卡爾曼濾波在電容觸摸屏坐標(biāo)定位中的應(yīng)用

摘要：電容觸摸屏在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲，為了提高觸摸屏坐標(biāo)定位的精確度，在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行定位分析前，首先采用卡爾曼濾波方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)在MATLAB中用定位算法計(jì)算出觸摸屏的坐標(biāo)值，并繪制坐標(biāo)點(diǎn)圖。結(jié)果表明，卡爾曼濾波確實(shí)能夠有效去除噪聲，從而提高觸摸屏坐標(biāo)定位的準(zhǔn)確性，具有很高的實(shí)用性。

引言

　　隨著信息時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)信息的檢索、查詢需求逐漸增多，因此，方便快捷的人機(jī)交互界面不可或缺，而其中首當(dāng)其沖的應(yīng)用技術(shù)便是觸摸屏。觸摸屏作為一種新的智能設(shè)備輸入裝置，其技術(shù)已經(jīng)比較成熟，常見的類型可分為紅外線、表面聲波、電阻式和電容式等^[1-2]。其中電容觸摸屏中使用較廣泛的是投射電容式觸摸屏，其根據(jù)制作、布線工藝和掃描方式不同又分為互電容和自電容。本文描述的是自電容，即分別由X、Y掃描電極與地或人構(gòu)成自電容，掃描時(shí)，一端接地，另一端接激勵(lì)或采樣電路，分別對(duì)M+N個(gè)電極進(jìn)行掃描，檢測(cè)自電容^[3-4]。在自電容的檢測(cè)中，系統(tǒng)噪聲會(huì)干擾到電容的檢測(cè)，因而直接影響到后續(xù)觸摸點(diǎn)坐標(biāo)的確定。為此，針對(duì)主要影響因素——系統(tǒng)噪聲進(jìn)行濾波，還原初始數(shù)據(jù)的有效信號(hào)有利于提高觸摸屏的坐標(biāo)定位準(zhǔn)確度。在眾多的濾波方法中，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和對(duì)比，最終證實(shí)，卡爾曼濾波在還原原始數(shù)據(jù)和算法實(shí)現(xiàn)方面都有較好的優(yōu)勢(shì)。

1 電容觸摸屏坐標(biāo)定位原理和卡爾曼濾波原理

1.1 電容觸摸屏坐標(biāo)定位原理

　　對(duì)于投射式電容觸摸屏的定位來(lái)說(shuō)，自電容是觸摸屏感應(yīng)塊相對(duì)地之間的電容，當(dāng)人體在觸摸屏上施加激勵(lì)信號(hào)時(shí)，就相當(dāng)于一個(gè)接地的導(dǎo)體與感應(yīng)塊之間形成一個(gè)耦合電容^[5-7]。自電容C_s與人體耦合電容C_p成并聯(lián)關(guān)系，因此，總的電容值C=C_s+C_p，具體模型如圖1所示。在觸摸檢測(cè)時(shí)，依次分別檢測(cè)27個(gè)X軸和18個(gè)Y軸電極數(shù)組，根據(jù)觸摸前后所有自電容量的變化值確定手指所在的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)，最后組合成平面的觸摸坐標(biāo)^[8]?？偣残钂呙?em>X+Y次，電容變化的差值在觸摸中心點(diǎn)最大，隨著觸摸區(qū)域的擴(kuò)散電容變化差值逐漸減小，整個(gè)區(qū)域電容值的變化整體上類似正態(tài)分布。

1.2 卡爾曼濾波原理

　　卡爾曼濾波是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。能有效地從一組有限的包含噪聲的數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)出物體的坐標(biāo)位置。

　　卡爾曼濾波主要是通過(guò)如下五個(gè)核心公式迭代得出某一時(shí)刻最優(yōu)估計(jì)^[9]：

　　上述方程組中，X(k+1|K)是上一狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果， X(k)是上一狀態(tài)的最優(yōu)結(jié)果，P(k+1|K)是X(k+1|K)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差，P(k)是X(k)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差。W(k)和V(k)分別是過(guò)程噪聲和觀測(cè)噪聲，兩者一般均視為高斯白噪聲。Q、R為W(k)、V(k)相應(yīng)的協(xié)方差，Kg為卡爾曼增益。狀態(tài)估計(jì)是卡爾曼濾波的重要部分，一般情況下，受噪聲干擾的隨機(jī)狀態(tài)量很難精確測(cè)得，但可進(jìn)行一系列觀測(cè)，并依據(jù)一組觀測(cè)值按某種統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)，以盡可能接近真實(shí)值。

2 電容參數(shù)值的測(cè)量和觸摸區(qū)域的確定

2.1 電容參數(shù)值的測(cè)量

　　在觸碰未發(fā)生前，觸摸屏每個(gè)通道都有一個(gè)可直接測(cè)得的基準(zhǔn)電容Crefi，該值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，且每個(gè)通道的值不盡相同，如圖2所示，每個(gè)條形代表一個(gè)通道。同時(shí)，需要為未觸碰前的每個(gè)通道的電容值設(shè)置一個(gè)閾值，表示基準(zhǔn)電容值的最高波動(dòng)范圍。每個(gè)通道閾值因基準(zhǔn)值不同而不同，與基準(zhǔn)電容值的關(guān)系定義如下：

(6)

T_Value_i表示第i個(gè)通道的電容閾值。

　　觸碰后，中心觸摸區(qū)域的電容值會(huì)快速發(fā)生較大的變化，邊緣觸摸區(qū)域有細(xì)微的變化，而未觸摸的區(qū)域電容值未變。此時(shí)，根據(jù)測(cè)得的實(shí)時(shí)電容C_i，可以計(jì)算出電容變化差值。

　　以上是觸摸前后X通道各種電容值的測(cè)量方法，Y通道的電容值測(cè)量方式與X通道一樣。

2.2 電容觸摸屏觸摸區(qū)域的確定

　　當(dāng)觸摸發(fā)生時(shí)，為確定發(fā)生觸摸的區(qū)域，需對(duì)每個(gè)通道差值電容和閾值電容進(jìn)行比較。當(dāng)存在連續(xù)通道的差值電容值C_diff大于或等于閾值電容T_Value，則將這樣的通道稱為觸摸發(fā)生所覆蓋的中心通道，如圖2括號(hào)區(qū)間所示。這是因?yàn)榭赡艽嬖谒矔r(shí)噪聲脈沖引起的其它某個(gè)通道的差值電容也大于閾值電容，因此，連續(xù)性保證了觸摸中心通道區(qū)域的唯一性，從而排除了瞬時(shí)噪聲的干擾。

　　在觸摸中心通道的左右相鄰區(qū)域會(huì)存在差值電容值C_diff小于閾值電容T_Value的通道，稱為觸摸邊緣通道，如圖2所示。同一方向的觸摸中心通道和觸摸邊緣通道共同組成該方向上的實(shí)際觸摸通道。由X方向的實(shí)際觸摸通道與Y方向的實(shí)際觸摸通道相交的區(qū)間即為觸摸區(qū)域，如圖3所示。其中小圓代表觸摸中心區(qū)域，大圓代表整體觸摸區(qū)域，兩者之間的部分為觸摸邊緣區(qū)域。

3 具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　試驗(yàn)時(shí)，使用27*18規(guī)格的觸摸膜，選取觸摸點(diǎn)經(jīng)硬件電路采集數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集芯片需通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換方式采集模擬信號(hào)，當(dāng)干擾作用于模擬信號(hào)后，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果就會(huì)偏離真實(shí)值，必須多次采樣，才能得到可信度較高的結(jié)果。之后，將硬件電路所采集數(shù)據(jù)作為卡爾曼濾波狀態(tài)方程和觀測(cè)方程的輸入值，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在保證均方根誤差較小的情況下，取得系數(shù)a=1.05，b=1.12。使用上述的卡爾曼核心公式進(jìn)行迭代濾波，MATLAB實(shí)現(xiàn)代碼為：

　　for t=2:count %s count代表通道數(shù)。

　　s(t|t-1)=a*s(t-1);%s(t|t-1)是t-1時(shí)刻的估計(jì)值，s(t-1)是t-1時(shí)刻最優(yōu)估計(jì)。

　　p(t|t-1)=a^2*p(t-1)+Q;%p(t-1)是s(t-1)的協(xié)方差，Q是W噪聲的協(xié)方差。

　　kg(t)=b*p(t|t-1)/(b^2*p(t|t-1)+R);% kg(t)增益，R是V噪聲的協(xié)方差。

　　s(t)=s(t|t-1)+kg(t)*(Y(t)-b*s(t|t-1));%s(t)是t時(shí)刻狀態(tài)最優(yōu)估算值，Y(t)為觀測(cè)數(shù)據(jù)。

　　p(t)=(1-c*kg(t))*p(t|t-1);%p(t)是t時(shí)刻s(t)的協(xié)方差。

　　end

　　經(jīng)過(guò)濾波的數(shù)據(jù)在2.2部分確定的觸摸區(qū)域基礎(chǔ)上，給觸摸中心區(qū)域和觸摸邊緣區(qū)域的通道加上不同的權(quán)重系數(shù)β1和 β2，兩者的關(guān)系為：

β₁+β₂=1，β₁>β₂ (7)

　　為了提高坐標(biāo)定位的準(zhǔn)確度，應(yīng)該加大中心區(qū)域通道的權(quán)重系數(shù)，弱化邊緣區(qū)域的權(quán)重系數(shù)。在使用改進(jìn)的權(quán)重算法求坐標(biāo)時(shí)，將電容變化差值C_diff與該通道權(quán)重系數(shù)的乘積作為通道i的實(shí)際權(quán)重系數(shù)ω_i，ω_i的具體取值為：

(8)

　　定義xj和yj為第j組數(shù)據(jù)的觸摸定位坐標(biāo)。因此，可以寫出如下坐標(biāo)定位公式：

(9)

(10)

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第37頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。