CN115000655B - 一种基于微带滤波器的触摸感应装置和方法 - Google Patents

一种基于微带滤波器的触摸感应装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微带滤波器的触摸感应装置和方法。该装置为与射频测量仪连接的微带滤波器结构，主通路为具有两对并联谐振分支的U型结构金属微带，金属微带上的每对并联谐振分支都由不等长的折线金属结构组成；每对并联谐振分支使得射频传输信号产生一个电磁感应透明频带；当物体或手指靠近触摸感应装置时，物体或手指和并联谐振分支的耦合效应电容会增大，导致各个并联谐振分支产生的电磁感应透明频带特征会发生固定趋势的变化，这些变化以信号特征矢量的形式来和触摸位置进行对应，以此来进行触摸定位。本发明有助于电路传输传感的一体化，在可穿戴设备交互或物联网传感等方面具有很好的应用价值。

Description

一种基于微带滤波器的触摸感应装置和方法
技术领域
本发明属于传感交互技术领域，尤其涉及一种基于微带滤波器的触摸感应装置和方法。
背景技术
手势识别是人机交互的热点领域，该技术利用传感器捕获手势动作，并对其进行实时的识别，已广泛应用在智能家居、手语翻译以及游戏交互等领域。实现手势识别的方法大致可分为两种，基于计算机视觉识别技术和基于传感器的手势识别技术。
基于计算机视觉的识别技术需要通过高速摄像头识别用户手指的触碰和运动，存在结构复杂，成本高昂，应用场景有限等缺点。而基于传感器识别的手势识别首先需要通过传感器对手指触摸进行感知，如通过电容屏，电阻屏、声波屏和红外屏等触摸感应屏幕识别手指位置变化，再通过机器学习等手段识别用户的手部动作。作为触摸传感器，电容、电阻屏、声波屏存在成本高，光透过率低的缺点，而红外屏虽然成本低，但存在识别准确率低，易受强光影响的特点。
发明内容
为了克服现有技术中的不足和缺陷，本发明提供了一种新型的基于射频信号和微带结构的触摸感应装置和方法，具有检测精度高，结构简单，成本低的特点。
本发明采取的技术方案是：
一、一种基于微带滤波器的触摸感应装置
触摸感应装置为微带滤波器结构，微带滤波器包括主通路和设置于主通路上的两对并联谐振分支；主通路为U型结构金属微带，在U型结构两侧直线段的外侧分别布置有两对朝向相反且对称布置的并联谐振分支；每对并联谐振分支包括两根不等长的折线金属，折线金属由与主通路连接的竖直段和弯曲的折线段，竖直段垂直于主通路布置，两根折线金属在中间位置分别朝两侧弯曲形成折线段。
微带滤波器的主通路两端与射频测量仪连接，射频测量仪通过对微带滤波器发射信号，使每对并联谐振分支产生一个电磁感应透明频带。
两对并联谐振分支的电磁感应透明中心频率为距离较远的两个频点。
每对并联谐振分支由两个并联开路分支组成。
通过射频测量仪测量微带滤波器的正向传输系数S21。
每根所述的折线金属的弯曲角度为30～60度。
当物体或手指靠近触摸感应装置时，物体或手指和并联谐振分支的耦合效应电容会增大，从而导致各个并联谐振分支产生的电磁感应透明频带的中心频率、带宽、正向传输系数发生变化。
微带滤波器的正向传输系数S21通过下述公式计算得到：
Figure GDA0004056599500000021
其中，Z0为金属微带线的特征阻抗；A，B，C，D分别为微带滤波器的传输矩阵参数，微带滤波器的传输矩阵为：
Figure GDA0004056599500000022
其中，
Figure GDA0004056599500000023
为微带滤波器中串联的微带线的传输矩阵：
Figure GDA0004056599500000024
其中，
Figure GDA0004056599500000025
为微带滤波器中并联开路分支的传输矩阵：
其中，β为传播常数，lsi为不同串联的微带线长度，lpk为不同并联开路分支的长度，Y0＝1/Z0，i,k表示微带结构中并联开路分支的编号。
二、采用上述装置的触摸检测方法
包括以下步骤：
1)定义特征矢量V：
特征矢量V用于唯一表示物体靠近或手指触摸装置时，微带滤波器上各个并联谐振分支产生的的电磁感应透明频带的中心频率、带宽、幅度发生的变化；
特征矢量V为由三个元素Pf，Pa和Pn组成的1×3的向量，具体为：
Figure GDA0004056599500000026
其中，Pf是原始电磁感应透明频带与实际电磁感应透明频带的中心频率之差(f1-f2)；Pa是原始电磁感应透明频带与实际电磁感应透明频带的正向传输系数之差(h1-h2)；Pn为并联谐振分支的编号，用于区分不同的电磁感应透明频带；
f1和f2分别表示原始电磁感应透明频带和实际电磁感应透明频带的中心频率；h1和h2分别表示原始电磁感应透明频带和实际电磁感应透明频带的正向传输系数；
h是正向传输系数S21的值；
2)构建幅度谱和相位谱：
2.1)将触摸感应装置所在平面进行网格化，用正方形网格进行平面分割；
2.2)将特征向量V中的元素Pf和Pa组成复数Pf+jPa，测量每个网格中心点有手指触摸或者物体靠近时特征向量V对应复数的幅度与相位：
幅度为
Figure GDA0004056599500000031
相位为
Figure GDA0004056599500000032
2.3)对于每个电磁感应透明频带：根据所有网格测量的幅度与相位分别绘制得到幅度谱和相位谱；触摸感应装置产生的两个电磁感应透明频带分别对应两个幅度谱和两个相位谱；
3)测量手指与触摸感应装置所在平面接触时接触面中心的位置：
当手指触摸平面时，测量微带滤波器的正向传输系数S21，根据正向传输系数S21计算两个电磁感应透明频带的特征向量Vp1和Vp2，并计算特征向量Vp1和Vp2的幅度和相位；
对于同一个电磁感应透明频带，在步骤2.3)的幅度谱和相位谱中分别寻找与特征向量Vp1的幅度值和相位值最接近的网格中心点P1和P2，在步骤2.3)的幅度谱和相位谱中分别寻找与特征向量Vp2的幅度值和相位值最接近的网格中心点P3和P4；在平面上寻找与P1,P2,P3,P4的欧式距离最小的点作为手指的预测位置，即手指与触摸感应装置所在平面接触时接触面中心的位置。
所述步骤1)中，原始电磁感应透明频带为没有物体靠近或手指触摸时并联谐振分支产生的电磁感应透明频带；实际电磁感应透明频带为物体靠近或手指触摸装置时并联谐振分支产生的电磁感应透明频带。
本发明的有益效果：
本发明将电磁谐振透明频带特征的变化以信号特征矢量的形式来和触摸位置进行对应，以此来进行触摸定位，可以有效识别手指的触摸动作，成本低且不受到强光影响，是实现手势识别的一种新方法。
本发明有助于电路传输传感的一体化，在可穿戴设备交互或物联网传感等方面具有很好的应用价值。
附图说明
图1为微带滤波器结构示意图；
图中：S1为开路分支S1，S2为开路分支S2，S3为开路分支S3，S4为开路分支S4，S5、S6为端口。
图2为图1中滤波器对应的RLC电路示意图，
图中：T1对应图1中的开路分支S1，T2对应图1中的开路分支S2，T3对应图3中的开路分支S3，T4对应图1中的开路分支S4，T5、T6为端口。
图3为图1开路分支S1的电容改变时微带滤波器的S21参数变化趋势；
图4为本发明基于微带滤波器的触摸感应装置的示意图；
图中：1、2、3、4为并联开路分支 1、并联开路分支 2、并联开路分支3、并联开路分支4，5为并联谐振分支1，6为并联谐振分支2，7、8为端口。
图5为手指在不同的运动方向靠近U型微带滤波器时的S21参数变化情况；
图6为U型微带滤波器两个分支的相位谱和幅度谱。
图中：图6(1)为并联谐振分支1的幅度谱，图6(2)为并联谐振分支1的相位谱，图6(3)为并联谐振分支2的幅度谱，图6(4)为并联谐振分支2的相位谱。
图7为本发明微带滤波器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明做进一步的描述和说明：本实例以本发明技术方案为前提，给出了具体实施方式和操作流程，本发明的保护范围包括但不限于下述实例。
本发明的原理如图1、图2和图3所示，图1为具有一定尺寸开路的微带滤波器，其等效于图2所示的RLC结构。该微带线有两个电磁感应透明频带，其宽度为5mm，开路分支S1，S2，S3，S4的长宽尺寸为(19.5mm，1.5mm)，(25mm，1.5mm)，(12.7mm，1mm)，(11mm，1mm)。当电器物体接近或者接触并联开路分支时它们的电容会发生变化，我们测量该微带滤波器正向传输系数S21，图3展示了当电气物体接近开路分支S1时，微带滤波器的传输系数S21的变化情况，随着物体的逐渐靠近，开路分支S1对应的电容值发生改变，电磁感应透明频带峰值频率会发生变化，其带宽将明显变化。因此，我们通过分析电磁感应透明频带的变化情况，可得知附近电气物体的位置和移动。
本发明装置主体为与射频测量仪器连接的对触摸敏感的微带滤波器结构，该滤波器结构主通路为具有两对并联谐振分支的U型结构金属微带。如图4所示，U型结构金属微带具有四个并联开路分支1、2和3、4，并联开路分支根据直立的方向弯曲45度，可以识别不同方向的手指的运动。其中详细的参数为：
U型微带滤波器的U型主体部分微带线宽度w＝5mm；U型结构双臂间距d＝10mm；并联开路分支1和并联开路分支2的宽度w1＝1mm；并联开路分支1和并联开路分支2竖直段的高度h1＝5mm；并联开路分支1折线段的长度l1＝12.7mm；并联开路分支2折线段的长度l2＝11mm；并联开路分支3和并联开路分支4的宽度w2＝1.5mm；并联开路分支3和并联开路分支4竖直段的高度h2＝8mm；并联开路分支3折线段的长度l3＝25mm；并联开路分支4折线段的长度l4＝19.5mm。
本发明装置集成于PCB板上，PCB板的厚度为1mm，介电常数εr＝2.9。
如图4所示，四个并联开路分支两两组合在U型主通路两臂上构成两对谐振并联分支，并联开路分支1、2构成并联谐振分支1，并联开路分支3、4构成并联谐振分支2。
微带滤波器的主通路端口7和端口8与射频测量仪连接，射频测量仪通过对微带滤波器发射信号，使每对并联谐振分支产生一个电磁感应透明频带，同时两组电磁感应透明频带的中心频率为距离较远的两个频点；射频测量仪器用于测量U型微带滤波器的正向传输系数S21。
如图7所示，微带滤波器的正向传输系数S21通过下述公式计算得到：
Figure GDA0004056599500000051
其中，Z0为金属微带线的特征阻抗；A，B，C，D分别为微带滤波器的传输矩阵参数，微带滤波器的传输矩阵为：
Figure GDA0004056599500000052
其中，
Figure GDA0004056599500000053
为微带滤波器中串联的微带线的传输矩阵：
Figure GDA0004056599500000054
其中，
Figure GDA0004056599500000055
为微带滤波器中并联开路分支的传输矩阵：
Figure GDA0004056599500000056
通过上述公式进行计算，可知微带滤波器将产生中心频率在3.4GHz和1.8Ghz左右的电磁感应透明频带。当物体或手指靠近触摸感应装置时，物体或手指和并联分支耦合效应电容会增大，导致各个并联分支产生的电磁谐振频带特征会发生固定趋势的变化，即触摸感应装置测量的多个通带中心频率、带宽、正向传输系数都会发生变化。
如图5所示，为手指在不同的运动方向靠近U型结构金属微带时微带的S21参数变化情况。U型结构金属微带的并联谐振分支1在3.4GHz处产生电磁感应透明频带：如图5.1所示，当手指或物体靠近并联开路分支1时，会使得在3.4GHz处的电磁感应透明频带的左陷波(阴影部分)发生偏移；如图5.2所示，当手指或物体靠近并联开路分支2时，会导致在3.4GHz处的电磁感应透明频带的右陷波发生偏移。U型结构金属微带的并联谐振分支2会在1.8GHz处产生电磁感应透明频带：如图5.3所示，同样手指或物体靠近并联开路分支3时，1.8GHz处的电磁感应透明频带的左陷波发生偏移；如图5.4所示，手指或物体靠近并联开路分支4时，1.8GHz处的电磁感应透明频带的右陷波发生偏移。
根据手指或物体靠近时各个并联分支产生的电磁谐振频带特征发生的固定趋势变化，本发明提出一种特征的数值测量方法，具体为：
1、定义特征矢量V，特征矢量V是一个1×3的向量，由三个元素Pf，Pa和Pn组成，其中Pf是原始电磁感应透明频带(没有物体靠近或手指触摸)与实际电磁感应透明频带(受物体靠近或手指触摸位置影响)的中心频率之差(f1-f2)，Pa是原始电磁谐振频带与实际电磁感应透明频带在中心频率处的幅度的线性之差(h1-h2)，Pn是区分电磁谐振频带编号，具体定义为：
Figure GDA0004056599500000061
其中，h是正向传输系数S21参数的值(dB)。
其中，Pn为1和2，分别表示两对并联谐振分支产生的两个电磁感应透明频带：
Pn＝1时，计算电磁感应透明频带1的Pa1和Pf1可以得到一个特征向量V1＝[1,Pa1,Pf1]；
Pn＝2时，计算电磁感应透明频带2的Pa2和Pf2可以得到一个特征向量V2＝[2,Pa2,Pf2]；
即在一次测量中可以得到两个特征向量V1，V2。
2、构建相位谱和幅度谱
将U型微带滤波器所在的平面划分为边长为3mm的单位正方形网格，用于定位手指位置将感应板平片划分为边长为3mm的单位正方形，用于定位手指位置，定义一个复数Pf+jPa，通过测量每一个格点处有手指触摸或者物体靠近时特征向量V对应的复数的幅度与相位，构建幅度面与相位面，该复数平面如图6所示。
其中，幅度为
Figure GDA0004056599500000071
相位为
Figure GDA0004056599500000072
假设平面是30mm X 30mm，可以得到10X10＝100个网格，构建平面坐标系，，网格中心的坐标为网格的坐标点，在每个坐标点上测量有手指触摸时的特征向量V。上文提到，100个点可以测量得到100个V1和100个V2，计算这些所有的特征向量的幅度和相位，可以画出幅度谱和相位谱。即100个V1的幅度谱，100个V1的相位谱；100个V2的幅度谱，100个V2的相位谱；如图6(1)为并联谐振分支1的幅度谱，如图6(2)为并联谐振分支1的相位谱，如图6(3)为并联谐振分支2的幅度谱，如图6(4)为并联谐振分支2的相位谱。
3、测量阶段
在有手指触摸到平面时，我们并不知道手指的位置，但可以通过测量微带滤波器的S21来计算得到两个特征向量Vp1和Vp2。通过计算Vp1、Vp2的幅度值和相位值与图6中哪个点最接近，即可预测手指的位置。
先计算Vp1的幅度值，找到值最接近Vp1幅度的点P1(x1,y1)，找到值最接近Vp1相位的点P2(x2,y2)，找到值最接近于Vp2幅度的点P3(x3,y3)，找到值最接近于Vp2相位的点P4(x4,y4)。最后计算在平面上距离上述四个点P1,P2,P3,P4的欧式距离最小的点，将该点作为手指的预测位置。
通过实验，我们测试了54个随机摆放的手指形状物体的预测结果，取得了94.4％准确率。

Claims (6)

1.一种基于微带滤波器的触摸感应装置，其特征在于，触摸感应装置为微带滤波器结构，微带滤波器包括主通路和设置于主通路上的两对并联谐振分支；
主通路为U型结构金属微带，在U型结构两侧直线段的外侧分别布置有两对朝向相反且对称布置的并联谐振分支；
每对并联谐振分支包括两根不等长的折线金属，折线金属由与主通路连接的竖直段和弯曲的折线段组成，竖直段垂直于主通路布置，两根折线金属在中间位置分别朝两侧弯曲形成折线段；
当物体或手指靠近触摸感应装置时，物体或手指和并联谐振分支的耦合效应电容会增大，从而导致各个并联谐振分支产生的电磁感应透明频带的中心频率、带宽、正向传输系数发生变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于微带滤波器的触摸感应装置，其特征在于，微带滤波器的主通路两端与射频测量仪连接，射频测量仪通过对微带滤波器发射信号，使每对并联谐振分支产生一个电磁感应透明频带。
3.根据权利要求1所述的一种基于微带滤波器的触摸感应装置，其特征在于，通过射频测量仪测量微带滤波器的正向传输系数S21。
4.根据权利要求1所述的一种基于微带滤波器的触摸感应装置，其特征在于，每根所述的折线金属的弯曲角度为30～60度。
5.采用权利要求1～4任一所述装置的触摸检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)定义特征矢量V：
特征矢量V用于唯一表示物体靠近或手指触摸装置时，微带滤波器上各个并联谐振分支产生的电磁感应透明频带的中心频率、带宽、正向传输系数发生的变化；
特征矢量V为由三个元素Pf，Pa和Pn组成的1×3的向量，具体为：
Figure FDA0004056599490000011
pn＝[1,2],
Figure FDA0004056599490000012
其中，Pf是原始电磁感应透明频带与实际电磁感应透明频带的中心频率之差；Pa是原始电磁感应透明频带与实际电磁感应透明频带的正向传输系数之差；Pn为并联谐振分支的编号，用于区分不同的电磁感应透明频带；
f1和f2分别表示原始电磁感应透明频带和实际电磁感应透明频带的中心频率；h1和h2分别表示原始电磁感应透明频带和实际电磁感应透明频带的正向传输系数；
h是正向传输系数S21的值；
2)构建幅度谱和相位谱：
2.1)将触摸感应装置所在平面进行网格化，用正方形网格进行平面分割；
2.2)将特征向量V中的元素Pf和Pa组成复数Pf+jPa，测量每个网格中心点有手指触摸或者物体靠近时特征向量V对应复数的幅度与相位：
幅度为
Figure FDA0004056599490000021
相位为
Figure FDA0004056599490000022
2.3)对于每个电磁感应透明频带：根据所有网格测量的幅度与相位分别绘制得到幅度谱和相位谱；
3)测量手指与触摸感应装置所在平面接触时接触面中心的位置：
当手指触摸平面时，测量微带滤波器的正向传输系数S21，根据正向传输系数S21计算两个电磁感应透明频带的特征向量Vp1和Vp2，并计算特征向量Vp1和Vp2的幅度和相位；
对于同一个电磁感应透明频带，在步骤2.3)的幅度谱和相位谱中分别寻找与特征向量Vp1的幅度值和相位值最接近的网格中心点P1和P2，在步骤2.3)的幅度谱和相位谱中分别寻找与特征向量Vp2的幅度值和相位值最接近的网格中心点P3和P4；在平面上寻找与P1,P2,P3,P4的欧式距离最小的点作为手指的预测位置，即手指与触摸感应装置所在平面接触时接触面中心的位置。
6.根据权利要求5所述的触摸检测方法，其特征在于，所述步骤1)中，原始电磁感应透明频带为没有物体靠近或手指触摸时并联谐振分支产生的电磁感应透明频带；实际电磁感应透明频带为物体靠近或手指触摸装置时并联谐振分支产生的电磁感应透明频带。
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