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一种基于超声波的无接触式虚拟电子钢琴演奏方法及系统

  • 国知局
  • 2024-06-21 11:46:56

本发明涉及超声波,特别涉及一种基于超声波的无接触式虚拟电子钢琴演奏方法及系统。

背景技术:

1、随着科技的发展,各种互联网产品如雨后春笋般出现在市场中,很多传统元素也穿上科技的新衣,以一种新的形态出现在人们的视野中,例如传统教学黑板如今用智能触摸屏替代、传统养殖业也使用上了智能控制管理系统等等,传统产品智能化是未来的发展趋势。除去科技发展的推动、音乐教育行业的需求,用户对产品的要求也变得更高,用户更加注重使用产品过程中的体验感,电子钢琴学习难度高,学习周期长,费用较高、对于新手用户极不友好,导致许多人望而却步,从而导致电子钢琴不是音乐学习的第一选择。因此现有技术出现了虚拟钢琴,即基于虚拟钢琴来实现学校、娱乐等功能,如专利申请号为201720852203.2的一种带钢琴键的双屏手机,涉及智能终端领域,包括手机壳体、主屏幕、物理键、钢琴键、电子墨水屏幕、主板电路和音频装置;所述手机壳体的正面设有所述主屏幕,所述手机壳体的背面设有所述钢琴键和所述电子墨水屏幕;所述钢琴键为导电墨水绘制的钢琴键;所述电子墨水屏幕用于显示乐谱;所述主板电路设有能够感知所述钢琴键的触碰传感器;所述主板电路的信号输入端通过所述触碰传感器与所述钢琴键连接;所述触碰传感器能将获取的触碰信息转换为音频信息;所述音频装置与所述主板电路的信号输出端连接,用于输出所述音频信息;所述物理键可以激活所述主板电路。

2、这种虚拟电子钢琴依赖于专用手机,将钢琴与手机结合在一起,但是其成本仍然较高,需要一台手机的价格,且由于电子钢琴是集成在手机上,因此也会受限于手机尺寸的大小,无法满足真实场景下的钢琴手势学习,费用较高、对于新手用户极不友好,其无法解决现有技术电子钢琴学习成本高的缺陷。因此需要一种成本低、具有教学、学习和娱乐方式的新颖的虚拟电子钢琴演奏方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于超声波的无接触式虚拟电子钢琴演奏方法及系统,通过超声波检测来控制播放电子钢琴音调声音,实现基于超声波的虚拟电子钢琴弹奏,以解决现有电子钢琴学习难度高,学习周期长,费用较高和对新手用户极不友好的技术问题。。

2、为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:一种基于超声波的无接触式虚拟电子钢琴演奏方法,所述方法具体包括如下步骤:

3、s1、使用超声波传感器实时测量其与手部摆动的距离,并将测量结果通过串口发送至mcu主控模块;

4、s2、通过mcu主控模块对超声波传感器测量的数据进行滤波,去除异常值,得到滤波后的数据;

5、s3、根据超声波传感器滤波后的数据计算手动摆动有效距离;

6、s4、基于实际手部摆动习惯设置合适的阈值,将其映射为基本音阶的频率信息;

7、s5、mcu主控模块通过wifi通信模块将音阶频率信息发送至上位机模块,播放上位机相应的音调声音。

8、进一步的,步骤s1中的实时测量其与手部摆动的距离方法具体如下:

9、s11、通过mcu主控模块触发脉冲给超声波传感器,超声波传感器接收到触发脉冲后,发送方波信号,并开始等待回波信号;

10、s12、当手部遮挡超声波传感传输路径时,接收到超声波传感器的回波信号,并将回波信号发送至mcu主控模块,通过mcu主控模块中定时器计算超声波传感器接收回波信号的时间t;

11、s13、根据超声波在空气中的传播速度c(通常是音速,约为340米/秒)和超声波传感器接收回波信号的时间t,计算超声波传感器与手部的距离d。

12、进一步的,步骤s11中的触发超声波传感器方法具体如下:

13、将mcu主控模块为超声波传感器的发送一个20us的高电平触发脉冲信号并延时60ms,以确保超声波传感器发送脉冲信号传播并返回。

14、进一步的,步骤s12中的定时器计算超声波接收回波信号时间方法具体如下:

15、超声波传感器在接收到触发信号后开始发送超声波信号,当超声波信号遇到手部遮挡时,会产生回波信号。通过tim定时器的输入捕获功能来计算超声波回波信号时间。

16、进一步的,步骤s12中输入捕获功能来计算超声波回波信号时间方法具体如下:

17、将tim定时器的输入捕获功能初始设置为上升沿捕获。当超声波传感器受到触发信号后,输出高电平回响信号。tim定时器捕获到高电平回响信号后,将捕获极性设置为下降沿捕获。同时通过hc_data[i][]二维数组记录对应的第i个超声波传感器上升沿到来时定时器的值,记为rising_count;在持续的高电平七键,开始记录定时器溢出中断次数,记为update_time,在第二次捕获中断到来时,记录此时定时器的值,记为falling_count,同时一次定时器更新中断间隔时间记为time。

18、计算超声波回波信号时间t=falling_count+(time-rising_count)+time*update_time。

19、进一步的,步骤s13中计算手部与超声波传感器之间的距离方法具体如下:

20、利用超声波在空气中的传播速度c和超声波回波信号时间t,计算手部与超声波传感器之间的距离d=t*340m/s*0.5。

21、进一步的,步骤s2中超声波传感器测量的数据进行滤波方法具体如下:

22、s21、确定一个合适的间隔时间ti,以此采集手部与超声波传感器之间的距离数据di,将采集到的数据点表示为(t1,d1),...,(ti,di),使用线性拟合算法进行滤波,去除跳跃性较大的数据点;

23、进一步的,步骤s21中线性拟合算法滤波方法具体如下:

24、对采集到的数据点(t1,d1),...,(ti,di),其中ti为时间,di是对应时间点ti手部离超声波传感器的距离值。

25、定义目标函数利用偏导数对目标函数进行求解,求得和的最佳估计值,得到拟合方程y=ax+b,设置阈值,去除与拟合方程偏差较大的数据点。

26、进一步的,步骤s3中计算手部摆动有效距离方法具体如下:

27、对滤波后的数据进行分析,其中手部从按下到抬起是一次完整手部摆动动作。手部摆动距离由远到近的变化是按下动作,选择距离d最短的作为手部按下的谷值dmin;手部摆动距离由近到远变化是抬起动作,选择距离d最长的作为手部抬起的峰值dmax。通过按下的谷值dmin和抬起的峰值dmax,计算出的峰谷的极差作为手部摆动的有效距离di=dmax-dmin;

28、进一步的,步骤s4中设置合适的阈值来映射为基本音阶频率的方法具体如下:

29、基于实际手部摆动习惯,每个超声波传感器都设置为相同的阈值参数,分别为α,β和γ。不同的阈值对应不同音调频率。阈值α范围内对应基本音阶的低音频率;阈值α与β范围内对应基本音阶的中音频率;阈值γ范围外对应基本音阶的高音频率。

30、当手部摆动的距离di在阈值以内时,将输出与阈值对应的音调频率,实现无接触式虚拟电子钢琴演奏。

31、一种基于超声波的无接触式虚拟电子钢琴演奏系统,所述系统包括:

32、hc-sr04超声波传感器模块,使用七个hc-sr04超声波传感器采集数据;

33、stm32f4阿波罗开发板作为mcu主控模块,用于处理分析所述hc-sr04超声波传感器采集的数据和传输;esp8266wifi通信模块,将所述tm32f4阿波罗开发板处理的有效数据传输至上位机;上位机,基于hc-sr04超声波信号计算手部摆动的有效距离,并映射到基本音阶的频率信号来实现无接触式虚拟电子钢琴演奏。

34、本发明的优点在于:(1)本发明是基于超声波的无接触式虚拟电子钢琴演奏,电子钢琴价格偏低、上手难度低、演奏方式新颖独特等特点,可以更加容易地普及到青少年的生活中,为青少年提供一种新的娱乐方式,引导学生从虚拟的游戏世界走向丰富有趣的现实世界,激发学生对音乐学习的兴趣。

35、(2)与传统电子钢琴截然不同的发音原理,对于那些善于发现的学生,能够引发他们对于本作品原理的思考,可以起到科学启蒙的作用。

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