EP1696300A1 - Optischer Joystick - Google Patents

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EP1696300A1
EP1696300A1 EP05004134A EP05004134A EP1696300A1 EP 1696300 A1 EP1696300 A1 EP 1696300A1 EP 05004134 A EP05004134 A EP 05004134A EP 05004134 A EP05004134 A EP 05004134A EP 1696300 A1 EP1696300 A1 EP 1696300A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
sensors
radiation sensors
joystick
lever
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05004134A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Waidhas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to EP05004134A priority Critical patent/EP1696300A1/de
Publication of EP1696300A1 publication Critical patent/EP1696300A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05GCONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
    • G05G9/02Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
    • G05G9/04Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
    • G05G9/047Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05GCONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
    • G05G9/02Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
    • G05G9/04Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
    • G05G9/047Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
    • G05G2009/0474Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks characterised by means converting mechanical movement into electric signals
    • G05G2009/04759Light-sensitive detector, e.g. photoelectric

Definitions

  • the invention relates to an optical joystick.
  • a joystick or joystick includes a base and a lever that is movable with respect to the base.
  • the position of the lever relative to the base is converted into electrical signals.
  • the position of the lever is also understood to mean the deflection of the lever with respect to the zero point position.
  • the focus of the joystick applications lies in the two-dimensional XY position determination. Two independent electrical X and Y signals are generated, which are traditionally generated via resistance taps each of a sliding or rotational resistance with linear characteristic. However, there are also one-dimensional controls.
  • a joystick is known, which determines the position of the joystick on the basis of light sensors, wherein the measured light quantity of the light sensors is used to determine the position.
  • the object of the present invention is therefore to make available an optical joystick or a method for determining the position which at least partially avoids the disadvantages mentioned. This object is achieved by the joystick according to claim 1 or by a method according to claim 27.
  • Advantageous developments of the invention are defined in the subclaims.
  • a joystick comprising a lever, a radiation device and a number of radiation sensors, wherein the radiation device generates a cone of rays and the cone of rays is movable by moving the lever relative to the radiation sensors, characterized in that binary signals are emitted by the radiation sensors. Signals are derived, which indicate the position of the lever with respect to the radiation sensors. Due to this configuration, the position of the beam cone on the radiation sensors and thus the position of the lever is determined wear-free and also precise. The deriving of binary signals also allows the digital further processing of the information about the position of the radiation source with respect to the radiation sensors, and ultimately the position of the lever relative to the joystick base.
  • the radiation device comprises a radiation source, wherein the radiation source is attached to the lever.
  • the radiation device comprises a radiation source and a radiation-reflecting device, wherein the radiation-reflecting device is attached to the lever and the radiation-reflecting device can be illuminated by the radiation source.
  • the radiation sensors are arranged as a matrix, in particular as a cross-matrix or as a solid matrix. If the lever of the joystick can only be deflected in two directions, a cross matrix is preferably used. Is the lever of the Joysticks deflected in all directions, preferably a full matrix is used.
  • the radiation sensors are mounted on a preferably flat surface.
  • the flat surface is aligned horizontally with the lever in a zero position. This ensures that the lever always has the same distance to the surface at a predetermined deflection angle of the lever regardless of the deflection direction.
  • the radiation source comprises at least one light-emitting diode (LED), preferably an infrared light-emitting diode.
  • the radiation sensors comprise light sensors, preferably infrared light sensors. The use of an infrared light-emitting diode and infrared light sensors makes the joystick insusceptible to daylight and artificial light or other extraneous light sources.
  • the radiation device is preferably constructed in such a way that the cone of rays can simultaneously illuminate a plurality of radiation sensors.
  • the radiation sensors can be connected to an electronic circuit for evaluating the position of the cone of rays relative to the infrared light sensors.
  • the transmitter generates from the derived from the radiation sensors binary signals two analog signals, which represent the position of the beam cone with respect to the infrared light sensors.
  • the analogue signals can then be further processed analogously outside the joystick, for example.
  • the sensor matrix comprises a plurality of rows and columns, wherein the radiation sensors of the matrix are connected to each other line by line and column by column.
  • the columns of the matrix are selected in the transmitter in time-division multiplex mode via a line decoder.
  • a transistor of one row will turn on precisely when a predetermined intensity of radiation is incident on an infrared light sensor of that row and if that infrared light sensor is on the column selected by the line decoder.
  • a transistor of one row blocks below the predetermined radiation intensity, this switching point being set via a resistor at the base of the transistor and a capacitor in parallel with this resistor. This ensures that an entire column of the matrix is available at the transistors of the rows for readout.
  • By adjusting the switching point of the transistors it is possible to determine how much radiation intensity must be incident on an infrared light sensor for the corresponding transistor to switch. Furthermore, a different switching point can be defined for each line.
  • a switched transistor represents a binary 1 signal and a latched transistor represents a binary 0 signal.
  • the evaluation electronics preferably have analog multiplexers for generating analog signals from the binary signals.
  • the evaluation electronics have low-pass filters for determining the average values from the analog signals.
  • the low passes allow averaging over the time of the detected analog signals of the rows or columns.
  • the radiation sensors are preferably arranged symmetrically. Such an arrangement makes it possible that the position of the beam cone with respect to the radiation sensors can be evaluated in all directions with the same accuracy.
  • the binary signals derived from the radiation sensors represent Cartesian coordinates for the lever position.
  • a method for determining the position of a lever with respect to a number of radiation sensors wherein the beam cone is moved by moving the lever relative to the radiation sensors, characterized in that binary signals are derived from the radiation sensors, which Specify the position of the cone of rays with respect to the radiation sensors.
  • the beam cone generated by the radiation device is incident on the radiation sensors, wherein the beam cone simultaneously illuminates a plurality of radiation sensors. This avoids that no radiation sensor is illuminated when moving the lever.
  • the radiation sensors are connected to an electronic circuit, wherein the electronic circuit derives from the radiation sensors a number of binary signals and converts them into two analog signals.
  • analog signals are made available for further processing, which represent the position of the cone of rays with respect to the radiation sensors.
  • the binary signals on the rows are derived column by column from the radiation sensors, wherein the selection of the columns takes place periodically in time division multiplex mode and wherein the transistors connected to the rows generate binary 0 and 1 signals by their switching.
  • the binary signals at the columns are generated by a logical AND of all rows with the respective selected column, with all rows being logically ORed together.
  • analog signals are generated per row and column, the binary 1 signals of each row and each column being represented by analog signals of different voltage.
  • a radiation sensor is thus assigned two - in pairs unique - voltage values with regard to its position in the matrix.
  • all analog signals of the rows and all analog signals of the columns are connected together to form an analog signal for the rows or to an analog signal for the columns.
  • These two analog signals - for rows and columns - represent the voltage value for the current column and row.
  • an analog signal is generated, which corresponds in each case to the arithmetic mean value over time.
  • at least one resolution is achieved, as is achieved with joysticks with potentiometers.
  • This joystick is characterized mainly by a very simple and almost wear-free functioning basic structure.
  • the radiation source 2 is firmly connected to the lever 1, in such a way that the emitted rays of the radiation source 2 can be incident on the radiation sensors 3.
  • Two flexible cables supply the radiation source 2 permanently with working current. By moving the lever 1, the position of the radiation source 2 thus also moves relative to the radiation sensors 3.
  • the distance between the radiation sensors 3 to each other and the radiation source 2 is selected such that the beam cone 7 generated by the radiation source 2 from each position of the radiation source 2 impinges at least one radiation sensor 3 at any time.
  • the risk is met that under certain circumstances no radiation sensor 3 is illuminated by the beam cone 7.
  • the radiation sensors 3 are arranged as a matrix, two special forms being the full matrix and the cross matrix. Other forms of the matrix, such as a triangular matrix, are also possible. Which form of matrix is used essentially depends on the possible deflections of the lever 1, for example. If the lever 1 can be deflected only in two directions, a cross-matrix is preferably used, the radiation sensors 3 being arranged along the directions of movement of the radiation source 2. If the lever 1 is fully deflectable in all directions, a full matrix will preferably be used. In a solid matrix, the entire deflection surface of the radiation source 2 is equipped with radiation sensors 3, wherein the radiation sensors 3 are preferably arranged symmetrically.
  • the radiation sensors 3 are mounted on a preferably flat surface, wherein the surface is aligned horizontally to the lever 1 in the zero position.
  • the surface may also be formed as a curved surface, thereby ensuring that the illuminated by the beam cone 7 surface always remains constant.
  • the radiation source 2 is here an infrared light emitting diode.
  • the radiation sensors 3 are designed here as infrared light sensors. It is also possible to use CMOS sensors, such as those used in digital cameras, as radiation sensors 3.
  • FIG. 2 shows a sensor matrix 9 as a solid matrix with 225 radiation sensors 3.
  • the sensors d1 to d13 here show thirteen of these 225 radiation sensors 3.
  • the matrix of the radiation sensors 3 is connected to an evaluation unit 4.
  • the two embodiments of the evaluation electronics 4 described below use infrared light sensors 3, these being arranged as a full matrix.
  • the basic principle of the transmitter 4 is applicable to any form of matrix.
  • For connecting the radiation sensors 3 to the transmitter 4 can be used as a multipolar cable.
  • the transmitter 4 is used to evaluate the position of the radiation source 2 relative to the radiation sensors 3.
  • the transmitter 4 generates two analog signals from a plurality of binary signals. In this case, in the time-division multiplex operation, all output values read out via the evaluation electronics 4 are detected and processed further for each row and for each column when interrogating the matrix. All values are used to calculate the arithmetic mean over time and thus serve to determine the analog output signals. Due to the structure of the transmitter 4 described below - despite digital detection of the lever position - no approach of a reference point when switching the joystick required. A one-time zero adjustment takes place during the production of the joystick by a calibration. With the transmitter 4 can be almost any output voltages, represented by the two analog signals, between Uout min and Uout max realize. U-out min represents the smallest possible output voltage, Uout max represents the largest possible output voltage.
  • the infrared light sensors 3 are connected to one another line by line and column by column and thus form a matrix.
  • the collectors of the infrared light sensors 3 of a column are connected to one another and the emitters of the infrared light sensors 3 of a row are connected to one another.
  • FIGS. 3 and 4 each illustrate an embodiment of the evaluation electronics 4.
  • the columns of the sensor matrix 9, to which the voltage, the input signal, is applied cyclically, are used as the lines of the sensor matrix 9 to serve as an exit.
  • the columns are cyclically set to high level, so that exactly one column is always set to high level.
  • a high-level column represents an "active" column.
  • the control of the columns via a line decoder 8 with downstream pnp transistors in emitter circuit. These transistors thus apply a high level to all collectors of the infrared light sensors 3 of the active column.
  • the clock for the cyclical selection of columns receives the line decoder 8 from a clock 18th
  • Each row of the sensor matrix 9 is connected to exactly one npn transistor in emitter circuit with high current gain. These transistors operate in switch mode. If an infrared light sensor 3 of the active column strikes radiation of the radiation source 2, this results in a base current at the transistor of the corresponding row. Such a through-connected transistor represents a binary 1 signal with respect to the infrared light sensor 3 of the active column and the line of the transistor, while a non-switched transistor represents a binary 0 signal. Collector resistances against + 5V ensure a trouble-free further processing with TTL level.
  • each line transistor connected to all the emitters of the infrared light sensors 3, there is a resistance to ground and a capacitor in parallel to.
  • the resistor adjusts the switching point and ensures that the line transistors quickly block with very small infrared light radiation.
  • the capacitor suppresses very short interference pulses, which would lead to a short-term switching of the infrared light sensors 3. Without these measures, very small infrared radiation and very short interfering pulses could negatively affect the evaluation of the measurement signal.
  • all rows of the sensor matrix 9 are logically linked to the columns of the sensor matrix 9.
  • all outputs of the lines are first of all OR-linked.
  • the resulting new signal is ANDed with the input signal of the active column. So if there is at least one infrared light sensor 3 on the active column, which receives enough infrared light radiation from the radiation source 2 so that the line transistor can switch through the corresponding row, then the input signal of the active column represents a binary 1 signal. the active column, otherwise a binary 0 signal.
  • the first exemplary embodiment of the evaluation electronics 4 shown in FIG. 3 has a dual analogue multiplexer.
  • the rows of the sensor matrix 9 are each connected to Schmitt trigger inverter 14.
  • the ORing of the rows is realized using Schottky diodes.
  • the anodes of the Schottky diodes are each connected to the outputs of the Schmitt trigger inverter 14.
  • the cathodes of the Schottky diodes are connected together to form the OR-linked signal.
  • the principle described above for determining the binary signals of the columns is realized in this embodiment with the aid of line drivers 13.
  • each column of the sensor matrix 9 is linked to a line driver 13.
  • the above-described OR-linked lines are linked to the enable inputs of all line drivers and thus constitute an AND connection of the OR-linked lines with the respective column.
  • each row and each column of the sensor array 9 is represented by a voltage.
  • the voltage range between U min and U max of the voltage divider 10 can be varied.
  • U min is the smallest on the voltage divider 10 tapped voltage
  • U max is the largest voltage divider 10 tapable voltage.
  • the voltage divider 10 are each constructed of exactly one resistor less than columns or rows are present. In this embodiment, the voltage divider 10 consists of the same size resistors.
  • the voltage divider 10 can also be constructed from resistors of different sizes.
  • a voltage divider 10 can be constructed with a non-linear rise of the voltages that can be tapped off.
  • a voltage divider constructed in this way can be used, for example, when a positive or negative acceleration is to be controlled by a joystick.
  • voltage divider 10 there are as many voltage sources as there are rows or columns. Each voltage source represents by its voltage the binary 1-signal of a row or a column. The voltages are provided individually by analog multiplexer 11 for further processing. Each voltage source is connected to an analog multiplexer 11, the voltage source being used as the input signal of the analog multiplexer 11.
  • Each of these analog multiplexers 11 is connected to a row via a Schmitt trigger inverter 14 or to a column via a line driver 13, the signals of the rows or columns serving as control signals of the analog multiplexers 11.
  • the outputs of the analog multiplexers 11 of the rows and the columns are respectively connected to each other and thus represent the current column or row signal in analog form. If, for example, a binary 1 signal is present on one line, the analog multiplexer connected to this line provides the corresponding voltage of the voltage source at the output.
  • the interconnected outputs of the analog multiplexers 11 for rows and columns are each connected to a low-pass filter 12 with a small time constant. With these low-pass filters 12, the averaging of the analog signals takes place. Thus, an output voltage corresponding to the arithmetic mean value of the voltages over time is generated for the columns or for the rows.
  • Fig. 4 shows a second embodiment of the transmitter 4 with an analog multiplexer.
  • a common analog multiplexer is used here for generating the analog signals for rows and columns per row and column. For this reason, within a clock in which one column of the sensor matrix 9 is active, the binary signals of the columns and the binary signals of the rows must be processed.
  • a selection signal is generated with the aid of a D-flip-flop, which operates as a 2: 1 divider 15, which provides the binary signals of the lines for processing within a clock initially and then the binary signals of the columns.
  • the 2: 1 divider 15 has two outputs. One output represents the processing of the rows (row output), the other output represents the processing of the columns (column output). The outputs of the 2: 1 divider 15 thus provide alternately a high signal.
  • the lines of the sensor matrix 9 are each connected to a Schmitt trigger inverter 14 here.
  • the enable input of the Schmitt trigger inverter 14 is connected to the row output of the 2: 1 divider 15.
  • This Schmitt trigger inverter 14 switches as only when the row output of the 2: 1 divider 15 carries a HIGH level.
  • the ORing of the lines is analogous to the first embodiment.
  • the OR-linked signal is applied to an input of a Schmitt trigger NAND gate.
  • the column output of the 2: 1 divider 15 is applied to the second input of this Schmitt trigger NAND gate.
  • the principle described above for determining the binary signals of the columns is realized in this embodiment with the aid of line drivers 13.
  • each column of the sensor matrix 9 is linked to a line driver 13.
  • the output of the Schmitt trigger NAND gate is tied to the enable inputs of all line drivers 13.
  • the outputs of the line driver 13 for the columns thus provide, while at the column output of the 2: 1 divider 15 is applied to a high level, an AND operation of the OR-linked rows with the respective column.
  • the outputs of the Schmitt trigger inverters 14 are each connected to a line driver 13. These line drivers 13 are only active when the Schmitt trigger inverter 14 is enabled.
  • the line drivers 13 for columns and rows are thus active alternately within one cycle.
  • one row and one column of the sensor matrix 9 are each represented by a common voltage.
  • the voltage sources are generated analogously to the first exemplary embodiment via a low-resistance loaded voltage divider 10.
  • one voltage source is provided for each row and one column, which voltage represents the binary 1-signal of a row or a column.
  • the voltages are provided individually by analog multiplexer 11 for further processing.
  • An analog multiplexer 11 is connected to each voltage source.
  • the outputs of the line driver 13 for rows and columns are respectively connected in parallel to the inputs of the analog multiplexers 11 and serve as control signals for the analog multiplexers 11.
  • the outputs of the analog multiplexers 11 are interconnected and thus represent the current column or row signal in analogous form, depending on which output of the 2: 1 divider 15 leads to a HIGH level.
  • This analog signal is forwarded to an analog demultiplexer 16.
  • each have a low pass 12 is connected.
  • the output signal of a low-pass filter 12 represents the analog signal of the rows, while the output of the other low pass 12 represents the analog signal of the columns.
  • the analog demultiplexer 16 forwards the received signal to a respective low-pass 12 with a small time constant. Which output of the analog demultiplexer 16 must pass through the received signal, this decides on its control signals.
  • the control signals are received by the analog demultiplexer 16 from the 2: 1 divider 15.
  • the low-pass filters 12 the averaging of the analog signals takes place.
  • an output voltage corresponding to the arithmetic mean value of the voltages over time is generated for the columns or for the rows.
  • the outputs of the low-pass filters 12 are each connected to a rail-to-rail analog operational amplifier 17, with which an impedance matching is performed and the output voltage is adjusted according to the required output voltage values.
  • a further low-pass filter is connected to these rail-to-rail analog operational amplifiers 17 with which the alternating components of the analog signals are filtered out.
  • Another analog operational amplifier ultimately sets the output voltage range.
  • an electronic circuit for generating a second reference signal an adjustable inverter for both axes, may be connected downstream.
  • a commercially available infrared LED (CN106, LD274) is used as the radiation source 2.
  • the full matrix 9 is composed of 15 x 15 sensors 3 in SMD technology "1206".
  • the distance of the radiation source 2 to the sensor matrix 9 is about seven centimeters. Using smaller sensors, this distance can also be reduced. The best results for the evaluation are achieved with four to sixteen illuminated sensors 3 simultaneously.
  • the transmitter 4 is here completely constructed with commercially available discrete standard components in CMOS technology.
  • the transmitter 4 is connected to the sensor matrix 9 via a 34-pin cable, with 32 pins occupied.
  • the radiation source 2, the radiation sensors 3 and the entire evaluation electronics 4 work with a single 5V supply.
  • the power consumption of the entire electronics is less than 100 mA.
  • the line decoder 8 is a 4-to-16 line decoder (74HCT154).
  • As the line transistors high current gain type BC847C transistors are used.
  • the resistors to ground on the line transistors have a resistance of 22 k ⁇ , the capacitors in parallel to a capacitance of 27 nF.
  • the Schmitt Trigger Inverter (74HCT14) is used.
  • As line driver 13 are each 2 pieces 74HCT241 used.
  • the OR operation is realized with Shottky type LL103 diodes.
  • the Schmitt trigger NAND gate is of type HCT4093.
  • the voltage divider 10 is constructed with fourteen 100 ⁇ resistors connected in series with a 10 k ⁇ resistor applied to each voltage tap.
  • analog multiplexer 11 the type CD4066 is used.
  • the time constant for the low-pass filter 12 is 100 ⁇ s.
  • a time constant of 100 ms is selected for the subsequent low-pass filter.
  • a cross-matrix is used, with seven sensors 3 being used for each deflection direction of the joystick along the four directions of movement.
  • the transmitter 4 is much smaller and easier than when using a full matrix.
  • the states of the sensors of the cross matrix need not be determined in multiplex mode. This eliminates the clock 18 and the line decoder 8. Furthermore, this eliminates the line driver 13, the Schmitt trigger inverter 14 and the 2: 1 divider 15th
  • a one-dimensional matrix is used.
  • movements or deflections of the lever can be detected along a straight line.
  • the joysticks according to the invention achieve at least the resolution of conventional joysticks with potentiometers.
  • the radiation device comprises, in addition to a radiation source, a radiation-reflecting device.
  • the beam reflecting device is attached to the lever 1 of the joystick.
  • a mirror is used.
  • the radiation source 2 is mounted in or on the joystick so that it can irradiate the mirror at any time.
  • the radiation source 2 is mounted on the same surface on which the radiation sensors 3 are mounted. The radiation source 2 and the radiation sensors 3 can then be supplied with a single power supply. This further increases the robustness of the joystick, since the lever 1 no power is needed.
  • the mirror deflects the incident radiation of the radiation source 2 from, while simultaneously generating a beam cone 7 that the beam cone 7 is incident on the radiation sensors 3 and thus makes the position of the lever using the beam cone 7 determinable.
  • This embodiment also discloses independent of the digital evaluation of the radiation sensors 3 by the evaluation electronics 4 a separate invention.

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Abstract

Joystick, aufwiesend einen Hebel (1), eine Strahlungseinrichtung und eine Anzahl von Strahlungssensoren (3), wobei die Strahlungseinrichtung einen Strahlenkegel (7) erzeugt und der Strahlenkegel (7) durch Bewegen des Hebels (1) relativ zu den Strahlungssensoren (3) bewegbar ist, wobei von den Strahlungssensoren (3) Binär-Signale ableitbar sind, welche die Position des Hebels (1) bezüglich der Strahlungssensoren (3) angeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optischen Joystick.
  • In der Fahrzeugindustrie, insbesondere auf Spezialfahrzeugen, wie etwa auf Gabelstaplern, werden zur ergonomisch optimierten Steuerung des Fahrbetriebs und vor allem für hydraulische Steuerungen Joysticks verwendet. Ein Joystick oder Steuerknüppel umfasst eine Basis und einen Hebel, der bezüglich der Basis bewegbar ist. Hierbei wird die Position des Hebels relativ zu der Basis in elektrische Signale umgesetzt. Unter der Position des Hebels wird auch die Auslenkung des Hebels bezüglich der Nullpunktposition verstanden. Der Schwerpunkt der Joystick-Anwendungen liegt dabei in der zweidimensionalen XY-Positionsermittlung. Dabei werden zwei unabhängige elektrische X- und Y-Signale generiert, die traditionell über Widerstandsabgriffe jeweils eines Schiebe- oder Drehwiderstandes mit linearer Kennlinie erzeugt werden. Es gibt allerdings auch eindimensionale Steuerungen.
  • Nachteilig bei dieser Realisierung mit Widerständen ist, dass der mechanische Aufbau zum Einen kompliziert und teuer ist und zum Anderen immer einem mechanischen Verschleiß unterliegt. Dieser Verschleiß kann zu Fehlfunktionen oder gar zum Totalausfall des Joysticks führen.
  • Aus GB 2 334 573 A ist ein Joystick bekannt, welcher die Position des Joysticks anhand von Licht-Sensoren ermittelt, wobei zum Ermitteln der Position die gemessene Lichtmenge der Licht-Sensoren herangezogen wird.
  • Nachteil dieser Lösung ist ein schlechtes lineares Verhalten des Joysticks und eine niedrige Präzision.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen optischen Joystick bzw. ein Verfahren zur Positionsermittlung zur Verfügung zu stellen, der die genannten Nachteile zumindest teilweise vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Joystick gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 27 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Gemäß der Erfindung bereitgestellt wird demnach ein Joystick, aufweisend einen Hebel, eine Strahlungseinrichtung und eine Anzahl von Strahlungssensoren, wobei die Strahlungseinrichtung einen Strahlenkegel erzeugt und der Strahlenkegel durch Bewegen des Hebels relativ zu den Strahlungssensoren bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass von den Strahlungssensoren Binär-Signale ableitbar sind, welche die Position des Hebels bezüglich der Strahlungssensoren angeben. Aufgrund dieser Ausgestaltung wird die Position des Strahlenkegels auf den Strahlungssensoren und damit die Position des Hebels verschleißfrei und überdies präzise ermittelt. Das Ableiten von Binär-Signalen ermöglicht zudem die digitale Weiterverarbeitung der Information über die Position der Strahlungsquelle bezüglich der Strahlungssensoren, und letztlich die Position des Hebels relativ zur Joystick-Basis.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strahlungseinrichtung eine Strahlungsquelle, wobei die Strahlungsquelle am Hebel angebracht ist. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Strahlungseinrichtung eine Strahlungsquelle und eine Strahlen reflektierende Vorrichtung, wobei die Strahlen reflektierende Vorrichtung am Hebel angebracht ist und die Strahlen reflektierende Vorrichtung durch die Strahlungsquelle beleuchtbar ist.
  • Bevorzugt sind die Strahlungssensoren als Matrix angeordnet, insbesondere als Kreuzmatrix oder als Vollmatrix. Ist der Hebel des Joysticks nur in zwei Richtungen auslenkbar, wird vorzugsweise eine Kreuzmatrix verwendet. Ist der Hebel des Joysticks in alle Richtungen auslenkbar, wird vorzugsweise eine Vollmatrix verwendet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlungssensoren auf einer vorzugsweise ebenen Fläche angebracht.
  • Vorzugsweise ist die ebene Fläche horizontal zu dem in einer Nullstellung befindlichen Hebel ausgerichtet. Dadurch ist gewährleistet, dass der Hebel bei einem vorbestimmten Auslenkungswinkel des Hebels unabhängig von der Auslenkungsrichtung immer denselben Abstand zur Fläche aufweist.
  • Die Strahlungsquelle umfasst zumindest eine Licht emittierende Diode (LED), bevorzugt eine Infrarot-Licht emittierende Diode. Die Strahlungssensoren umfassen Licht-Sensoren, bevorzugt Infrarot-Licht-Sensoren. Der Einsatz einer Infrarot-Licht emittierenden Diode und von Infrarot-Licht-Sensoren macht den Joystick störunanfällig gegenüber Tages- und Kunstlicht oder sonstigen Fremdlichtquellen.
  • Die Strahlungseinrichtung ist bevorzugt derart aufgebaut, dass der Strahlenkegel gleichzeitig mehrere Strahlungssensoren beleuchten kann. Durch einen derartig gewählten Aufbau ist gewährleistet, dass in jeder Position des Hebels immer mindestens ein Strahlungssensor beleuchtet wird. Somit kann in jeder Position des Hebels eine Positionsbestimmung durchgeführt werden.
  • Die Strahlungssensoren sind an eine elektronische Schaltung, zur Auswertung der Position des Strahlenkegels relativ zu den Infrarot-Licht-Sensoren, anschließbar.
  • Die Auswerteelektronik erzeugt aus den von den Strahlungssensoren abgeleiteten Binär-Signalen zwei Analog-Signale, welche die Position des Strahlenkegels bezüglich der Infrarot-Licht-Sensoren repräsentieren. Die Analog-Signale können dann z.B. außerhalb des Joysticks analog weiterverarbeitet werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensor-Matrix eine Vielzahl von Zeilen und Spalten, wobei die Strahlungssensoren der Matrix zeilenweise und spaltenweise miteinander verbunden sind. Die Spalten der Matrix werden in der Auswerteelektronik im Zeitmultiplexbetrieb über einen Line-Decoder ausgewählt. Durch das zeilen- und spaltenweise Verbinden der Strahlungssensoren ist es möglich, im Zeitmultiplexbetrieb den Zustand aller Sensoren spaltenweise zu ermitteln.
  • Es hat sich als günstig erwiesen, die Zeilen der Matrix in der Auswertelektronik jeweils mit einem Transistor zu verbinden. Mittels eines Transistors lässt sich das Durchschalten einer Zeile steuern.
  • Ein Transistor einer Zeile schaltet genau dann, wenn eine vorbestimmte Strahlungsintensität auf einen Infrarot-Licht-Sensor dieser Zeile einfällt und wenn dieser Infrarot-Licht-Sensor sich auf der durch den Line-Decoder ausgewählten Spalte befindet. Ein Transistor einer Zeile sperrt unterhalb der vorbestimmten Strahlungsintensität, wobei dieser Schaltpunkt über einen Widerstand an der Basis des Transistors und eines Kondensators parallel zu diesem Widerstand eingestellt wird. Dadurch wird erreicht, dass eine gesamte Spalte der Matrix an den Transistoren der Zeilen zum Auslesen zur Verfügung steht. Durch die Einstellung des Schaltpunktes der Transistoren wird bestimmbar, wie viel Strahlungsintensität auf einen Infrarot-Licht-Sensor einfallen muss, damit der entsprechende Transistor schaltet. Des Weiteren kann für jede Zeile ein unterschiedlicher Schaltpunkt festgelegt werden.
  • Über den Kondensator, der parallel zu dem an der Basis des Transistors angeschlossenen Widerstand liegt, werden Störimpulse unterdrückt, z.B. kurze, auf die Infrarot-Licht-Sensoren einfallende Infrarot-Licht-Impulse.
  • Ein durchgeschalteter Transistor repräsentiert z.B. ein binäres 1-Signal und ein gesperrter Transistor repräsentiert ein binäres 0-Signal.
  • Vorzugsweise weist die Auswerteelektronik Analogmultiplexer zum Erzeugen von Analog-Signalen aus den Binär-Signalen auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Auswertelektronik Tiefpässe zum Ermitteln der Mittelwerte aus den Analog-Signalen aus. Die Tiefpässe ermöglichen eine Mittelwertsbildung über der Zeit der ermittelten Analog-Signale der Zeilen bzw. Spalten.
  • Die Strahlungssensoren sind bevorzugt symmetrisch angeordnet. Eine solche Anordnung ermöglicht es, dass die Position des Strahlenkegels bezüglich der Strahlungssensoren in alle Richtungen gleichgenau ausgewertet werden kann.
  • Vorzugsweise repräsentieren die von den Strahlungssensoren abgeleiteten Binär-Signale kartesische Koordinaten für die Hebelposition.
  • Gemäß der Erfindung wird des Weiteren bereitgestellt ein Verfahren zum Ermitteln der Position eines Hebels bezüglich einer Anzahl von Strahlungssensoren, wobei der Strahlenkegel durch Bewegen des Hebels relativ zu den Strahlungssensoren bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von den Strahlungssensoren Binär-Signale abgeleitet werden, welche die Position des Strahlenkegels bezüglich der Strahlungssensoren angeben.
  • Der von der Strahlungseinrichtung erzeugte Strahlenkegel fällt auf die Strahlungssensoren ein, wobei der Strahlenkegel mehrere Strahlungssensoren gleichzeitig beleuchtet. Dadurch wird vermieden, dass bei Bewegen des Hebels kein Strahlungssensor beleuchtet wird.
  • Bevorzugt werden die Strahlungssensoren an eine elektronische Schaltung angeschlossen, wobei die elektronische Schaltung aus den Strahlungssensoren eine Anzahl von Binär-Signalen ableitet und diese in zwei Analog-Signale umwandelt.
  • Dadurch werden Analog-Signale zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt, welche die Position des Strahlenkegels bezüglich der Strahlungssensoren repräsentieren.
  • Die Binär-Signale an den Zeilen werden spaltenweise aus den Strahlungssensoren abgeleitet, wobei die Auswahl der Spalten periodisch im Zeitmultiplexbetrieb erfolgt und wobei die an den Zeilen angeschlossenen Transistoren durch deren Schalten binäre 0- und 1-Signale erzeugen. Die Binär-Signale an den Spalten werden durch eine logische UND-Verknüpfung aller Zeilen mit der jeweils ausgewählten Spalte erzeugt, wobei alle Zeilen miteinander logisch ODER-verknüpft werden. Durch dieses Verfahren können die binären Zustände aller Strahlungssensoren ermittelt werden.
  • Aus den abgeleiteten Binär-Signalen werden Analog-Signale je Zeile und Spalte erzeugt, wobei die binären 1-Signale jeder Zeile und jeder Spalte durch Analog-Signale unterschiedlicher Spannung repräsentiert wird. Einem Strahlungssensor werden so zwei - paarweise eindeutige - Spannungswerte bzgl. seiner Position in der Matrix zugeordnet.
  • Vorzugsweise werden alle Analog-Signale der Zeilen und alle Analog-Signale der Spalten zu einem Analog-Signal für die Zeilen bzw. zu einem Analog-Signal für die Spalten zusammengeschaltet. Diese beiden Analog-Signale - für Zeilen und Spalten - repräsentieren dadurch den Spannungswert für die aktuelle Spalte und Zeile.
  • Aus allen Zeilen-Analog-Signalen bzw. aus allen Spalten-Analog-Signalen wird je ein Analog-Signal erzeugt, welches jeweils dem arithmetischen Mittelwert über der Zeit entspricht. Dadurch wird mindestens eine Auflösung erreicht wie sie bei Joysticks mit Potentiometern erreicht wird.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und zweier Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1
    den Grundaufbau des optischen Joysticks,
    Fig. 2
    eine Sensormatrix in Form einer Vollmatrix,
    Fig. 3
    eine erste Ausführungsform der Auswerteelektronik, und
    Fig. 4
    eine zweite Ausführungsform der Auswerteelektronik.
  • Fig. 1 zeigt den Grundaufbau des optischen Joysticks mit Hebel 1, Strahlungsquelle 2, Strahlungssensoren 3, Auswerteelektronik 4, Signalleitungen 5 und Strahlenkegel 7, wobei Strahlungsquelle 2, Strahlungssensoren 3 und Auswerteelektronik 4 in einem Gehäuse 6 untergebracht sind und die Signalleitungen 5 aus dem Gehäuse 6 nach außen geführt sind.
  • Dieser Joystick zeichnet sich vor allem durch einen sehr einfachen und nahezu verschleißfrei funktionierenden Grundaufbau auf.
  • Die Strahlungsquelle 2 ist fest mit dem Hebel 1 verbunden, und zwar so, dass die emittierten Strahlen der Strahlungsquelle 2 auf die Strahlungssensoren 3 einfallen können. Zwei flexible Kabel versorgen die Strahlungsquelle 2 permanent mit Arbeitsstrom. Durch Bewegen des Hebels 1 bewegt sich also auch die Position der Strahlungsquelle 2 relativ zu den Strahlungssensoren 3.
  • Der Abstand der Strahlungssensoren 3 zueinander und zur Strahlungsquelle 2 ist derart gewählt, dass der durch die Strahlungsquelle 2 erzeugte Strahlenkegel 7 aus jeder Position der Strahlungsquelle 2 zu jedem Zeitpunkt mindestens auf einem Strahlungssensor 3 auftrifft. Dadurch wird der Gefahr begegnet, dass unter Umständen kein Strahlungssensor 3 vom Strahlenkegel 7 beleuchtet wird. Durch diese Anordnung können mehr Ausgangsspannungen, welche die Position der Strahlungsquelle 2 bezüglich der Strahlungssensoren 3 repräsentieren, erzeugt werden, als Strahlungssensoren vorhanden sind.
  • Die Strahlungssensoren 3 sind als Matrix angeordnet, wobei zwei besondere Formen die Vollmatrix und die Kreuzmatrix sind. Andere Formen der Matrix wie etwa eine Dreiecksmatrix sind ebenfalls möglich. Welche Form der Matrix zum Einsatz kommt, hängt im Wesentlichen etwa von den möglichen Auslenkungen des Hebels 1 ab. Ist der Hebel 1 nur in zwei Richtungen auslenkbar, wird vorzugsweise eine Kreuzmatrix verwendet werden, wobei die Strahlungssensoren 3 entlang der Bewegungsrichtungen der Strahlungsquelle 2 angeordnet sind. Ist der Hebel 1 in alle Richtungen voll auslenkbar, wird vorzugsweise eine Vollmatrix verwendet werden. Bei einer Vollmatrix ist die gesamte Auslenkfläche der Strahlungsquelle 2 mit Strahlungssensoren 3 ausgestattet, wobei die Strahlungssensoren 3 vorzugsweise symmetrisch angeordnet sind.
  • Die Strahlungssensoren 3 sind auf einer vorzugsweise ebenen Fläche angebracht, wobei die Fläche horizontal zu dem in Nullstellung befindlichen Hebel 1 ausgerichtet ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit hin zu den Kanten der Fläche kann die Fläche auch als gewölbte Fläche ausgebildet sein, wodurch gewährleistet ist, dass die durch den Strahlenkegel 7 beleuchtete Fläche immer konstant bleibt.
  • Die Strahlungsquelle 2 ist hier eine Infrarotlicht emittierende Diode. Die Strahlungssensoren 3 sind hier als Infrarotlicht-Sensoren ausgebildet. Es können auch etwa CMOS-Sensoren, wie sie in Digitalkameras zum Einsatz kommen, als Strahlungssensoren 3 verwendet werden.
  • Fig. 2 zeigt eine Sensormatrix 9 als Vollmatrix mit 225 Strahlungssensoren 3. Die Sensoren d1 bis d13 zeigen hier dreizehn dieser 225 Strahlungssensoren 3. Bei Vollauslenkung des Hebels 1 wird die Fläche 19 durch den Strahlenkegel 7 beleuchtet. In Nullstellung 1 wird durch den Strahlenkegel 7 die Fläche 20 beleuchtet.
  • Die Matrix der Strahlungssensoren 3 ist an eine Auswerteelektronik 4 angeschlossen. Die beiden im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Auswerteelektronik 4 verwenden Infrarotlicht-Sensoren 3, wobei diese als Vollmatrix angeordnet sind. Das grundlegende Prinzip der Auswerteelektronik 4 ist aber auf jede Form der Matrix anwendbar. Zum Anschließen der Strahlungssensoren 3 an die Auswerteelektronik 4 kann etwa ein mehrpoliges Kabel verwendet werden.
  • Die Auswerteelektronik 4 dient zum Auswerten der Position der Strahlungsquelle 2 relativ zu den Strahlungssensoren 3. Die Auswerteelektronik 4 erzeugt aus mehreren Binär-Signalen zwei Analog-Signale. Dabei werden im Zeitmultiplex-Betrieb bei der Abfrage der Matrix für jede Zeile und für jede Spalte alle über die Auswerteelektronik 4 herausgelesenen Aussteuerwerte erfasst und weiterverarbeitet. Alle Werte werden zur Berechnung des arithmetischen Mittelwertes über der Zeit herangezogen und dienen somit zur Ermittlung der analogen Ausgangssignale. Durch den im Folgenden beschriebenen Aufbau der Auswerteelektronik 4 ist - trotz digitaler Erfassung der Hebelposition - kein Anfahren eines Referenzpunktes beim Einschalten des Joysticks erforderlich. Ein einmaliger Nullabgleich erfolgt bei der Fertigung des Joysticks durch eine Kalibrierung. Mit der Auswerteelektronik 4 lassen sich nahezu beliebige Ausgangsspannungen, repräsentiert durch die beiden Analog-Signale, zwischen Uoutmin und Uoutmax realisieren. U-outmin repräsentiert die kleinste mögliche Ausgangsspannung, Uoutmax repräsentiert die größte mögliche Ausgangsspannung.
  • Die Infrarotlicht-Sensoren 3 sind zeilenweise und spaltenweise miteinander verbunden und bilden so eine Matrix. Dabei sind die Kollektoren der Infrarotlicht-Sensoren 3 einer Spalte miteinander verbunden und die Emitter der Infrarotlicht-Sensoren 3 einer Zeile miteinander verbunden.
  • Fig. 3 und Fig. 4 stellen jeweils eine Ausführungsform der Auswerteelektronik 4 dar. Als Eingang dienen die Spalten der Sensormatrix 9, an denen zyklisch Spannung, das Eingangssignal, angelegt wird, während die Zeilen der Sensormatrix 9 als Ausgang dienen. Im Zeitmultiplex-Betrieb werden die Spalten zyklisch auf High-Pegel gesetzt, sodass immer genau eine Spalte auf High-Pegel gesetzt ist. Eine auf High-Pegel gesetzte Spalte repräsentiert eine "aktive" Spalte. Die Ansteuerung der Spalten erfolgt über einen Line-Decoder 8 mit nachgeschalteten pnp-Transistoren in Emitterschaltung. Diese Transistoren legen somit einen High-Pegel an alle Kollektoren der Infrarotlicht-Sensoren 3 der aktiven Spalte. Den Takt für die zyklische Auswahl der Spalten erhält der Line-Decoder 8 von einem Taktgeber 18.
  • Jede Zeile der Sensormatrix 9 ist mit genau einem npn-Transistor in Emitterschaltung mit hoher Stromverstärkung verbunden. Diese Transistoren arbeiten im Schalterbetrieb. Trifft auf einen Infrarotlicht-Sensor 3 der aktiven Spalte Strahlung der Strahlungsquelle 2 auf, führt dies zu einem Basisstrom am Transistor der entsprechenden Zeile. Ein so durchgeschalteter Transistor repräsentiert ein binäres 1-Signal bzgl. des Infrarotlicht-Sensors 3 der aktiven Spalte und der Zeile des Transistors, während ein nicht durchgeschalteter Transistor ein binäres 0-Signal repräsentiert. Kollektorwiderstände gegen +5V sorgen für eine problemlose Weiterverarbeitung mit TTL-Pegel.
  • Um diffuses Infrarotlicht aus der Umgebung und sehr schwache Infrarotlicht-Strahlung der Strahlungsquelle 2 wirksam zu unterdrücken, befindet sich an der Basis eines jeden Zeilen-Transistors, der mit allen Emittern der Infrarotlicht-Sensoren 3 verbunden ist, ein Widerstand gegen Masse und ein Kondensator parallel dazu. Der Widerstand stellt den Schaltpunkt ein und sorgt dafür, dass die Zeilen-Transistoren bei sehr kleiner Infrarotlicht-Strahlung schnell sperren. Der Kondensator unterdrückt vor allem sehr kurze Störimpulse, die zu einem kurzzeitigen Durchschalten der Infrarotlicht-Sensoren 3 führen würden. Ohne diese Maßnahmen könnten sich sehr kleine Infrarotlicht-Strahlungen und sehr kurze Störimpulse negativ auf die Auswertung des Messsignals auswirken.
  • Um die binären Werte der Spalten zu erhalten, werden alle Zeilen der Sensormatrix 9 logisch mit den Spalten der Sensormatrix 9 verknüpft. Dazu werden zunächst alle Ausgänge der Zeilen miteinander ODER - verknüpft. Das daraus resultierende neue Signal wird mit dem Eingangssignal der aktiven Spalte UND - verknüpft. Befindet sich also auf der aktiven Spalte mindestens ein Infrarotlicht-Sensor 3, welcher genügend Infrarotlicht-Strahlung von der Strahlungsquelle 2 empfängt, damit der Zeilen-Transistor der entsprechenden Zeile durchschalten kann, dann repräsentiert das Eingangssignal der aktiven Spalte ein binäres 1-Signal bzgl. der aktiven Spalte, ansonsten ein binäres 0-Signal.
  • Die so gewonnenen Binär-Signale der Spalten und Zeilen werden mit Analogmultiplexer 11 in analoge Signale mit möglichst kleinen Spannungssprüngen umgesetzt. Dadurch wird eine Genauigkeit erreicht, welche zumindest der Genauigkeit klassischer Joysticks mit Potentiometern entspricht.
  • Das in Fig. 3 gezeigte erste Ausführungsbeispiel der Auswerteelektronik 4 weist einen dualen Analog-Multiplexer auf. Die Zeilen der Sensormatrix 9 werden jeweils mit Schmitt-Trigger-Inverter 14 verbunden. Die ODER-Verknüpfung der Zeilen wird unter Verwendung von Schottky-Dioden realisiert. Die Anoden der Schottky-Dioden sind dabei jeweils mit den Ausgängen der Schmitt-Trigger-Inverter 14 verbunden. Die Kathoden der Schottky-Dioden sind miteinander verbunden und bilden dadurch das ODER-verknüpfte Signal. Das oben beschriebene Prinzip zur Ermittlung der Binär-Signale der Spalten wird in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe von Line-Drivern 13 realisiert. Hierbei wird jede Spalte der Sensormatrix 9 mit einem Line-Driver 13 verknüpft. Die oben beschriebenen ODER-verknüpften Zeilen werden mit den Enable-Eingängen aller Line-Driver verknüpft und stellen somit eine UND-Verknüpfung der ODER-verknüpften Zeilen mit der jeweiligen Spalte dar.
  • In dieser Ausführungsform wird jede Zeile und jede Spalte der Sensormatrix 9 durch eine Spannung repräsentiert. Dabei kommen für Spalten und Zeilen je ein belasteter niederohmiger Spannungsteiler 10, welcher jeweils kapazitiv gepuffert ist, mit jeweils so vielen Spannungs-Abstufungen, wie Spalten und Zeilen vorhanden sind, zum Einsatz. Der Spannungsbereich zwischen Umin und Umax des Spannungsteilers 10 lässt sich variieren. Umin ist die kleinste am Spannungsteiler 10 abgreifbare Spannung, Umax ist die größte am Spannungsteiler 10 abgreifbare Spannung. Die Spannungsteiler 10 sind dabei jeweils aus genau einem Widerstand weniger aufgebaut als Spalten bzw. Zeilen vorhanden sind. In dieser Ausführungsform besteht der Spannungsteiler 10 aus jeweils gleich großen Widerständen. Der Spannungsteiler 10 kann etwa auch aus jeweils unterschiedlich gro-βen Widerständen aufgebaut werden. Mit jeweils unterschiedlich großen Widerständen kann ein Spannungsteiler 10 mit nicht linearem Anstieg der abgreifbaren Spannungen aufgebaut werden. Ein derartig aufgebauter Spannungsteiler kann etwa dort eingesetzt werden, wenn durch einen Joystick etwa eine positive oder negative Beschleunigung gesteuert werden soll. Mit dem Spannungsteiler 10 stehen jeweils so viele Spannungsquellen zur Verfügung, wie Zeilen bzw. Spalten vorhanden sind. Jede Spannungsquelle repräsentiert durch ihre Spannung das binäre 1-Signal einer Zeile bzw. einer Spalte. Die Spannungen werden einzeln durch Analogmultiplexer 11 für die weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Jede Spannungsquelle ist mit einem Analogmultiplexer 11 verbunden, wobei die Spannungsquelle als Eingangssignal des Analogmultiplexers 11 verwendet wird. Jeder dieser Analogmultiplexer 11 wird über einen Schmitt-Trigger-Inverter 14 mit einer Zeile bzw. über einen Line-Driver 13 mit einer Spalte verbunden, wobei die Signale der Zeilen bzw. Spalten als Steuersignale der Analogmultiplexer 11 dienen. Die Ausgänge der Analogmultiplexer 11 der Zeilen bzw. der Spalten werden jeweils miteinander verbunden und repräsentieren somit das aktuelle Spalten- bzw. Zeilen-Signal in analoger Form. Liegt beispielsweise an einer Zeile ein binäres 1-Signal vor, so stellt der mit dieser Zeile verbundene Analogmultiplexer die entsprechende Spannung der Spannungsquelle am Ausgang zur Verfügung.
  • Die zusammengeschalteten Ausgänge der Analogmultiplexer 11 für Zeilen und Spalten werden jeweils mit einem Tiefpass 12 mit kleiner Zeitkonstante verbunden. Mit diesen Tiefpässen 12 findet die Mittelwertsbildung der Analog-Signale statt. Es wird somit für die Spalten bzw. für die Zeilen je eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem arithmetischen Mittelwert der Spannungen über der Zeit entspricht.
  • Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Auswerteelektronik 4 mit einem Analog-Multiplexer. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird hier zur Erzeugung der Analog-Signale für Zeilen und Spalten je Zeile und Spalte ein gemeinsamer Analog-Multiplexer verwendet. Aus diesem Grund müssen innerhalb eines Taktes, in dem eine Spalte der Sensormatrix 9 aktiv ist, die binären Signale der Spalten und die binären Signale der Zeilen verarbeitet werden. Hierzu wird mit Hilfe eines D-Flip-Flops, welches als 2:1-Teiler 15 arbeitet, ein Auswahlsignal erzeugt, welches innerhalb eines Taktes zunächst die binären Signale der Zeilen zur Verarbeitung zur Verfügung stellt und anschließend die binären Signale der Spalten. Der 2:1-Teiler 15 hat zwei Ausgänge. Ein Ausgang repräsentiert die Verarbeitung der Zeilen (Zeilen-Ausgang), der andere Ausgang repräsentiert die Verarbeitung der Spalten (Spalten-Ausgang). Die Ausgänge des 2:1-Teilers 15 liefern also abwechselnd ein High-Signal.
  • Wie im ersten Ausführungsbeispiel auch sind hier die Zeilen der Sensormatrix 9 jeweils mit einem Schmitt-Trigger-Inverter 14 verbunden. Zusätzlich wird hier der Enable-Eingang der Schmitt-Trigger-Inverter 14 mit dem Zeilen-Ausgang des 2:1-Teilers 15 verbunden. Dieser Schmitt-Trigger-Inverter 14 schaltet als nur wenn der Zeilen-Ausgang des 2:1-Teilers 15 einen HIGH-Pegel führt. Die ODER-Verknüpfung der Zeilen erfolgt analog wie im ersten Ausführungsbeispiel. Zusätzlich wird das ODER-verknüpfte Signal an einen Eingang eines Schmitt-Trigger-NAND-Gatters angelegt. An den zweiten Eingang dieses Schmitt-Trigger-NAND-Gatters wird der Spalten-Ausgang des 2:1-Teilers 15 gelegt. Das eingangs beschriebene Prinzip zur Ermittlung der Binär-Signale der Spalten wird in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe von Line-Drivern 13 realisiert. Auch hierbei wird jede Spalte der Sensormatrix 9 mit einem Line-Driver 13 verknüpft.
  • Jedoch wird hier der Ausgang des Schmitt-Trigger-NAND-Gatters mit den Enable-Eingängen aller Line-Driver 13 verknüpft. Die Ausgänge der Line-Driver 13 für die Spalten stellen somit, während am Spalten-Ausgang des 2:1-Teilers 15 ein High-Pegel anliegt, eine UND-Verknüpfung der ODER-verknüpften Zeilen mit der jeweiligen Spalte dar.
  • Die Ausgänge der Schmitt-Trigger-Inverter 14 sind jeweils mit einem Line-Driver 13 verbunden. Diese Line-Driver 13 sind nur dann aktiv, wenn der vorangeschaltene Schmitt-Trigger-Inverter 14 enabled ist.
  • Die Line-Driver 13 für Spalten und Zeilen sind somit abwechselnd innerhalb eines Taktes aktiv.
  • In dieser Ausführungsform wird je eine Zeile und eine Spalte der Sensormatrix 9 durch eine gemeinsame Spannung repräsentiert. Das Erzeugen der Spannungsquellen erfolgt analog dem ersten Ausführungsbeispiel über einen niederohmig belasteten Spannungsteiler 10. Dadurch wird für je eine Zeile und eine Spalte eine Spannungsquelle zur Verfügung gestellt, welche durch ihre Spannung das binäre 1-Signal einer Zeile bzw. einer Spalte repräsentiert. Die Spannungen werden einzeln durch Analogmultiplexer 11 für die weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt. An jede Spannungsquelle ist ein Analogmultiplexer 11 gelegt. Die Ausgänge der Line-Driver 13 für Zeilen und Spalten sind jeweils parallel an die Eingänge der Analogmultiplexer 11 gelegt und dienen als Steuersignale für die Analogmultiplexer 11. Die Ausgänge der Analogmultiplexer 11 sind miteinander verbunden und repräsentieren somit das aktuelle Spalten- bzw. Zeilen-Signal in analoger Form, in Abhängigkeit davon, welcher Ausgang des 2:1-Teilers 15 einen HIGH-Pegel führt.
  • Dieses analoge Signal wird an einen Analog-Demultiplexer 16 weitergeleitet. An den Ausgängen des Analog-Demultiplexer 16 ist jeweils ein Tiefpass 12 angeschlossen. Das Ausgangssignal eines Tiefpasses 12 repräsentiert das analoge Signal der Zeilen, während das Ausgangssignal des anderen Tiefpasses 12 das analoge Signal der Spalten repräsentiert. Der Analog-Demultiplexer 16 leitet das empfangene Signal an jeweils einen Tiefpass 12 mit kleiner Zeitkonstante weiter. An welchen Ausgang der Analog-Demultiplexer 16 das empfangene Signal durchschalten muss, entscheidet dieser über seine Steuersignale. Die Steuersignale empfängt der Analog-Demultiplexer 16 vom 2:1-Teiler 15. Mittels der Tiefpässe 12 findet die Mittelwertsbildung der Analog-Signale statt. Es wird somit für die Spalten bzw. für die Zeilen je eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem arithmetischen Mittelwert der Spannungen über der Zeit entspricht.
  • In beiden Ausführungsformen sind die Ausgänge der Tiefpässe 12 jeweils mit einem Rail-To-Rail-Analog-Operationsverstärker 17 verbunden, mit dem eine Impedanzanpassung vorgenommen wird und die Ausgangsspannung entsprechend der geforderten Ausgangsspannungswerte eingestellt wird. An diesen Rail-To-Rail-Analog-Operationsverstärkern 17 ist jeweils ein weiterer Tiefpass angeschlossen, mit dem die Wechselanteile der analogen Signale herausgefiltert werden. Ein weiterer Analog-Operationsverstärker stellt letztlich noch den Ausgangsspannungsbereich ein.
  • Es liegen nun zwei "reine" Analogsignale an den Ausgängen der Auswerteelektronik 4 an.
  • Um pro Achse zwei gegenläufige Signale zu liefern, kann noch eine elektronische Schaltung zur Erzeugung eines zweiten Referenzsignals, ein einstellbarer Inverter für beide Achsen, nachgeschaltet sein.
  • Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen wird als Strahlungsquelle 2 eine handelsübliche Infrarot-LED (CN106, LD274) verwendet. Die Vollmatrix 9 ist aus 15 x 15 Sensoren 3 in SMD-Technik "1206" aufgebaut. Der Abstand der Strahlungsquelle 2 zur Sensormatrix 9 beträgt etwa sieben Zentimeter. Unter Verwendung kleinerer Sensoren kann dieser Abstand auch verringert werden. Die besten Ergebnisse für die Auswertung werden bei gleichzeitig vier bis sechzehn beleuchteten Sensoren 3 erzielt. Die Auswerteelektronik 4 ist hier vollständig mit handelsüblichen diskreten Standardbauteilen in CMOS - Technologie aufgebaut. Die Auswerteelektronik 4 ist über ein 34-poliges Kabel, wobei 32 Pins belegt sind, mit der Sensormatrix 9 verbunden. Die Strahlungsquelle 2, die Strahlungssensoren 3 und die gesamte Auswerteelektronik 4 arbeiten mit einer einzigen 5V-Versorgung. Der Stromverbrauch der gesamten Elektronik ist dabei kleiner 100 mA. Als Line-Decoder 8 kommt ein 4-to-16-Linedecoder (74HCT154) zum Einsatz. Als Zeilen-Transistoren werden Transistoren mit hoher Stromverstärkung vom Typ BC847C verwendet. Die Widerstände gegen Masse an den Zeilentransistoren weisen einen Widerstand von 22 kΩ auf, die Kondensatoren parallel dazu eine Kapazität von 27 nF. Es wird der Schmitt-Trigger-Inverter (74HCT14) verwendet. Als Line-Driver 13 kommen jeweils 2 Stück 74HCT241 zum Einsatz. Die Oder-Verknüpfung ist mit Shottky-Dioden vom Typ LL103 realisiert. Das Schmitt-Trigger-NAND-Gatter ist vom Typ HCT4093. Der Spannungsteiler 10 ist mit vierzehn in Reihe geschalteten 100 Ω-Widerständen aufgebaut, wobei an jedem Spannungsabgriff ein 10 kΩ-Widerstand gelegt ist. Als Analogmultiplexer 11 wird der Typ CD4066 verwendet. Als Zeitkonstante für den Tiefpass 12 wird 100 µs gewählt. Für den jeweils nachfolgenden Tiefpass wird eine Zeitkonstante von 100 ms gewählt.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird eine Kreuzmatrix verwendet, wobei für jede Auslenkrichtung des Joysticks entlang der vier Bewegungsrichtungen sieben Sensoren 3 verwendet werden. Bei Verwendung einer Kreuzmatrix ist die Auswerteelektronik 4 wesentlich kleiner und einfacher als bei Verwendung einer Vollmatrix. Die Zustände der Sensoren der Kreuzmatrix müssen nicht im Multiplexbetrieb ermittelt werden. Dadurch entfällt der Taktgeber 18 und der Line-Decoder 8. Weiterhin entfallen dadurch die Line-Driver 13, die Schmitt-Trigger-Inverter 14 und der 2:1-Teiler 15.
  • Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine eindimensionale Matrix verwendet. Bei dieser Ausführungsform lassen sich Bewegungen bzw. Auslenkungen des Hebels entlang einer Geraden erfassen.
  • Mit dem eingangs dargestellten Aufbau und den mit dieser Auswerteelektronik 4 erzeugten analogen Signale für Zeilen und Spalten erreichen die Joysticks gemäß der Erfindung mindestens die Auflösung herkömmlicher Joysticks mit Potentiometern.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Strahlungseinrichtung neben einer Strahlungsquelle eine Strahlen reflektierende Vorrichtung. Die Strahlen reflektierende Vorrichtung ist am Hebel 1 des Joysticks angebracht. Bevorzugt wird dabei ein Spiegel verwendet. Die Strahlungsquelle 2 ist dabei so im bzw. am Joystick angebracht, dass sie zu jedem Zeitpunkt den Spiegel bestrahlen kann. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle 2 auf der gleichen Fläche angebracht, auf der auch die Strahlungssensoren 3 angebracht sind. Die Strahlungsquelle 2 und die Strahlungssensoren 3 können dann mit einer einzigen Stromversorgung versorgt werden. Dadurch wird des Weiteren die Robustheit des Joysticks erhöht, da am Hebel 1 keine Stromversorgung nötig ist. Der Spiegel lenkt die einfallende Strahlung der Strahlungsquelle 2 so ab, und erzeugt dabei gleichzeitig einen Strahlenkegel 7, dass der Strahlenkegel 7 auf die Strahlungssensoren 3 einfällt und somit die Position des Hebels anhand des Strahlenkegels 7 bestimmbar macht. Diese Ausführungsform offenbart auch unabhängig von der digitalen Auswertung der Strahlungssensoren 3 durch die Auswertelektronik 4 eine eigene Erfindung.
  • Verwendete Bezugszeichen
  • 1
    Hebel
    2
    Strahlungsquelle
    3
    Strahlungssensoren
    4
    Auswerteelektronik
    5
    Signalleitungen
    6
    Gehäuse
    7
    Strahlenkegel
    8
    Line-Decoder
    9
    Sensormatrix
    10
    Spannungsteiler
    11
    Analogmultiplexer
    12
    Tiefpass
    13
    Line-Driver
    14
    Schmitt-Trigger-Inverter
    15
    2:1-Teiler
    16
    Analog-Demultiplexer
    17
    Rail-To-Rail-Analog-Operationsverstärker
    18
    Taktgeber
    19
    Fläche des Strahlenkegels bei Vollauslenkung
    20
    Fläche des Strahlenkegels in Nullstellung
    d1 bis d13
    Sensoren der Sensormatrix

Claims (34)

  1. Joystick, aufweisend einen Hebel (1), eine Strahlungseinrichtung und eine Anzahl von Strahlungssensoren (3), wobei die Strahlungseinrichtung einen Strahlenkegel (7) erzeugt und der Strahlenkegel (7) durch Bewegen des Hebels (1) relativ zu den Strahlungssensoren (3) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass von den Strahlungssensoren (3) Binär-Signale ableitbar sind, welche die Position des Hebels (1) bezüglich der Strahlungssensoren (3) angeben.
  2. Joystick nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseinrichtung eine Strahlungsquelle (2) umfasst.
  3. Joystick nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) am Hebel (1) angebracht ist.
  4. Joystick nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseinrichtung eine Strahlungsquelle (2) und eine Strahlen reflektierende Vorrichtung aufweist.
  5. Joystick nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen reflektierende Vorrichtung am Hebel (1) angebracht ist und dass die Strahlen reflektierende Vorrichtung durch die Strahlungsquelle (2) beleuchtbar ist.
  6. Joystick nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungssensoren (3) als Matrix angeordnet sind.
  7. Joystick nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungssensoren (3) als Kreuzmatrix angeordnet sind.
  8. Joystick nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungssensoren (3) als Vollmatrix (9) angeordnet sind.
  9. Joystick nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungssensoren (3) auf einer ebenen Fläche angebracht sind.
  10. Joystick nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Fläche horizontal zu dem in einer Nullstellung befindlichen Hebel (1) ausgerichtet ist.
  11. Joystick nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) zumindest eine Licht emittierende Diode umfasst und dass die Strahlungssensoren (3) Lichtsensoren umfassen.
  12. Joystick nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht emittierende Diode (2) Infrarot-Licht emittiert und dass die Licht-Sensoren (3) Infrarot-Licht-Sensoren sind.
  13. Joystick nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseinrichtung derart aufgebaut ist, dass der Strahlenkegel (7) gleichzeitig mehrere Strahlungssensoren (3) beleuchten kann.
  14. Joystick nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungssensoren (3) an eine Auswerteelektronik (4) angeschlossen sind.
  15. Joystick nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (4) zwei Analog-Signale aus den Binär-Signalen erzeugt, welche die Position des Strahlenkegels (7) bezüglich der Strahlungssensoren (3) repräsentieren.
  16. Joystick nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollmatrix (9) aus einer Vielzahl von Zeilen und Spalten besteht, wobei die Strahlungssensoren (3) der Vollmatrix (9) zeilenweise und spaltenweise miteinander verbunden sind.
  17. Joystick nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalten der Vollmatrix (9) im Zeitmultiplexbetrieb über einen Line-Decoder (8) auswählbar sind.
  18. Joystick nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilen der Vollmatrix (9) in der Auswerteelektronik (4) jeweils mit einem Transistor verbunden sind.
  19. Joystick nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transistor einer Zeile dann schaltet, wenn eine vorbestimmte Strahlungsintensität auf einen Strahlungssensor (3) dieser Zeile einfällt und wenn dieser Strahlungssensor (3) sich über der durch den Line-Decoder (8) ausgewählten Spalte befindet.
  20. Joystick nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor einer Zeile unterhalb einer vorbestimmten Strahlungsintensität sperrt, wobei über einen Widerstand an der Basis des Transistors und eines Kondensators parallel zu diesem Widerstand der Schaltpunkt des Transistors einstellbar ist.
  21. Joystick nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass über den Kondensator, parallel zu dem an der Basis des Transistors angeschlossenen Widerstand, Störimpulse unterdrückt werden.
  22. Joystick nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein durchgeschalteter Transistor ein binäres 1-Signal repräsentiert und ein gesperrter Transistor ein binäres 0-Signal repräsentiert.
  23. Joystick nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (4) Analogmultiplexer (11) zum Erzeugen von Analog-Signalen aus den Binär-Signalen aufweist.
  24. Joystick nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (4) Tiefpässe (12) zum Ermitteln der Mittelwerte aus den Analog-Signalen aufweist.
  25. Joystick nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungssensoren (3) symmetrisch angeordnet sind.
  26. Joystick nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Strahlungssensoren (3) abgeleiteten Binär-Signale kartesische Koordinaten für die Hebelposition repräsentieren.
  27. Verfahren zum Ermitteln der Position eines Hebels (1) bezüglich einer Anzahl von Strahlungssensoren (3) in einem Joystick, wobei ein Strahlenkegel (7) durch Bewegen des Hebels (1) relativ zu den Strahlungssensoren (3) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von den Strahlungssensoren (3) Binär-Signale abgeleitet werden, welche die Position des Hebels (1) bezüglich der Strahlungssensoren (3) angeben.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenkegel (7) auf die Strahlungssensoren (3) einfällt, wobei der Strahlenkegel (7) mehrere Strahlungssensoren (3) gleichzeitig beleuchtet.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Binär-Signalen zwei Analog-Signale abgeleitet werden.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Binär-Signale an den Zeilen spaltenweise aus den Strahlungssensoren (3) abgeleitet werden, wobei die Auswahl der Spalten periodisch im Zeitmultiplexbetrieb erfolgt und wobei die an den Zeilen angeschlossenen Transistoren durch deren Schalten binäre 0- und 1-Signale erzeugen und dass die Binär-Signale an den Spalten durch eine logische UND - Verknüpfung aller Zeilen mit der jeweils ausgewählten Spalte erzeugt werden, wobei alle Zeilen miteinander logisch ODER - verknüpft sind.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass aus den abgeleiteten Binär-Signalen Analog-Signale je Zeile und je Spalte erzeugt werden, wobei die binären 1-Signale jeder Zeile und jeder Spalte durch Analog-Signale unterschiedlicher Spannung repräsentiert wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zusammenschalten aller Analog-Signale der Spalten und aller Analog-Signale der Zeilen ein Analog-Signal für die Spalten und ein Analog-Signal für die Zeilen entsteht.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass aus allen Spalten-Analog-Signalen und aus allen Zeilen-Analog-Signalen je ein Analog-Signal erzeugt wird, welches dem arithmetischen Mittelwert über der Zeit entspricht.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenkegel (7) an einer Strahlen reflektierenden Vorrichtung umgelenkt wird und dann auf die Strahlungssensoren (3) einfällt.
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