DE10321563A1 - Control joystick sensor uses analogue Hall sensors with polar transformation of linearized Cartesian coordinates for threshold test procedure with hysteresis to determine discrete zone selection - Google Patents

Control joystick sensor uses analogue Hall sensors with polar transformation of linearized Cartesian coordinates for threshold test procedure with hysteresis to determine discrete zone selection Download PDF

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Abstract

A control joystick sensor uses analogue Hall sensors in two coplanar directions with linearization to create Cartesian coordinates that are transformed to polar coordinates with a threshold test procedure including hysteresis to determine the zone (1) in discrete position values (11, 12, ... 19).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung der Bewegung eines analogen Eingabeelements.The The invention relates to a method for evaluating the movement of a analog input element.

Analoge Eingabeelemente sind zur Bedienung von Geräten oder Funktionseinheiten (bsp. von Baugruppen oder Bauteilen) und damit zur Umsetzung der von einem Bediener gewünschten Vorgaben hinsichtlich deren Funktionsweise gebräuchlich (bsp. können diese analogen Eingabeelemente in Form eines Joysticks mit kreisförmiger Kulisse ausgebildet sein). Hierzu wird die in einer Ebene verlaufende Bewegung des analogen Eingabeelements in zwei Bewegungsrichtungen mittels mindestens eines Sensors analog erfasst, wobei die Sensorsignale (bsp. Spannungssignale) als Maß für die Position bzw. Bewegung des analogen Eingabeelements in x-Richtung und y-Richtung herangezogen werden. Diese Sensorsignale sind jedoch unlinear, asymmetrisch und beeinflussen sich gegenseitig. Dies ist bei vielen Anwendungsfällen problematisch, insbesondere wenn die Bewegung des analogen Eingabeelements einer klar abgegrenzten, diskrete Zustände erfordernden Menüauswahl oder einer Cursorsteuerung zugeordnet wird; in diesem Falle kann nur eine sehr begrenzte Anzahl dieser Zustände sinnvoll dargestellt werden, eine eindeutige Abgrenzung der unterschiedlichen Zustände ist oftmals nicht möglich.analog Input elements are used to operate devices or functional units (e.g. of assemblies or components) and thus to implement the desired by an operator Specifications regarding their mode of operation are common (e.g. they can analog input elements in the form of a joystick with a circular backdrop be trained). For this purpose, the movement running in one plane of the analog input element in two directions of movement at least one sensor is recorded in an analog manner, the sensor signals (e.g. Voltage signals) as a measure of the position or Movement of the analog input element in the x direction and y direction be used. However, these sensor signals are non-linear, asymmetrical and influence each other. This is problematic in many use cases especially if the movement of the analog input element is a clearly delineated, discrete states required menu selection or is assigned to a cursor control; in this case only a very limited number of these states can be meaningfully displayed, is a clear delimitation of the different states often not possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auswertung der Bewegung eines analogen Eingabeelements anzugeben, bei dem eine zuverlässige Angabe der Position und damit auch der Bewegung des analogen Eingabeelements ermöglicht wird.The The invention has for its object a method for evaluation to specify the movement of an analog input element in which a reliable Specification of the position and thus the movement of the analog input element is made possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.This The object is achieved by the Characteristic of claim 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.advantageous Embodiments of the invention form part of the further claims.

Erfindungsgemäß werden aus den abhängig von der Position des analogen Eingabeelements ausgegebenen analogen Sensorsignalen (bsp. aus Spannungswerten als Sensorsignalen) durch Linearisierung zweidimensionale kartesische Koordinatenwerte ermittelt und diese kartesischen Koordinatenwerte in Polarkoordinaten transformiert, d.h. in durch einen Winkelwert und einen Radiuswert definierte transformierte Koordinatenwerte umgewandelt; mittels der transformierten Koordinatenwerte werden Positionswerte als Maß für die Position des analogen Eingabeelements bestimmt und diese Positionswerte auf geeignete Weise ausgegeben. Falls anstelle kontinuierlicher Positionswerte diskrete Positionswerte bestimmt und ausgegeben werden sollen, wird vorzugsweise eine Schwellwertabfrage für die in Polarkoordinaten transformierten Koordinatenwerte durchgeführt, indem die transformierten Koordinatenwerte mit mindestens einem Schwellwert für den Winkelwert und/oder für den Radiuswert der transformierten Koordinatenwerte verglichen werden. insbesondere können durch entsprechende Schwellwertabfragen (einseitig offene oder beidseitig begrenzte) Positionsbereiche für die Position des analogen Eingabeelements festgelegt werden, innerhalb denen dem analogen Eingabeelement der jeweils gleiche diskrete Positionswert zugeordnet wird. Vorzugsweise wird bei der Schwellwertabfrage eine Hysterese vorgegeben (d.h. beim Vergleich des Winkelwerts mit dem zugeordneten Schwellwert bzw. den zugeordneten Schwellwerten und/oder beim Vergleich des Radiuswerts mit dem zugeordneten Schwellwert bzw. den zugeordneten Schwellwerten wird eine Hysterese berücksichtigt), wodurch Schwankungen bei der Erfassung und/oder bei der Auswertung der Sensorsignale und kurzzeitig wirkende Störungen unterdrückt werden können.According to the invention from the depending on the position of the analog input element output analog Sensor signals (e.g. from voltage values as sensor signals) Linearization of two-dimensional Cartesian coordinate values determined and transformed these Cartesian coordinate values into polar coordinates, i.e. transformed into defined by an angle value and a radius value Converted coordinate values; by means of the transformed coordinate values position values as a measure of the position of the analog input element and determines these position values appropriately spent. If instead of continuous position values to determine and output discrete position values preferably a threshold value query for those transformed into polar coordinates Coordinate values performed, by transforming the transformed coordinate values with at least one Threshold for the angular value and / or for the radius value of the transformed coordinate values are compared. in particular can by corresponding threshold value queries (open on one side or on both sides limited) position ranges for the position of the analog input element can be set within those of the analog input element have the same discrete position value is assigned. A is preferably used in the threshold value query Hysteresis specified (i.e. when comparing the angle value with the assigned one Threshold value or the assigned threshold values and / or when comparing the radius value with the assigned threshold value or threshold values hysteresis is taken into account), which causes fluctuations in the acquisition and / or evaluation of sensor signals and short-term disturbances are suppressed can.

Bei der Bewegung des analogen Eingabeelements kann die Bewegungsgeschwindigkeit des analogen Eingabeelements anhand dieser Positionswerte ermittelt werden, insbesondere durch einen Vergleich mindestens zweier zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten transformierten Koordinatenwerten; insbesondere kann hierdurch die Geschwindigkeit des analogen Eingabeelements bei der Bewegung des analogen Eingabeelements von einer Ausgangsposition hin zu einer Endposition ermittelt werden.at the movement of the analog input element can change the movement speed of the analog input element is determined on the basis of these position values become, in particular by comparing at least two to transformed coordinate values determined at different times; in particular, this can speed up the analog input element when moving the analog input element from a starting position towards an end position.

Als Sensor zur Erfassung der Bewegung des analogen Eingabeelements und damit zur Generierung von analogen Sensorsignalen (insbesondere von Spannungswerten) kann mindestens ein Hallsensor vorgesehen werden.As Sensor for detecting the movement of the analog input element and thus for the generation of analog sensor signals (in particular from Voltage values), at least one Hall sensor can be provided.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden insbesondere die aufgrund von geometrischen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten sowie der Sensorcharakteristiken verursachten Nichtlinearitäten der zur Erfassung der Bewegung des analogen Eingabeelements verwendeten Sensoren weitgehend kompensiert, insbesondere können bei der Bewegung des analogen Eingabeelements alle hierbei möglichen Bewegungsrichtungen gleichberechtigt angefahren werden und werden auch gleichzeitig erfasst. Bei einer Vorgabe diskreter Positionswerte bzw. Positionsbereiche für die Position des analogen Eingabeelements durch Schwellwertabfragen der Winkelwerte und/oder der Radiuswerte der transformierten Koordinatenwerte kann eine beliebige Anzahl dieser Positionswerte bzw. Positionsbereiche auf einfache Weise ohne gegenseitige Störungen definiert werden (die Positionswerte des analogen Eingabeelements haben einen gleichmäßigen Winkelabstand zu den Bereichsgrenzen der Positionsbereiche), insbesondere wenn Hysteresen bei den Schwellwertabfragen berücksichtigt werden.The method according to the invention in particular largely compensates for the non-linearities of the sensors used to detect the movement of the analog input element due to geometric and physical laws and the sensor characteristics; in particular, all possible directions of movement can be approached equally with the movement of the analog input element and are also carried out simultaneously detected. If discrete position values or position ranges are specified for the position of the analog input element by threshold value queries of the angle values and / or the radius values of the transformed coordinate values, any number of these position values or position ranges can be used can be defined in a simple manner without mutual interference (the position values of the analog input element have a uniform angular distance from the area limits of the position areas), in particular if hysteresis is taken into account in the threshold value inquiries.

Im Zusammenhang mit der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden.in the In connection with the drawing, an embodiment of the invention is intended explained become.

Hierbei zeigt die Figur die schematische Anordnung mehrerer der Position des analogen Eingabeelements zugeordneter diskreter Positionsbereiche.in this connection the figure shows the schematic arrangement of several of the position the discrete position ranges assigned to the analog input element.

Die Bewegung eines bsp. in Form eines Joysticks ausgebildeten analogen Eingabeelements ist bsp. einer Menüauswahl oder einer Cursorsteuerung zugeordnet. Hierzu müssen klar abgegrenzte Positionsbereiche definiert werden, innerhalb denen ein bestimmter Positionswert als Maß für die Position des analogen Eingabeelements ausgegeben wird. Bsp. werden 9 Positionsbereiche 1 definiert, denen jeweils ein unterschiedlicher Positionswert 11, 12,..., 19 zugeordnet wird. Sobald das analoge Eingabeelement bei seiner Bewegung einen dieser durch die Bereichsgrenzen 40 abgegrenzten Positionsbereiche 1 erreicht, wird der diesem Positionsbereich 1 zugeordnete Positionswert 11, 12,..., 19 ausgegeben.The movement of an example In the form of a joystick, an analog input element is, for example. assigned to a menu selection or a cursor control. For this purpose, clearly defined position ranges must be defined within which a specific position value is output as a measure of the position of the analog input element. For example, 9 position ranges 1 defined, each of which has a different position value 11 . 12 , ..., 19 is assigned. As soon as the analog input element moves one of these through the range limits 40 delimited position ranges 1 this position range is reached 1 assigned position value 11 . 12 , ..., 19 output.

Hierzu wird die Bewegung des analogen Eingabeelements mittels zweier Hallsensoren erfasst und als analoge Sensorsignale (Analogwerte) ein Spannungswert Ux in x-Richtung und ein Spannungswert Uy in y-Richtung ausgegeben, bsp. in digitalisierter Form durch Auslesen zweier Kanäle eines A/D-Wandlers. Hieraus wird die Position des analogen Eingabeelements durch zweidimensionale Linearisierung der Analogwerte in kartesischen Koordinaten (x, y) bestimmt, bsp. werden die kartesischen Koordinatenwerte x, y mittels zweier linear interpolierter Kennfelder oder mittels Polynomberechnung bestimmt: x = f1(Ux, Uy) y = f2(Ux, Uy). For this purpose, the movement of the analog input element is detected by means of two Hall sensors and a voltage value Ux in the x direction and a voltage value Uy in the y direction are output as analog sensor signals (e.g. in digitized form by reading out two channels of an A / D converter. From this, the position of the analog input element is determined by two-dimensional linearization of the analog values in Cartesian coordinates (x, y), e.g. the Cartesian coordinate values x, y are determined using two linearly interpolated maps or using polynomial calculation: x = f1 (Ux, Uy) y = f2 (Ux, Uy).

Aus diesen kartesischen Koordinatenwerten x, y erhält man (bsp. unter Verwendung eines Mikroprozessors) durch Transformation in Polarkoordinaten transformierte Koordinatenwerte (r, φ) mit einem Radiuswert r und einem Winkelwert φ, bsp. durch Invertierung (Umkehrung) der kartesischen Koordinatenwerte x = r·sin(φ), y = r·cos(φ) mittels zweier linear in terpolierter Kennfelder oder durch mathematische Umformung dieser trigonometrischen Formeln (bsp. durch Division der entsprechenden Gleichungen).Out These Cartesian coordinate values x, y are obtained (e.g. using of a microprocessor) by transformation into polar coordinates transformed coordinate values (r, φ) with a radius value r and an angle value φ, E.g. by inverting (reversing) the Cartesian coordinate values x = r · sin (φ), y = r · cos (φ) by means of two linearly in terpolated maps or by mathematical transformation of these trigonometric formulas (e.g. by dividing the corresponding Equations).

Die zweidimensionale Linearisierung der Spannungswerte Ux, Uy und die Koordinatentransformation der kartesischen Koordinatenwerte x, y kann hierbei zusammengefasst werden, insbesondere durch lineare Interpolation von die Spannungswerte Ux, Uy und die kartesischen Koordinatenwerte x, y beinhaltenden Kennfeldern: r = f3(Ux, Uy) φ = f4(Ux, Uy). The two-dimensional linearization of the voltage values Ux, Uy and the coordinate transformation of the Cartesian coordinate values x, y can be summarized here, in particular by linear interpolation of characteristic diagrams containing the voltage values Ux, Uy and the Cartesian coordinate values x, y: r = f3 (Ux, Uy) φ = f4 (Ux, Uy).

Durch eine kombinierte Schwellwertabfrage, insbesondere durch einen Schwellwertvergleich der Radiuswerte r mit entsprechenden Schwellwerten r1, r2 und der Winkelwerte φ mit entsprechenden Schwellwerten φ1, φ2 wird der zugehörige Positionsbereich 1 ermittelt und diesem der entsprechende Positionswert 11, 12,..., 19 zugeordnet.The associated position range is determined by a combined threshold value query, in particular by a threshold value comparison of the radius values r with corresponding threshold values r1, r2 and the angle values φ with corresponding threshold values φ1, φ2 1 determined and this the corresponding position value 11 . 12 , ..., 19 assigned.

Positionsbereich 1 = wenn (φ1 < φ < φ2 UND r1 < r < r2).position range 1 = if (φ1 <φ <φ2 AND r1 <r <r2).

Bsp. werden die Radiuswerte r mit einem Schwellwert r1 verglichen (hierdurch wird ein einseitig offener Bereich definiert) und die Winkelwerte φ mit 8 Schwellwerten φ1, φ2,..., φ8 (hierdurch werden 9 Segmente definiert).E.g. the radius values r are compared with a threshold value r1 (thereby an area open on one side is defined) and the angle values φ with 8 threshold values φ1, φ2, ..., φ8 (hereby 9 segments are defined).

Hierbei kann bei der Schwellwertabfrage eine Hysterese durch Vorgabe eines Hysteresebands 20 berücksichtigt werden (somit werden geringfügige Überschreitungen der Bereichsgrenzen 40 der Positionsbereiche 1 toleriert, insbesondere geringfügige Überschreitungen δ bei den Winkelwerten φ und d bei den Radiuswerten r):
Positionsbereich 1 = wenn (φ1 – δ < φ < φ2+δ UND r1 – d < r < r2+d).In the threshold value query, a hysteresis can be set by specifying a hysteresis band 20 are taken into account (thus slight exceedances of the range limits 40 the position ranges 1 tolerated, especially slight exceedances δ for the angle values φ and d for the radius values r):
position range 1 = if (φ1 - δ <φ <φ2 + δ AND r1 - d <r <r2 + d).

Hierdurch wird zur Unterdrückung von Schwankungen oder kurzzeitigen Störungen ein durch das Hystereseband 20 gegenüber dem Positionsbereich 1 vergrößerter Toleranzbereich 30 definiert, in dem dem analogen Eingabeelement der gleiche entsprechende Positionswert 11, 12,..., 19 zugeordnet wird.This is used to suppress fluctuations or short-term disturbances caused by the hysteresis band 20 towards the position area 1 increased tolerance range 30 defined in the analog input element the same corresponding position value 11 . 12 , ..., 19 is assigned.

Der ermittelte Positionsbereich 1 bzw. dessen Positionswert 11, 12,..., 19 wird als Ausgabewert ausgegeben und kann bsp. zur Steuerung der Bewegung eines Cursors auf einer Karte (bsp. einer Landkarte) oder zur Steuerung der Bewegung für die Menüauswahl eines Menüs (bsp. eines Menüs für einen CD-Spieler) oder zur Steuerung eines Kraftfahrzeugs bsp. mittels eines Steuerknüppels (Joysticks) verwendet werden.The determined position range 1 or its position value 11 . 12 , ..., 19 is output as an output value and can e.g. to control the movement of a cursor on a map (e.g. a map) or to control the movement for menu selection of a menu (e.g. a menu for a CD player) or to control a motor vehicle e.g. by means of a joystick.

Claims (10)

Verfahren zur Auswertung der Bewegung eines analogen Eingabeelements, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Ebene verlaufende Bewegung des analogen Eingabeelements in zwei Bewegungsrichtungen mittels mindestens eines Sensors erfasst wird und abhängig von der Position des analogen Eingabeelements analoge Sensorsignale ausgegeben werden, dass aus den analogen Sensorsignalen durch Linearisierung zweidimensionale kartesische Koordinatenwerte (x, y) ermittelt werden, dass die kartesischen Koordinatenwerte (x, y) in durch einen Winkelwert (φ) und einen Radiuswert (r) definierte transformierte Koordinatenwerte (r, φ) umgewandelt werden, und dass mittels der transformierten Koordinatenwerte (r, φ) Positionswerte für die Position des analogen Eingabeelements bestimmt und ausgegeben werden.Method for evaluating the movement of an analog input element, characterized in that that the movement of the analog input element in one plane is detected in two directions of movement by means of at least one sensor and, depending on the position of the analog input element, analog sensor signals are output, that two-dimensional Cartesian coordinate values (x, y) are determined from the analog sensor signals by linearization, that the Cartesian coordinate values (x, y) are converted into transformed coordinate values (r, φ) defined by an angle value (φ) and a radius value (r), and that by means of the transformed coordinate values (r, φ) position values for the position of the analog Input element determined and output. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Schwellwertabfrage der transformierten Koordinatenwerte (r, φ) diskrete Positionswerte bestimmt und ausgegeben werden.A method according to claim 1, characterized in that through a threshold value query of the transformed coordinate values (r, φ) discrete position values are determined and output. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schwellwertabfrage ein Positionsbereich (1) für die Position des analogen Eingabeelements festgelegt wird, dem ein bestimmter diskreter Positionswert (11, 12,..., 19) zugeordnet wird.Method according to Claim 2, characterized in that a position range ( 1 ) for the position of the analog input element to which a certain discrete position value ( 11 . 12 , ..., 19 ) is assigned. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsbereich (1) durch mindestens einen Schwellwert (φ1, φ2,..., φ2) für den Winkelwert (φ) und mindestens einen Schwellwert (r1) für den Radiuswert (r) festgelegt wird.A method according to claim 3, characterized in that the position range ( 1 ) is determined by at least one threshold value (φ1, φ2, ..., φ2) for the angular value (φ) and at least one threshold value (r1) for the radius value (r). Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Schwellwertabfrage eine Hysterese vorgegeben wird.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that that a hysteresis is specified in the threshold value query. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des analogen Eingabeelements durch einen Vergleich mindestens zweier transformierter Koordinatenwerte ermittelt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the speed of movement of the analog input element by a Comparison of at least two transformed coordinate values determined becomes. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit bei der Bewegung des analogen Eingabeelements von einer Ausgangsposition zu einer Endposition ermittelt wird.A method according to claim 6, characterized in that the rate of motion when moving the analog Input element from a starting position to an ending position is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von der Position des analogen Eingabeelements abhängige Spannungswerte (U) als Sensorsignale ausgegeben werden.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that that voltage values dependent on the position of the analog input element (U) are output as sensor signals. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des analogen Eingabeelements mittels mindestens eines Hallsensors erfasst wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that that the movement of the analog input element by means of at least of a Hall sensor is detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Auswertung der Bewegung eines analogen Eingabeelements in Form eines Steuerknüppels.Method according to one of claims 1 to 9 for evaluation the movement of an analog input element in the form of a joystick.
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