Сейчас сенсорные устройства активно применяют в промышленности, медицине, оборонной отрасли и бытовой электронике. Это функциональный и удобный способ ввода информации. Однако при эксплуатации сенсорных экранов в агрессивных условиях, например, на машиностроительном производстве, в сельскохозяйственной или железнодорожной технике, на них воздействуют высокие температуры, влажность, пыль и механические нагрузки, из-за чего они работают некорректно. Поэтому в современных реалиях, помимо новых конструкций сенсорных устройств, необходимы инновационные подходы к проектированию «мозгов» прибора – их вычислительных систем. Ученые Пермского Политеха разработали эффективный метод создания вычислительной системы сенсорного устройства, который использует звуковую волну для определения места касания. Реализация подхода повысит надежность, скорость реакции и точность прибора даже в сложных условиях эксплуатации.

Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления», № 4, 2024.

Основной процесс сенсорных устройств заключается в определении точки касания экрана, так, например, работают наши смартфоны. Но если использовать аналогичные технологии в тяжелых промышленных условиях – на производствах, в химических лабораториях, в сельском хозяйстве, в управление различной техникой, то на них воздействуют различные погодные условия, химикаты, температура, влажность и пыль. Эти факторы приводят к сбоям сенсорного оборудования и его некорректной работе.

Поэтому для их эксплуатации в подобных средах требуется создание инновационных алгоритмов и моделей идентификации точки касания экрана, которые обеспечили бы заданную точность локализации и высокое быстродействие приборов.

Ученые Пермского Политеха работают над созданием такого устройства, которое для определения места касания фиксирует звуковые волны, распространяющиеся по поверхности сенсорного экрана. Вычислительная система – это одна из важнейших частей его качественного функционирования. Политехники предлагают эффективный метод ее разработки, который позволит всему прибору надежно работать в различных агрессивных средах.

Подобные акустические устройства, которые работают на фиксации звука от касания, не обеспечивают нужную точность в определении точки нажатия. Ее либо недостаточно, либо система слишком чувствительна, что приводит к ложным срабатываниям и ошибкам в идентификации координат точки касания.

– Этапы создания нашей вычислительной системы включают в себя анализ условий, в которых будет эксплуатироваться сенсорный экран (помещение, открытый воздух, море, пустыня), а также допустимый размер устройства, необходимую точность и скорость работы. Уже на основе этой информации подбираются подходящие материалы, не поглощающие звуковые волны, и рассчитывается скорость звука в них, – поделился Алексей Козин, аспирант, ассистент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, основной разработчик сенсорного устройства и его вычислительной системы.

При моделировании экрана политехники выявили наилучшее расположение устройств, регистрирующих звук. Если поместить их в неактивной части сенсора (по краям), точность локализации места касания достигает 100%.

Метод, предлагаемый учеными, при разработке вычислительной системы позволяет учитывать все необходимые параметры – габариты, материал экрана, точность локализации касания, скорость отклика и чувствительность.

– Мы используем комплексный подход, который включает разработку математической модели функционирования сенсорного устройства, создание способа локализации места касания, компьютерное моделирование, программную реализацию для управляющего микроконтроллера и проведение экспериментов на опытном образце, – рассказывает Владимир Фрейман, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, доктор технических наук, научный руководитель проекта.

Разработанный учеными ПНИПУ метод может быть эффективно применен для создания вычислительных систем акустических сенсорных устройств широкого спектра назначения. Его реализация позволяет повысить надежность, быстродействие и точность локализации сенсора в сложных условиях эксплуатации. Разработка может быть востребована на промышленных предприятиях, в частности, в ее апробации заинтересовано ПАО «ПНППК».