CN100549924C

CN100549924C - 控制装置

Info

Publication number: CN100549924C
Application number: CNB028216296A
Authority: CN
Inventors: 威廉·博尔霍弗
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: US7495655B2; WO2003038587A3; EP1440416A2; DE20117645U1; WO2003038587A2; CN1610921A; US20050052345A1

Abstract

本发明涉及一种具有用于辐射扩散光束(LS)的移动控制部件(F)的控制装置。一个电子处理单元(V)产生一个图形用户界面(VA)，并优选地通过数据连接(K1，K2)与可以显示图形用户界面(VA)的显示单元(D，VD)连接。一个光学接收传感器(S)将所述移动控制部件(F)的扩散光束(LS)的运动方向(B)转换成一个控制信号，该控制信号在所述处理单元(V)中，引起对应于所述扩散光束(LS)运动的、图形控制标记(C)的跟踪，或图形用户界面(VA)和/或其部分和/或位于其中的可视元素(C)的位置的跟踪。

Description

控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于显示板的控制装置。

背景技术

在图像和数据处理中，公开了不同的、用于在一个图形用户界面上进行定位的装置，该图形用户界面可以在一个例如显示器的显示单元、大面积的显示板或者LCD显示器上可视。在实践中采用标准的输入设备，例如具有一个专门用于进行定位的键盘板的键盘、具有一个滚动球的所谓计算机鼠标或者输入设备。其它这类的输入设备例如是游戏杆，即一种在使用中按一个控制杆或者图形板形式的控制部件。

在实践中具有不同形式的定位。一方面，图形用户界面本身、其一部分或者一个例如强烈放大的片段可以在显示单元上进行移动。如果整个可以显示的区域大于显示单元的显示面积，则经常出现这种问题。此外，在例如使用一个计算机系统时总是需要将图形的控制标记重新定位。该控制标记经常称为光标、插入标记或者鼠标指示，并显示这样的位置，即在该位置上可以例如通过触发数据输入来引起变动。

在上述输入设备中，例如通过按键的确认或者在x-，y-空间方向进行滚动扫描，产生用来按机械方式引起位置变动的控制信号。这些控制信号被传送到一个处理单元，该处理单元由此在显示单元上对应地对例如一个控制标记的位置进行改变。这种功能的前提是，各输入设备在该处理系统中系统地登记并被激活。

此外，至少习惯上需要，将这种输入设备上的或者连同该输入设备的运动与由此引起的在显示单元上的位置变动在空间上解耦合地进行。这样，例如当一个PC鼠标在一个界面上移动时，有关的位置变化出现在一个显示器上。通常，待控制的输入设备和显示单元不是同时处于操作人员的视野中。

DE 19880483公开了一种用于计算机的输入装置。此外，DE 19861129涉及了一种对应的方法，用于借助于一个输入装置对具有图形用户界面的计算机进行调整。

在此，将一个在计算机上运行的应用程序的用户界面显示在显示器上，并借助于一台投影仪额外地投影到一个显示区域(例如银幕)上。由此，可以由多个人察看其内容。借助于按激光指示器形式的发送装置可以将成束的光束指向该显示区域。借助于出现的光斑模拟了鼠标指示器，并可以激活显示在这些投影面积位置上的、可以控制的图形用户界面的内容。

为了进行激活，在银幕的背后放置一个由具有光学系统的CCD传感器组成的图像拍摄装置，该装置的采集区域至少包括整个银幕。一个控制电路通过CCD传感器按行和列的方式进行求值，精确地采集所出现光斑的x、y位置。由此，产生了一种电信号并将其传送至计算机，该信号表示了在采集区域中的该光束投射在银幕上的位置以及出现的光斑移动的距离和方向。由此，模拟了异步鼠标指示器的定位结果并使得可以激活在采集区域中的对象。

不过，这种模拟鼠标指示器的方式具有这样的缺点，即，一个光斑本身对于在银幕上采集其位置和对应于一个图像用户界面投影到该位置的可控对象来说采用了独立光标的特性。该光斑与在所属计算机的显示器上显示的、并例如借助于一个计算机鼠标进行管理的光标不是同步的。因此，由不同光标触发的动作会影响在计算机中执行的应用程序。这样一种装置在工业领域中，例如在对生产设备控制的维护中，出于可靠性技术的原因是不可以使用的。

由DE 19880483和DE 19861129公开的装置的另一个缺点在于，需要一个具有采集区域的图像拍摄装置，该采集区域完全覆盖例如一个大显示屏的显示区域。为此，必须将该图像拍摄装置设置在离银幕以及其上待采集的光点之前或之后足够远的距离上。因为一个光点的xy坐标位置和其移动是绝对参照采集区域的尺寸采集的，所以还需要相对于显示屏面对图像拍摄装置进行校准。该图像拍摄装置在校正之后不能再被移动。

另外一个缺点在于，银幕表面必须反射所出现的光点，因为否则的话不能通过操作人员进行导航和定位。但是，对于显示屏，表面反射是不希望的。因此，由DE 19880483和DE 19861129公开的装置可以例如在采用银幕时用作显示区域，但不可以用于TFT显示屏。此外，发送装置必须产生一种清晰的、良好可见的光点，以便操作人员进行定位。为此，尤其是对于大的显示屏，必须在发送装置中采用激光发射。但是，这样必须遵守安全规定。

DE 4336677和DE 19757674公开了用于在一图形界面上定位对象的输入装置。在此，在空间中采集光点的位置，并将该光点的运动转换成对象的一种对应运动。

DE 433 6677公开的装置是用于，在具有图形用户界面的系统中确定空间位置和输入控制信息。为此，该装置拥有至少一个具有光源的、可以由用户操作的输入设备，一个设置在系统用户界面附近的摄像机，和一个在输入设备中的、用于采集在对准用户界面的轴向加速度的加速度传感器。该装置一方面可以确定输入设备的空间位置，以便由此影响在用户界面上对光标的控制。在使用加速度传感器的条件下，不仅可以采集垂直于该界面的运动，而且该加速度传感器还可以用来将用户的操作，例如选择对象或者进行程序状态的变换，在摄像机上提示出。

DE 19757674公开了一种用于位置采集装置和遥控器的装置。该装置的任务是，将在一个接收单元的显示屏上显示的光标的位置，通过一个发送单元的两维或者三维的定位进行遥控。该公知装置的另一个任务是，通过操纵在该发送单元上的一个EIN/AUS开关选择一种功能。由发送单元的一个光源块发射的光通过第一光学块辐射。一个接收单元通过传感器块中的第二光学块接收来自发射单元的光。一个识别块根据传感器块的输出信号采集该光的强度。一个控制块计算出发送单元的两维或者三维位置，并将该位置作为光标位置显示在显示屏上。

这些由DE 4336677以及DE 19757674公开的输入装置具有这样的缺点，即，为了能够采集光点的运动，发出该光点的光源必须明显地移动。为此，在一个手持光源的情况下，通常要求必须移动整条手臂。这里“来自手腕”的光源移动是不可能的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种输入装置，其中，用户可以按特别简单的方式在一个图形用户界面上引起部件(尤其是光标)的位置变动，并触发操作。

上述技术问题是通过一种按照权利要求1的控制装置来解决的。本发明的控制装置的优选结构在从属权利要求中描述。

用于显示板的按照本发明的控制装置包括：一个具有用于辐射扩散光束的装置的移动控制部件。一个具有至少一个数据连接的电子处理单元，产生至少一个例如应用程序的图形用户界面。通过至少一个与所述处理单元的一个数据连接相连的显示单元，使该图形用户界面可视。一个光学接收传感器与所述处理单元的一个数据连接相连，并将所述移动控制部件扩散光束的运动方向转换成一个控制信号，该控制信号在通过一个数据连接传送之后，在所述处理单元中引起对应于所述扩散光束运动的、对图形用户界面和/或其部分和/或位于其中的可视元素的位置的跟踪。

在本发明中，将“扩散光束”视为例如圆锥形光发射，其在一个平面的面积上的投影图像具有尽可能细致分布的强度起伏。在此，该强度起伏可以具有例如一种可以与材料模式相媲美的细致的“组织”，并且是接近自由分布的。该投影图像可以例如具有任意形式明和暗区域的接近自由的分布。例如，该“扩散光束”可以通过例如借助于一个散射片对光源进行不规则的散射来产生。为此，该散射片的表面例如可以按照许多方式，例如通过涂漆来覆盖上一种半透明的漆，即一种不规则的涂层等，或者通过一种研磨的表面处理变得粗糙。即，该“扩散光束”的投影图像应该具有一种“大理石化”的结构，并尽可能大面积地遮盖各图形用户界面。

本发明的控制装置具有这样的特殊优点，即，移动光学接收传感器不需要在空间上确定地对应于显示单元的显示面积大小。尤其是不用保持在显示单元和接收传感器之间的距离深度。因此，可以将接收传感器放置在移动控制部件光束散射区域中的任何位置，例如直接置于作为显示单元的银幕的下方，或者例如放在作为显示单元的显示器的机壳的上部。由此，接收传感器可以基本上设置在与显示单元相同的平面上，并设置在其前或其旁或其上部。

此外，在本发明中不需要根据显示单元的空间位置对接收传感器进行校准，因为引起的是用户界面或者用户界面上可视元素相对于移动后对象的原始位置的位置变化。因此，移动光学接收传感器可以随时移动和设置在另一个地点。

另外，例如为了为用户定向和显示所选择位置的反馈，本发明不需要对光束的反射。而是将发生位置变化的对象本身作为可视标记。

如果发生位置变化的对象是一个光标或者插入标记，则这点特别具有优势。系统的实际的、已经定位的光标是该可视标记。由此，相对于该光标位置的错误输入是不可能的，因为该位置由计算机本身确定。计算机可以监视光标运动的速度并对其进行处理。因为在本发明中的系统光标几乎被跟踪，所采用的光学控制部件也可以发送不可见的光，例如红外辐射。此外，在本发明中不需要小面积的、即清晰的光点，从而特别地不再被迫使用有可能伤及人员的激光辐射。

附图说明

下面对照附图借助于优选的实施方式对本发明作进一步的说明。图中，

图1表示本发明的一种优选的实施方式，其中，本发明的光学控制部件的光源输出一个“扩散光束”，并且光学接收传感器示例性地设置在一个大面积的显示单元下，

图2表示本发明的第二优选实施方式，其中，通过散射一个激光光束产生所述扩散光束，

图3表示本发明的一种优选的应用，其中，在显示单元上给出一幅技术设备的、可以控制的过程图像，而光学控制装置除了对控制标记进行定位之外还能够在该过程图像中激活功能。

具体实施方式

图1示出了本发明的一种优选的实施方式，其中，光学控制部件F的光源LQ输出一个扩散光束LS。该扩散光束的投影图像在大面积显示单元D的平面上形成例如一个不均匀的光场LFD。该光场至少这样大，使得可以遮盖例如设置在显示单元D(如一个大银幕)下面的光学接收传感器S。

本发明的控制装置具有一个电子处理单元V，该单元按照数据技术额外地产生至少例如应用程序的图形用户界面以及在必要时产生可以自由定位的图形控制标记。在图1的例子中，产生了一个图形用户界面VA和一个光标形式的控制标记C，而且同时输出在显示板D和处理单元V的本地显示器VD上。为此，处理单元通过一个优选为总线形式的数据连接K1与显示单元D相连。移动光学接收传感器S与处理单元V通过另一个数据连接K2相连。数据连接K1，K2也可以综合到共同的总线中。

在图1的例子中，本发明的控制装置的移动控制部件F由人P手持。他通过操纵在控制部件F头部的按键T1激活光源LQ，并由此触发扩散光束LS的发射。该扩散光束朝向用作显示单元D的大面积显示板。该扩散光束LS作为投影图像产生一个不均匀的光场LFD，该光场具有位于其表面上的、明和暗区域的优选为细致点形式的分布。通过控制部件F的适当摆动，该不均匀光场可以在所选择的空间方向B上移动。因此，根据本发明可以在同一空间方向上跟踪在显示板D上的显示内容VA。

下面，在对图形控制标记C(特别是一个光标或者鼠标指示器)进行定位的例子中，对这点进行详细的解释。为此，操作者P利用移动控制部件F指向银幕D的方向。在按压和保持按键T1之后可以将光标C在银幕D上相应地移动。如果他将控制部件向右移动，则光标C在银幕D上也向右移动。如果他将控制部件向下移动，则光标C在银幕D上也向下移动。如果到达了希望的位置，则将按键T1松开。操作者P可以通过另一个按键T2进行输入。在此，按键T1，T2的安排以及通过对它们操纵可以激活的输入可能性可以这样设置，使得这些按键仍然可以与计算机鼠标的按键以及与左右鼠标键的设置相比拟。

为了实现上述功能，本发明的控制装置具有一个优选的移动光学接收传感器S，该光学接收传感器在空间上放置在显示单元D的附近。在图1的例子中，将其设置在显示板D的下面。对于本发明，显示单元和接收传感器之间不需要特别的空间关系。由此，接收传感器可以特别优选地放置在操作人员所预期的视线方向上。在此，该所预期的视线方向虽然按常规是与操作人员朝向显示单元的视线方向重合，但也不必一定如此。

光学接收传感器S对移动控制部件F的扩散光束LS的运动方向B和从中产生的光场LFD的不均匀模式的运动方向B进行求值，并将其转换为一个控制信号。该控制信号通过一个数据连接K1，K2被传送至处理单元V。该处理单元又引起在显示板上对应于扩散光束LS的运动跟踪显示内容的位置，即，图形用户界面和/或其部分和/或位于其中的可视元素(例如光标C)的位置的跟踪。

在图1的例子中，也可以将光学接收传感器S置于电子处理单元的本地显示器VD的机壳上。如果操作者P将控制部件F对准该显示器，则可以按照相同方式进行上述的位置变动。如果根据情况操作者的当前视线方向主要是朝向显示器VD的，则这样做具有特别的优势。

本发明的控制装置的一个特别的优点在于，不需要将移动控制部件系统地与各个待控制的显示单元连接。既不需要一种直接的数据技术连接，也不需要在处理单元中对移动控制部件进行逻辑上的登录，例如在运行装置的意义上。而是可以根据本发明利用一个移动控制部件对任意的显示单元进行控制，只要是该显示单元装备了一个相应的光学接收传感器。在一种简单的应用情况中，可以例如使用一个具有一对应散射片的、市场上常见的“激光指向装置”作为移动控制部件。本发明控制装置的移动控制部件优选地具有手持设备，特别是一个遥控器的形式。这使得用户可以接近“指向”所属显示单元的方向。为此，在最简单的情况下使用任意的、其投影的光锥体具有平面空间上分布的强度起伏的发射源，例如一种具有相应反射体或者散射片的手电筒。

与现有技术中的输入设备相比，本发明的控制装置具有这样特别的优点，即，可以按照人机工程学的方式进行控制。如果可以利用一个独立于位置的控制部件(例如手持设备)指向银幕，然后可以直接在银幕上进行可见的变动，特别是对光标位置的改变，则在实践上操作者感觉特别舒适。利用一个遥控器形式的装置进行指示和移动，比通过鼠标、键盘或游戏杆输入位置变化更简单。本发明的控制装置特别的特征在于，利用其移动控制部件不必瞄准在图形控制装置中的特定部位，而是该移动控制部件接近定向在光学接收传感器上就已经足够了，这又有助于操作的舒适。

本发明的控制装置的另一个优点在于，不需要例如滚动球、键盘或者鼠标的机械部件。另外，也不需要例如桌面、鼠标垫或者绘图板的衬底。

图2示出了本发明的另一个优选实施方式，其中，通过一个激光SL产生扩散光束LS和由该扩散光束引起的按“扩散光场”形式的投影图像LP。在此，该激光产生一个激光光束LS，该光束通过一个对应的散射透镜SL在投影平面FL上产生一种例如“点模式”。控制部件F中的光源LA这样产生的投影作为一个光点模式映射在位于内部的表面上。如果控制部件F移动和由此光源LA移动，则该光点模式也移动。在例如为CCD图像传感器或者横向效应二极管(Lateraleffektdiode)的接收传感器中光敏表面可以对光点模式的运动方向B进行求值，并计算出一个用于跟踪光标C的相应控制信号。

图3示出了本发明的一种优选的应用，其中，在显示单元上输出一幅例如技术设备的、可以控制的过程图像，而光学控制装置除了对控制标记进行定位之外还能够在该过程图像中激活功能。

技术设备越来越借助于数字的、可编程的装置进行控制，这些装置多数时候也可以构成一种自动化系统或者可以成为自动化系统的一个部件。在此，将技术设备理解为所有种类的技术装备和系统，它们既可以是单个的设备又可以是通过一条现场总线按数据技术相互联网的设备。这样，将技术设备理解为例如在一个工业应用框架中的单个运行装置，例如传动、处理机器。但是，也将整个的生产设备视为一个技术设备，其中，除了其它之外利用本地分配的运行装置实施一个整体的技术过程，例如在化学装备、生产装备或者处理装备中。

为引导技术设备所采用的可编程装置统称为HMI设备，其中HMI是“人机接口”概念的缩写。此外，将这种设备类别称为用于“操作和观测”技术设备(简称为“B+B设备”)已经变得常见了。这些通常位于实际用于直接控制技术设备的设备之前的设备，具有越来越多的功能。HMI的概念被理解为上位概念，并且包括了所有属于该设备组的部件，例如经常也简称为“OP”的“操作面板”。HMI设备具有越来越多的功能，并例如在一个联网的自动化系统取得这样的功能，该功能通常可以视为对待控制的技术设备的数据进行预处理和后处理。由此，不仅为一个附加的中央控制装置(例如一个存储器可编程控制器)减轻了负担。而且通过一个HMI设备使得可以显著地改善操作人员进行操作的舒适度和质量，即，特别是改善对待操作的装置的一览以及操作的不出错。

图3示例性地示出了一个HMI设备。在此，电子处理单元V用来控制一个没有详细示出的技术设备。该处理单元例如按一个执行至少一个针对设备的控制程序的计算机V形式实施。该控制程序产生至少一个可以控制的过程图像VA，该图像可以通过一个用作显示单元的显示器VD输出。具有显示单元VD的处理单元V可以放置在技术设备的观测站(Warte)中的一个中心位置。为了简化操作，在图3中示出的HMI系统具有另一个显示单元D。该显示单元可以离开中心设置在技术设备的一个选定的位置上，以便例如机器的操作者可以在现场对技术设备的状态施加影响。该另一个显示单元D可以例如是一个操作面板，其通过一个优选实现为现场总线连接的数据连接K1与处理单元V连接。在显示单元D上输出与显示器VD上相同的过程图像VA。借助于本发明可以按照人机工程学的方式对显示单元D进行控制。在此，与常规的操作面板不同，除了其它之外还可以完全放弃在显示单元上的分离控制键。另外，显示单元D可以具有一个与常规操作面板相比显著加大的显示面积。

为了进行控制操作人员将光学控制器F对准显示单元D。由该光学控制器发出的光束LS由于其散射的原因也覆盖了在图3的例子中设置在显示单元D下面的光学接收传感器S。控制器F例如按一个具有两个功能键T1，T2的遥控器的方式实施。在头部的光源LQ优选具有红外LED。

如果操作人员按压功能键T1，则从光源LQ发送出红外光束LS。接收传感器S采集光束LS，并通过数据连接K2首先将一个信号“功能键T1被按压”送至计算机V。控制器F的移动同样被接收传感器S识别，并例如作为信息“功能键T1被按压，光标移动了Δx/y”传送到计算机V。计算机V则对应于所采集的、控制器F的相对移动在显示单元D上跟踪光标C。

可以使光标C在显示单元D上定位和跟踪速度的精度取决于光束LS的运动速度。较慢的运动造成光标C较慢的和由此更精确的定位，而较快的运动引起光标C较快的、但不精确的跟踪和由此的定位。如果按照本发明的方式跟踪光标C到了所希望的位置上，则操作者可以松开按键T1。通常光标C此时处于过程图像VA的一个可以触发功能的位置上。为了触发该功能操作者可以操纵按键T2。由此，同样接通光源LQ，其中将信息“按键T2被按压”另外调制到红外光束LS中。这样，计算机V可以启动所属的功能。光学控制单元F也可以具有其它的功能按键，这些按键可以对应于例如可编程的操作。

Claims

1.一种显示板(D)的控制装置，包括：

a.具有用于辐射扩散光束(LS)的装置(LQ，LA，T1)的移动控制部件(F)，

b.电子处理单元(V)，该单元按照数据技术在一个图形用户界面(VA)上产生一个可以自由定位的图形控制标记(C)，

c.显示单元(VD)，所述图形用户界面(VA)和图形控制标记(C)可同时显示在该显示单元(VD)和该显示板(D)上，以及

d.光学接收传感器(S)，该传感器将所述移动控制部件(F)的扩散光束(LS)的运动方向(B)转换成一个控制信号，该控制信号在所述处理单元(V)中，引起在所述显示单元(VD)和显示板(D)上对应于所述扩散光束(LS)的运动跟踪图形控制标记(C)，其中，该接收传感器设置在与显示单元相同的平面上。

2.一种显示板(D)的控制装置，包括：

a.具有用于辐射扩散光束(LS)的装置(LQ，LA，T1)的移动控制部件(F)；

b.电子处理单元(V)，该单元

i.产生至少一个图形用户界面(VA)，并

ii.具有至少一个数据连接(K1，K2)；

c.至少一个显示单元(VD)，该显示单元(VD)或该显示板(D)

i.与所述处理单元(V)的一个数据连接(K1，K2)连接，并

ii.使一个图形用户界面(VA)可视；

d.光学接收传感器(S)，该传感器

i.与所述处理单元(V)的一个数据连接(K1，K2)连接，并

ii.将所述移动控制部件(F)的扩散光束(LS)的运动方向(B)转换成一个控制信号，该控制信号在通过一个数据连接(K1，K2)传送之后，在所述处理单元(V)中引起在所述显示单元(VD)和显示板(D)上对应于所述扩散光束(LS)的运动跟踪图形用户界面(VA)和/或其部分和/或位于其中的可视元素(C)的位置，其中，该接收传感器设置在与显示单元相同的平面上。

3.根据权利要求1所述的显示板(D)的控制装置，其中，所述光学接收传感器(S)是移动的。

4.根据权利要求1或3所述的控制装置，其中，所述移动控制部件(F)的装置产生一个散射的激光束(LS)作为扩散光束。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其中，所述控制装置具有一个带有散射元件的激光指向装置作为移动控制部件(F)。

6.根据权利要求1或3所述的控制装置，其中，所述控制装置具有一个手电筒作为移动控制部件(F)。

7.根据权利要求1或3所述的控制装置，其中，所述移动控制部件(F)的装置产生一个处于红外线范围内的扩散光束(LS)。

8.根据上述权利要求1或3所述的控制装置，其中，所述移动控制部件(F)具有手持设备的形式。

9.根据权利要求2所述的显示板(D)的控制装置，其中，所述光学接收传感器(S)是移动的。

10.根据权利要求2或9中所述的控制装置，其中，所述移动控制部件(F)的装置产生一个散射的激光束(LS)作为扩散光束。

11.根据权利要求10所述的控制装置，其中，所述控制装置具有一个带有散射元件的激光指向装置作为移动控制部件(F)。

12.根据权利要求2或9所述的控制装置，其中，所述控制装置具有一个手电筒作为移动控制部件(F)。

13.根据权利要求2或9所述的控制装置，其中，所述移动控制部件(F)的装置产生一个处于红外线范围内的扩散光束(LS)。

14.根据上述权利要求2或9所述的控制装置，其中，所述移动控制部件(F)具有手持设备的形式。