CN101689079B - 用于产生表示肢体位置或位置变化的信号的传感器装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器装置以及一种方法，用于产生表示肢体空间位置和/或肢体位移的电信号，特别是用户的手相对于传感器装置的空间位置和/或位移。所述电信号可以在数据处理设备、通讯设备和其他电子设备中用于执行输入操作。本发明的技术问题是，找到以有利的方式产生表示肢体的位置和/或位移的信号的方法。该技术问题是通过用于产生电信号的传感器装置解决的，该电信号表示相对于参考范围的肢体位置或位移。所述传感器装置包括：发射电极装置；电压发生器，用于在发射电极上施加交流电压；第一接收电极装置；第二接收电极装置和第三接收电极装置。第一、第二和第三接收电极装置都与高阻分接系统相连接。优选地，第一、第二和第三接收电极装置每个都被连接到阻抗变换器系统的高阻输入端，其中，根据施加在各个阻抗变换器的输出端之间的电气事件的差别，来获得表示位置或者位移的信息。

Description

用于产生表示肢体位置或位置变化的信号的传感器装置及方法

技术领域

本发明涉及一种传感器装置及一种方法，用于产生表示肢体空间位置和/或肢体位移的电信号、特别是表示用户的手相对于传感器装置的空间位置和/或位移的电信号。所述电信号可以在数据处理设备、通讯设备和其他电子设备中被用于执行输入操作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供如下的技术方案：通过其能以有利的方式产生表示肢体位置和/或位移的信号。

按照本发明，上述技术问题是通过一种用于产生电信号的传感器装置解决的，该电信号表示相对于参考范围的肢体位置或位移。所述传感器装置包括发射电极装置、电压发生器(用于在发射电极上施加交流电压)、第一接收器电极装置、第二接收器电极装置和第三接收器电极装置，其中，所述第一、第二和第三接收器电极装置都分别被连接到分接系统(Abgriffssystem)。

优选地，第一、第二和第三接收器电极装置分别都被连接到阻抗变换器系统的高阻输入端，其中，根据施加在各个阻抗变换器上的输出端之间的电气事件的差别，来获得表示位置或位移的信息。

可以从由接收电极所量取的电平中构成和信号(Summensignal)，所述和信号反映了施加在接收电极上的电压之和。可以将该和信号利用预定的放大系数标准化，并且提供给各个阻抗变换器系统的比较输器入端。

优选地设置有同步检波器系统，所述同步检波器系统关于在各个阻抗变换器系统上的输出信号的同步、特别是关于相对激励电压的电平和/或相位提供表示信号。根据在各个同步检波器输出端上出现的电气事件之间的差，可以获得表示位置或位移的信息。

根据本发明的优选实施例，所述接收电极被对称地设置在发射电极装置的周围。发生器(微控制器)优选地给发射电极提供交流电压，以便在发射电极周围形成电场、优选为准静态(quasistatisch)电场。接收电极优选对称地围绕发射电极设置。

在接收电极上施加的电压包含了关于发射电极的电场分布的信息。

接收电极被连接到阻抗变换器的高阻输入端，从而不干扰发射电极的电场。从阻抗变换器之后的各个信号中产生一个平均值(Mittelwert)。该平均值可以被放大。借助于同步检波器可以从放大后的信号中获得振幅，进一步经过ADC数字化，并传输给微控制器用于分析。也可以使用二极管整流器或者峰值检波器来取代同步检波器。

按本发明的传感器装置尤其可以捕捉手势、位移或者手的位置。优选地，包括测量电极的至少大部分传感器电子器件是以紧凑的、类似芯片的形式设计的。通过这种方式实现了传感技术的特别具有优势的应用。

附图说明

从下列结合附图的描述中给出本发明的其它细节和特征。其中：

图1示出了用于说明按照本发明的传感器装置的基本结构的框图；

图2示出了用于说明输入电路结构的电路图；

图3示出了用于说明发射和接收电极装置的示例性结构的示意图；

图4示出了用于说明按照本发明的输出电路的电路图；

图5示出了用于借助XY平面视图说明按照本发明的分析原理的坐标系；

图6示出了用于进一步说明按照本发明的分析原理的坐标系的空间视图；

图7示出了用于说明按照本发明计算的标准矢量的透视图；

图8示出了具有基于本发明概念定位的光标点的网格系统；

图9示出了用于说明测量值的空间关系的第一图解(Diagramm)；

图10示出了用于说明测量值的空间关系的第二图解；

图11示出了用于说明测量值的空间关系的第三图解；

图12示出了用于说明测量值的空间关系的第四图解；

图13示出了用于说明等位线变化的图解。

具体实施方式

图1以框图形式描述了按照本发明的传感器装置的优选电路结构。

本发明所述的传感器装置优选地包括三个测量电极K1、K2、K3。在此，与两电极的原理相比，形成了更均匀的电场。

为了依据距离实现响应的线性化，优选地进行了对数化(例如通过二极管)。优选地，同步地采集模拟信号，例如借助MSP430微控制器(F2012)的快速ADC。按照有利的方式，可以将一个到Ident USB模块的直接接口(Anschluss)集成在按照本发明的模块中，以便连接到PC上。

在根据图1的电路图中，为发生器(微控制器)的发射电极提供交流电压并且在其周围形成电场。接收电极K1、K2、K3围绕发射电极G对称地分布，接收电极上的电压包含关于发射电极G的电场分布的信息。接收电极K1、K2和K3上的电压(ac)施加到阻抗变换器I1、I2、I3的通道1、2和3上。为了不干扰电场，接收电极K1、K2、K3被连接到阻抗变换器I1、I2、I3的高阻输入端。

从阻抗变换器之后的信号中形成一个平均值。此外，对于每个通道，其信号与该平均值的差都被放大：ΔK1、ΔK2和ΔK3。平均值同样也被放大。

借助同步检波器，从放大后的信号中获得振幅并且进一步通过ADC数字化，并传输给微处理器用于分析。可以使用例如二极管整流器或者峰值检波器等来取代同步检波器，或者作为替代，可由ADC直接将交流电压数字化。

微处理器提供已分析或部分已分析的结果，尤其是提取X、Y和必要时的Z信息，用以进一步处理。

图2示出了按照本发明的输入电路的优选实施例。图2示出的输入电路构成3个通道。每个通道都有一个接收电极(标记为EL1至EL3)并且装有MOSFET。该电路设被计成差分放大器

不过包括大于2个的通道(在本例中为3个通道)。所有三个晶体管Q1、Q2和Q3一起与电源连接(通过T1实现)。信号在晶体管的漏极被接收：每个通道都有一个自己的输出端O_S1至O_S3。此外，还有一个输出端(O_S0)。该输出端示出了3个输入信号之和并且来自射极跟随器T2。

MOSFET在其源极有电阻，以便平衡晶体管的不同特征曲线。

图3中描绘了电极K1、K2、K3的几何位置。由该图可见，大的区域(GND1)位于中间，该大区域将整个电路的所有器件同外界电场屏蔽开来。电极以相互120°角对称地分布，并且由此形成一个三角形。

信号GND1相对于地面来说不是恒定的：它例如随着约100kHz的载频震荡。GND1的震荡幅值约为5伏特峰-峰值。这些震荡将在电路的第二部分中产生。

由信号GND1产生的电场将被人干扰，即，由人的手或者人的腿与地面造成短路。电场在手伸出的方向上迅速减少。这种电场的减少又反映在电极K1、K2、K3的电信号上，并且反映在电路的输出端上。

将电路设计成差分放大器的想法，实现了：在由GND1信号产生的电场不被影响的无干扰的状况下，出于对称理由，每个电极具有相同的电位和相同的交流电场振幅。该交流电场振幅约有1至2伏特，并且当人把手靠近电路时，相对该电平变化很小。通过该差分输入电路极其强烈地衰减同相位的输入信号，在输出端仅显现出电极信号之间的差别。这些差别被视为可以继续被放大的小信号。

在图4示出了按照本发明的电路，利用该电路可实现对数压缩。在该电路中，电极上的输出信号被进一步放大，将该信号借助控制器中的模拟/数字转换器数字化，并且从控制器通过UART接口传输到PC上。控制器同时产生载波频率并且实现对单个信号的同步探测。

输入电路的输出信号(O_S0至O_S3)到达输入端口I_S0至I_S3。通道S0(和信号)的放大是线性地通过约为7(T7-2、T9-1、T9-2)的系数实现。电极信号S1至S3通过对数化特征曲线被放大。放大器的电路技术实施的区别仅在于反馈耦合(电阻性或者用二极管)，基本放大器

本身优选地被同样实施。

基本放大器由3个晶体管组成，其放大率约为40dB。通过这种相对大的放大率，尽管存在晶体管偏差(Transistorstreuung)，所有通道和六边形电路彼此之间的特性都保持极其一致。

参照通道S3来举例说明放大器的工作原理。晶体管T1-1和T2-2被连接为射极跟随器，并且被用于调节输入电阻或者输出电阻。晶体管T2-1是放大器，其放大率实际上是通过在射极电阻上的电压下降来确定的。也就是说，放大率实际上依赖于电源电压。在使用约9.5V的电源电压的条件下，将产生约40dB的放大率。

通过对于通道S1至S3采用对数化，可以补偿信号对距离的强烈非线性依赖。也就是说，来自远处目标的小信号将被比出现在电路附近的大信号更强地放大。由此，对于整个电路得到更平坦的传输曲线。对于和信号S0，在线性放大的条件下产生更好的结果。

晶体管Q1、T3和T4周围的电路用于产生GND1信号。输出电压V+(输出端OUT_V+)相对于GND1恒定并且约为9.5伏特，其中，两个电压同时对地(在我们的情况下为GND)以约5伏特的峰-峰值向内阶跃或向外阶跃(根据控制器的输出)。这些阶跃借助约为100kHz的载波频率实现。该频率与每个通道的采样频率同步，由此来保证通道输入的同步化和同步探测。

与PC的连接是通过TX导线实现的，举例来说可以连接到由申请人发明的Ident USB模块上。因为控制器也相对GND1工作，所以输出信号必须相对于地是有相对性的。这是通过电流反射镜(Stromspiegle)实现的，其设置在晶体管T6的周围。

MSP430F2012被作为微处理器使用。其具有16MHZ的时钟频率，并且可以每秒钟将直到超过200k样本数字化，这点十分适用于我们的同步模块。

布线图

按照本发明的输入电路和输出电路优选地分别被设计成自已的(六边形)电路板(Leiterplatte)。优选地，GND1、V+、S0至S3的接点(Kontakt)在几何形状上是这样实施的：LP可以彼此重叠地设置并且通过直的导线段互相传导。

两块电路板的布线图已被证明是重要的。优选地，如下地进行调整：一方面，测量电极相对于电场处于相同的条件下；而另外一方面，所有通道的总放大率是一致的并且基本上不受寄生电容的干扰。

按照特别有利的方式可以满足上述的要求，方法是：

1.电极必须被按照120°对称地放置；

2.LP拥有像电极一样的对称性，从而不干扰LP上的电场。也就是说，为三角形，六角形等等直到圆形；

3.相对GND0恒定的信号(GND0，+20V)将尽可能地被测量电极屏蔽，使得这些信号与用户的信号相同。

数据分析/软件

特别地，验证了两种用于分析测量数据的功能显著的方案(Ansatz)。其中，第一方法将借助后面的参考表描述倾斜平面的电场近似值以及坐标计算。下面通过图5、6和7描述了倾斜平面的电场近似值的方法。

倾斜平面的电场近似值

这种分析是基于关于如下的相对粗糙的模型：六边形周围的电场如何受到人的影响。所述方法需要相对少的计算量并且特别适用于更简单的应用，例如确定到达方向或者粗略的触摸功能。该方法中最大的不精确性出现在紧靠六边形的附近。

该模型引入了3个坐标轴：在电极平面中的X和Y，信号轴S(见图5和6)。

在图5中，用1、2、3来标记电极。电极所在的三角形的边是2L。六边形给电极1至3的输出信号用S1至S3标记，并且示出在信号轴上(见图6)。

在(x，y，z)空间中的这3个点定义了一个平面，该平面相对于具有最小信号的电极来说斜率最大。利用对电场干扰物(也就是人手)的方向来确定该平面斜率的方向；当干扰物更靠近电极时，该平面的斜率增加。

借助于分析几何，关于干扰物方向和距离的定量陈述将大大地变得可信。为此，将用于该平面的方程的形式表示为

x+by+cS+d＝0

其中，标准矢量为 $\stackrel{\→}{n}=(1,b,c)$ (见图5)。通过在等式中加入电极值并且求解线性系统，得到标准矢量的参数

$c=-\frac{2L}{S_1-S_2},b=-\frac{S_1+S_2-2S_3}{\sqrt{3}(S_1-S_2)}$

从该参数中，就可以得到未知的方向值

和距离值R(由斜率β表示)(见图7)。

$R=R_0\frac{2\mathrm{\β}}{\mathrm{\π}},\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\left(\frac{c}{\sqrt{1+b^2}}\right)$

于是，干扰物的坐标作为R和

成为已知。

在明确对于手的位置时，坐标并不十分靠近六边形(除了不同手指对于拳头/手的位置的不确定性)。所计算的手移动方向并不始终与实际的运动方向相一致。

借助下列参考表计算坐标(第二方案)

将借助图8解释这种分析方法。这种方案使得可以用硬件和软件来测试。该方法基于已有表格，该表格中所有通道的数据都摆在“台面”上。所述数据通过测量获得(学习)。所述测量在多个正方形设置的等距点上进行。一种具有2cm×2cm和2cm步长的网格(见图8)，已被证明是可行的。在此，在网格的每个交点都可以得到测量值并且记录在表格中(作为供后面使用的数据存储)，一共有121个点(用i和j标记)。

例如在这种情况下，存储的数据具有2cm的空间分辨率。这种相对粗糙的分辨率可以通过内插得到改善。已经表明，通过内插可以按照大约倍数(Faktor)8提高分辨率。

优选地，在每一步按照倍数2进行内插。为了要获得平滑的曲线，将数据依据原始值和左侧与右侧的导数进行内插。在原始值相对导数的相对权重为8比1时，出现好的结果。

对于每个通道，所测量的数据可以作为曲面

在(x，y，S)空间里显示(图9至图12)。内插使得该曲面“光滑(glatt)”，并且还在测量数据之间获得合理的值。利用位于25mm厚桌面下的六边形记录所示出的测量数据。探测到的手位移在下面伸出的食指的情况下被记录。

坐标确定的原则为，每个由六边形所采集的手的位置在通道值上占有其单独的数据值。其任务仅仅是，在存储表格中找到合适的单元格，对于该单元格来说，所测量的值和所存储的值是一致的。

为了更进一步接近任务的解决方案，人们可以从理解“等位线”出发：对于每个新测量的值都存在一条边界(x，y)曲线，在该曲线上相应(x，y，S)曲面取得该值，即等位线。这样的等位线也显示在图9至图12中。于是，正确的单元格(坐标)是如下的：所有4条等位线都与其相交。

在实际的测量中可能会出现下列难点：

·手的位置不总是与学习中使用的位置一致；

·学习者和用户不一定具有相同的手，

·电子器件的噪声和偏移使得不能够始终正确获取与“学习时得到的”一样的值，等等。

所有这些难点都会导致等位线不再在同一个点相交。除此之外，当距离六边形较近时，例如它设置在薄塑料板后面(d＜10mm)时，(x，y，S)面将更加复杂，等位线分裂成多个封闭曲线，这就产生了多交点的可能性。

因为人们不能以等位线的单个交点为出发点，软件计算等位线之间的距离。如果所有4条等位线的距离都小于确定的门限值，就计算出坐标。

用S＝f(x，y)来描述通道的(x，y，S)曲面的形状。为了计算具有值f1的通道k的等位线与单元格之间的距离，在该位置上通道n的等位线消失了(因为通道k具有值f₂)，使用公式

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{r}\≈\frac{f_1-f_2}{\stackrel{\→}{\▿}f}$

梯度值

的简单估算可以通过涉及的单元格的顶点的函数值求得：

$\stackrel{\→}{\▿}\≈\frac{f_{\max }-f_{\min }}{a}$

其中，f_max和f_min是单元格内f的最大值和最小值，a是单元格页。这样就可以如下计算距离：

$\left|\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{r}\right|\≈\frac{|f_1-f_2|}{f_{\max }-f_{\min }}\·a$

在每个所有的4个通道

都小于门限值(目前为4a)的单元格中，形成加权系数：

$w_{i,j}=\frac{1}{\underset{k=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{r}\right|}^2},$

其中，求和是在所有通道之上进行的。

作为所有选出的单元格的加权和来定义手指的坐标：

$x=\frac{\mathrm{\Σ}{w}_{i,j}\·i}{\mathrm{\Σ}{w}_{i,j}},$

$y=\frac{\mathrm{\Σ}{w}_{i,j}\·j}{\mathrm{\Σ}{w}_{i,j}}.$

其中，表达式∑w_i，j可以被视为是用于计算精度的指标。

在图12中说明了上面给出的操作方法。图中示出的是瞬间记录，其中包括4条等位曲线(S0：洋红色，S1：红色，S2：绿色，S3：青色)。黄色标出了与其它3条通道的距离小于4a的、等位线上的单元格。黑色标出了与其它3条通道距离小于2a的单元格。蓝色圆位于计算出的坐标(x、y)上。

该分析方法也用来确定手指的Z位置。

为了确定Z位置，在台面上还有至少一个平面的学习是必须进行的。所述学习通过适当厚度的垫板来进行。在实验中，一块约2cm厚的垫板被置于台面上。学习后在两个测量位置之间进行线性内插。由此产生用于多个Z层的数据。

始终使用软件计算所有层的手指坐标。将表达式∑w_i，j作为标准，用来选择被示出的“有效(aktiv)”层并且由此的Z确定，对于每个层分别形成该表达式。它代表了在每个层上用于计算精度的指标。其中该表达式值最大(也就是说各等位线相互挨得最近处)的层就被用作“有效”层。于是，手指的Z坐标就是该有效层的高度。

结果显示，Z坐标实际上可以是被定义在六边形的附近。这种方法的缺点是，不总是得到正确的Z，并且在有效层的转换过程中在(x，y)坐标上会产生相对高的跳跃。总的来说可以确定的是，该方法能特别可靠地获取手势特定的位移范围内用户手的空间位移。特别是在应用中，用户能依据显示出来的坐标(例如在屏幕上)相应地调整其手臂的位置(例如鼠标功能)。

将上述的方程混合使用也是有可能的。进一步可能的是，为了补偿传输错误和测量错误，可以使用旧的、有效的数据来替代在可靠数值范围外的数值。

$y\left(t\right)=x(t-1)\&ForAll;\left\{\begin{array}{c}x<x_{\min }\\ x<x_{\max }\end{array}\right.$

另外，可以使用(滑动的)中值滤波器。在任意时间窗口内连续的测量值中选出位于中间的值(中值)。通过这种方法滤波掉偏离平均值很远的值。

y(t)＝median(x(t-a)，x(t-a+1)，...，x(t-1)，x(t))

也有可能，计算得出(滑动的)平均值。通过这种方法，在任意确定的时间窗口内连续测量值中形成平均值(算术平均值)。

y(t)＝Mittelwert(x(t-a)，x(t-a+1)，...，x(t-1)，x(t))

优选地还进行校准。在校准过程中，进一步处理被第二次滤波的测量值。校准的目标是，区分由探测范围内的肢体(手)的移动造成的信号变化和由环境条件的变化(通电时间、温度等等)造成的信号变化。下列几点又可以再次单独或者混合地实行。

本发明特别适用于实现微型移动通讯设备的输入装置，如本发明申请人发明提交的德国专利申请DE102007016408.6中的输入装置。在此，该先前申请的内容通过对整个范围的引用被并入到本申请中。

Claims (14)

1.一种用于确定肢体的空间位置或位移的传感器装置，所述传感器装置包括：

发射电极；

电压发生器，用于为所述发射电极(G)施加交流电压；

第一接收电极(K1)；

第二接收电极(K2)；和

第三接收电极(K3)；以及

第一、第二和第三阻抗变换器，每个都具有高阻输入端，分别接收来自所述第一、第二和第三接收电极的电压；

平均值电路，与所述第一、第二和第三阻抗变换器的输出端耦合；

第一差分放大器，用于产生所述第一阻抗变换器的输出端和所述平均值电路的输出端之间的差分值；

第二差分放大器，用于产生所述第二阻抗变换器的输出端和所述平均值电路的输出端之间的差分值；

第三差分放大器，用于产生所述第三阻抗变换器的输出端和所述平均值电路的输出端之间的差分值。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，根据施加在各个阻抗变换器的输出端之间的电气信号的差别，来获得表示位置或者位移的信息。

3.根据权利要求2所述的传感器装置，其特征在于，分配器划分和信号，以产生平均值。

4.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，还包括一个放大器，用于放大所述平均值电路的输出端。

5.根据权利要求2所述的传感器装置，其特征在于，包括同步检波器，所述同步检波器关于在各个阻抗变换器上的输出信号相对交流电压的同步产生表示信号。

6.根据权利要求5所述的传感器装置，其特征在于，根据施加到各个同步检波器输出端之间的电气信号的差别，来获得表示位置或位移的信息。

7.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述接收电极被对称地设置在所述发射电极周围。

8.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述发射电极由发生器提供交流电压，以便在其周围形成电场。

9.根据权利要求8所述的传感器装置，其特征在于，所述接收电极被对称地围绕所述发射电极设置。

10.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，在所述接收电极上施加的电压包含关于所述发射电极的电场分布的信息。

11.根据权利要求5所述的传感器装置，其特征在于，每个同步检波器关于相对所述交流电压的电平的同步提供表示信号。

12.根据权利要求5所述的传感器装置，其特征在于，每个同步检波器关于相对所述交流电压的相位的同步提供表示信号。

13.根据权利要求5所述的传感器装置，其特征在于，还包括一个ADC，接收所述同步检波器的输出信号，其中所述ADC与微处理器耦合用于分析。

14.一种用于产生电信号的方法，该信号用于说明肢体的位置或者位移，所述方法包括：

在发射电极上施加交流电场，并且通过至少3个与发射电极相邻设置的接收电极接收电压，

将所接收的电压馈入阻抗变换器的高阻输入端；

形成来自所述阻抗变压器的输出信号的平均值；

形成所述平均值和所述各个阻抗变换器的输出信号之间的第一、第一和第三差分信号。

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