流程图。
[0013] 在图中，具有相同名称的元件具有相同或类似的功能。
【具体实施方式】
[0014] 在以下描述中，陈述描述某些实施例的具体细节。然而，所属领域的技术人员将明 白，所揭示的实施例可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践。所呈现的具体 实施例意在为说明性的，而不是限制性的。本领域技术人员可认识到其他材料(尽管本文中 未具体描述)在本发明的范围和精神内。
[0015] 图1是说明与一些实施例一致的声学跟踪系统100的图。如图1中所示，声学跟踪系 统100包含位置待确定的发射装置102,以及用于拾取发射装置102所发射的信号的接收装 置104。在一些实施例中，接收装置104可为移动的，而发射装置102是静止的。在其它实施例 中，接收装置104可为静止的，而发射装置102是移动的。接收装置104还可为计算装置，例如 个人计算机或移动装置(例如膝上型计算机、移动智能电话、个人数字助理或平板计算机）。
[0016] 如图1中所示，发射装置102可为嵌入、包含、附接或以其它方式并入到数字笔中。 发射装置可包含安置在数字笔上的多个发射器。尽管本文参考并入到数字笔中的发射装置 来描述系统100,但其它实施例可包含并入到不同于数字笔的物体中的发射装置。
[0017]在图1中，发射装置102包含发射器112、发射器114和发射器116。尽管说明三个发 射器，但具有三个以上发射器的其它实施例在本发明的范围内。原则上，如果电力/设计复 杂性和系统稳健性允许，那么三个以上发射器可安置在数字笔上。然而，来自数字笔上的邻 近发射器的较多干扰可能产生，且可取决于模式信号设计。与理想相关特性的正交序列可 用于发射器模式设计。此外，较高数量的发射器可能破坏零平均范围测量噪声假定的假定， 且导致较高的噪声和较小的位置跟踪准确性。
[0018] 在一些实施例中，发射器112、发射器114和/或发射器116可发射声学信号，例如超 声波信号。发射装置102可为包含一或多个超声换能器以产生超声波信号的任何合适超声 波装置。此外，超声波信号可为宽带超声波信号。宽带超声波信号的信号范围可在(例如)约 25KHz与70KHz之间变化。
[0019] 发射器112可位于数字笔的顶部附近，发射器116可位于数字笔的书写元件118附 近，且发射器114可沿数字笔的长度位于发射器112和116之间，非常接近于书写元件。所述 数字笔可具有一或多个开关，以及书写元件118,其用于在表面上书写，和/或与耦合到接收 装置104的触摸屏装置交互。尽管将一个发射器说明为在数字笔的顶部附近，具有在数字笔 的顶部附近的一个以上发射器的其它实施例在本发明的范围内。然而，在数字笔的顶部附 近的发射器的数量可基于(例如)与并入到数字笔中的其它发射器的干扰/带宽共享/信噪 比和电力消耗而受限。此外，数字笔的长度可归因于例如可制造性等实用原因而受限。
[0020] 接收装置104包含多个接收器，其可接收发射器112、114和116发射的声学信号。接 收装置104包含接收器122、124、126和128。尽管说明四个接收器，但具有少于或多于四个接 收器的其它实施例在本发明的范围内。接收器的数量可取决于发射器的数量。举例来说，在 一些实施例中，接收器的数量大于发射器的数量。接收装置104可包含任何合适的声学接收 器，例如麦克风，且发射装置102可将宽带超声波信号发射到接收装置104上的多个麦克风。 接收器122、124、126和128可为移动位于装置上的麦克风。
[0021] 接收装置104还可包含处理组件132和存储器134。在一些实施例中，处理组件132 可为一或多个处理器、中央处理单元(CPU)、图像信号处理器（ISP)、微控制器或数字信号处 理器(DSP)、图形处理单元(GPU)和音频信号处理器，其可包含模拟和/或数字音频信号处理 器。存储器134可包含：系统存储器组件，其可对应于随机存取存储器(RAM);内部存储器组 件，其可对应于只读存储器(ROM);以及外部或静态存储器，其可例如对应于光学、磁性或固 态存储器。
[0022] 存储器134可对应于非暂时性机器可读媒体，其包括例如软盘、软磁盘、硬盘、磁 带、任何其它磁性媒体、CD-ROM、任何其它光学媒体、穿孔卡片、纸带、具有孔洞图案的任何 其它物理媒体、1^1、？如14?如1、？1^3^?如1、任何其它存储器芯片或盒带，和/或处理组 件132能够从中读取的任何其它媒体。
[0023] 此外，存储器134可包含应用程序控制器142和应用程序144。处理组件132可确定 数字笔的位置，且将所确定的位置提供给应用程序控制器142。应用程序控制器142可基于 数字笔的所确定的位置来影响应用程序144的操作。在一些实施例中，数字笔的位置可为相 对于接收装置104和/或接收器的相对坐标。应用程序144可接着使用数字笔的坐标，（例如） 确定一或多个用户输入。
[0024]在一些实施例中，数字笔可发射声学信号，其可由接收装置104检测且由处理组件 132用来得出数字笔的位置。明确地说，处理组件132可跟踪安置在数字笔上的发射器中的 每一者的位置。位置准确性可为数字笔的关键性能参数，且可取决于换能器放置、信号序列 设计和换能器声学(例如移植和信噪比）。
[0025]安置在 数字笔上的发射器消耗电力，且可能需要控制这些发射器所使用的电力。 多路复用技术可用于恰当地控制发射器112、114和116所使用的电力。在一些实施例中，发 射器112、114和116使用时分多址(TDMA)来发射声学信号。接收器122可在第一时隙从发射 装置102的第一发射器接收第一超声波信号，在第二时隙从发射装置102的第二发射器接收 第二超声波信号，且在第三时隙从发射装置102的第三发射器接收第三超声波信号。信号在 不同时隙发射可减少干扰噪声。
[0026]在一些实施例中，发射器112、114和116可使用不同于TDMA的多路复用技术来发射 声学信号。在实例中，发射器112、114和116可使用频分多路复用(FDM)来发射声学信号。举 例来说，接收器122可在第一子频带从发射装置102的第一发射器接收第一超声波信号，在 第二子频带从发射装置102的第二发射器接收第二超声波信号，且在第三子频带从发射装 置102的第三发射器接收第三超声波信号。在另一实例中，发射器112、114和116可使用相位 划分多路复用(PDM)来发射声学信号。举例来说，接收器122可在信道的第一相位从发射装 置102的第一发射器接收第一超声波信号，在所述信道的第二相位从发射装置102的第二发 射器接收第二超声波信号，且在所述信道的第三相位从发射装置102的第三发射器接收第 三超声波信号。
[0027]图1中说明的数字笔的物理结构以及发射器112在数字笔顶部附近的定位可比在 顶部附近并不具有发射器的其它数字笔有利。举例来说，数字笔顶部附近的发射器可将数 字笔的物理结构变为三维空间。仅在书写元件附近包含发射器的数字笔可使得能够确定数 字笔尖端的三维坐标位置。通过在数字笔顶部附近包含发射器，可跟踪从最接近于书写元 件的发射器到数字笔顶部附近的发射器的数字笔，且可确定数字笔的三维坐标位置，如下 文将更详细地论述。确定数字笔的三维坐标比仅确定数字笔尖端的三维坐标有利，因为这 使得能够更准确确定数字笔的位置。
[0028] 在数字笔顶部附近具有发射器的另一优点可为可提供声学跟踪系统的至少一个 发射器与接收器之间的清晰视距(L0S)。当用户用数字笔书写时，发射器与接收器之间的至 少一个路径可被阻断，因为笔尖端附近的发射器经受信号路径的手部和/或手掌阻断。数字 笔顶部附近的发射器112的位置可提供发射器112与接收装置104的接收器之间的清晰视 距，从而减少对用户的笔运动的依赖性。在一些实施例中，所述发射器中的至少一者可定位 成与接收装置104的所述多个接收器具有清晰视距。因此，数字笔可归因于信号路径阻断而 较不易导致不准确的笔位置检测。
[0029] 在数字笔的书写元件附近具有两个发射器的数字笔可用于唯一地确定笔尖端(例 如包含四个麦克风的接收装置）的三维定位。然而，对于具有这两个发射器的数字笔来说， 尤其对于连同具有屏幕的接收装置使用数字笔时的二维离屏，位置准确性是次优的，且三 维数字笔以数字笔的顶部与接收装置之间的较大z轴距离悬停跟踪。差异在Z方向上较大， 从而有效地增加几何精度衰减因子(GDOP)的差异误差。
[0030] 用户可通过使数字笔与接收装置(例如接收装置的触敏屏）物理触碰来"在屏幕 上"书写。用户可"离屏"书写，使数字笔与接收装置不物理触碰。举例来说，用户可通过在接 近于接收装置的空中或一张纸上移动数字笔来离屏书写。
[0031] 如先前所论述，在使用TOA来确定数字笔的位置的跟踪系统中具有一个或两个发 射器的数字笔可具有性能限制，且关于在用户使用数字笔而不使其与接收装置接触时跟踪 数字笔的位置，可具有次优精度。可需要额外的时序同步来减轻定位误差。此外，具有接近 数字笔的书写元件的两个发射器的数字笔可被视为放置在与接收器平面(例如接收装置的 屏幕）相同的平面内。举例来说，接收装置可包含对应于具有等于零的z的x，y平面的触敏 屏。归因于当数字笔与触敏屏接触时这些发射器的极为接近，所述两个发射器可被视为放 置在与接收器平面相同的平面内。当用户使用数字笔来进行屏幕上或离屏书写时，所述两 个发射器与触敏屏的极为接近可导致不准确性。尽管将两个发射器描述为接近书写元件， 但此描述适用于在书写元件附近具有少于或多于两个发射器的数字笔。
[0032] 相比之下，数字笔顶部附近的发射器112的位置增加了发射器与接收装置的屏幕 之间的距离，从而有效地降低⑶OP的差异误差。举例来说，如本发明中提供的具有位于数字 笔顶部附近的发射器的数字笔可改进用户使用数字笔时跟踪数字笔的移动的准确性，且还 可增加稳健性，尤其在离屏情况下。因此，在一些实施例中发射器112可定位成位于接收器 平面(例如在z轴中）上方的平面中，且可增加确定数字笔在多维空间中的位置的准确性。所 述多维空间可具有三个维度。
[0033] 在一些实施例中，多个接收器可接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的 发射器112、114和116中的每一者的声学信号。每一发射器可发射相对于彼此不同的声学信 号模式。在一些实施例中，处理组件132提取所述多个接收器中的每一接收器所接收到的声 学信号。对于在接收器处接收到的每一声学信号，处理组件132可确定哪一发射器发射了相 应声学信号。举例来说，可将接收到的的声学信号与处理组件132根据存储在存储器134中 的指令而预期的信号，以及存储在存储器134中且由处理组件132产生的预期信号进行比 较。
[0034]在一些实施例中，处理组件132可基于在所述多个接收器接收到的声学信号，通过 确定发射器112、114和116在多维空间中的位置，来确定数字笔的位置。在各种实施例中，可 提供处理组件132作为硬件、软件或固件或其组合。
[0035]处理组件132可计算在所述多个接收器处接收到的每一声学信号的到达时间差 (TDOA)，并应用最小二乘算法基于所确定的发射器来确定数字笔的三维坐标。处理组件132 可将最小二乘算法应用于一或多个所计算的到达时间差，以确定所述三个发射器的位置。 可基于所述三个发射器的位置来确定发射装置在具有至少三个维度的多维空间中的位置。 [0036]可使用声学信号的TDOA来确定(或估计)数字笔的位置(例如安置在发射装置102 上的多个发射器）。与其它声学跟踪系统相比，TOA和最小二乘算法的应用可改进离屏准确 性。尽管已将处理组件132描述为应用最小二乘算法，但这无意为限制性的。处理组件132可 应用其它算法来确定数字笔的更准确位置。举例来说，可应用卡尔曼滤波器来确定数字笔 的更准确位置。
[0037]另外，不同声学信号模式可有助于维持发射器与接收器之间的清晰视距。此外，数 字笔顶部附近的发射器112的位置可减少噪声，且通过提供具有较多等式的超定系统确定 数字笔的位置和较准确跟踪，来提供数字笔的快速坐标确定。发射器112可提供较多等式和 以下自变量，从而产生超定系统。
[0038]图2是说明根据实施例的发射装置102的图。在图2中，三维坐标(x，y，z)是发射器 116的坐标，三维坐标&'，7'，2'）是发射器114的坐标，且三维坐标(，， 7〃，2〃)是发射器112 的坐标。此外，发射器114与发射器116之间的距离为dx'，且发射器116和112之间的距离为 dx"。
[0039]在一些实施例中，可使用以下等式来提供距发射器的射程测量。在实例中，可通过 以下等式Rl、R2、R3和R4来确定距发射器116的第一射程测量(例如发射器116与N个接收器 中的每一者之间的距离）：
[0044]与发射器112和114相比，发射器116最接近发射装置102的书写元件118。町、1?2、1? 和R4中的三维坐标(x，y，z)是发射器116在多维空间中的位置，其中t是时间差量，V是随空 气温度而变化的音速，且eN是独立噪声的射程测量。此外，三维坐标(xN，yN，zN)是第N个接 收器(例如麦克风)的位置。第一射程测量可用作向最小二乘坐标计算的输入。
[0045]另外，可通过以下等式R5、R6、R7和R8来确定距发射器114的第二射程测量(例如发 射器114与N个接收器中的每一者之间的距离）：
[0050] 发射器114沿发射装置102的长度位于发射器112和116之间。R5、R6、R7和R8中的三 维坐标(x'，y'， z'）是发射器114在多维空间中的位置，其中t是时间差量，V是随空气温度而 变化的音速，且eN是独立噪声的射程测量。此外，三维坐标(xN，yN，zN)是第N个接收器(例如 麦克风)的位置。第二射程测量可用作向最小二乘坐标计算的输入。
[0051 ]另外，可通过以下等式1?9、則0、1?11和1?12来确定距发射器112的第三射程测量(例 如发射器112与N个接收器中的每一者之间的距离）：
[0056] 与发射器114和116相比，发射器112距书写元件118最远。R9、R10、R11和R12中的三 维坐标(x"，y"，z")是发射器112在多维空间中的位置，其中t是时间差量，V是随空气温度而 变化的音速，且eN是独立噪声的射程测量。此外，三维坐标(xN，yN，zN)是第N个接收器(例如 麦克风）的位置。第三射程测量可用作向最小二乘坐标计算的输入。三维坐标(x，y，z)可为 使用以上的Rl到R12作为输入的最小二乘计算的结果。
[0057]在一些实施例中，接收装置104可在包含屏幕的移动装置中实施，且屏幕可相对于 地面成角度。在实例中，当接收装置104相对于例如地面或桌子成角度地倾斜时，地面或桌 子附近的发射器可反映和导致并发情况。数字笔顶部附近的发射器112的位置可有助于减 少确定数字笔的位置时的误差。
[0058] 在一些实施例中，处理组件132可基于发射器112、114和116的一或多个发射器的 所确定的位置来确定数字笔的倾斜角。图3是说明根据实施例的发射装置102的倾斜角的 图。数字笔与z轴之间的角度可称为角度α。此外，X轴与垂直于数字笔且从坐标系的原点延 伸的线段之间的角度可称为角度β。如关于图2所论述，从发射器114到发射器116的第一距 离可等效于d x〃，且从发射器112到发射器116的第二距离可等效于dxx，，
[0059] 其中，可通过以下等式来确定x'：
[0060] x' =x+dxx,sin(a)cos(P) (13)，
[0061] 其中，可通过以下等式来确定电流y'：
[0062] y' =y+dxx,sin(a)sin(P) (14),
[0063] 其中，可通过以下等式来确定z'：
[0064] z，=z+dxx'cos(a) (15)，
[0065] 其中，可通过以下等式来确定x〃：
[0066] x" = x+dx"sin(a)cos(0) (16)，
[0067] 其中，可通过以下等式来确定y〃：
[0068] y// = y+dx"sin(a)sin(P) (17)，
[0069] 其中，可通过以下等式来确定z〃：
[0070] z" = z+dx〃cos(a)， （18)，且
[0071 ]其中，a和β是发射装置的可变倾角角度。
[0072] 可用坐标(x，y，z)和已知的dx〃和dxx，值来代替坐标(X'，y'，ζ'）和(x〃，y〃，z〃）。
[0073] 具有十一个独立等式的超定系统可解七个变量&、7、2、^€(4)，且知晓( ￥、〇可 有助于有效地减少离屏误差。此外，发射装置102的位置准确性与1/#成比例，其中N是独 立射程等式的数目。几何精度衰减因子(GDOP)准确性增益可为
x，y方向的离 屏误差可大大减小，且可与具有具时序同步的两个发射器的数字笔一样准确。因此，十一个 超定等式可有助于将离屏和屏幕上误差改进到某一程度，而不需要计算绝对(v，t)值。
[0074] 声学跟踪系统100可改进发射装置102的屏幕上和离屏准确性两者，而不在接收装 置104上包含额外模块。在一些实施例中，处理组件132可为在所述多个接收器接收到的每 一声学信号计算TD0A。基于TDOA来确定位置的声学跟踪系统可这样做而不使用同步信道。 以此方式，可能没有必要将额外硬件添加到声学跟踪系统100,并基于所述额外硬件来修改 软件。未经同步的系统可使用多个接收器来接收所发射的声学信号，并计算微分到达时间 ("DT0A"），即多个接收器之间测得的时间延迟。为了计算DT0A，并非直接使用等式（1)到 (12)，而是可在坐标计算中使用每对等式之间的差。举例来说，Rl与R2之间的差（例如Rl-R2)将vt差量从所计算的参数列表去除。然而，如果使用同步信道，那么离屏和屏幕上准确 性可保持与为声学信号计算TDOA的实施例相对一致。
[0075]尽管描述TDOA来确定发射器的位置，但此无意为限制性的，且可使用其它技术。举 例来说，声学跟踪系统可基于可经同步的TOA来确定发射器的位置。经同步系统可使用具有 比音速快的速度且发射到接收器来使发射器和接收器的时钟同步的同步信号。可将额外模 块放置在接收装置104上，以接收来自发射器的同步信号。
[0076]基于接收到的信号，处理组件114可计算T0F，且可执行三角测量或其它形式的多 边测量，来确定发射装置随时间而变的位置。在基于经同步声学信号的位置系统中，归因于 红外（IR)信号的低成本和低电力要求，可使用其来进行同步。IR可为有成本效率的，低电力 同步方法。然而，这在上文所指的系统中可能难以实施。举例来说，在作用于手持机或平板 计算机的屏幕上的数字笔中，手持机或平板计算机可能不包含IR接收器，且可能难以将IR 接收器嵌入到具有可接受信号灵敏度的屏幕下方，例如使得IR接收器在光学上暴露于装置 的外部。即使IR接收器集成在系统硬件内，装置的IR电路与音频处理电路之间也可能需要 专用的硬件同步块来维持IR同步信号与声学定位信号之间的所需同步。
[0077]通常可使用的另一同步信号是无线电波同步信号。然而，使用无线电波作为同步 信号可能仍需要无线电波电路与音频处理电路之间的专用硬件同步块来维持所需的同步。 此外，产生和接收无线电波同步信号可使用比产生和接收IR信号多的电力。因此，需要具有 低电力要求，并不需要专用同步硬件，且容易在多种电子装置中实施的改进的基于声学信 号的跟踪系统。
[0078]图4是说明根据实施例的确定发射装置的位置的方法400的流程图。方法400无意 为限制性的，且可用于其它应用。
[0079] 方法400包含框410到430。在框410中，在移动装置的多个接收器处接收来自安置 为相对于彼此成固定非平面关系的至少三个发射器中的每一者的声学信号，其中所述至少 三个发射器耦合到发射装置。在实例中，接收器122、124、126和128可从安置为相对于彼此 成固定非平面关系的发射器112、114和116接收声学信号，其中发射器112、114和116耦合到 发射装置102。
[0080] 在框420中，可基于在所述多个接收器处接收到的声学信号来确定发射装置在多 维空间中的位置。在实例中，处理组件132基于在接收器122、124、126和128处接收到的声学 信号来确定发射装置102在具有至少三个维度的多维空间中的位置。
[0081] 在框430中，基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响 应用程序的操作。在实例中，应用程序控制器142基于发射器112、114和/或116的一或多个 发射器的所确定位置来影响应用程序144的操作。
[0082]还理解，在上文所论述框410到430之前、期间或之后，可执行额外过程。举例来说， 方法400可包含提取由所述多个接收器中的每一接收器接收到的的声学信号的过程。还理 解，可忽略、组合或以与所要不同的序列执行本文所述的方法400的框中的一或多者。
[0083]所属领域的技术人员可根据所揭示实施例容易地设计既定在本发明范围内的其 它系统。前面的揭示内容无意将本发明限制在所揭示的使用的精确形式或特定领域。因此， 根据本公开，在此考虑了本发明的不同替代实施例和/或变体是可能的，无论是在本文明确 描述还是暗示。变化可在不脱离本发明的范围的情况下在形式和细节方面进行。因此，本发 明仅受权利要求书限制。
【主权项】
1. 一种声学跟踪系统，其包括： 移动装置，其包含多个接收器，所述接收器接收来自安置为相对于彼此成固定非平面 关系的至少三个发射器中的每一者的声学信号，其中所述至少三个发射器耦合到发射装 置； 处理组件，其基于在所述多个 接收器处接收到的所述声学信号来确定所述发射装置在 多维空间中的位置;以及 应用程序控制器，其基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影 响应用程序的操作。2. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其进一步包括： 数字笔，其中所述至少三个发射器安置在所述数字笔上。3. 根据权利要求2所述的声学跟踪系统，其中所述至少三个发射器中的第一发射器位 于所述数字笔的顶部附近。4. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其进一步包括： 发射装置，其中所述至少三个发射器安置在所述发射装置上。5. 根据权利要求4所述的声学跟踪系统，其中所述处理组件基于所述至少三个发射器 中的一或多个发射器的所述所确定位置来确定所述发射装置的倾斜角。6. 根据权利要求4所述的声学跟踪系统，其中通过等式R1、R2、R3和R4来确定距所述至 少三个发射器中的第一发射器的第一射程测量：其中与所述至少三个发射器中的第二发射器和第三发射器相比，所述第一发射器最接 近所述发射装置的书写元件， 其中Rl、R2、R3和R4中的(X，y，z)是所述第一发射器在多维空间中的位置， 其中t是时间差量， 其中V是随空气温度而变化的音速，且 其中eN是独立噪声的射程测量。7. 根据权利要求5所述的声学跟踪系统，其中所述倾斜角包括可变倾斜角α和β，且基于 以下等式来确定所述发射装置的所述可变倾斜角α和β: X' = x+dxx，sin(c〇cos(β)， y ' = y+dxx，sin(a)sin(0)， z -z+dxx'cos (a)， x" = x+dx"sin(c〇cos(0)， y" = y+dx"sin(c〇sin(0)， z" = z+dx〃cos(a)，且 其中dx 〃是从所述第一发射器到所述第二发射器的第一距离，dxx，是从所述第三发射器 到所述第一发射器的第二距离，且(1'，7'，2'）和(，，7〃，2〃)是对应于所述一或多个发射器 的所述所确定位置的坐标。8. 根据权利要求7所述的声学跟踪系统， 其中通过等式R5、R6、R7和R8来确定距所述第二发射器的第二射程测量：其中所述第二发射器沿所述数字笔的长度位于所述第一与第三发射器之间，且R5、R6、 R7和R8中的(X，y，z)是所述第二发射器在所述多维空间中的位置， 其中通过等式R9、R10、R11和R12来确定距所述第三发射器的第三射程测量：且其中与所述第一和第二发射器相比，所述第三发射器距所述书写元件最远，且R9、 RHKRll和R12中的(x，y，z)是所述第三发射器在所述多维空间中的位置。9. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述多个接收器接收宽带超声波信号。10. 根据权利要求9所述的声学跟踪系统，其中所述宽带超声波信号具有介于25KHz与 70KHz之间的频率范围。11. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述处理组件提取在所述多个接收器中 的每一接收器处接收到的声学信号，并确定哪一发射器发射了所述相应声学信号。12. 根据权利要求11所述的声学跟踪系统，其中所述处理组件为在所述多个接收器处 接收到的每一声学信号计算到达时间差。13. 根据权利要求12所述的声学跟踪系统，其中所述处理组件将最小二乘算法应用于 所述一或多个所计算的到达时间差，以确定所述至少三个发射器的所述位置。14. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述移动装置包含屏幕，且所述屏幕相 对于地面成角度。15. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述移动装置是智能电话、平板计算机、 个人数字助理和膝上型计算机中的至少一者。16. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述多维空间包含三维空间。17. -种确定发射器的位置的方法，其包括： 在多个接收器处接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的至少三个发射器中 的每一者的声学信号，所述至少三个发射器耦合到发射装置； 基于在所述多个接收器处接收到的所述声学信号，确定所述发射装置在多维空间中的 位置；以及 基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响应用程序的操作。18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述至少三个发射器安置在数字笔上。19. 根据权利要求18所述的方法，其中所述至少三个发射器中的第一发射器位于所述 数字笔的顶部附近。20. 根据权利要求17所述的方法，其进一步包括： 基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所述所确定位置来确定所述数字笔 的倾斜角。21. 根据权利要求17所述的方法，其中所述在多个接收器处接收声学信号包含在所述 多个接收器处接收超声波信号，且所述确定包含基于在所述多个接收器处接收到的所述超 声波信号来确定所述发射装置在具有至少三个维度的所述多维空间中的所述位置。22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述在所述多个接收器处接收超声波信号包含 在所述多个接收器处接收具有介于25KHz与70KHz之间的频率范围的宽带超声波信号。23. 根据权利要求17所述的方法，其中所述接收包含在多个麦克风处接收来自所述至 少三个发射器中的每一者的所述声学信号。24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述多个麦克风包含四个或更多个麦克风。25. 根据权利要求17所述的方法，其中所述多个接收器位于移动装置上。26. 根据权利要求25所述的方法，其中所述移动装置是智能电话、平板计算机、个人数 字助理和膝上型计算机中的至少一者。27. 根据权利要求17所述的方法，其中所述发射器中的至少一者定位成具有与所述多 个接收器的清晰视距。28. 根据权利要求17所述的方法，其中所述至少三个发射器中的每一者使用时分多址 来发射声学信号。29. 根据权利要求28所述的方法，其中所述接收包含在第一时隙从所述第一发射器接 收第一声学信号，在第二时隙从第二发射器接收第二声学信号，以及在第三时隙从第三发 射器接收第三声学信号。30. 根据权利要求17所述的方法，其进一步包括： 提取所述多个接收器中的每一接收器所接收到的声学信号； 对于在所述多个接收器中的接收器处接收到的每一声学信号，确定哪一发射器发射了 所述相应声学信号； 为在所述多个接收器处接收到的每一声学信号计算到达时间差；以及 将最小二乘算法应用于所述一或多个到达时间差，以确定所述发射装置在所述多维空 间中的所述位置。31. 根据权利要求17所述的方法，其中所述多个接收器耦合到具有屏幕的装置，且所述 屏幕相对于地面成角度。32. 根据权利要求17所述的方法，其中所述多维空间包含三维空间。33. -种上面存储有用于执行操作的计算机可执行指令的计算机可读媒体，所述操作 包括： 在多个接收器处接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的至少三个发射器中 的每一者的声学信号，所述至少三个发射器耦合到发射装置； 基于在所述多个接收器处接收到的所述声学信号，确定所述发射装置在多维空间中的 位置；以及 基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响应用程序的操作。34. -种用于确定发射器的位置的设备，其包括： 用于在多个接收器处接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的至少三个发射 器中的每一者的声学信号的装置，所述至少三个发射器耦合到发射装置； 用于基于在所述多个接收器处接收到的所述声学信号来确定所述发射装置在多维空 间中的位置的装置；以及 用于基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响应用程序的 操作的装置。
【专利摘要】本发明提供一种声学跟踪系统，其包含移动装置，所述移动装置包含多个接收器，所述接收器接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的三个发射器中的每一者的声学信号，其中所述三个发射器耦合到发射装置。所述系统还包含处理组件，其基于在所述多个接收器处接收到的所述声学信号来确定所述发射装置在多维空间中的位置。所述系统还包含应用程序控制器，其基于所述三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响应用程序的操作。
【IPC分类】G06F3/00, G01S5/22, G01S5/18
【公开号】CN105492923
【申请号】CN201480048174
【发明人】李仁
【申请人】高通股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年8月28日
【公告号】EP3042218A1, US9201522, US20150062091, WO2015034746A1
【专利说明】
[0001 ] 相关申请案的交叉参考
[0002] 本申请案主张2013年9月3日申请的第14/017，185号美国非临时申请案的优先权， 所述申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本文所揭示的实施例通常是针对跟踪声波跟踪系统中的发射装置的位置。
【背景技术】
[0004] 基于声学信号的位置跟踪系统可与例如智能电话、平板计算机和膝上型计算机等 移动装置一起使用。此外，基于声学信号的位置跟踪系统可与具有屏幕的基本上任何计算 装置一起使用。基于声学信号的位置跟踪系统的一个实例是具有声学信号发射器的数字 笔，所述声学信号发射器与作为计算装置的接收器通信，其中所述数字笔用以与所述计算 装置交互。
[0005] 常规的基于声学信号的位置跟踪系统包含发射声学信号的发射器以及接收所发 射的信号的接收器。所述接收器测量传播延迟，被称作接收到的声学信号的到达时间 ("Τ0Α"），且可使所述TOA乘以音速，以确定发射器的位置。使用多个接收器可允许三角测量 和/或另一形式的多边测量，且用于确定两个或甚至三个维度中的位置。使用TOA来确定位 置的跟踪系统在发射装置不与计算装置接触时，可具有性能限制，且具有次优准确性。此 外，可能需要额外时序同步或音速估计功能来减轻定位误差。
【发明内容】
[0006] 需要一种具有低电力要求，并不需要专用的同步硬件且容易在多种电子装置中实 施的改进的声学跟踪系统。
[0007] 与一些实施例一致，提供一种声学跟踪系统。所述声学跟踪系统包含移动装置，其 包含多个接收器，所述接收器能够接收来自安置成相对于彼此成固定的非平面关系的至少 三个发射器中的每一者的声学信号。所述声学跟踪系统还包含处理组件，其能够基于所述 多个接收器处接收到的声学信号来确定多维空间中的至少三个发射器的位置。所述声学跟 踪系统进一步包含应用程序控制器，其能够基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器 的所确定的位置来影响应用程序的操作。
[0008] 与一些实施例一致，本发明提供一种用于确定发射装置的位置的方法。所述方法 包含在多个接收器处接收来自安置成相对于彼此成固定的非平面关系的至少三个发射器 中的每一者的声学信号。所述方法还包含基于在所述多个接收器处接收到的声学信号来确 定多维空间中的至少三个发射器的位置。所述方法进一步包含基于所述至少三个发射器中 的一或多个发射器的所确定的位置来影响应用程序的操作。
【附图说明】
[0009] 图1是说明与一些实施例一致的声学跟踪系统的图。
[0010] 图2是说明根据实施例的发射装置的图。
[0011] 图3是说明根据实施例的发射装置的倾斜角的图。
[0012] 图4是说明与一些实施例一致的确定发射装置的位置的方法的流程图。
[0013] 在图中，具有相同名称的元件具有相同或类似的功能。
【具体实施方式】
[0014] 在以下描述中，陈述描述某些实施例的具体细节。然而，所属领域的技术人员将明 白，所揭示的实施例可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践。所呈现的具体 实施例意在为说明性的，而不是限制性的。本领域技术人员可认识到其他材料(尽管本文中 未具体描述)在本发明的范围和精神内。
[0015] 图1是说明与一些实施例一致的声学跟踪系统100的图。如图1中所示，声学跟踪系 统100包含位置待确定的发射装置102,以及用于拾取发射装置102所发射的信号的接收装 置104。在一些实施例中，接收装置104可为移动的，而发射装置102是静止的。在其它实施例 中，接收装置104可为静止的，而发射装置102是移动的。接收装置104还可为计算装置，例如 个人计算机或移动装置(例如膝上型计算机、移动智能电话、个人数字助理或平板计算机）。
[0016] 如图1中所示，发射装置102可为嵌入、包含、附接或以其它方式并入到数字笔中。 发射装置可包含安置在数字笔上的多个发射器。尽管本文参考并入到数字笔中的发射装置 来描述系统100,但其它实施例可包含并入到不同于数字笔的物体中的发射装置。
[0017]在图1中，发射装置102包含发射器112、发射器114和发射器116。尽管说明三个发 射器，但具有三个以上发射器的其它实施例在本发明的范围内。原则上，如果电力/设计复 杂性和系统稳健性允许，那么三个以上发射器可安置在数字笔上。然而，来自数字笔上的邻 近发射器的较多干扰可能产生，且可取决于模式信号设计。与理想相关特性的正交序列可 用于发射器模式设计。此外，较高数量的发射器可能破坏零平均范围测量噪声假定的假定， 且导致较高的噪声和较小的位置跟踪准确性。
[0018] 在一些实施例中，发射器112、发射器114和/或发射器116可发射声学信号，例如超 声波信号。发射装置102可为包含一或多个超声换能器以产生超声波信号的任何合适超声 波装置。此外，超声波信号可为宽带超声波信号。宽带超声波信号的信号范围可在(例如)约 25KHz与70KHz之间变化。
[0019] 发射器112可位于数字笔的顶部附近，发射器116可位于数字笔的书写元件118附 近，且发射器114可沿数字笔的长度位于发射器112和116之间，非常接近于书写元件。所述 数字笔可具有一或多个开关，以及书写元件118,其用于在表面上书写，和/或与耦合到接收 装置104的触摸屏装置交互。尽管将一个发射器说明为在数字笔的顶部附近，具有在数字笔 的顶部附近的一个以上发射器的其它实施例在本发明的范围内。然而，在数字笔的顶部附 近的发射器的数量可基于(例如)与并入到数字笔中的其它发射器的干扰/带宽共享/信噪 比和电力消耗而受限。此外，数字笔的长度可归因于例如可制造性等实用原因而受限。
[0020] 接收装置104包含多个接收器，其可接收发射器112、114和116发射的声学信号。接 收装置104包含接收器122、124、126和128。尽管说明四个接收器，但具有少于或多于四个接 收器的其它实施例在本发明的范围内。接收器的数量可取决于发射器的数量。举例来说，在 一些实施例中，接收器的数量大于发射器的数量。接收装置104可包含任何合适的声学接收 器，例如麦克风，且发射装置102可将宽带超声波信号发射到接收装置104上的多个麦克风。 接收器122、124、126和128可为移动位于装置上的麦克风。
[0021] 接收装置104还可包含处理组件132和存储器134。在一些实施例中，处理组件132 可为一或多个处理器、中央处理单元(CPU)、图像信号处理器（ISP)、微控制器或数字信号处 理器(DSP)、图形处理单元(GPU)和音频信号处理器，其可包含模拟和/或数字音频信号处理 器。存储器134可包含：系统存储器组件，其可对应于随机存取存储器(RAM);内部存储器组 件，其可对应于只读存储器(ROM);以及外部或静态存储器，其可例如对应于光学、磁性或固 态存储器。
[0022] 存储器134可对应于非暂时性机器可读媒体，其包括例如软盘、软磁盘、硬盘、磁 带、任何其它磁性媒体、CD-ROM、任何其它光学媒体、穿孔卡片、纸带、具有孔洞图案的任何 其它物理媒体、1^1、？如14?如1、？1^3^?如1、任何其它存储器芯片或盒带，和/或处理组 件132能够从中读取的任何其它媒体。
[0023] 此外，存储器134可包含应用程序控制器142和应用程序144。处理组件132可确定 数字笔的位置，且将所确定的位置提供给应用程序控制器142。应用程序控制器142可基于 数字笔的所确定的位置来影响应用程序144的操作。在一些实施例中，数字笔的位置可为相 对于接收装置104和/或接收器的相对坐标。应用程序144可接着使用数字笔的坐标，（例如） 确定一或多个用户输入。
[0024]在一些实施例中，数字笔可发射声学信号，其可由接收装置104检测且由处理组件 132用来得出数字笔的位置。明确地说，处理组件132可跟踪安置在数字笔上的发射器中的 每一者的位置。位置准确性可为数字笔的关键性能参数，且可取决于换能器放置、信号序列 设计和换能器声学(例如移植和信噪比）。
[0025]安置在 数字笔上的发射器消耗电力，且可能需要控制这些发射器所使用的电力。 多路复用技术可用于恰当地控制发射器112、114和116所使用的电力。在一些实施例中，发 射器112、114和116使用时分多址(TDMA)来发射声学信号。接收器122可在第一时隙从发射 装置102的第一发射器接收第一超声波信号，在第二时隙从发射装置102的第二发射器接收 第二超声波信号，且在第三时隙从发射装置102的第三发射器接收第三超声波信号。信号在 不同时隙发射可减少干扰噪声。
[0026]在一些实施例中，发射器112、114和116可使用不同于TDMA的多路复用技术来发射 声学信号。在实例中，发射器112、114和116可使用频分多路复用(FDM)来发射声学信号。举 例来说，接收器122可在第一子频带从发射装置102的第一发射器接收第一超声波信号，在 第二子频带从发射装置102的第二发射器接收第二超声波信号，且在第三子频带从发射装 置102的第三发射器接收第三超声波信号。在另一实例中，发射器112、114和116可使用相位 划分多路复用(PDM)来发射声学信号。举例来说，接收器122可在信道的第一相位从发射装 置102的第一发射器接收第一超声波信号，在所述信道的第二相位从发射装置102的第二发 射器接收第二超声波信号，且在所述信道的第三相位从发射装置102的第三发射器接收第 三超声波信号。
[0027]图1中说明的数字笔的物理结构以及发射器112在数字笔顶部附近的定位可比在 顶部附近并不具有发射器的其它数字笔有利。举例来说，数字笔顶部附近的发射器可将数 字笔的物理结构变为三维空间。仅在书写元件附近包含发射器的数字笔可使得能够确定数 字笔尖端的三维坐标位置。通过在数字笔顶部附近包含发射器，可跟踪从最接近于书写元 件的发射器到数字笔顶部附近的发射器的数字笔，且可确定数字笔的三维坐标位置，如下 文将更详细地论述。确定数字笔的三维坐标比仅确定数字笔尖端的三维坐标有利，因为这 使得能够更准确确定数字笔的位置。
[0028] 在数字笔顶部附近具有发射器的另一优点可为可提供声学跟踪系统的至少一个 发射器与接收器之间的清晰视距(L0S)。当用户用数字笔书写时，发射器与接收器之间的至 少一个路径可被阻断，因为笔尖端附近的发射器经受信号路径的手部和/或手掌阻断。数字 笔顶部附近的发射器112的位置可提供发射器112与接收装置104的接收器之间的清晰视 距，从而减少对用户的笔运动的依赖性。在一些实施例中，所述发射器中的至少一者可定位 成与接收装置104的所述多个接收器具有清晰视距。因此，数字笔可归因于信号路径阻断而 较不易导致不准确的笔位置检测。
[0029] 在数字笔的书写元件附近具有两个发射器的数字笔可用于唯一地确定笔尖端(例 如包含四个麦克风的接收装置）的三维定位。然而，对于具有这两个发射器的数字笔来说， 尤其对于连同具有屏幕的接收装置使用数字笔时的二维离屏，位置准确性是次优的，且三 维数字笔以数字笔的顶部与接收装置之间的较大z轴距离悬停跟踪。差异在Z方向上较大， 从而有效地增加几何精度衰减因子(GDOP)的差异误差。
[0030] 用户可通过使数字笔与接收装置(例如接收装置的触敏屏）物理触碰来"在屏幕 上"书写。用户可"离屏"书写，使数字笔与接收装置不物理触碰。举例来说，用户可通过在接 近于接收装置的空中或一张纸上移动数字笔来离屏书写。
[0031] 如先前所论述，在使用TOA来确定数字笔的位置的跟踪系统中具有一个或两个发 射器的数字笔可具有性能限制，且关于在用户使用数字笔而不使其与接收装置接触时跟踪 数字笔的位置，可具有次优精度。可需要额外的时序同步来减轻定位误差。此外，具有接近 数字笔的书写元件的两个发射器的数字笔可被视为放置在与接收器平面(例如接收装置的 屏幕）相同的平面内。举例来说，接收装置可包含对应于具有等于零的z的x，y平面的触敏 屏。归因于当数字笔与触敏屏接触时这些发射器的极为接近，所述两个发射器可被视为放 置在与接收器平面相同的平面内。当用户使用数字笔来进行屏幕上或离屏书写时，所述两 个发射器与触敏屏的极为接近可导致不准确性。尽管将两个发射器描述为接近书写元件， 但此描述适用于在书写元件附近具有少于或多于两个发射器的数字笔。
[0032] 相比之下，数字笔顶部附近的发射器112的位置增加了发射器与接收装置的屏幕 之间的距离，从而有效地降低⑶OP的差异误差。举例来说，如本发明中提供的具有位于数字 笔顶部附近的发射器的数字笔可改进用户使用数字笔时跟踪数字笔的移动的准确性，且还 可增加稳健性，尤其在离屏情况下。因此，在一些实施例中发射器112可定位成位于接收器 平面(例如在z轴中）上方的平面中，且可增加确定数字笔在多维空间中的位置的准确性。所 述多维空间可具有三个维度。
[0033] 在一些实施例中，多个接收器可接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的 发射器112、114和116中的每一者的声学信号。每一发射器可发射相对于彼此不同的声学信 号模式。在一些实施例中，处理组件132提取所述多个接收器中的每一接收器所接收到的声 学信号。对于在接收器处接收到的每一声学信号，处理组件132可确定哪一发射器发射了相 应声学信号。举例来说，可将接收到的的声学信号与处理组件132根据存储在存储器134中 的指令而预期的信号，以及存储在存储器134中且由处理组件132产生的预期信号进行比 较。
[0034]在一些实施例中，处理组件132可基于在所述多个接收器接收到的声学信号，通过 确定发射器112、114和116在多维空间中的位置，来确定数字笔的位置。在各种实施例中，可 提供处理组件132作为硬件、软件或固件或其组合。
[0035]处理组件132可计算在所述多个接收器处接收到的每一声学信号的到达时间差 (TDOA)，并应用最小二乘算法基于所确定的发射器来确定数字笔的三维坐标。处理组件132 可将最小二乘算法应用于一或多个所计算的到达时间差，以确定所述三个发射器的位置。 可基于所述三个发射器的位置来确定发射装置在具有至少三个维度的多维空间中的位置。 [0036]可使用声学信号的TDOA来确定(或估计)数字笔的位置(例如安置在发射装置102 上的多个发射器）。与其它声学跟踪系统相比，TOA和最小二乘算法的应用可改进离屏准确 性。尽管已将处理组件132描述为应用最小二乘算法，但这无意为限制性的。处理组件132可 应用其它算法来确定数字笔的更准确位置。举例来说，可应用卡尔曼滤波器来确定数字笔 的更准确位置。
[0037]另外，不同声学信号模式可有助于维持发射器与接收器之间的清晰视距。此外，数 字笔顶部附近的发射器112的位置可减少噪声，且通过提供具有较多等式的超定系统确定 数字笔的位置和较准确跟踪，来提供数字笔的快速坐标确定。发射器112可提供较多等式和 以下自变量，从而产生超定系统。
[0038]图2是说明根据实施例的发射装置102的图。在图2中，三维坐标(x，y，z)是发射器 116的坐标，三维坐标&'，7'，2'）是发射器114的坐标，且三维坐标(，， 7〃，2〃)是发射器112 的坐标。此外，发射器114与发射器116之间的距离为dx'，且发射器116和112之间的距离为 dx"。
[0039]在一些实施例中，可使用以下等式来提供距发射器的射程测量。在实例中，可通过 以下等式Rl、R2、R3和R4来确定距发射器116的第一射程测量(例如发射器116与N个接收器 中的每一者之间的距离）：
[0044]与发射器112和114相比，发射器116最接近发射装置102的书写元件118。町、1?2、1? 和R4中的三维坐标(x，y，z)是发射器116在多维空间中的位置，其中t是时间差量，V是随空 气温度而变化的音速，且eN是独立噪声的射程测量。此外，三维坐标(xN，yN，zN)是第N个接 收器(例如麦克风)的位置。第一射程测量可用作向最小二乘坐标计算的输入。
[0045]另外，可通过以下等式R5、R6、R7和R8来确定距发射器114的第二射程测量(例如发 射器114与N个接收器中的每一者之间的距离）：
[0050] 发射器114沿发射装置102的长度位于发射器112和116之间。R5、R6、R7和R8中的三 维坐标(x'，y'， z'）是发射器114在多维空间中的位置，其中t是时间差量，V是随空气温度而 变化的音速，且eN是独立噪声的射程测量。此外，三维坐标(xN，yN，zN)是第N个接收器(例如 麦克风)的位置。第二射程测量可用作向最小二乘坐标计算的输入。
[0051 ]另外，可通过以下等式1?9、則0、1?11和1?12来确定距发射器112的第三射程测量(例 如发射器112与N个接收器中的每一者之间的距离）：
[0056] 与发射器114和116相比，发射器112距书写元件118最远。R9、R10、R11和R12中的三 维坐标(x"，y"，z")是发射器112在多维空间中的位置，其中t是时间差量，V是随空气温度而 变化的音速，且eN是独立噪声的射程测量。此外，三维坐标(xN，yN，zN)是第N个接收器(例如 麦克风）的位置。第三射程测量可用作向最小二乘坐标计算的输入。三维坐标(x，y，z)可为 使用以上的Rl到R12作为输入的最小二乘计算的结果。
[0057]在一些实施例中，接收装置104可在包含屏幕的移动装置中实施，且屏幕可相对于 地面成角度。在实例中，当接收装置104相对于例如地面或桌子成角度地倾斜时，地面或桌 子附近的发射器可反映和导致并发情况。数字笔顶部附近的发射器112的位置可有助于减 少确定数字笔的位置时的误差。
[0058] 在一些实施例中，处理组件132可基于发射器112、114和116的一或多个发射器的 所确定的位置来确定数字笔的倾斜角。图3是说明根据实施例的发射装置102的倾斜角的 图。数字笔与z轴之间的角度可称为角度α。此外，X轴与垂直于数字笔且从坐标系的原点延 伸的线段之间的角度可称为角度β。如关于图2所论述，从发射器114到发射器116的第一距 离可等效于d x〃，且从发射器112到发射器116的第二距离可等效于dxx，，
[0059] 其中，可通过以下等式来确定x'：
[0060] x' =x+dxx,sin(a)cos(P) (13)，
[0061] 其中，可通过以下等式来确定电流y'：
[0062] y' =y+dxx,sin(a)sin(P) (14),
[0063] 其中，可通过以下等式来确定z'：
[0064] z，=z+dxx'cos(a) (15)，
[0065] 其中，可通过以下等式来确定x〃：
[0066] x" = x+dx"sin(a)cos(0) (16)，
[0067] 其中，可通过以下等式来确定y〃：
[0068] y// = y+dx"sin(a)sin(P) (17)，
[0069] 其中，可通过以下等式来确定z〃：
[0070] z" = z+dx〃cos(a)， （18)，且
[0071 ]其中，a和β是发射装置的可变倾角角度。
[0072] 可用坐标(x，y，z)和已知的dx〃和dxx，值来代替坐标(X'，y'，ζ'）和(x〃，y〃，z〃）。
[0073] 具有十一个独立等式的超定系统可解七个变量&、7、2、^€(4)，且知晓( ￥、〇可 有助于有效地减少离屏误差。此外，发射装置102的位置准确性与1/#成比例，其中N是独 立射程等式的数目。几何精度衰减因子(GDOP)准确性增益可为
x，y方向的离 屏误差可大大减小，且可与具有具时序同步的两个发射器的数字笔一样准确。因此，十一个 超定等式可有助于将离屏和屏幕上误差改进到某一程度，而不需要计算绝对(v，t)值。
[0074] 声学跟踪系统100可改进发射装置102的屏幕上和离屏准确性两者，而不在接收装 置104上包含额外模块。在一些实施例中，处理组件132可为在所述多个接收器接收到的每 一声学信号计算TD0A。基于TDOA来确定位置的声学跟踪系统可这样做而不使用同步信道。 以此方式，可能没有必要将额外硬件添加到声学跟踪系统100,并基于所述额外硬件来修改 软件。未经同步的系统可使用多个接收器来接收所发射的声学信号，并计算微分到达时间 ("DT0A"），即多个接收器之间测得的时间延迟。为了计算DT0A，并非直接使用等式（1)到 (12)，而是可在坐标计算中使用每对等式之间的差。举例来说，Rl与R2之间的差（例如Rl-R2)将vt差量从所计算的参数列表去除。然而，如果使用同步信道，那么离屏和屏幕上准确 性可保持与为声学信号计算TDOA的实施例相对一致。
[0075]尽管描述TDOA来确定发射器的位置，但此无意为限制性的，且可使用其它技术。举 例来说，声学跟踪系统可基于可经同步的TOA来确定发射器的位置。经同步系统可使用具有 比音速快的速度且发射到接收器来使发射器和接收器的时钟同步的同步信号。可将额外模 块放置在接收装置104上，以接收来自发射器的同步信号。
[0076]基于接收到的信号，处理组件114可计算T0F，且可执行三角测量或其它形式的多 边测量，来确定发射装置随时间而变的位置。在基于经同步声学信号的位置系统中，归因于 红外（IR)信号的低成本和低电力要求，可使用其来进行同步。IR可为有成本效率的，低电力 同步方法。然而，这在上文所指的系统中可能难以实施。举例来说，在作用于手持机或平板 计算机的屏幕上的数字笔中，手持机或平板计算机可能不包含IR接收器，且可能难以将IR 接收器嵌入到具有可接受信号灵敏度的屏幕下方，例如使得IR接收器在光学上暴露于装置 的外部。即使IR接收器集成在系统硬件内，装置的IR电路与音频处理电路之间也可能需要 专用的硬件同步块来维持IR同步信号与声学定位信号之间的所需同步。
[0077]通常可使用的另一同步信号是无线电波同步信号。然而，使用无线电波作为同步 信号可能仍需要无线电波电路与音频处理电路之间的专用硬件同步块来维持所需的同步。 此外，产生和接收无线电波同步信号可使用比产生和接收IR信号多的电力。因此，需要具有 低电力要求，并不需要专用同步硬件，且容易在多种电子装置中实施的改进的基于声学信 号的跟踪系统。
[0078]图4是说明根据实施例的确定发射装置的位置的方法400的流程图。方法400无意 为限制性的，且可用于其它应用。
[0079] 方法400包含框410到430。在框410中，在移动装置的多个接收器处接收来自安置 为相对于彼此成固定非平面关系的至少三个发射器中的每一者的声学信号，其中所述至少 三个发射器耦合到发射装置。在实例中，接收器122、124、126和128可从安置为相对于彼此 成固定非平面关系的发射器112、114和116接收声学信号，其中发射器112、114和116耦合到 发射装置102。
[0080] 在框420中，可基于在所述多个接收器处接收到的声学信号来确定发射装置在多 维空间中的位置。在实例中，处理组件132基于在接收器122、124、126和128处接收到的声学 信号来确定发射装置102在具有至少三个维度的多维空间中的位置。
[0081] 在框430中，基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响 应用程序的操作。在实例中，应用程序控制器142基于发射器112、114和/或116的一或多个 发射器的所确定位置来影响应用程序144的操作。
[0082]还理解，在上文所论述框410到430之前、期间或之后，可执行额外过程。举例来说， 方法400可包含提取由所述多个接收器中的每一接收器接收到的的声学信号的过程。还理 解，可忽略、组合或以与所要不同的序列执行本文所述的方法400的框中的一或多者。
[0083]所属领域的技术人员可根据所揭示实施例容易地设计既定在本发明范围内的其 它系统。前面的揭示内容无意将本发明限制在所揭示的使用的精确形式或特定领域。因此， 根据本公开，在此考虑了本发明的不同替代实施例和/或变体是可能的，无论是在本文明确 描述还是暗示。变化可在不脱离本发明的范围的情况下在形式和细节方面进行。因此，本发 明仅受权利要求书限制。
【主权项】
1. 一种声学跟踪系统，其包括： 移动装置，其包含多个接收器，所述接收器接收来自安置为相对于彼此成固定非平面 关系的至少三个发射器中的每一者的声学信号，其中所述至少三个发射器耦合到发射装 置； 处理组件，其基于在所述多个 接收器处接收到的所述声学信号来确定所述发射装置在 多维空间中的位置;以及 应用程序控制器，其基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影 响应用程序的操作。2. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其进一步包括： 数字笔，其中所述至少三个发射器安置在所述数字笔上。3. 根据权利要求2所述的声学跟踪系统，其中所述至少三个发射器中的第一发射器位 于所述数字笔的顶部附近。4. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其进一步包括： 发射装置，其中所述至少三个发射器安置在所述发射装置上。5. 根据权利要求4所述的声学跟踪系统，其中所述处理组件基于所述至少三个发射器 中的一或多个发射器的所述所确定位置来确定所述发射装置的倾斜角。6. 根据权利要求4所述的声学跟踪系统，其中通过等式R1、R2、R3和R4来确定距所述至 少三个发射器中的第一发射器的第一射程测量：其中与所述至少三个发射器中的第二发射器和第三发射器相比，所述第一发射器最接 近所述发射装置的书写元件， 其中Rl、R2、R3和R4中的(X，y，z)是所述第一发射器在多维空间中的位置， 其中t是时间差量， 其中V是随空气温度而变化的音速，且 其中eN是独立噪声的射程测量。7. 根据权利要求5所述的声学跟踪系统，其中所述倾斜角包括可变倾斜角α和β，且基于 以下等式来确定所述发射装置的所述可变倾斜角α和β: X' = x+dxx，sin(c〇cos(β)， y ' = y+dxx，sin(a)sin(0)， z -z+dxx'cos (a)， x" = x+dx"sin(c〇cos(0)， y" = y+dx"sin(c〇sin(0)， z" = z+dx〃cos(a)，且 其中dx 〃是从所述第一发射器到所述第二发射器的第一距离，dxx，是从所述第三发射器 到所述第一发射器的第二距离，且(1'，7'，2'）和(，，7〃，2〃)是对应于所述一或多个发射器 的所述所确定位置的坐标。8. 根据权利要求7所述的声学跟踪系统， 其中通过等式R5、R6、R7和R8来确定距所述第二发射器的第二射程测量：其中所述第二发射器沿所述数字笔的长度位于所述第一与第三发射器之间，且R5、R6、 R7和R8中的(X，y，z)是所述第二发射器在所述多维空间中的位置， 其中通过等式R9、R10、R11和R12来确定距所述第三发射器的第三射程测量：且其中与所述第一和第二发射器相比，所述第三发射器距所述书写元件最远，且R9、 RHKRll和R12中的(x，y，z)是所述第三发射器在所述多维空间中的位置。9. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述多个接收器接收宽带超声波信号。10. 根据权利要求9所述的声学跟踪系统，其中所述宽带超声波信号具有介于25KHz与 70KHz之间的频率范围。11. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述处理组件提取在所述多个接收器中 的每一接收器处接收到的声学信号，并确定哪一发射器发射了所述相应声学信号。12. 根据权利要求11所述的声学跟踪系统，其中所述处理组件为在所述多个接收器处 接收到的每一声学信号计算到达时间差。13. 根据权利要求12所述的声学跟踪系统，其中所述处理组件将最小二乘算法应用于 所述一或多个所计算的到达时间差，以确定所述至少三个发射器的所述位置。14. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述移动装置包含屏幕，且所述屏幕相 对于地面成角度。15. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述移动装置是智能电话、平板计算机、 个人数字助理和膝上型计算机中的至少一者。16. 根据权利要求1所述的声学跟踪系统，其中所述多维空间包含三维空间。17. -种确定发射器的位置的方法，其包括： 在多个接收器处接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的至少三个发射器中 的每一者的声学信号，所述至少三个发射器耦合到发射装置； 基于在所述多个接收器处接收到的所述声学信号，确定所述发射装置在多维空间中的 位置；以及 基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响应用程序的操作。18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述至少三个发射器安置在数字笔上。19. 根据权利要求18所述的方法，其中所述至少三个发射器中的第一发射器位于所述 数字笔的顶部附近。20. 根据权利要求17所述的方法，其进一步包括： 基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所述所确定位置来确定所述数字笔 的倾斜角。21. 根据权利要求17所述的方法，其中所述在多个接收器处接收声学信号包含在所述 多个接收器处接收超声波信号，且所述确定包含基于在所述多个接收器处接收到的所述超 声波信号来确定所述发射装置在具有至少三个维度的所述多维空间中的所述位置。22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述在所述多个接收器处接收超声波信号包含 在所述多个接收器处接收具有介于25KHz与70KHz之间的频率范围的宽带超声波信号。23. 根据权利要求17所述的方法，其中所述接收包含在多个麦克风处接收来自所述至 少三个发射器中的每一者的所述声学信号。24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述多个麦克风包含四个或更多个麦克风。25. 根据权利要求17所述的方法，其中所述多个接收器位于移动装置上。26. 根据权利要求25所述的方法，其中所述移动装置是智能电话、平板计算机、个人数 字助理和膝上型计算机中的至少一者。27. 根据权利要求17所述的方法，其中所述发射器中的至少一者定位成具有与所述多 个接收器的清晰视距。28. 根据权利要求17所述的方法，其中所述至少三个发射器中的每一者使用时分多址 来发射声学信号。29. 根据权利要求28所述的方法，其中所述接收包含在第一时隙从所述第一发射器接 收第一声学信号，在第二时隙从第二发射器接收第二声学信号，以及在第三时隙从第三发 射器接收第三声学信号。30. 根据权利要求17所述的方法，其进一步包括： 提取所述多个接收器中的每一接收器所接收到的声学信号； 对于在所述多个接收器中的接收器处接收到的每一声学信号，确定哪一发射器发射了 所述相应声学信号； 为在所述多个接收器处接收到的每一声学信号计算到达时间差；以及 将最小二乘算法应用于所述一或多个到达时间差，以确定所述发射装置在所述多维空 间中的所述位置。31. 根据权利要求17所述的方法，其中所述多个接收器耦合到具有屏幕的装置，且所述 屏幕相对于地面成角度。32. 根据权利要求17所述的方法，其中所述多维空间包含三维空间。33. -种上面存储有用于执行操作的计算机可执行指令的计算机可读媒体，所述操作 包括： 在多个接收器处接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的至少三个发射器中 的每一者的声学信号，所述至少三个发射器耦合到发射装置； 基于在所述多个接收器处接收到的所述声学信号，确定所述发射装置在多维空间中的 位置；以及 基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响应用程序的操作。34. -种用于确定发射器的位置的设备，其包括： 用于在多个接收器处接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的至少三个发射 器中的每一者的声学信号的装置，所述至少三个发射器耦合到发射装置； 用于基于在所述多个接收器处接收到的所述声学信号来确定所述发射装置在多维空 间中的位置的装置；以及 用于基于所述至少三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响应用程序的 操作的装置。
【专利摘要】本发明提供一种声学跟踪系统，其包含移动装置，所述移动装置包含多个接收器，所述接收器接收来自安置为相对于彼此成固定非平面关系的三个发射器中的每一者的声学信号，其中所述三个发射器耦合到发射装置。所述系统还包含处理组件，其基于在所述多个接收器处接收到的所述声学信号来确定所述发射装置在多维空间中的位置。所述系统还包含应用程序控制器，其基于所述三个发射器中的一或多个发射器的所确定位置来影响应用程序的操作。
【IPC分类】G06F3/00, G01S5/22, G01S5/18
【公开号】CN105492923
【申请号】CN201480048174
【发明人】李仁
【申请人】高通股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年8月28日
【公告号】EP3042218A1, US9201522, US20150062091, WO2015034746A1
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