Обычные пульты управления с кнопками плохо работают в агрессивной среде, пыль и влага проникают в щели. При этом кнопки часто ломаются. Сенсорные экраны стали основным интерфейсом ввода информации для мобильных телефонов, планшетов, ПК общего назначения и терминалов. Однако, как правило, они сделаны из хрупких материалов и имеют много ограничений (должны быть плоскими и однородными). Из-за этого устройства становятся менее универсальными и надежными. Было бы удобно иметь сенсорный экран из прочного металла или пластика. Ученые Пермского политеха разработали новый сенсорный экран, который определяет точку касания по звуку. По поверхности распространяются звуковые волны, и по времени распространения волны можно точно определить место касания. Поверхность при этом может быть любой формы и размера, сделана из любого материала, а кнопки – просто нарисованы. Система долговечная, вандалоустойчивая и точная.

Исследование опубликовано в журнале «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, система управления», №46, 2023 год. Исследование выполнено при поддержке гранта «Умник-ИИ 2021».

– При касании пользователем экрана образуется ударная волна, которая распространяется по сенсорной панели. Микрофоны, расположенные в ее внутренней части, регистрируют звуковые колебания, на разные микрофоны звук приходит в свое время. Далее их показания передаются в микроконтроллер и там обрабатываются – рассчитываются относительная временная задержка и сила сигнала, по которым можно вычислить расстояние и место касания пользователя, – объясняет ассистент кафедры «Автоматика и телемеханика» Пермского Политеха Алексей Козин.

В ходе исследования ученые смоделировали сенсорное акустическое устройство. Математическая модель определяет распространение звука в твердых телах и его локализацию с учетом временной задержки и громкости.

Политехники создали модель в программном комплексе в виде полой металлической конструкции (20 см в ширину, 30 см в длину, 10 см в высоту), к внутренней части стенок прикреплены три микрофона. При моделировании ученые использовали безэховую среду и одиночное касание по центру. Были определены силы сигнала и пиковое значение волн.

Чтобы проверить возможность реализации системы на практике, ученые провели эксперимент, для которого использовали алюминиевую коробку. Координаты микрофонов и касания полностью соответствуют модели, примерная длительность касания 85 мс, а его пиковое значение происходило в момент времени 900 мкс. В результате первым звуковую волну зарегистрировал микрофон №3 (ближайший к касанию), а микрофон №1 – последним. Временная задержка между третьим и вторым микрофоном 109,4, а между третьим и первым – 201,6.

– Акустический сенсор получается очень дешевым и позволяет делать экран из любого материала – из куска металла и даже из деревянной доски. Испытания на вибростенде показали высокую помехоустойчивость нашего сенсора. Прямо сейчас мы со своим проектом прошли в финал конкурса-акселератора инновационных проектов «Большая разведка», в рамках которого нам предложили сотрудничество с несколькими предприятиями, занимающихся производством пультов управления. Оказалось, что наиболее востребовано использование нашего сенсорного экрана в шахтном оборудовании, где большая запыленность воздуха приводит к очень быстрому износу устройств, – рассказывает аспирант кафедры «Информационные технологии и автоматизированные системы» ПНИПУ Анна Якубчик.

Полученные результаты эксперимента соответствуют всем расчетным и компьютерным значениям. Разработанная учеными система позволяет точно определять место контакта пользователя с сенсорным экраном через звуковые волны, следующие после касания. Технология долговечная, вандалоустойчивая и не подвержена изменениям погодных условий. Поэтому ее использование на сенсорных устройствах в уличной и неблагоприятной среде эффективно и перспективно.

Поддержать редакцию