专利名称：确定物体表面上碰撞位置的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于碰撞产生的声信号的分析来确定物体表面上碰撞位置的方 法。
背景技术：
根据W02006/108443已知这种方法，W02006/108443公开了一种确定包括N 个换能器的表面上的碰撞位置的方法，将感测信号S1W传输给处理单元，其中所述方法 包括以下步骤a)计算所述N个不同换能器的感测信号的傅里叶变换的P个互相关结果 (inter-correlationproducts) ； b)计算P个互相关结果的傅里叶逆变换ρ’ (u) ； c)针对所 述物体表面的每一个区域k计算Pk(U) =Σρ' (u-τ^)；以及d)找到区域Ictl，其中，在 所有区域k的特征值Pk (u)中，区域Ictl的特征值Pktl (u)最大。这里，对应于由每一 个区域k的两个不同换能器感测的信号的到达时间差。因此，定位方法基于在发生碰撞位置处交叉相关函数(cross-correlation fonction)
和的显著峰的存在。然而在特定情况下，由于物体的较宽区域中的声信号反射或者物体 中的其他不连续性(例如螺旋、裂缝或孔洞)而引起的假性贡献使得碰撞位置的确定出
T曰ο已经提出了通过在预定时间间隔之后切断信号或者通过使用低通滤波器来解决 这一问题。然而，所提出的方案获得的结果并不令人满意。在接收到的没有经过反射的 感测信号与反射后的感测信号之间不可能清楚分离的情况下(例如这可能发生在由于材 料性质导致信号分散的情况下)，所述切断导致修正的信号，由此也限制了碰撞的定位精 确度。
发明内容
因此，本发明的目的是提出了一种考虑到假性贡献(例如物体边界处反射的贡 献)来更好地处理感测信号的方法。利用根据权利要求1所述的方法实现了该目的。通过对声信号进行加权，可以 保持所述信号的完整信息，同时，相对于由物体边界处的反射引起的贡献(典型地随后 到达)，放大从碰撞位置直接接收的感测信号的贡献。因此，碰撞位置的确定变得更加 可靠和精确。在上下文中，应该理解，所处理的声信号不必须是由换能器立即感测的信 号，而可以是已经过例如模拟数字变换处理的信号。优选地，在时域执行加权，由此在识别碰撞位置方面实现最佳的结果。根据优选实施例，信号处理步骤可以包括识别声信号的第一波前的步骤；以 及应用阻尼窗的步骤。碰撞之后声信号在物体上展开，并且由特定数量的变换装置(例 如换能器)来感测所述声信号。因为由于几何原因，只有在声信号的第一波前已经到 达正讨论的换能器之后，才能感测信号的第一反射贡献，所以第一波前的识别是鲁棒参 数，以识别信号的一部分，该部分应该具有比感测信号的其余部分的加权因子高的加权因子，并且应该被应用阻尼窗的步骤所考虑。在上下文中，术语“第一波前”意味着在 没有因反射而造成假性贡献的情况下到达变换装置的信号部分。优选地，识别第一波前的步骤可以包括识别最大信号幅度。所述最大信号幅 度是易于检测的参数，因此不要求很大的计算能力，同时是用于找出声信号开始的鲁棒 的起始参数。感测声信号的备选参数可以是信号的功率、最大峰到峰幅度或者信号的能 量，而不是最大幅度。在识别信号幅度之前，可以执行信号整流和平滑的另外步骤以促 进数据分析。根据有利的实施例，识别第一波前的步骤还包括将第一波前的到达确定为当 声信号超过基于最大信号幅度的阈值时的时间。例如，可以将声信号的第一波前的到达 归结于达到最大幅度的特定百分比的时间。优选地，应用阻尼窗的步骤可以包括使用声信号与以下指数阻尼窗的相乘其中t,与第一波前的到达时间相对应，At是时间延迟，以及T是指数时间常
数。
这看来针对这种指数阻尼窗在数据分析中达到最佳结果，其中项At(At>0)是 将阻尼窗的起始优选地移动至较早时间以优化结果的时间延迟。根据应用，At可以是固 定值或自适应的，例如根据装置的初值而自适应。有利地，可以由至少两个变换装置感测所述声信号，并且其中针对一个变换装 置，具体地只针对一个变换装置，来识别第一波前，使得对所有的变换装置应用阻尼窗 的相同时间原点。由此，可以保持计算量较低。使用第一感测信号的第一波前获得最佳 结果。在上下文中，通过对N个信道的信号幅度使用固定阈值来识别第一感测信号。根据优选实施例，可以由至少两个变换装置来感测声信号，并且可以使用由所 述至少两个变换装置感测的信号的互相关结果来执行声信号的加权。因此与上述不同， 没有对直接感测的信号进行加权，而是对互相关进行加权，优选地将所述互相关用于确 定碰撞的位置。再次地，如上述方法一样，可以在不会丢失来自直接信号的信息的的 情况下抑制反射的不利影响。为了更进一步地减小假性贡献的影响，本发明的变体包 括如上述公开的在第一步骤中对感测信号进行加权，以及在第二步骤中对交叉相关 (cross-correlation)结果进行力口权。有利地，识别第一波前的步骤可以包括确定互相关结果的最大值。作为备�。� 也可以使分析基于对于最大平方幅度、最大峰到峰幅度、均方根等等。这些是用于识别 两个换能器之间的信号到达时间差作为第一级近似的鲁棒参数，这两个换能器的互相关 已确定。优选地，应用阻尼窗的步骤可以包括应用对称窗函数，具体地应用高斯窗、汉 明(Hamming)窗、汉宁(haraiing)窗或布莱克曼窗(Blackman)窗，以提高直接信号的贡 献，以及在不会完全丢失内容的情况下使反射的贡献衰减。根据有利的变体，所述方法还可以包括向声信号应用低通滤波和/或高通滤波，这导致可以从中得出碰撞位置的数据的进一步优化。所述方法还涉及一种包括一个或多个计算机可读介质的计算机程序产品，所述 计算机可读介质具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行任一前述权利 要求中所述方法的步骤。还利用根据权利要求13的装置来实现本发明的目的，利用该装置可以达到与所 述方法相同的有利效果。
以下将结合附图描述本发明的有利实施例，其中图1是使用根据本发明的确定碰撞位置的方法的触敏装置的示意性三维视图；图2示出了用于确定碰撞位置的交叉相关结果；图3示出了当k与k0不同时特征值Pk(U)较低的事实，其中Ictl是碰撞开始的区 域；图4示出了变换装置感测到的声信号的反射的效果；图5示出了反射对于确定碰撞位置的精确度的不利影响；图6示出了感测信号，所述感测信号已经被处理以识别声信号的第一波前；图7示出了用于对感测声信号进行加权的阻尼窗；图8示出了用于对交叉相关结果进行加权的阻尼窗；以及图9示出了加权结果。
具体实施例方式图1是使用根据本发明的确定碰撞位置的方法的触敏装置1的示意性三维视图。 触敏装置1包括交互装置3、变换装置5a-5d(变换装置5d在图1中不可见)和与所述 变换装置5a-5d链接的信号处理装置7。交互装置3是透明的、半透明的或者不透明的面板，所述面板是平坦的或者是 弯曲的，并且可以由诸如皮革、乳胶、硅、塑料、玻璃、金属、木头、石膏板或复合材 料之类的任意合适材料制造。它也可以是刚性的或者是柔软的，只要声信号可以在其中 或其上传播。交互装置3提供用于允许在用户和装置1之间进行交互的表面。在该实施 例中，用户典型地在与变换装置相反的表面侧9上提供碰撞，而变换装置5a-5d也可以被 布置在发生碰撞的那一侧上。在图1中，示出了具有四个变换装置5a-5d的触敏装置1。然而，变换装置5a-5d 的数目并没有限制，只要至少两个变换装置作为所述触摸控制系统1的一部分，就可以 实现本发明的有利效果。变换装置5a-5d包括换能器，如，压电换能器形式的应变仪， 所述压电换能器例如是陶瓷膜或PVDF膜。然而，变换装置5a-5d不局限于应变仪的使 用，因为通常被动的或被供电的任意类型的压力或力传感器都是合适的，只要它可以将 碰撞产生的声信号转变成电信号。变换装置5a-5d将感测信号 发送给信号处理装置7，所述信号处理装置被配置为 分析感测信号，使得可以确定碰撞位置11。另外，处理装置7可以被配置为向附加的装 置输出碰撞位置11，或者触发与物体上发生碰撞的位置相链接的动作。
信号处理装置7包括信号调节单元，用于例如通过对来自变换装置5a_5d的感测 信号进行滤波、放大和/或转换为数字信号来适配该感测信号。该信号然后可以由碰撞 定位单元进一步处理，所述碰撞定位单元处理由交互板3上的碰撞引起的数字信号，以 确定交互板3上的该碰撞的位置(例如χ、y坐标)。现在将描述确定碰撞位置的一种方法首先，在碰撞之后，四个声学换能器5a_5d提供感测信号Sl(t)，i从1到4，然 后信号处理装置7(信号调节单元)将感测信号转变为离散的感测信号Sl(n)。之后，执 行傅里叶变换以获得针对每一个形成装置5a-5d的S1(W)。信号调节单元最终也考虑分散 效应。然后，对于所有可能的组合执行交叉相关计算Py(W) =S1(W)A(W)^使用傅 里叶逆变换将所述交叉相关重新变换到时域。在下一个步骤中，对各交叉相关结果求和 pk(u) =EijP^ (u-T^k),其中Tyk对应于针对交互板3表面上给定位置k的到达时间差。 到达时间差值τ yk与由位置k处的碰撞产生的声信号相对于装置5a-5d中变换装置i和j 的位置的传播时间差相对应。所述值是理论上确定的，或者处于装置1的起始点或校准 点ο然后为了识别碰撞的位置11，查找pkCu)的能量最大值。代替能量，也可以使 用交叉相 关和的其他参数，例如最大值、功率或最大平方幅度、最大峰到峰幅度、均方 根等等。可以在上述现有技术文献中找到有关该方法的另外细节。图2示出了所述方法的理论结果。在左侧，针对给定个数的换能器示出了交叉 相关结果，在中间，通过针对与碰撞位置11相对应的位置Ictl的到达时间差值τ yk对所述 交叉相关进行校正，右侧示出了针对位置h的具有预期显著峰值的交叉相关结果之和。图3现在示出了当k不与Ictl相对应时的特征值pk(U)。在这种情况下，所述特 征值Pk (U)远小于Pko(U)。然而实际上，对于感测信号的假性贡献的存在(例如在交互片3的边界处反射的 存在)使情况恶化。图4的上部分示出了在自由场传播的理论情况下的感测信号的一个 示例。在没有发射的情况下，信号的持续时间在时间上有限。现在在由于非理想边界条 件导致存在反射的情况下，信号在时间上展开(图4的下部分)。如图4的下半部分所 示，不再可能区分在边界上没有反射的情况下直接到达变换装置的第一波前和由反射引 起的第一贡献。事实上，由于交互板上的碰撞，声信号能够已经具有一定的持续时间， 使得直接感测的信号的末端可以干扰反射信号的起始。另外，分散效应进一步�：怂� 述信号。在包括假性贡献的感测信号上执行上述确定碰撞位置的方法，获得了如图5所 示的结果。三维曲线示出了 Pk(U)作为交互板3上的位置k的坐标X、y的函数。由于 虚假信号，与碰撞位置11相对应的交叉相关结果之和51的最大值不如图2所示的显著。 此外，假性贡献错误地加强了不与实际碰撞位置h相对应的一些其他位置53、55、57、 59的交叉相关结果。因此，更加难以正确地识别碰撞的位置11。在最差情况下，信号 处理装置7甚至可能识别错误的碰撞位置。为了克服这一问题，根据本发明的方法提出执行感测声信号的加权，使得在不 完全去除信号尾部的情况下，与末端信号相比，起始点处的贡献具有更大影响。在模拟 域(因此，在执行定位例程之前，在信号调节单元内)中或者在数字域中，在信号处理装置7中执行数据处理。本发明的信号处理步骤包括第一步骤，识别声信号的第一波前；以及第二步骤，应用阻尼窗。第一波前的识别基于在每一个变换装置5a-5d处的信号到达时间的估 计。该实施例中到达时间估计是通过以下步骤来实现的首先，执行全波整流；然 后例如通过对完全整流的信号执行一阶低通滤波来执行平滑例程。一旦已经估计了信号 包络，针对每一个变换装置5a-5d确定了最大幅度aimax。所述最大值不必须与第一波前的到达时间相对应，已经发现所述最大值与可以 从中估计到达时间的鲁棒参数相对应。为此目的，确定信号何时第一次达到该最大级别 的给定百分比。然后认为该时间点表示声信号到达变换装置的到达时间。因此，所述到 达时间与信号达到α X a广χ的时间η“按照离散信号形式(η))相对应，其中0< α < 1。 当α在0.15至0.20的范围内(优选地是0.15)时，实现了最佳结果。图6示出了所述情 况，示出了完全整流且平滑后的信号，其中也指示了最大幅度Amax和与α ΧΑΓΧ相对应 的时间ni处的到达时间。应用阻尼窗的第二步骤包括将感测信号与合适的阻尼窗相乘，优选地与如图7 虚线所示的指数窗相乘。所述指数窗可以以与到达时间相对应的时间索引Ii1开始，然而 当阻尼窗比到达时间更早开始时实现了最佳结果。因此在指数窗的情况下，可以将阻尼 窗定义为
权利要求
1.一种用于确定物体表面上碰撞位置的方法，基于对由碰撞产生的声信号的分析来 确定物体表面上碰撞位置，其特征在于还包括信号处理步骤，在所述信号处理步骤中，对声信号进行加权，从而考虑具体 由于物体边界处的反射而引起的假性贡献。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在时域执行所述加权。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中信号处理步骤包括识别声信号的第一波前的 步骤以及应用阻尼窗的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中识别第一波前的步骤包括识别最大信号幅度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中识别步骤还包括将第一波前的到达确定为当 声信号超过基于最大信号幅度的阈值时的时间。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中应用阻尼窗的步骤包括使用声信号 与以下指数阻尼窗相乘
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中由至少两个变换装置来感测声信 号，针对一个变换装置，具体地只针对一个变换装置来识别第一波前，使得针对所有的 变换装置应用阻尼窗的相同时间原点。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中由至少两个变换装置来感测声信 号，使用由所述至少两个变换装置感测到的信号的互相关结果来执行声信号的加权。
9.根据权利要求8所述的方法，其中识别第一波前贡献的步骤包括确定所述互相关结 果的最大值。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中应用阻尼窗的步骤包括应用对称窗函数， 具体地应用高斯窗、汉明窗、汉宁窗或布莱克曼窗。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，还包括对声信号应用低通滤波和/ 或高通滤波。
12.一种包括一个或多个计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质具 有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行任一前述权利要求中所述方法的步骤。
13.一种用于确定物体表面上碰撞位置的装置，被布置和配置为执行根据权利要求1 至11中任一项所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种基于对由碰撞产生的声信号的分析来确定物体表面上的碰撞位置的方法。该方法还包括信号处理步骤，在所述信号处理步骤中，对声信号进行加权，以具体由于在物体边界处的反射而引起的假性贡献。
文档编号G01N29/46GK102016774SQ200980116086
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月21日 优先权日2008年5月7日
发明者托马斯·菲永, 贾迈勒·阿克尔 申请人:传感器公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
