一种抗干扰低功耗的识别装置的制作方法

1.本发明涉及一种抗干扰低功耗的识别装置，尤其适用于棋类或拼图类用具。


背景技术：

2.棋类益智玩具包括儿童和成人玩具，儿童主要是拼图类玩具，成人包括围棋、象棋、国际象棋、军棋、跳棋等。拼图需要智能判断结果是否正确、各种棋类需要记录下棋的步骤，以便复盘研究，此外对于需要裁判的棋类(例如：军棋)还需要取代人提供智能裁判。
3.现有技术中智能判断、记录下棋或提供智能裁判的基础是要识别到棋子或拼图的身份以及在相应棋盘或拼图底盘的位置。常见的识别方式有视觉识别技术，需要设置一个或多个摄像头采集图像进行识别，缺点：成本高、不方便使用、对环境光线有较高要求，不利于保护隐私，对儿童不安全。
4.为了弥补视觉识别技术的上述不足，一些文献也提出了在棋盘表面下方布置适合的电容传感器点阵，在棋子/拼图块上设置导电体/高介电常数物体点阵用于对棋子/拼图块进行编码，通过电容采集的信号识别棋子/拼图块的位置和编码，例如：申请号201410441972.4的中国台湾地区专利申请公开了利用自电容(包括棋子接地和利用人体耦合接地)和互电容以及不同位置的电极相连形成的多个互电容耦合进行编码的技术方案。申请号201410709906.0的日本专利与其类似，但仅公开两个以上互电容耦合的编码方式。申请号202122439080.9的中国实用新型专利用电容屏作为棋盘，也是互电容原理，成本高。申请号202180030853.8的美国专利公开了用电容检测空间图案编码的方法和装置。
5.但迄今为止尚未见此类电容传感器点阵的技术方案的商业化应用。此类技术方案不能商业化应用的主要原因是：第一、共模干扰的问题：环境温度、湿度以及电磁干扰特别是棋盘上的led指示灯的驱动信号等共模干扰信号对电容测量信号有很大的影响，导致现有电容测量方案信号不稳定，误码率较高，因而无法产品化；第二、低功耗问题，为了用户便利性，和轻量化，一方面要求电池重量越小越好，另一方面要求棋盘用电池供电续航时间越长越好，但现有技术方案电容点阵需要按行列交叉点逐点扫描，对于拼图、围棋、军棋等棋子较多棋盘点位较多的棋类，逐行逐列扫描一遍需要的时间较长，能耗也较大，造成很难同时满足用户的电池长续航和轻量化的需求。


技术实现要素：

6.本发明的第一目的是克服现有电容传感棋类编码识别系统易受共模干扰，造成误码率较高而很难量产的问题，第二目的要克服现有电容传感棋类编码识别系统功耗较高，轻量化电池续航时间短的问题。
7.为此，提供一种抗干扰低功耗的识别装置，包括基体、电容数字转换电路(cdc)、处理模块、至少一个识别物；基体设置有使用多个电极排列而成的电极传感器点阵；电容数字转换电路连接各电极，点阵中存在连接至电容数字转换电路的激励端的第一单元，以及配置与第一单元毗邻的第二单元、第三单元，第二单元、第三单元分别连接至电容数字转换电
路的接收端，第一单元、第二单元、第三单元均通过一个或多个联通的电极组成；每个识别物设置有至少一个编码点来形成对应于该识别物的特定编码图样，编码点被配置为包括与识别物本体的介电常数差异大于4-50倍的第一物体；在特定编码图样面对点阵的状态下，每一个编码点部分或全部的位于第一单元和第二单元之间或者第一单元和第三单元之间的检测区域内进而引起互电容变化；电容数字转换电路以第一单元作为公共激励，获取与之相关的第二单元与第三单元之间的差分互电容；处理模块，用于依据差分互电容输出表示识别物的位置和/或编码的第一信号。
8.所述的第一信号，可以是一个或者是离散或连续的更多个数据包，所述数据包携带能够供逻辑处理器直接或间接识别出一个或多个编码点的位置和/或编码的信息，其中该信息可以是未经处理的原始信号或者是通过对原始信号进行加工处理获得的结果数据。
9.本发明通过以第一单元的电极作为公共激励，获取第二单元与第三单元的差分互电容，对于电极周边有电子器件(比如灯的闪烁)或环境等公共影响因素的情况，差分互电容c12＝第二单元的互电容(c1+环境共模干扰)-第三单元的互电容(c2+c环境共模干扰)＝c1-c2，环境因素的干扰基本上可以通过差分的方式进行消除，达到消除共模干扰、减少误码率的目的；同时可将扫描时间减少一半(差分扫描是一次同时扫描两列，换言之一次测量可得到两个图样信息，提高测量效率)降低功耗，延长电池续航时间。本发明的技术尤其适用于棋类或拼图玩具的识别，例如在棋盘表面下方布置适合的差分互电容传感器点阵，在棋子/拼图块上设置编码点点阵用于对棋子/拼图块进行编码，通过差分互电容采集的信号识别棋子/拼图块的位置和编码，其中编码信息用于表征棋子/拼图块的类别或标识。
10.本发明中，上述差分互电容的获取方式可以采用电子差分或硬件差分。其中电子差分方式包括分别测量第二单元的互电容、第三单元的互电容再程序相减，对于公共影响因素变化不是非常快的情况可以适用。硬件差分属于更优选方案，其可以利用电容数字转换电路配置的硬件差分电路同步测量获得差分互电容，硬件差分方案所获取的第二单元的互电容、第三单元的互电容同步，可避免两个互电容不同时间测量所带来的环境变动干扰，获得更高的准确性。
11.作为一种改进方案，可以配置第二单元、第三单元以与之相关的第一单元为轴可以形成对称分布或不对称分布，所述对称是指对称的面积和间距相等。对于对称分布的方案，第一次差分扫描中部分对称编码情况将出现所得的差分互电容值相同，此时可以通过第二次正常扫描第二单元的互电容、第三单元的互电容进行辅助区分；对于不对称分布的方案，使用一次差分扫描即可获得将全部对称编码情况进行区分，达到扫描效率提升的优势，进一步提高测量效率，降低系统功耗。
12.作为另一种改进方案，可以在识别物上设置用于识别方向的标识，在特定编码图样面对点阵的状态下，处理模块基于标识获得表示识别物放置方向的第二信号。其中，第二信号同样可以是一个或多个连续或离散的数据包，其中携带的信息可以是原始信号或处理后的结果信息。所述标识用于给处理模块提供电信号，其中电信号的提供方式可以是多种多样的，如采用触点接触实现导通的方式；或者如采用物理结构如对嵌使得对嵌时按压开关进而触发信号的方式；或者如在特定地点如识别物底面的四角中的其中一者设置编码点而其他三者不设置，通过识别四角上哪个角落存在编码点来判断方位信息；或者如利用识别物底面设置的各个编码点形成不对称性，如更多或更少的倾向或指向某个方位来提供方
位信息等等。其中最为优选地，在所述识别物的编码点中配置有至少一者的介电常数异于其他编码点，以该者作为所述标识。例如，通过使其中一个或多个特殊编码点的面积与其他编码点的面积形成差异，或使其中一个或多个特殊编码点的材质与其他编码点的材质不同，电极传感器点阵通过识别到特殊编码点的位置来获得棋子/拼图等识别物的摆放方位。在此种配置介电常数异于其他编码点的方案中，可以免除设置如对嵌、开关等物理结构，或无需在识别物底面如棋子底面的有限面积中框出特定面积，进而能够扩大识别物底面的编码点可布置面积，达到结构简化、提升编码上限的目的。和/或，采用物理限位结构用于限制识别物只能以第一方向放置在基体上，例如，通过基体上的异形凹槽限制识别物仅能按特定方位嵌入，此种方案中处理模块可以不用接收信号，直接认定识别物为默认方位。
13.作为另一种改进方案，基体与识别物之间设置有在特定编码图样面对点阵时确保编码点对准检测区域的对位结构，为便于实施，对位结构可以被配置为设置在基体和识别物中任意一者上的凸起以及设置在另一者的凹陷，即利用凹凸实现正确电极对位。在另一种方案中，对位结构也可以采用磁吸来实现，通过设置磁铁达到对位目的，其中，磁铁的设置方案可以是磁铁配合以斜面或曲面等引导面的组合方案，也可以是单纯磁铁的方案，如在棋盘的检测区域四周设置至少三个磁铁围绕，通过三个磁铁形成中心吸附力引导棋子上的磁铁往三个磁铁中心吸附进而对位。和/或，识别装置设置有指引结构用于实施使编码点对准检测区域的指引，例如：通过在基体表面画框等指引图案来规定识别物的放置位置，或者是利用指示灯、语音装置在放置偏离时(例如程序识别到编码点存在但因不对准检测区域而无法解析其位置、类别信息时)进行声和/或光的提示达到指引使用者放准的效果。
14.作为另一种改进方案，基体还可以设置用于获取识别物重量的压力识别装置，处理模块与压力识别装置相连，识别物可以利用其本身重量作为其中一个编码信息来参与到底部编码点的编码信息当中，达到扩展编码上限目的，此时处理模块利用压力识别装置输出的压力信号参与到对识别物的编码的识别，例如解析到识别物底部的编码组合后，利用编码组合与压力的组合进一步识别棋子或拼图的身份，达到设置压力识别棋盘、棋子配重编码，或电容配重混合。或者，基于已知材料的材质都有其特定介电常数，在另一种方案中，可以设置以编码点的材质识别作为其中一个编码信息来参与到底部编码点的编码信息当中，例如处理模块基于互电容获取第一物体的介电常数来参与到对识别物的编码的识别，达到扩展编码上限目的；或者，更进一步的，编码点被配置为至少包括第二物体，第二物体与棋子本体的介电常数差异大于2-25倍，与第一物体的介电常数差异大于2-25倍，处理模块基于第一物体与第二物体的介电常数的组合来参与到对识别物的编码的识别。
15.本发明中，识别装置具体为棋类用具或拼图用具，并配置有对应于棋盘棋位或拼图拼接位置设置的灯光装置，和/或识别装置配置有用于人机交互的语音装置，和/或配置有与外部智能设备实施通讯交互的通讯装置，达到不借助电脑、手机等智能设备实现结果判断或实现智能裁判功能、通过棋盘上灯光位置或语音位置提示实现单人人机对弈(可以本地或云端)以及实现实物复盘。
16.本发明中，电极可以是平面电极或曲面电极。第一物体配置为导电体或高介电常数物体。
17.本发明中，还可以设置第一单元共同连接至电容数字转换电路的一激励端，以及设置在点阵的至少一行中，任意相邻两个第一单元之间的存在通过一个或多个联通电极组
成的第四单元，第四单元连接至电容数字转换电路的其他激励端，其中第一单元与第四单元之间至少存在有第二单元或第三单元。通过设置第一单元激励共用，且在相邻两个第一单元之间设置存在不同激励的第四单元，能够达到在确保第二单元、第三单元的互电容均能分辨的前提下，在相同有限面积下有效扩大单个电极的面积，进而取得更好的信噪比以及识别率。上述方案中，可以设置各个第四单元分别使用电容数字转换电路(cdc)的一激励，作为进一步改进方案，优选设置在点阵的相应行中各个第四单元共用cdc的另一激励端，进而，最大化提升单个电极面积的扩大，达到良好信噪比、识别率的效果。
附图说明
18.图1为基体示意图。
19.图2为电容数字转换电路电极连接示意图。
20.图3为识别物示意图。
21.图4为编码点与电极位置示意图。
22.图5为电极对称分布示意图。
23.图6为电极不对称分布示意图。
24.图7为方向识别示意图。
25.图8为物理限位结构与对位结构示意图。
26.图9-1为单端互电容模式下led对电容的影响示意图。
27.图9-2为差分互电容模式下led对电容的影响示意图。
28.图10-1为对称电极对称编码差分互电容测量示意图。
29.图10-2为非对称电极对称编码差分互电容测量示意图。
30.图10-3为对称电极非对称编码差分互电容测量示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
32.如图1所示，本识别装置包含一个基体100，基体100设置有使用多个电极110、120、130、210、220、230等排列而成的电极传感器点阵，其中，为方便标号，以第一行的第1、3、5
……
个电极标记为110，第二行的第1、3、5
……
个电极标记为120，第三行的第1、3、5
……
个电极标记为130；第2列中每个电极均标记为210，第4列中每个电极均标记为220，第6列中每个电极均标记为230
……
。
33.电容数字转换电路(cdc)连接各电极，点阵中存在连接至电容数字转换电路的激励端的第一单元，以及配置与第一单元毗邻的第二单元、第三单元。仅作为示例性的，如图2所示的框内，第一单元为110，第二单元210、第三单元220毗邻110第一单元设置，第二单元210、第三单元220分别连接至电容数字转换电路的接收端。所述第一单元110、第二单元210、第三单元220均通过一个或多个联通的电极组成，例如图2中所示的例子即每一单元通过一整片的电极组成，同时也可以例如将框内某一电极(如210)，整片切分成离散的多块，再通过导线将之联通或通过开关在需要时将各个离散块联通，此时，各个离散块应当被认为属于一单元。
34.图3是识别物示意图，包括识别物本体1000、1个方向编码点1100、至少一个编码点1200、至少一个无编码点1300。编码点1200与识别物本体1000介电常数差异大于4-50倍，编码点的不同组合可以形成特定编码图样。
35.图4为编码点与电极位置示意图，编码图样包括方向编码点1100、编码点1200、无编码点1300。编码图样面对点阵状态下，方向编码点1100全部位于第一单元110和第二单元210之间,编码点1200位于第一单元110和第三单元220之间的检测区域内，进而引起互电容变化。第一单元110作为公共激励，获取与之相关的第二单元210与第三单元220之间的差分互电容。
36.图5为电极对称分布示意图。第二单元210、第三单元220以与之相关的第一单元110为轴形成对称分布。
37.图6为电极不对称分布示意图。第二单元210、第三单元240以与之相关的第一单元140为轴形成不对称分布。
38.图7为方向识别示意图。1100是方向编码点，1200是编码点，1300是无编码点。方向编码点1100和编码点1200在置于基体电极上时，等效的介电常数是不同的。通过方向编码点的识别可以确定识别物放置的方向。
39.图8为物理限位结构与对位结构示意图。识别装置设置有物理限位结构与对位结构，包括识别物顶点凹陷2000，基体顶点凸起3000，识别物棱凸起2100，基体棱凹陷3100。确保识别物特定编码图样在面对点阵放置时能对准检测区域。
40.如图2、图9-1所示，在单端互电容模式下，设于点阵中间的led或是外部的灯的高频刷新对电容的影响较大。图9-1中，4000是不放置识别物时的数据波动情况，4100是放置识别物后的数据，4200是拿走识别物后的数据。图9-2所示，是在差分互电容模式下，采用同样的led高频刷新方式。其中5000是不放置识别物时的数据，5100是将识别物放置在第一单元110与第二单元210上的数据，5300是将识别物放置在第一单元110与第三单元220上的数据，5200和5400是将识别物拿走后的数据。通过上面两种模式的数据比较，可以看到差分互电容模式在抗干扰方面的优势非常明显。
41.图10-1为对称电极对称编码差分互电容测量示意图。110是第一单元，210是第二单元，220是第三单元。定义编码点1200在第一单元110与第二单元210上的电容是+1，定义编码点1200在第一单元110与第三单元220上的电容是-1，无编码点1300电容是0。则当第一单元110与第二单元210上有编码点1200，第一单元110与第三单元220上有无编码点1300时，差分互电容c12＝+1；当第一单元110与第二单元210上有无编码点1300，第一单元110与第三单元220上有编码点1200时，差分互电容c12＝-1；当第一单元110与第二单元210上有编码点1200，第一单元110与第三单元220上有编码点1200时，差分互电容c12＝0；当第一单元110与第二单元210上有无编码点1300，第一单元110与第三单元220上有无编码点1300时，差分互电容c12＝0。
42.图10-2为非对称电极对称编码差分互电容测量示意图。140是第一单元，210是第二单元，240是第三单元。定义编码点1200在第一单元140与第二单元210上的电容是+1，定义编码点1200在第一单元140与第三单元240上的电容是-0.5，无编码点1300电容是0。则当第一单元140与第二单元210上有编码点1200，第一单元140与第三单元240上有无编码点1300时，差分互电容c12＝+1；当第一单元140与第二单元210上有无编码点1300，第一单元
140与第三单元240上有编码点1200时，差分互电容c12＝-0.5；当第一单元140与第二单元210上有编码点1200，第一单元140与第三单元240上有编码点1200时，差分互电容c12＝+0.5；当第一单元140与第二单元210上有无编码点1300，第一单元140与第三单元240上有无编码点1300时，差分互电容c12＝0。
43.图10-3为对称电极非对称编码差分互电容测量示意图。110是第一单元，210是第二单元，220是第三单元。定义图中方形编码点1400在第一单元110与第二单元210上的电容是+1，定义图中方形编码点1400在第一单元110与第三单元上220的电容是-1，定义图中圆形编码点1500在第一单元110与第二单元210上的电容是+0.5，定义图中圆形编码点1500在第一单元110与第三单元220上的电容是-0.5，无编码点1700和1600电容都是0。则当第一单元110与第二单元210上有方形编码点1400，第一单元110与第三单元220上有圆形编码点1500时，差分互电容c12＝+0.5；当第一单元110与第二单元210上有圆形编码点1500，第一单元110与第三单元220上有方形编码点1400时，差分互电容c12＝-0.5；当第一单元110与第二单元210上有无编码点1700，第一单元110与第三单元220上有无编码点1600时，差分互电容c12＝0。
44.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种抗干扰低功耗的识别装置，其特征在于：包括基体、电容数字转换电路、处理模块、至少一个识别物；所述基体设置有使用多个电极排列而成的电极传感器点阵；所述电容数字转换电路连接各电极，点阵中存在连接至电容数字转换电路的激励端的第一单元，以及配置与第一单元毗邻的第二单元、第三单元，第二单元、第三单元分别连接至电容数字转换电路的接收端，所述第一单元、第二单元、第三单元均通过一个或多个联通的电极组成；每个所述识别物设置有至少一个编码点来形成对应于该识别物的特定编码图样，所述编码点被配置为包括与识别物本体的介电常数差异大于4-50倍的第一物体；在所述特定编码图样面对点阵的状态下，每一个所述编码点部分或全部的位于第一单元和第二单元之间或者第一单元和第三单元之间的检测区域内进而引起互电容变化；所述电容数字转换电路以所述第一单元作为公共激励，获取与之相关的第二单元与第三单元之间的差分互电容；所述处理模块，用于依据所述差分互电容输出表示所述识别物的位置和/或编码的第一信号。2.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：利用所述电容数字转换电路配置的硬件差分电路同步测量获得所述差分互电容。3.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述第二单元、第三单元以与之相关的第一单元为轴形成对称分布或不对称分布，其中所述对称指对称的面积和间距相等。4.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述识别物设置有用于识别方向的标识，在所述特定编码图样面对点阵的状态下，所述处理模块基于所述标识获得表示所述识别物放置方向的第二信号。5.根据权利要求4所述的识别装置，其特征在于：在所述识别物的编码点中配置有至少一者的介电常数异于其他编码点，以该者作为所述标识。6.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述识别装置设置有物理限位结构，所述物理限位结构用于限制所述识别物以第一方向放置在所述基体上。7.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述基体与识别物之间设置有在特定编码图样面对点阵时确保所述编码点对准所述检测区域的对位结构。8.根据权利要求7所述的识别装置，其特征在于：所述对位结构被配置为设置在基体和识别物中任意一者上的凸起以及设置在另一者的凹陷。9.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述识别装置设置有指引结构用于实施使所述编码点对准所述检测区域的指引。10.根据权利要求9所述的识别装置，其特征在于：所述指引结构包括指引图案、指示灯、语音装置中的一种或多种组合。11.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述基体设置用于获取所述识别物重量的压力识别装置；所述处理模块与压力识别装置相连以利用所述压力识别装置输出的压力信号参与到对所述识别物的编码的识别。
12.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述处理模块基于所述互电容获取第一物体的介电常数来参与到对所述识别物的编码的识别；或者所述编码点被配置为至少包括第二物体，第二物体与棋子本体的介电常数差异大于2-25倍，与第一物体的介电常数差异大于2-25倍，所述处理模块基于第一物体与第二物体的介电常数的组合来参与到对所述识别物的编码的识别。13.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述电极为平面电极或曲面电极。14.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述第一物体配置为导电体或高介电常数物体。15.根据权利要求1所述的识别装置，其特征在于：所述识别装置为棋类用具或拼图用具。16.根据权利要求15所述的识别装置，其特征在于：所述识别装置配置有对应于棋盘棋位或拼图拼接位置设置的灯光装置，和/或所述识别装置配置有用于人机交互的语音装置。17.根据权利要求15所述的识别装置，其特征在于：所述识别装置配置有与外部智能设备实施通讯交互的通讯装置。

技术总结
本发明涉及一种抗干扰低功耗的识别装置，尤其适用于棋类或拼图类用具。通过以第一单元的电极作为公共激励，获取第二单元与第三单元的差分互电容，对于电极周边有电子器件或环境等公共影响因素的情况，差分互电容C12＝第二单元的互电容(C1+环境共模干扰)-第三单元的互电容(C2+C环境共模干扰)＝C1-C2，环境因素的干扰基本上可以通过差分的方式进行消除，达到消除共模干扰、减少误码率的目的；可将扫描时间减少一半(差分扫描是一次同时扫描两列，一次测量可得到两个图样信息，提高测量效率)降低功耗，延长电池续航时间。延长电池续航时间。延长电池续航时间。


技术研发人员：曹桂水 孙滕谌 曾凡佑 王凯
受保护的技术使用者：北京他山科技有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/25