Сенсорные экраны смартфонов, планшетов, терминалов давно стали частью нашей повседневной жизни. Этим их применение не ограничивается, они используются даже на нефтяных и химических производствах, в шахтах и космических кораблях. Однако в таких неблагоприятных условиях их работа затруднена, поскольку они плохо переносят вибрации, влагу, пыль и повреждения: экран начинает хуже реагировать на касание, что затрудняет использование устройства. Ученые из Пермского Политеха нашли способ, как улучшить работу сенсорных устройств даже в агрессивных средах.

Статьи опубликованы в журнале «Вестник ПГТУ. Радиотехнические и инфокоммуникационные системы», 2024, № 2(62) и сборнике трудов международной научно-практической конференции  «Современное программирование», (Нижневартовск, 2024). Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

В современном мире сенсорные экраны превратились в универсальный инструмент управления для самых разных устройств – мобильных телефонов, планшетов, компьютеров и терминалов. Постепенно вытесняя традиционные средства ввода данных, такие как клавиатуры и мыши, сенсорные технологии находят все более широкое применение не только в повседневной жизни, но и в профессиональной деятельности. Их сфера использования огромна: от забоев угольных шахт, химических производств, нефтяных баз, сталелитейных цехов и морских кораблей до информационных терминалов под открытым небом, медицинского оборудования и космических кораблей.

При попадании влаги, пыли, из-за механических повреждений и вибраций экраны часто начинают работать некорректно, что мешает пользоваться устройством – например, когда под дождем телефон начинает хуже реагировать на касания, только в промышленных масштабах такие неблагоприятные условия возникают намного чаще.

Существуют разные технологии функционирования таких экранов. В устройствах, которые работают в агрессивных средах (например, открытое море, пустыня или терминалы быстрой оплаты, размещенные на улице) используют в основном резистивные или емкостные технологии: первые работают от любого нажатия (палец, перчатка, ручка), вторые – только от пальца. Но зачастую они либо являются дорогими, либо недостаточно надежными.

Ранее учеными Пермского Политеха был предложен сенсорный экран, основанный на регистрации звуковых волн, которые возникают при соприкосновении с панелью. Когда пользователь нажимает на панель, звук распространяется по материалу и улавливается микрофонами, расположенными на поверхности. Зная его скорость и время прихода сигнала к каждому акустическому датчику, можно точно вычислить координаты касания. Но это сложная задача.

Существующие методы локализации звука в пространстве не всегда удобны: одни требуют слишком много микрофонов, другим нужны специальные датчики из особых материалов. При этом большинство решений обеспечивает четкое определение положения с точностью до одного метра, тогда как для корректной работы сенсорных экранов необходимы значения в миллиметрах.

Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая поможет определять место нажатия с высокой эффективностью. Она преобразует данные, зарегистрированные микрофонами, в координаты точки касания.

– Система определяет место в масштабе миллиметра, что важно для устройств разного спектра назначения. Технология устойчива к механическим воздействиям, пыли и влаге, так как не зависит от дополнительных элементов, которые легко выходят из строя. Для работы достаточно всего трех микрофонов, что снижает стоимость устройства – поясняет Алексей Козин, аспирант, ассистент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.

Численную модель проверили двумя способами: в среде моделирования SciLab, а также в программе, которую ученые написали специально для этой задачи.

– Эксперименты показали, что для достижения наилучших результатов нужно размещать микрофоны как можно дальше от центра – например, в виде треугольника, один из углов которого равен 90°, то есть по углам экрана, если он сам имеет форму прямоугольника. Важной особенностью ее реализации является настройка параметров для вычислений, что обеспечивает близкую к 100% вероятность точного определения места касания, – рассказывает Владимир Фрейман, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, доктор технических наук.

Кроме того, модель позволяет сократить количество вычислений до 2-4 циклов, что делает систему быстродействующей. Ученые также обнаружили, что начальное приближение для расчетов предложенный системы уравнений численными методами лучше всего задавать в центре экрана для достижения точности локализации с погрешностью не более 0,1 мм.

Новые модели открывают перспективы для создания сенсорных устройств, способных работать в экстремальных условиях — от промышленных цехов до открытых пространств. Эта технология будет полезна для использования в робототехнике, промышленности, изделий специального назначения и других областях, где требуется долговечность, высокая надежность и точность.