Brevet FR3022365A1 — publié le 20151218

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LOCALISER UNE INTERACTION SUR UNE SURFACE TACTILE Domaine de l'invention L'invention est dans le domaine des surfaces tactiles et concerne plus particulièrement un procédé pour localiser une interaction sur une surface tactile. Etat de la Technique Pour rendre une surface de n'importe quelle nature tactile en permettant de localiser un appui sur 15 une surface, les solutions connues relèvent principalement de deux approches, qui sont le déploiement d'un film capacitif ou la pose d'un cadre infrarouge sur la surface. 20 Dans les solutions basées sur l'utilisation d'un film capacitif, un film composé d'un réseau électrique gravé sur celui-ci et relié à une électronique est déployé et collé sur la surface à tactiliser. Lors d'un touché avec le doigt sur la surface, la capacité 25 qui est mesurée est modifiée, permettant de localiser l'interaction. L'inconvénient de cette approche est qu'elle n'est pas compatible avec un autre élément que le doigt, rendant difficile par exemple le port de gants. De plus, le déploiement d'un tel film rend 30 visible un réseau de fils imprimés sur celui-ci 10 2 3022365 diminuant la transparence de la surface. Les solutions basées sur la technologie infrarouge (IR) utilisent un cadre composé de diodes 5 électroluminescentes (LEDs) infrarouges posé sur la surface et formant un quadrillage de rangées émettrices et réceptrices. Lorsqu'un doigt ou tout autre objet vient couper les faisceaux horizontaux et verticaux, il est localisé. Cette technologie est très sensible à la lumière du soleil qui est très chargée en infrarouge, ainsi qu'à l'environnement tel le niveau de saleté de la surface. De plus, le cadre infrarouge a en général l'aspect d'une cuvette, ce qui est un frein dans le design général et l'utilisation de surfaces diverses. Un inconvénient supplémentaire commun aux approches connues, est le coût d'implémentation qui est très élevé et évolue de façon exponentielle en 20 fonction de la taille de la surface à tactiliser. Il existe par ailleurs d'autres technologies de tactilisation basées sur la mesure d'effort à partir de jauges de contraintes ou de capteurs de pression. 25 Le point d'interaction est déterminé en considérant la répartition des efforts et en l'associant au barycentre des capteurs pondérés par les pressions respectives mesurées. Le brevet US3657475 propose un dispositif utilisant trois capteurs pour déterminer le 30 point de pression sur une plaque. Or, ces solutions sont applicables uniquement aux surfaces de petite 3 3022365 taille, c'est-à-dire celles dont la taille n'excède pas celle des écrans conventionnels des ordinateurs personnels ou des tablettes. 5 Le passage à des surfaces plus importantes génère des problèmes quant à la rigidité de la plaque et à la déformation de la surface sous l'application d'une force d'interaction. 10 De plus, un manque de rigidité apparent d'une surface ne procure pas un bon ressenti pour l'utilisateur lors d'un touché. Pour palier aux problèmes liés à la rigidité de 15 la surface, il est possible d'augmenter le nombre de capteurs afin d'améliorer son maintien. Toutefois, l'utilisation de plus de quatre capteurs augmente le degré d'hyperstatisme du système et il n'est plus possible de déduire une équation analytique en appliquant le principe de la statique pour déterminer la localisation du touché. Ainsi, il n'existe pas dans l'art antérieur, de solution adaptée à la localisation d'une interaction 25 sur une surface de grande taille. La présente invention répond à ce besoin en palliant aux inconvénients des approches existantes. 30 4 3022365 Résumé de l'invention Un objet de la présente invention est de fournir un dispositif et un procédé permettant de localiser 5 une interaction une surface de grande taille dont la rigidité est non infinie. Avantageusement, le dispositif de l'invention permet qu'une surface de grande taille soit tactilisée 10 de manière intégralement transparente. Un autre objet de la présente invention est de fournir un procédé de tactilisation d'une surface offrant une mise en oeuvre aisée et un coût 15 d'implémentation réduit. Un autre objet de la présente invention est de proposer un dispositif de tactilisation modulaire permettant facilement l'ajout ou le retrait de 20 capteurs. Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif qui permet de limiter la déformation de la surface à tactiliser en permettant de la fixer sur un 25 bâti encastrable. Avantageusement, l'invention propose un procédé basé sur la mesure de force et la fusion d'informations issues de plusieurs capteurs pour 30 localiser une interaction sur une surface à tactiliser. 5 3022365 La présente invention s'appliquera avantageusement pour des bornes interactives de grande taille, des meubles à tactiliser, ou encore toute 5 application dite «simple touché» actuellement mise en oeuvre avec des dispositifs infrarouge et capacitif. De part le faible coût du dispositif proposé, une application typique pourra être la tactilisation d'un 10 plafonnier de grande taille dans l'habitacle d'une automobile. Le procédé et dispositif de la présente invention permet l'allumage total ou partiel du plafonnier via une interaction tactile localisée. Avantageusement, le dispositif proposé n'altère pas la 15 transparence du plafonnier, et est particulièrement bien adapté pour laisser passer la lumière. Pour obtenir les résultats recherchés, un procédé pour localiser une interaction sur une surface équipée 20 d'une pluralité de capteurs positionnés selon des axes (X,Y) à des coordonnées (Xi,Yj), chaque capteur étant apte à fournir une valeur représentative de l'effort mesuré lors d'une interaction, est décrit. Le procédé comprend les étapes de : (a) calculer pour chaque coordonnée Xi, une valeur représentative d'un effort pour un capteur équivalent, la valeur de chaque capteur équivalent correspondant à la somme des valeurs des capteurs positionnés sur la surface à ladite coordonnée Xi; (b) utiliser la valeur de chaque capteur équivalent pour modéliser selon un critère de coût la 6 3022365 répartition des efforts sur une pluralité de positions discrètes 'Li' de l'axe X, la pluralité de positions discrètes étant prédéfinies; et (c) déterminer la position discrète 'Li' ayant 5 le coût minimum, représentant la position la plus proche de l'interaction sur l'axe X. Dans un mode de réalisation, les étapes (a) et (b) sont appliquées pour chaque coordonnée Yj de l'axe 10 Y et pour une pluralité de positions discrètes 'Lj' et l'étape (c) détermine la position discrète 'Lj' la plus proche de l'interaction sur l'axe Y. Avantageusement, le procédé comprend après 15 l'étape de calcul (a), une étape de normaliser les valeurs de chaque capteur équivalent par rapport à des valeurs de modèles de capteurs de référence. Dans un mode de réalisation, l'étape (b) de 20 modélisation comprend les étapes de: calculer pour chaque position discrète 'Li' un coût de position individuel de chaque capteur équivalent; et calculer pour chaque position discrète 'Li', 25 un coût de position général de capteur équivalent en fonction de la pluralité des coûts de position individuels. Dans une variante, l'étape de calcul de coût 30 individuel consiste à calculer la valeur au carré de l'écart entre la valeur normalisée du capteur 7 3022365 équivalent et une valeur normalisée que ledit capteur équivalent mesurerait à ladite position discrète 'Li'. Avantageusement, le procédé comprend une étape 5 préliminaire de calibration permettant de définir la valeur normalisée. Dans un mode de réalisation avantageux, le procédé comprend après l'étape (c) de détermination, 10 une étape de filtrage des positions déterminées. Avantageusement, le filtrage est fait avec un filtre passe bas. Dans une implémentation, la fréquence du filtre est définie selon des seuils 15 réglables. Le procédé de l'invention peut comprendre une étape préliminaire de détermination d'une interaction sur la surface. L'étape de détermination peut 20 consister à mesurer un poids exercé sur la surface et à déterminer si le poids mesuré est supérieur à une valeur seuil. Avantageusement, une valeur de biais statique est retranchée de la mesure du poids exercé. 25 L'invention concerne aussi un dispositif pour localiser une interaction sur une surface équipée d'une pluralité de capteurs positionnés selon des axes (X,Y) à des coordonnées (Xi,Yj), chaque capteur étant apte à fournir une valeur représentative de l'effort 30 mesuré lors d'une interaction, le dispositif comprenant des moyens pour mettre en oeuvre les étapes 8 3022365 du procédé. Avantageusement, la surface peut être encastrée dans un bâti fixe et la pluralité des capteurs peut comprendre des capteurs placés entre la surface et le 5 bâti. Dans une variante d'implémentation, la pluralité des capteurs peut comprendre des capteurs capacitifs plans positionnés sous la surface. 10 Alternativement, la pluralité des capteurs peut comprendre des capteurs capacitifs fourches, chaque capteur capacitif fourche comprenant deux capteurs capacitifs plans assemblés en un dispositif capacitif 15 unitaire et positionnés respectivement en regard sur et sous ladite surface. L'invention concerne également un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de 20 code permettant d'effectuer tout ou partie des étapes du procédé. Différents aspects et avantages de l'invention vont apparaitre en appui de la description d'un mode 25 préféré d'implémentation de l'invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous. Description des figures 30 La figure 1 illustre un dispositif pour opérer le procédé de l'invention dans un mode de réalisation; 9 3022365 La figure 2 montre un exemple de capteur capacitif adapté pour opérer le procédé de l'invention; 5 La figure 3 illustre la relation entre un point d'interaction sur une surface et la position de capteurs. La figure 4 montre un enchainement des étapes du 10 procédé de localisation d'une interaction dans un mode de réalisation; La figure 5 détaille les étapes du calcul de l'estimation d'une position d'une interaction la plus 15 proche dans un mode de réalisation ; La figure 6 détaille les étapes du filtrage des résultats de l'étape d'estimation du procédé de la figure 5 ; 20 La figure 7 illustre une projection de capteurs en capteurs équivalents. Description détaillée de l'invention 25 La figure 1 illustre un dispositif 100 pour opérer le procédé de l'invention dans un mode de réalisation. Dans l'exemple de la figure 1, une surface 102 est équipée d'une pluralité de capteurs 30 104-i. Pour des raisons de simplification de la description, la figure 1 montre six capteurs placés 10 3022365 sous une surface rectangulaire, mais l'homme du métier pourra étendre les principes de l'invention à toute autre configuration de capteurs et autre forme de surface également surface en relief (3D). La surface 5 peut être une plaque souple de polycarbonate ou une plaque thermoplastique transparente de Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou être constituée de n'importe quel matériau de bois, de plastique ou de verre. 10 Dans un mode de réalisation, la surface peut être encastrée dans un support, un châssis ou un bâti fixe non montré sur la figure 1, et les capteurs placés entre la surface et le châssis. Dans une 15 implémentation préférentielle, les capteurs sont un dispositif capacitif fourche tel que décrit en référence à la figure 2. Avantageusement, afin de réduire les risques de 20 parasitage liés aux sources externes et permettre la mesure d'un très faible changement de capacité, chaque capteur 104 est couplé localement à un module de mesure d'effort local 106 permettant de mesurer l'effort traversant le capteur lors d'une interaction 25 112 sur la surface. Dans une implémentation, le module de mesure d'effort contient des moyens de conversion analogique/numérique pouvant disposer d'un système de régulation ou de filtrage de l'alimentation. La sortie de chaque module de mesure d'effort 30 local 106 est envoyée à un module de localisation d'interaction 108 via un bus de transmission de 11 3022365 données, de type bus de données série synchrone bidirectionnel half-duplex, comme le bus normalisé I2C par exemple. De manière préférentielle, les bus 107 assurant la liaison entre le module de localisation et 5 chacun des modules de mesure d'effort de chaque capteur sont des fils blindés. Les modules de mesure d'effort local 106-i sont couplés à un module de localisation d'interaction 108 apte opérer le procédé de localisation de 10 l'invention tel que décrit plus loin en référence aux figures 4 à 6. De manière générale, le module de localisation d'interaction 108 comprend un multiplexer permettant de recevoir les données issues de la pluralité des 15 modules de mesure d'effort 106-i, une unité de traitement de type microcontrôleur permettant d'exécuter le procédé de localisation d'interaction de l'invention, et divers composants permettant le filtrage et l'alimentation des fonctions. Par 20 ailleurs, une connectique comportant alimentations, bus I2C et I/Os permet de venir connecter une extension. Le microcontrôleur comprend de manière générale au moins un processeur, de la mémoire vive (RAM) et 25 non volatile (FLASH) permettant de stocker et exécuter le procédé de localisation d'interaction de l'invention. Dans une variante d'implémentation, un second module de localisation d'interaction peut opérer en 30 mode 'esclave' avec un premier module maître permettant de répartir l'acquisition des données des 12 3022365 capteurs sur les deux modules. Dans cette variante, une liaison de type I2C établit la communication entre les deux modules. Avantageusement, l'arrangement électronique 5 modulaire combinant les modules de mesure d'effort local 106-i et le module de localisation d'interaction 108 permet facilement l'ajout ou le retrait de capteurs 104-i afin de s'adapter à toute forme de surface et tout type d'application. 10 Le module de localisation d'interaction 108 peut être couplé à différents périphériques 110 permettant d'interpréter un résultat produit pour déclencher une action liée à la détection de l'interaction. Ainsi, le 15 module peut par exemple être relié à un ordinateur via une sortie USB. Dans le contexte de l'invention, une action peut être une réponse selon la position d'une interaction, telle que par exemple, l'allumage d'une LED ou un bandeau de LEDs d'un plafonnier de voiture 20 en fonction du côté sur lequel un appui a été exercé par un utilisateur. La figure 2 illustra un exemple de capteur fourche dans une implémentation préférentielle de 25 l'invention. Le capteur fourche est constitué de deux capteurs capacitifs assemblés en un dispositif capacitif unitaire, comprenant une armature centrale (208-a, 208-b) solidaire de l'une surface à tactiliser 202 et reliée à la masse, deux armatures externes 30 (210-a, 210-b) reliées respectivement à une entrée du module de mesure d'effort local 106, les armatures 13 3022365 externes étant respectivement séparées de l'armature centrale par un matériau diélectrique (206-a, 206-b). Ainsi, les capteurs capacitifs sont situés respectivement de part et d'autre d'une plaque 202 5 présentant une face supérieure et une face inférieure. Dans le contexte de l'invention, le capteur situé au-dessus de la plaque est dit 'capteur supérieur' et le capteur situé au-dessous de la plaque est dit 'capteur inférieur'. Les capteurs sont disposés sur les bords 10 de la plaque et encastrés dans un bâti ou châssis 204. Chaque capteur comprend deux électrodes séparées par un diélectrique (206-a, 206-b). Le capteur supérieur comprend une première électrode 208-a solidaire de la plaque et une deuxième 15 électrode 210-a solidaire du châssis. Un diélectrique 206-a constitué d'une matière élastique et isolante, comme par exemple du silicone ou du polyuréthane, est situé entre les deux électrodes. Le diélectrique permet d'augmenter la capacité mesurée en augmentant 20 la permittivité du milieu. D'autre part, il constitue une fonction de rappel qui, lorsqu'une force liée à une interaction est appliquée sur la surface, se comprime pour rapprocher les deux électrodes, et qui, lorsque la force disparait, se détend afin de remettre 25 les électrodes dans leur position initiale de repos. De manière similaire, le capteur inférieur comprend une première électrode 208-b solidaire de la plaque et une deuxième électrode 210-b solidaire du châssis, séparées par un diélectrique 206-b. 30 Chaque électrode solidaire de la plaque est mobile sous l'effet d'une pression sur la plaque et de 14 3022365 la déformation du diélectrique. Chaque électrode solidaire du bâti est fixe et constitue une électrode de signal reliée respectivement à une entrée du module de mesure d'effort local 106. 5 Dans une implémentation préférentielle, l'électrode de signal (210-a, 210-b) est constituée d'une plaque de forme cylindrique recouverte de cuivre sur chacune de ses faces. Une première face est reliée à un composant de conversion du module de mesure 10 d'effort local 106. Le composant de conversion permet de convertir numériquement la capacité mesurée aux bornes du capteur. La seconde face de l'électrode de signal est reliée à un blindage pour éviter un éventuel parasitage. Dans les cas où le châssis est 15 métallique, une seconde plaque de forme rectangulaire creusée permet d'isoler le blindage du châssis métallique afin d'éviter les courts-circuits et faire passer le fil blindé reliant l'ensemble des modules de mesure d'effort local au module de localisation 108. 20 D'autres procédés de mesure de la capacité permettant une mesure entre deux signaux différents de la masse peuvent être appliqués. Dans une implémentation préférentielle, l'électrode mobile est constituée d'une plaque d'époxy 25 reliée à la masse et collée à la surface 202 par un film adhésif qui peut être de l'ordre de 0,1 mm d'épaisseur. Pour les surfaces de grande taille, la rigidité de la plaque est importante et peut entrainer un angle de déviation de l'électrode de masse qui 30 détériore la mesure. De façon optionnelle, une couche très souple comme de la mousse peut être insérée entre 15 3022365 la surface 202 et l'armature centrale (208-a, 208-b) pour compenser l'angle de déviation lorsque la plaque se déforme. 5 Dans une implémentation particulière, la surface est une glace de 90 cm de longueur, de 3 mm d'épaisseur, équipée de six capteurs fourches dont les électrodes ont une aire d'environ 1cm2. L'électrode de signal a une épaisseur de 1,6mm, l'électrode de masse 10 a une épaisseur de 0,4mm, et le diélectrique inséré entre les deux électrodes est une mousse en polyéthylène de 0.8mm d'épaisseur. Pris isolément, chaque capteur est un capteur 15 capacitif plan dont la capacité mesurée est celle d'un condensateur plan qui s'exprime selon l'équation (1) suivante : A C = Ea -ci (1) 20 OÙ Ea représente la permittivité du diélectrique, A la surface des électrodes et d la distance entre les deux électrodes. En notant Co la capacité initiale mesurée et d =do la distance entre les deux électrodes 25 lorsqu'aucune force n'est appliquée sur la surface, et en définissantAC = C -0O3 on montre alors que : AC = do_d - Co d (2) 30 et en posant d =x.do tel que° REVENDICATIONS1 Un procédé pour localiser une interaction sur une surface équipée d'une pluralité de capteurs positionnés selon des axes (X,Y) à des coordonnées (Xi,Yj), chaque capteur étant apte à fournir une valeur représentative de l'effort mesuré lors d'une interaction, étapes de : (a) calculer pour chaque comprenant les coordonnée Xi, une le procédé valeur représentative d'un effort pour un capteur équivalent, ladite valeur de chaque capteur équivalent correspondant à la somme des valeurs des capteurs positionnés sur la surface à ladite coordonnée Xi; (b) utiliser la valeur de chaque capteur équivalent pour modéliser selon un critère de coût la répartition des efforts sur une pluralité de positions discrètes 'Li' de l'axe X, la pluralité de positions discrètes étant prédéfinies; et (c) déterminer la position discrète 'Li' ayant le coût minimum, représentant la position la plus proche de l'interaction sur l'axe X. 2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel les étapes (a) et (b) sont aussi appliquées pour chaque coordonnée Yj de l'axe Y et pour une pluralité de positions discrètes 'Lb' et lequel l'étape (c) détermine la position discrète 'Lb' la plus proche de l'interaction sur l'axe Y. 28 3022365 3. Le procédé selon la revendication 1 ou 2 comprenant après l'étape de calcul (a), une étape de normaliser les valeurs de chaque capteur 5 équivalent par rapport à des valeurs de modèles de capteurs de référence. 4. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel l'étape (b) de 10 modélisation comprend les étapes de: - calculer pour chaque position discrète 'Li' un coût de position individuel de chaque capteur équivalent; et - calculer pour chaque position discrète 'Li', 15 un coût de position général de capteur équivalent en fonction de la pluralité des coûts de position individuels. 5. Le procédé selon la revendication 4 dans lequel 20 l'étape de calcul de coût individuel consiste à calculer la valeur au carré de l'écart entre la valeur normalisée du capteur équivalent et une valeur normalisée que ledit capteur équivalent mesurerait à ladite position discrète 'Li'. 25 6. Le procédé selon la revendication 5 comprenant une étape préliminaire de calibration permettant de définir la valeur normalisée. 30 7. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant de plus après l'étape (c) une étape de filtrage des positions 29 3022365 déterminées. 8. Le procédé selon la revendication 7 dans lequel le filtrage est fait avec un filtre passe bas. 5 9. Le procédé selon la revendication 8 dans lequel la fréquence du filtre est définie selon des seuils réglables. 10 10. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 comprenant de plus avant l'étape (a), une étape de détermination d'une interaction sur la surface. 15 11. Le procédé selon la revendication 10 dans lequel l'étape de détermination d'une interaction consiste à mesurer un poids exercé sur la surface et à déterminer si le poids mesuré est supérieur à une valeur seuil. 20 12. Le procédé selon la revendication 11 dans lequel une valeur de biais statique est retranchée de la mesure du poids exercé. 25 13. Un produit programme d'ordinateur, ledit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code permettant d'effectuer tout ou partie des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, lorsque ledit programme est 30 exécuté sur un ordinateur. 14. Un dispositif pour localiser une interaction sur une surface équipée d'une pluralité de capteurs positionnés selon des axes (X,Y) à des 30 3022365 coordonnées (Xi,Yi), chaque capteur étant apte à fournir une valeur représentative de l'effort mesuré lors d'une interaction, le dispositif comprenant des moyens pour mettre en oeuvre les 5 étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12. 15. Le dispositif selon la revendication 14 dans lequel la surface est encastrée dans un bâti fixe et 10 la pluralité des capteurs comprend des capteurs placés entre la surface et le bâti. 16. Le dispositif selon la revendication 14 ou 15 dans lequel la pluralité des capteurs comprend des 15 capteurs capacitifs plans positionnés sous ladite surface. 17. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 14 à 16 dans lequel la pluralité des 20 capteurs comprend des capteurs capacitifs fourches, chaque capteur capacitif fourche comprenant deux capteurs capacitifs plans assemblés en un dispositif capacitif unitaire et positionnés respectivement en regard sur et sous ladite surface. 25