DE102019007612A1 - Verfahren zum Bestimmen des Ortes einer Berührung eines Sensorfeldes - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen des Ortes einer Berührung eines Sensorfeldes, wobei das Sensorfeld ein ein- oder zweidimensionales Array kapazitiver Sensorelemente umfasst, die in jeweils gleichmäßigen Rasterabständen in jeder Dimension angeordnet sind, wobei fortlaufend Sensorsignalwerte der kapazitiven Sensorelemente gemessen werden, und wobei aus den gemessenen Sensorsignalwerten mittels Interpolation Schwerpunkte derselben in jeder Dimension ermittelt werden, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sensorelement an zumindest einem Rand des Sensorfeldes jeweils zumindest ein virtuelles Sensorelement zugeordnet wird, das sich im gleichen Rasterabstand außerhalb des Sensorfeldes befindet, und dem jeweils ein virtueller Sensorsignalwertverlauf zugeordnet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Ortes einer Berührung eines Sensorfeldes, wobei das Sensorfeld ein ein- oder zweidimensionales Array kapazitiver Sensorelemente umfasst, die in jeweils gleichmäßigen Rasterabständen in jeder Dimension angeordnet sind, wobei fortlaufend Sensorsignalwerte der kapazitiven Sensorelemente gemessen werden, und wobei aus den gemessenen Sensorsignalwerten mittels Interpolation Schwerpunkte derselben in jeder Dimension ermittelt werden.
• Für die Bestimmung des Ortes einer Berührung von Bedienfeldern mit berührungssensitiven Oberflächen werden Arrays von diskreten kapazitiven Sensoren verwendet. Der berührungsempfindliche Bereich kann dabei beispielsweise einen Anzeigebildschirm überlagern. In einer Anzeigeanwendung kann es der Berührungssensor dem Benutzer ermöglichen, direkt mit dem, was auf dem Bildschirm dargestellt wird, zu interagieren, und nicht nur indirekt mittels einer Maus oder einem ähnlichen Eingabegerät. Wenn ein Objekt die Oberfläche eines kapazitiven Berührungssensors berührt, tritt eine Änderung des Kapazitätswertes bzw. Sensorsignalwertes des Sensors auf. Aufgabe eines zugeordneten Sensorsteuergerätes bzw. des durch dieses verwendeten Messverfahrens ist es, diese Kapazitätsänderung zu verarbeiten.
• Die benötigte Positionsgenauigkeit in typischen Touch-Bedienfeldern ist deutlich höher, als die Separation der diskreten Sensoren eines Sensor Arrays. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um eine eindimensionale Sensoranordnung (z.B. Slider) oder zwei orthogonal zueinander orientierte Sensoranordnungen (z.B. Touchpad) handelt. Es ist weiterhin unerheblich, welches Messverfahren zur Ermittlung der Sensorsignale verwendet wird (z.B. Self-Capacitance, Mutual-Capacitance, ...). Dies liegt daran, dass die Sensorgröße so gewählt wird, dass ein hinreichend großes Signal zu Rausch Verhältnis der Sensorsignalamplitude erreicht wird, insbesondere auch bei Handschuhbedienung. Des Weiteren ist die Anzahl an Sensorkanälen aufgrund von Hardware-Anforderungen und Kosteneinfluss limitiert.
• Um die Position der Berührung des Bedienfeldes mit einer höheren Auflösung ermitteln zu können, als der des Rasterabstandes des verwendeten Arrays, werden Interpolationsverfahren angewendet. Mit diesen Verfahren ist eine sogenannte Subpixel-genaue Bestimmung des Berührungsortes möglich. Typische, aber nicht ausschließlich verwendete Interpolationsverfahren sind „gaussian approximation“ oder „center of mass“.
• Durch die US Offenlegungsschrift US 2010/0321328 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Ortes einer Berührung eines Sensorfeldes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt geworden. Bei dem hier beschriebenen Verfahren werden Kapazitätswerte eines zweidimensionalen Arrays kapazitiver Sensorelemente erfasst, die in einem gleichmäßigen Raster angeordnet sind. Die tatsächliche Position der Berührung wird hierbei unter Zugrundelegung einer charakteristischen Verteilungsfunktion der Sensorsignale und der Kenntnis der Sensorkoordinaten ermittelt, indem diese eine Gewichtung auf Basis der jeweiligen Sensorsignalamplituden erfahren.
• Die Genauigkeit einer solchen Positionserkennung nimmt zum Rand des Bedienfeldes ab, da dort nur wenige Sensoren ein signifikantes Sensorsignal aufweisen. Aufgrund der hohen Bauraumanforderungen mit Funktionsbereichen am äußersten Rand des Bedienfeldes, besteht der Wunsch, eine hohe Genauigkeit der Positionserfassung bis an den Rand zu ermöglichen, wobei weiterhin die etablierten, effizienten Interpolationsalgorithmen genutzt werden sollen.
• Dies gelingt beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, dass jedem Sensorelement an zumindest einem Rand des Sensorfeldes jeweils zumindest ein virtuelles Sensorelement zugeordnet wird, das sich im gleichen Rasterabstand außerhalb des Sensorfeldes befindet, und dem jeweils ein virtueller Sensorsignalwertverlauf zugeordnet wird.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein virtuelles Sensorelement mit seinem zugeordneten virtuellen Sensorsignalwert insbesondere dann in die Ermittlung des Schwerpunktes einbezogen wird, wenn das diesem zugeordnete reale Sensorelement einen höheren Sensorsignalwert aufweist als das dem virtuellen Sensorelement gegenüberliegend benachbarte reale Sensorelement.
• Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1: typische Sensorsignalwertverläufe S₁ bis S₅ für eine Sensoranordnung aus 5 Sensoren, an den Positionen X₁ bis X₅ im gleichen Abstand X_d zueinander linear angeordnet sind (links oben schematisch dargestellt)
• 2: die Sensorsignalwertverläufe S₁ bis S₅ aus 1 ergänzt um die virtuellen Sensorsignalwertverläufe virtueller Sensorelemente an den Positionen X₀ und X₆
• Zur Vereinfachung bezieht sich die folgende Beschreibung der Erfindung auf eine eindimensionale Sensoranordnung mit exemplarischen Abmessungen, die im Self-Capacitance Verfahren ausgewertet werden. Die Anwendung ist allerdings auch für andere Sensorabmessungen, Sensoranzahl und zweidimensionale Sensoranordnungen (z.B. Touchpads) gültig und des Weiteren unabhängig vom Messverfahren.
• Eine typische Sensoranordnung besteht aus n Sensoren, die im gleichen Abstand X_d zueinander linear angeordnet sind. In 1 ist dies links oben schematisch am Beispiel einer Anordnung von 5 Sensoren gezeigt.
• Diese 5 Sensoren liefern positionsabhängig typischerweise die in 1 zentral dargestellten Sensorsignalverläufe S₁ bis S₅ für die Sensoren an den Positionen X₁ bis X₅ .
• Ein typisches Interpolationsverfahren zur Bestimmung der Fingerposition auf Basis der Sensorsignalwerte S₁ und der Kenntnis der realen Sensorpositionen X_i ist das „center of mass“-Verfahren (COM). Die ermittelte Position X_Com berechnet sich dabei nach Formel (1) zu $$X_{COM}=\frac{{\displaystyle {\sum }_1^n{S}_i{X}_i}}{{\displaystyle {\sum }_1^n{S}_i}}$$

  
• Die folgenden Beschreibungen werden am Beispiel des COM Verfahrens ausgeführt, gelten aber auch für andere Interpolationsalgorithmen auf Basis von anderen Verteilungsfunktionen.
• Da die einzelnen Sensoren jeweils die gleiche Form und einen gleichbleibenden Abstand X_d aufweisen, haben auch die Sensorsignalwerte S₁ einen weitestgehend identischen positionsabhängigen Verlauf, der lediglich um jeweils X_d zueinander verschoben ist.
• Für Positionen bei denen die außen liegenden Sensoren (i=1) und (i=n), bzw. (i=5) im dargestellten Beispiel, den größten Sensorsignalwert S₁ bzw. Ss verglichen mit den anderen Sensorsignalwerten S₁ aufweisen, entsprechen die Sensorsignalwerte S₁ keiner symmetrischen Verteilung mehr, und der Interpolationsalgorithmus liefert fehlerhafte Fingerpositionen.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese fehlerhaften Positionsangaben korrigieren zu können, ohne von dem verwendeten Interpolationsalgorithmus abweichen zu müssen.
• Dazu werden virtuelle Sensorelemente definiert, die jedem Sensorelement am Rand des Sensorfeldes jeweils zugeordnet sind. Diese virtuellen Sensorelemente befinden sich im gleichen Rasterabstand X_d , den auch die realen Sensorelemente zueinander aufweisen, außerhalb des Sensorfeldes. Im vorliegenden Beispiel werden also virtuelle Sensorelemente an Positionen Xo und X₆ neben den beiden äußeren realen Sensorelementen bei X₁ und X₅ eingeführt.
• Den virtuellen Sensorelemente bei X₀ und X₆ werden jeweils virtuelle Sensorsignalwerte S₀ bzw. S₆ zugeordnet, die in der gleichen Weise wie die Sensorsignalwerte der realen Sensorelemente in die Ermittlung der Schwerpunkte einbezogen werden.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, aus der Kenntnis der Signalwertverläufe S_i(X) der realen Sensoren, Signalwertverläufe So(X) bzw. S_n+1(X) für die virtuellen Sensoren der Position X₀=X₁-X_d, bzw. X_n+1=X_n+X_d, abzuleiten.
• Weist also z.B. der Sensor (i=1) den größten Signalwert auf, wird der virtuelle Sensor (i=0) in der Auswertung hinzugezogen, und die Fingerposition im COM-Verfahren nach Formel (2a) berechnet: $$X_{COM+V}=\frac{{\displaystyle {\sum }_0^n{S}_i{X}_i}}{{\displaystyle {\sum }_0^n{S}_i}}$$

  
• Analog wird bei dem größten Signalwert für Sensor i=n der virtuelle Sensor (i=n+1) in die Berechnung einbezogen, nach Formel (2b) $$X_{COM+V}=\frac{{\displaystyle {\sum }_1^{n+1}{S}_i{X}_i}}{{\displaystyle {\sum }_1^{n+1}{S}_i}}$$

  
• Im Folgenden wird die Berechnung der Sensorsignalwerte des jeweiligen virtuellen Sensors erläutert, wobei die Herausforderung darin besteht, dass zum Zeitpunkt der Berechnung jeweils nur die Sensorsignalwerte S_i(X=const) für die aktuelle Position X=const zur Verfügung stehen.
• Aus Symmetriegründen gilt an der Position X_i+0.5X_d genau zwischen den Sensoren i und (i+1) die Beziehung (3) $$\begin{array}{l}{S}_i\left(X_i+\mathrm{0,5}{X}_d\right)=S_{i+1}\left(X_i+\mathrm{0,5}{X}_d\right)\\ S_{i-1}\left(X_i+\mathrm{0,5}{X}_d\right)=S_{i+2}\left(X_i+\mathrm{0,5}{X}_d\right)\end{array}$$

  
• Für Positionen X in direkter Umgebung von X_i+0.5X_d ändert sich der Abstand der Sensorsignalwerte von symmetrisch angeordneten Sensoren annähernd linear mit X und kann durch die Gleichungen (4) beschrieben werden $$\begin{array}{l}{S}_i\left(X\right)-S_{i+1}\left(X\right)=a\cdot \left(X_i+\mathrm{0,5}{X}_d-X\right)\\ S_{i-1}\left(X\right)-S_{i+2}\left(X\right)=b\cdot \left(X_i+\mathrm{0,5}{X}_d-X\right)\end{array}$$

  
• Wird also z.B. der Sensorsignalwert S_i-1 eines virtuellen Sensors (i-1) benötigt, so lässt sich dies aus den Sensorsignalwerten S_i, S_i+1 und S_i+2 ableiten, indem das Gleichungssystem (4) nach S_i-1 aufgelöst wird. Danach ergibt sich S_i-1 wie in Formel (5a) beschrieben. $$S_{i-1}=S_{i+2}+\frac{b}{a}\left(S_i-S_{i+1}\right)$$

  
• Analog gilt für die Herleitung des Sensorsignalwerts S_i+1 eines virtuellen Sensors (i+1) die Beziehung in Formel (5b) $$S_{i+1}=S_{i-2}+\frac{b}{a}\left(S_i-S_{i-1}\right)$$

  
• Die Parameter a und b sind charakteristisch für ein Sensorlayout, und sind unter anderem abhängig von der Größe und der Position der Sensoren.
• Aus der Kenntnis der Signalwertverläufe S_i(X) der realen Sensoren werden die Parameter a und b einmalig für ein Layout ermittelt. Für ein Sensor-Array aus n Sensoren werden dann über die Formeln (5a) und (5b) die Signalwertverläufe von virtuellen Sensoren (i = 0) und (i = n+1) ermittelt.
• Bei der tatsächlichen Positionsbestimmung einer Berührung des Sensorfeldes wird im Falle, dass eines der Randsensorelemente (i=1) oder (i=n) einen größeren Sensorsignalwert aufweist als das ihm auf der dem virtuellen Sensorelement gegenüberliegenden Seite direkt benachbarte reale Sensorelement, der Signalwertverlauf des diesem zugeordneten, virtuellen Sensorelements mit in den Interpolationsalgorithmus einbezogen.
• In 2 ist der so berechnete Sensorsignalwertverlauf S_{i virtuell}(X) im Vergleich zum tatsächlich erwarteten Sensorsignalwertverlauf S_{i real}(X) für das exemplarische Sensor Array aus 1 dargestellt. In der unmittelbaren Umgebung des betroffenen Randsensorelements (i=1) oder (i=n) stellt der so berechnete virtuelle Sensorsignalwertverlauf eine hinreichend gute Näherung für den tatsächlich erwarteten Verlauf dar.
• Im Falle einer zweidimensionalen Anordnung kapazitiver Sensorelemente sind diese in analoger Weise in einem gleichmäßigen Raster der Dimension n*m an Orten mit Koordinaten (Xi, Yj) angeordnet, wobei i und j jeweils Werte zwischen 1 und n bzw. m annehmen. In diesem Fall werden dann n*m Sensorsignalwerte Sij der kapazitiven Sensorelemente gemessen, und aus diesen gemessenen Sensorsignalwerten Sij mittels Interpolation Schwerpunkte X_Com und Ycom derselben in jeder Dimension ermittelt, die die Koordinaten des Ortes der Berührung des Sensorfeldes sind.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 2010/0321328 A1 [0005]

Claims (7)

1. Verfahren zum Bestimmen des Ortes einer Berührung eines Sensorfeldes, wobei das Sensorfeld ein ein- oder zweidimensionales Array kapazitiver Sensorelemente umfasst, die in jeweils gleichmäßigen Rasterabständen in jeder Dimension angeordnet sind, wobei fortlaufend Sensorsignalwerte der kapazitiven Sensorelemente gemessen werden, und wobei aus den gemessenen Sensorsignalwerten mittels Interpolation Schwerpunkte derselben in jeder Dimension ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sensorelement an zumindest einem Rand des Sensorfeldes jeweils zumindest ein virtuelles Sensorelement zugeordnet wird, das sich im gleichen Rasterabstand außerhalb des Sensorfeldes befindet, und dem jeweils ein virtueller Sensorsignalwertverlauf zugeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein virtuelles Sensorelement mit seinem zugeordneten virtuellen Sensorsignalwert in die Ermittlung des Schwerpunktes einbezogen wird, wenn das diesem zugeordnete reale Sensorelement einen höheren Sensorsignalwert aufweist als das dem virtuellen Sensorelement gegenüberliegend benachbarte reale Sensorelement.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente in einem gleichmäßigen Raster der Dimension n*m an Orten mit Koordinaten (Xi, Yj) angeordnet sind, wobei i und j jeweils Werte zwischen 1 und n bzw. m annehmen, dass n*m Sensorsignalwerte Sij der kapazitiven Sensorelemente gemessen werden, und dass aus den gemessenen Sensorsignalwerten Sij mittels Interpolation Schwerpunkte X_Com und Y_com derselben in jeder Dimension ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sensorelement an jedem Rand des Sensorfeldes jeweils zumindest ein virtuelles Sensorelement zugeordnet wird, das sich im gleichen Rasterabstand außerhalb des Sensorfeldes befindet, und dem jeweils ein virtueller Sensorsignalwertverlauf S_{0 j}(X,Y), Sn+_{1 j}(X,Y) S_{i 0}(X,Y), S_{i m+1}(X,Y) zugeordnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den bekannten Sensorsignalwertverläufen Sij(X,Y) der realen Sensorelemente zuvor berechnete Sensorsignalwertverläufe S_{0 j}(X,Y), S_{n+1 j}(X,Y) S_{i 0}(X,Y), Si _m+1(X,Y) der virtuellen Sensorelemente verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Ermittlung der Schwerpunkte der Sensorsignalwerte verwendete Interpolationsverfahren ein „center-of-mass“-Verfahren ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Ermittlung der Schwerpunkte der Sensorsignalwerte verwendete Interpolationsverfahren ein „gaussian approximation“-Verfahren ist.

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