Brevet FR2712103A1 — publié le 19950512

INSTRUMENT MOBILE ORIENTABLE POUR SYSTEME NUMERISEUR ELECTROMAGNETIQUE Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un système numériseur électromagnétique comprenant un instrument mobile et une surface active fixe, et concerne plus particulièrement l'instrument mobile et le procédé associé permettant de lui déterminer la position et l'orientation par rapport à ladite surface active et l'état de ses boutons. Arrière plan de l'invention Le domaine des systèmes numériseurs connaît plusieurs versions de réalisation basées sur le phénomène d'induction électromagnétique. Tous ces systèmes comportent un instrument mobile muni d'une bobine et plusieurs boutons dont certains peuvent être sensibles à la pression et une surface comprenant des réseaux de conducteurs orientés selon deux axes rectangulaires, appelée surface active. Dans ces systèmes numériseurs, soit l'instrument mobile induit des signaux électriques dans les conducteurs de la surface active, soit certains conducteurs de la surface active induisent des signaux électriques dans la bobine de l'instrument active. Si la surface active est connectée au contrôleur du numériseur dans tous les cas, par contre, l'instrument mobile peut être ou non relié par câble au même contrôleur et il y a donc des réalisations avec ou sans fil. L'instrument mobile sans fil, lui aussi peut avoir soit une alimentation propre, soit il peut ne pas en avoir besoin comme dans le cas des systèmes numériseurs utilisant de plus la résonance. Dans tous les cas, le signal induit, en corrélation avec le signal inducteur, est porteur de l'information permettant de déterminer la position de l'élément mobile par rapport à la surface active. Les brevets US n" 4.423.286 (Bergeron), US n" 4.734.546 (Landmeier), US n" 4.794.208 (Watson) et US nO 4.820.886 (Watson) décrivent des systèmes numériseurs dans lesquels la position est déterminée par le traitement numérique des échantillons du signal différence de phase entre le signal d'excitation et le signal induit. Dans les cas cités ci-dessus, la bobine de l'instrument mobile induit des signaux électriques dans les conducteurs de la surface active. Dans d'autres systèmes numériseurs, un circuit de détection de l'inversion de phase des signaux induits dans les conducteurs balayés produit une impulsion d'arrêt d'un compteur de position qui a été incrémenté pendant le balayage (voir le brevet US n" 4.210.775 , Rodgers et al.). Des systèmes numériseurs électromagnétiques avec instruments mobiles sans fil sont décrits, par exemple, dans les brevets US nO 5.128.499 (Morita), US nO 5.220.324 (Morita), US n" 5.120.907 (Shiubori), US n" 5.160.813 (Watson) et US n" 5.235.142 (Landmeier et al). En fonction du type d'application pour lequel le système numériseur est destiné, l'instrument mobile peut avoir l'aspect d'un stylet or d'une souris. Le stylet permet une facilite de manipulation dans le détriment de la précision de détection de ces coordonnées. L'inclinaison du stylet se retrouve dans l'angle de sa bobine par rapport à la surface active, et par conséquent cet angle se reflète dans la forme des signaux induits. D'une façon générale, la souris est munie d'une optique comportant un réticule pour augmenter la précision de la saisie et des boutons interrupteurs dont le nombre varie entre 1 et 16. La compensation des erreurs de détermination des coordonnées par des moyens de traitement numérique est plus souvent abordée dans le dernier temps. Dans ce sens, le brevet US nO 5.198.623. (Landmeier), décrit une méthode pour déterminer l'angle d'inclinaison d'un stylet par rapport à la surface active dans un système numériseur comme celui décrit, par exemple, dans le brevet US n" 5.235.142 accordé au même auteur. La valeur de cet angle sert pour corriger la position de la pointe du stylet et peut être utilisée directement dans certaines applications graphiques. D'autre part, le besoin des systèmes numériseurs permettant plus de facilités de communication avec les applications de conception assistée par ordinateur, augmente le nombre de grandeurs qui caractérisent l'état de l'instrument mobile et son interaction avec la surface active. Un exemple dans ce sens est le stylet avec bouton latéral sensible à la pression décrit dans le brevet EP0428969 (Purcell). Le brevet US n" 5.061.828 (Purcell) a certains éléments communs avec celui précédemment cité et concerne un stylet "calligraphique", avec l'axe Z contrôlée par la pression latérale au niveau de sa pointe, simulant un stylo à plume. Le signal Z est fournis par un capteur à effet Hall placé dans un mécanisme sensible à la pression et qui comporte également une bobine d'excitation. Dans ce sens, le brevet US n" 5.004.872 (Lasley), décrit un numériseur associant une troisième coordonnée Z à la pression exercée sur la pointe d'un stylet munis d'un traducteur linéaire de pression placé dans son axe. Dans ce cas, la caractéristique Z est programmable. Ce numériseur dispose d'un seul microcontrôleur qui acquière séquentiellement les coordonnées (X, Y, Z), en utilisant chaque fois le même convertisseur A/D. La tablette graphique à capacité N-dimensionnelle faisant l'objet du brevet US n" 5.111.005, accordé à Smith, est basée sur un numériseur conventionnel comme ceux décrits ci-dessus, comportant de plus des pilotes logiciels s'interposant entre celui-ci et l'application graphique et agissant à l'action des boutons interrupteurs de son curseur (souris). L'orientation d'un l'instrument mobile utilisé comme périphérique d'entré dans un ordinateur peut avoir une large applicabilité dans les systèmes graphiques. Dans ce sens, le brevet US n" 7.416.142 décrit une souris optique orientable et son interface avec un ordinateur. Les brevets WO 9105326 (EP 0451220) et WO 9109394 (Vivien Cambridge) décrivent des systèmes graphiques basés sur la souris optique orientable ci-dessus. Cette réalisation a deux inconvénients majeurs qui limite son applicabilité, le premier consistant en ce que la souris détecte une position relative, comme les souris à bille et le deuxième consistant en ce que les objets opaques ne sont pas admis entre son corps et son tapis spécial. Les inconvénients cidessus sont éliminés par la présente invention. Dans les exemples cités ci-dessus, la capacité multidimensionnelle réelle est réduite en effet au deux coordonnées dans le plan de la surface active et une troisième étant relié à une pression saisie d'une façon spécifique, aspect qui constitue une limitation par rapport aux besoins des interfaces des applications graphiques d'art, traitement d'image ou simulation. La présente invention élimine cette limitation, proposant un instrument mobile qui même dans sa version de base a une capacité tridimensionnelle réelle dans le plan de la surface active: la position (X, Y) et l'orientation. Cette capacité de base est augmentée par un nombre variable de boutons, choisis sensibles ou non à la pression en fonction du domaine d'application et disposés sur son corps selon des critères d'ergonomie concernant l'action des doigts par rapport à sa prise en main pendant l'utilisation. Un autre but de cette invention est de réduire la sollicitation du contrôleur du système numériseur, l'instrument mobile déterminant lui même l'état de ses boutons. Exposé de l'invention Selon un premier aspect de cette invention, l'instrument mobile, quelle que soit son aspect, souris (appelé aussi curseur) or stylet, comporte deux bobines parallèles dont les centres sont décalés de telle façon pour lui préciser une orientation. Une bobine principale est centrée sur l'axe de vision (réticule) et correspond à la position de l'instrument mobile et à l'origine du vecteur orientation, tandis que la deuxième, dite d'orientation, est décalée afin de déterminer l'extrémité du vecteur orientation de celuici. Le principe consiste à déterminer les coordonnées des centres des bobines pour une même position de l'instrument. Les coordonnées de la bobine principale seront la position numérisée selon l'art, et la différence entre les coordonnées de la bobine d'orientation et celle principale préciseront l'orientation. Selon un second aspect de l'invention, l'instrument mobile peut comporter un certain nombre de boutons en tant que moyens sensibles au doigts de l'opérateur, dont certains pourront être de simples interrupteurs ou reliés à des différents types de traducteurs et convenablement disposés sur le corps de l'instrument mobile. Selon un troisième aspect de l'invention, l'instrument mobile détermine lui même l'état de ces boutons et pour ceci il comporte son propre microcontrôleur. L'état ci-dessus est codé de façon convenable dans un paquet binaire est transmis sur demande au contrôleur du système numériseur. Selon un autre aspect de l'invention, certains paramètres de ces boutons sensibles à la pression sont programmables pour personnaliser le comportement de l'instrument mobile selon les aptitudes de son utilisateur et le mode de fonctionnement choisi. Présentation des dessins Les caractéristiques et avantages ci-dessus ainsi que d'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de l'exposé détaillé suivant, donné à titre d'exemple non limitatif et illustré par cinq figures annexées, parmi lesquelles: la figure 1 est schéma bloc générale montrant la structure de l'instrument mobile orientable conforme à l'invention; les figures 2a-2c montrent les deux variantes de positionnement des bobines et respectivement la diagramme du vecteur orientation; la figure 3 montre un exemple non limitatif de schéma de réalisation préféré de l'instrument mobile en version stylet. Exposé détaillé de I'invention Pour une description plus claire de la construction et du fonctionnement des systèmes numériseurs, sont donnés en référence les brevets cités ci-dessus. Certains détails ne sont pas nécessaires pour comprendre la présente invention. Par exemple, pour cette invention il n'est pas important la géométrie or la façon de sélectionner les conducteurs des grilles de la surface active, individuellement or en groupe. Il est non plus important la façon de traitement des signaux analogiques pour déterminer la position sur une axe de la surface active, ni si l'instrument mobile est inducteur est la surface active est l'antenne, or réciproquement, tous ces éléments étant bien connus dans l'art. Selon la figure 1, l'instrument mobile orientable conforme à l'invention comporte deux bobines (1) et (2) dont les centres Ol et 2 sont décalés par construction, pour lui préciser une orientation définie par le vecteur d'orientation ayant l'origine dans le point O1 et l'extrémité dans le point O2. Les centres des bobines sont localisés l'un après l'autre, selon l'un quelconque procédé de l'art, dont certains exemples sont décrits dans des brevets cités dessus. La position du centre Ol est déterminée par le système numériseur en tant que position de l'instrument mobile et qui sera ensuite communiquée au système hôte et par conséquent, la bobine (1) est appelée bobine principale et elle correspond à la bobine de l'instrument mobile dans les systèmes de l'art antérieur. De façon spécifique à cette invention, la deuxième bobine (2) est appelée bobine d'orientation et la position de son centre 02 précise l'orientation de l'instrument mobile par rapport à la surface active du système numériseur. On trouvera plusieurs versions de placement des bobines (1) et (2) satisfaisant les conditions ci-dessus, parmi lesquelles, la figure 2a montre le cas de positionnement dans le même plan, les bobines ayant des diamètres différents et la figure 2b montre le cas des bobines identiques, décalées dans des plans parallèles. On comprendra que la solution pratique de construction et de placement des bobines ci-dessus soit adaptée à la forme de l'instrument mobile et aux caractéristiques du système numériseur et que le sens du vecteur orientation pourra être aussi bien 0201. La figure 2c est le diagramme du vecteur orientation. Avec la notation de coordonnées l(Xl, Y1) et 02(X2, Y2), l'orientation sera déterminée soit: a) en tant que vecteur précisé par ces projections sur les axes du système de coordonnées relié à la surface active du système numériseur, (#x, #y): Ax--X2-X1 ; #y = Y2 - Y1 ; b) ou en tant que angle de rotation Q défini par exemple par rapport à l'axe lx, selon les formules suivantes dans lesquelles = arctg (IAyI / lAxi): si alors Ax > OetAy > O a=ss, Ax Ax # 0 et #y # 0 &alpha; = # + ss, #x # 0 et #y # 0 a=2s-ss. L'homme de l'art observera que les problèmes de correction des erreurs selon la vitesse de mouvement de l'instrument mobile sont les mêmes que dans les systèmes antérieurs. Si nécessaire, une solution de compensation peut être implémentée (pour plus de détails, se reporter par exemple, aux brevets US n 5.229.551 - McDermott et al. et US n 5.198.623. - Landmeier). Parce que le traitement numérique nécessité par les corrections ci-dessus peut réduire la fréquence d'échantillonnage de l'instrument mobile (position, orientation, état) par le chargement excessif du contrôleur du système numériseur, pour les versions complexes il est préférable de déterminé l'état par des moyens résidents dans l'instrument mobile, comme il sera décrit ci-après. Par contre, l'orientation de l'instrument mobile selon l'invention ne réclame pas de procédure spécifique de calibration expérimentale, comme c'est le cas de la méthode décrite dans le brevet US n" 5.198.623. (Landmeier) cité ci-dessus. La résolution de l'angle de rotation caractérisant l'orientation de l'instrument mobile est fonction de la distance 0102, réalisée par construction, et de la résolution spécifique du système numériseur. L'instrument mobile selon l'invention comporte des moyens sensibles à l'action des doigts de l'utilisateur, representés par m boutons interrupteurs SW (5.1), (5.m), m 2 1 et n boutons sensibles à la pression SSP (6.1),.., (6.n), n > O, disposés sur son corps selon des critères ergonomiques concernant l'action des doigts, leurs états individuels définissant ce qui est appelé l'état de l'instrument mobile. Les boutons du type SW, connectés éventuellement dans une matrice de décodage et les boutons SSP, nécéssitant ou non un circuit de coditionnement analogique (7.1),. (7.n), sont gérés par un microcontrôleur (8) comportant aussi des moyens de sélection et de conversion analogique-numérique. Le microcontrôleur de l'instrument mobile converti les données ainsi saisies dans un paquet binaire constituant l'état de l'instrument mobile. Ce paquet sera envoyé à la demande au contrôleur du système numériseur par l'interface série bidirectionnelle (9) dont les moyens de communication sont compris dans le même contrôleur (8). Une alimentation (10) est prévue pour les versions de l'instrument mobile comportant des moyens de conditionnement des états des boutons ci-dessus. Le microcontrôleur (8) comportant les moyens de traitement numérique des signaux provenant des boutons SSP, pourra également modifier certains paramètres, par exemple la sensibilité d'un bouton SSP quelconque, selon la volonté de l'utilisateur. L'interface de programmation d'un système numériseur devra être étendue pour supporter l'option cidessus. La figure 3 montre un exemple non limitatif de schéma de réalisation préféré de l'instrument mobile en version stylet, les bobines étant disposées dans sa pointe et comportant un bouton interrupteur SW (5.1) et deux boutons sensibles à la pression SSP (6.1), (6.2) avec les amplificateurs associés (7.1) et (7.2), l'ensemble étant gérés par le microcontrôleur (8). La figure 3 suggère également l'emplacement des divers éléments dans le corps du stylet. Dans cet agencement preféré, le bouton interrupteur (5.1) et le bouton sensible à la pression (6.1) sont placés latéralement, dans l'immédiat de la pointe du stylet, le plus proche de la dite pointe étant le bouton (5.1). Le bouton (6.2) est sensible à la pression exercée au niveau de la pointe du stylet qui lui est transmise par une tige (11) placée dans l'axe du stylet se confondant avec l'axe 0101' de la bobine principale (1). Cette tige dont la pointe 1 vise les points à numériser sur la surface active, peut être amovible et remplacée par une réserve de stylo à bille ayant les mêmes dimensions physiques, comme c'est bien connu dans l'art Dans la version d'instrument mobile décrite ci-dessus, l'agencement des boutons satisfait aux critères ergonomiques concernant l'action des doigts par rapport à sa prise en main pendant l'utilisation. Le stylet est tenu dans la main entre le pouce et le majeur, manoeuvré comme un stylo et l'index doit accéder au boutons latéraux de telle façon qui'l puisse les actionner facilement. Par conséquent, le mouvement, I'orientation et la pression axiale du stylet sont contrôlées par l'action conjointe du puce et du majeur. De façon indicative, dans une application d'art graphique assistée par ordinateur, le bouton (5.1) peut servir pour sélectionner (cliquer) une option dans un menu commandé par l'orientation du stylet, par exemple un pinceau avec section rectangulaire, ensuite la pression exercée sur la pointe contrôlera l'épaisseur du trait et la pression sur le bouton latéral (6.1) contrôlera la couleur tandis que le pinceau suivra l'orientation et le mouvement de la main. Dans cet exemple de réalisation, les bobines sont placées selon la variante de montage montrée dans la figure 2a, chacune avec une connexion à la masse, et les autres connexions DRV L1 et DRV~L2 reliées par le câble (13) directement au connecteur (14). Le microcontrôleur (8) avec les autres éléments électroniques du stylet sont montés sur un circuit imprimé (12). Pour réduire le nombre de fils dans le câble de connexion (13), on utilise une interface série bidirectionnelle (9) avec deux fils. Le contrôleur du système numériseur gère le signal de synchronisation SCL, les données et les adresses étant échangées par la ligne bidirectionnelle SDA Quoique dans cette description les bobines soient pilotées directement par le contrôleur du système numériseur, on comprendra que d'autres versions dans l'esprit et le but de cette invention sont possibles. Par exemple, dans le cas des versions sans fils, les bobines seront pilotées par des moyens résidents dans le corps même de l'instrument mobile. Le mode de fonctionnement décrit ci-dessus vise plutôt à illustrer qu'à limiter l'invention. Les différentes implémentations de l'invention selon le microcontrôleur choisi, l'interface série, au niveau du schéma électronique et des programmes, couleront de source pour l'homme de l'art. Par exemple, la présence du microcontrôleur (8) n'est pas obligatoire, ces fonctions pourront être transférées au niveau du contrôleur du système numériseur, mais elle est recommandée pour une comptabilité au moindre coût avec les systèmes existants. Les prix et les performances des microcontrôleurs disponibles actuellement permettent l'implémentation d'un instrument mobile selon cette invention à des prix très accessibles. Indication d'applicatlon industrielle L'instrument mobile selon cette invention a une structure adaptable à toutes les applications d'art graphiques, son orientation étant un élément révolutionnaire en matière d'interface graphique. Il permet aussi une meilleure séparation des fonctions dans un système numériseur, par le fait de pouvoir lui même déterminer l'état de ces boutons dont certains sont reliés à des traducteurs et ensuite de le communiquer sur demande au contrôleur du système numériseur. Sa versatilité consiste aussi en ce que son comportement soit pérsonnalisable selon les aptitudes de son utilisateur et le mode de fonctionnement choisi en programmant par exemple la sensibilité de ces boutons sensibles à la pression. Aussi, un instrument mobile selon cette invention peut être intégré dans les systèmes numériseurs existants avec un minimum de modifications, qui consisteraient pour la plupart à rajouter les moyens de piloter une deuxième bobine et de modifier la programmation des microprocesseurs de leurs cartes contrôleurs. L'intégration ci-dessus coulerait de source pour l'homme de l'art. Comme décrit ci-dessus, l'instrument mobile en version stylet selon la version préférée donnée à titre d'exemple, permet de simuler d'une manière naturelle un pinceau obéissant d'une façon intuitive au mouvement de la main. Cette capacité d'expression graphique n'est pas atteinte par aucune des réalisations antérieures. Les interfaces graphiques d'usage général peuvent en bénéficier en rajoutant aux concepts de pointer et cliquer, un troisième, aussi naturel que les autres, d'orienter. Le bénéfice majeur de cette invention est de fournir des systèmes numériseurs avec capacité multidimensionnelle réelle pour les applications de conception assistées par ordinateur, plus fiables et à des prix plus accessibles par rapport aux systèmes précédents. Revendications 1. Instrument mobile pour système numériseur électromagnétique comportant des moyens d'interaction avec la surface active pour que ledit système détermine la position du dit instrument mobile par rapport aux axes de coordonnées de celle-ci, comportant ou non des moyens sensibles aux actions des doigts de l'utilisateur et comportant ou non des moyens de conditionnement des signaux produits par les des moyens sensibles ci-dessus, caractérisé en ce que les moyens d'interaction avec la surface active cidessus comportent deux bobines parallèles ayant les centres décalés pour définir à son corps une orientation par rapport à l'axe d'une des dites bobines, la bobine dont l'axe est la référence d'orientation étant utilisée pour déterminer l'origine et l'autre bobine étant utilisée pour déterminer l'extrémité du vecteur orientation, une des positions ainsi déterminées étant en même temps la position du dit instrument mobile. 2. Instrument mobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens sensibles aux actions des doigts de l'utilisateur comportent m boutons interrupteurs, ou m 2 1 et n boutons sensibles à la pression, ou n 2 0, disposés sur son corps selon des critères ergonomiques concernant l'action des doigts par rapport à sa prise en main pendant l'utilisation. 3. Instrument mobile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de conditionnement des signaux produits par les moyens sensibles aux actions des doigts de l'utilisateur comportent un microcontrôleur comprenant des moyens de traitement numérique des signaux provenant des moyens sensibles ci-dessus et des moyens de rassembler les résultats dans un paquet binaire définissant l'état de l'instrument mobile. 4. Instrument mobile selon la revendication 3 caractérisé en ce que le microcontrôleur comporte des moyens de communication lui permettant de transmettre le paquet binaire définissant l'état ci-dessus au contrôleur du système numériseur. 5. Instrument mobile selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le microcontrôleur comporte des moyens pour personnaliser, par programmation, les moyens sensibles à l'action des doigts de l'utilisateur. 6. Instrument mobile selon lune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que son corps a la forme d'un stylet et comporte trois boutons sensibles aux actions des doigts de l'utilisateur. 7. L'instrument mobile selon la revendication 6 dans lequel le premier des boutons ci-dessus est un interrupteur placé latéralement, dans l'immédiat de la pointe du stylet et les deux autres boutons sont sensibles à la pression, un à celle exercée au niveau de la pointe du stylet et l'autre placé auaessus du bouton interrupteur par rapport à ladite pointe. 8. L'instrument mobile selon la revendication 7 caractérisé en ce que le bouton sensible à la pression de la pointe comporte une tige amovible dans l'axe de l'instrument dont une extrémité forme la pointe de celui-ci. 9 Procédé pour la mise en oeuvre de l'instrument mobile selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lui déterminer l'orientation par rapport aux axes de coordonnées de la surface active dans un système numériseur, comprenant les étapes consistant à: a) déterminer la position (X1, Y1) du centre d'un des deux bobines ci-dessus en tant que position de l'instrument mobile et origine du vecteur orientation; b) déterminer la position (X2, Y2) du centre de la seconde bobine en tant que l'extrémité du vecteur orientation; c) déterminer l'orientation soit comme la paire de projections du vecteur orientation sur les axes de référence (X2-Xl, Y2-Yl), soit comme l'angle de ce vecteur par rapport à un axe de référence de la surface active.