CN115053206A - 用于记录由器具在书写表面上描绘的轨迹的系统 - Google Patents

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CN115053206A
CN115053206A CN202080084246.5A CN202080084246A CN115053206A CN 115053206 A CN115053206 A CN 115053206A CN 202080084246 A CN202080084246 A CN 202080084246A CN 115053206 A CN115053206 A CN 115053206A
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弗兰克·维亚尔
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珍-玛丽·杜普雷拉图尔
特里斯坦·奥森
默娜·雅耶-卡西利亚斯
西蒙·托马斯
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Abstract

本发明涉及一种用于检测路径的系统，包括：器具(3)，该器具包括尖端(4)并配备有磁性物体(6)；用于定位磁性物体(6)的装置(10)，其适于确定书写表面(2)上的估计的参考位置
Figure DDA0003677339910000011
以及矩阵阵列触摸传感器(20)，其适于在N个像素中限定至少部分地包围估计的参考位置
Figure DDA0003677339910000012
的M个像素的集合Spx，以及基于由所述M个像素的集合Spx产生的电信号来检测尖端(4)在书写表面(2)上的接触。

Description

用于记录由器具在书写表面上描绘的轨迹的系统
技术领域
本发明的领域是记录由用户操纵的器具的尖端在书写表面上描绘的轨迹的领域。当尖端与书写表面接触时，轨迹对应尖端的所有连续位置。
背景技术
用于记录器具的尖端、例如触针(stylus)、铅笔的尖端在书写表面上的轨迹的电子系统尤其允许由操纵器具的用户绘制的图画或书写的字迹被数字化。
通常，重要的是能够精确地检测器具的尖端在书写表面上的接触，同时避免或限制对寄生接触(例如用户的拇指的接触或手掌的接触)的检测的影响。关于这方面，文献EP2811383A1描述了一种通过允许跟踪固定到器具上的至少一个磁体的位置的磁力计阵列记录器具在书写介质上的轨迹的系统的示例。这样的系统使得能够不考虑寄生接触。
为了检测尖端对书写表面施加的接触和压力，该轨迹记录系统的器具包括固定到尖端的第一磁铁，该尖端相对于器具的主体是可缩回的，以及固定到主体的第二磁铁。该系统确定两个磁体的位置和/或方向，从中推断出它们的相对间距，然后当该间距小于预定义的阈值时检测尖端在书写表面上的接触。然而，这里有必要使用包括至少两个磁体的特定器具，所述至少两个磁体机械地相互关联。因此不可能使用任何器具。
文献WO2013/057412描述了一种用于记录器具轨迹的系统的另一个示例，这里通过矩阵阵列触摸传感器，例如电容或电阻类型。这种矩阵阵列触摸传感器包括不同像素的矩阵阵列，这些像素由以行和列的形式放置在薄膜两侧的导线交叉形成。基于对由像素发射的电信号幅值的测量来检测器具尖端的接触。
然而，在这样的系统中，与尖端的接触位置的测量相关联的分辨率主要取决于像素的尺寸和排列间距。此外，由于读取矩阵阵列的像素需要时间，这样的系统具有一定的延迟。在该文献中，为了在优化功耗的同时减少这种延迟，仅当在至少一个激活的列上检测到接触时，才执行全局列测量并顺序测量行。这需要允许提供对像素激活的这种控制的合适的电子器件。因此，仍然需要限制功耗，同时减少与像素读出相关的延迟，而不会使所需的电子设备和连接链路复杂化。
此外，文献FR2988872A1描述了一种显示器，该显示器包括用于借助磁力计阵列来定位可移动磁性物体的装置。
发明内容
本发明的目的是至少部分地弥补现有技术的缺陷。为此，本发明的主题是一种用于记录在书写表面上描绘的轨迹的系统，所述系统包括：
о旨在由用户操作的器具，所述器具配备有磁性物体，并包括旨在与书写表面接触以形成待记录的轨迹的尖端；
о定位装置，其包括：
·磁力计阵列，其固定到书写表面上，并且配置为测量由磁性物体发射的磁场；
·电子计算单元，其配置为基于测量的磁场确定代表至少磁性物体的位置的状态向量Xa，并基于状态向量Xa确定书写表面上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000021
根据本发明，该系统包括矩阵阵列触摸传感器，所述矩阵阵列触摸传感器包括：
о由N个不同像素组成的矩阵阵型，这些像素固定到书写表面上，并且每个像素都配置为传递代表尖端在书写表面上的接触的电响应信号；
о电子处理单元，其连接到电子计算单元，并且配置为：限定至少部分地环绕所述估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000022
的M个像素的集合Spx，其中M小于N；向所述集合Spx的M个像素传输电命令信号并接收它们的电响应信号；以及基于由所述M个像素的集合Spx产生的电响应信号检测尖端在书写表面上的接触，并且当检测到接触时，至少根据连续估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000023
存储尖端的连续位置以形成轨迹记录。
以下是用于记录器具的轨迹的该系统的某些优选但非限制性方面。
定位装置可以被配置为基于状态向量Xa确定尖端沿与书写表面正交的轴线的位置Pp,z，将所确定的位置Pp,z与预定义的阈值Pp,z,th进行比较，并且当所述位置Pp,z小于或等于预定义的阈值Pp,z,th时将估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000031
传输到矩阵阵列触摸传感器。
定位装置可以适于在位置Pp,z小于或等于预定义阈值Pp,z,th时启用矩阵阵列触摸传感器，矩阵阵列触摸传感器在相反的情况下保持关闭。
通过沿垂直于书写表面的轴线，将尖端的位置Pp,xy投影在平行于书写表面的平面中，来确定估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000032
定位装置被配置为基于在多个测量时间确定的状态向量Xa来计算磁性物体的速度，并将该速度传输到处理单元，所述处理单元配置为限定具有沿主轴线伸长的轮廓的M个像素的集合Spx，该主轴线平行于速度的轴线。主轴线的长度取决于速度的范数。
矩阵阵列触摸传感器可以是矩阵阵列压力传感器，其配置为确定由尖端施加在所述书写表面上的按压力。
矩阵阵列触摸传感器可以配置为确定所述尖端在书写表面上的接触点的位置Cp|c，根据参考估计位置
Figure BDA0003677339890000033
和尖端的接触点的位置Cp|c来存储尖端的位置以形成轨迹。
状态向量Xa可以通过贝叶斯估计算法或使用优化方法来确定。
本发明还涉及一种借助根据前述特征中任一项所述的系统在书写表面上记录器具的尖端的轨迹的方法，所述方法包括以下步骤：
-由用户操作器具，该器具不与书写表面接触；
-通过磁力计矩阵阵列测量在各个连续测量时间tn由磁性物体发射的磁场；
-基于所测量的磁场的测量结果确定磁性物体的状态向量Xa(tn)；
-基于所确定的状态向量Xa(tn)确定书写表面上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000041
-确定至少部分环绕估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000042
的N个像素(Pxi)的集合Spx(tn)；
-向所述集合Spx(tn)的像素传输电命令信号，并接收电响应信号；
-根据接收到的电响应信号检测尖端在书写表面上的接触，并至少根据连续估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000043
存储尖端的连续位置以形成轨迹的记录。
本发明还涉及一种包括指令的数据存储介质，当这些指令被计算单元执行时，执行根据前述特征的记录轨迹的方法。
附图说明
本发明的其他方面、目的、优点和特征将在阅读以下参照附图以非限制性示例的方式给出的本发明优选实施方式的详细描述时变得更加清楚，其中：
图1是根据一个实施例的用于记录由器具的尖端在书写表面上描绘的轨迹的系统的示意性局部剖视图；
图2是图1所示的轨迹记录系统的示意性局部分解图；
图3是示出根据一个实施例的用于在书写表面上记录由器具的尖端描绘的轨迹的方法的步骤的流程图；
图4A和4B是在两个不同测量时间根据一个实施例的轨迹记录系统的示意性和部分透视图。
具体实施方式
在附图和描述的其余部分中，相同的附图标记已用于表示相同或相似的元件。此外，为了图的清楚起见，未按比例显示各种元件。此外，各种实施例和变体不是相互排斥的并且可以组合在一起。除非另有说明，否则术语“基本上”、“大约”和“约”是指在10％以内，优选在5％以内。此外，除非另有说明，否则术语“包含在……与……之间”及其等价物表示包括限制。
本发明涉及用于记录由器具的尖端在书写表面上描绘的轨迹的系统和方法。轨迹记录系统通常包括：
-配备有磁性物体的器具；
-定位装置，其适于确定磁性物体的位置Pa，并且可选地确定其定向，并确定书写表面上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000051
和
-矩阵阵列触摸传感器，其配置为检测尖端在书写表面上的接触，并有利地测量其承载力。
记录系统还可以包括用于显示如此记录的轨迹的图形界面。它适用于绘图或书写的数字化，甚至适用于图形界面的控制(例如选择和移动图形界面显示的数字对象等)。通过记录由器具的尖端所描绘的轨迹，这意味着确定和存储器具尖端在其与书写表面接触时的连续位置。因此，轨迹记录系统可以检测尖端在书写表面上的第一次接触的初始时间，该初始时间限定了轨迹的开始，以及对应于接触中断并限定了轨迹的结束的结束时间。
器具是旨在由用户操作的物体，例如在其手中。它包括由优选为非磁性材料(例如塑料)制成的刚性结构(主体)，其具有旨在与轨迹记录系统的书写表面接触的尖端。它可能是最广泛意义上的铅笔问题，即钢笔、触针、毡尖、刷子或任何其他书写或绘图工具。尖端是器具的一端，可以是尖的或圆形的、硬的或可变形的。
矩阵阵列触摸传感器被称为“触摸”传感器，因为它适用于检测器具的尖端在书写表面上的接触。此外，据说它是一种“矩阵阵列”传感器，因为它包含像素矩阵阵列，这些像素彼此不同，由放置在行和列中的导电轨道形成。每个像素配置为传递代表器具的尖端在书写表面上的可能的接触的电响应信号。矩阵阵列触摸传感器可以是电容式或电阻式的，例如压阻式。更广泛地说，矩阵阵列触摸传感器具有局部变化的参数，该参数取决于尖端在书写表面上的接触，并且可选地取决于施加的承载力。该参数可以是电容、电阻、电压等。
图1和2分别是根据一个实施例的用于记录器具3的轨迹的系统1的示意性的和局部的剖视图和分解图。在该示例中，器具3是触针，其尖端4旨在与书写表面2接触。此外，矩阵阵列触摸传感器20是电阻式矩阵阵列压力传感器，其然后被配置为除了检测尖端4与书写表面2的接触外，还可以测量尖端4的承载力(也称为按压力)。
书写表面2可以是下面详细描述的矩阵阵列触摸传感器20的保护层的表面。它也可以是放置在矩阵阵列触摸传感器20的承载表面上的附加元件的表面，该元件被配置为将由触针3的尖端4施加的压力传递到矩阵阵列触摸传感器20。这样的元素可以是，例如，一张或更多张纸。
这里定义正交三维直接坐标系OXYZ并且将在说明书的其余部分中提及，其中X轴和Y轴形成平行于书写表面2的平面，并且其中Z轴朝向器具3定向。在该示例中，原点O位于跟踪磁性物体6的轨迹区域Zs的边界上，但它可以位于轨迹区域Zs中的其他地方，例如在书写表面2的边界上。
器具3配备有磁性物体6(这里是永磁体)，其在此处无自由度地固定到触针3的刚性结构5上。磁性物体6包括具有磁化强度的材料(例如剩磁)，为此定义了磁矩m。它可以是圆柱形永磁体，并且例如是环形永磁体(例如文献WO2014/053526中所示)，或者甚至是电磁体。它也可以是配置为重新发射由磁发生器阵列发射的磁场的转发器。然而，在该示例中，磁性物体6是永磁体。在该示例中，磁性物体6与尖端4不同并且与其相距非零距离L。作为一种变型，它可能就是尖端4。
磁性材料优选地是亚铁磁性的或铁磁性的。即使在没有外部磁场的情况下，它也具有非零自发磁矩。它可以具有高于100A.m-1或500A.m-1的矫顽力，并且磁矩的大小优选地大于0.01A.m2或甚至大于0.1A.m2，例如等于约0.2A.m2。考虑到磁性物体6可以近似为磁偶极子，但也可以使用其他模型。磁性物体6的磁轴被限定为与磁性物体6的磁矩m共线的轴线。优选地，磁轴指向器具的尖端。
如图1所示，磁体6可以放置在距触针3的尖端4的非零距离L处。该距离L是已知的并且不随时间变化。它被限定在代表所用器具3的数字模型中，该模型被存储在定位装置10的存储器13中。因此，关于磁体6在坐标系OXYZ中的位置和定向的知识使得能够推断出触针3的尖端4的位置Pp。在磁体6和尖端4为一体的情况下，不需要确定磁体6的磁矩m的定向。
触针3旨在由用户在轨迹区域Zs中操作。初始触针3不与书写表面2接触，并且与书写表面相距随时间变化的非零值d。随后，用户带动触针3，使得尖端4接触书写表面2。距离d然后为零，矩阵阵列触摸传感器20检测到接触并且有利地检测尖端4施加的压力。接下来，用户在书写表面2上移动触针3的尖端4。尖端4与书写表面2接触的连续位置形成由轨迹记录系统1确定的轨迹。
轨迹记录系统1还包括定位装置10，其配置为确定状态向量Xa，该状态向量表示磁体6在坐标系OXYZ中的位置，以及可选地其定向，然后确定书写表面2上的至少一个估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000071
因此，定位装置10在不同的连续测量时间确定在书写表面2上接触之前或接触期间在书写表面上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000072
该估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000073
优选是尖端4的位置Pp沿Z轴在书写表面2的XY平面上的投影。如果由定位装置10而不是矩阵阵列触摸传感器20来确定，则其被称为是估计的。
通过定位磁体6，意味着以状态向量Xa和可选地其定向的形式确定磁体6在轨迹区域Zs中的位置。此处磁体6的位置Pa对应于磁体6的几何中心坐标，即对应于磁体6的所有点的未加权重心(unweighted barycentre)。此外，磁体6的磁矩m是一个向量，其分量(mx,my,mz)位于真实坐标系OXYZ中。它的范数(也称为大小或幅值)用||m||或m表示。
磁体6旨在在轨迹区域Zs中四处移动。所述轨迹区域是其中定位装置10的至少一个磁力计的信噪比(SNR)高于或等于预定义的阈值的空间。例如，轨迹区域Zs可以是这样的空间，在该空间中，信号(即由磁体6产生并由相应的磁力计测量的磁场的范数或至少一个分量)大于或等于例如20倍的噪声。与每个磁力计相关联的噪声可以等于大约0.2μT。在这种情况下，轨迹区域Zs对应于其中由磁体6产生并由磁力计Mi中的至少一个测量的磁场大于或等于大约6μT的空间区域，这对应于沿穿过所考虑的磁力计Mi的方向轴线的距离dmax约为20cm。更简单地说，轨迹区域Zs可以限定为这样的空间，在该空间中每个点在穿过最近的磁力计Mi的方向轴线上的距离小于或等于最大距离dmax，所述距离例如等于20cm、甚至等于10cm、甚至等于5cm。
定位装置10能够在坐标系OXYZ中在持续时间T的跟踪周期中的不同测量时间测量环境磁场，其中一个贡献是测量由磁体6产生的磁场，然后根据磁力计Mi的测量值估计磁体6的位置，以及可选地其定向。
为此，它包括磁力计阵型Mi，其在此处无自由度地固定到矩阵阵列触摸传感器20的背面。磁力计Mi的数量可以例如大于或等于2，优选地大于或等于16，并且例如等于约25，特别是当它涉及到三轴磁力计的问题时。然而，磁力计阵列Mi包括彼此远离且不成对平行的至少三个测量轴线。磁力计Mi可以以行和列的方式对齐，或者可以以基本上随机的方式相互定位。磁力计Mi的位置是已知的。例如，所述位置可以包括在1cm至10cm之间，例如等于5cm。
磁力计Mi分别具有至少一个测量轴线，例如三个轴线，表示为xi、yi、zi。因此，每个磁力计测量环境磁场Bi的幅值和方向，其中一个贡献是测量由磁体6产生的磁场的幅值和方向。更准确地说，每个磁力计Mi测量环境磁场Bi沿磁力计的轴线xi、yi、zi的正交投影的范数。磁力计Mi的校准参数可以是与磁力计相关联的噪声，这里是大约0.2μT。环境磁场B是指不受任何磁性元件干扰的磁场，尤其是由约50μT的地面贡献Bterr形成，由磁体6产生的磁场Ba覆盖在该磁场上。也可以叠加其他磁贡献，例如与传感器噪声相关联的贡献和与偏移误差相关联的贡献，它们在此处被忽略。
定位装置10还包括计算单元11，该计算单元能够基于磁力计Mi的测量结果确定磁体6在坐标系OXYZ中的位置以及可选地其定向、位置以及在适当的情况下限定状态向量Xa的定向。此外，计算单元11能够确定触针3的尖端4在坐标系OXYZ中的位置Pp。计算单元11还配置为确定书写表面2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000081
并连接到矩阵阵列触摸传感器20的处理单元24，以向其传输该估计位置
Figure BDA0003677339890000082
计算单元11包括书写表面2在坐标系OXYZ中的坐标。因此，在已知知晓尖端的位置Pp和书写表面2在坐标系OXYZ中的坐标，所述计算单元能够确定书写表面2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000083
为此，每个磁力计Mi通过数据总线(未示出)电连接到计算单元11。计算单元11包括能够执行存储在数据存储介质上的指令的可编程处理器12。它还包括存储器13，该存储器包含定位磁体6所需的指令，以及所用器具3的数字模型，使得能够基于状态向量Xa获得触针3的尖端4在坐标系OXYZ中的位置Pp。存储器13还配置为存储在每个测量时间计算的信息。
计算单元11执行数学模型，该数学模型将磁体6在坐标系OXYZ中的位置以及在该示例中其磁矩m的定向和大小与磁力计Mi的测量值相关联。该数学模型是基于电磁方程、尤其是静磁方程构建的，并且特别是通过坐标系OXYZ中的磁力计的位置和定向被参数化。在这里，该模型是非线性的。计算单元11执行算法以估计其解，例如贝叶斯滤波(例如扩展卡尔曼滤波)或优化，或甚至任何其他相同类型的算法。
优选地，为了能够将磁体6近似为磁偶极子，磁体6与每个磁力计Mi之间的距离是磁体6的最大尺寸的2倍，甚至3倍。该尺寸可以小于20厘米，或者甚至小于10厘米，或者实际上小于5厘米。磁体6可以使用偶极模型来建模，尤其是取决于磁体6与阵列的每个磁力计Mi之间的距离。
轨迹记录系统1包括矩阵阵列触摸传感器20，在此是矩阵压力传感器。它配置为基于对施加在该书写表面2上的按压力的大小的测量来检测触针3的尖端4在书写表面2上的接触。
矩阵阵列触摸传感器包括压力检测矩阵阵列，其由对其表面上施加的压力敏感的多个像素Pxi形成。压力检测矩阵阵列在本示例中是电阻型的。这种传感器也称为力感应电阻器(Force-Sensing Resistor)。
它由压阻材料制成的薄膜23形成，即例如由导电聚合物的其局部电阻根据施加的机械应力而变化的材料制成的薄膜形成。薄膜的敏感材料在XY平面上可以是连续的，也可以是像素化的。导电轨道21、22在薄膜23的一侧以行的形式形成并且在相对侧上以列的形式形成。从上方看，像素Pxi由导电轨道21、22的行与列之间的交叉点形成。像素Pxi可以彼此相邻，或者彼此间隔开(如图2所示)。
矩阵阵列压力传感器20包括N个像素Pxi，例如约等于2500。导电轨道21、22可以具有几毫米的宽度，例如2.5mm，使得此处一个像素具有2.5×2.5mm2的面积。像素Pxi是不同的并且在XY平面中彼此间隔开例如大约1mm的距离。与书写表面2接触的触针3的尖端4的直径在此可以是1毫米左右，并且例如为大约1mm至3mm。
矩阵阵列压力传感器20包括处理单元24，该处理单元包括微控制器25和计算单元26，其中，所述微控制器命令和读出压力检测矩阵阵列的各种像素，所述计算单元配置为检测尖端4的接触并根据像素产生的电响应信号确定所施加的按压力的大小。因此，微控制器25配置为向像素中的每个传输电命令信号，并接收电响应信号，电响应信号表示触针3的尖端4在书写表面2上的任何接触，此外在此，表示触针3所施加的按压力的大小。处理单元21包括N个像素Pxi在坐标系OXYZ中的坐标。因此，在已知书写表面2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000101
和坐标系OXYZ中的N个像素Pxi的坐标的情况下，所述处理单元能够确定至少部分包围估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000102
的M个像素的集合Spx，其中M小于N。M优选大于或等于2。
计算单元26根据接收到的电响应信号，检测尖端4是否与书写表面2接触。为此，每个像素产生的电信号具有一个幅值，当其高于预定义的阈值时，该幅值对应于尖端4在书写表面2上的接触。由一个或更多个像素产生的电信号的幅值取决于尖端4施加的按压力的大小。
当检测到接触时，处理单元24存储由定位装置10确定的书写表面2上的连续估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000103
从而形成或参与形成器具3在书写表面2上的轨迹。施加的按压力的大小使得允许量化器具3的轨迹的附加特征，并且可以用于使例如改变器具3的轨迹的宽度。处理单元24可以连接到图形界面7，以例如显示由系统记录的轨迹。
处理单元24因此可以包括微控制器25，用于控制对与模数转换器ADC相关联的像素的电力供应，并且其计算单元26包括至少一个处理器和至少一个存储器，该存储器包含执行尖端4的接触检测和压力测量所需的指令，并存储在每个测量时间计算的信息，以及这里的转换器。当然，计算单元26的处理器和存储器可以与微控制器25的的处理器和存储器共用，也可以不共用。
根据本发明，矩阵阵列触摸传感器20的处理单元24连接至定位装置10的计算单元11，并从计算单元接收书写表面2上的连续估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000111
是否在书写表面2上存在尖端4的接触。
优选地，仅当尖端4沿Z轴的位置Pp,z小于或等于预定义的阈值Pp,z,th时才接收这些数据。当不是这种情况时，矩阵阵列触摸传感器20可以不启用，即完全或部分关闭，以限制轨迹记录系统1的功耗。
当位置Pp,z小于或等于阈值Pp,z,th时，处理单元24被启用(开启)，接收书写表面2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000112
的值，并确定至少部分包围估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000113
的M个像素的集合Spx，其中M小于N。举例来说，像素的总数N可以约等于2500，并且所述集合Spx的像素的数量M可以约等于25，例如5×5像素的正方形。
然后，处理单元24仅对所述集合Spx的像素进行测量，而不是对矩阵阵列的所有像素进行测量。因此，电命令信号仅传输到M个像素，其他像素保持关闭。接下来，处理单元24接收电响应信号。因此，像素命令/读出的延迟大大降低，因为这里是在每个测量时间读取25个像素而不是2500个像素的问题。因此，功耗也大大降低。
最后，处理单元24配置为基于在书写表面2上的连续估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000114
并且在此基于施加的按压力的值来确定由触针3描绘的轨迹，然后命令图形界面7显示所确定的轨迹。如下文详述，轨迹可以由所有连续的估计位置
Figure BDA0003677339890000115
形成，但也可以考虑由矩阵阵列触摸传感器20确定的接触的连续位置Cp|c。然后可以提高接触的测量精度。
因此，由于用于定位磁性物体6的装置10和矩阵阵列触摸传感器20的组合，轨迹记录系统1具有许多优点。因此，可以使用大量的市售器具，只要所讨论的器具允许将磁性物体6(例如磁铁)固定到其上。此外，器具3可以仅配备有待定位的单个磁体6。因此，它不必配备多个磁体，即使能够提供多个固定到器具上的磁体。因此，避免了使用如文献EP2811383中的专用和复杂器具3的需要。此外，不再需要将压力传感器集成到器具中。
此外，通过矩阵阵列触摸传感器20精确地检测尖端4的接触，并且通过定位装置10以高分辨率确定尖端4在书写表面2上的位置。因此，尖端4的位置不受传统矩阵阵列触摸传感器的潜在低分辨率的影响，这取决于导电轨道21、22的尺寸和布置。此外，书写表面2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000121
的确定不会被任何寄生接触的干扰，例如书写表面2上的用户手指接触或手掌接触。
此外，轨迹记录系统1具有与像素矩阵阵列的命令/读出相关的特别低的延迟，因为微控制器25仅激活集合Spx的M个选定像素，而不是矩阵的N个像素。因此，命令/读出频率可能特别高。因此，降低了轨迹记录系统1的功耗。此外，有利的是矩阵阵列触摸传感器20在磁性物体6被定位装置10跟踪时保持至少部分不启用，尤其是当尖端4沿Z轴的位置Pp,z大于阈值Pp,z,th时。
此外，能够使用矩阵阵列触摸传感器20，其微控制器25及其电连接简单且常规。因此，避免了使用特定微控制器25以及特定连接的需要，这些连接与单独地、顺序地或全部地激活行和/或列的需要有关，如文献WO2013/057412中所述的。
图3是示出根据一个实施例的用于记录器具3的轨迹的方法的流程图。在该示例中，轨迹记录系统1与参考图1和2所描述的相同。它命令图形界面7显示如此记录的轨迹。
在第一步骤11中，将触针3的数字模型存储在定位装置10的计算单元11的存储器13中。如上所述，该数字模型允许根据磁铁6的状态向量Xa推导尖端4在坐标系OXYZ中的位置Pp。该步骤11还可以包括在书写表面2的坐标系OXYZ中存储坐标的阶段，以及在矩阵阵列触摸传感器20的N个像素Pxi的坐标系OXYZ中存储坐标的阶段。
在步骤21中，用户在轨迹区域Zs中操作触针3，即，他修改触针的位置以及可选地修改触针在坐标系OXYZ中的定向。初始触针3的尖端4不与书写表面2接触并且其沿Z轴的位置Pp,z大于阈值Pp,z,th。随后，尖端4的位置Pp,z小于或等于阈值Pp,z,th，但仍未与书写表面2接触。最后，此后，它与书写表面2接触，并且存储尖端4在书写表面2上的位置并形成所记录和显示的轨迹。
步骤22至33在测量时间tn处迭代执行，时间以确定的采样频率离散化，例如140Hz。秩n的每次迭代都与一个测量时间tn相关联，该时间也称为当前时间。
在步骤22中，磁力计测量当前时间的环境磁场，尤其是对由固定到触针3的磁体6产生的环境磁场的贡献。
在步骤23中，计算单元11接收环境磁场的测量值，从中推导出磁体6产生的磁场贡献，并确定坐标系OXYZ中当前时间tn与磁体6相关联的状态向量Xa(tn)。状态向量Xa(tn)包括磁体6在坐标系OXYZ中的位置，并且在该示例中还包括其定向。可以使用用于估计贝叶斯类型的磁体6的位置和定向的算法(例如扩展卡尔曼滤波)来估计状态向量，或使用优化方法(梯度下降等)，或使用任何其他同类算法来估计状态向量。在专利申请WO2018/219891中特别描述了与磁体6相关联的状态向量的估计示例。
在步骤24中，计算单元11基于状态向量Xa(tn)和触针3的数字模型来确定触针3的尖端4的位置Pp(tn)。尖端4的位置Pp(tn)包括沿Z轴的分量Pp,z(tn)和在平行于书写表面2的XY平面中的分量Pp,xy(tn)。在磁性物体6正是尖端4的情况下，尖端4的位置Pp(tn)与位置Pa(tn)相同。
在步骤25中，计算单元11基于状态向量Xa(tn)和书写表面2在坐标系OXYZ中的坐标来确定书写表面2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000131
该估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000132
可以等于尖端4的位置Pp,xy(tn)在XY平面中沿Z轴的投影，其中，
Figure BDA0003677339890000133
和Pp,xy(tn)相等。
在步骤26中，将尖端4沿Z轴的位置Pp,z(tn)的值与预定义的阈值Pp,z,th进行比较。当位置Pp,z(tn)大于阈值Pp,z,th时，定位装置10继续测量磁场(步骤22及之后的步骤)。矩阵阵列触摸传感器20有利地保持不启用，即它不被供电，从而限制轨迹记录系统1的功耗。如果定位装置10直接连接到图形界面7，则可以在图形界面7上表示和显示尖端4，而不显示轨迹。当位置Pp,z(tn)小于或等于阈值Pp,z,th时，该方法继续执行步骤27。
在步骤27中，矩阵阵列触摸传感器20被启用(在适当的情况下)，并且将书写设备2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000134
的值传输到矩阵阵列触摸传感器20的处理单元24。处理单元然后确定压力检测矩阵的至少部分地环绕估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000141
的像素的集合Spx(tn)。为此，坐标系OXYZ中的每个像素Pxi的坐标被存储在处理单元24的存储器中。处理单元24确定像素选择区域Zpx(tn)，该区域以估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000142
为中心并且具有预定义的轮廓，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形等。在这方面，图4A和4B示出了在两个不同测量时间处的轨迹记录系统1，并显示了以估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000143
为中心的区域Zpx(tn)。在该示例中，集合Spx(tn)包括其面积至少部分地位于该像素选择区域Zpx(tn)内的像素。该集合Spx(tn)在每个测量时间tn被重新定义。
此外，矩阵阵列触摸传感器20可能已经通过在书写表面2上没有任何接触(触针尖端、手指、手掌等)的情况下测量与像素矩阵相关联的“背景噪声”来被初始化。然后从Spx(tn)集合的像素的电响应信号的测量值中系统地去掉该初始测量值，从而允许去除作为时间和/或偏移误差函数的任何漂移。
在步骤28中，处理单元24的微控制器25仅启用集合Spx(tn)中的M个像素，而使未选择(即未供电)的其他像素保持非启用状态。因此，它向集合Spx(tn)的像素传输电命令信号并接收它们的电响应信号。
在步骤29中，处理单元24确定代表尖端4在书写表面2上的接触的参数κ(tn)的值。该参数可以是集合Spx(tn)的至少一个像素的电响应信号的幅值，或者甚至可选地是集合Spx(tn)的像素的电响应信号的幅值的可选的加权平均值。这可以是集合Spx(tn)的至少一个像素的电阻或任何其他等效参数的问题。
在步骤30中，处理单元24将参数κ(tn)的值与预定义的阈值κth进行比较，并且当参数κ(tn)的值高于或等于阈值κth时，检测到尖端4实际与书写表面2接触。阈值κth使得能够滤除与测量噪声有关的波动。如果不是这种情况，则轨迹记录方法继续进行磁场测量(步骤22以及之后的步骤)，并且当检测到接触时，该方法继续进行步骤31。
在步骤31中，假设矩阵阵列触摸传感器20检测到尖端4与书写表面2的接触，则处理单元24存储由定位装置10传递的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000151
由处理单元24存储的连续估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000152
形成或参与形成由触针3描绘的轨迹的记录。
作为变型，尖端的4与书写表面2接触的位置(例如由处理单元24存储的)可以取决于由定位装置10传递的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000153
以及由矩阵阵列触摸传感器20传递的位置Cp|c(tn)。因此，位置Cp|c(tn)可以对应于由尖端4施加在书写表面2上并由集合Spx(tn)的像素测量的按压力的质心位置(加权重心)。由处理单元24存储的尖端4的位置可以是位置
Figure BDA0003677339890000154
和Cp|c(tn)的平均值，可选地为加权平均值。
在步骤32中，当矩阵阵列触摸传感器20配置为测量按压力时，即当它包括压力检测矩阵阵列时，处理单元24测量由尖端4施加到书写表面2上的按压力。按已知方式基于由集合Spx(tn)的像素产生的电响应信号的幅值来确定按压力。在当前时间tn，按压力例如使得允许修改轨迹的特性，例如图形界面7上显示的轨迹的宽度。
在步骤33中，处理单元24基于尖端4的连续存储的位置来构建轨迹，在此考虑由尖端4在书写表面2上施加的按压力。然后，它命令显示这样记录在图形界面7上的轨迹。
以限定的采样频率重复步骤22到33，该采样频率可能会或可能不会随时间保持恒定，这主要取决于磁铁6或尖端4的速度，该速度由定位装置10根据状态向量Xa(tn)计算得出。特别地，与磁体6的位置相关联的采样频率(例如140Hz)可以与命令/读出集合Spx(tn)的像素的频率相同或不同。
图4A和4B是在两个不同时间由用户在矩阵阵列触摸传感器20的书写表面2之上操作的器具3的透视图。
在这两个示例中，尖端4沿Z轴的位置Pp,z(tn)小于阈值Pp,z,th，并且因此矩阵阵列触摸传感器20被启用并且书写表面2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000155
被传送到该矩阵阵列触摸传感器。然后确定以值
Figure BDA0003677339890000156
为中心的圆形的选择区域Zpx(tn)。
在图4A的示例中，触针3位于书写表面2的边界上。然后选择区域Zpx(tn)跨越书写表面2和跨离书写表面。一个像素完全位于选择区域Zpx(tn)中，并且被部分地位于选择区域Zpx(tn)中的相邻的5个像素包围。因此，该集合Spx(tn)包括至少部分地位于选择区域Zpx(tn)中的6个像素。因此，所选像素至少部分地包围了书写表面2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000161
在图4B的示例中，触针3位于书写表面2的中心。然后选择区域Zpx(tn)完全位于书写表面2上。在该示例中，单个像素完全位于选择区域Zpx(tn)中，并且被部分地位于选择区域中的相邻的8个像素包围。因此，集合Spx包括至少部分地位于选择区域Zpx(tn)中的9个像素。因此，所选像素至少部分地包围了书写表面2上的估计的参考位置
Figure BDA0003677339890000162
当然，选择区域Zpx(tn)可以具有其他形状。举例来说，它可以具有细长形状，然后主轴被定向在尖端4的移动方向上，这由定位装置10基于状态向量Xa(tn)确定。主轴的尺寸还可以取决于尖端或磁体的速度，该速度由计算单元11基于在多个测量时间估计的状态向量Xa来确定并被传输到处理单元24。此外，选择区域Zpx(tn)的形状和/或大小可以取决于所使用的器具3的类型，并且可选地取决于尖端4的特性。
刚才已经描述了特定实施例。各种变型和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
因此，轨迹记录系统1可以包括多个器具3，每个器具都配备有至少一个磁性物体6并旨在与同一书写表面2接触。因此，定位装置10可以确定每个磁性物体6的状态向量，并且矩阵阵列触摸传感器20可以确定器具3中的每个的尖端4的接触。

Claims (11)

1.一种用于记录在书写表面(2)上描绘的轨迹的系统(1)，所述系统包括：
ο旨在由用户操作的器具(3)，所述器具配备有磁性物体(6)，并且包括旨在与所述书写表面(2)接触以形成待记录的轨迹的尖端(4)；
ο定位装置(10)，其包括：
·磁力计阵列(Mi)，其固定到所述书写表面(2)，并配置为在各个连续测量时间tn测量由磁性物体(6)发射的磁场，
·电子计算单元(11)，其配置为基于测量的磁场确定代表至少磁性物体(6)的位置的状态向量Xa，并基于所述状态向量Xa确定所述书写表面(2)上的估计的参考位置
Figure FDA0003677339880000011
ο其特征在于，所述系统包括矩阵阵列触摸传感器(20)，所述矩阵阵列触摸传感器包括：
·由N个不同像素(Pxi)组成的矩阵阵列，所述不同像素固定到所述书写表面(2)，并且每个像素配置为传递代表尖端(4)在书写表面(2)上的接触的电响应信号；
·电子处理单元(24)，其连接到所述电子计算单元(11)，并且配置为：确定至少部分地环绕所述估计的参考位置
Figure FDA0003677339880000012
的M个像素的集合Spx，其中，M小于N；向所述集合Spx的M个像素传输电命令信号并接收它们的电响应信号；以及基于由所述M个像素的集合Spx产生的电响应信号检测尖端(4)在书写表面(2)上的接触，并且当检测到接触时，至少根据连续估计的参考位置
Figure FDA0003677339880000013
存储尖端(4)的连续位置以形成轨迹的记录。
2.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述定位装置(10)配置为基于状态向量Xa确定尖端(4)沿与书写表面(2)正交的轴线的位置Pp,z，将所确定的位置Pp,z与预定义的阈值Pp,z,th进行比较，并且当所述位置Pp,z小于或等于预定义的阈值Pp,z,th时将估计的参考位置
Figure FDA0003677339880000014
传输到矩阵阵列触摸传感器(20)。
3.根据权利要求1或2所述的系统(1)，其中，所述定位装置(10)配置为基于状态向量Xa确定尖端(4)沿与书写表面(2)正交的轴线的位置Pp,z，将所确定的位置Pp,z与预定义的阈值Pp,z,th进行比较，并且当所述位置Pp,z小于或等于预定义的阈值Pp,z,th时，启用矩阵阵列触摸传感器(20)，所述矩阵阵列触摸传感器(20)在相反的情况下保持关闭。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统(1)，其中，估计的参考位置
Figure FDA0003677339880000021
通过沿与书写表面(2)正交的轴线将尖端(4)的位置Pp,xy投影在平行于书写表面(2)的平面中来确定。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统(1)，其中，所述定位装置(10)配置为基于在多个测量时间确定的状态向量Xa来计算磁性物体(6)的速度，并将所述速度传输到处理单元(24)，所述处理单元配置为限定具有沿主轴线伸长的轮廓的M个像素的集合Spx，所述主轴线平行于速度的轴线。
6.根据权利要求5所述的系统(1)，其中，所述主轴线的长度取决于速度的范数。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统(1)，其中，所述矩阵阵列触摸传感器(20)是矩阵阵列压力传感器，所述矩阵阵列压力传感器配置为确定由所述尖端(4)施加在所述书写表面(2)上的按压力。
8.根据权利要求7所述的系统(1)，其中，所述矩阵阵列触摸传感器(20)配置为确定所述尖端(4)在书写表面(2)上的接触点的位置Cp|c，根据估计的参考位置
Figure FDA0003677339880000022
和尖端(4)的接触点的位置Cp|c来存储尖端(4)的位置以形成轨迹。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统(1)，其中，所述状态向量Xa通过贝叶斯估计算法或使用优化方法来确定。
10.一种借助于根据前述权利要求中任一项所述的系统在书写表面(2)上记录器具(3)的尖端(4)的轨迹的方法，所述方法包括以下步骤：
ο由用户操作器具(3)，所述器具初始不与书写表面(2)接触，随后与所述书写表面(2)接触；
ο通过磁力计矩阵阵列(Mi)测量在各个连续测量时间tn由磁性物体(6)发射的磁场；
ο通过电子计算单元(11)基于所测量的磁场的测量结果确定磁性物体(6)的状态向量Xa(tn)；
ο通过电子计算单元(11)基于所确定的状态向量Xa(tn)确定书写表面(2)上的估计的参考位置
Figure FDA0003677339880000031
ο其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
ο通过电子处理单元(24)确定至少部分环绕估计的参考位置
Figure FDA0003677339880000032
的M个像素(Pxi)的集合Spx(tn)；
ο通过电子处理单元(24)向集合Spx(tn)的像素传输电命令信号，并接收电响应信号；
ο通过电子处理单元(24)基于由所述M个像素的集合Spx产生的电响应信号来检测尖端(4)在书写表面(2)上的接触，并且当检测到接触时，至少根据连续估计的参考位置
Figure FDA0003677339880000033
来存储尖端(4)的连续位置以形成轨迹的记录。
11.一种包括指令的数据存储介质，当这些指令被计算单元执行时，执行根据权利要求10所述的用于记录轨迹的方法。
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