| US20030222849A1 | 2003-12-04 | |||
| JPH04371063A | 1992-12-24 | |||
| JP2000206445A | 2000-07-28 | |||
| RU2264612C1 | 2005-11-20 | |||
| US20030132912A1 | 2003-07-17 | |||
| JP2000171740A | 2000-06-23 |
| Формула изобретения. 1. Способ бесконтактного управления с помощью лазерного маркера заключается в том, что в лазерном маркере один или несколько лазерных лучей рассеивают в одну или несколько плоскостей, а на стороне приемника, состоящего из нескольких фотодатчиков, расположенных в рабочей плоскости, фиксируют на них полученный рассеянный свет и по образующимся сигналам с фотодатчиков, путем их обработки, вычисляют с помощью процессора направление и пространственное положение лазерного маркера. 2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что лазерные лучи рассеивают в0 плоскость с помощью цилиндрического зеркала. 3. Способ по п. 1 отличающийся тем, что используют 4 лазера и рассеивают лазерные лучи в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, так, чтобы образованная ими воображаемая линия пересечения проходила вдоль лазерного5 маркера. 4. Способ по п. 1 или п. 3 отличающийся тем, что в приемнике фотодатчики располагают по периметру прямоугольника в виде рамки, лежащей в рабочей плоскости и фиксируют пересечение рассеянных 4 лазерных лучей с фотодатчиками на каждой из сторон рамки и далее по пересечению двух воображаемых линий,0 проходящих через фотодатчики, принявшие сигнал, с противоположных сторон рамки, определяют координаты точки пересечения данных воображаемых линий, которая и указывает на направление лазерного маркера. 5. Способ по п. 1 или п. 3 отличающийся тем, что в приемнике фотодатчики^ располагают по периметру двух прямоугольников в виде двух рамок, так, чтобы они располагались в двух параллельных плоскостях и параллельно рабочей плоскости и одна рамка была больше второй и фиксируют пересечение 4 рассеянных лазерных лучей с фотодатчиками на каждой из сторон обеих рамок и далее на каждой рамке по пересечению двух воображаемых линий, проходящих через фотодатчики,0 принявшие сигнал, с противоположных сторон рамки, определяют координаты точки пересечения данных воображаемых линий на каждой рамке, после чего строят воображаемую линию, проходящую через обе полученные точки, которая и указывает на направление и пространственное положение лазерного маркера. 6. Способ по п. 1 отличающийся тем, что в лазерном маркере рассеивают5 лазерный луч в плоскости и одновременно вращают её вокруг воображаемой оси, проходящей вдоль лазерного маркера, а на приемнике, состоящем по меньшей мере из двух частей, расположенных в одной рабочей плоскости, но на расстоянии друг от друга, в каждой из частей фиксируют одновременное пересечение рассеянного лазерного луча по меньшей мере с двумя фотодатчиками, разнесенными на ^ расстоянии друг от друга, и получают воображаемые линии пересечения вращаемых плоскостей рассеянного лазерного луча с рабочей плоскостью, и по пересечению полученных воображаемых линий между собой получают координаты точки в рабочей плоскости, в которую направлен лазерный маркер. j 0 7. Способ по п. 1 или п. 6 отличающийся тем, что каждая из частей приемника состоит из множества фотодатчиков, расположенных по кругу, являющемся основанием конуса и лежащему в рабочей плоскости, а на вершине конуса располагают единичный фотодатчик и по одновременному пересечению плоскости рассеянного лазерного луча с единичным фотодатчиком на вершине ^ конуса и с двумя фотодатчиками в основании конуса вычисляют пространственное расположение плоскости рассеянного лазерного луча, а по пересечению полученных таким образом плоскостей с обоих частей приемника вычисляют направление и пространственное положение лазерного маркера. 8. Способ по п. 1 отличающийся тем, что как минимум 2 луча рассеивают в двух пересекающихся под острым углом плоскостях, так, чтобы воображаемая линия их пересечения была перпендикулярна лазерному маркеру, а биссектриса острого угла их пересечения проходила параллельно лазерному маркеру, а на стороне приемника с помощью разнесенных на разном расстоянии друг от друга 25 множества фотодатчиков, расположенных в одной рабочей плоскости, определяют величину расхождения упомянутых плоскостей и заранее зная величину острого угла их пересечения вычисляют расстояние от лазерного маркера до рабочей плоскости. 9. Способ по п. 1 отличающийся тем, что используют лазеры и фотодатчики 30 функционирующие в инфракрасном диапазоне. 10. Комплекс для бесконтактного управления включающий в себя лазерный маркер, состоящий из одного или нескольких лазеров и одного или нескольких рассеивателей, выполненных с возможностью рассеивания лазерных лучей в 35 плоскость и приемник, состоящий из фотодатчиков, выполненных с возможностью реагировать на попадание рассеянного света от упомянутых лазеров и процессор, связанный с фотодатчиками приемника. 11. Комплекс для бесконтактного управления по п. 10 отличающийся тем, что рассеиватель выполнен из цилиндрического зеркала в форме дугообразной выпуклой светоотражающей пластины, которая установлена так, чтобы лазерный луч проходил по касательной к поверхности пластины. 12. Комплекс для бесконтактного управления по п. 10 отличающийся тем, что рассеиватель выполнен в виде по меньшей мере одной тонкой цилиндрической двояковогнутой линзы. 13. Комплекс для бесконтактного управления по п. 10 отличающийся тем, что в лазерном маркере используют 4 лазера и 4 рассеивателя, причем рассеиватели развернуты в противоположные стороны, а в приемнике фотодатчики установлены по периметру одного или двух прямоугольников. 14. Комплекс для бесконтактного управления по п. 10 отличающийся тем, что в лазерном маркере лазер располагают вдоль корпуса лазерного маркера а рассеиватель закрепляют на оси вращения, которая также расположена вдоль корпуса лазерного маркера и его приводят во вращение с помощью электродвигателя, а приемник состоит из двух частей, каждая из которых состоит из множества фотодатчиков, расположенных по кругу. 15. Комплекс для бесконтактного управления по п. 10 или п. 14 отличающийся тем, что обе части приемника сделаны в виде конусов, основания которых в виде кругов расположены в рабочей плоскости и на них по кругу закреплены фотодатчики, а на вершинах конусов закреплены единичные фотодатчики. 16. Комплекс для бесконтактного управления по п. 10 отличающийся тем, что в лазерном маркере по меньшей мере два лазера и два связанных с ними рассеивателя устанавливают таким образом, чтобы полученные плоскости рассеяных лучей располагались в пространстве под острым углом друг к другу, а воображаемая линия их пересечения проходила перпендикулярно к корпусу лазерного маркера. 17. Комплекс для бесконтактного управления по п. 10 отличающийся тем, что в качестве источника лазерного излучения используют полупроводниковый лазерный диод в инфракрасном диапазоне, а в приемнике в качестве фотодатчиков используют фотодиоды, способные улавливать свет в инфракрасном диапазоне. |
Описание.
Изобретение относится к оптико - электронной промышленности, а именно к 5 способу и устройству для бесконтактного управления и ввода информации.
Известны различные способы и устройства дистанционного ввода информации в виде так называемых презентаторов и маркеров. С их помощью реализуется альтернативный ввод информации в персональный компьютер посредством привычных движений рукой. Также существует технология распознавания жестов с видеокамеры для ' ^ бесконтактного управления компьютерными программами.
Недостатком презентаторов й маркеров для бесконтактного управления и ввода информации является низкая точность позиционирования и большой размер самих устройств. Недостатком технологии распознавания жестов с видеокамеры являются j 5 низкая точность позиционирования и низкая скорость реакции из за сложности обработки видеоданных.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройств для бесконтактного управления и ввода информации в виде лазерного маркера и приемника, с помощью которого можно будет быстро и с высокой точностью решать следующие
2 Δ 0 υ задачи:
- управление курсором на экране монитора путем направления на него лазерного маркера за счет установки приемника на корпусе монитора и подключения приемника к компьютеру,
2^ - использование в пультах ДУ для удобного и интуитивно понятного управления контентом в домашнем кинотеатре или телевизоре, подключенными к приемнику,
- управление различными устройствами жестикуляцией с помощью лазерного маркера и подключенного к данным устройствам приемника,
- в робототехнике для точной навигации робота в помещении, путем установки 30 приемников на стенах/потолках помещения и установки лазерного маркера на корпусе робота и беспроводного подключения приемников к роботу,
- 3D позиционирование за счет распознавания пространственного положения лазерного маркера относительно приемника, подключенного к компьютеру для использования в компьютерных играх, в симуляторах, в графических приложениях, для
35
дистанционного управления манипуляторами и устройствами. Указанные задачи достигаются тем, что на приемнике 1 (фиг. 1), размещенном в рабочей плоскости монитора компьютера или телевизора или экрана проектора или иного устройства размещают фотодатчики 2, связанные с процессором 3, в котором производится обработка поступающих с них световых сигналов, посылаемых с лазерного маркера 4. А лазерный маркер 4 состоит из полупроводниковых лазеров 5 (фиг. 2), фокусирующих линз 6, собирающих лазерные лучи в параллельный пучок 7 и рассей вател ей, выполненных с возможностью рассеивать лучи в плоскость. Для этого рассеиватели изготавливают из цилиндрических зеркал 8 в форме дугообразной светоотражающей пластины с выпуклой стороны. Зеркало 8 устанавливают за фокусирующей линзой 6 таким образом, чтобы пучок лазерного луча 7 шел по касательной к дугообразной поверхности цилиндрического зеркала 8. В этом случае пучок лазерного луча 7 отражается от зеркала 8 в разные стороны но в одной плоскости, проходящей по нормали к цилиндрической поверхности зеркала 8. Рассеиватели могут быть изготовлены также из тонкой цилиндрической двояковогнутой линзы 9 (фиг. 3). В частном случае в лазерном маркере используются четыре лазера 5 (фиг. 4), четыре фокусирующие линзы 5 и четыре рассеивателя в виде выпуклых цилиндрических зеркал 8, развернутых светоотражающими поверхностями в четыре противоположные стороны. В этом случае, лазерные лучи рассеиваются в двух плоскостях, перепендикулярных друг к другу. Для того, чтобы лазеры не создавали помех в видимом диапазоне они излучают инфракрасный свет. Отражающая поверхность зеркал 8 выполняют из материала, способного эффективно отражать инфракрасный свет, например из полированной меди. Фотодатчики 2 соответственно выполняют с возможностью эффективно улавливать свет в ИК диапазоне.
Способ бесконтактного управления с помощью лазерного маркера реализуется следующим образом. Включают полупроводниковые ИК лазеры 5 (фиг. 4), находящиеся внутри лазерного маркера. Причем, излучение лазеров может быть дополнительно модулированным. Инфракрасный свет, испускаемый лазерами, проходит через фокусирующие линзы 6 и попадает на цилиндрические зеркала 8 и тогда лазерные лучи рассеиваются в пространство перед лазерным маркером в виде четырех секторов, находящихся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Если лазерный маркер с включенными лазерами направить в сторону приемника, в котором фотодатчики 2 (фиг. 5) расположены по периметру прямоугольника в рабочей плоскости, то рассеянное инфракрасное излучение от лазеров попадет на каждую из сторон прямоугольника. Возникнет четыре участка 10 пересечения рассеянных лазерных лучей со сторонами прямоугольника. Через данные участки строят воображаемые линии 11. Пересечение этих двух линий И дает координаты точки 12, в которую направлен лазерный маркер. Данные координаты вычисляются с помощью процессора 3 (фиг. 1) - сигналы с фотодатчиков 2 обрабатываются в аналого-цифровом преобразователе и затем
^ с помощью процессора вычисляются координаты точки 12 (фиг. 5).
Если необходимо знать пространственное положение лазерного маркера, то в приемнике фотодатчики располагают по периметру двух прямоугольников в виде двух рамок, так, чтобы они располагались в двух параллельных плоскостях и одна
] Q рамка была больше второй. Далее фиксируют пересечение рассеянных лазерных лучей с фотодатчиками на каждой из сторон обеих рамок и на каждой рамке по пересечению двух воображаемых линий 11 (фиг.5), проходящих через фотодатчики 2, принявшие сигнал, с противоположных сторон рамки, определяют координаты точки пересечения 12 данных воображаемых линий в плоскости каждой рамки. Так как
^ использовано две рамки - одна над другой, то получаем две точки 12, расположенные в плоскости каждой из рамок. И поскольку рамки расположены в разных параллельных плоскостях, то достаточно с помощью процессора построить воображаемую линию, проходящую через обе полученные точки 12, которая и укажет
2о на направление и пространственное положение лазерного маркера.
Если ставится задача определять расстояние от лазерного маркера до приемника, то в лазерном маркере по меньшей мере два луча рассеивают в двух пересекающихся под острым углом плоскостях. Для этого как минимум: одну пару лазеров 5 (фиг. 6), пару фокусирующих линз 6 и пару зеркал 8 располагают под
25 острым углом а друг к другу, но так, чтобы воображаемая линия пересечения плоскостей образующихся рассеянными лучами была перпендикулярна корпусу лазерного маркера, а биссектриса острого угла их пересечения проходила вдоль корпуса лазерного маркера. В этом случае в лазерном маркере могут быть установлено до 6 лазеров, до 6 фокусирующих линз и до 6 рассеивателей. А на
30
стороне приемника с помощью разнесенных на разном расстоянии друг от друга множества фотодатчиков в виде фотодиодных линек или матриц фиксируют на отдельные фотодатчики рассеянное излучение от данных лазеров. И зная координаты расположения фотодатчиков, принявших сигнал, относительно друг друга определяют 35 величину расхождения упомянутых плоскостей и заранее зная величину острого угла а их пересечения вычисляют расстояние от лазерного маркера до рабочей плоскости по формуле равнобедренного треугольника. Для этого примем что угол а является „
4
углом вершины равнобедренного треугольника, расстояние между фотодатчиками, принявшими сигнал - примем за длину В основания равнобедренного треугольника, а расстояния от кончика лазерного маркера до указанных фотодатчиков примем за боковые стороны А равнобедренного треугольника. Длины А вычисляются по
^ формуле: A=B/2sin(a/2). И после нахождения длины А - вычисляем длину биссектрисы данного равнобедренного треугольника, проходящей через вершину. Её длина и является расстоянием от лазерного маркера до рабочей плоскости.
В случаях, когда на стороне приемника нецелесообразно размещать
J O фотодатчики в виде рамки, например в домашних кинотеатрах или на больших презентационных экранах или на стенах и потолках для навигации роботов в помещении - можно значительно уменьшить ^ размер приемника за счет конструктивных изменений в лазерном маркере. Для этого, в лазерном маркере используют по меньшей мере один лазер 5 (фиг. 7), одно зеркало 8 и миниатюрный
^ электродвигатель 13 с полым ротором 14. Через полый ротор 14 пропускают пучок лазерного луча 7, и крепят к ротору 14 зеркало 8, чтобы оно приводилось во вращение. Причем, электродвигатель 13 размещают в лазерном маркере так, чтобы ось вращения ротора проходила вдоль корпуса лазерного маркера. Для того, чтобы защитить
20 вращающееся зеркало 8 от внешних механических воздействий - оно может быть расположено под прозрачным колпачком. При включенном лазере и электродвигателе - лазерный луч рассеивается в плоскости и полученная плоскость одновременно вращается. Таким образом, пространство перед лазерным маркером сканируется рассеянным и вращаемым лазерным лучом. Для того, чтобы определить в какую точку
25 направлен лазерный маркер - в приемнике фотодатчики размещают по меньшей мере в двух частях двух, расположенных в одной рабочей плоскости, но на расстоянии друг от друга. . В каждой части фотодатчики размещают по кругу 15 (фиг. 8). В каждом круге 15 фиксируют одновременное пересечение плоскости рассеянного лазерного луча по меньшей мере с двумя точками 10 на круге (этими точками являются
30
фото датчики), разнесенными на расстоянии друг от друга и по этим точкам 10 строят воображаемые линии 1 1, являющиеся линиями пересечения вращаемых плоскостей рассеянного лазерного луча с рабочей плоскостью. Далее остается вычислить координаты точки 12 в рабочей плоскости, в которой пересекаются полученные 35 воображаемые линии 11 между собой. Эта точка 12 является точкой, в которую направлен лазерный маркер.
А если требуется определить положение лазерного маркера в пространстве, то обе части приемника выполняют в виде конусов 16 (фиг. 9), в основании которых по кругу 15 располагают фотодатчики. Основания конусов расположены в рабочей плоскости. А на вершине конусов размещают единичные фото датчики 17. Телесный угол конусов 16 делают тупым, вершины конусов могут обращены как перед рабочей
^ плоскостью, так и утоплены вовнутрь, но единичные фотодатчики 17 своей активной поверхностью должны быть обращены в ту сторону, в которой будет находиться лазерный маркер. Когда лазерный маркер включен и обращен вращающейся плоскостью рассеянного лазерного луча в сторону рабочей плоскости - на каждом j Q конусе 16 фиксируют одновременное пересечение плоскости рассеянного лазерного луча с единичным фотодатчиком 17 на вершине конуса и с двумя фотодатчиками в основании конуса на круге 15. Чем дальше в этот момент линия пересечения с фотодатчиками на круге 15 находится от нормали к плоскости круга, проходящей через его центр, в котором находится единичный фотодатчик 17, тем больше наклон
^ плоскости рассеянного лазерного луча к рабочей плоскости. Таким образом, вычислив угол наклона плоскости рассеянного лазерного луча к рабочей плоскости на обоих конусах 16 - можно определить направление и пространственное положение лазерного маркера.
В целом лазерный маркер может быть изготовлен из полупроводниковых лазерных диодов в ИК диапазоне типа Фабри-Перо или VCSEL, а цилиндрические зеркала из полированной меди. Оптоэлектроника приемника изготавливается на основе полупроводниковых фотодиодов или фотодиодных линеек или ПЗС матриц. Аналого-цифровой преобразователь изготавливается на существующей элементной 25 базе с возможностью подключения к персональному компьютеру, например по протоколу USB. Лазерные лучи в лазерном маркере могут дополнительно модулироваться как с целью защиты от внешних помех, так и для передачи дополнительной информации, например о нажатии кнопок, расположенных на корпусе лазерного маркера. Между лазерным маркером и приемником может быть
30
установлена и двухсторонняя связь по оптическому каналу с использованием протокола IrDA. Для этого для обратной связи приемника с лазерным маркером в лазерном маркере устанавливается дополнительный ИК фотодиод, защищенный от попадания света собственных лазеров, а на приемнике - дополнительный ИК 35 светодиод. Для питания лазерного маркера могут использоваться обычные батарейки или аккумуляторы.