Разработка и исследование математической и программной моделей вычислительной системы сенсорного устройства ввода информации
Authors: Козин А.В. , Фрейман В.И. 
Published: February 2025

В статье рассмотрена реализация сенсорного устройства, предназначенного для работы в агрессивных условиях. Это является актуальной задачей вследствие необходимости применения надёжных и защищённых средств ввода информации в управляющих и вычислительных системах различного назначения. Для локализации места касания предложен оригинальный физический принцип действия устройства, основанный на использовании акустических волн, создаваемых при контакте с панелью. Разработаны аналитическая и численная модели вычислительной системы сенсорного устройства, проведено их исследование. Для решения систем нелинейных уравнений использованы численные методы (нелинейный системный решатель, метод Гивенса и метод Ньютона), оценена их точность и вычислительная сложность, что важно для последующей практической реализации. Исследовано влияние расположения микрофонов на панели, задания начальных характеристик и изменение геометрии панели на точность определения места касания. Предложенные аналитические и программные модели позволили обеспечить точность принятия решения не менее 99 %, а также дать практические рекомендации по конструктивным параметрам устройства и программным настройкам его вычислительной системы.

Introduction. Touchscreens and panels are integral to modern life, actively replacing various push-button, lever, and rotary control devices. However, existing touchscreen solutions are often unsuitable due to their fragility, lack of waterproofing, or vulnerability to vandalism. This study proposes a new information input device system designed to be resistant to harsh conditions. The aim is to develop and research mathematical and software models for accurately positioning the touch point. Research objectives: 1) Develop a mathematical model for touch point positioning; 2) Develop a software model for touch point positioning; 3) Develop an experimental model of a computing system for a sensory input device. The proposed system operates by registering acoustic waves generated by tangential contact with the panel. When a touch occurs, a sound wave propagates across the surface, and several microphones can register this wave. The obtained data is then used to localize the touch point. Results. The study demonstrates the limitations of using an analytical model and proposes a numerical model instead. Modeling was carried out in the SciLab 2023.1.0 software environment, and a mathematical program for a microcontroller was written in C. Conclusion. The best arrangement of microphones was found to be at the corners of the panel, with the optimal initial approximation for calculating unknowns set to the average possible value or zero. Experimental simulations confirmed these findings, showing that the placement of microphones and the initial approximation, except when set to zero, matched the simulation results and proved more accurate. Additionally, a square shape was determined to be the best for the touchpad. Practical significance. The results of this study will be integrated into the microcontroller of the touch panel. This integration is crucial for further investigations into the localization of sound waves on the surface of solid bodies under conditions of multiple touches and potential external influences.