WO2011039713A2 - Método e dispositivo de detecção multi-ponto de elevada sensibilidade e seu uso na interacção através de massas de ar, vapores ou sopros - Google Patents

Método e dispositivo de detecção multi-ponto de elevada sensibilidade e seu uso na interacção através de massas de ar, vapores ou sopros Download PDF

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WO2011039713A2
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WO2011039713A4 (pt
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Afonso Manuel Reis Barbosa
Pedro Luís FERNANDES MARQUES
Miguel Ângelo MAGALHÃES FONSECA
José Miguel FERNANDES PEIXOTO DE OLIVEIRA
Rui Pedro Amaral Rodrigues
Nuno Filipe MAGALHÃES SANTOS
Pedro Miguel Da Cunha Trabulo
João Paulo BARBOSA
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    • G06F2203/04104—Multi-touch detection in digitiser, i.e. details about the simultaneous detection of a plurality of touching locations, e.g. multiple fingers or pen and finger

Definitions

  • the present invention relates to a low latency, high sensitivity multipoint detection and control device and method applied, for example, to a capacitive grid, preferably large.
  • the proposed solution allows a reading of the electromagnetic field created in the vicinity of said grid, making it possible to detect the presence of various objects near or in contact with it.
  • the invention will have preferential application in the areas of human / computer interaction, and collaborative work in large areas of interaction, using capacitive phenomena-based electronic technology and high frequency control circuits, as well as software components for the control of circuits and processing of the captured data.
  • the high sensitivity, speed and detachability achieved by the present invention make it possible, inter alia, to interact with systems even through objects as light as air masses, vapors or blows (504 ') determining actions by sensing pressure, intensity, size, direction, location, patterns and sequences of motion, duration or their duration of action.
  • the present invention describes a low latency multi-point capacitive grid detection device comprising a surface, referred to as a capacitive grid (111), comprising at least two conductor assemblies, each assembly comprising one or more insulated conductors ( 101-105, 106-110), where the conductors of each set do not cross each other, but the conductors of different sets intersect without direct electrical contact; and a capacity change detection circuit at the crossing point between two conductors of different assemblies (112) when approaching or contacting an object (710), namely a finger, and comprising:
  • demultiplexer (1007) for selecting conductor from a first set to inject signal into
  • multiplexer (1010) for selecting another conductor from a second set where to detect the injected signal
  • a preferred embodiment of the present invention has the feature that the signal receiver further comprises a resistive capacitive high pass filter RC which makes use of its own capacity between the two selected conductors.
  • Another preferred embodiment of the present invention has the feature that the injected signal is sinusoidal alternating, with null mean value or null mean square value, between 50 and 300 KHz, with a range of 10 to 24 volts peak to peak.
  • a still further preferred embodiment of the present invention is that the analog to digital converter 1012 operates in differential mode using the analog to digital conversion reference 1015 as one or more previous readings of each intercept of a pair of conductors.
  • An even more preferred embodiment of the present invention has the feature that the analog to digital conversion reference comprises two independent minimum (1303) and maximum (1304) voltages for each intercept of a pair of conductors obtained at one or more previous readings. .
  • a still more preferred embodiment of the present invention has the feature that the signal is injected into a given conductor, the remaining conductors are disconnected, or maintained at high impedance or at continuous fixed potential.
  • the present invention further describes a low latency multi-point detection method in capacitive grids characterized by detecting capacity changes in the vicinity of one or more crossing points (112), each between two insulated electrical conductors as they approach.
  • capacitive grid comprising at least two sets of conductors (101-105, 106-110), where each set comprises one or more insulated conductors, where the conductors of each set do not intersect between each other. themselves, but conductors of different assemblies intersect without direct electrical contact; and understanding the following steps:
  • a still further preferred embodiment of the present invention is that the analog to digital converter (1208) operates in differential mode (1209) and using as reference (1211) of the analog to digital conversion two independent minimum and maximum voltages for each intercept. of a pair of conductors taken from one or more previous readings.
  • the present invention describes a method of interacting with systems through air masses, vapors or blows (504 ') characterized by determining actions by sensing pressure, intensity, size, direction, location, patterns and sequences of motion, duration or time. actuation of said air masses, vapors or breaths (504 ').
  • the present invention further describes a method of detecting electrically charged air masses, vapors or blows (504 ') (505') characterized in that it detects the capacity variation caused by said air masses, vapors or blows on a capacitive grid (502 '). ').
  • a preferred embodiment of the present invention has the feature of determining the pressure, intensity, size, direction, location, patterns and sequences of motion, duration or actuation time of said air masses, vapors or blows (504 ') by detecting the location of the change, or changes, in capacity (206 ') in said grid (502').
  • Sensing or detection control system which sends current through the rows and columns, and detects for each row and each column the amount of energy discharged
  • the present invention further relates to the effects of air and / or vapor projection (hereinafter described as blowing) on a capacitive grid and reading methods.
  • capacitive grid changes caused, thereby allowing the presence of various objects near or in contact with said grid, whether or not grounded, and at the same time permitting the detection of air and / or vapor exhalation (described below). now as a breath) on the same grid.
  • a cloud of air and / or vapor is an earthless body that is electrically positive under certain conditions, namely the prior rubbing of its water particles against a solid body.
  • a grounded and normally electrically positive body shall be taken to be a cloud of air and / or vapor created by the exhalation of a living being (for example a human) or from vaporizers. or other devices or systems which, through friction of the ionizable liquid particles (eg water particles constituting the generated steam), electrically charge the generated cloud.
  • the present invention makes it possible to carry out a reading of the electromagnetic field created in the vicinity of a capacitive grid (Fig. 1), preferably a large grid, thereby allowing the presence of various objects near or in contact with said grid.
  • a controller 1001 was made up of four main circuits ⁇ "Sensing" or detection (1003), conversion (1004), signal processing (1005) and communication (1006). ) and a computer (1002) primarily in charge of performing adjustments and calibrations of the information sent from the controller (1001) (fig. 10).
  • the present invention makes it possible to carry out a reading of the electromagnetic field created in the vicinity of a capacitive grid 111 (Fig. 1), preferably a large grid, thereby allowing the presence of various objects near or in contact with the sensor.
  • the type of grid to use preferably consists of a series of coated conductive micro-filaments (101, 102,103,104,105,106,107,108,109,110,201,202, 203,204,205,206,207,208,209,210,301,302,303,304,305,306,307, 308,309,310,501,502,503,60,703,206,703,206), 6,65,70,65,70,65,653,06 such as polymeric films arranged in rows and columns (regularly or irregularly) which intersect to form a matrix.
  • the material does not necessarily have to be transparent, just as the filaments may consist of yarn or other conductive materials.
  • Figs. 4 and 6 Ex: Indium Tin Oxide (ITO), antimony tin oxide (ATO)).
  • ITO Indium Tin Oxide
  • ATO antimony tin oxide
  • the arrangement of the filaments should follow the approximate geometry of rows and columns (fig 1). However, a row or column may be formed by a filament arranged in zigzag or in another form that covers as much as possible the desired operating area. for that row or column (fig. 1, 2, 3, 4).
  • a capacitor 112 Fig 7
  • This "composite” capacitor is formed by the direct capacitor between the selected row and column (706), the capacitors formed between the selected row and column and the adjacent rows and columns (707,708), the capacitors formed between the adjacent row and columns and the following rows and columns, and so on.
  • the selected row and column act as the electrodes of this "composite” capacitor (fig 7).
  • an excitation signal (1008, 1101, 1201) of specific characteristics (detailed below) is injected into one of these electrodes (eg line) according to a predetermined selection. by an input multiplexer (1007,1102, 1202), which will cause the capacitor to charge and discharge, creating an electromagnetic field which in turn will generate an electric current at the second electrode (in this case, the column).
  • That electromagnetic field will be affected by the proximity of objects (for example a finger 710, optionally in contact with a ground mass 709), which electrically adds a capacitor 705 to the "composite" capacitor (fig. 7) resulting in the change, for example, of the amplitude of the signal generated at the second electrode.
  • This signal variation in amplitude for example, will be used as an indication of proximity or touching the intersection point of said row and column.
  • a conversion of the signal amplitude at the second electrode to a potential difference in a signal conditioning circuit (1107, 1207) (demodulation) is performed. From this voltage, a voltage to digital value conversion (1004) is applied using an analog digital converter (ADC) (1012,1108).
  • ADC analog digital converter
  • a differential circuit 1014,1208 may be applied which compensates the values obtained at the output of the ADC with a correction factor 1011 based on a previous reading.
  • Analog to digital conversion is governed by two reference voltages, which define the range of analog values that will serve as the minimum and maximum conversion limit.
  • a calibration circuit (1019) which, using a DAC (1110, 1211), defines for each intercept the range of permissible values to be convert by the ADC (1108, 1208).
  • the sensing or detection circuit 1003 allows localized detection of the proximity or contact of objects with the intersecting points of the matrix constituting it.
  • the electrical excitation signal (signal characteristics) to be injected into the lines (fig. 11, 12) comes from a wave generator (1008,1101,1201), preferably sinusoidal between 50 and 300 KHz with an amplitude of 10 at 24 volts peak to peak (-5 to +5 volts or -12 to +12 volts with midpoint centered at 0 volts).
  • the sensitivity and range of the generated electromagnetic field can be manipulated by changing the frequency and amplitude of the signal generator.
  • the frequency range can be manually adjusted using fixed or variable capacitors or digitally if digital capacitors are applied.
  • the amplitude variation can be manually adjusted using variable resistors, or digitally if digital resistors are applied.
  • unused lines may receive a continuous component, ie DC.
  • selecting the column for obtaining the final analog signal for the selected row-column interception is made possible using also a multiplexing circuit (1010,1103,1203).
  • the signal at the output of the multiplexing circuit (1010, 1103, 1203) passes through a rectification and conditioning circuit (1107,1207) to convert the signal amplitude difference into potential difference.
  • the reception and amplification circuit in each column (1009,1104,1105,1106,1204,1205,1206) is preferably formed by an RC mesh (where the capacitor is that formed by the column and the selected row) in filter configuration " high pass ", where the intrinsic capacitor resistance (fig.
  • differential mode ADC (1014, 1208) is used (Fig. 12).
  • the ADC receives the signal from the selected column on one of the inputs, and the other input receives the output of a DAC (1013.1209), which in turn has at its Enter the reference value (1015) for the matrix point obtained from the table generated at initialization phase (801).
  • the difference between the selected column signal and the DAC output reference value (1013,1208) is used.
  • Analog to digital conversion is governed by two reference voltages, which define the range of analog values that will serve as the minimum and maximum conversion limit.
  • a calibration circuit (1019) which, using a DAC (1110, 1211), defines for each intercept the range of permissible values to be convert by the ADC (1108, 1208).
  • the maximum (1301) potential (1305.1306), ie, the composite capacitor is charged potential (1301) and minimum (1302), ie the composite (capacitor) capacitor values discharges) are different for each interception.
  • Vref + (1304) and Vref- (1303) When exclusively defining a pair of reference values (Vref + (1304) and Vref- (1303)) for the conversion of all interceptions, the defined range must be wide enough to cover all limits of all interceptions, losing thus conversion accuracy. To optimize conversion accuracy, it is necessary to set reference values (Vref- (1303) and Vref + (1304)) for each intercept independently.
  • the reference values (1303, 1304) of each interception are defined similarly to the differential circuit (1011), that is, by a calibration using read values from the grid, made at initialization phase (801).
  • the calibration of the reference values (1303, 1304) of a given intercept is performed by successive approximations, defining an initial reference voltage value, which is adjusted until a valid reading of the ADC (1108, 1208) is obtained.
  • the second reference voltage value is a function of the value of the first value found to encompass the full range of the signal to be converted (1301).
  • the line for the desired row-column intercept (901) is selected, where the excitation signal will be injected.
  • the amplification stages increase the signal obtained at the speaker output
  • the column for the desired row-column interception is selected.
  • the output of the output multiplexer (1010,1103,1203) goes through the rectification circuit (1107,1207)
  • the rectified signal (902) enters the ADC (1012,1014,1108,1208), is converted to a digital value (903) and sent to the microcontroller (1018, 1109, 1210)
  • the communication circuit 1006 prepares the collected digital information for sending to a host system or host computer 1002 using for example structured USB technology.
  • USB communication further implements the device enumeration so that it is recognized by the host system (computer) (1002), properly associated with the driver (1016) installed on it, and divides the set of array point values into packets by sending them. them to the host system (1002). It further implements the synchronization of packet transmission, for example by sending control packets and receives control packets from host system 1002, which contain values for device parameterization 1001. Note that these values can parameterize, for example, the frequency and amplitude of the signal generator circuit, the gain of the signal amplification steps, the level of signal smoothing / noise reduction and the accuracy of analog-digital conversion (1017).
  • Processing is divided into several stages and may not be limited to these.
  • Thresholding Values below a minimum threshold are assumed to be residual errors, and are overridden.
  • Moving Average in Time filter Each value in position (x, y) is corrected by an average that takes into account the last n readings for each of these points.
  • the objective of this step is to compensate for isolated peaks caused by noise (by temporal coherence).
  • Thresholding per column detection: Given the nature of the circuit, when there is a tap on a given column, all values in that column are affected by an increase. This also increases errors so that values less than a percentage of the maximum value of that column are canceled.
  • Smoothing In addition, a smoothing can be applied to further reduce noise. interference, exploiting spatial coherence. Examples of such algorithms are low pass filters such as the Gaussian filter, the average of neighboring points or the median.
  • each new touch point is compared to existing tracks at the previous time point. If the tap point is close enough to an existing rail, it is added to the rail. If it is not near any rail, it gives rise to a new rail
  • Start-of-track, new-point, and end-of-track information can be sent to applications in different ways, such as system events. notifying applications of such events, or as a command sequence read by the application from a well-defined communication port.
  • the present invention relates to the effects of the projection of air and / or steam (hereinafter described as blowing) on a capacitive grid (fig 18) and methods of reading the variations in capacitive grid load caused, thereby allowing detection. the presence of several objects near or in contact with said grate (fig 14), while simultaneously allowing the detection of air and vapor exhalation (hereafter described as blowing) on the same grate (fig 15).
  • Touch detection and air and / or vapor projection detection can be activated for simultaneous or isolated operation.
  • the detection of approximations or touches of one or more objects relative to the capacitive grid is based on the change in capacitive load induced by those approximations or touches.
  • This wiring configuration of the capacitor added to the composite capacitor can be obtained, for example, by proximity or touch of bodies (304 ', 406') that do not imply grounding and are electrically positive (fig 16, fig 17) .
  • a grounded and electrically positive body 205 'shall be taken to be a cloud of air and / or vapor created by the exhalation of a living being (e.g. a human) or from vaporizers or other devices or systems which, through the friction of the ionizable liquid particles (eg water particles constituting the generated vapor), electrically charge the generated cloud.
  • a living being e.g. a human
  • vaporizers or other devices or systems which, through the friction of the ionizable liquid particles (eg water particles constituting the generated vapor), electrically charge the generated cloud.
  • the static electric charge is positive, but the present invention can easily be adapted for detecting negative charges, if circumstances require.
  • Exhalation (or vapor cloud) detection on the capacitive grid is accomplished by measuring the capacitive load present in the rows and columns forming the grid - for horizontal and vertical measurement systems - or the capacitive load present between the lines and columns forming the capacitive grid - for point-to-point measurement systems.
  • An example of a horizontal and vertical measurement system would be a circuit that takes rows and columns as independent capacitors and thus obtains values for rows and columns. Since the reading of the grid is limited to the load values present in each row and each column (and not at each crossing point between them), we can get a touch (or two simultaneously, using firmware or software). In the case of exhalation or cloud detection, it is possible to obtain the position where it exits the grid, because we will have a row (or more consecutive) and a column (or more consecutive) that will indicate the coordinates of that position, as well as One touch detection results are displayed. The differentiation between touch and exhalation will be that the result of one will be inverse signal to the other, that is, if the touch returns a value below the resting value, the cloud exhalation will return a value above the resting value, and vice versa.
  • An example of a peer-to-peer measurement system would be a circuit that takes the interceptions between rows and columns as compound capacitors and thus obtains values for these interceptions, having at the end an array of values.
  • This type of reading allows direct detection of several simultaneous tones.
  • exhalation or cloud detection it is possible to obtain the indication of the column (or line) where it collides with the grid and not the direct position, as the effect of load capacity addition is added to the entire column (or line). which corresponds to the output pole of the composite capacitor). Subsequently, multiplexing or switching methods may be used to circumvent this limitation.
  • the intensity of the cloud exhalation is obtained directly and, using historical mechanisms in the read value receiving systems, the direction of the exhalation is obtained.
  • This data obtained (such as movement, duration, intensity, direction, position, etc.) from breath detection can be translated into actions or gestures of action on the host or signal reception system using predefined patterns and sequences. .
  • Software or hardware that receives data from the detection system will use these patterns and sequences to determine actions that will be sent to the receiving system, which can use them to interact with other applications or systems.
  • the present invention relates to the reading of the electromagnetic field created in the vicinity of a capacitive grid, thereby allowing the presence of various objects near or in contact with said grid, while simultaneously allowing the detection of air and / or vapor projection ( hereafter described as breath) on the same grid, and in addition, the translation of the data obtained which reflect, among other characteristics, the movements, duration and intensity of the breath in actions or gestures of action in the host or receiving system.
  • the present invention relates to the effects of air and / or vapor projection (hereinafter described as blowing) on a capacitive grid and on methods of reading the load variations on the capacitive grid caused, thereby allowing the presence of several objects near or in contact with said grid, whether or not grounded, and simultaneously allowing the detection of the projection of air and steam on the same grid.
  • the invention will have preferential application in the areas of human / computer interaction using electronic technology based on capacitive phenomena.
  • the present invention is useful for enhancing the interaction capacities between electrical and electronic systems and the user, and can coexist with touch detection systems, thus obtaining systems with various simultaneous methods of interaction (including the air and / or vapor projection) may be applied to systems that allow or require detection / interaction (simultaneous or not) using different methods. These systems may be applied, for example, in entertainment, control and measurement, or as aids to individuals with reduced physical abilities.
  • the present invention describes how the obtained data can be translated which reflect, among other characteristics, the movements, duration and intensity of the breath detected in actions or gestures of action in the host or receiving system. Description of the Figures
  • Figure 1 Schematic representation of the capacitive grid of the present invention.
  • Figure 2 Schematic representation of alternative grid that allows greater area coverage by duplicating the path of each row and / or column.
  • Figure 3 Schematic representation of alternative grid that allows greater area coverage through the zigzag path of each row and / or column.
  • Figure 4 Schematic schematic representation of alternative grid allowing for greater area coverage through conductive tracks of relevant width for each row and / or column.
  • Figure 5 Schematic representation of grid section of metallic wires, in rows and columns.
  • Figure 6 Schematic representation of grid section of conductive and transparent tracks in rows and columns.
  • Figure 7 Schematic representation of the circuit equivalent to each row and column crossing, where there is an equivalent composite capacitor, which corresponds to the selected direct row-column capacitor, selected row-column capacitors and adjacent rows and columns, and the condensers between the adjacent rows and columns and the following rows and columns. Also shown is the capacitor equivalent to the variation in said composite capacitor, corresponding to the proximity of an object, a finger, for example.
  • Figure 8 Schematic representation of the overall system operation method.
  • Figure 9 Schematic representation of the capacitive grid reading method.
  • Figure 10 Schematic representation of the capacitive grid controller of the present invention and its processing on the host computer.
  • FIG. 11 Schematic representation of the capacitive grid signal control and signaling circuit of the present invention.
  • Figure 12 Schematic representation of the capacitive grid control and signal processing circuit of the present invention, with DAC analog to digital converter option 1209 for differential operation.
  • Figure 13 Schematic representation of the potential levels corresponding to the minimum reference voltage (1303), the maximum reference voltage (1304), the signal to be converted (1301), the voltage when there is touch (1302), when there is no touch ( 1305.1306).
  • Figure 14 Schematic representation of detecting objects near or in contact with the grid.
  • Figure 15 Schematic representation of exhalation detection (commonly known as breath) on the grid.
  • Figure 16 Schematic representation of electrical behavior of exhalation on a grid with point-to-point detection system.
  • Figure 17 Schematic representation of electrical behavior of exhalation on a grid with horizontal and vertical detection system.
  • Figure 18 Schematic representation of the effects of air and vapor exhalation (aka blowing) on a capacitive grid.
  • Figure 19 Schematic representation of peer-to-peer detection system.
  • Figure 20 Schematic representation of horizontal and vertical detection system.
  • Figure 21 Schematic representation of switched point-to-point detection system.
  • Figure 22 Schematic representation of a standard set of example patterns or data sequences.
  • the present invention relates to the effects of air and / or steam projection (hereinafter referred to as blowing) on a capacitive grid, grid formed by lines (102 ', 202') and columns (103 ', 203').
  • blowing air and / or steam projection
  • a capacitive grid grid formed by lines (102 ', 202') and columns (103 ', 203').
  • conductive material which may or may not be between protective and / or supportive materials (101 ', 201')
  • methods of reading the load variations caused in the capacitive grid thereby allowing the presence of various objects to be detected.
  • close to or in contact with said grate (fig 14) and at the same time permit the detection of the projection of air and / or steam (aka blowing) on the same grate (fig 15).
  • a living being e.g., a human
  • vaporizers or other devices or systems which, through the friction of ionizable particles, for example liquids, (503 ') (eg, water vapor constituent particles) electrically charge (505') the generated cloud.
  • a vapor cloud (504') is created which is positively charged (505 ') due to friction between water particles and walls of the pathway between the alveoli of the lungs and the mouth (503 '). If this vapor cloud is directed to the capacitive grid (502 '), the charge capacity at the grid locations hit by the vapor cloud increases due to the positive charge of the cloud (it can absorb more electrons and then release them through evaporation). by increasing the output current of the composite capacitors in respect of these locations.
  • touch and exhalation have inverse behaviors on the capacitive grid (touch decreases the carrying capacity in the action zone; steam exhaling increases the carrying capacity in the action zone), it is easy to detect what kind of interaction is being performed. and if detected interactions occur simultaneously, which of these will be touches and which will be exhales.
  • injection and load sensing is combined at a single pole (702 ', 703'), allowing a grid line (701 ') to be read only by connecting it by one end at that same pole.
  • the same process applies to columns.
  • only one simultaneous ringing can be detected directly (however, further ringing can be detected indirectly via firmware or adapted software), because the sensing is done by lines (706 ') and by columns (705 ') (not by intersection point).
  • the number of columns and rows affected depends on a number of factors, such as: cloud travel speed, distance between the cloud expulsion point (mouth) and the capacitive grid, volume of the cloud, the area of the capacitive grid covered by the cloud after its collision.
  • a point-to-point measuring circuit (Fig. 19) thus enables the detection of electrically charged vapor clouds in a two-dimensional space.
  • signal injection 602 ' is performed on the lines and sensing 603' is performed on the columns.
  • a cloud struck column will be fully affected until complete evaporation (cloud evaporation time is longer than time required to read column interceptions ), and the sensing circuit being connected only to the columns 301 'of the grid 302' (i.e. the composite condenser output pole), all intercepts between that column and the injection lines will suffer from an increase in current value which will later be acquired in the sensing circuit (603 ').
  • the intersections in the columns crossing that point will have an increased current value until cloud evaporation is complete.
  • the number of columns affected depends on a number of factors, such as: cloud travel speed, distance between cloud eject point (mouth) and capacitive grid, cloud volume, area of the capacitive grid covered by the cloud after its collision.
  • a point-to-point measuring circuit thus enables detection on a capacitive grid (601 ', 801') of electrically charged vapor clouds (604 ', 804') in one-dimensional space (column axis only) .
  • the circuit and its software can be modified (Fig 21) so that by switching 805 'between rows and columns, the excitation signal 802' is injected into the lines and columns and sensing (803 ') (or acquisition) on columns and rows, respectively.
  • other data can be acquired via software (eg through capacitive grid reading history mechanisms) such as : cloud acting time, cloud direction, cloud size, cloud pressure, movement patterns, and intensity.
  • This data obtained (such as cloud movement, duration or time of action, size, pressure or intensity, direction, position, etc.) from breath detection can be translated into actions or gestures of action on the host system or reception of signals using predefined patterns and sequences.
  • These patterns or data sequences obtained may be cloud motions in the grid, differences in intensity over the time the cloud is active, the direction of cloud movement, etc.
  • Software or hardware receiving data from the sensing system will use these patterns and sequences to determine actions that will be sent to the receiving system, which may use them to interact with other applications or systems. Patterns and sequences may be created solely from breath detection data and may be a combination of breath detection data and touch detection data.
  • Patterns or sequences may be preconfigured in hardware, firmware and / or software and may be changed or programmed through an application or system integrated into the detection system and / or host system to fit the system. detection used, intended actions, environmental and physical limitations. New patterns and sequences can also be added to increase the range of recognized actions or action gestures, such as changing and deleting existing patterns and sequences.
  • Actions or action gestures triggered by patterns and sequences can be pointer movements (such as mouse pointers), key activation and character sending, orders to interface systems (such as scrolling, scrolling, rotating, zooming, zooming, rotating), running and stopping applications, sending and receiving data between applications, between systems, and between locally and remotely connected applications and systems.
  • the present invention defines a standard set of patterns or data sequences (fig. 22) that each have an associated action or action gestures.
  • These actions or action gestures are standard commands on interface systems, namely: right-hand scroll (slide / scroll right) (901 '), left-hand scroll (slide / scroll left ”) (902 '), single wind (" click "command) (903'), strong single wind
  • blows and respective actions may be associated with other types of devices, even if they are not capacitive grids, provided that they allow to detect blows or air masses, as well as their location.
  • circuit configuration of document PT104765 which describes a point-to-point measurement circuit, which, after changing the reference range of the analog to digital signal conversion range , in order to allow reading values above the value corresponding to the system at rest, allows the detection of electrically charged vapor clouds in one-dimensional space (only on the axis of the columns).
  • the circuit and its software may be modified such that, alternately, the excitation signal is injected into the lines. and columns and "sensing" (or acquisition) on columns and rows, respectively.

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Abstract

A presente invenção diz respeito a um método e dispositivo de controlo e detecção multiponto de baixa latência aplicado, por exemplo, a uma grelha capacitiva (111). A grelha consiste numa série de micro-filamentos condutores (101-110), colocados entre duas chapas ou camadas transparentes, dispostos em linhas e colunas, que se cruzam, formando uma matriz. A leitura do campo electromagnético criado na imediação da grelha, possibilita a detecção de objectos próximos ou em contacto. A invenção apresenta elevada sensibilidade permitindo nomeadamente a detecção de ar e/ou vapor carregado electricamente, mais especificamente a detecção da intensidade, direcção e localização de uma massa de ar ou vapor expelido, mesmo em simultâneo com a detecção de toque. A presente invenção é útil para potenciar as capacidades de interacção entre sistemas e o utilizador, podendo ser aplicado em sistemas com detecção/interacção (simultânea ou não). Estes sistemas poderão ser aplicados, por exemplo, em entretenimento, controlo e medição.

Description

D E S C R I Ç Ã O
"MÉTODO E DISPOSITIVO DE DETECÇÃO MULTI-PONTO ELEVADA SENSBILIDADE E SEU USO NA INTERACÇÃO ATRAVÉS MASSAS DE AR, VAPORES OU SOPROS"
Domínio técnico da invenção
A presente invenção diz respeito a um dispositivo e método de controlo e detecção multiponto de baixa latência e elevada sensibilidade aplicado, por exemplo, a uma grelha capacitiva, preferencialmente de grandes dimensões. A solução agora proposta permite uma leitura do campo electromagnético criado na imediação da referida grelha, possibilitando a detecção da presença de vários objectos próximos ou em contacto consigo. A invenção terá aplicação preferencial nas áreas da interacção humano/computador, e de trabalho colaborativo em áreas de interacção de grande dimensão, utilizando tecnologia electrónica baseada em fenómenos capacitivos, e em circuitos de controlo de alta frequência, bem como componentes de software para controlo dos referidos circuitos e processamento dos dados capturados .
Sumário
A elevada sensibilidade, rapidez e capacidade de destrinçamento obtidos pela presente invenção possibilitam, nomeadamente, a interacção com sistemas mesmo através de objectos tão leves como são massas de ar, vapores ou sopros (504') determinando acções através da detecção de pressão, intensidade, tamanho, direcção, localização, padrões e sequências de movimento, duração ou o seu tempo de actuação .
A presente invenção descreve um dispositivo de detecção multi-ponto de baixa latência em grelhas capacitivas caracterizado por compreender uma superfície, referida por grelha capacitiva (111), que compreende pelo menos dois conjuntos de condutores, onde cada conjunto compreende um ou mais condutores isolados (101-105, 106-110), onde os condutores de cada conjunto não se cruzam entre si, mas os condutores de conjuntos diferentes cruzam-se entre si, sem contacto eléctrico directo; e um circuito detector de alterações de capacidade no ponto de cruzamento entre dois condutores de diferentes conjuntos (112), aquando da aproximação ou contacto de um objecto (710), nomeadamente um dedo, e que compreende:
emissor de sinal, que compreende:
- injector de sinal variável no tempo (1008);
- desmultiplexador (1007) para seleccionar condutor de um primeiro conjunto onde injectar sinal;
receptor e detector de sinal, que compreende:
- multiplexador (1010) para seleccionar um outro condutor de um segundo conjunto onde detectar o sinal injectado;
- amplificador de sinal (1009);
- desmodulador ou rectificador , que converte o sinal para um potencial;
- conversor analógico-digital (1012), que converte o potencial numa leitura numérica. Uma realização preferencial da presente invenção tem a característica de o receptor de sinal compreender adicionalmente um filtro passa-alto, resistivo-capacitivo, RC, que faz uso da própria capacidade entre os dois condutores seleccionados.
Uma outra realização preferencial da presente invenção tem a característica de o sinal injectado ser alternado sinusoidal, com valor médio nulo ou valor quadrático médio nulo, entre os 50 e os 300 KHz, com uma amplitude de 10 a 24 volts pico a pico.
Uma ainda outra realização preferencial da presente invenção tem a característica de o conversor analógico- digital (1012) operar em modo diferencial utilizando como referência (1015) da conversão analógico-digital uma ou mais leituras prévias de cada intercepção de um par de condutores .
Uma realização ainda mais preferencial da presente invenção tem a característica de a referência da conversão analógico-digital compreender duas voltagens, mínima (1303) e máxima (1304), independentes para cada intercepção de um par de condutores, obtidas em uma ou mais leituras prévias.
Uma outra realização ainda mais preferencial da presente invenção tem a característica de que o sinal é injectado num dado condutor, são desligados os restantes condutores, ou mantidos em alta impedância ou em potencial fixo contínuo . A presente invenção descreve ainda um método de detecção multi-ponto de baixa latência em grelhas capacitivas caracterizado por detectar alterações de capacidade na proximidade de um ou mais pontos de cruzamento (112), cada qual entre dois condutores eléctricos isolados entre si, aquando da aproximação ou contacto de um objecto (710), nomeadamente um dedo, ou aquando da aproximação ou contacto, ao longo de um trilho, de um objecto (710), nomeadamente um dedo; em uma superfície, referida por grelha capacitiva (111), que compreende pelo menos dois conjuntos de condutores (101-105, 106-110), onde cada conjunto compreende um ou mais condutores isolados, onde os condutores de cada conjunto não se cruzam entre si, mas os condutores de conjuntos diferentes cruzam-se entre si, sem contacto eléctrico directo; e por compreender os seguintes passos :
- seleccionar um primeiro condutor (901), de um primeiro conjunto de condutores;
- injectar um sinal variável no tempo;
seleccionar um segundo condutor (901), de um segundo conjunto de condutores;
- amplificar e rectificar o sinal obtido (902) no segundo condutor ;
- converter o sinal para digital e enviar para processamento (903);
escolher um outro segundo condutor entre o segundo conjunto de condutores e repetir até que se tenha obtido informação suficiente correspondente ao primeiro condutor
(906) ;
- escolher um outro primeiro condutor entre o primeiro conjunto de condutores e repetir até que se tenha obtido informação suficiente correspondente à grelha capacitiva
(907) ; Uma ainda outra realização preferencial da presente invenção tem a característica de o conversor analógico- digital (1208) operar em modo diferencial (1209) e utilizando como referência (1211) da conversão analógico- digital duas voltagens, mínima e máxima, independentes para cada intercepção de um par de condutores, obtidas em uma ou mais leituras prévias.
A presente invenção descreve um método de interacção com sistemas através de massas de ar, vapores ou sopros (504') caracterizado por determinar acções através da detecção de pressão, intensidade, tamanho, direcção, localização, padrões e sequências de movimento, duração ou tempo de actuação das referidas massas de ar, vapores ou sopros (504 ' ) .
A presente invenção descreve ainda um método de detecção de massas de ar, vapores ou sopros (504') carregados electricamente (505') caracterizado por detectar a variação de capacidade causada pelas referidas massas de ar, vapores ou sopros sobre uma grelha capacitiva (502') .
Uma realização preferencial da presente invenção tem a característica de determinar a pressão, intensidade, tamanho, direcção, localização, padrões e sequências de movimento, duração ou tempo de actuação das referidas massas de ar, vapores ou sopros (504'), através da detecção da localização da alteração, ou alterações, de capacidade (206') na referida grelha (502'). Antecedentes da Invenção
A utilização de tecnologia capacitiva para a detecção de toque tem já ampla aplicação em diferentes tipos de ecrãs de toque ( touchscreens ) e em dispositivos onde é necessária interacção externa (exemplos: teclados, painéis de comando, interruptores por toque) . Os métodos actuais baseiam essencialmente o seu funcionamento nos seguintes blocos:
• Grelha de pistas ou fios metálicos extremamente finos (fig. 5) ou pistas condutivas e transparentes (fig. 6), tecida em linhas e colunas;
• Sistema de controlo de "sensing" ou detecção, que envia corrente através das linhas e colunas, e detecta para cada linha e cada coluna, a quantidade de energia descarregada;
• Sistema de processamento de sinal que trata a informação recolhida e a serializa para envio para um sistema anfitrião:
• Sistema de conversão, que, face aos valores tratados de intensidade por linha e por coluna, determina qual a coluna com o valor máximo e qual a linha com o valor máximo e converte, através de uma transformação previamente calculada por calibração, essa linha e coluna para coordenadas no ecrã.
Porém, estas técnicas sofrem de uma ou mais das seguintes limitações :
• Apenas um ponto de toque pode ser detectado;
• Em alguns casos, podem ser detectados no máximo dois pontos de toque; • Os casos em que podem ser detectados mais do que dois pontos estão limitados pelas dimensões dos ecrãs.
As razões para estas limitações relacionam-se essencialmente com os fenómenos capacitivos e com a forma como a informação do campo electromagnético é capturada. Para conseguir fazer uma captura multi-ponto utilizando tecnologia capacitiva, usando as mesmas grelhas, as técnicas de captura têm de ser substancialmente diferentes das actuais, bem como os métodos de processamento de sinal aplicados à informação recolhida da parte sensorial.
Dois factores importantes em tecnologias de toque são a robustez e o tempo de resposta. Ambos influenciam a percepção de quem utiliza o sistema, e ditam a usabilidade do mesmo. Para um sistema multi-toque ser bem sucedido, não é suficiente que o sistema detecte múltiplos pontos de toque, é necessário que o faça de forma robusta (sem falsos positivos nem falsos negativos) e que não apresente atrasos perceptíveis entre o instante em que é efectuado um toque, e o instante em que há uma resposta por parte do sistema (baixa latência) . Adicionalmente, se se pretender um processamento contínuo dos pontos de toque (por exemplo, seguimento do ponto de toque através do tempo para identificar trajectos ou movimentos específicos), a latência do sistema deve ser diminuta, para que se possam efectuar varrimentos da grelha suficientes que permitam o processamento mencionado em cima e que no final coloquem uma latência o mais imperceptível quanto possível ao utilizador .
A presente invenção diz ainda respeito aos efeitos da projecção de ar e/ou vapor (descrito a partir de agora como sopro) sobre uma grelha capacitiva e a métodos de leitura das variações de carga na grelha capacitiva provocadas, permitindo assim ser detectada a presença de vários objectos próximos ou em contacto com a referida grelha, ligados ou não à terra, e simultaneamente permitir a detecção da exalação de ar e/ou vapor (descrito a partir de agora como sopro) sobre a mesma grelha.
Uma nuvem de ar e/ou vapor é um corpo sem ligação à terra e que é electricamente positivo, sob determinadas condições, nomeadamente a fricção prévia das suas partículas de água contra um corpo sólido.
Estes factos foram comprovados por John Williams, em 1841, e Michael Faraday, em 1843.
Para o âmbito desta invenção, tomar-se-á como corpo sem ligação à terra e normalmente electricamente positivo uma nuvem de ar e/ou vapor criada através da expiração de um ser vivo (por exemplo, um humano), ou a partir de vaporizadores ou outros dispositivos ou sistemas que, através da fricção das partículas de líquidos ionizáveis (exemplo: partículas de água constituintes do vapor gerado) carreguem electricamente a nuvem gerada.
Descrição geral da invenção
A presente invenção permite levar a cabo uma leitura do campo electromagnético criado na imediação de uma grelha capacitiva (fig. 1), preferencialmente uma grelha de grandes dimensões, permitindo assim detectar a presença de vários objectos próximos ou em contacto com a referida grelha. De forma a tornar possível a leitura de cada um dos movimentos ou toques na grelha ou nas suas imediações, recorreu-se a um controlador (1001) composto de quatro circuitos principais {"Sensing" ou detecção (1003), conversão (1004), processamento de sinal (1005) e comunicação (1006)) e a um computador (1002) encarregue sobretudo de levar a cabo ajustes e calibrações da informação enviada a partir do controlador (1001) (fig. 10) .
A presente invenção permite levar a cabo uma leitura do campo electromagnético criado na imediação de uma grelha capacitiva (111) (fig. 1), preferencialmente uma grelha de grandes dimensões, permitindo assim ser detectada a presença de vários objectos próximos ou em contacto com a referida grelha. O tipo de grelha a usar consiste preferencialmente numa série de micro-filamentos condutores revestidos (101, 102,103,104,105,106,107,108,109,110,201,202, 203,204,205,206,207,208,209,210,301,302,303,304,305,306,307 ,308,309,310,501,502,503,504,505,701,702,703,704) (figs. 1, 2, 3, 5 e 7), colocados entre duas chapas ou camadas transparentes (506,507,606,607,608), tais como películas poliméricas, dispostos em linhas e colunas (de forma regular ou irregular), que se cruzam, formando uma matriz. O material não tem de ser necessariamente transparente, da mesma forma que os filamentos podem ser constituídos por fios ou por outros materiais condutores
(401,402,403,404,405,406,407,
408,409,410,601,602,603,604,605) (figs. 4 e 6) (ex: Indium Tin Oxide (ITO), antimony tin oxide (ATO)). A disposição dos filamentos deve seguir a geometria aproximada de linhas e colunas (fig 1) . No entanto, uma linha ou coluna pode ser formada por um filamento disposto em "zig-zag" ou noutra forma que cubra o mais possível a área de operação desejada para essa linha ou coluna (fig. 1, 2, 3, 4) . De forma a poder capturar a informação do campo electromagnético, considere-se primeiramente a intersecção entre uma determinada linha e coluna como sendo um condensador (112) (fig 7) . Este condensador "composto" é formado pelo condensador directo entre a linha e coluna seleccionada (706), pelos condensadores formados entre a linha e coluna seleccionados e as linhas e colunas adjacentes (707,708), pelos condensadores formados entre as colunas e linhas adjacentes e as linhas e colunas seguintes, e assim sucessivamente. As linha e a coluna seleccionadas funcionam como eléctrodos deste condensador "composto" (fig 7). De forma a possibilitar a captura de informação procede-se à injecção de um sinal de excitação ( 1008 , 1101 , 1201 ) de características específicas (adiante detalhadas) num desses eléctrodos (p. ex. linha) de acordo com uma selecção pré- determinada por um multiplexador de entrada (1007,1102, 1202), o que vai provocar a carga e descarga do referido condensador, criando um campo electromagnético que por sua vez originará uma corrente eléctrica no segundo eléctrodo (no caso, na coluna) . Aquele campo electromagnético será afectado pela proximidade de objectos (por exemplo um dedo (710), opcionalmente em contacto com uma massa de terra (709)), que, em termos eléctricos, acrescenta um condensador (705) ao condensador "composto" (fig 7), resultando na alteração, por exemplo, da amplitude do sinal gerado no segundo eléctrodo. Esta variação de sinal, na amplitude por exemplo, será usada como indicação da proximidade ou toque no ponto de intersecção da referida linha e coluna. Para medir essa variação é efectuada uma conversão da amplitude do sinal no segundo eléctrodo para uma diferença de potencial num circuito de acondicionamento de sinal ( 1107 , 1207 ) (desmodulação) . A partir desta voltagem, é aplicada uma conversão de voltagem para valor digital (1004), usando um conversor analógico digital (ADC) (1012,1108) . Opcionalmente, pode ser aplicado um circuito diferencial (1014,1208), que permita compensar os valores obtidos na saída do ADC com um factor de correcção (1011) baseado numa leitura prévia.
A conversão analógico-digital rege-se por duas tensões de referência, que definem o intervalo de valores analógicos que vão servir como limite mínimo e máximo da conversão.
Para optimizar a precisão da conversão do ADC(1108, 1208), é proposto o uso de um circuito de calibração ( 1019 ) que, através da utilização de um DAC(1110, 1211), define para cada intercepção a gama de valores admissíveis a converter pelo ADC (1108, 1208) .
Porém, como já se referiu, um dos problemas existentes na leitura do sinal como reacção ao toque é a baixa latência. Ao contrário de tecnologias existentes no mercado, que fazem várias leituras a uma mesma intersecção para obter uma leitura estável e despendendo assim bastante tempo nessas leituras, a técnica proposta necessita apenas de uma leitura, compensando as possíveis variações posteriormente no firmware do controlador e/ou no computador, utilizando diferentes técnicas (por exemplo, através do cálculo do valor médio para cada célula, da aplicação de filtros activos dinâmicos) .
O circuito de "sensing" ou detecção (1003) permite detectar de forma localizada a proximidade ou contacto de objectos com os pontos de intersecção da matriz que o constituem. 0 sinal eléctrico de excitação (características do sinal) a injectar nas linhas (fig. 11, 12) é proveniente de um gerador de onda (1008,1101,1201), preferencialmente sinusoidal entre os 50 e os 300 KHz com uma amplitude de 10 a 24 volts pico a pico (-5 a +5 volts ou -12 a +12 volts com ponto médio centrado a 0 volts) . A sensibilidade e o alcance do campo electromagnético gerado podem ser manipulados através da alteração da frequência e da amplitude do gerador de sinal. A variação de frequência pode ser manualmente ajustada utilizando condensadores fixos ou variáveis ou digitalmente, caso sejam aplicados condensadores digitais. A variação de amplitude pode ser manualmente ajustada utilizando resistências variáveis, ou digitalmente, caso sejam aplicadas resistências digitais.
A selecção da linha de injecção de sinal torna-se possível utilizando um circuito de multiplexação de entrada (1007, 1102, 1202) (fig. 11, 12) que, através das suas entradas de endereçamento e controlo, activa uma dada linha, mantendo as restantes desligadas {" tri-stated", tri- nível ou em alta impedância) .
Em alternativa, as linhas não utilizadas podem receber uma componente contínua, ou seja, DC. Da mesma forma, a selecção da coluna para a obtenção do sinal analógico final referente à intercepção linha-coluna seleccionada torna-se possível usando também um circuito de multiplexação (1010,1103,1203). O sinal à saída do circuito de multiplexação ( 1010 , 1103 , 1203 ) passa por um circuito de rectificação e acondicionamento (1107,1207), de modo a converter a diferença de amplitude de sinal em diferença de potencial . 0 circuito de recepção e amplificação em cada coluna (1009,1104,1105,1106,1204,1205,1206) é preferencialmente formado por uma malha RC (onde o condensador é aquele formado pela coluna e a linha seleccionada) em configuração de filtro "passa-alto", onde a resistência intrínseca ao condensador (fig. 7) (calculada através da frequência injectada e do valor do condensador) forma um divisor de tensão com a resistência da malha RC, que irá alimentar um amplificador em modo não inversor. Todas as colunas (1104,1105,1106,1204,1205,1206) têm nas suas saídas um circuito idêntico ao descrito anteriormente que, por sua vez, estão ligados ao circuito multiplexador de saída (1010,1103,1203) (que permite seleccionar o sinal de saída de determinada coluna) . Este circuito multiplexador
(1010,1103,1203) tem na sua saída duas malhas RC, ambas em configuração de filtro "passa-baixo", obtendo-se no final uma voltagem relacionada com a amplitude da corrente eléctrica existente à saída da coluna
(1107,1207) (rectificação) . De forma a converter o valor de potencial, ou de diferença de potencial, no caso de operação diferencial, num valor digital, para posterior processamento de sinal digital, existe ainda um circuito de conversão analógico-digital (1004), o qual converte o sinal usando um conversor ADC (1012,1108), em que é tomada como gama de referência a fonte de alimentação do circuito (por exemplo, 0 volts como limite inferior e 5 volts como limite superior), ou uma voltagem de referência aplicada através de componentes externos ao microcontrolador
(1018,1109,1209) ou programaticamente (interno ao microcontrolador) . Opcionalmente, tendo como um objectivo o nivelamento do sinal a converter de modo a aproveitar ao máximo a gama de referência do ADC, é utilizado o ADC em modo diferencial ( 1014 , 1208 ) ( fig . 12).
Independentemente do modo de operação do ADC na fase de detecção de toque, este é usado em modo normal na fase de inicialização (801), onde é obtida uma tabela (802) com os valores de referência para os pontos da matriz. Esta tabela será usada para os algoritmos de alisamento {"smoothing") e, opcionalmente, para uma das entradas no ADC diferencial (1208). No modo diferencial (fig. 12), o ADC (1014,1208) recebe numa das entradas o sinal proveniente da coluna seleccionada e na outra entrada recebe a saída de um DAC (1013,1209) que, por sua vez, tem à sua entrada o valor de referência (1015) para o ponto da matriz, obtido da tabela gerada na fase de inicialização (801) . De forma a calcular o diferencial entre o sinal analógico e o sinal capturado, é utilizada a diferença entre sinal da coluna seleccionada e valor de referência à saída do DAC (1013,1208) .
A conversão analógico-digital rege-se por duas tensões de referência, que definem o intervalo de valores analógicos que vão servir como limite mínimo e máximo da conversão.
Para optimizar a precisão da conversão do ADC(1108, 1208), é proposto o uso de um circuito de calibração ( 1019 ) que, através da utilização de um DAC(1110, 1211), define para cada intercepção a gama de valores admissíveis a converter pelo ADC (1108, 1208) .
Dadas as características da grelha, os valores de potencial ( 1301 ) máximo (quando não há toque (1305,1306), ou seja, o condensador composto está carregado) e mínimo (quando há toque (1302), ou seja, o condensador composto descarrega) sao diferentes para cada intercepção.
Ao definir exclusivamente um par de valores de referência (Vref+ ( 1304 ) e Vref-(1303)) para a conversão de todas as intercepções, o intervalo definido terá de ser obrigatoriamente amplo de modo a abranger todos os limites de todas as intercepções, perdendo-se assim precisão de conversão. Para optimizar a precisão de conversão, é necessário definir valores de referência (Vref-( 1303 ) e Vref+(1304)) para cada intercepção de forma independente.
A definição dos valores de referência ( 1303 , 1304 ) de cada intercepção é feita de forma semelhante ao circuito diferencial ( 1011 ) , ou seja, através de uma calibração usando valores lidos da grelha, feita na fase de inicialização ( 801 ) .
O processo de calibração dos valores de referência ( 1303 , 1304 ) de uma dada intercepção é feito por aproximações sucessivas, definindo um valor de tensão de referência inicial, que vai sendo ajustado até obter uma leitura válida do ADC(1108, 1208).
Quando for atingido um valor válido, esse será um dos valores de tensão de referência para essa intercepção. O segundo valor de tensão de referência é uma função do valor do primeiro valor encontrado, de modo a abarcar toda a variação do sinal a converter ( 1301 ) .
Estes valores são guardados numa tabela de referência, para serem posteriormente usados na fase de detecção de toque na parametrização do ADC(1108, 1208) através do uso do DAC (1110, 1211). Estes valores podem ser actualizados de forma periódica ou continua, através de recalibrações em períodos sem actividade ou através de ajustes dinâmicos durante a utilização da própria grelha.
Refira-se ainda a existência de um circuito de processamento de sinal digital (1005), o qual permite a redução de ruído por alisamento ( "smoothing" ) e parametrização do ADC (1012,1014,1108,1208) para resoluções que melhor se apliquem ao nível de sinal e ruído (opcionalmente, permite também a gestão do sinal de referência e operação do DAC (1013,1209)).
Este processo de leitura de uma intercepção linha-coluna é efectuado para todas as intercepções da grelha, seguindo o seguinte processo (fig 9):
- Para cada linha (907) :
- no multiplexador de entrada ( 1007 , 1102 , 1202 ) , selecciona-se a linha referente à intercepção linha-coluna pretendida (901), onde será injectado o sinal de exitação
- Para cada coluna (906) :
- o sinal carrega os condensadores criados entre essa linha e as colunas
- os estágios de amplificação aumentam o sinal obtido à saída das colunas
- no multiplexador de saída (1010,1103,1203), selecciona-se a coluna referente à intercepção linha-coluna pretendida - a saída do multiplexador de saída (1010,1103,1203) passa pelo circuito de rectificação (1107,1207)
- o sinal rectificado (902) entra no ADC (1012,1014,1108,1208), é convertido num valor digital (903) e enviado ao microcontrolador (1018, 1109, 1210)
- se necessário, pré-processa os valores lidos da grelha (904)
- envia os valores lidos da grelha para o computador (905)
De forma a processar o sinal são utilizados algoritmos de processamento digital de sinal codificados no "firmware", programação, do microcontrolador (1018,1109,1210). De seguida, o circuito de comunicação (1006) prepara a informação digital recolhida para envio para um sistema anfitrião ou computador (host) (1002) utilizando por exemplo tecnologia USB de forma estruturada.
A comunicação USB implementa ainda a enumeração do dispositivo para que este seja reconhecido pelo sistema anfitrião (computador) (1002), devidamente associado ao controlador (driver) (1016) instalado neste e divide o conjunto de valores dos pontos da matriz em pacotes enviando-os para o sistema anfitrião (1002) . Além disso implementa a sincronização da transmissão dos pacotes, por exemplo, através do envio de pacotes de controlo e recebe pacotes de controlo provenientes do sistema anfitrião (1002), que contêm valores para parametrização do dispositivo (1001). Refira-se que estes valores podem parametrizar, por exemplo, a frequência e amplitude do circuito gerador de sinal, o ganho das etapas de amplificação do sinal, o nível de alisamento/redução de ruído do sinal e a precisão da conversão analógica-digital (1017) .
Um dos algoritmos possíveis e preferencial para o processamento da informação obtida da grelha é descrito de seguida. Após recepção de cada frame (matriz com as leituras obtidas da grelha) sob a forma digital, é feito um processamento dessa informação para reduzir o ruído, detectar pontos de toque e fazer o seguimento desses mesmos pontos .
O processamento divide-se em vários estágios, podendo não ser limitado a estes.
Estágios de detecção de pontos de toque:
Thresholding : valores inferiores a um limite mínimo assumem-se como erros residuais, e são anulados
Moving Average in Time filter (filtro por média móvel no tempo) : cada valor na posição (x,y) é corrigido por uma média que leva em conta as últimas n leituras para cada um desses pontos. O objectivo deste passo é compensar picos isolados causados por ruído (por coerência temporal ) .
Thresholding, detecção por limiar, por coluna: Dada a natureza do circuito, quando há um toque numa dada coluna, todos os valores dessa coluna são afectados por um aumento. Isto aumenta também os erros, pelo que é feita uma anulação dos valores inferiores a uma percentagem do valor máximo dessa coluna
Smoothing (alisamento) : adicionalmente, pode ser aplicado um alisamento para reduzir ainda mais o ruído proveniente de interferências, explorando a coerência espacial. Exemplos deste tipo de algoritmos são filtros passa-baixo como o filtro de Gaussian, a média dos pontos vizinhos ou a mediana.
Identificação de possíveis áreas de toque: após a filtragem efectuada nos passos anteriores, são identificadas áreas contíguas da matriz que tenham leituras significativas. Para cada uma das áreas contíguas, é calculado o seu centro de massa e extensão. Caso o seu valor seja significativo (i.e acima de um limite mínimo) considera-se que houve um ponto de toque na posição correspondente ao centro de massa.
Estágios de seguimento de pontos de toque
Com a informação dos pontos de toque detectados no estágio anterior, é feito o seguimento dos mesmos, sendo armazenados sob a forma de trilhos
No estado inicial, não existe nenhum trilho
Um ponto de toque que surja isolado dá origem a um novo trilho
Em instantes subsequentes, cada novo ponto de toque é comparado com trilhos existentes no instante de tempo anterior. Se o ponto de toque estiver suficientemente perto de um trilho existente, é adicionado ao trilho. Se não estiver próximo de nenhum trilho, dá origem a um novo trilho
Em cada instante também, trilhos aos quais não foi adicionado nenhum novo ponto são considerados como terminados, e removidos da lista de trilhos existentes
A informação de início de novo trilho, acrescento de novos pontos e fim de trilho pode ser enviada para as aplicações de diferentes formas, nomeadamente como eventos do sistema operativo que notifica as aplicações desses eventos, ou como uma sequência de comandos lida pela aplicação a partir de um porto de comunicação bem definido.
A presente invenção diz respeito aos efeitos da projecção de ar e/ou vapor (descrito a partir de agora como sopro) sobre uma grelha capacitiva (fig 18) e a métodos de leitura das variações de carga na grelha capacitiva provocadas, permitindo assim ser detectada a presença de vários objectos próximos ou em contacto com a referida grelha (fig 14), e simultaneamente permitir a detecção da exalação de ar e vapor (descrito a partir de agora como sopro) sobre a mesma grelha (fig 15) .
A detecção de toques e a detecção da projecção de ar e/ou vapor podem ser activadas para funcionamento simultâneo ou isolado .
De acordo com o principio inerente ao comportamento de condensadores e cargas capacitivas, a detecção de aproximações ou toques de um ou vários objectos, em relação à grelha capacitiva, baseia-se na alteração da carga capacitiva induzida por essas mesmas aproximações ou toques .
Estes objectos, que poderão ser dedos, mãos, ou outro tipo de objectos manipulados ou não por uma ou mais pessoas, acrescentam um condensador (105'), ligado à terra, ao condensador composto (104') (formado entre as linhas e colunas), resultando numa diminuição da capacidade de carga do referido condensador composto (104') e, consequentemente, a leitura de um valor menor de corrente à saída do condensador composto ( 104 ' , 204 ') relativamente ao valor de corrente existente em situação estacionária.
Se alterarmos o condensador acrescentado, ligando-o em paralelo ao condensador composto (206 ' , 303 ' , 404 ' , 405 ' ) , aumentando assim a sua capacidade de carga, a capacidade de carga será maior, ou seja, haverá lugar a um aumento do valor de corrente à saída do condensador composto, aquando da sua descarga, relativamente ao valor de corrente existente em situação estacionária (sem o condensador acrescentado) . Esta configuração de ligação do condensador acrescentado ao condensador composto pode ser obtida, por exemplo, com a proximidade ou toque de corpos (304', 406') que não impliquem uma ligação à terra e que sejam electricamente positivos (fig 16, fig 17).
Para o âmbito desta invenção, tomar-se-á como corpo (205') sem ligação à terra e electricamente positivo uma nuvem de ar e/ou vapor criada através da expiração de um ser vivo (por exemplo, um humano), ou a partir de vaporizadores ou outros dispositivos ou sistemas que, através da fricção das partículas de líquidos ionizáveis (exemplo: partículas de água constituintes do vapor gerado) carreguem electricamente a nuvem gerada.
Em situações normais, a carga eléctrica estática é positiva, mas a presente invenção pode ser facilmente adaptada para a detecção de cargas negativas, caso as circunstâncias o assim impliquem.
Assim, tomando como exemplo o caso da expiração em humanos, ao expirar ou soprar, é criada uma nuvem de vapor, que é carregada positivamente devido à fricção entre as partículas de água e as paredes do percurso entre os alvéolos dos pulmões e a boca.
Se esta nuvem de vapor for direccionada para a grelha capacitiva, a capacidade de carga nos locais da grelha atingidos pela nuvem de vapor aumenta, aumentando o valor da corrente à saída dos condensadores compostos respeitantes a esses locais.
Posteriormente, a capacidade de carga nos locais da grelha atingidos pela nuvem de vapor volta aos valores estacionários, devido à evaporação da nuvem.
A detecção da exalação (ou nuvem de vapor) sobre a grelha capacitiva é efectuada através da medição da carga capacitiva presente nas linhas e colunas que formam a grelha - para sistemas de medição horizontal e vertical -, ou da carga capacitiva presente entre as linhas e colunas que formam a grelha capacitiva - para sistemas de medição ponto a ponto.
Um exemplo de sistema de medição horizontal e vertical será um circuito que toma as linhas e colunas como condensadores independentes e, assim, obtém valores para as linhas e para as colunas. Como a leitura da grelha se limita aos valores de carga presente em cada linha e em cada coluna (e não em cada ponto de cruzamento entre elas), podemos obter um toque (ou dois em simultâneo, com recurso a firmware ou software) . No caso da detecção de exalação ou nuvem, é possível obter a posição onde esta colide com a grelha, pois teremos uma linha (ou mais consecutivas) e uma coluna (ou mais consecutivas) que indicarão as coordenadas dessa posição, de resto, tal como se apresentam os resultados da detecção de um toque. A diferenciação entre toque e exalação será que o resultado de um será de sinal inverso ao outro, ou seja, se o toque devolver um valor abaixo do valor em repouso, a exalação da nuvem devolverá um valor acima do valor em repouso, e vice-versa.
Um exemplo de sistema de medição ponto a ponto será um circuito que toma as intercepções entre linhas e colunas como condensadores compostos e, assim, obtém valores para essas intercepções, tendo no final uma matriz de valores. Este tipo de leitura permite a detecção directa de vários toques simultâneos. No caso da detecção de exalação ou nuvem, é possível obter a indicação da coluna (ou linha) onde esta colide com a grelha e não a posição directa, pois o efeito de adição de capacidade de carga é adicionado a toda a coluna (ou linha que corresponde ao pólo de saída do condensador composto) . Posteriormente, pode-se recorrer a métodos de multiplexagem ou comutação para contornar esta limitação. A diferenciação entre toque e exalação será que o resultado de um será de sinal inverso ao outro, ou seja, se o toque devolver um valor abaixo do valor em repouso, a exalação da nuvem devolverá um valor acima do valor em repouso, e vice-versa.
Independentemente do sistema de detecção usado, obtém-se directamente a intensidade da exalação da nuvem e, recorrendo a mecanismos de histórico nos sistemas receptores dos valores lidos, obtém-se a direcção da mesma. Estes dados obtidos (tais como movimento, duração, intensidade, direcção, posição, etc.) a partir da detecção do sopro, podem ser traduzidos em acções ou gestos de acção no sistema hospedeiro ou de recepção dos sinais, recorrendo a padrões e sequências predefinidos . 0 software ou hardware que recebe os dados do sistema de detecção usará estes padrões e sequências para determinar acções que serão enviadas ao sistema de recepção, o qual poderá usá-las para interagir com outras aplicações ou sistemas.
Realização preferencial
Os sistemas de detecção de interacção mais divulgados e com aplicação prática baseiam-se quase exclusivamente nos métodos de interacção por toque (directo: dedos, mãos; indirecto: canetas, objectos posicionados), detecção visual (recorrendo a câmaras, sensores de presença, etc) , entre outros (sensores de temperatura, ultrasónicos , etc). Verifica-se nestes sistemas que são normalmente desenhados para um tipo especifico de detecção ou interacção, e consequentemente, para a detecção ou interacção de diferentes métodos é necessário recorrer a sistemas distintos .
A presente invenção diz respeito à leitura do campo electromagnético criado na imediação de uma grelha capacitiva, permitindo assim ser detectada a presença de vários objectos próximos ou em contacto com a referida grelha, e simultaneamente permitir a detecção da projecção de ar e/ou vapor (descrito a partir de agora como sopro) sobre a mesma grelha, e, adicionalmente, a tradução dos dados obtidos que reflectem, entre outras características, os movimentos, duração e intensidade do sopro em acções ou gestos de acção no sistema hospedeiro ou de recepção.
A presente invenção diz respeito aos efeitos da projecção de ar e/ou vapor (descrito a partir de agora como sopro) sobre uma grelha capacitiva e a métodos de leitura das variações de carga na grelha capacitiva provocadas, permitindo assim ser detectada a presença de vários objectos próximos ou em contacto com a referida grelha, ligados ou não à terra, e simultaneamente permitir a detecção da projecção de ar e vapor sobre a mesma grelha. A invenção terá aplicação preferencial nas áreas da interacção humano/computador, utilizando tecnologia electrónica baseada em fenómenos capacitivos.
Desta forma, a presente invenção é útil para potenciar as capacidades de interacção entre sistemas eléctricos e electrónicos e o utilizador, podendo coexistir com sistemas de detecção de toque, obtendo-se assim sistemas com vários métodos simultâneos de interacção (entre os quais se encontram o toque e a projecção de ar e/ou vapor) podendo ser aplicado em sistemas que permitam ou exijam a detecção/interacção (simultânea ou não) a partir de métodos distintos. Estes sistemas poderão ser aplicados, por exemplo, em entretenimento, controlo e medição, ou como auxiliares para indivíduos de capacidades físicas diminuídas .
Adicionalmente, a presente invenção descreve como se podem traduzir os dados obtidos que reflectem, entre outras características, os movimentos, duração e intensidade do sopro detectados em acções ou gestos de acção no sistema hospedeiro ou de recepção. Descrição das Figuras
Para uma mais fácil compreensão da invenção, juntam-se em anexo as figuras, as quais, representam realizações preferenciais do invento que, contudo, não pretendem, limitar o objecto da presente invenção.
Figura 1: Representação esquemática da grelha capacitiva da presente invenção.
Figura 2: Representação esquemática de grelha alternativa que permite uma maior cobertura de área, através da duplicação do percurso de cada linha e/ou coluna.
Figura 3: Representação esquemática de grelha alternativa que permite uma maior cobertura de área, através do percurso em "zig-zag" da cada linha e/ou coluna.
Figura 4: Representação esquemática esquemática de grelha alternativa que permite uma maior cobertura de área, através de pistas condutoras de largura relevante para cada linha e/ou coluna.
Figura 5: Representação esquemática de secção de grelha de fios metálicos, em linhas e colunas.
Figura 6: Representação esquemática de secção de grelha de pistas condutivas e transparentes, em linhas e colunas.
Figura 7: Representação esquemática do circuito equivalente a cada cruzamento de linha e coluna, onde existe um condensador composto equivalente, que corresponde ao condensador directo entre linha e coluna seleccionadas, aos condensadores entre linha e coluna seleccionadas e as linhas e colunas adjacentes, e aos condensadores entre as linhas e colunas adjacentes e as linhas e colunas seguintes. Representa-se ainda o condensador equivalente à variação neste referido condensador composto, correspondente à proximidade de uma objecto, um dedo, por exemplo .
Figura 8: Representação esquemática do método de operação global do sistema.
Figura 9: Representação esquemática do método de leitura da grelha capacitiva.
Figura 10: Representação esquemática do controlador da grelha capacitiva da presente invenção e do respectivo processamento no computador anfitrião.
Figura 11: Representação esquemática do circuito de controlo e tratamento de sinal da grelha capacitiva da presente invenção.
Figura 12: Representação esquemática do circuito de controlo e tratamento de sinal da grelha capacitiva da presente invenção, com opção de conversor analógico-digital DAC (1209) para operação diferencial.
Figura 13: Representação esquemática dos níveis de potencial correspondentes à voltagem de referência mínima (1303), à voltagem de referência máxima (1304), ao sinal a converter ( 1301 ) , à voltagem quando há toque (1302), quando não há toque (1305,1306). Figura 14: Representação esquemática de detecção de objectos próximos ou em contacto com a grelha.
Figura 15: Representação esquemática de detecção da exalação (vulgo, sopro) sobre a grelha.
Figura 16: Representação esquemática de comportamento eléctrico da exalação sobre uma grelha com sistema de detecção ponto a ponto.
Figura 17: Representação esquemática de comportamento eléctrico da exalação sobre uma grelha com sistema de detecção horizontal e vertical.
Figura 18: Representação esquemática de efeitos da exalação de ar e vapor (vulgo, sopro) sobre uma grelha capacitiva.
Figura 19: Representação esquemática de sistema de detecção ponto a ponto.
Figura 20: Representação esquemática de sistema de detecção horizontal e vertical.
Figura 21: Representação esquemática de sistema de detecção ponto a ponto com comutação.
Figura 22: Representação esquemática de con unto-padrão de exemplos de padrões ou sequências de dados.
Realizações preferenciais adicionais A presente invenção diz respeito aos efeitos da projecção de ar e/ou vapor (descrito a partir de agora como sopro) sobre uma grelha capacitiva, grelha esta formada por linhas (102', 202') e colunas (103', 203') feitas de material condutor, que poderão estar ou não entre materiais de protecção e/ou de suporte (101', 201'), e a métodos de leitura das variações de carga provocadas na grelha capacitiva, permitindo assim ser detectada a presença de vários objectos próximos ou em contacto com a referida grelha (fig 14), e simultaneamente permitir a detecção da projecção de ar e/ou vapor (vulgo, sopro) sobre a mesma grelha (fig 15) .
A detecção de toques (fig 14) e a detecção da projecção de ar e/ou vapor (fig 15) podem ser activadas para funcionamento simultâneo ou isolado.
Para o âmbito desta invenção, tomar-se-á como corpo sem ligação à terra e electricamente positivo uma nuvem de vapor (505 ') criada através da expiração de um ser vivo (por exemplo, um humano) (501'), ou a partir de vaporizadores ou outros dispositivos ou sistemas que, através da fricção das partículas ionizáveis, por exemplo de líquidos, (503') (exemplo: partículas de água constituintes do vapor gerado) carreguem electricamente (505') a nuvem gerada.
Assim, tomando como exemplo o caso da expiração em humanos (501'), ao expirar ou soprar, é criada uma nuvem de vapor (504'), que é carregada positivamente (505') devido à fricção entre as partículas de água e as paredes do percurso entre os alvéolos dos pulmões e a boca (503') . Se esta nuvem de vapor for direccionada para a grelha capacitiva (502'), a capacidade de carga nos locais da grelha atingidos pela nuvem de vapor aumenta devido à carga positiva da nuvem (consegue absorver mais electrões e posteriormente libertá-los através da evaporação) , aumentando o valor da corrente à saída dos condensadores compostos respeitantes a esses locais.
Como o toque e a exalação têm comportamentos inversos na grelha capacitiva (o toque diminui a capacidade de carga na zona de acção; a exalação de vapor aumenta a capacidade de carga na zona de acção) , é fácil detectar que tipo de interacção estará a ser efectuada e, no caso de se verificarem interacções detectadas simultaneamente, quais destas serão toques e quais serão exalações.
Para um circuito de detecção horizontal e vertical (fig. 20), a injecção e detecção de carga é combinada num único pólo (702', 703'), permitindo a leitura de uma linha da grelha (701') apenas conectando-a por uma das pontas nesse mesmo pólo. O mesmo processo aplica-se às colunas. Nesta configuração, no caso de toque, apenas se consegue detectar directamente um toque simultâneo (todavia, é possível conseguirem-se detectar mais toques indirectamente através de firmware ou software adaptado) , devido ao "sensing" ser efectuado por linhas (706') e por colunas (705') (e não por ponto de intercepção) .
Assim, ao soprar (704') para um ponto da grelha (701'), as colunas (401') e as linhas (402') da grelha (403') que atravessem esse ponto terão um valor de corrente aumentado até que se complete a evaporação da nuvem. Como resultado do sopro para um ponto da grelha, os vectores de valores de corrente (correspondendo um vector para os valores das colunas e um vector para os valores das linhas), evidenciará colunas e linhas com valores superiores à média da matriz, durante uma ou mais leituras da grelha.
Cruzando estes vectores, teremos um sistema bidimensional, ou seja, as coordenadas do ponto ou zona de colisão da nuvem com a grelha.
0 número de colunas e linhas afectadas, ou, dito de outra forma, a área afectada depende de vários factores, tais como: velocidade de deslocação da nuvem, distância entre o ponto de expulsão da nuvem (boca) e a grelha capacitiva, volume da nuvem, área da grelha capacitiva abrangida pela nuvem após a sua colisão.
Um circuito de medição ponto a ponto (fig 19) permite, assim, a detecção de nuvens de vapor electricamente carregadas num espaço bidimensional.
Para um circuito de detecção ponto a ponto, a injecção de sinal (602') é efectuada nas linhas e o " sensing" ( 603 ' ) efectuado nas colunas. Nesta configuração, e também devido ao tempo necessário para a evaporação da nuvem (604'), uma coluna atingida pela nuvem será totalmente afectada até à completa evaporação (o tempo de evaporação da nuvem é superior ao tempo necessário para a leitura das intercepções da coluna) , e, estando o circuito de "sensing" apenas ligado às colunas (301') da grelha (302') (ou seja, ao polo de saída do condensador composto) , todas as intercepções entre essa coluna e as linhas de injecção sofrerão de um aumento de valor de corrente que será posteriormente adquirido no circuito de "sensing" (603'). Assim, ao soprar (604') para um ponto da grelha (601'), as intercepções nas colunas que atravessem esse ponto terão um valor de corrente aumentado até que se complete a evaporação da nuvem.
Como resultado do sopro (604') para um ponto da grelha (601'), a matriz de valores de corrente correspondente às intercepções entre linhas e colunas, evidenciará colunas com valores superiores à média da matriz, durante uma ou mais leituras da grelha.
O número de colunas afectadas, ou, dito de outra forma, a área afectada depende de vários factores, tais como: velocidade de deslocação da nuvem, distância entre o ponto de expulsão da nuvem (boca) e a grelha capacitiva, volume da nuvem, área da grelha capacitiva abrangida pela nuvem após a sua colisão.
Um circuito de medição ponto a ponto (fig 19) permite, assim, a detecção numa grelha capacitiva (601', 801') de nuvens de vapor (604 ', 804 ') electricamente carregadas num espaço unidimensional (apenas no eixo das colunas) . Para a detecção num espaço bidimensional, o circuito e respectivo software pode ser modificado (fig 21) de modo a que, por comutação (805') entre linhas e colunas, a injecção do sinal de excitação (802') seja efectuada nas linhas e colunas e o "sensing" (803') (ou aquisição) nas colunas e linhas, respectivamente. Após duas leituras consecutivas da grelha capacitiva (com a alternância entre colunas e linhas descrita atrás), obtêm-se dados suficientes para criar um espaço bidimensional da grelha (801') onde, no caso da colisão de uma ou mais nuvens com a grelha capacitiva, uma (ou mais) colunas e uma (ou mais) linhas estarão "carregadas". A intercepção entre as linhas e colunas "carregadas" indicará os pontos, ou áreas, onde as nuvens colidiram com a grelha capacitiva.
Independentemente da leitura se efectuar com circuitos de medição vertical e horizontal ou medição ponto a ponto, num espaço unidimensional ou bidimensional, outros dados podem ser adquiridos, via software (por exemplo, através de mecanismos de histórico das leituras da grelha capacitiva) , tais como: tempo de actuação da nuvem, direcção da nuvem, tamanho da nuvem, pressão da nuvem, padrões de movimento e intensidade .
Estes dados obtidos (tais como movimento, duração ou tempo de actuação da nuvem, tamanho, pressão ou intensidade, direcção, posição, etc.) a partir da detecção do sopro, podem ser traduzidos em acções ou gestos de acção no sistema hospedeiro ou de recepção dos sinais, recorrendo a padrões e sequências predefinidos . Estes padrões ou sequências de dados obtidos poderão ser movimentos da nuvem na grelha, diferenças de intensidade ao longo do tempo em que a nuvem está activa, a direcção do movimento da nuvem, etc. 0 software ou hardware que recebe os dados do sistema de detecção usará estes padrões e sequências para determinar acções que serão enviadas ao sistema de recepção, o qual poderá usá-las para interagir com outras aplicações ou sistemas. Os padrões e sequências poderão ser criados unicamente a partir dos dados obtidos da detecção do sopro e poderão ser uma combinação de dados obtidos da detecção do sopro e de dados obtidos da detecção de toques. Os padrões ou sequências podem estar pré-configurados em hardware, firmware e/ou software e podem ser alterados ou programados, através de uma aplicação ou sistema integrado no sistema de detecção e/ou no sistema hospedeiro, de modo a se ajustarem ao sistema de detecção usado, às acções pretendidas, a limitações do ambiente e físicas. Podem também ser adicionados novos padrões e sequências de modo a aumentar a gama de acções ou gestos de acção reconhecidos, como alterar e apagar padrões e sequências já existentes. As acções ou gestos de acção despoletadas pelos padrões e sequências podem ser movimentos de apontadores (como ponteiros de rato) , activação de teclas e envio de caracteres, ordens a sistemas de interface (como deslocar [slide], desenrolar [scroll] , rodar, aumentar e reduzir, zoom, rotação), executar e parar aplicações, enviar e receber dados entre aplicações, entre sistemas e entre aplicações e sistemas ligados localmente ou remotamente.
A presente invenção define um conjunto-padrão de padrões ou sequências de dados (fig. 22) que têm, cada um, uma acção ou gestos de acção associado. Estas acções ou gestos de acção são comandos-tipo em sistemas de interface, nomeadamente: deslocação com sopro para a direita (comando "slide/scroll right") (901'), deslocação com sopro para a esquerda (comando " slide/scroll left") (902'), sopro singular (comando "click") (903'), sopro singular forte
(comando "press") (904'), sopro duplo (comando double "click") (907'), sopro duplo forte (comando "click and press") (908'), deslocação com sopro para a direita seguido de deslocação de sopro para a esquerda (comando "slide/scroll right-left") (905'), deslocação com sopro para a esquerda seguido de deslocação de sopro para a direita
(comando " slide/scroll left-right" ) (906 ') , rotação do sopro para a esquerda (comando "rotate left") (909 ') , rotação do sopro para a direita (comando "rotate right") (910'), duração/intensidade de sopro (comando "x seconds press") (911'), duração/intensidade de sopro forte (comando "x seconds high press") (912'), deslocar com sopro para baixo (comando "slide/scroll down") (913'), deslocar com sopro para cima (comando "slide/'scroll up") (914'), desfazer com sopro (comando "undo") (915'), refazer com sopro (comando "redo") (916'), aumentar com sopro (comando "zoom in") (917'), diminuir com sopro (comando "zoom out") (918'). Estes padrões ou sequências de dados poderão, no entanto, ter outras acções ou gestos de acção associados, bastando usar a aplicação ou sistema integrado no sistema de detecção e/ou no sistema hospedeiro descrito em cima para efectuar as alterações às associações em causa.
Obviamente, estes sopros e acções respectivas podem ser associados a outro tipo de dispositivos, mesmo que não sejam grelhas capacitivas, desde que permitam detectar sopros ou massas de ar, bem como, a sua localização.
Como exemplo de aplicação, podemos considerar, adicionalmente ao já descrito, a configuração do circuito do documento PT104765, que descreve um circuito de medição ponto a ponto, o qual, após a modificação da gama de referência da gama de conversão dos sinais analógicos para digitais, de forma a permitir a leitura de valores acima do valor correspondente ao sistema em repouso, permite a detecção de nuvens de vapor electricamente carregadas num espaço unidimensional (apenas no eixo das colunas) . Para a detecção num espaço bidimensional, o circuito e respectivo software pode ser modificado de modo a que, alternadamente, a injecção do sinal de excitação seja efectuada nas linhas e colunas e o "sensing" (ou aquisição) nas colunas e linhas, respectivamente. Após duas leituras consecutivas da grelha capacitiva (com a alternância entre colunas e linhas descrita atrás), obtêm-se dados suficientes para criar um espaço bidimensional onde, no caso da colisão de uma ou mais nuvens com a grelha capacitiva, uma (ou mais) colunas e uma (ou mais) linhas estarão "carregadas". A intercepção entre as linhas e colunas "carregadas" indicará os pontos, ou áreas, onde as nuvens colidiram com a grelha capacitiva.
As seguintes reivindicações definem adicionalmente realizações preferenciais da presente invenção.

Claims

R E I V I N D I C A Ç Õ E S
1. Dispositivo de detecção multi-ponto em grelhas capacitivas caracterizado por compreender uma superfície, referida por grelha capacitiva (111), que compreende pelo menos dois conjuntos de condutores, ; e um circuito detector de alterações de capacidade no ponto de cruzamento entre dois condutores de diferentes conjuntos (112), aquando da aproximação ou contacto de um objecto (710), nomeadamente um dedo, e que compreende :
a) emissor de sinal, que compreende:
i) injector de sinal variável no tempo (1008);
ii) desmultiplexador (1007) para seleccionar condutor de um primeiro conjunto onde injectar sinal ;
b) receptor e detector de sinal, que compreende:
i) multiplexador (1010) para seleccionar um outro condutor de um segundo conjunto onde detectar o sinal injectado;
ii) amplificador de sinal (1009);
iii) desmodulador ou rectificador , que converte o sinal para um potencial;
iv) conversor analógico-digital (1012), que converte o potencial numa leitura numérica.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por o conversor analógico-digital (1012) estar configurado para operar em modo diferencial comparando com uma ou mais leituras prévias de cada intercepção de um par de condutores.
3. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a referência da conversão analógico-digital compreender duas voltagens, mínima (1303) e máxima (1304), independentes para cada intercepção de um par de condutores, obtidas a partir de duas ou mais leituras prévias .
4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o sinal injectado ser alternado sinusoidal, com valor médio nulo ou valor quadrático médio nulo, entre os 50 e os 300 KHz, com uma amplitude de 10 a 24 volts pico a pico .
5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o receptor de sinal compreender adicionalmente um filtro passa- alto, resistivo-capacitivo, RC, que faz uso da própria capacidade entre os dois condutores seleccionados.
6. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o circuito emissor de sinal estar configurado para quando o sinal é injectado num dado condutor, serem desligados os restantes condutores, ou mantidos em alta impedância ou em um potencial fixo contínuo.
7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por os seus elementos serem total ou parcialmente transparentes e compreender adicionalmente um écran colocado sob a grelha capacitiva (111) .
8. Utilização do dispositivo referido em qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por determinar acções através da detecção de pressão, intensidade, tamanho, direcção, localização, padrões e sequências de movimento, duração ou tempo de actuação das referidas massas de ar, vapores ou sopros (504'), e compreender o seu uso em aplicações de entretenimento, controlo e medição, ou como auxiliar para indivíduos de capacidades físicas diminuídas.
9. Método de detecção multi-ponto em grelhas capacitivas caracterizado por detectar alterações de capacidade na proximidade de um ou mais pontos de cruzamento (112), cada qual entre dois condutores eléctricos isolados entre si, aquando da aproximação ou contacto de um objecto (710), nomeadamente um dedo ou uma massa de ar, ou aquando da aproximação ou contacto, ao longo de um trilho, de um objecto (710), nomeadamente um dedo ou uma massa de ar; em uma superfície, referida por grelha capacitiva (111), que compreende pelo menos dois conjuntos de condutores (101-105, 106-110),; e por compreender os seguintes passos:
seleccionar um primeiro condutor (901), de um primeiro conjunto de condutores;
- injectar um sinal variável no tempo;
- seleccionar um segundo condutor (901), de um segundo conjunto de condutores;
amplificar e rectificar o sinal obtido (902) no segundo condutor; - converter o sinal para digital e enviar para processamento (903);
- escolher um outro segundo condutor entre o segundo conjunto de condutores e repetir até que se tenha obtido informação suficiente correspondente ao primeiro condutor ( 906 ) ;
- escolher um outro primeiro condutor entre o primeiro conjunto de condutores e repetir até que se tenha obtido informação suficiente correspondente à grelha capacitiva (907) .
10. Método de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a referida conversão analógico- digital (1208) operar em modo diferencial (1209) comparando com uma ou mais leituras prévias de cada intercepção de um par de condutores e/ou utilizando, como referência (1211) da referida conversão analógico- digital, duas voltagens, mínima e máxima, independentes para cada intercepção de um par de condutores, obtidas em duas ou mais leituras prévias.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 10 caracterizado por o sinal injectado ser alternado sinusoidal, com valor médio nulo ou valor quadrático médio nulo, entre os 50 e os 300 KHz, com uma amplitude de 10 a 24 Volt pico a pico.
12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11 caracterizado por após recepção das leituras obtidas da grelha sob a forma digital, ser feito um processamento, que compreende um ou mais dos seguintes passos : a) detecção por limiar, thresholding : valores inferiores a um limite mínimo assumem-se como erros residuais, e são anulados;
b) filtro por média móvel no tempo, moving average in time filter: cada valor em cada posição é corrigido por uma média que leva em conta as últimas leituras dessa posição, por coerência temporal;
c) detecção por limiar, thresholding, por conjunto de condutores: anulação dos valores inferiores a uma percentagem do valor máximo desse mesmo conjunto; d) alisamento, smoothing: opcionalmente, pode ser aplicado um alisamento, por coerência espacial, nomeadamente filtros passa-baixo como o filtro de Gaussian, a média dos pontos vizinhos ou a mediana.
13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12 caracterizado por determinar a pressão, intensidade, tamanho, direcção, localização, padrões e sequências de movimento, duração ou tempo de actuação de massas de ar, vapores ou sopros (504'), através da detecção da localização da alteração, ou alterações, de capacidade (206') na referida grelha (502') .
14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13 caracterizado por detectar toques e/ou aproximações de elementos que compreendem uma ligação à terra, tais como partes do corpo humano ou objectos (105'), manipulados ou não, por uma ou mais pessoas ou sistemas autónomos; e de elementos sem ligação à terra e electricamente positivos tais como massas de ar, vapores ou sopros (205'); dist inguindo-os através, respectivamente, da redução ou do aumento da capacidade .
15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 14 caracterizado por detectar os referidos elementos, em simultâneo ou inseridos em sequências, distinguindo- os através, respectivamente, da redução ou do aumento da capacidade.
16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 15 caracterizado por determinar acções quando se detectem correspondentes padrões pré-determinados de actuação e movimento das referidas massas de ar, vapores ou sopros (504').
17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 16 caracterizado por determinar outras acções quando se detectem adicionalmente toques e/ou aproximações de elementos que compreendem uma ligação à terra, tais como partes do corpo humano ou objectos (105') .
18. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 17 caracterizado por compreender definições de acções associadas a padrões pré-determinados de actuação e movimento das referidas massas de ar, vapores ou sopros; e associadas à presença ou ausência de toques e/ou aproximações de partes do corpo humano ou objectos; para um ou combinações de:
a. movimentos de apontadores, activação de teclas e/ou envio de caracteres;
b. ordens a sistemas de interface, deslocar, desenrolar, rodar, aumentar e reduzir, zoom, e/ou rotação ; executar e parar aplicações, despoletar a troca de informação e dados entre aplicações, e/ou despoletar a troca de informação e dados entre sistemas e aplicações ;
deslocação com sopro para a direita (901') , deslocação com sopro para a esquerda (902'), sopro singular - comando "clique" (903'), sopro singular forte - comando "premir" (904'), sopro duplo comando duplo "clique" (907'), sopro duplo forte (908'), deslocação com sopro para a direita seguido de deslocação de sopro para a esquerda (905'), deslocação com sopro para a esquerda seguido de deslocação de sopro para a direita (906'), rotação do sopro para a esquerda (909 '), rotação do sopro para a direita (910'), associação de duração e intensidade de sopro (911'), associação de duração e intensidade de sopro forte (912'), deslocar com sopro para baixo (913'), deslocar com sopro para cima (914'), desfazer com sopro (915'), refazer com sopro (916'), aumentar com sopro (917'), e/ou diminuir com sopro (918') .
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