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Die Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Solche Bedienvorrichtungen in der Art eines Touchpads werden in Kraftfahrzeugen zur Bedienung unterschiedlichster Funktionen durch einen Benutzer eingesetzt.
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Eine derartige Bedienvorrichtung weist eine Sensorfläche sowie eine Sensoreinrichtung auf. Bei Berührung der Sensorfläche mittels eines Fingers des Benutzers und/oder in unmittelbarer Nähe des Fingers zur Sensorfläche ist mittels der Sensoreinrichtung ein Signal erzeugbar. Es hat sich herausgestellt, dass in manchen Fällen Ungenauigkeiten bei der Bedienung auftreten, wobei der Bedienungswunsch des Benutzers nicht richtig oder gar nicht erkannt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bedienvorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass die Genauigkeit der Bedienung gesteigert ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Bedienvorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung besitzt die Sensorfläche eine derartige Auflösung, dass der Finger von der Handfläche des Benutzers unterschieden werden kann und/oder im Raum verfolgt werden kann. Somit kann ein Finger, welcher das Touchpad bedient, von der restlichen Handfläche und/oder von anderen Fingern mit Sicherheit unterschieden werden. Zusätzlich können dadurch Gestiken im Raum erkannt werden und ein nicht das Touchpad berührender Finger kann im Raum in der Art eines „3D-Finger-Trackings” verfolgt werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann es sich bei der Sensoreinrichtung für die Sensorfläche um eine wenigstens eine Sendediode und wenigstens eine Empfangsdiode für optische Strahlung aufweisende reflexionsoptische Sensoreinrichtung für die Detektierung des Fingers und/oder der Handfläche handeln. Beispielsweise ist als Sendediode eine Leuchtdiode sowie als Empfangsdiode eine Fotodiode geeignet. In einfacher Art und Weise lässt sich dann die Auflösung der Sensorfläche durch das Vorsehen einer entsprechenden Anzahl von Sende- und/oder Empfangsdioden in der Sensoreinrichtung einstellen.
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Besonders bevorzugt ist es, dass es sich bei der optischen Strahlung um Infrarot(IR)-Strahlung handelt, da diese für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. In diesem Fall kann es sich bei den Sende- und/oder Empfangsdioden um Infrarot(IR)-Sende- und/oder Infrarot(IR)-Empfangsdioden handeln.
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Es bietet sich an, dass die Sendedioden einen schmalen Abstrahlwinkel aufweisen. Dadurch ist eine erhöhte Differenzierung der von der Sensoreinrichtung erzeugten Rohdaten für die Erkennung und/oder Verfolgung der Finger- und/oder Handfläche erreicht.
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Zweckmäßigerweise kann anschließend an die Erfassung der Rohdaten eine Interpolierung der Rohdaten durchgeführt werden, um die Genauigkeit für die Erkennung des Fingers und/oder der Handfläche weiter zu steigern. In einfacher und schneller Weise können die interpolierten Rohdaten im Hinblick auf die Sensorinformationen bezüglich der Erkennung und/oder Verfolgung der Finger- und/oder Handfläche mittels Software ausgewertet und/oder verarbeitet werden.
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Für eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung ist nachfolgendes festzustellen. Geschaffen sind Methoden der Fingerpositionserkennung und/oder der Fingerverfolgung im Raum über eine Eingabeeinheit für das Infotainment im Kraftfahrzeug, hier ein Touchpad, auf Basis einer Infrarot-Technologie. Durch die Erhöhung der Auflösung der Touchfläche, insbesondere durch Erhöhung der Anzahl der Infrarot-Sende- und/oder -Empfangsdioden, und durch Verwendung von Dioden mit einem schmalen Abstrahlwinkel kann eine bessere Differenzierung der Rohdaten erreicht werden. Durch eine anschließende Interpolierung der Rohdaten sowie durch geeignete Methoden in der auswertenden Software können die Sensorinformationen so verarbeitet werden, dass ein Finger von einer Handfläche unterschieden werden kann und im Raum verfolgt werden kann. Zusätzlich ist eine haptische Rückmeldung bei Berührung der Sensorfläche möglich. Desweiteren ist diese optisch arbeitende Sensoreinrichtung mit kapazitiver Technik kombinierbar.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Kopplung einer hochauflösenden Schrifterkennung durch Berühren der in der Art einer Touchfläche ausgestaltetet Sensorfläche, also im Nahfeld, mit einer Erkennung von Gesten, wie Wischen, Annähern o. dgl., und einer Positionserkennung eines Fingers im Raum über der Touchfläche, also im Fernfeld, ermöglicht ist. Desweiteren ist eine variable Auflösung für die Sensorfläche, die entsprechend der gewünschten Anwendung wählbar ist, durch eine variable Anzahl der Leuchtdioden und/oder der Infrarotdioden ermöglicht. Aufgrund der verwendeten Infrarot-Technologie für die Sensoreinrichtung kann die Sensorfläche eine beliebig geformte, den jeweiligen Anforderungen entsprechende Oberfläche aufweisen. Die erreichte höhere Auflösung für die Sensorfläche gestattet auch eine Mehrfingererkennung durch die Sensoreinrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
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1 eine Prinzipskizze zur Funktionsweise der Bedienvorrichtung und
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2 bis 10 Prinzipskizzen zur Auswertung der Sensordaten.
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In 1 ist als Prinzipskizze eine Bedienvorrichtung 1, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Sensorfläche 2 und mit einer Sensoreinrichtung 3 gezeigt. Bei Berührung der Sensorfläche 2 mittels eines Fingers 5 der Hand 6 eines Benutzers und/oder in unmittelbarer Nähe des Fingers 5 an der Sensorfläche 2 ist ein Signal erzeugbar. Die Sensorfläche 2 besitzt eine derartige Auflösung, dass der Finger 5 von der Handfläche 4 des Benutzers unterschieden werden kann und/oder im Raum verfolgt werden kann.
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Bei der Sensoreinrichtung 3 für die Detektierung des Fingers 5 und/oder der Handfläche 4 zur Sensorfläche 2 handelt es sich um eine reflexionsoptische Sensoreinrichtung, die wenigstens eine Leuchtdiode 9 als Sendediode und wenigstens eine Fotodiode 10 als Empfangsdiode für optische Strahlung 11 aufweist. Die Leuchtdiode 9 sowie die Fotodiode 10 sind auf einer Leiterplatte 8 angeordnet. Ebenfalls auf der Leiterplatte 8 befindet sich eine Elektronik 7 zum Betrieb der Sensoreinrichtung 3 sowie zur Erzeugung des Signals.
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Die gewünschte Auflösung der Sensorfläche 2 ist durch das Vorsehen einer entsprechenden Anzahl von Sende- und/oder Empfangsdioden 9, 10 in der Sensoreinrichtung 3 eingestellt. Bei der optischen Strahlung 11 handelt es sich bevorzugterweise um für das menschliche Auge unsichtbare Infrarot(IR)-Strahlung. In diesem Falle handelt es sich dann bei den Sende- und/oder Empfangsdioden 9, 10 um Infrarot(IR)-Sende- und/oder Infrarot(IR)-Empfangsdioden.
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Wie man der 1 weiter entnimmt weist die Sendediode 9 einen schmalen Abstrahlwinkel 12 auf. Aufgrund des schmalen Abstrahlwinkels 12 ist eine erhöhte Differenzierung der Rohdaten für die Erkennung und/oder Verfolgung der Fingerfläche 5 und/oder der Handfläche 4 ermöglicht. Anschließend an die Erfassung der Rohdaten wird eine Interpolierung der Rohdaten durchgeführt. Die interpolierten Rohdaten werden dann im Hinblick auf die Sensorinformationen bezüglich der Erkennung und/oder Verfolgung der Finger- und/oder Handfläche 5, 4 mittels Software ausgewertet und/oder verarbeitet.
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Nachfolgend sollen noch konkrete Ausgestaltungen sowie eine Erläuterung der Methoden der Erkennung des Fingers 5, gegebenenfalls auch der Mehrfingererkennung, und/oder der Verfolgung des Fingers 5 im dreidimensionalen Raum und/oder auf der Sensorfläche 2 näher beschrieben werden. Insbesondere soll für die Sensorfläche 2 eine beliebig geformte Fläche möglich sein. Beispielsweise können die Methoden der Fingerpositionserkennung und der Fingerverfolgung im Raum über eine Eingabeeinheit für das Infotainment im KFZ, und zwar eines Touchpads 1 auf Basis einer Infrarot Technologie Anwendung finden.
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Für die 3D(dreidimensionale)-Darstellung der Reflexionswerte 18 am PC ist in den 2 und 3 die Anzeige der Reflexionen im Betrieb beispielhaft dargestellt. Es stellt sich dabei folgendes Problem:
- – Was sieht der Sensor?
- – Welche Rohdaten werden erzeugt?
- – Welche Algorithmen können die Finger-Position ideal ermitteln?
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Hierzu ist in 2 als positives Beispiel erkennbar, dass ein Maximum 13 bei den Reflexionswerten 18 dem Finger 5 entspricht, wobei dessen Position mit dem Auge erkennbar ist. In 3 hingegen ist als Negativ-Beispiel die Nichterkennbarkeit des Fingers 5 mangels Vorhandensein eines eindeutigen Maximums bei den Reflexionswerten 18 dargestellt.
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Wie nun herausgefunden ist, verschwindet beim Verfolgen des Fingers 5 im Raum das Finger-Maximum 13. Diese Situation ist nochmals in 4 und 5 dargestellt. Im Nahfeld zur Sensorfläche 2 gemäß 4 wird ein deutliches Maximum 13 bei den Reflexionswerten 18 gefunden, womit die Position des Fingers 5 insoweit eindeutig ist. Bei Entfernung von der Sensorfläche 2 entsprechend der 3D-Finger-Verfolgung gemäß 5 tritt ein allenfalls geringfügiges Maximum 13'' bei den Reflexionswerten 18 auf, welches jedoch erkennbar nicht der Position des Fingers 5 entspricht.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, eine Erhöhung der Anzahl der Sensoren 9, 10 und/oder eine Verringerung von deren Abstrahlwinkel 12 vorzusehen, wie in 6 dargestellt ist, um die Auflösung zu erhöhen. Anhand der erzeugten Rohdaten 18 sieht man nun, dass aufgrund der Erhöhung der Auflösung die Erkennung einer Lücke 14 zwischen dem Finger-Maximum 13 und dem Hand-Maximum 13' ermöglicht ist. Somit kann auch noch entfernt von der Sensorfläche 2 der Finger 5 erkannt werden.
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Die weitere Verarbeitung der Rohdaten 18 per Software zur Ermittlung der Position des Fingers 5 auf der Sensoroberfläche 2 und/oder im Raum über der Sensorfläche 2 entsprechend virtueller Methoden zur Fingerpositionserkennung kann wie folgt erfolgen:
- – Interpolation der Rohdaten (”cubic splines”) und Maxima-Suche.
- – Detektion der Maxima-Größe, Unterscheidung Hand/Finger.
- – Vergangenheitsbetrachtung: Von wo kommt das Maximum?
- – Betrachtung von oben nach unten, da die Bedienrichtung immer von unten erfolgt.
- – Feste oder dynamische Gewichtungs-Maske, um die Hand abzuschwächen.
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Die Interpolation der Reflexionswerte erfolgt bevorzugterweise mit einer kubischen Interpolationsmethode. Dabei kann die Fingerposition entsprechend dem Maximum 13 in idealer Weise ermittelt werden und der Übergang bei einer Bewegung kann ebenfalls geglättet werden. Selbstverständlich kann auch eine andere geeignete Interpolationsmethode gewählt werden.
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In 7 ist Näheres zum Ermitteln der Maximum-Größe dargestellt. Hierbei wird die Steigung zwischen dem Maximum 13 und den Nachbarwerten ermittelt. Ein kleines ”spitzes” Maximum 13 kann nur ein Finger 5 sein. Ein breiter ”Maxima-Teppich” 13' hingegen ist die restliche Hand 6. Dabei ist auch die Erkennung der Lücke 14 zwischen dem Finger-Maximum 13 und dem Hand-Maximum 13' gegeben.
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Gemäß 8 kann zur weiteren Auswertung eine Vergangenheitsbetrachtung mit der Fragestellung:
- – von wo kommt das Maximum?
erfolgen. Da die Fingerspur im Raum verfolgt werden soll, ist eine Betrachtung der Vergangenheit insoweit sinnvoll. Der Finger 5 ist aus Software-Sicht relativ langsam, daher kann ein schneller Koordinatensprung nicht vorkommen. Wie in 8 zu sehen ist, bewegt sich der Fingerschatten 15 auf dem Touchpad 1 mit im wesentlichen zeitlich konstanten Abständen. Ein vergrößerter Abstand Δs weist auf ein ungültige Position, beispielsweise auf einen zweiten Finger hin.
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In 9 ist weiter die Betrachtung von oben nach unten dargestellt. Da die Bedienrichtung im Fahrzeug in der Regel von unten ist, nämlich in Fahrtrichtung, kann man davon ausgehen, dass die Handfläche 4 im unteren Bereich erhöhte Reflexionswerte erzeugt und der Übergang zum bedienenden Finger 5 kann dadurch verschwimmen. Dagegen ist der Übergang des Fingers 5 nach oben relativ scharf. Das erste Maximum 13 von oben gesehen sollte also der Finger 5 sein, auch wenn dieses Maximum 13 geringer als das Maximum 13' der Handfläche 4 ist.
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Eine zusätzliche Verbesserung bei der Auswertung der Reflexionswerte kann mit Hilfe einer Gewichtungsmaske erzielbar sein, wie bei Methoden aus der Bildverarbeitung an sich bekannt ist. Ausgehend vom Maximum 13 kann eine Maske über die Reflexionswerte 18 gelegt werden, wodurch die Gewichtung der Sensoren 9, 10 verändert wird. Diese Maske kann ein typisches grobes Abbild einer bedienenden Hand 6 sein und besteht aus Finger-Gewichtungsfaktoren 16 sowie aus Handflächen-Gewichtungsfaktoren 17, wie anhand von 10 zu sehen. Die Maske besteht somit aus Faktoren 16, 17, welche zu einer Verstärkung des Maximums 13 im Bereich des bedienenden Fingers 5 führen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann die Erfindung nicht nur bei einer Eingabeeinheit für das Infotainment im Kraftfahrzeug sondern für alle Bedienelemente mit einer Toucheingabe im Kraftfahrzeug Verwendung finden. Desweiteren lässt sich die erfindungsgemäße Bedienvorrichtung auch an sonstigen Geräten beispielsweise Hausgeräten, Werkzeugmaschinen, Computersteuerungen o.. dgl., einsetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bedienvorrichtung/Touchpad
- 2
- Sensorfläche/Sensoroberfläche
- 3
- Sensoreinrichtung
- 4
- Handfläche
- 5
- Finger/Fingerfläche
- 6
- Hand (von Benutzer)
- 7
- Elektronik
- 8
- Leiterplatte
- 9
- Sendediode/Leuchtdiode/Sensor
- 10
- Empfangsdiode/Fotodiode/Sensor
- 11
- optische Strahlung
- 12
- Abstrahlwinkel
- 13
- Maximum/Finger-Maximu
- 13'
- Hand-Maximum/Maximum-Teppich
- 13''
- Maximum (undeutlich)
- 14
- Lücke
- 15
- Fingerschatten
- 16
- Finger-Gewichtungsfaktoren/Faktor
- 17
- Handflächen-Gewichtungsfaktoren/Faktor
- 18
- Reflexionswert/Rohdaten
