Bitte nicht berühren Vom kapazitiven 1D-Touchelement zur 3D-Gestensteuerung

Redakteur: Margit Kuther

Touchelemente lösten vor Jahren Knöpfe, Taster und Schieber ab. Die Gestensteuerung läutet jetzt eine weitere neue Ära ein.

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Gestensteuerung: Sie löst Touch-Steuerungen ab
Gestensteuerung: Sie löst Touch-Steuerungen ab
(Bild: Microchip / Rutronik)

Touch hat vor wenigen Jahren die Eingabe revolutioniert: mechanische Knöpfe, Taster und Schieber konnten durch unbewegliche Kunststoff- oder Metall-Flächen ersetzt werden. So ließ sich das Bedienfeld im Gerät integrieren, unauffällige und moderne Designs zogen zunehmend auch in Fabrikhallen ein.

Von der 1D-Touch-Eingabe zur 3D-Eingabe

Die Technologie des kapazitiven Berührens basiert auf einem Kondensator, wobei der menschliche Finger die Funktion einer Armatur des Kondensators übernimmt. Ausgeklügelte Designs ermöglichen auch die Realisierung von Näherungsschaltern. Dabei ist die Steuerung lediglich kurz vor dem Betätigen aktiv, was den Energieverbrauch reduziert. Heute nennt man das „1D“-Eingabe.

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Bald darauf kam Multi-Touch mittels der Projektiv-Touch- oder Resistive-Touch-Technologie. Dabei berührt der Bediener den Touchscreen, der vor dem Bildschirm angebracht ist. Touchscreen-Controller errechnen die Koordinaten der Berührpunkte und senden die Information zur Weiterverarbeitung. So funktioniert eine „2D“-Eingabe-Technologie.

Aktuell ist 3D-Touch, die Gestensteuerung

Jetzt kommt „3D“: die Gestensteuerung. „Sie wird von unseren Kunden schon häufig nachgefragt“, berichtet Ileana Keges, Product Sales Manager Microcontroller bei Rutronik Elektronische Bauelemente. „Gegenüber den Touch-Technologien hat sie auch einige Vorteile aufzuweisen: Empfindliche Oberflächen werden geschont, sterile Oberflächen bleiben steril. Für die Bedienung von Maschinen, bei denen Öl oder ätzende Flüssigkeiten auslaufen könnten, werden Handschuhe überflüssig.

Nahfeld-3D-Tracking- und Gesten-Controller

Microchip hat hierfür eine Lösung entwickelt, die wir sehr gerne empfehlen: den GesticIC MGC3130.“ Dieser Nahfeld-3D-Tracking- und Gesten-Controller basiert auf der patentierten GestIC-Technologie von Microchip, die eine hochempfindliche Erkennung ohne blinde Flecken mit einer Reichweite von bis zu 15 cm ermöglicht. Das Eingabefeld wird von einem Elektrodenfeld, dem E-Feld-Sensor, gebildet, ausgewertet werden die Signale vom Mikrocontroller MGC3130.

Die Sensoroberfläche besteht aus mindestens vier Elektroden, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Hier wird ein elektrisches Feld von 3V und max. 100kHz aufgebaut, das sich gleichmäßig verteilt. Treten Änderung im Feld auf, die durch Handbewegungen verursacht werden, detektiert der Sensor diese winzigen Signalabweichungen. Der MGC3130 verarbeitet die Ergebnisse in Echtzeit dank 32-bit-Digitalsignalverarbeitung. Die vier Elektroden können die Bewegung in X-, Y- und Z-Richtung erfassen. Daraus errechnet der MGC3130 Handbewegungen. „Das können nicht nur einfache Bewegung sein, wie z.B. auf und ab, rechts und links, sondern auch kreisförmige und sogar symbolische Gesten, insgesamt acht unterschiedliche Gesten“, erklärt Ileana Keges.

Keine Falscheingaben durch Licht und Schall

So kann der Bediener zum Beispiel durch Drehen eines imaginären Knopfes ein Ventil steuern oder mit einer Auf- und Ab-Bewegung eine Füllmenge erhöhen oder reduzieren, eine Anwendung starten, Klicken, Zoomen oder Scrollen. Der Abstand von maximal 15 cm sorgt dafür, dass nur die beabsichtigen Gesten des Bedieners verarbeitet werden. „Weil für die Gestenerkennung mit dieser Technologie ein leitfähiges Objekt die elektrischen Felder ändern muss, sind „Falscheingaben“ durch Licht oder Schall ausgeschlossen“, ergänzt Keges. Eine automatische Selbstkalibrierung macht das System störsicher und sorgt für gleichbleibende Genauigkeit über die gesamte Produktlebenszeit.

Einfacher Umstieg von 1D-Touch auf 2D- oder 3D-Gesteneingabe

Die Elektroden können mit allen festen, leitfähigen Materialien realisiert werden, z.B. Platinen, Leiterplatten oder leitfähigen Folien. „Damit ist die GestIC-Technologie von Microchip eine sehr kostengünstige Lösung“, so Ileana Keges. Dünne Materialen erlauben, die Lösung unsichtbar hinter einem Gehäuse zu integrieren ohne das Gesamtdesign zu beeinflussen. Der Sensor kann hinter nichtleitfähigen Materialien, z.B. 1 cm dickem Glas, Kunststoff oder Keramik, verbaut werden.

Die Fläche des Sensors misst min. 25 cm x 5 cm und max.140 cm x140 cm. So lässt er sich bestehenden Applikationen anpassen und ermöglicht den einfachen Umstieg von 1D oder 2D auf 3D. „Diese verschiedenen Technologien lassen sich auch kombinieren, wenn die Elektroden als Rahmen um ein Display gebaut werden und dieser auch als Touchfläche benutzt wird. Eine praktische Anwendung dafür ist ein Steuerungspanel mit Display und Tasten“, führt Ileana Keges aus.

Energiesparende Self-wake-up-Funktionen

Die Leistungsaufnahme im aktiven Erkennungsmodus und Dauerbetrieb beträgt lediglich 150µW. Darüber hinaus ist der MGC3130 mit einigen stromsparenden Eigenschaften ausgestattet. Die „Approach-detection“ ermöglicht einen Näherungsschalter. Durch „Self-wake-up from sleep“ bleibt der Chip im Self-wake-up Modus bis die Näherungserkennung eine Bewegung des Anwenders erkennt. Dann geht das System sofort automatisch in den Vollsensormodus über. Verlässt die Hand den Erkennungsbereich, schaltet es wieder auf den stromsparenden Modus zurück.

Sorgfalt ist beim Elektrodendesign des Sensors gefordert

„Das Elektrodendesign des Sensors erfordert eine gewisse Sorgfalt, da sonst die Gesten nicht deutlich erkannt werden. Um Entwicklern dies zu erleichtern, bietet Microchip das Hillstar Development Kit als Referenz an“, erklärt Ileana Keges. Das Hillstar Kit beinhaltet die GestIC Technologie und die Colibri Suite. Über letztere erfolgt die kundenspezifische Parametrisierung. Sie stellt am Digitalausgang des MCG3130 hochauflösende X/Y/Z Handpositions-Verfolgungsdaten wie Streich-, Kreis- und Symbolgesten zur Verfügung.

Lösungen auch für Handschuhträger

Für den Einstieg bietet Microchip einige Demo-Kits, wie beispielsweise eine Lichtsteuerung. Der MGC3130 steuert im Standalone-Modus einen Balken aus LEDs durch Handbewegung, die einzelnen LEDs lassen sich damit nacheinander ein- oder ausschalten. Durch Kreisen der Hand wird die Lichtstärke reguliert. Möglich macht dies die umfangreiche GUI-Software „Aurea“. Sie erlaubt nicht nur das Einstellen der Parameter des MGC3130, sondern vereinfacht auch deren Aktualisieren und Speichern. „Kunden, denen wir das System bereits vorgeführt haben, waren begeistert. Vor allem für Anwendungen, bei denen die Maschinenbediener Handschuhe tragen, sei es in der Medizin oder in Fertigungsabläufen, ist es die ideale Lösung“, beschreibt Keges.

Optische Gestensteuerungslösungen von Vishay und Osram

Neben der GestIC-Technologie von Microchip bietet Rutronik auch Lösungen zur Gestensteuerung von Vishay und Osram. „Sie lassen sich allerdings nicht vergleichen, da diese auf einem ganz anderen Prinzip basieren“, erläutert Ileana Keges. Vishay und Osram setzen auf eine optische Lösung. So basiert das Näherungssensor-/Gestensteuerungsboard von Vishay auf dessen VCNL4020-Näherungs- und Umgebungslichtsensor.

Mit einer Strahlungsstärke von typ. 80mW/sr bei 200mA ermöglicht es die Erkennung einer Handbewegung bis zu 15 cm über dem Sensorboard. Die Bewegung wird erkannt, indem die Infrarotsignale jedes Senders verglichen werden. Wird das ausgesendete Infrarotlicht von einem Objekt, z.B. einer Hand, reflektiert, erfasst der VCNL4020-Näherungssensor die Reflektion.

Um zwischen den Signalen der verschiedenen Sender zu unterscheiden, sind diese gemultiplext, d.h. sie sind in schneller Abfolge nacheinander getaktet. Das Näherungssignal wird zwischen den Impulsen über die I2C-Schnittstelle ausgelesen. Wenn sich eine Hand in der Nähe des Boards befindet, wirft sie ein größeres Signal von dem Sender zurück, über dem sie sich befindet. Bewegt sie sich über das Board, steigen entsprechend die Signale der anderen Sender. Diese Zeitdifferenz in der Signalstärke lässt sich nun analysieren, um eine Bewegung und deren Richtung zu erkennen.

Die GestIC-Technologie im Vergleich zur optischen Lösung

Die GestIC-Technologie von Microchip ist eine Einheit, bestehend aus der Sensor-Oberfläche und dem MGC3130 Gestic IC. Die maximale Abstand zur Erkennung einer Geste ist 15cm. Im Vergleich benötigt die optische Lösung zusätzlich einen Mikrocontroller zur Auswertung der ausgehenden Signale über die I2C-Schnittstelle.

Ein Vorteil der optischen Lösung ist die grössere Entfernung (25 cm), bis zu der die Erkennung der Handbewegung möglich ist. „Weil Gesten die natürlichste Bewegung sind, wird sich die 3D-Steuerung in vielen weiteren Szenarien durchsetzen, vom heimischen Wohnzimmer und dem Auto bis hin zu Pflege-, Altenheimen, Krankenhäusern und vielen mehr“, fasst Ileana Keges zusammen.

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