Touch Localization by Estimating the Direction of Arrivals of Plate Edge Reflections

Abstract

Dette prosjektet utforsker muligheten for berøringslokalisering ved bruk av metoder for estimering av ankomstvinkler (direction-of-arrival (DOA)) på Lamb-bølger som reflekteres fra kantene på en plate. Det foreslås en trigonometrisk metode for berøringslokaliseringen ved å utnytte de tre første ankomstene av bølger til et uniformt lineært array (uniform linear array (ULA)) av akselerometere plassert i et hjørne av platen. Ved å sammenligne mottatte signaler i arrayet med forventede ankomsttider for bølgene, ser vi at de fire første ankomstene av bølger kan skilles fra resten av refleksjonene når signalkilden befinner seg omtrent midt på platen.

For å oppnå bedre forståelse av signalet generert av en fingerberøring, undersøker vi egenskapene til et berøringssignal i en homogen Teflonplate med dimensjonene 1000 x 700 x 10 mm, og ser at det er betydelig demping av bølgen spesielt over 15 kHz. Fra undersøkelsen ser vi at en betydelig mengde bredbåndet energi er tilstede i en sveipende berøring, og at når fingeren forlater overflaten sendes en svak men detekterbar puls gjennom platen.

Vi vurderer fire metoder for DOA-estimering: MUSIC, Root-MUSIC, ESPRIT og Root-WSF, hvor vi foreslår at Root-WSF er den best egnede for problemet. For å evaluere disse metodene og den foreslåtte berøringslokaliseringsmetoden, bruker vi signaler som er hentet fra COMSOL Multiphysics-simuleringer og virkelige målinger. De viktigste funnene fra simuleringene er at 1) disse metodene har problemer med å estimere DOA for bølgen som reflekteres fra begge kantene i hjørnet hvor arrayet befinner seg slik at høyere nøyaktighet oppnås ved bare å estimere tre DOA-er, og 2) Root-WSF synes å være den mest nøyaktige og robuste metoden for disse signalene, da den er i stand til å estimere alle de tre vinklene med en feil på mindre enn 0.5 grader, noe som resulterer i en berøringslokalisering med en feil på 0.8 cm.

Målingene som ble utført hadde begrenset utstyr og konstruksjonsnøyaktighet, og resultatene er derfor ikke veldig konkluderende. Imidlertid ser vi indikasjoner på at bare to DOA-er blir funnet av estimeringsmetodene, noe som antyder at bølgen som passerer gjennom arrayet før refleksjonen er for dempet eller forvrengt. Fra de estimerte berøringsstedene ser vi at den trigonometriske metoden for berøringslokalisering ikke er veldig robust med tanke på feil i de estimerte DOA-ene. Selv om Root-WSF igjen er i stand til å lokalisere en kilde i midten av platen med en feil på 0.8 cm ved hjelp av to DOA-er med feil under 1 grader, finner vi ikke like lovende resultater for andre testede kildeplasseringer.

This project explores the feasibility of touch localization using direction of arrival (DOA) estimation methods on Lamb waves reflected from plate edges. A trigonometric touch localization method is proposed for the feasibility study, utilizing the first three wave arrivals at a uniform linear array (ULA) of accelerometers located in one corner of the plate. By comparing the received signals at the array with the expected arrival times of the waves, we see that the first four-wave arrivals can be separated from the rest of the reflections when the signal source is located approximately in the middle of the plate.

To gain a better understanding of the signal generated by a finger touch, we inspect the characteristics of a touch signal in a homogeneous 1000 x 700 x 10 mm Teflon plate and find that there is significant attenuation of the wave significantly above 15 kHz. We find that a notable amount of wideband energy is contained in a touch swipe, and the release tension of the finger is enough to send a detectable pulse through the plate.

We consider four DOA estimation methods: MUSIC, Root-MUSIC, ESPRIT and Root-WSF, of which we propose Root-WSF to be the best suited for the problem. We use signals obtained from COMSOL Multiphysics simulations and real measurements to evaluate these methods and the proposed touch localization approach. The key findings from the simulations are that 1) these methods have problems estimating the DOA of the wave reflecting from both edges in the corner of which the array is located so that higher accuracy is achieved by only estimating three DOAs, and 2) Root-WSF seems to be the most accurate and robust method for these signals, being able to estimate all these three angles to below 0.5 degrees error yielding a touch localization error of 0.8 cm.

The measurements performed are very limited in equipment and construction accuracy, and the results could be more conclusive. However, we see indications that only two DOAs are found by the estimation methods. This suggests that the wave passing through the array before reflecting back is too attenuated or distorted. From the estimated touch locations, we see that the trigonometric touch localization method is not very robust with regards to errors in the estimated DOAs. Although Root-WSF is again able to locate a source in the middle of the plate within 0.8 cm using two DOAs at errors below 1 degrees, this accuracy does not follow for other tested source locations.