CN101965550B - 定位表面上的触摸的方法以及执行该方法的设备 - Google Patents

Abstract

为定位物体(7)的可感知表面上的触摸，生成机械波以在该物体中传播并将这些机械波收集。将收集信号的某些特性与参考特性库进行比较，并从该比较中推断出触摸的位置。

Description

定位表面上的触摸的方法以及执行该方法的设备

本发明涉及定位表面上的触摸的方法以及执行这些方法的设备。

更具体地，本发明涉及定位物体的可感知表面上的触摸(例如手指、指示笔或其他设备)的方法，此方法至少包括以下步骤：

(a)监视步骤，在其执行期间，引起机械波在该物体中进行传播，传播开始于属于该物体的至少一个发射点，并且在属于该物体的至少一个接收点上收集所述机械波，从而获取至少一个收集信号，

(b)以及定位步骤，在其执行期间，通过分析该收集信号来定位位于所述可感知表面上的触摸。

文档FR-A-2644309描述了这种方法的一个例子，该方法具体含有以下缺点：

-它需要复杂和昂贵的设备，包括大量的传感器，

-并且它显示了有限的分辨率。

从文档WO2006/133018中也可获知将本领域中公知的多种触摸定位技术进行合并，然而其代价是复杂度的增长。

从文档FR-A-2841022和WO03/067511中也可获知的是使用被动原理(passive principle)的定位技术，但是使用这些被动步骤不能检测出有着非常低的冲击能量的触摸。

本发明的目的具体来说就是减轻这些缺点。

为此，依据本发明，讨论中的该方法其特征在于，在该定位步骤执行期间，将该收集信号的至少某些特性与参考特性库进行比较，所述参考特性分别对应于位于所述可感知表面的预定区域内的触摸。

依照这些配置，可获得一定位触摸的方法，该方法并不需要大量的传感器(通常，例如能够使用一个传感器用于发射以及一个或两个传感器用于接收)并且仍能容易地达到极其细微的定位精度，具体地，使得制造高精度可感知界面成为可能(例如触摸屏，触摸键盘等等)。

在依据本发明的方法的多种实施例中，可选择地，其能够依照如下所述的一个和/或另一个配置：

-在定位步骤中被使用的收集信号的所述特性包括该信号的至少一个振幅；

-在定位步骤中被使用的收集信号的所述特性包括该信号的至少一个相位；

-在定位步骤中被使用的收集信号的所述特性对应于N个预定频率，N是至少等于2的整数，优选为至少等于10；

-所述预定频率是该物体的固有频率，所述预定频率被所述机械波激发；

-所述预定频率是这样的频率，在所述预定频率上，所述接收到的信号的频谱呈现的振幅大于一阈值；

-所述预定频率被一大于预定最小间隔的间隔成对地间隔开；

-所述预定最小间隔至少等于150Hz，优选为大于200Hz并且更优选为大于300Hz；

-所述预定频率分布于从10至100kHz的范围，优选为从15到70kHz；

-至少一个所述预定频率低于30kHz并且至少一个所述预定频率高于50kHz；

-所使用的该物体包括一形成了所述可感知表面的板；

-所述机械波是兰姆波(Lamb waves)；

-所述兰姆波是弯曲波(flexural waves)；

-所述兰姆波是A0反对称波(A0 antisymmetric waves)；

-在监视步骤执行期间所使用的发射和接收点被布置以使其不位于该物体的任一对称轴上；

-监视步骤以每秒几十次的速度重复执行，优选为每秒至少50次；

-在监视步骤执行期间，在具有充分持续时间以在所述物体中建立共振的发射时间窗口，在至少一个所述预定频率上发射至少一个波形；

-在监视步骤执行期间，在N个预定频率上，发射包括N个覆盖波形的帧(例如可从正弦波形或方波形中选择所述N个波形)；

-所述发射时间窗口的持续时间介于10到25ms之间(例如约16ms)；

-在监视步骤执行期间，在持续时间介于5到15ms之间的接收时间窗口中收集该机械波(例如约10ms)；

-该接收时间窗口至少部分重叠于发射时间窗口，所述至少一个接收点不同于所述至少一个发射点；

-该接收时间窗口跟随该发射时间窗口而不与之重叠；

-在监视步骤执行期间，使用与该接收点合并的单个发射点；

-在监视步骤执行期间，从该发射点发射由脉冲信号(例如凹口状信号，其宽度小于最高固有频率周期的一半)生成的机械波，并且之后在持续时间介于5到15ms之间的接收时间窗口内收集所述机械波；

-在监视步骤执行期间，该收集信号被数字化为至少8个量化位，优选为至少10位，并且更优选为至少12位；

-在监视步骤执行期间，根据位于N个预定频率的系数和相位确定声波的相对吸收向量A_rel＝[Arel_n]，其中：

-i是介于1和N之间的索引，其指示预定频率；

-m是介于1和M之间的索引，其指示接收点；

-n＝N(m-1)+i，

-r0_im是当该可感知表面没有被触摸时对应于预定频率i和接收点m的振幅值，

-r_im是当该可感知表面被触摸时对应于预定频率i和接收点m的振幅值，

-φ0_im是该可感知表面没有被触摸时对应于预定频率i和接收点m的相位值，

-φ_im是该可感知表面被触摸时对应于预定频率i和接收点m的相位值；

-在监视步骤执行期间，一标准化居中的相对吸收向量被确定：

$\mathrm{Anor}=\left[\frac{{\mathrm{Ac}}_n}{\sqrt{\underset{n=1}{\overset{M.N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{({\mathrm{Arel}}_n-<\mathrm{Arel}>)}^2}}\right],$ 其中Ac＝[Ac_n]＝[Arel_n-<Arel>并且

$<\mathrm{Arel}>=\frac{\underset{n=1}{\overset{M.N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Arel}}_n}{N.M}.$

-在定位步骤执行期间，从与该相对吸收向量A_rel相关的吸收向量和包括参考吸收向量A_ref(x_t，y_u)集合的至少一个参考矩阵之间的交叉相关测试中推断出触摸的位置，该参考吸收向量对应于位于预定点的触摸，该预定点的坐标为在该物体的可感知表面取样的坐标(x_t，y_u)；

-在定位步骤执行期间，从居中的相对吸收向量A_nor和包括标准化居中的相对参考吸收向量A_ref(x_t，y_u)集合的至少一个参考矩阵之间的交叉相关测试中推断出触摸的位置，该标准化居中相对参考吸收向量对应于位于预定点的触摸，该预定点的坐标为在该物体的可感知表面取样的坐标(x_t，y_u)；

-在定位步骤执行期间，使用多个相应于多个触摸范围的参考矩阵，从相对吸收向量A_rel中推断出触摸的范围从而确定将被使用的参考矩阵；

-在定位步骤执行期间，从相对吸收向量A_rel中提取出与对触摸范围最敏感的固有频率对应的子向量A_relx，并且计算出该子向量A_relx的系数，然后从中推断出将被使用的参考矩阵以执行该交叉相关操作并从中推断出触摸的位置；

-为创建该子向量A_relx，仅相对吸收向量分量的系数小于1而且有着在板上低于阈值(典型的为4％)的变化的固有频率被保留；

-该参考矩阵包括参考吸收向量A_ref(x_t，y_u)集合，该参考吸收向量对应于在该物体可感知表面采样的坐标值为(x_t，y_t)的预定点处的触摸，其间隔小于激发频谱的最小空间频率波长的一半；

-在监视步骤执行期间，计算出该相对吸收向量的系数并且将该系数与一预定阈值进行比较以确定在该可感知表面上是否发生了触摸；

-在监视步骤执行期间，计算出该相对吸收向量的系数并在一段时间内将该系数与一特定动态轮廓(例如跟随着快速减少的增加)进行比较以确定在该可感知表面上是否发生了触摸。

此外，本发明的主题还包括一种用于在属于物体的可感知表面上定位触摸的设备，该设备包括至少一个传感器，该传感器适用于发射和收集该物体中的弹性波，所述传感器与至少一个电子中央单元连接，该电子中央单元适用于：

-通过所述至少一个传感器使机械波在该物体中传播，并使机械波被所述至少一个传感器收集，

-以及通过分析收集信号来定位位于所述可感知平面上的触摸，

其特征在于，所述电子中央单元适用于将该收集信号的至少某些特性与参考特性库进行比较，所述参考特性分别对应于所述可感知表面的预定区域内的触摸。

在依据本发明的该设备的可变实施例中，可另外依照下述的一个和/或另一配置：

-该设备组成一触摸键盘；

-该设备适用于在显示屏上连续地移动指针；

-所述至少一个传感器被布置以远离该物体的任一对称轴；

-该物体包括包含所述可感知表面的板；

-该物体被可吸收的柔韧性薄膜覆盖(在该可感知表面层或在该物体的背面)，以增强触摸发生时该弹性波的吸收现象。

本发明的其他特性和益处将在对几个实施例的下述说明中显现出来，结合附图并通过并不限制示例的方式给出这些实施例。

在附图中：

-图1是一透视示意图，其显示了包括一可感知表面的示例性设备，其适用于执行依照本发明一实施例的方法，

-图2是一板的平面图，该板属于图1所示设备的声学界面，

-图3是图2所示板的部分剖面图，

-图4是图1所示设备的模块图，

-图5与图3相似，显示了本发明的第二实施例；

-图6是一设备的剖面示意图，该设备用于在事先教学阶段中采样图1中的声学界面；

-图7和图8与图3相似，显示了本发明的第三和第四实施例。

在该多个图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。

图1展示一实现本发明的设备1，例如其包括：

-微机2，其具体地配备有显示屏3和键盘4，

-以及可感知的输入界面6，例如其形式可为图形输入板，与微机2通过连接5连接，该连接为有线的或其他形式的连接。

可感知界面6包括对于弹性机械波产生共振的固体，例如相当薄的板7，其具体可由玻璃制成，或由金属、塑料、陶或其他材料制成。该板7可由同类或不同类、各向同性或各向异性的材料制成，可选地，为多层结构。

可选地，板7展示为定义横轴x和纵轴y的尺寸为L×l的基本上为矩形(参见图2)的形状。板7的尺寸可根据所面对的应用进行选择：例如，板7可为A4格式，或更小些(可为几厘米×几厘米)，或更大些(例如，l＝300mm并且L＝400mm)。

板7展示厚度e(参见图4)，其厚度可相当窄，例如从1到5mm，在A4格式玻璃板的情况下其厚度具体可约为4.5mm。

如图1所示，可选地，板7可由塑料或其他材料的框架8所包围，该框架还可覆盖板7的下部表面，在这一特定示例中，仅板7的上部表面是自由的并形成可感知表面。

在图1至图3的示例中，该板还包括压电型声学传感器E、R1、R2，它们可被固定在板7上部的可感知表面上(或如果可以的话可固定于其下部表面上)。

在这里压电声传感器可包括：

-发射传感器E，其用于发射弹性机械波(广义上说，也就是声波)，具体为拉姆波，以在板7中建立共振状态，

-以及两个接收传感器R1、R2，其用于收集代表所述机械波的信号；

传感器E、R1、R2优选地布置于远离板7的任一对称轴的位置。在该示例中：

-发射传感器E可放置于长度为l的板7的一边上并将y轴分割，位于横坐标x＝0和纵坐标y＝3l/4的发射点上，

-第一接收传感器R1可布置于长度为L的一边上并将x轴分割，邻接于包括传感器E的边，位于横坐标x＝2L/3和纵坐标y＝0的第一接收点上，

-以及第二接收传感器R2可布置于与横、纵坐标轴的原点0相对的角上，位于横坐标x＝L和纵坐标y＝l的第二接收点上。

对于尺寸为300mm×400mm×4.5mm的板，传感器E、R1、R2的大小例如可约为1.5cm²。输送给发射传感器E的激发信号例如可为1Vpp，并且由接收传感器R1、R2收集的接收信号可达到0.4Vpp并且不需要任何放大。

这些传感器可以是廉价的“蜂鸣”型的压电晶片，例如挂载在黄铜盘上的，或者是铁电陶瓷传感器。例如，它们可粘贴在板7上，具体地可通过粘合剂粘贴。它们被刚性粘合剂粘贴在板上，该粘合剂的类型为快速凝固的分为两部分的环氧型或急速凝固的“苯胺”型。

如果适当，压电传感器可替换为磁致伸缩式传感器(magnetostrictive transducers)。

板7可被固定于框架8内，优选地固定于所述板中机械波的固有模式的振动点上。

如图1示意性所示，传感器E、R1、R2使得定位一位于板7的可感知表面上的触摸成为可能，例如当用户使用手指9触摸该可感知表面时，或使用一指示笔或其他类似物体。例如，当用户用手指9在板7的可感知表面上描绘了某一轨迹10，这一轨迹的每个点都可由可感知界面6定位并转发给微机2，因而微机2可跟随轨迹12移动位于显示屏3上的光标11，轨迹12是上述轨迹10的图像。此外，如果识别出在可感知表面上的较短持续时间的触摸，该触摸可被看作为例如表示对一目标的选择(例如常用的鼠标或可感知界面的一次“单击”)。同样地，在该可感知平面的同一区域上的快速双击被看作为表示一动作的发生(例如常用的鼠标或可感知界面的一次“双击”)。

板7的可感知表面还可用于构建一可编程的触摸键盘。

如图4所示，可感知界面6可包括微控制器13(MC)，例如该控制器装备有算术逻辑部件。该微控制器可包括连接至数模转换器14(DAC)的输出端，该数模转换器14的输出端通过放大器15连接至发射传感器E。

此外，两个接收传感器R1、R2可通过多路复用器16(MULT)连接至带通滤波器17的输入端。该多路复用器由微控制器13控制。带通滤波器17具有例如10到100kHz的通带，优选为15到70kHz。带通滤波器17的输出端连接至微控制器13的模拟输入端(若该微控制器拥有一集成的模-数转换器；否则，带通滤波器17的输出端通过模-数转换器连接至该微控制器的输入端)。该模-数转换器(可选为集成在微控制器13内)适用于对收集信号执行至少8比特的采样，优选为10比特，或甚至为12比特或更多。

连接至传感器E、R1、R2的连接具体可由音频类型的同轴电缆或任意其他有屏蔽的连接构成。

刚刚描述的设备操作如下：每隔一段时间，例如以每秒几十次的速度，例如每秒50到100次，微控制器13开始对板7的可感知表面进行监视的监视步骤，接下来执行定位步骤，在这一期间，如果在可感知表面上发生触摸，则该触摸被识别或定位。

a)监视步骤

在每个监视步骤执行期间，微控制器13使得弹性机械波，具体为兰姆波并更具体为弯曲兰姆波，被发射传感器E发射。这些波在板7中引起共振现象并被接收传感器R1、R2收集。在每个监视步骤之后执行的定位步骤执行期间，提取由接收传感器R1、R2测量的信号中的位于N个预定频率的某些特性(具体为这些信号的振幅和/或相位)，该预定频率是板7的固有频率。所述预定频率的数量N通常大于10并例如可达到20至40。有利地，讨论中的所述预定频率的至少一部分(或者甚至全部)对应于A0反对称模式。

上面提到的预定频率一般预先从板7的固有频率中选择，最终，基于由接收传感器R1、R2所收集的信号的频谱选择，依据以下准则：

-所述预定频率是这样的频率，在所述预定频率上，所述接收到的信号的频谱呈现的振幅大于一阈值(例如在实践中可以选择对应品质因数高于20的固有频率)；

-所述预定频率可被良好地一大于预定最小间隔的间隔成对地间隔开或隔离开(所述预定最小间隔例如可至少等于150Hz，优选为高于200Hz并更优选为高于300Hz；优选地，该预定频率必须被至少三倍于频谱线中间高度通带所隔开，也就是在实践中通常为从300到500Hz)；

-所述预定频率分布于被监视频率范围之上(例如10到100kHz，优选为15到70kHz，如上所述)：作为示例，能够确保所述预定频率的至少一个低于30kHz并且所述预定频率的至少一个高于50kHz；

-优选为，该预定频率必须对应于固有模型，对于某些固有模型，该固有模型对应于低空间频率，对于其他固有模型，该固有模型对应于高空间频率：当然，展示了高空间频率的那些模型通常是复杂的并且可获取好的分辨率，但是其特征常常为高度的对称性，也就是说一些位于不同位置的触摸可能对应于相同的吸收系数，然而展示了低空间频率的那些模型有着简单的模式，并且能够消除该对称性问题，将上述两者结合可以真正优化对于触摸的定位。

需要注意的是，上面提到的对于预定频率的选择可在每个板7上试验性地执行，或者更有利地是在每种类型的板7上执行并且之后在所有相同类型的板7上重新执行(板7的一种类型对应于相同的尺寸和相同的材质)。

一些方法可用于在上面提到的N个预定频率上执行所述监视。

依据第一有利的方法，微控制器13可使该传感器E发射包括位于N个预定频率的N个覆盖波形的帧(所述N个波形例如可从正弦波形或方波形中选择)。这一发射可执行一有着充分持续时间的发射时间窗口，从而在板7中建立共振。这一持续时间例如可为10ms到25ms之间，并具体可约为16ms。

在监视步骤执行期间，该机械波在一接收时间窗口中被接收传感器R1、R2收集，该接收时间窗口包含于(或至少重叠于)发射时间窗口，但是其可以晚点开始以在所述接收时间窗口开始之前允许在板7中建立共振。该接收时间窗口可为一5到15ms的持续时间；其例如可约为10ms并且在该发射时间窗口后约为6ms时开始)。

作为一变化实施例，该接收时间窗口可跟随该发射时间窗口而不与之重叠；在这一情况下，可选地仅使用一单独的传感器E以同时用于发送和接收。

根据另一变化实施例，能够使得由一脉冲信号生成的机械波(例如一凹口状信号，其宽度小于最高固有频率周期的一半)被该发射传感器E发射，并且之后使得所述机械波在一接收时间窗口中被收集(由接收传感器R1，R2收集或者如果可以的话可由同一传感器E收集)，该接收时间窗口的持续时间介于5到15ms之间。

根据本发明的一个实施例，基于由接收传感器R1、R2收集并采样的信号，能够提取例如位于所述预定频率的信号的振幅(通过傅里叶变换或通过数字同步检测)，也就是r_im，i是介于1到N之间指示该预定频率的索引，并且m是介于1和2之间指示接收传感器R1、R2的索引。需指出的是，能够根据频率平衡发射的波形，从而使得当可感知表面没有触摸时位于所述预定频率的被收集信号的振幅相等。

位于所述预定频率的由接收传感器收集的信号的相位也被提取，也就是φ_im，i是介于1和N之间指示该预定频率的索引，并且m是介于1和2之间指示接收传感器R1、R2的索引。

对于数据的这些提取，与跟随其后的计算一样，可由该微控制器13执行，如果其拥有一算术逻辑单元的话，否则由微机2执行。

基于这些数据，为每个传感器计算一复杂的吸收向量A_rel：

A_rel＝[Arel_n]，其中：

-n＝i+N(m-1)是介于1和2N之间的整数值，因为在这个例子中M＝2(当M＝1时只有一个接收传感器这时n介于1和N之间)，

-r0_im是当该可感知表面没有被触摸时对应于固有频率i和接收传感器m的振幅值，预先被确定且一次且对于所有初始教学步骤中，其将在下文描述；

-φ0_im是当该可感知表面没有被触摸时对应于固有频率i和接收传感器m的相位值，预先被确定且一次且对于所有初始教学步骤中；

应当指出，可选地，r0_im和φ0_im在可预知的改变下被自动校正，这些改变归因于例如环境温度状况的变化或者老化。

基于相对吸收向量A_rel，一居中相对吸收向量被计算出：Ac＝[Ac_n]＝[Arel_n-<Arel>]并且n＝i+N(m-1)， $<\mathrm{Arel}>=\frac{\underset{n=1}{\overset{M.N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Arel}}_n}{N.M},$ N是需要考虑到的预定频率的个数，并且M是接收传感器的个数(在这里M＝2)。

该居中相对吸收向量其后被标准化以获取一标准化居中相对吸收向量

$\mathrm{Anor}=\left[\frac{{\mathrm{Ac}}_n}{\sqrt{\underset{n=1}{\overset{M.N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{({\mathrm{Arel}}_n-<\mathrm{Arel}>)}^2}}\right],$ 其被用于检测及定位位于该可感知表面的触摸，借助于通过在上面提及的初始化教学步骤执行期间获取的参考矩阵。

此外，可以使用该相对吸收向量的系数来检测触摸，依据一阈值标准和/或随时间变化的标准(对于一单击的定义，对一双击的定义等等)。该相对吸收向量A_rel的系数等于：

$\left|A_{\mathrm{rel}}\right|=\frac{\sqrt{\underset{n=1}{\overset{M.N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\right|{\mathrm{Arel}}_n|-1)}^2}}{\sqrt{M.N}}.$

如果该相对吸收向量的系数大于一预定阈值，或者经过一定时间的该系数的演变对应于一特定动态分布图(例如跟随着快速减少的增加)，该微控制器13确定在可感知表面上发生了一次触摸，并且之后进行该定位步骤。否则，在一预定时间间隔后开始一新的监视步骤。

a0)初始化教学步骤

在对该可感知界面6的任何使用之前，执行一初始化教学步骤，该步骤要么针对每个单独的可感知界面6执行，要么针对每种类型的可感知界面6执行。

该初始教学步骤的执行类似于上述监视步骤，但是其在预定条件下执行以获取某些参考值，这些参考值其后用于在该设备正常使用时的监视和定位步骤中。

在该初始化教学步骤执行期间，其具体地能够基于当板7的可感知表面没有被触摸时由传感器R1、R2所收集的信号来确定上面提到的值r0_im和φ0_im，使用与确定值r_im和φ_im相同的方式(参见上面的监视步骤)。其后这些值r0_im和φ0_im应用于每个监视步骤执行期间，如上所述。

此外，在该初始教学步骤执行期间，参考吸收矩阵A_kref＝[A_kref_n(x_t，y_u)]也被计算出，其后被用于监视步骤中。每一参考吸收矩阵的项A_kref_n(x_t，y_u)对应于标准化居中相对吸收向量的分量，对该标准化居中相对吸收向量的确定如上所述(参见监视步骤)，对于采样于该可感知表面的坐标为(x_t，y_u)的触摸，t和u是与触摸位置相关的索引，以及k是与触摸特有范围相关的索引。

讨论中的该特有范围表示可感知表面和触摸该可感知表面的物体或手指之间的接触表面区。

为使共振模式得以保持，该空间采样频率必须足够高并且通常至少是观测到的空间频率的频谱上限值的两倍。例如选择一沿着x和y轴的大小为3mm的采样间隔。

通过使用例如图6所示的厚度规18来获取该参考吸收矩阵，其由一自动臂19承载，该自动臂将厚度规18连续地应用于该可感知表面上的坐标为(x_t，y_u)的不同点。在图6这一具体示例中，厚度规18可包括一支撑体20，其上可垂直滑动一聚氨酯(polyurethane)主储液槽21，在其底部塑造成一圆形或矩形的接触管托22，以与板7的可感知表面接触。储液槽21通过弹性连接23(例如橡胶结合剂)连接至该支撑体20，并且其包括例如一预定量的硅树脂(silicone resin)24(例如约为20g)。当该厚度规18被放置于该可感知表面上时，一直以相同的速度，以同一接触垫22以及以在支撑体20和储液槽21之间同样的相对移动，该接触垫总是产生相同的与该可感知平面的接触。为不同的k值使用不同表面积的接触垫22。例如，可使用直径为3mm、5mm、7mm、10mm、15mm的圆形接触垫(然而该接触垫22的形状可以不是圆形，例如为椭圆形或正方形)。优选地，索引k的至少一个值必须为对应于小尺寸的接触垫，有着一特性范围，对于一共振模式而言，其特性范围理想情况下是在该可感应表面观察的最高空间频率的二倍。这样，其后能够确定由更大尺寸的手指所覆盖的表面积，通过应用对应于该接触区域的平均覆盖多个矩阵元素的移动。

应指出的是，可选择地，无论触摸的接触区域，可仅使用一单独的参考矩阵，特别是当该触摸被标准化时(例如如果借助于一指示笔来执行该触摸)。

b)定位步骤

在每次监视步骤后，微控制器13(或可选为微机2)开始一定位步骤，通过将该收集信号的至少某些特性与参考特性库作比较，能够定位位于该板7的可感知表面上的一次触摸，如果发生了这样的触摸的话，所述参考特性分别对应于位于所述可感知表面的预定区域内的触摸。在这里考虑的示例中，所讨论的参考值是上面解释过的参考矩阵。

这些参考矩阵应用于每个定位步骤以计算下面两者之间的交叉相关函数(cross-correlation function)：

-简化的、居中的和标准化的吸收向量Anor，其确定于当前定位步骤执行期间，

-以及一个参考矩阵中的每个元素A_kref_n(x_t，y_u)(或者当仅使用一个单独的参考矩阵时，即为该矩阵中的每个元素)。

对于合适的参考矩阵A_k(x_i，y_i)的选择，也就是说对应于合适的厚度规的尺寸的索引的选择，是从相对吸收向量A_rel的系数中推断出的。

为此目的，对于同一类型的物体，那些根据触摸的接触区域其吸收变化最多的固有频率，被预先确定。例如，对于尺寸为200mm×141mm×1mm的玻璃板，可观察到介于25kHz和35kHz之间的频谱线对于触摸的接触区域变化更多(几乎成比例地)。对应于对触摸的接触区域最敏感的共振频谱线的子向量A_relx然后从该相对吸收向量A_rel中被提取，并且该子向量A_relx的系数被计算出。根据一个对应表，该系数的值给出将被用于执行该交叉相关操作并从此推断出触摸的位置的参考矩阵k。

对于对应于上述子向量的固有频率的选择，可选地，可仅使用特征为系数Arel_n的模值小于1且在板上的变化低于一阈值，例如4％，的固有频率[这意味着该吸收子向量A_relx的系数的模值对于一整个板上的平均值的改变小于4％]。在这一情况下，虽然该相对吸收子向量A_relx的系数低于整个板的平均值，但是它在有着较低标准偏差的板上更加平均，因此可以更可靠地表现对于重叠表面区域的测量。这构成了选择该固有频率的第四准则。提取的相对吸收向量的系数是该重叠表面区域的递增函数：

$\left\{\begin{array}{c}{|A}_{\mathrm{relx}}(x,y)|=\frac{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\right|{\mathrm{Arel}}_i(x,y))|-1)}^2}}{\sqrt{p}}\\ 0<1-\left|{\mathrm{Arel}}_i(x,y))\right|<4\%\end{array}\right\},$ 其中p≤N是用于创建向量A_relx的固有频率的个数。

一旦确定了合适的参考矩阵k并且在上述交叉相关步骤之后，位于该可感知表面的触摸的位置被确定并且被传输至微机2，该微机使指针11的位置在屏幕上做出相应改变，或者如果该输入板6用作键盘，该微机记录敲击的字符。

应指出，包括可感知平面并装备有单个或多个传感器E、R1、R2的物体可为：

-微机2的显示屏3，

-移动电话、电子日记、支付终端的显示屏，

-LCD、等离子、DLP、FED、SED、OLED显示屏等等，

-相当柔软的金属或塑料板，可用作机器人技术的传感界面或有着可编程触摸按键的键盘，

-商店、博物馆、艺廊等等中的玻璃或其他类型的表面，以允许顾客或参观者通过显示屏获取详细资料或通过与产品或展出的著作相关的喇叭的方式来获取，

-显示面板的玻璃或其他材质的表面，允许路人获取当前显示的广告的详细资料，否则获取与一地区或其他地点相关的一般信息(例如，最新事件或实用信息，例如该地点的规划)，或诸如此类的信息，这些详细资料或这一信息展现在例如一位于该显示面板底部的可视显示屏上，

-墙壁、地板或其他物体的一部分，用以例如控制家庭自动化系统(因此可具体地允许房间的居住者自己去决定开关的位置，其仅由上面提到的激活区10组成，放置于墙上或类似其他的期望位置)，

-墙壁、地板或其他物体的一部分，具体为用以控制位于恶劣环境中的工业机械(有着爆破、高温、高度放射性等等的地点)，

-平滑并容易修复的表面以创建例如冰箱、洗衣机之类的家用物体的输入小键盘，或者工业或军用的物体，

-作为输入界面使用的属性面板，组成例如数字码虚拟键盘，

-地板的一部分，用于定位走在地板上的人的位置，

-汽车或其他交通工具的一部分以形成一输入界面。

本发明的优点为高性价比，低功耗，抗温度变化干扰，可适配共鸣物体的各种形状，以及高精度定位，其精度可为毫米级。

根据本发明的一可变实施例，如图5所示，每个发射或接收点可包括两个传感器(例如图7所示发射点的传感器E和E’)，两者被相对地布置在板7的两侧。这种布置方式能够执行多种选择性发射/接收模式：

-如果每对传感器(例如E，E’)平行连接，选择S0对称模式以发射和接收(接收传感器被以与发射传感器E，E’相似的方式布置)，

-如果每对传感器以反平行的方式连接，选择A0对称模式以发射和接收。

根据另一可变实施例，如图7所示，在可感知表面的水平面上，板7可被一柔韧性塑料薄膜25覆盖，其与板7的上表面干性接触。薄膜25能吸收弹性波，并当该可感知表面接受到触摸时能获得更大的吸收，特别是当其接受细小的例如指示笔的触摸时。更有利地，该薄膜与板7干性接触，而不是通过粘合剂紧密地结合，也就是说在该界面的不规则处挤压了一薄层空气。当该薄膜被对着该板局部按压时该吸收功能由薄膜25来确保，并且不再由应用于该薄膜25的手指的肉体部分或指示笔的尖端来确保。

如图8所示，可吸收的柔韧性塑料薄膜26，与上面提到的薄膜25相似，可插入下面两者中：

-板7，在此例中其具有一些柔韧性，

-以及刚性衬底28。

小尺寸衬垫27(微型珠体等等)可插入到板7和薄膜26之间，使得板7与薄膜26之间的接触仅限于板7上的指示笔或手指等等的触摸位置上。然后在触摸位置上，通过薄膜26完成对于弹性波的吸收。

可选地，板7可由LCD显示屏的上部板组成，该吸收薄膜26就是该LCD显示屏的液晶本身。

Claims (40)

1.一种用于在属于物体(7)的可感知表面上定位触摸的方法，所述方法至少包括以下步骤：

(a)监视步骤，在其执行期间，引起机械波在所述物体中进行传播，传播开始于属于所述物体的至少一个发射点(E)，并且在属于所述物体的至少一个接收点(R1，R2)上收集所述机械波，从而获取至少一个收集信号，

(b)以及定位步骤，在其执行期间，通过分析所述收集信号来定位位于所述可感知表面上的触摸，

其特征在于，被传播的所述机械波包括对应于所述物体(7)的至少两个振动性固有频率的至少两个频率分量，以在所述物体中建立共振状态，并且在所述定位步骤执行期间，将所述收集信号的至少某些特性与一参考特性库进行比较，所述参考特性分别对应于位于所述可感知表面的预定区域的触摸，其中在所述监视步骤中被传播的机械波包括与所述物体的至少N个振动性固有预定频率相对应的至少N个的覆盖频率分量，且其中在所述定位步骤中被使用的所述收集信号的所述特性对应于N个预定频率，N是至少等于10的整数。

2.如权利要求1所述的方法，其中在所述定位步骤中被使用的所述收集信号的所述特性包括所述信号的至少一个振幅。

3.如权利要求1所述的方法，其中在所述定位步骤中被使用的所述收集信号的所述特性包括所述信号的至少一个相位。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述预定频率为所述物体的固有频率，所述预定频率被所述机械波激发。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述预定频率是这样的频率，在所述预定频率上，所接收到的所述信号的频谱呈现的振幅大于一阈值。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述预定频率被一大于预定最小间隔的间隔成对地间隔开。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述预定最小间隔至少等于150Hz。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述预定频率分布于从10至100kHz的范围。

9.如权利要求8所述的方法，其中至少一个所述预定频率低于30kHz并且至少一个所述预定频率高于50kHz。

10.如权利要求1所述的方法，其中所使用的所述物体包含一形成了所述可感知表面的板(7)。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述机械波为兰姆波。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述兰姆波为弯曲波。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述兰姆波为A0反对称波。

14.如权利要求1所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间所使用的发射点和接收点被布置以使其不位于物体(7)的任一对称轴上。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述监视步骤以每秒几十次的速度重复执行。

16.如权利要求1所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，在具有充分持续时间以在所述物体(7)中建立共振的发射时间窗口，在至少一个所述预定频率上发射至少一个波形。

17.如权利要求16所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，在N个预定频率上，发射包括N个覆盖波形的帧。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述发射时间窗口的持续时间介于10到25ms之间。

19.如权利要求16所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，在持续时间介于5到15ms之间的接收时间窗口中收集所述机械波。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述接收时间窗口至少部分重叠所述发射时间窗口，所述至少一个接收点不同于所述至少一个发射点。

21.如权利要求19所述的方法，其中所述接收时间窗口跟随所述发射时间窗口而并不与之重叠。

22.如权利要求21所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，使用与所述接收点相同的单个发射点。

23.如权利要求1所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，从所述发射点发射由脉冲信号产生的机械波，并且之后在持续时间介于5到15ms之间的接收时间窗口中收集所述机械波。

24.如权利要求1所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，所述收集信号被数字化为至少8个量化位。

25.如权利要求1所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，根据位于N个预定频率的系数和相位确定声波的相对吸收向量A_rel=[Arel_n]，其中：

-i是介于1和N之间指示所述预定频率的索引，

-m是介于1和M之间指示接收点的索引，其中M是接收传感器的个数，

-n＝i+N(m-1)，

-r0_im是当所述可感知表面没有被触摸时对应于预定频率i和接收点m的振幅值，

-r_im是当所述可感知表面被触摸时对应于预定频率i和接收点m的振幅值，

是所述可感知表面没有被触摸时对应于预定频率i和接收点m的相位值，

是所述可感知表面被触摸时对应于预定频率i和接收点m的相位值。

26.如权利要求25所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，一标准化居中的相对吸收向量被确定：

$\mathrm{Anor}=\left[\frac{{\mathrm{Ac}}_n}{\sqrt{\underset{n=1}{\overset{M,N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{({\mathrm{Arel}}_n-\&lang;\mathrm{Arel}\&rang;)}^2}}\right],\mathrm{Ac}=\left[{\mathrm{Ac}}_n\right]=[{\mathrm{Arel}}_n-\&lang;\mathrm{Arel}\&rang;]$

$\&lang;\mathrm{Arel}\&rang;=\frac{\underset{n=1}{\overset{M,N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Arel}}_n}{N.M}.$

27.如权利要求25所述的方法，其中在所述定位步骤执行期间，从与所述相对吸收向量A_rel相关的吸收向量和包括参考吸收向量A_ref(x_t,y_u)集合的至少一个参考矩阵之间的交叉相关测试中推断出触摸的位置，所述参考吸收向量对应于位于预定点的触摸，所述预定点的坐标为在所述物体的可感知表面取样的坐标(x_t,y_u)。

28.如权利要求26所述的方法，其中在所述定位步骤执行期间，从居中的相对吸收向量A_nor和包括标准化居中的相对参考吸收向量A_ref(x_t,y_u)集合的至少一个参考矩阵之间的交叉相关测试中推断出触摸的位置，所述标准化居中的相对参考吸收向量对应于位于预定点的触摸，所述预定点的坐标为在所述物体的可感知表面取样的坐标(x_t,y_u)。

29.如权利要求27所述的方法，其中在所述定位步骤执行期间，使用多个相应于多个触摸范围的参考矩阵，从相对吸收向量A_rel中推断出触摸的范围从而确定将被使用的参考矩阵。

30.如权利要求29所述的方法，其中在所述定位步骤执行期间，从相对吸收向量A_rel中提取出与对触摸范围最敏感的固有频率对应的子向量A_relx，并且计算出该子向量A_relx的系数，然后从中推断出将被使用的参考矩阵以执行交叉相关操作并从中推断出触摸的位置。

31.如权利要求30所述的方法，其中为创建该子向量A_relx，仅相对吸收向量分量的系数小于1而且有着在所述板上低于阈值的变化的预定频率被保留。

32.如权利要求28所述的方法，其中所述参考矩阵包括参考吸收向量A_ref(x_t,y_u)集合，所述参考吸收向量对应于在所述物体可感知表面采样的坐标值为(x_t，y_t)的预定点处的触摸，其间隔小于激发频谱的最小空间频率波长的一半。

33.如权利要求26所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，计算出所述相对吸收向量的系数并且将该系数与一预定阈值进行比较以确定在所述可感知表面上是否发生了触摸。

34.如权利要求26所述的方法，其中在所述监视步骤执行期间，计算出所述相对吸收向量的系数并在一段时间内将该系数与一特定动态轮廓进行比较以确定在所述可感知表面上是否发生了触摸。

35.一种用于在属于物体(7)的可感知表面上定位触摸的设备，所述设备包括至少一个传感器(E，R1，R2)，所述传感器适用于发射和收集所述物体中的弹性波，所述传感器与至少一个电子中央单元(2，13)连接，所述电子中央单元适用于：

-通过所述至少一个传感器使机械波在所述物体中传播，以在所述物体中建立共振状态，并使机械波被所述至少一个传感器收集，

-以及通过分析收集信号来定位位于所述可感知平面上的触摸，

其特征在于，被传播的所述机械波包括对应于所述物体(7)的至少N个振动性固有频率的至少N个覆盖频率分量，以在所述物体中建立共振状态，以及所述电子中央单元(2，13)适用于将与所述物体的至少N个振动性固有频率相对应的所述收集信号的至少某些特性与参考特性库进行比较，所述参考特性分别对应于所述可感知表面的预定区域内的触摸，其中N是大于等于10的整数。

36.如权利要求35所述的设备，其组成一触摸键盘。

37.如权利要求35所述的设备，其适用于在显示屏上连续地移动指针。

38.如权利要求35所述的设备，其中所述至少一个传感器(E，R1，R2)被布置以远离所述物体(7)的任一对称轴。

39.如权利要求35所述的设备，其中所述物体包括包含所述可感知表面的板(7)。

40.如权利要求35所述的设备，其中所述物体(7)被可吸收的柔韧性薄膜(25；26)覆盖，以增强触摸发生时所述弹性波的吸收现象。

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