电子装置及电子装置的操作方法与流程

本发明涉及一种位置检测技术，特别是涉及一种使用超声波的位置检测方法与其对应的电子装置。

背景技术：

现行有许多对于电子装置的操控方法，像是对触控面板进行触控或是对按钮进行按压。然而，上述方式都是需要用户对电子装置的操控装置进行触摸，才有办法达到操控的目的。在现实生活中有许多的情况是不适合触摸式操控的。举例而言，在医疗实践中，医生正在进行手术时并不适合以触摸方式操控医疗仪器。在此情形下，医疗仪器的操控必须要由其他的人来进行。因此，通过不触摸到电子装置的情形下达到操控电子装置的功效为用户欲达成的目标。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种利用短时距傅立叶变换的技术以及电子装置中超声波换能器的摆设方式使得使用者能更精准地且更快速地得到待测物体的位置。

本发明提供一种电子装置，包括：一超声波发射换能器，用以于一第一时间发送一第一超声波信号至一待测物体，其中上述第一超声波信号会被待测物体反射，作为一第二超声波信号；第一、第二及第三超声波接收换能器，用以接收上述第二超声波信号；以及一处理器，使用短时距傅立叶变换计算出上述第一、第二及第三超声波接收换能器接收到上述第二超声波信号的一第二、第三以及第四时间，并根据上述第一时间、上述第二时间、上述第三时间与上述第四时间得出上述待测物体与上述超声波发射换能器的一相对位置。

本发明提供一种电子装置，包括：一超声波发射换能器，用以于一第一时间发送一第一超声波信号至一待测物体，其中上述第一超声波信号会被待测物体反射，作为一第二超声波信号；第一、第二、第三以及第四超声波接收换能器，用以接收上述第二超声波信号，其中上述第一、第二、第三以及第四超声波接收换能器与上述超声波发射换能器位于同一平面上，并且以上述超声波发射换能器为原点，上述第一、第二超声波接收换能器沿一第一轴方向排列，上述第三、第四超声波接收换能器沿一第二轴方向排列；以及一处理器，使用短时距傅立叶变换计算出上述第一、第二、第三以及第四超声波接收换能器接收到上述第二超声波信号的一第二、第三、第四以及第五时间，并根据上述第一时间、上述第二时间、上述第三时间、上述第四时间以及上述第五时间得出上述待测物体与上述超声波发射换能器的一相对位置。

本发明提供一种电子装置的操作方法，包括：于一第一时间由一超声波发射换能器发送一第一超声波信号至一待测物体，其中上述第一超声波信号会被待测物体反射，作为一第二超声波信号；藉由一第一、第二以及第三超声波接收换能器，接收上述第二超声波信号；使用短时距傅立叶变换计算出上述第一、第二以及第三超声波接收换能器接收到上述第二超声波信号的一第二、第三以及第四时间；以及根据上述第一时间、上述第二时间、上述第三时间与上述第四时间得出上述待测物体与上述超声波发射换能器的一相对位置。

为使本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1显示为本发明的一电子装置的示意图。

图1a为超声波信号以及外在噪声在空气中反射至超声波接收换能器的电压-时间的对应关系图。

图1b为图1a使用短时距傅立叶变换将外在噪声滤除后超声波接收换能器的分贝-时间的对应关系图。

图1c是于一电子装置中超声波发射换能器以及超声波发射换能器的分贝-时间的对应关系比较图。

图1d是于一电子装置中用以计算超声波换能器装置与待测物体的相对位置的示意图。

图2显示为依据本发明的一电子装置的操作方法的流程图。第3图显示为本发明的另一电子装置的示意图。

图3a是于另一电子装置中超声波发射换能器以及超声波发射换能器的分贝-时间的对应关系比较图。

图3b是于另一电子装置中用以计算超声波换能器装置与待测物体的相对位置的示意图。

附图符号说明

100、300～电子装置；

101～操控装置；

102～处理器；

104～信号控制装置；

106～数字模拟转换器；

108～前驱放大器；

109～超声波换能器装置；

110～超声波发射换能器；

112、114、116、118～超声波接收换能器；

120～接收放大器；

122～模拟数字转换器；

tr～触发信号；

d1～第一数字信号；

d2～第二数字信号；

a1～第一模拟信号；

a2～第二模拟信号；

s1～驱动信号；

s2～接收信号；

u1、u2～超声波信号；

t1～第一时间；

t2～第二时间；

t3～第三时间；

t4～第四时间；

t5～第五时间；

d21～第一距离；

d31～第二距离；

d41～第三距离；

d51～第四距离；

po、pt、pr1、pr2、pr3～位置；

del1～第一时间差；

del2～第二时间差；

del3～第三时间差；

del4～第四时间差；

en1～信号分组；

int～外在噪声；

f1～频率；

s10、s20、s30、s40、s50、s60、s70、s80、s90、s100、s110～步骤；

po,x～x坐标；

po,y～y坐标；

po,z～z坐标；

po,z1～第一z坐标；

po,z2～第二z坐标；

m1、m2、n1、n2、o1、o2、p1、p2～参数。

具体实施方式

以下将详细讨论本发明各种实施例的制造及使用方法。然而值得注意的是，本发明所提供的许多可行的发明概念可实施在各种特定范围中。这些特定实施例仅用于举例说明本发明的制造及使用方法，但非用于限定本发明的范围。

图1显示为本发明的一电子装置100的示意图。电子装置100包括一处理器102、一信号控制装置104、一数字模拟转换器106、一前驱放大器108、一超声波换能器装置109、一接收放大器120以及一模拟数字转换器122。超声波换能器装置109包括一超声波发射换能器110、超声波接收换能器112、114以及116。在某些实施例中，电子装置100还包括一操控装置101。

信号控制装置104可用以接收来自处理器102的一触发信号tr以产生一第一数字信号d1，并将第一数字信号d1传送至数字模拟转换器106。信号控制装置104也可用以接收来自模拟数字转换器122的一第二数字信号d2，以及将第二数字信号d2传送至处理器102。举例而言，信号控制装置104中具有一方波产生器(未图示)。信号控制装置104在接收触发信号tr后，产生方波信号至数字模拟转换器106。

数字模拟转换器106用以接收来自信号控制装置104的第一数字信号d1，以及将第一数字信号d1转换成一第一模拟信号a1。举例而言，第一数字信号d1可为方波信号，第一模拟信号a1可为正弦波信号。

前驱放大器108用以将第一模拟信号a1放大为一驱动信号s1，并将驱动信号s1传送至超声波发射换能器110。举例而言，前驱放大器108为一电压放大器，前驱放大器108放大第一模拟信号d1的电压，使得第一模拟信号d1成为驱动信号s1，以便增加驱动信号s1的功率。

超声波发射换能器110用以接收来自前驱放大器108的驱动信号s1，并将驱动信号s1转换为一超声波信号u1后发射至一待测物体上，超声波信号u1会被待测物体反射，作为超声波信号u2，并由超声波接收换能器112、114与116所接收。在发明的实施例中，超声波发射换能器110发射超声波信号u1的时间点被定义为一第一时间t1。

超声波接收换能器112、114以及116用以分别地接收由待测物体反射回来的超声波信号u2，以及将超声波信号u2转换为接收信号s2后分别地传送至接收放大器120。举例而言，超声波发射换能器110或超声波接收换能器112、114以及116皆可为一探头。超声波接收换能器112接收到由待测物体反射回来的超声波信号u2的时间点可被定义为一第二时间t2。超声波接收换能器114接收到由待测物体反射回来的超声波信号u2的时间点可被定义为一第三时间t3。超声波接收换能器116接收到由待测物体反射回来的超声波信号u2的时间点可被定义为一第四时间t4。值得注意的是，第二时间t2、第三时间t3与第四时间t4是使用短时距傅立叶变换(short-timefouriertransform)针对特定频率的频谱分析计算所得出。接收放大器120用以将接收信号s2放大为一第二模拟信号a2，以及将第二模拟信号a2传送至模拟数字转换器122。举例而言，接收放大器120为一电压放大器。接收放大器120放大接收信号s2的电压，使得接收信号s2成为第二模拟信号a2，以便增加第二模拟信号a2的功率。

模拟数字转换器122用以接收来自接收放大器120的第二模拟信号a2，并将第二模拟信号a2转换成第二数字信号d2后传送至信号控制装置104。举例而言，第二模拟信号a2可为正弦波信号，第二数字信号d2可为方波信号。

处理器102用以发送触发信号至信号控制装置104以启动整个超声波定位的程序。处理器102也可用以接收来自信号控制装置104的第二数字信号d2，根据第二数字信号d2计算出含有待测物体的相对位置的信息，并将含有待测物体的相对位置的信息传送至操控装置101。处理器102根据由超声波发射换能器110传送超声波信号u1的时间(第一时间t1)(见图1c)与超声波接收换能器112、114与116接收到由待测物体反射的超声波信号u2的时间(第二时间t2、第三时间t3与第四时间t4)(见图1c)的第一时间差del1、第二时间差del2与第三时间差del3(见图1c)计算出待测物体与超声波发射换能器110的相对位置。超声波信号u2为超声波信号u1传送至待测物体再由待测物体反射而来。仔细而言，当超声波发射换能器110发射超声波信号u1(例如：频率为40k赫兹)时被定义为第一时间。由于短时矩傅立叶变换的特性，超声波信号u2(例如：频率为40k赫兹)通过频谱分析可单独被分离出来进而避免掉介质中的噪声干扰。接着，处理器102可将第一时间差del1、第二时间差del2与第三时间差del3(见图1c)分别乘以超声波信号u2在介质(例如：水、空气或其他诸如此类的介质)中传送的速度(例如：超声波在空气中的传送速度为340米/秒)，以取得第一距离d21、第二距离d31与第三距离d41(见图1d)。在本发明的实施例中，超声波信号u2在介质中传送的速度同超声波信号u1在介质中传送的速度。接着，根据第一距离d21、第二距离d31与第三距离d41(见图1d)，处理器102便可计算出待测物体与超声波发射换能器110的相对位置。

图1a为超声波信号u2以及外在噪声int在空气中反射至超声波接收换能器112的电压-时间的对应关系图。如图1a所示，信号分组en1为超声波信号u2以及外在噪声int在空气中反射至超声波接收换能器112的实际信号，信号分组en1包括用户欲接收的超声波信号u2以及外在噪声int。超声波接收换能器112容易受到外在噪声int的影响而使得处理器102无法精准地判断出超声波接收换能器112接收到超声波信号u2(例如：频率为40k赫兹的信号源)的第二时间t2。也就是说，第一时间t1至第二时间t2的这段期间内，外在噪声int所造成的波形会与超声波信号u2所造成的波形互相结合形成信号分组en1，而信号分组en1会使得处理器102无法准确判断出超声波信号u2反射至超声波接收换能器112的第二时间t2。如此一来，处理器102便无法精准地计算出待测物体与超声波发射换能器110的相对位置。为了克服此问题，本发明通过短时距傅立叶变换的方式滤除超声波接收换能器112所接收到的实际信号中的外在噪声int，以得出想要的超声波信号u2。

图1b为图1a使用短时距傅立叶变换将外在噪声int滤除后超声波接收换能器112的分贝-时间的对应关系图。如图1b所示，经过短时距傅立叶变换后的超声波信号u2以及外在噪声int只会显示一特定频率f1(例如：频率为40k赫兹)的超声波信号u2。处理器102可根据超声波信号u2是否大于某一特定分贝值(例如：-30分贝)，判断出超声波接收换能器112接收到超声波信号u2的第二时间t2。举例而言，当超声波信号大于-30分贝的时间点即为超声波接收换能器112接收到超声波信号u2的第二时间t2。

图1c是于电子装置100中超声波发射换能器110以及超声波发射换能器112、114以及116的分贝-时间的对应关系比较图。如图1b所述，当超声波信号大于-30分贝的时间点即为超声波接收换能器112接收到超声波信号u2的第二时间t2，当超声波信号大于-30分贝的时间点即为超声波接收换能器114接收到超声波信号u2的第三时间t3，当超声波信号大于-30分贝的时间点即为超声波接收换能器116接收到超声波信号u2的第四时间t4。在一实施例中，第一时间t1、第二时间t2、第三时间t3与第四时间t4可能相同。在另一实施例中，第一时间t1、第二时间t2、第三时间t3与第四时间t4可能不相同。

接着，处理器102根据图1c中所揭示的第一时间t1与第二时间t2的一第一时间差del1计算第一距离d21(见图1d)，第一时间t1与第三时间t3的一第二时间差del2计算第二距离d31(见图1d)，第一时间t1与第四时间t4的一第三时间差del3计算第三距离d41(见图1d)。

图1d是于电子装置100中用以计算超声波换能器装置109与待测物体的相对位置的示意图。超声波发射换能器110传送超声波信号u1时的位置被定义成位置pt，待测物体的位置被定义为位置po，超声波接收换能器112接收到来自待测物体反射回来的超声波信号u2时的位置被定义为位置pr1，超声波接收换能器114接收到来自待测物体反射回来的超声波信号u2时的位置被定义为位置pr2，超声波接收换能器116接收到来自待测物体反射回来的超声波信号u2时的位置被定义为位置pr3。第一距离d21即为位置pr1与位置po间的距离，第二距离d31即为位置pr2与位置po间的距离，第三距离d41即为位置pr3与位置po间的距离。

最后，处理器102在取得第一距离d21、第二距离d31以及第三距离d41后，先以第一距离d21做为一椭球的两倍长轴长，超声波接收换能器112以及超声波发射换能器110做为椭球的两焦点，可得出一第一三维直角坐标系椭球方程式。接着，以第二距离d31做为一椭球的两倍长轴长，超声波接收换能器114以及超声波发射换能器110做为一椭球的两焦点，可得出一第二三维直角坐标系椭球方程式。最后，以第三距离d41做为一椭球的两倍长轴长，超声波接收换能器116以及超声波发射换能器110做为一椭球的两焦点，可得出一第三三维直角坐标系椭球方程式。处理器102根据第一、第二、第三三维直角坐标系椭球方程式，以解联立方程组的方式计算出待测物体的位置。

操控装置101用以接收待测物体的位置的信息，并根据上述信息于操控装置101上执行对应动作。举例而言，处理器102每经过一次超声波定位的程序便会针对待测物体计算出一定位点(即待测物体的位置)，而不同定位点之间于空间上会有一差异量。在一实施例中，操控装置101可将上述差异量分为x轴、y轴以及z轴三个分量。操控装置101以x轴、y轴以及z轴三个分量中的其中两者根据一对照表于操控装置101上做出一对应动作(例如：对应动作可为在屏幕上鼠标的一移动动作，操控装置101可为一计算机)；操控装置101以x轴、y轴以及z轴三个分量中的剩余一者根据另一对照表于操控装置101上做出另一对应动作(例如：对应动作可为屏幕上鼠标的一点击动作，操控装置101可为一计算机)。

图2显示依据本发明的电子装置100的操作方法的流程图。首先，于步骤s10中，处理器102用以发送触发信号tr1至信号控制装置104。接着，进入步骤s20。于步骤s20中，信号控制装置104接收触发信号tr后产生第一数字信号d1，并将第一数字信号d1传送至数字模拟转换器106。接着，进入步骤s30。于步骤s30中，数字模拟转换器106将第一数字信号d1转换第一模拟信号a1，并将第一模拟信号a1传送至前驱放大器108。接着，进入步骤s40。于步骤s40中，前驱放大器108将第一模拟信号a1转换为驱动信号s1，并将驱动信号s1传送至超声波发射换能器110。接着，进入步骤s50。于步骤s50中，超声波发射换能器110将来自前驱放大器108的驱动信号s1转换为超声波信号u1，并将超声波信号u1发射至待测物体。接着，进入步骤s60。于步骤s60中，超声波接收换能器112、114以及116，用以分别地接收由待测物体反射回来的超声波信号u2，将超声波信号u2转换为接收信号s2，并将接收信号s2分别地传送至接收放大器120。接着，进入步骤s70。于步骤s70中，接收放大器120将接收信号s2放大为第二模拟信号a2，并将第二模拟信号a2传送至模拟数字转换器122。接着，进入步骤s80。于步骤s80中，模拟数字转换器122将第二模拟信号a2转换成第二数字信号d2，并将第二数字信号d2传送至信号控制装置104。接着，进入步骤s90。于步骤s90中，信号控制装置104将来自模拟数字转换器122的第二数字信号d2传送至处理器102。接着，进入步骤s100。于步骤s100中，处理器102根据来自信号控制装置104的第二数字信号d2，通过短时矩傅立叶变换以及三维直角坐标系椭球方程式，计算出待测物体以超声波发射换能器110为原点的相对位置，并且将含有待测物体的相对位置的信息传送至操控装置101。最后，进入步骤s110。于步骤s110中，操控装置101根据含有待测物体的相对位置的信息，并根据上述信息于操控装置101上执行对应动作。

图3显示为本发明的另一电子装置300的示意图。与电子装置100不同的处在于电子装置300中多增加一个超声波接收换能器118，以及超声波接收换能器112、114、116、118与超声波发射换能器110的摆放关系有所不同。

超声波接收换能器112、114、116与118摆设在超声波发射换能器110所在的一平面上。超声波接收换能器112以及114以超声波发射换能器110为原点沿一第一轴方向排列且分别位于超声波发射换能器110的两侧。超声波接收换能器116以及118以超声波发射换能器110为原点沿一第二轴方向排列且分别位于超声波发射换能器110的两侧。超声波接收换能器112、114、116与118用以接收由待测物体反射回来的超声波信号u2，以及将超声波信号u2转换为接收信号s2后传送至接收放大器120。在一实施例中，第一轴为一x轴且第二轴为一y轴。在另一实施例中，第一轴与第二轴为两个相互垂直的轴。在本发明的另一实施例中，第一轴与第二轴仅为两个相互交错的轴。

处理器102根据由超声波发射换能器110传送超声波信号u1的时间(第一时间t1)(见图3a)与超声波接收换能器112、114、116与118接收到由待测物体反射的超声波信号u2的时间(第二时间t2、第三时间t3、第四时间t4与第五时间t5)(见图3a)的第一时间差del1、第二时间差del2、第三时间差del3与第四时间差del4(见图3a)计算出待测物体与超声波发射换能器110的相对位置。接着，处理器102可将第一时间差del1、第二时间差del2、第三时间差del3与第四时间差del4(见图3a)分别乘以超声波信号u2在介质中传送的速度以取得第一距离d21、第二距离d31、第三距离d41以及第四距离d51(见图3b)，以计算出待测物体与超声波发射换能器110的相对位置。

图3a是于电子装置300中超声波发射换能器以及超声波发射换能器的分贝-时间的对应关系比较图。如图1b所述，当超声波信号大于-30分贝的时间点即为超声波接收换能器112接收到超声波信号u2的第二时间t2，当超声波信号大于-30分贝的时间点即为超声波接收换能器114接收到超声波信号u2的第三时间t3，当超声波信号大于-30分贝的时间点即为超声波接收换能器116接收到超声波信号u2的第四时间t4，当超声波信号大于-30分贝的时间点即为超声波接收换能器118接收到超声波信号u2的第五时间t5。在一实施例中，第一时间t1、第二时间t2、第三时间t3、第四时间t4与第五时间t5可能相同。在另一实施例中，第一时间t1、第二时间t2、第三时间t3、第四时间t4与第五时间t5可能不相同。

接着，处理器102根据图3a中所揭示的第一时间t1与第二时间t2的一第一时间差del1计算第一距离d21(见图3b)，第一时间t1与第三时间t3的一第二时间差del2计算第二距离d31(见图3b)，第一时间t1与第四时间t4的一第三时间差del3计算第三距离d41(见图3b)，第一时间t1与第五时间t5的一第四时间差del4计算第四距离d51(见图3b)。

图3b是于电子装置300中用以计算超声波换能器装置109与待测物体的相对位置的示意图。超声波发射换能器110传送超声波信号u1时的位置被定义成位置pt，待测物体的位置被定义为位置po，超声波接收换能器112接收到来自待测物体反射回来的超声波信号u2时的位置被定义为位置pr1，超声波接收换能器114接收到来自待测物体反射回来的超声波信号u2时的位置被定义为位置pr2，超声波接收换能器116接收到来自待测物体反射回来的超声波信号u2时的位置被定义为位置pr3，超声波接收换能器118接收到来自待测物体反射回来的超声波信号u2时的位置被定义为位置pr4。第一距离d21即为位置pr1与位置po间的距离，第二距离d31即为位置pr2与位置po间的距离，第三距离d41即为位置pr3与位置po间的距离，第四距离d51即为位置pr4与位置po间的距离。

在此实施例中，处理器102是根据第一距离d21、第二距离d31、第三距离d41、第四距离d51(不同于图2中的步骤s60中三个)，得出相对位置。仔细而言，处理器102在取得超声波信号u2由待测物体反射至超声波接收换能器312的第一距离d21，以第一距离d21做为一椭球的两倍长轴长，超声波接收换能器112以及超声波发射换能器110做为椭球的两焦点，可得出第一三维直角坐标系椭球方程式。同理，对超声波发射换能器114可得出第二三维直角坐标系椭球方程式。与电子装置100所示的实施例不同的处在于，处理器102通过第一、第二三维直角坐标系椭球方程式可求得一第一交线，上述第一交线为一圆周且具有一第一交线方程式。同理，处理器102针对超声波发射换能器116及118可得出第三三维直角坐标系椭球方程式以及一第四三维直角坐标系椭球方程式。由第三、第四三维直角坐标系椭球方程式可求得一第二交线，上述第二交线亦为一圆周且具有一第二交线方程式。接着，处理器102可通过上述第一、第二交线方程式计算出待测物体的x坐标以及y坐标。最后，处理器102再将待测物体的x坐标以及y坐标代入上述第一、第二交线方程式中的任一者，处理器102便可通过勾股定理计算出待测物体的z坐标。由于待测物体的x坐标、y坐标以及z坐标皆被决定，故处理器102可计算出待测物体的位置。

在一实施例中，若以超声波发射换能器110传送超声波信号u1时的位置pt为三维直角坐标系的原点，第一距离d21等于第二距离d31时，则待测物体的位置po的x坐标po,x为0。在另一实施例中，若以超声波发射换能器110传送超声波信号u1时的位置pt为三维直角坐标系的原点，第三距离d41等于第四距离d51时，则待测物体的位置po的y坐标po,y为0。在另一实施例中，若以超声波发射换能器110传送超声波信号u1时的位置pt为三维直角坐标系的原点，第一距离d21不等于第二距离d31时，则处理器102可通过第一交线方程式计算出待测物体的位置po的x坐标po,x。接着，处理器102再通过勾股定理求得待测物体的位置po的第一z坐标po,z1。

同理，处理器102可通过第二交线方程式计算待测物体的位置po的y坐标po,y。接着，处理器102再通过勾股定理求得待测物体的位置po的第二z坐标po,z2。

最后，处理器102将待测物体的位置po的第一z坐标po,z1与待测物体的位置po的第二z坐标po,z2平均后得出一z坐标po,z。

如此一来，待测物体的x坐标、y坐标以及z坐标皆被决定，故处理器102可计算出待测物体的位置。值得注意的是，在某些实施例中，步骤s60中超声波接收换能器的数目为四个(超声波接收换能器112、114、116与118)。

与现有技术不同的是，使用者若使用此计算方式可大幅降低处理器102的计算复杂度。因此，处理器102可更快速地计算出待测物体的位置。

虽然本发明已以数个较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作任意的更改与修饰，因此本发明的保护范围以权利要求为准。