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Die Erfindung betrifft eine Eingabevorrichtung mit einer berührempfindlichen Eingabefläche. Diese Eingabeflächen sind in einer Ausgestaltung mit einer elektronischen Pixelmatrixanzeige kombiniert und werden als Touchscreen bezeichnet. In einer anderen Ausgestaltung handelt es sich um eine anzeigelose berührempfindliche Eingabefläche, welche als Touchpad bezeichnet wird.
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Vorbekannte Eingabevorrichtung dieser Gattung insbesondere bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen weisen mechanische Eingabegeräte auf, die auf der berührempfindlichen Eingabefläche angeordnet sind und die eine Handhabe aufweisen, die relativ beweglich zur berührempfindlichen Eingabefläche sind.
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Der Handhabe ist ein Stellungsgeber zugeordnet, der mit der der berührempfindlichen Eingabefläche zugehörigen Detektionseinrichtung zusammenwirkt, so dass diese nicht nur zur Berührdetektion auf der außerhalb des mechanischen Eingabegeräts befindlichen Eingabefläche dient, sondern auch zur Stellungsdetektion des Stellungsgebers beziehungsweise der Handhabe dient. Die Kombination aus berührempfindlicher Eingabefläche und mechanischem Eingabegerät steigert nicht nur die Funktionalität gegenüber einer sich auf eine berührempfindliche Eingabefläche beschränkenden Eingabevorrichtung, d.h. ein „reines“ Touchpad oder ein „reiner“ Touchscreen, sondern darüber hinaus verbessern sich Bediensicherheit und Bedienkomfort, da einerseits der Bediener immer noch an herkömmliche, mechanische Eingabegeräte mit beweglich gelagerter Handhabe gewöhnt ist und andererseits eine Bedienung auch ohne visuelle Kontrolle und damit ohne Ablenkung vom Verkehrsgeschehen durch Ergreifen der Handhabe und damit erfolgendem haptischem Feedback durchführbar ist.
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Bisherige Ansätze dieses letzten Prinzips machten sich bisher die kapazitive Berührdetektion zu Nutze, indem das auf einem kapazitiven Touchscreen oder kapazitiven Touchpad angeordnete mechanische Eingabegerät mittels eines an der Handhabe befestigten Stellungsgebers mit den jeweiligen Messkapazitäten des Touchscreens bzw. Touchpads wechselwirkte. Es hat sich aber gezeigt, dass diese Auswertung von großen Ungenauigkeiten behaftet ist, was unter anderem auf die gleichzeitige Wechselwirkung der die Handhabe berührenden und ergreifenden Finger eines Bedieners mit den Messkapazitäten oder durch das Eindringen von Fremdpartikeln oder Flüssigkeiten zurückgeführt werden konnte.
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Vor diesem Hintergrund bestand Bedarf nach einer Lösung für eine Eingebvorrichtung und ein zugehöriges Verfahren deren das mechanische Eingabegerät betreffende Stellungsdetektion zuverlässig ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie die Eingabevorrichtung des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des nebengeordneten Verwendungsanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Stellungsdetektion eines auf einer berührempfindlichen Eingabefläche angeordneten, beweglichen Stellungsgebers, dessen Bewegung einer vorgegebenen Bahn mit vorgegebenen Stellungen auf der berührempfindlichen Eingabefläche, bevorzugt berührungslos, folgt. Bevorzugt ist der Stellungsgeber an einer Handhabe eines mechanischen Eingabegeräts befestigt, die relativ beweglich gegenüber der berührempfindlichen Eingabefläche gelagert ist. Erfindungsgemäß ist der berührempfindlichen Eingabefläche ein gleichmäßig verteiltes Array von Messzellen zugeordnet, Beispielsweise wird die berührempfindliche Eingabefläche durch ein Touchpad oder Touchscreen, bevorzugt durch ein kapazitives Touchpad oder durch einen kapazitiven Touchscreen, definiert.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Stellungsgeber mit den Messzellen derart zusammenwirkt, dass umgekehrt proportional zum Abstand zwischen Stellungsgeber und Messzelle pro Messzelle jeweils eine Zählrate als Detektionsergebnis bereitgestellt wird. Diese Zählrate wird einer Auswerteinheit bereitgestellt. Die Auswerteinheit ist ausgebildet, einen Kalibrierschritt sowie wenigstens einen Stellungsermittlungsschritt als Verfahrensschritte durchzuführen.
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In dem Kalibrierschritt wird durch Bewegen des Stellungsgebers entlang der vorgegebenen Bahn und Verbringen des Stellungsgebers in jede der vorgegebenen Stellungen jeweils für jede der Stellungen eine Kalibrierzählratenverteilung aus den Messzellen zugeordneten Zählraten durch die Auswerteinheit erzeugt und die Zuordnungen aus Stellung und Kalibrierzählratenverteilung für jede Stellung in einem Speicher hinterlegt. Beispielweise wird der Kalibrierschritt am Ende eines Fertigungsprozesses einer das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltenden Eingabevorrichtung durchgeführt.
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In dem wenigstens einen Stellungsbestimmungsschritt wird eine Zählratenverteilung erfasst und deren Korrelation über einen Korrelationskoeffizienten mit den im Speicher hinterlegten Kalibrierzählratenverteilungen bestimmt. Nachfolgend wird eine Stellungsinformation basierend auf dem größten Korrelationskoeffizienten durch die Auswerteinheit ermittelt und ausgegeben. Die Stellungsinformation wird beispielsweise zur Vornahme einer Schalt- oder Steuerfunktion eines fahrzeuggebundenen Aggregats verwendet. Durch die Ermittlung der Stellungsinformation anhand eines Korrelationsmaßes können Störeinflüsse minimiert werden und die Funktionssicherheit gesteigert werden. Es obliegt dem Fachmann, die geeignete Berechnung des Korrelationskoeffizienten zu wählen, beispielsweise wird die Pearson-Korrelationsberechnung angewandt, die von einem linearen Zusammenhang zwischen der Zählratenverteilung und der Kalibrierzählratenverteilungen ausgeht. Bei einem Wert von größer 0 bis gleich 1 für den Korrelationskoeffizienten ergibt sich ein linearer bis stark linearer Zusammenhang und es wird eine starke Korrelation angenommen, wobei ein Wert gegen Null einer schwachen Korrelation und ein Wert gleich oder gegen Eins einer starken Korrelation entspricht.
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Bevorzugt wird im Stellungsbestimmungsschritt die Stellungsinformation durch Berechnung, wie durch Interpolation oder durch Center-of-Mass-Bestimmung, aus denjenigen vorgegebenen Stellungen ermittelt und ausgegeben, deren im Speicher gespeicherten Kalibrierzählratenverteilungen mit der Zählratenverteilung die zwei oder mehr größten Korrelationskoeffizienten aufweisen. In einer Ausgestaltung wird diese Berechnung nur dann durchgeführt, wenn diese Korrelationskoeffizienten eine vorgegebene Mindestdifferenz nicht überschreiten.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass im Stellungsermittlungsschritt die Zählratenverteilung nach einer Tiefpassfilterung erhalten wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Plausibilitätsüberprüfung im Stellungsermittlungsschritt durchgeführt, bei der die Stellungsinformation mit einer älteren Stellungsinformation eines zeitlich vorhergehenden, bevorzugt zeitlich unmittelbar vorhergehenden, Stellungsermittlungsschritts verglichen wird. Beispielsweise wird bei Überschreiten einer vorgegebenen Maximaländerung der Stellungsinformation die jüngere Stellungsinformation verworfen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass ausschließlich die Zählraten der Messzellen des Arrays bei dem Kalibrierschritt und dem Stellungsermittlungsschritt berücksichtigt werden, die angrenzend an die vorgegebene Bahn angeordnet sind oder von der vorgegebenen Bahn durchkreuzt werden. Anders ausgedrückt werden nur diejenigen Messzellen in den besagten Verfahrensschritten herangezogen, die wenigstens teilweise innerhalb der auf die berührempfindliche Eingabefläche projizierten Fläche liegen, die von dem Stellungsgeber durch dessen Bewegung entlang der vorbestimmten Bahn beschrieben wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Messzellen durch ein oder mehrere Messkapazitäten ausgebildet, die jeweils zwischen sich kreuzend überlagert angeordneten Elektroden, auch Knotenpunkte genannt, ausgebildet sind und der Stellungsgeber ausgebildet ist, die Messkapazitäten zu beeinflussen. Beispielsweise wird je eine Messzelle durch mehrere benachbarte Messkapazitäten definiert, wobei die Zählraten, die sich durch das Auslesen der Messkapazitäten der zur betreffenden Messzelle gehörigen Messkapazitäten ergeben, addiert werden, bevorzugt gewichtet addiert werden. Beispielsweise ergibt sich die vorgenannte Wichtung aus der relativen Lage der Messkapazität bzw. des Knotenpunkts relativ zur vorgegebenen Bahn, die vom Stellungsgeber überstrichen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens zur Stellungsdetektion ist die vorgegebene Bahn kreisförmig, ringförmig, linear oder streifenförmig ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Eingabevorrichtung, welche eine berührempfindliche Eingabefläche aufweist, der ein gleichmäßig verteiltes Array von mehreren Messzellen zugeordnet ist. Die Eingabevorrichtung weist ferner ein auf der Eingabefläche angeordnetes, mechanisches Eingabegerät auf. Das mechanische Eingabegerät weist eine beweglich gelagerte Handhabe mit einem an der Handhabe befestigten Stellungsgeber zur Stellungsdetektion auf, wobei der Stellungsgeber sich synchron mit der Handhabe entlang einer vorgegebenen Bahn mit vorgegebenen Stellungen auf der berührempfindlichen Eingabefläche bewegt, bevorzugt ohne dass es zu einer Berührung zwischen dem Stellungsgeber und der berührungsempfindlichen Eingabefläche kommt.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem mechanischen Eingabegerät um einen Drehsteller oder Schieberegler, so dass die vorgegebene Bahn linear oder kreisförmig ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist ferner eine mit den Messzellen elektrisch leitend verbundene Auswerteinheit vorgesehen. Der Stellungsgeber wirkt erfindungsgemäß mit den Messzellen derart zusammen, dass umgekehrt proportional zum Abstand zwischen Stellungsgeber und Messzelle pro Messzelle jeweils eine Zählrate als Detektionsergebnis bereitgestellt wird, die dann der Auswerteinheit bereitgestellt wird.
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Die Auswerteinheit ist erfindungsgemäß ausgebildet, wenigstens einen Stellungsbestimmungsschritt durchzuführen, bei dem eine Zählratenverteilung der mehreren Messzellen erfasst wird und deren Korrelationskoeffizienten mit mehreren, in einem Speicher der Auswerteinheit hinterlegten Kalibrierzählratenverteilungen bestimmt wird, wobei eine Stellungsinformation basierend auf dem größten Korrelationskoeffizienten ermittelt und ausgegeben wird. Durch die korrelationsbasierte Stellungsauswertung wird eine Eingabevorrichtung mit störungsfreier und zuverlässiger Stellungsdetektion bereitgestellt.
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Die im Speicher hinterlegten Kalibrierzählratenverteilungen wurden beispielsweise in einem Kalibrierschritt gewonnen, bei dem durch Bewegen des Stellungsgebers entlang der vorgegebenen Bahn und Verbringen des Stellungsgebers in jede der vorgegebenen Stellungen, beispielsweise bei der Herstellung der Eingabevorrichtung durch motorisches oder händisches Verstellen der Handhabe, jeweils für jede der Stellungen eine Kalibrierzählratenverteilung aus den Messzellen zugeordneten Zählraten durch die Auswerteinheit erzeugt und die Zuordnungen aus Stellung und zugehöriger Kalibrierzählratenverteilung für jede Stellung in einem Speicher hinterlegt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Stellungsinformation durch Berechnung, wie Interpolation oder Center-of-Mass-Bestimmung aus den vorgegebenen Stellungen ermittelt und ausgegeben wird, deren im Speicher gespeicherten Kalibrierzählratenverteilungen mit der zuvor ermittelten Zählratenverteilung die zwei oder mehr größten Korrelationskoeffizienten aufweisen. In einer Ausgestaltung wird diese Interpolation nur dann durchgeführt, wenn die zwei oder mehr größten Korrelationskoeffizienten eine vorgegebene Mindestdifferenz nicht überschreiten.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass ausschließlich die Zählraten der Messzellen des Arrays bei der Stellungsermittlung berücksichtigt werden, die angrenzend an die vorgegebene Bahn angeordnet sind oder von der vorgegebenen Bahn durchkreuzt werden. Anders ausgedrückt werden nur diejenigen Messzellen bei der Stellungsermittlung herangezogen, die wenigstens teilweise innerhalb der auf die berührempfindliche Eingabefläche projizierten Fläche liegen, die von dem Stellungsgeber durch dessen Bewegung entlang der vorbestimmten Bahn beschrieben wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung werden die Messzellen durch ein oder mehrere Messkapazitäten ausgebildet, die jeweils zwischen sich kreuzend überlagert angeordneten Elektroden, auch Knotenpunkte genannt, ausgebildet sind. Der Stellungsgeber ist dabei ausgebildet, die Messkapazitäten zu beeinflussen. Beispielsweise wird je eine Messzellen durch mehrere benachbarte Messkapazitäten definiert, wobei die Zählraten, die sich durch das Auslesen der Messkapazitäten der zur betreffenden Messzelle gehörigen Messkapazitäten ergeben, addiert werden, bevorzugt gewichtet addiert werden. Beispielsweise ergibt sich die vorgenannte Wichtung aus der relativen Lage der Messkapazität bzw. des Knotenpunkts relativ zur vorgegebenen Bahn, die vom Stellungsgeber überstrichen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Eingabevorrichtung weist das mechanische, auf der berührempfindlichen Eingabefläche befindliche Eingabegerät eine Rasteinrichtung auf, um eine haptisch merkbare, aber händisch überwindbare Verrastung der Handhabe in den vorgegebenen Stellungen entsprechenden Raststellungen zu bewirken.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der Eingabevorrichtung in einer seiner zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 1;
- 2 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der in 1 angewandten Stellungsermittlung;
- 3 eine vergleichende Darstellung einer im Stellungsermittlungsschritt ermittelten Zählratenverteilung und einer Kalibrierzählratenverteilung;
- 4 eine vergleichende Darstellung einer im Stellungsermittlungsschritt ermittelten, ungestörten Zählratenverteilung und einer Kalibrierzählratenverteilung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Eingabevorrichtung 1. Diese weist ein kapazitives Touchpad auf, welches eine berührempfindliche Eingabefläche 2 definiert, die eine nicht dargestellte Elektrodenstruktur aufweist, die als Messzellen fungierende, durch Berührung beeinflusste Messkapazitäten definiert. Auf der berührempfindlichen Eingabefläche 2 ist ein Drehsteller als mechanisches Eingabegerät 8 befestigt. Das mechanische Eingabegerät 8 weist eine um eine Drehachse 4 drehbeweglich gelagerte Handhabe 3 auf, die dem Ergreifen durch die Finger einer Hand eines Bedieners B dient, um eine Drehverstellung der Handhabe 3 zu bewirken. An der Handhabe 3 ist ein Stellungsgeber 5 in Form eines metallisch leitenden Elements befestigt, welches sich bei der händischen Drehverstellung der Handhabe 3 ohne die berührempfindliche Eingabefläche 2 zu berühren, entlang einer vorgegebenen Bahn, hier kreisringförmigen Bahn, über die berührempfindliche Eingabefläche 2 bewegt.
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Dabei kommt es zur Wechselwirkung des Stellungsgebers 5 mit den Messzellen 6, 7 der berührempfindlichen Eingabefläche 2, wie anhand 2 verdeutlicht werden soll, deren Zählraten in Abhängigkeit des Abstands des Stellungsgebers 5 zur jeweiligen Messzelle 6, 7 variiert. Mit zunehmender Annäherung des Stellungsgebers 5 an die jeweilige Messzelle 6, 7 nimmt deren Zählrate zu. Bei der Stellungsauswertung werden ausschließlich diejenigen Messzellen 6, 7 berücksichtigt und ausgelesen, die wenigstens teilweise innerhalb der durch die vorgegebene Bahn 9 auf die berührempfindliche Berührfläche 2 projizierte Fläche, hier Ringfläche, liegen, die ihrerseits koaxial mit der Drehachse 4 angeordnet ist.
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Die einzelne Messzelle 6 ergibt sich aus einem einzelnen Knotenpunkt zweier, eine einzelne Messkapazität ausbildenden, sich kreuzend verlaufenden und elektrisch isoliert zueinander verschalteten Elektroden. Es ist aber auch eine Zusammenfassung mehrerer Messkapazitäten und damit Knotenpunkte zu einer Messzelle 7 denkbar, wobei deren Zählraten addiert werden. In einer anderen Ausgestaltung werden die Zählraten gewichtet addiert, wobei die Wichtung abhängig von der Position der betreffenden Messkapazität relativ zur vorgegebenen Bahn 9 ist.
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In einem Kalibrierschritt werden nach dem Aufbringen und Befestigen des mechanischen Eingabegeräts 8 auf der berührempfindlichen Eingabefläche 2 des kapazitiven Touchpads eine Kalibrierung vorgenommen. Dazu werden die Zählraten der einzelnen Messzellen 6, 7 für mehrere vorgegebenen Stellungen des mechanischen Eingaberäts 8 bestimmt. Dabei sollte möglichst sichergestellt (End of Line, Roboter) sein, dass die Zählraten nur vom Stellelement 5 und einem minimalen Hintergrundrauschen bestimmt sind. Falls das mechanische Eingabegerät 8, nämlich der Drehsteller eine mechanische Rasteinrichtung, eine sogenannte Drehrast, besitzt, wird wenigstens pro Raststellung eine Kalibrierzählratenverteilung bestimmt, bevorzugt auch für Drehstellungen zwischen den Raststellungen. Die erhaltenen Kalibrierzählratenverteilungen werden mit der Zuordnung zur vorgegebenen Stellung, bzw. Raststellung in einem zu einer nicht dargestellten Auswerteinheit gehörigen Speicher abgespeichert, so dass pro kalibrierter, vorgegebener Stellung ein eindimensionales Kalibrierarray (Index i) von Zählraten C, also die vorgenannte Kalibrierzählratenverteilung vorhanden ist.
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Zur Ermittlung der Drehstellung werden nun pro Zeitschritt die Zählraten der Messzellen 6,7 bestimmt. Die dabei gemessene Zählratenverteilung (i, C) von Zählraten wird anschließend mit den Kalibrierzählratenverteilungen verglichen indem die Korrelationskoeffizienten p zwischen der Zählratenverteilung und den gespeicherten Kalibrierzählratenverteilungen bestimmt wird. Die Stellungsinformation betreffend die Drehstellung der Handhabe 3 wird nun anhand der Korrelationskoeffizienten p bestimmt.
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Dabei gilt zunächst, dass die Stellungsinformation durch diejenige Stellung bestimmt ist, deren Kalibrierzählratenverteilung den größten Korrelationskoeffizienten mit der Zählratenverteilung (i, C) aufweist. Gibt es zwei oder Kalibrierzählratenverteilung deren Korrelationskoeffizienten mit der Zählratenverteilung (i, C) eine vorgegebene Differenz nicht überschreiten, kann ein eine aus zwei benachbarten vorgegebenen Stellungen interpolierte Stellungsinformation ausgegeben werden.
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Zur Plausibilisierung (und ggf. Verwerfung) der so ermittelten Drehstellung kann auf historische Daten zurückgegriffen werden. Beispielsweise könnte eine ermittelte Drehstellung verworfen werden, wen sich der Drehsteller innerhalb eines kurzen Zeitintervalls um einen großen Winkel verstellt.
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Zur Verbesserung der Auswertung der Zählraten der Messzellen 5, 6 können auch Filtertechniken (z.B. Tiefpassfilter) eingesetzt werden. Die in den 3 und 4 gezeigten Beispiele sollen das Verfahren nochmals verdeutlichen:
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3 zeigt die Zählraten (C) der einzelnen Messzellen (i). Die weißen Balken der 3 zeigt die in einem Kalibrierschritt gespeicherten Kalibrierzählratenverteilungen einer ersten Drehstellung (entspricht Drehstellung 6), wohingegen 4 mit den weißen Balken die gespeicherte Kalibrierzählratenverteilung einer zweiten Drehstellung (entspricht Drehstellung 3) zeigt. Die straffierten Balken in beiden 3 und 5 ist die im Ermittlungsschritt ermittelte Zählratenverteilung, die in den 3 und 4 jeweils im Vergleich zu Kalibrierzählratenverteilung der ersten bzw. zweiten Drehstellung gezeigt ist. Daraus ergibt sich, dass augenscheinlich die höchste Korrelation in 3 zu erkennen ist, somit die ermittelte Zählratenverteilung mit der in 3 gezeigten, gespeicherten Kalibrierzählratenverteilung die höchste Korrelation aufweist. Die aktuelle Drehstellung ist somit zuverlässig als Drehstellung 6 ermittelt, obwohl die Zählraten eine Störung bei 9 aufweisen, beispielsweise durch den Finger eines Benutzers hervorgerufen. Die Berechnung des Korrelationskoeffizienten zwischen den Kalibrierverteilungsraten und der gemessenen Zählratenverteilung ergeben einen hohen Korrelationskoeffizienten p (z.B. p > 0,7) für Drehstellung 6 und einen deutlich niedrigeren Korrelationskoeffizienten p (z.B. p < 0,4) für Drehstellung 3, so dass die Störung durch den Finger ohne Auswirkungen bleibt.
