[发明专利]一种三维交互电子白板系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维交互电子白板系统及方法，具体涉及一种基于超声波无线定位技术的三维交互电子白板及方法，可实现多目标的三维实时定位与跟踪，可用于人机交互、教育信息化、三维图像及视频交互控制等领域。

背景技术

随着教育信息化的推广，三维视频、图像等教学资源库的出现，急需三维操控技术的支持。针对传统交互电子白板不能支持三维媒体操控的缺陷，本发明公开一种三维交互电子白板，提供一种新型教育信息化教学基础系统。

三维交互电子白板的关键技术是三维高精度无线定位技术，主要包括三维电磁定位、三维超声定位和数字视觉定位技术。三维电磁定位技术的定位范围较小，很难实现大尺寸多目标操控功能。数字视觉应用在三维定位中，很难象二维平面定位那样设计特殊边框，仅靠数字图像识别算法实现目标跟踪，算法复杂，受环境影响较大。最适用于三维交互电子白板的定位技术是超声波定位技术，虽然需要专用发射器，但超声波定位范围大，精度高，可以采用频分和时分复用技术实现多目标识别与跟踪。

中国专利“一种超声波定位装置及其定位方法”(申请号200710026504.0)公开了一种超声波定位装置及方法，利用4个以上超声接收模块，实现对发射笔的三维定位，支持非接触触控功能，但未考虑超声接收器接收角度的影响，并且不支持多目标定位。中国专利“大范围多目标超声跟踪定位系统和方法”(申请号201010546442.8)公开了一种大范围多目标超声跟踪定位系统及方法，采用不同频率和不同时隙实现多目标识别，采用空间分割法实现大范围定位和跟踪。该系统及方法主要提供一种室内三维定位跟踪与定位系统，在定位精度和定位均匀度考虑较少，接收器布置方案及空间切换机制不适应于交互电子白板，

为解决传统电子白板的不能支持多目标三维定位、非接触操控的缺陷，基于超声波无线定位技术，公开一种具备三维多目标操控功能的三维交互电子白板系统及方法。

发明内容

本发明的目的是要提供一种大尺寸三维交互电子白板，具备三维无线定位、非接触操控、多目标识别与操控等功能，其核心是三维超声交互定位系统。

本发明基于三维超声波无线定位技术，提供一种大尺度、多目标、高精度的三维交互定位系统，该系统主要包括主控制器、接收器、发射器及三维交互控制模块4部分。各部分组成及功能：

(1)主控制器

主要包括同步信号提取电路、微处理器1(MCU)、通信接口电路(UART)、USB接口。

主控制器主要完成多路超声定位信号时延差的接收、移动目标的实时定位与跟踪、系统同步信号产生、多传感器无缝拼接等功能。

同步信号提取电路：根据每个接收器发出的不同目标到达触发信号，利用逻辑电路判断出不同目标的第一个到达信号，将该信号作为该目标的时延差提取同步信号，提供各接收器，由接收器完成个目标信号的时延差提取。

微处理器1：主要完成移动多目标时延差的读取、三维目标实时定位计算与跟踪、以及多路超声波信号的自适应无缝拼接。

通信接口电路：主控制器与各接收器的通信接口，主控制器的UART作为主机，各接收器UART模块作为从机，由主机按照约定的协议控制各接收器完成时延差数据的传输。

USB接口：该接口负责与PC机通信，完成各目标三维定位数据的传送并接收系统软件命令和系统配置信息。

(2)接收器

接收器安装在普通白板(平板显示器、背投、大尺寸拼接屏等)上下两边，各接收器之间距离相等，根据操控范围大小和精度要求确定接收器之间间距和数量。

主要包括超声波接收器、低噪声宽带超声放大电路、陷波器、A／D采样电路、微处理器(MCU)、数据存储器、程序存储器等几部分。

接收器主要完成多目标超声信号的接收、分离、采集、时延差计算及数据传送。

超声波接收器：主要接收多个不同频率发射器发射的超声波信号，采用宽带接收传感器，具有接收角度大、带宽宽的特点，满足基于频分复用多目标信号的接收的要求。超声波接收器可采用超声波传感器、PVDF超声传感器、硅麦克风等超声波接收器件。

低噪声宽带超声信号放大电路：对接收到的微弱超声信号进行放大，通带为20KHz～80KHz，通带增益为60dB。

陷波器：用于滤除其它目标信号，实现不同目标信号的分离。

A／D采样电路：每个频率超声波信号配置一个A／D采样电路，完成对应频率超声波信号的数据转换，供微处理器提取超声波时延差信息。