CN107168573A - 一种多压电边界排列三维触压感知方法 - Google Patents
一种多压电边界排列三维触压感知方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种多压电边界排列三维触压感知方法，包括如下步骤：建立参考坐标系，确定各个压电片的坐标位置为Pi(xi，yi)，实时获取各个压电片的压力Fi，再计算总触控力F*；根据各个压电片的坐标位置Pi(xi，yi)选取力矩平衡轴，再计算各个力矩平衡轴下的横坐标和纵坐标再对横坐标和纵坐标分别求平均获得触压位置的横坐标x*和纵坐标y*；输出总触控力F*、横坐标x*以及纵坐标y*作为三维触压感知结果。该三维触压感知方法面向准刚性屏或柔性屏，获取作用于触控屏的位置信息和力大小，通过冗余压电片布置，提高可靠性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维触压感知方法，尤其是一种基于多压电边界排列三维触压感知方法。
背景技术
随着触摸屏技术的发展，人机交互的界面更加人性化，通过压电技术实现的3Dtouch技术，适用于各种媒介，可靠性和精确度更高。由于压电屏结构的特殊性以及屏幕透光性要求，可把压力传感器放在屏的周围，但现有技术适合刚性屏幕，一旦某个压电片失效，便无法获取信息，可靠性大大降低。在触控领域中，通过对压电陶瓷片上电压波形上升沿和下降沿的测量获知触点力的变化速度或称为力的加速度信息。多点压电陶瓷作为传感器，但这种技术只适合绝对刚体屏幕，在完美装配情况下的预估，对于位置定位的精度比纯电容式触控屏差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术适合刚性屏幕，一旦某个压电片失效，便无法获取信息，可靠性大大降低。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多压电边界排列三维触压感知方法，包括如下步骤：
步骤1，建立参考坐标系，确定屏幕边界上的各个压电片在参考坐标系中的坐标位置为Pi(xi,yi)，实时获取各个压电片的压力Fi，再计算总触控力K为全部压电片的数目；
步骤2，根据各个压电片在参考坐标系中的坐标位置Pi(xi,yi)选取力矩平衡轴，再结合空间力矩平衡原理计算各个力矩平衡轴下的横坐标和纵坐标m为横向分布的力矩平衡轴数量，n为纵向分布的力矩平衡轴数量，再对横坐标和纵坐标分别求平均获得触压位置的横坐标x*和纵坐标y*；
步骤3，输出总触控力F*、横坐标x*以及纵坐标y*作为三维触压感知结果。
作为本发明的进一步限定方案，步骤2中，各个力矩平衡轴下的力矩平衡公式为：
式中，为压电片力臂矢量，由各个压电片在参考坐标系中的坐标位置Pi(xi,yi)计算获得，为与压电片力臂横向矢量相对应的压电片矢量力，为触压力臂矢量，为与触压力臂矢量相对应的矢量触力，根据该公式可以计算获得触压力臂矢量从而在参考坐标系中推算出各个力矩平衡轴下的横坐标和纵坐标再对横坐标和纵坐标分别求平均获得触压位置的横坐标x*和纵坐标y*。
作为本发明的进一步限定方案，步骤1中，以屏幕的左下底角作为参考坐标系的原点，在屏幕的左纵向边界上设有坐标为P1(x1,y1)、P2(x2,y2)和P3(x3,y3)的三个压电片，在屏幕的右纵向边界上设有坐标为P4(x4,y4)、P5(x5,y5)和P6(x6,y6)的三个压电片；步骤2中，将屏幕的左纵向边界上的三个压电片中心连线作为平衡轴X1，将屏幕的右纵向边界上的三个压电片中心连线作为平衡轴X2，将屏幕的下横向边界上的两个压电片中心连线作为平衡轴Y1，将屏幕的左右边界中间设置的两个压电片中心连线作为平衡轴Y2，将屏幕的上横向边界上的两个压电片中心连线作为平衡轴Y3；
以X1为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，W为左右两纵列压电片的中心间距，δ为压电片中心到所在侧屏幕边界到的距离，∑MX1是指全部静力关于力矩平衡轴X1的力矩，为以X1为力矩平衡轴计算得到的静力水平坐标位置；
以X2为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，∑MX2是指全部静力关于力矩平衡轴X2的力矩，为以X2为力矩平衡轴计算得到的静力水平坐标位置；
对横坐标和求平均获得触压位置的横坐标x*为：
以Y1为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，L是底部和顶部两横列压电片中心间距，∑MY1是指全部静力关于直线Y1的力矩，是指以Y1为轴计算得到的静力纵坐标位置；
以Y2为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，∑MY2是指全部静力关于直线Y2的力矩，是指以Y2为轴计算得到的静力纵坐标位置；
以Y3为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，∑MY3是指全部静力关于直线Y3的力矩，是指以Y3为轴计算得到的静力纵坐标位置；
对纵坐标以及求平均获得触压位置的纵坐标y*为：
本发明的有益效果在于：面向准刚性屏或柔性屏，获取作用于触控屏的位置信息和力大小；通过冗余压电片布置，提高可靠性和准确性；将压电片放置于触摸屏的边框位置，不影响触摸屏工作区的透光特性，结构工艺简单，耗电低，不怕刮擦，抗干扰能力较强。
附图说明
图1为本发明的实施例结构示意图；
图2为本发明的算法流程图；
图3为本发明的分布压电片反作用力和施加力空间分布。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明提供的多压电边界排列三维触压感知方法，包括如下步骤：
步骤1，建立参考坐标系，确定屏幕边界上的各个压电片在参考坐标系中的坐标位置为Pi(xi,yi)，实时获取各个压电片的压力Fi，再计算总触控力K为全部压电片的数目；
步骤2，根据各个压电片在参考坐标系中的坐标位置Pi(xi,yi)选取力矩平衡轴，再结合空间力矩平衡原理计算各个力矩平衡轴下的横坐标和纵坐标m为横向分布的力矩平衡轴数量，n为纵向分布的力矩平衡轴数量，再对横坐标和纵坐标分别求平均获得触压位置的横坐标x*和纵坐标y*；
步骤3，输出总触控力F*、横坐标x*以及纵坐标y*作为三维触压感知结果。
其中，步骤2中，各个力矩平衡轴下的力矩平衡公式为：
式中，为压电片力臂矢量，由各个压电片在参考坐标系中的坐标位置Pi(xi,yi)计算获得，为与压电片力臂横向矢量相对应的压电片矢量力，为触压力臂矢量，为与触压力臂矢量相对应的矢量触力，根据该公式可以计算获得触压力臂矢量从而在参考坐标系中推算出各个力矩平衡轴下的横坐标和纵坐标再对横坐标和纵坐标分别求平均获得触压位置的横坐标x*和纵坐标y*。
如图1所示，作为本发明的一种实施例，以屏幕的左下底角作为参考坐标系的原点，在屏幕的左纵向边界上设有坐标为P1(x1,y1)、P2(x2,y2)和P3(x3,y3)的三个压电片，在屏幕的右纵向边界上设有坐标为P4(x4,y4)、P5(x5,y5)和P6(x6,y6)的三个压电片；步骤2中，将屏幕的左纵向边界上的三个压电片中心连线作为平衡轴X1，将屏幕的右纵向边界上的三个压电片中心连线作为平衡轴X2，将屏幕的下横向边界上的两个压电片中心连线作为平衡轴Y1，将屏幕的左右边界中间设置的两个压电片中心连线作为平衡轴Y2，将屏幕的上横向边界上的两个压电片中心连线作为平衡轴Y3；
触控力F*的大小为：
以X1为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，W为左右两纵列压电片的中心间距，δ为压电片中心到所在侧屏幕边界到的距离，∑MX1是指全部静力关于力矩平衡轴X1的力矩，为以X1为力矩平衡轴计算得到的静力水平坐标位置；
以X2为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，∑MX2是指全部静力关于力矩平衡轴X2的力矩，为以X2为力矩平衡轴计算得到的静力水平坐标位置；
对横坐标和求平均获得触压位置的横坐标x*为：
以Y1为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，L是底部和顶部两横列压电片中心间距，∑MY1是指全部静力关于直线Y1的力矩，是指以Y1为轴计算得到的静力纵坐标位置；
以Y2为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，∑MY2是指全部静力关于直线Y2的力矩，是指以Y2为轴计算得到的静力纵坐标位置；
以Y3为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
式中，∑MY3是指全部静力关于直线Y3的力矩，是指以Y3为轴计算得到的静力纵坐标位置；对纵坐标以及求平均获得触压位置的纵坐标y*为：
如图2所示为本发明的算法流程，其中，K为压电片数目；力臂矢量和相对应的压电片矢量力 力臂矢量和相对应的矢量触力 根据第m个力矩平衡轴算出的位置；x*：平均位置；Tol：定义的误差许可范围，控制精度等级和前期实验测试给出合理数值；y方向的计算方法与x方向相同。
表1数值仿真结果
| 压电片 | Fx | Fy | Fz |
| 1 | 0.28241 | 0.043507 | 0.063668 |
| 2 | 1.5254 | 0.46829 | -0.66001 |
| 3 | 1.1849 | -0.51164 | -0.24876 |
| 4 | 0.038493 | -0.8274 | 0.47315 |
| 5 | -2.1672 | 4.4765 | -6.9171 |
| 6 | -0.86403 | -3.6493 | -2.7109 |
| ∑F | -2.7E-05 | -4.3E-05 | -9.99995 |
说明：Fx和Fy是压电片所受切向力。根据数值仿真结果，可挑选合适的胶水，来连接压电片和屏幕。以x*为例，通过以X1和X2为力矩平衡轴的力矩平衡公式分别计算到69.08和69.84，所以最后得到x*＝69.46，和实际施加的位置69.50误差率为0.58‰。
与现有技术相比，本发明具有的优点为：
(1)采用空间力矩平衡，一个算法可以得到位置和力大小。
(2)压电片跟屏幕直接是个面接触，实际情况中，应力分布不均匀，等效成力的时候，忽略了该影响，通过不同空间轴力矩平衡计算，得到数据平均化，提高精度。
(3)若各个算法下得到的数值相差很大，即可判别若干压电片损坏。
Claims (3)
1.一种多压电边界排列三维触压感知方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立参考坐标系，确定屏幕边界上的各个压电片在参考坐标系中的坐标位置为Pi(xi,yi)，实时获取各个压电片的压力Fi，再计算总触控力K为全部压电片的数目；
步骤2，根据各个压电片在参考坐标系中的坐标位置Pi(xi,yi)选取力矩平衡轴，再结合空间力矩平衡原理计算各个力矩平衡轴下的横坐标和纵坐标m为横向分布的力矩平衡轴数量，n为纵向分布的力矩平衡轴数量，再对横坐标和纵坐标分别求平均获得触压位置的横坐标x*和纵坐标y*；
步骤3，输出总触控力F*、横坐标x*以及纵坐标y*作为三维触压感知结果。
2.根据权利要求1所述的多压电边界排列三维触压感知方法，其特征在于，步骤2中，各个力矩平衡轴下的力矩平衡公式为：
式中，为压电片力臂矢量，由各个压电片在参考坐标系中的坐标位置Pi(xi,yi)计算获得，为与压电片力臂横向矢量相对应的压电片矢量力，为触压力臂矢量，为与触压力臂矢量相对应的矢量触力，根据该公式可以计算获得触压力臂矢量从而在参考坐标系中推算出各个力矩平衡轴下的横坐标和纵坐标再对横坐标和纵坐标分别求平均获得触压位置的横坐标x*和纵坐标y*。
3.根据权利要求1所述的多压电边界排列三维触压感知方法，其特征在于，步骤1中，以屏幕的左下底角作为参考坐标系的原点，在屏幕的左纵向边界上设有坐标为P1(x1,y1)、P2(x2,y2)和P3(x3,y3)的三个压电片，在屏幕的右纵向边界上设有坐标为P4(x4,y4)、P5(x5,y5)和P6(x6,y6)的三个压电片；步骤2中，将屏幕的左纵向边界上的三个压电片中心连线作为平衡轴X1，将屏幕的右纵向边界上的三个压电片中心连线作为平衡轴X2，将屏幕的下横向边界上的两个压电片中心连线作为平衡轴Y1，将屏幕的左右边界中间设置的两个压电片中心连线作为平衡轴Y2，将屏幕的上横向边界上的两个压电片中心连线作为平衡轴Y3；
以X1为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
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式中，W为左右两纵列压电片的中心间距，δ为压电片中心到所在侧屏幕边界到的距离，∑MX1是指全部静力关于力矩平衡轴X1的力矩，为以X1为力矩平衡轴计算得到的静力水平坐标位置；
以X2为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
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式中，∑MX2是指全部静力关于力矩平衡轴X2的力矩，为以X2为力矩平衡轴计算得到的静力水平坐标位置；
对横坐标和求平均获得触压位置的横坐标x*为：
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以Y1为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
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式中，L是底部和顶部两横列压电片中心间距，∑MY1是指全部静力关于直线Y1的力矩，是指以Y1为轴计算得到的静力纵坐标位置；
以Y2为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
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式中，∑MY2是指全部静力关于直线Y2的力矩，是指以Y2为轴计算得到的静力纵坐标位置；
以Y3为力矩平衡轴的力矩平衡公式为：
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式中，∑MY3是指全部静力关于直线Y3的力矩，是指以Y3为轴计算得到的静力纵坐标位置；
对纵坐标以及求平均获得触压位置的纵坐标y*为：
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Denomination of invention: A three-dimensional touch pressure sensing method with multi piezoelectric boundary arrangement Effective date of registration: 20210804 Granted publication date: 20200327 Pledgee: Zijin Branch of Nanjing Bank Co.,Ltd. Pledgor: Nanjing Shunyi Rong Mechanical and Electrical Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2021980007277 |
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Denomination of invention: A three-dimensional touch pressure sensing method for multi-piezoelectric boundary arrangement Effective date of registration: 20220909 Granted publication date: 20200327 Pledgee: Zijin Branch of Nanjing Bank Co.,Ltd. Pledgor: Nanjing Shunyi Rong Mechanical and Electrical Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980014898 |
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