ITMI20011765A1 - Metodo e dispositivo per determinare la posizione nello spazio a tre dimensioni di uno o piu' puntatori informatici - Google Patents

Description

Descrizione dell' invenzione industriale avente per titolo:

"METODO E DISPOSITIVO PER DETERMINARE LA POSIZIONE NELLO SPAZIO A TRE DIMENSIONI DI UNO O PIÙ PUNTATORI INFORMATICI”

La presente invenzione concerne un metodo e un dispositivo per l’attuazione di detto metodo, atto a determinare la posizione nello spazio a tre dimensioni di uno o più puntatori informatici, ad esempio a forma di penna, e ad inviare ad un’apparecchiatura utilizzatrice, ad esempio un computer, delle informazioni relative alle coordinate spaziali.

Detto dispositivo può essere vantaggiosamente usato in applicazioni computerizzate che necessitano di dati a tre dimensioni, come ad esempio nella grafica tridimensionale ad uso civile, cinematografico, artistico o sonoro.

Attualmente la rilevazione della posizione nello spazio di un puntatore informatico può avvenire soltanto con un uso complicato di sensori a due dimensioni, come tavolette grafiche o mouse, con un sistema poco immediato, e soprattutto di non facile assimilazione da parte dell’utilizzatore.

In conseguenza di ciò non si sono sviluppate quelle applicazioni software tridimensionali che sarebbero peraltro assai apprezzate dagli utenti.

Con il metodo secondo l’invenzione e il dispositivo per l’attuazione di detto metodo, . viene risolto il problema della rilevazione rapida della posizione di un puntatore informatico, secondo una procedura semplice ed intuitiva.

Si apre quindi la strada ad una serie di nuove importanti applicazioni prima non pensate, come ad esempio avvicinamento o allontanamento di oggetti grafici sullo schermo e il loro posizionamento e la rotazione nello spazio con pochi gesti, la programmazione in tempo reale di eventi tridimensionali, il disegno in aria, la video scultura tridimensionale, ecc.

La posizione del puntatore nello spazio viene determinata con semplici calcoli trigonometrici una volta che siano state misurate le distanze tra detto puntatore e una pluralità di punti la cui posizione è nota, essendo detti punti in numero maggiore od uguale a tre.

La distanza di detto puntatore da detti punti di posizione nota viene determinata misurando il tempo che un segnale acustico impiega per percorrere lo spazio intercorrente tra detto puntatore e ciascuno dei detti punti di posizione nota.

In pratica detto puntatore emette simultaneamente un segnale elettromagnetico ed un segnale acustico. Essendo trascurabile il tempo impiegato dal segnale elettromagnetico per raggiungere un sensore del dispositivo, i tempi di ritardo con cui il segnale acustico giunge ai vari punti di posizione nota, saranno i tempi impiegati da detto segnale per raggiungere ciascuno di detti punti.

Applicando formule di cinematica, essendo nota la velocità di propagazione delle onde acustiche nell’ aria, viene determinata la distanza tra detto puntatore e detti punti di posizione nota.

Note dette distanze, con formule geometriche viene determinata la posizione del puntatore rispetto a detti sensori.

Il metodo di rilevamento della posizione del puntatore secondo l’invenzione e il relativo dispositivo verranno descritti nel seguito, a scopo illustrativo e non limitativo, secondo una forma di realizzazione preferita, con riferimento alle figure allegate in cui:

• la figura 1 (a, b) mostra lo schema geometrico di calcolo della posizione del puntatore

• la figura 2 mostra lo schema a blocchi dell’intero dispositivo,

• la figura 3 mostra lo schema a blocchi della centralina di controllo, • la figura 4 mostra l’andamento nel tempo dei segnali di controllo e dei segnali ricevuti.

Con riferimento alla fig. 1, viene indicata con (2), (3), (4) e (5) la posizione di quattro sensori ad ultrasuoni, mentre con (20) si indica la posizione di un puntatore informatico.

Secondo una forma di realizzazione preferita descritta, detti sensori sono in numero di quatto e sono localizzati ai vertici di un quadrato, potendo però detti sensori essere in numero qualsiasi maggiore od uguale a tre e localizzati comunque nello spazio, purché la posizione di detti puntatori sia nota.

Secondo detta forma di realizzazione preferita, detti sensori e detto puntatore sono posizionati ai vertici di una piramide a base quadrata, essendo detta base individuata dai quattro sensori ed il vertice individuato dal puntatore. La proiezione ortogonale di detto vertice sulla base può cadere all’interno (fig. la) o all’estemo (fig. lb) della base stessa.

Di detta piramide sono note le lunghezze dei lati della base. Le lunghezze degli altri lati, cioè quelli che congiungono il puntatore con i sensori, verranno determinate con il dispositivo secondo l’invenzione.

Facendo coincidere due lati di base della piramide con gli assi X e Y di un sistema di riferimento cartesiano ortogonale, ad esempio l’asse X coincidente con il lato 2-5 e l’asse Y coincidente con il lato 4-5, con le formule che seguono sarà possibile determinare le coordinate X, Y, Z del puntatore (20).

Facendo coincidere due lati di base della piramide con gli assi X e Y di un sistema di riferimento cartesiano ortogonale, ad esempio l’asse X coincidente con il lato 2-5 e l’asse Y coincidente con il lato 4-5, con le formule che seguono sarà possibile determinare le coordinate X, Y, Z del puntatore (20).

L’area del triangolo noti i lati è data dalla formula di Erone, ponendo p il semiperimetro, ed essendo a, b, e i lati del triangolo:

Opp triangolo, ponendo b la base e h l’altezza

Calcolo del valore di X

Nella piramide di calcolo si vede come l’asse della x faccia parte del triangolo AVB. Essendo noti i tre lati si può calcolare l’area del triangolo con la formula 1 di Erone e ricavare l’altezza del triangolo AVB (hi) utilizzando la formula 2, dividendo il doppio dell’area per il lato di base cioè AB:

p ( ) il valore x cercato è semplicemente uno dei due cateti di un triangolo rettangolo avente come ipotenusa il lato AV, e come altro cateto l’altezza del triangolo AVB, entrambi noti, e quindi per ricavare la x è sufficiente applicare il teorema di Pitagora:

X

Calcolo del valore di Y

Nella piramide di calcolo si vede come l’asse della Y faccia parte del triangolo BVC. Essendo noti i tre lati si può calcolare l’area del triangolo con la formula 1 di Erone e ricavare l’altezza del triangolo BVC (h2) utilizzando la formula 2, dividendo il doppio dell’area per il lato di base cioè BC:

Come si vede dalle piramidi di calcolo (Tav. 1) il valore Y cercato è semplicemente uno dei due cateti di un triangolo rettangolo avente come ipotenusa il lato BV, e come altro cateto l’altezza del triangolo BVC, entrambi noti, e quindi per ricavare la Y è sufficiente applicare il teorema di Pitagora:

Calcolo del valore di Z

Nella piramide di calcolo si vede come l’asse della Z sia l’altezza del triangolo A’ V’ B’, perpendicolare alle basi della piramide di calcolo ABCD (perché retto è l’angolo in B’ con B e V), formato dal lato di base A’, B’ di valore uguale al lato AB, e da due lati che sono anche le altezze dei due triangoli BVC e AVD. Una è già nota (h2), per calcolare l’altra altezza h3 è necessario risolvere il triangolo AVD e quindi:

Per calcolare l’altezza del triangolo A’ V B’ (h4) e quindi il valore di z dobbiamo prima calcolare l’area del triangolo A’ V B’ con la formula 1:

E quindi dividere il doppio dell area ottenuta per la base del triangolo cioè A’ B’, quindi:

Con riferimento alla fig. 2, il dispositivo secondo l’invenzione comprende:

• un puntatore informatico (20), di cui si vuole determinare la posizione nello spazio, atto a captare un segnale emesso da un modulatore radio (7) ed a generare di conseguenza un segnale elettromagnetico, ad esempio raggi infrarossi, ed un segnale acustico, ad esempio ultrasuoni,

• una centralina di temporizzazione, ricezione, calcolo e invio dati (1) atta a controllare l’intero processo di rilevazione della posizione di detto puntatore informatico (20), secondo le procedure specificate nel seguito, e ad inviare i risultati di detta rilevazione ad un utilizzatore, ad esempio un computer;

• dei sensori acustici (2), (3), (4) e (5), ad esempio ad ultrasuoni atti a ricevere dei segnali ultrasonori emessi da detto puntatore (20) ed a generare di conseguenza un segnale elettrico;

• un sensore di radiazioni elettromagnetiche (6), ad esempio raggi infrarossi, atto a ricevere dei segnali a raggi infrarossi emessi da detto puntatore (20) ed a generare di conseguenza un segnale elettrico;

• un modulatore radio (7) atto ad emettere un segnale in radio frequenza;

essendo detti sensori acustici collegati a detta centralina con un cablaggio (8), (9), (10) e (11), detto sensore a infrarosso collegato a detta centralina con un cablaggio (12) e detto modulatore radio collegato a detta centralina con un cablaggio (13) ed essendo detta centralina (1) dotata di un’uscita seriale (14) e di un’uscita parallela (15).

Con riferimento alla fig. 3, detta centralina (1) comprende:

• un amplificatore/rivelatore (6a) atto a ricevere un segnale elettrico, proveniente dal sensore ad infrarosso (6) attraverso detto cablaggio (12), e ad amplificarlo;

• quattro amplificatori/rivelatori (2a), (3a), (4a) e (5a) atti a ricevere dei segnali elettrici, provenienti dai rispettivi sensori di ultrasuoni (2), (3), (4) e (5), attraverso i rispettivi cablaggi (8), (9), (10) e (11) e ad amplificarli;

• quattro circuiti flip-flop (2b), (3b), (4b) e (5b) atti a pilotare dei contatori elettronici (2c), (3c), (4c) e (5c) in funzione dei segnali provenienti dai sensori a infrarossi e a ultrasuoni, essendo collegati con il loro morsetto "set" all’ amplificatore (6a), tramite il cablaggio (12a), con il loro morsetto "clear" rispettivamente agli amplificatori (2a), (3a), (4a) e (5a) tramite i rispettivi cablaggi (8a), (9a), (10a) e (I la) e con il loro morsetto di uscita con dei rispettivi contatori elettronici (2c), (3c), (4c) e (5c) attraverso dei rispettivi cablaggi (8b), (9b) (10b) e (l lb);

• quattro contatori elettronici (2c), (3c), (4c) e (5c) ad elevata frequenza di clock, atti a contare gli impulsi generati da detto clock nell’ intervallo, temporale compreso fra l’istante in cui giunge al sensore ad infrarosso (6) l’impulso ad infrarosso emesso dal puntatore (20) e l’istante in cui giunge al rispettivo sensore ad ultrasuoni (2), (3), (4) e (5) l’impulso ultrasonoro emesso, contemporaneamente a quello elettromagnetico, dal puntatore (20), essendo collegati con dei rispettivi cablaggi (8b), (9b), (10b) e (l lb) con i rispettivi circuiti flip-flop (2b), (3b), (4b) e (5b) da cui detti contatori sono pilotati;

• un microprocessore (17) atto a pilotare un segnale elettrico in codice che permetta al modulatore (7) di generare un corrispondente segnale in radio frequenza, essendo collegato con detto modulatore radio (7) attraverso il cablaggio (13), a ricevere i conteggi dei contatori elettronici (2c), (3c), (4c) e (5c) attraverso i rispettivi cablaggi (8d), (9d), (lOd) e (11 d), e ad elaborarli, applicando il metodo di calcolo secondo l’invenzione e descritto nel seguito, ed a fornire i risultati delle elaborazioni ad un utilizzatore, attraverso le uscite (14) e (15), essendo pilotato da un circuito sequenziatore (16).

• un circuito sequenziatore (16) atto ad abilitare, secondo una temporizzazione conforme al metodo secondo l’invenzione, detto microprocessore (17) a prelevare i dati provenienti dai contatori elettronici, essendo collegato con il proprio morsetto "uscita calcolo" con detto microprocessore (17), a predisporre i contatori per un conteggio successivo, essendo collegato con il proprio morsetto "uscita reset" con i morsetti "reset" di detti contatori elettronici (2c), (3c), (4c) e (5c), essendo a sua volta pilotato dal sensore a raggi infrarossi (6), cui è collegato, con il proprio morsetto "entrata", attraverso il cablaggio (12a) e l amplificatore/rivelatore (6a).

Il dispositivo secondo l’invenzione è in grado di rilevare la posizione del puntatore (20) e di seguirne gli spostamenti, attraverso successive rilevazioni della posizione che avverranno ripetendo ciclicamente la procedura descritta nel seguito.

Tutto il processo è comandato dal circuito sequenziatore (16) che abilita successivamente i componenti della centralina.

In pratica il ciclo di rilevazione è avviato dal sequenziatore (16) che abilita il microprocessore (1) a generare un segnale in codice che viene trasmesso al puntatore (20) dal modulatore radio (7). Detto segnale in codice viene riconosciuto dal puntatore che emette, in risposta, un segnale a raggi infrarossi ed un segnale ad ultrasuoni. L’impulso a raggi infrarossi emesso dal puntatore (20) e trasformato in segnale elettrico dal sensore (6), giunge all’amplificatore (6a) della centralina (1) attraverso il cablaggio (12).

L’impulso ad ultrasuoni emesso dal puntatore (20) giunge ai sensori ad ultrasuoni (2), (3), (4) e (5), con tempi diversi dipendenti dalla distanza del puntatore (20) da ciascuno di detti sensori a ultrasuoni, ciascuno dei quali genera un segnale elettrico e lo invia, attraverso il rispettivo cablaggio (8), (9), (10) o (1 1), al rispettivo amplificatore (2a), (3a), (4a) o (5a) della centralina (1).

Secondo la procedura descritta, detti segnali elettrici emessi da ciascuno dei sensori a ultrasuoni (2), (3), (4) e (5), giungeranno al rispettivo amplificatore (2a), (3a), (4a) e (5a) con un ritardo rispetto al segnale elettrico inviato dal sensore a infrarossi (6) al rispettivo amplificatore (6a).

Detti ritardi saranno misurati secondo la procedura descritta nel seguito e saranno elaborati per determinare la posizione del puntatore (20) rispetto ai sensori ad ultrasuoni (2), (3), (4) e (5) applicando la procedura di calcolo secondo l’invenzione.

Con riferimento alla fig. 3, il dispositivo secondo l’invenzione misurerà allora detto ritardo applicando la seguente procedura:

• il segnale elettrico proveniente dal sensore ad infrarossi e giunto all’ amplificatore (6a) va a settare i quattro circuiti flip-flop (2b), (3b), 4(b) e (5b), che a loro volta abilitano i quattro contatori digitali (2c), (3c), (4c) e (5c);

• i segnali elettrici provenienti dai sensori ad ultrasuoni e giunti ai rispettivi amplificatori (2a), (3a), (4a) e (5a), ciascuno con un ritardo temporale rispetto al segnale elettrico proveniente dal sensore ad infrarossi (6), vengono inviati, mantenendo detto ritardo, ai rispettivi circuiti flip-flop (2b), (3b), (4b) e- (5b) che bloccheranno il conteggio di dei contatori digitali (2c), (3c), (4c) e (5c).

I conteggi effettuati dai contatori digitali (2c), (3c), (4c) e (5c) sono in relazione al ritardo temporale con cui il segnale ultrasonoro emesso dal puntatore (20) giunge a ciascuno dei sensori (2), (3), (4) e (5).

II segnale elettrico proveniente dal sensore a raggi infrarossi, giunge, attraverso il cablaggio (12a) anche al circuito sequenziatore (16) che, così attivato, dopo un intervallo prestabilito di tempo genera due impulsi:

• un impulso di calcolo che ordina al microprocessore di prelevare i dati dai contatori e di compiere i calcoli per determinare la posizione del puntatore (20) ed inviare alle uscite (14) e (15) le relative informazioni,

• un impulso di reset ai i contatori per predisporli per il conteggio successivo.

Detto intervallo prestabilito di tempo è più lungo del maggiore dei ritardi con cui l’impulso di ultrasuoni emesso dal puntatore giunge ai sensori ad ultrasuoni (2), (3), (4) e (5), in modo che il microprocessore (1) prelevi i dati dai contatori elettronici dopo che questi hanno terminato i conteggi.

Subito dopo il sequenziatore genera un secondo impulso di reset che azzera i contatori e li predispone per un nuovo ciclo di lettura.

Completato un ciclo di rilevazioni, la centralina avvierà un nuovo ciclo per determinare la eventuale nuova posizione del puntatore.

Il dispositivo descritto è atto a rilevare la posizione di più puntatori contemporaneamente. In tal caso ciascun puntatore sarà atto a rilevare un segnale in codice proveniente dal modulatore radio (7) in modo tale da rispondere con emissione di impulsi a raggi infrarossi e ad ultrasuoni solo se detto segnale in codice corrisponde ad uno schema prefissato.

La procedura di rilevazione, nel caso della contemporanea presenza di più puntatori, prevede di attuare sequenzialmente dei cicli di rilevazione per ciascun puntatore.

Onde evitare fenomeni di cancellazione del segnale dovuto ad onde in controfase durante la ricezione, gli ultrasuoni verranno generati ad impulso, un breve impulso ripetuto ad alta frequenza scelta in modo da eliminare il rischio di accavallamento dell’onda diretta con i residui riflessivi ambientali prodotti dall’impulso precedente.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo per determinare la posizione nello spazio tridimensionale di uno o più puntatori informativi, caratterizzato dal fatto di prevedere le seguenti fasi: • emissione da parte del puntatore del segnale elettromagnetico e di un contemporaneo segnale sonoro; • rilevamento di detti segnali elettromagnetico e sonoro da parte di una pluralità di rilevatori disposti su un piano; • calcolo, da parte di ciascun rilevatore, del ritardo con il quale il segnale sonoro viene ricevuto rispetto al segnale elettromagnetico; • determinazione della posizione nello spazio del puntatore in funzione di detti ritardi rilevati.
2. 2) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti segnali elettromagnetici sono segnali luminosi, in particolare segnali a raggi infrarossi e detti segnali sonori sono segnali ad ultrasuoni.
3. 3) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti segnali elettromagnetici sono segnali in radiofrequenza e detti segnali sonori sono segnali ad ultrasuoni.
4. 4) Metodo secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti, in cui detti rilevatori sono disposti ai vertici della base di una piramide nel cui vertice superiore si trova il puntatore.
5. 5) Metodo secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti, in cui dette operazioni vengono ripetute ciclicamente per tracciare gli spostamenti di detto puntatore.
6. 6) Metodo secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti, in cui si genera un segnale in codice che viene trasmetto al puntatore tramite dispositivi in radiofrequenza, detto codice viene riconosciuto dal puntatore che emette, in risposta, un segnale ad onde elettromagnetiche ed un segnale sonoro.
7. 7) Metodo secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti, in cui fra una fase di generazione e di segnali da parte del puntatore e rilevazione degli stessi da parte dei sensori e la fase successiva è previsto un intervallo di tempo più lungo del maggiore dei ritardi con cui l’impulso sonoro emesso dal puntatore giunge ai sensori.
8. 8) Metodo secondo le rivendicazioni precedente, in cui gli ultrasuoni vengono generati ad impulsi ripetuti ad alta frequenza scelti in modo da eliminare il- rischio di accavallamento dell’onda diretta con residui riflessivi ambientale prodotti dall’impulso precedente.
9. 9) Apparecchiatura per determinare la posizione nello spazio a tre dimensioni di uno o più puntatori informatici, caratterizzata dal fatto di prevedere: • almeno un puntatore informatico atto a generare contemporaneamente un segnale elettromagnetico ed un segnale acustico; • una pluralità di sensori atti a rilevare detti segnali elettromagnetici ed a generare di conseguenza segnali elettrici; • una pluralità di sensori atti a rilevare detti segnali sonori ed a generare di conseguenza un segnale elettrico; • mezzi atti a calcolare il ritardo con cui detti segnali vengono ricevuti dai rispettivi sensori e a determinare di conseguenza la posizione del puntatore nello spazio.
10. 10) Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto di prevedere inoltre un modulatore radio atto ad emettere un segnale in radiofrequenza, detto puntatore informatico essendo provvisto di mezzi atti a captare detto segnale ed a comandare la conseguente generazione di detti segnali elettromagnetico ed acustico.
11. 11) Apparecchiatura secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto di prevedere una centralina di temporizzazione, ricezione calcolo e invio dati per il controllo del processo di rilevazione della posizione del puntatore informatico, detta centralina comprendendo: • un amplificatore atto a ricevere un segnale elettrico proveniente da detti sensori di segnali elettromagnetici; • una pluralità di amplificatori atti a ricevere segnali elettrici provenienti dai sensori sonori; • una serie di circuiti flip-flop atti a pilotare dei contatori in funzione dei segnali provenienti da detti sensori di segnali elettromagnetici e sonori; • una pluralità di contatori elettronici atti a contare gli impulsi generati da un clock nell’ intervallo compreso fra l’istante in cui viene rilevato il segnale elettromagnetico e quello in cui viene rilevato il segnale sonoro.
12. 12) Apparecchiatura secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto di prevedere inoltre mezzi atti a generare un segnale codificato in radiofrequenza ed un circuito sequenziatore atto ad abilitare ciclicamente il prelievo dei dati da elaborare.
13. 13) Metodo e dispositivo per determinare la posizione nello spazio a tre dimensioni di uno o più puntatore informarci, come descritto ed illustrato.