具备数学建模功能的智能触控教具

1.本技术涉及教具技术领域，特别涉及具备数学建模功能的智能触控教具。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本技术相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在数学教学之中，为了直观教学，教师常需要在黑板上绘制几何图形或函数曲线，由于教师绘制水平的差距以及图形或曲线复杂，常导致绘制结果无法达到教学预期，图形效果较差，不能起到很好的教学效果。
4.根据绘制需要考虑现有的触控设备，现有的触控屏无法达到预期，其受尺寸限制较大，设备较为精密、娇贵，不能适应黑板附近的密粉尘环境，容易损坏，长期使用又容易损坏表面屏幕，教师使用起来有心里负担，触控方式单一误差较大，导致针对图形绘制的触控适应性较差，容易在连续触控过程中出现断点、触控位置偏差、触控力度不好把握等问题。


技术实现要素：

5.本技术为了解决上述问题提出了具备数学建模功能的智能触控教具，利用投影仪投影幕布克服屏幕易损坏的问题，多种触控识别方式提高对图形轨迹的识别精度，提高图形绘制效果和绘制效率，提升教学质量。
6.本技术提供了具备数学建模功能的智能触控教具，包括：显示屏幕和电子触控笔；显示屏幕，包括安装框架，所述安装框架顶部和一侧分别设置有投影仪和控制箱，安装框架内腔前部铺满设置有显像幕布，所述投影仪的投影部倾斜朝向显像幕布，所述控制箱底部活动设置有交互小屏，安装框架内腔侧壁相对于显像幕布前部设置有主识别单元，所述主识别单元包括对称设置于安装框架四条边框上的红外识别条，安装框架的后部末端侧壁上设置有位移机构，所述位移机构的移动部前侧端面设置有与显像幕布紧贴设置的书写支撑板；电子触控笔，包括笔杆本体，所述笔杆本体顶部设置有第二无线通讯模块，其上部外周设置有包括多个操作按键的按钮部，其下部末端设置有触发部，笔杆本体内部嵌设有分控制器；所述控制箱内设置有主控制器和第一无线通讯模块，所述主控制器与投影仪、主识别单元、位移机构电连接，并与电子触控笔无线连接。
7.优选地，所述安装框架的四条边框的内侧壁上由前至后开设有第一安装槽和第二安装槽，所述红外识别条设置于所述第一安装槽，所述红外识别条包括沿第一安装槽延伸方向均匀分布的若干红外对射式传感器，所述第二安装槽内设置有直线位移导轨，所述直线位移导轨的安装滑块靠近显像幕布的一侧设置有第一精准识别单元，所述第一精准识别单元包括延伸方向与红外识别条平行的一排红外对射式传感器，第一精准识别单元中红外对射式传感器的间距小于红外识别条中的红外对射式传感器间距。
8.优选地，所述安装滑块上相对于第一精准识别单元前侧还设有辅助激光灯条。
9.优选地，所述位移机构包括设置于后部侧壁上的横向导轨，所述横向导轨的滑块
前部设置有纵向导轨，所述书写支撑板设置于纵向导轨的滑块上，横向导轨中轴线与安装框架的上下边框平行，纵向导轨中轴线与安装框架的左右边框平行。
10.优选地，所述书写支撑板前部端面中心处嵌设有精准触控单元，所述精准触控单元为声波触控单元或压力触控单元中的任意一种，书写支撑板前部端面相对于精准触控单元外周环设有示廓灯带，所述精准触控单元、示廓灯带与主控制器电连接。
11.优选地，所述纵向导轨的滑块一侧设置有伸缩插头，所述滑块内部设有,辅助控制器、蓄电池、第三无线通讯模块，所述辅助控制器与精准触控单元、示廓灯带电连接且与主控制器无线连接，所述安装框架的内腔一侧设置有与伸缩插头适配的充电插座。
12.优选地所述电子触控笔的触发部包括设于笔杆本体底部的精准触发部和设于精准触发部上部的主触发部，所述精准触发部为通过镂空连接架连接于笔杆本体底部的球体，所述主触发部为环设于笔杆本体外周的凸环，所述精准触发部、主触发部之间的垂直间距与红外识别条、第一精准识别单元之间的间距适配。
13.优选地所述电子触控笔的按钮部还设有与分控制器电连接的用户识别装置和指示激光发射器。
14.优选地，所述控制器上部署设置有控制模块、轨迹生成模块、轨迹校正模块、对比库；所述轨迹生成模块用于接收主识别单元的红外识别条、第一精准识别单元、精准触控单元的识别信号，实时生成轨迹线条并发送至控制模块和轨迹校正模块；所述轨迹校正模块实时接收轨迹线条并将同一描绘进程的轨迹线条组合成动态图像与对比库中的模板图像集中的元素进行相似度比较和比例运算，将相似度大于预设值的模板图像按相似度从高到低的顺序排列组合成联想集，将联想集和比例信息发送至控制模块，所述联想集根据轨迹线条的变化动态变化；所述控制模块实时接收轨迹生成模块发送的轨迹线条和轨迹校正模块发送的联想集，控制投影仪投影轨迹线条以及按比例信息投影联想集中的第一个元素，用户通过电子触控笔上的操作按键开启、结束描绘近程，并进行联想集的选中、投影下一个、忽略操作。
15.优选地，所述对比库中还设置有根据用户识别信息划分的用户历史中间轨迹集，用户历史中间轨迹集中的轨迹元素与模板图像集中的元素一一对应，用户通过电子触控笔上的用户识别装置上传用户识别信息，控制模块接收用户识别信息并传输至轨迹校正模块，轨迹校正模块根据用户识别信息选择相应用户历史中间轨迹集，轨迹校正模块将轨迹线条组合成的动态图像与相应用户历史中间轨迹集中的元素进行相似度比较，进而与对比库中的模板图像集中的元素进行相似度比较；所述投影仪投影的轨迹线条和联想集时使用不同的线型样式。
16.与现有技术相比，本技术的有益效果为：
17.(1)本技术通过主识别单元的红外识别条电子触控笔的轨迹，再通过投影仪投射于显像幕布，规避了触控屏设备的尺寸限制，也避免了对触控屏表面容易损坏划伤、设备容易受粉尘影响损坏等问题，也规避了教师使用时的心里负担，提高了本技术的使用效率，同时，通过位移机构带动支撑板自动跟随电子触控笔的轨迹周期性移动，避免弹性显像幕布影响用户的绘制，提高了用户体验。
18.(2)本技术通过主识别单元的第一精准识别单元和书写支撑板上的精准触控单元对电子触控笔的轨迹进行多类型、多冗余的精准识别，便于用户绘制复杂图形部分或标注
文字等精细操作轨迹的精准识别，避免了单种识别模式造成的识别误差，提高了图形绘制的效率，第一精准识别单元可在描绘近程开启时时自动开启，也可由用户通过电子触控笔上的操作按键主动开启，精准触控单元需用户通过电子触控笔上的操作按键主动开启。
19.(3)本技术通过电子触控笔上的用户识别装置识别用户信息，根据用户的历史轨迹识别信息对不同用户进行精准识别，提高了本技术联想识别的准确率和速度，进一步提高了图形绘制的速度和用户体验。
20.(4)本技术通过主识别单元上的辅助激光灯条在电子触控笔的笔触处投射网格状的激光辅助线，辅助用户绘制图形。
附图说明
21.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
22.图1是本技术一种实施例的显示屏幕整体结构示意图，
23.图2是本技术一种实施例的显示屏幕局部放大图a，
24.图3是本技术一种实施例的显示屏幕爆炸图，
25.图4是本技术一种实施例的显示屏幕局部放大图b，
26.图5是本技术一种实施例的主识别单元局部放大图，
27.图6是本技术一种实施例的显示屏幕位移机构结构示意图，
28.图7是本技术一种实施例的电子触控笔结构示意图，
29.图8是本技术一种实施例的电子触控笔局部放大图，
30.图9是本技术一种实施例的系统结构示意图。
31.图中：
32.1、安装框架，2、投影仪，3、显像幕布，4、控制箱，5、伸缩机构，6、转动机构，7、交互小屏，8、位移机构，9、书写支撑板，10、伸缩插头，11、主识别单元，21、笔杆本体，22、用户识别装置，23、操作按键，24、指示激光器，25、橡胶套，26、第二无线通讯模块，27、报警灯，28、主触发部，29、精准触发部，210、镂空连接架，81、横向导轨，82、纵向导轨，83、导向承重轨，91、示廓灯带，92、精准触控单元，101、控制模块，102、第一无线通讯模块，103、轨迹生成模块，104、轨迹校正模块，105、对比库，111、红外识别条，112、直线位移导轨，113、安装滑块，114、第一精准识别单元，115辅助激光灯条。
具体实施方式：
33.下面结合附图与实施例对本技术作进一步说明。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解
为对本公开的限制。
36.如图1至图9所示，本技术提供了具备数学建模功能的智能触控教具，包括显示屏幕和电子触控笔，所述显示屏幕包括安装框架1，所述安装框架1顶部和一侧分别设置有投影仪2和控制箱4，安装框架1内腔前部铺满设置有显像幕布3，所述投影仪2的投影部倾斜朝向显像幕布3，所述控制箱4底部活动设置有交互小屏7，安装框架1内腔侧壁相对于显像幕布3前部设置有主识别单元11，所述主识别单元11包括对称设置于安装框架1四条边框上的红外识别条111，安装框架1的后部末端侧壁上设置有位移机构8，所述位移机构8的移动部前侧端面设置有与显像幕布3紧贴设置的书写支撑板9。
37.所述电子触控笔包括笔杆本体21，所述笔杆本体21顶部设置有第二无线通讯模块26，其上部外周设置有包括多个操作按键23的按钮部，其下部末端设置有触发部，笔杆本体21内部嵌设有分控制器和电池组件，所述电池组件用户电子触控笔上各元件的供电，笔杆本体21上部外周还环设有报警灯27，所述操作按键23包括开关按键、图形调整按键(放大、缩小、旋转、移动等)、基点选择按键、描绘进程开启结束按键、橡皮擦按键以及其他功能按键，基点选择按键即选择图形调整的基点，橡皮擦即删除已经生成投影的轨迹，开启橡皮擦功能后沿要删除的轨迹移动即可将其删除，描绘进程开启指开启对电子触控笔的识别以及生成并投影轨迹图像，描绘进程结束则结束对电子触控笔的识别以及生成并投影轨迹图像。
38.所述控制箱4内设置有主控制器和第一无线通讯模块102，所述主控制器与投影仪2、主识别单元11、交互小屏7、位移机构8电连接，并与电子触控笔通过第一无线通讯模块102、第二无线通讯模块26无线连接。
39.用户手持电子触控笔在显像幕布3上绘制图形，所述主识别单元11上的红外识别条111对电子触控笔的触发部进行识别，识别其位置信息上传主控制器，所述主控制器根据主识别单元11的识别信息实时生成电子触控笔的轨迹信息，并通过投影仪2将轨迹图像投影于显像幕布3的相应位置。
40.所述交互小屏7用于显示用户操作信息，比如电子触控笔的按键操作信息以及联想集中的模板图像等，以辅助用户图像绘制，具体地，所述控制箱4底部嵌设有与主控制器电连接的伸缩机构5，所述伸缩机构5的伸缩轴末端旋转套设有转动机构6，所述交互小屏7的顶部固接于转动机构6的转动轴的底部末端，所述伸缩机构5、转动机构6与主控制器电连接，用户可通过电子触控笔上的操作按键23连接主控制器进而调整交互小屏7的高度和角度。
41.所述书写支撑板9用于辅助支撑用户进行图形绘制，具体地，当用户通过电子触控笔上的操作按键23开启描绘近程时，主控制器接收到电子触控笔的信号，控制主识别单元11开启进入识别状态，用户手持电子触控笔抵触显像幕布3，所述位移机构8带动书写支撑板9移动至显像幕布3后侧与电子触控笔对应的位置，书写支撑板9的中心位置与电子触控笔的触发部对齐，当书写支撑板9到位后，主控制器通知电子触控笔和交互小屏7，电子触控笔上的分控制器控制报警灯27闪亮(比如闪绿光)以通知用户，同时交互小屏7也显示书写支撑板9到位信息以提醒用户，用户开始通过电子触控笔模拟图形绘制，当电子触控笔移动至书写支撑板9的边缘位置时，主控制器通过电子触控笔的报警灯27和交互小屏7通知用户，并控制位移机构8带动书写支撑板9位移，使书写支撑板9的中心位置与电子触控笔的实
时位置对齐，位移机构8带动书写支撑板9跟随电子触控笔的笔触按上述步骤位移，直至用户通过电子触控笔的操作按键23结束描绘近程。
42.值得注意的是，当书写支撑板9位移过程中抵触安装框架1的某一条边框时，则位移机构8对应于此方向上的位移驱动停止，除上述自动跟踪方式外，用户也可通过操作按键23主动调整书写支撑板9的位置。
43.具体地，所述位移机构8包括设置于安装框架1后部侧壁上的横向导轨81，所述横向导轨81的滑块前部设置有纵向导轨82，所述书写支撑板9设置于纵向导轨82的滑块上，横向导轨81中轴线与安装框架1的上下边框平行，纵向导轨82中轴线与安装框架1的左右边框平行，优选地，所述安装框架1后部侧壁相对于横向导轨81两侧设置有与横向导轨平行的导向承重轨83，所述书写支撑板9的底部滑动嵌设于所述导向承重轨83。
44.具体地，所述安装框架1的四条边框的内侧壁上由前至后开设有第一安装槽和第二安装槽，所述红外识别条111设置于所述第一安装槽，所述红外识别条111包括沿第一安装槽延伸方向均匀分布的若干红外对射式传感器，两个相对边框上的红外对射式传感器一一对应，所述第二安装槽内设置有直线位移导轨112，所述直线位移导轨112的安装滑块113靠近显像幕布3的一侧设置有第一精准识别单元114，所述第一精准识别单元114包括延伸方向与红外识别条111平行的一排红外对射式传感器，第一精准识别单元114中红外对射式传感器的间距小于红外识别条111中的红外对射式传感器间距。
45.两条对称边框中的红外识别条111的红外对射式传感器一一对应，一侧负责发射，一侧负责接收，当对应位置的红外对射式传感器发出的红外线被电子触控笔的触发部阻挡，未被对应的红外对射式传感器接收，即可确定其横向或纵向坐标，四条边框上的红外识别条111结合即可确定电子触控笔的具体坐标，第一精准识别单元114也是同样原理，不再赘述；两个对称边框的直线位移导轨112带动相应第一精准识别单元114同步运动，跟随电子触控笔的触发部移动，对电子触控笔的轨迹进行精准识别。
46.优选地，所述安装滑块113上相对于第一精准识别单元114前侧还设有辅助激光灯条115，所述辅助激光灯条115包括若干均匀分布的激光发射头，激光发射方向与其安装的边框垂直，四条边框上的辅助激光灯条115发射的辅助激光组合形成网格状的辅助坐标网，便于辅助用户进行图形绘制，用户可通过电子触控笔上的操作按键23开启或关闭辅助激光灯条115。
47.所述第一精准识别单元114和辅助激光灯条115构成近似重合的精准识别区和辅助坐标网区，为了便于电子触控笔的精准识别和辅助坐标网的相对固定，在电子触控笔的笔触移动至精准识别区和辅助坐标网区边缘时，直线位移导轨112再带动安装滑块113移动跟随电子触控笔的笔触。
48.优选地，所述书写支撑板9前部端面中心处嵌设有精准触控单元92，所述精准触控单元92为声波触控单元或压力触控单元中的任意一种，书写支撑板9前部端面相对于精准触控单元92外周环设有示廓灯带91，所述精准触控单元92、示廓灯带91与主控制器电连接，所述精准触控单元92、示廓灯带91的前部端面与书写支撑板9的前部端面平齐，以避免阻碍电子触控笔的移动，所述示廓灯带91用于显示精准触控单元92的位置，所述声波触控单元或压力触控单元为现有触控设备常用组件比如表面声波屏和电阻屏，此处不再赘述。
49.当需要使用精准触控单元92时，主控制器控制示廓灯带91开启以便用户直观准确
的观察到精准触控单元92的边界，示廓灯带91、位移机构8、精准触控单元92同样受电子触控笔的操作按键控制，以便于用户根据需要调整精准触控单元92的位置以及及时关闭示廓灯带91避免示廓灯带91闪亮影响教学。
50.所述第一精准识别单元114和书写支撑板9上的精准触控单元92对电子触控笔的轨迹进行多类型、多冗余的精准识别，便于用户绘制复杂图形部分或标注文字等精细操作轨迹的精准识别，避免了单种识别模式造成的识别误差，提高了图形绘制的效率，第一精准识别单元114可在描绘近程开启时自动开启，也可由用户通过电子触控笔上的操作按键23主动开启，精准触控单元92需用户通过电子触控笔上的操作按键23主动开启。
51.所述纵向导轨82的滑块一侧设置有伸缩插头10，所述滑块内部设有辅助控制器、蓄电池、第三无线通讯模块，所述辅助控制器与精准触控单元92、示廓灯带91电连接且辅助控制器通过第三无线通讯模块与主控制器无线连接，所述安装框架1的内腔一侧设置有与伸缩插头10适配的充电插座，所述蓄电池用于辅助控制器、第三无线通讯模块、精准触控单元92、示廓灯带91、伸缩插头10的供电，蓄电池和第三无线通讯模块便于解决在二维移动的滑块上接线的问题，当不使用本技术时，位移机构8带动本技术移动至相应位置，伸缩插头10的伸缩组件带动其伸缩轴前端的充电头与充电插座插接配合，以对蓄电池充电。
52.所述电子触控笔的触发部包括设于笔杆本体21底部的精准触发部29和设于精准触发部29上部的主触发部28，所述精准触发部29为通过镂空连接架210连接于笔杆本体21底部的球体，所述主触发部28为环设于笔杆本体21外周的凸环，所述精准触发部29、主触发部28之间的垂直间距与红外识别条111、第一精准识别单元114之间的间距适配，所述笔杆本体21上还设有便于用户握持的橡胶套25。
53.所述精准触发部29、主触发部28分别与红外识别条111、第一精准识别单元114适配，用于触发红外对射式传感器，所述镂空连接架210便于辅助辅助激光灯条115发出的辅助激光穿过电子触控笔，避免被其阻挡干扰。
54.所述电子触控笔的按钮部还设有与分控制器电连接的用户识别装置22和指示激光发射器24，所述用户识别装置22用户识别用户信息，所述指示激光发射器24用于用户对图形进行讲解时使用。
55.具体地，所述控制器上部署设置有控制模块101、轨迹生成模块103、轨迹校正模块104、对比库105。
56.所述轨迹生成模块103用于接收主识别单元11的红外识别条111、第一精准识别单元114、精准触控单元92的识别信号，实时生成轨迹线条并发送至控制模块101和轨迹校正模块104。
57.所述轨迹校正模块104实时接收轨迹线条并将同一描绘进程的轨迹线条组合成动态图像与对比库105中的模板图像集中的元素进行相似度比较和比例运算，将相似度大于预设值的模板图像按相似度从高到低的顺序排列组合成联想集，将联想集和比例信息发送至控制模块101，所述联想集根据轨迹线条的变化动态变化。
58.所述控制模块101实时接收轨迹生成模块103发送的轨迹线条和轨迹校正模块104发送的联想集，控制投影仪2投影轨迹线条以及按比例信息投影联想集中的第一个元素，用户通过电子触控笔上的操作按键23开启、结束描绘近程，并进行联想集的选中、投影下一个、忽略等操作。
59.所述对比库105中还设置有根据用户识别信息划分的用户历史中间轨迹集，用户历史中间轨迹集中的轨迹元素与模板图像集中的元素一一对应，用户通过电子触控笔上的用户识别装置22上传用户识别信息，控制模块101接收用户识别信息并传输至轨迹校正模块104，轨迹校正模块104根据用户识别信息选择相应用户历史中间轨迹集，轨迹校正模块104将轨迹线条组合成的动态图像与相应用户历史中间轨迹集中的元素也进行相似度比较，进而加快与对比库105中的模板图像集中的元素进行相似度比较。
60.优选地，所述投影仪2投影的轨迹线条和联想集时使用不同的线型样式。
61.优选地，控制模块101在投影联想集时，同时将联想集中的各个图像通过交互小屏7列表展示，以便于用户直接选取。
62.所述控制模块101将用户对联想集的选择加入对比库105，生成并更新相应用户的用户历史中间轨迹集。
63.本技术的具体使用方法如下：
64.s1：用户开启电子触控笔，并通过操作按键23开启描绘进程；
65.s2：主控制器接收分控制器的描绘进程开启信号，开启主识别单元11以及精准触控单元92，位移导轨8带动书写支撑板9移动至电子触控笔的位置，并跟随电子触控笔移动；
66.s3：用户通过电子触控笔模拟图像绘制，主识别单元11以及精准触控单元92识别电子触控笔的轨迹并发送至主控制器，主控制器实时接收主识别单元11以及精准触控单元92的识别信号实时生成轨迹线条和联想集，并控制投影仪2将轨迹线条和联想集投影于显像幕布3，主控制器同时实时接收电子触控笔的操作按键23传输的针对图形轨迹的操作信号，并根据操作信号调整投影的图像轨迹；
67.s4：用户通过电子触控笔的操作按键关闭描绘进程，主控制器接收分控制器的描绘进程关闭信号，关闭主识别单元11以及精准触控单元92。
68.所述步骤s3中，针对图形轨迹的操作信号包括图形调整信号和橡皮擦按键传输的线条删除信号。
69.所述主控制器为计算机设备，所述分控制器、辅助控制器为单片机，所述伸缩机构4、伸缩组件为电缸，所述旋转机构6为电机。
70.以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
71.上述虽然结合附图对本技术的具体实施方式进行了描述，但并非对本技术保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本技术的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本技术的保护范围以内。