Ecrans tactiles

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Description détaillée

Les écrans tactiles sont apparus dans les laboratoires de recherche à la fin des années 60 et début 70. Petit à petit des projets se sont concrétisés pour arriver vers le grand public.

En 1983, le premier ordinateur à écran tactile fut le HP-150.

Puis:

1993, le Newton d'Apple et le Simon d'IBM.
1997, le Palm Pilot.

Ce marché est donc passé par des tablettes PC d'usage professionnel aux PDA, et aux téléphones portables jusqu'aux iPhones (2007) et iPads d'Apple. Les distributeurs de billets ou autres interfaces commerciales ont également démocratisé ce type d'interface "homme-machine tactile".

Nous sommes donc passés d'un système aux fonctionnalités simples de pointage par un objet à des technologies qui permettent d'utiliser plus d'un pointeur (par exemple 2 doigts ou "multi-touch") pour orienter, jouer, sélectionner, modifier à convenance la taille de l'écran, les dispositions, bref une interaction presque intuitive avec sa machine!

A partir de 2018, on peut par exemple trouver sur les nouvelles Mercedes classe A, un double écran tactile (taille de 2x7 pouces ou 2x10.2 pouces) qui est en plus agrémenté de réalité augmentée et d'intelligence artificielle. Il est également pilotable depuis la console centrale et les commandes sur le volant. Le nom donné est MBUX pour Mercedes_Benz User Expérience.

source: mercedes-benz.com

source: mercedes-benz.com

Exemples sur 208:

Ou sur la Renault Zoe:

Différentes technologies se cachent derrière l'écran ! Elles n'ont pas toutes les mêmes capacités, avantages et donc utilisations. On ne peut pas vraiment connaître de prime abord la technologie utilisée, les différences pour un utilisateur résident surtout dans le moyen d'interaction et dans la qualité graphique.

Technologie "résistive"

Fonctionnement :
Deux plaques séparées contenant des montages de résistances vont entrer en contact par la pression d'un objet.

Caractéristiques :
Elle est la moins chère et la plus répandue, mais se dégrade avec le temps et a la luminosité la plus faible de toutes les technologies.

Pointage :
On peut toucher avec la main même gantée ou avec un objet de forme et de dureté quelconques. Cette technologie ne permet pas le multi-touch. Comme le point de contact est défini par l'entrée en contact des deux surfaces contenant des résistances montées d'une manière spécifique, il faut appuyer un peu plus fort sur l'écran que ce qui est nécessaire dans les autres technologies.

Technologie "capacitive"

Fonctionnement :
Une plaque spécifique est isolée sous la couche de protection que l'on va toucher. Notre doigt va créer une "seconde plaque".  Cette action va donc sans pression venir créer un point, il suffit d'effleurer la surface pour que cela fonctionne.

Caractéristiques :
Elle est la plus répandue dans les applications téléphoniques ou multimédia de dernière génération, sa luminosité est bien meilleure que celle des systèmes résistifs mais un peu moindre que les acoustiques. Mais avec le temps, cette technologie est tout de même moins stable et soumise à une dégradation de son système de détection (pour une utilisation comparable et dans le même environnement, elle dure moins que les écrans résistifs).

Pointage :
Bien que certains systèmes soient équipés d'utilitaires de pointages spécifiques, on ne peut interagir qu'avec la main et sans gants ! Permet le multi-touch.

Technologie "LED ou infrarouge par réseau de capteurs"

Fonctionnement :
Une plaque de verre est parcourue par une lumière infrarouge émise par des leds. Quand la main vient se poser sur la plaque de verre, les faisceaux lumineux vont être déviés. En fonction des systèmes et de leur taille (qui peut être très grande : jusqu'à 120 pouces, soit une grande télé) une à plusieurs caméras vont récupérer plus ou moins de lumière en fonction des doigts ou objets en contacts avec la surface.

Caractéristiques :
Cette technologie est la plus récente, sa luminosité est excellente. Elle est très utilisée dans des applications militaires en raison de la résistance aux chocs du système de détection. Mais elle est surtout utile pour des applications de grande taille (de plus, elle dispose d'une faible résolution par rapport aux autres).

Pointage :
Main avec ou sans gants, objet quelconque. En fonction des systèmes, peut supporter le multi-touch.

Technologie "acoustique" ou "ondes de surface".

Fonctionnement :
Des ondes ultrasonores parcourent la surface qui a à ses extrémités des capteurs et des réflecteurs.

Caractéristiques :
Elle est généralement plus chère et elle est peu robuste face aux éléments de dégradation qui vont venir perturber la détection d'un contact. Par contre, le système de détection est lui très solide. Elle permet les meilleures luminosités et de grandes tailles d'écran.

Pointage :
On peut toucher avec la main même gantée ou avec un objet mais pas trop dur ou trop petit. Ne permet pas le multi-touch.



Écran résistif :

La couche de protection s'use forcément car la pression exercée dessus participe à la création d'un point de contact dans les sous-couches.
L'utilisation d'un stylet permet de gagner en précision. Le point où aura lieu le contact sera déterminé par l'unité de contrôle de traitement. Ensuite, selon l'application logicielle, l'action qui est rattachée sera activée.
Pour des applications qui sont fortement utilisées comme les bornes de distributeurs de billets de banque ou de train, une variante de montage existe. Ce sont des écrans dits "à jauge de contrainte", où quatre jauges sont placées dans les coins et permettent de détecter le point de pression sur l'écran. Mais ils demeurent moins précis et ne servent qu'à ce genre d'application.

Écran capacitif :

Une tension sera appliquée aux quatre coins de l'écran. Les changements seront induits par l'action physique de l'utilisateur. Les propriétés électriques du corps humain sont donc utilisées pour le fonctionnement de ce type d'écran. L'effleurement sera suffisant pour réaliser un point de contact à analyser. De plus, le traitement numérique associé permet de créer des applications utilisant le multi-touch. Généralement, ce type de technologie est limité aux écrans de taille petite et moyenne (max autour de 20 pouces).
Il existe une technologie basée sur le capacitif, mais légèrement différente. C'est la "capacitive NFI" qui est adaptée pour une utilisation de contact au travers de gants, ou de surfaces sales, graisse, peintures, etc.

Une couche conductrice est intercalée entre 2 plaques de verre (comme les écrans capacitifs et résistifs). Un champ électromagnétique de faible intensité est alors créé en permanence sur la face externe de la plaque de verre qui va être en contact avec l'utilisateur.

Cette technologie demeure très récente et assez chère.

Écran infrarouge :

Bien que les formats puissent être très différents, l'image ci-dessus représente la méthode la plus courante et la plus efficace. Elle repose sur un réseau de capteurs et d'émetteurs infrarouges (caméras couplées à des LED). Ceux-ci vont, un peu à la manière des écrans à ondes acoustiques, tisser un balayage sur l'écran. Le carreau va contenir les faisceaux de lumière (comme un guide d'ondes).

Chaque faisceau aura une modulation propre (forme d'onde initiale) afin de repérer sa zone. Le contact d'un doigt ou d'autre chose (stylet) va venir perturber le rayonnement et les caméras recevront moins de lumière que ce qui est émis.

C'est la technologie la plus récente et la plus durcie (pour des applications qui requièrent une bonne résistance en raison de l'environnement d'utilisation).

De plus, son prix attractif lui confère certains avantages et permet des réalisations d'écran allant jusqu'à 120 pouces! Mais sa résolution demeure moyenne par rapport aux autres technologies (les objets virtuels à toucher doivent avoir une taille conséquente).

Il existe une application spécifique aux écrans de très grande taille. Elle est basée sur le même principe, mais le captage ne retient que les faisceaux de lumière déviés exclusivement vers le bas par la présence d'un objet (doigt). À la différence des premiers, ces écrans ne seront pas mobiles ! Seules des applications multimédia de bureau peuvent y trouver un intérêt.

Ils sont dénommés "réflexion totale FTIR" (Frustrated Total Internal Reflection ou « réflexion interne totale perturbée »).

Ils vont être constitués :
- d'une plaque de plexiglas (1),
- de  DEL infrarouges (2),
- d'un écran de projection (1),
- d'un projecteur (4),
- de silicone, qui sert de pont entre la plaque et le doigt,
- de caméras infrarouges (3), spécifiquement conçues pour capter les rayons,
- d'un filtre lumière visible, spécifiquement conçu pour ne laisser passer qu'une certaine longueur d'onde,
- d'un ordinateur (5), qui traitera l'image envoyée par la caméra.

Écran à ondes de surface :

L'écran doit absolument être bien protégé, car la moindre détérioration de la surface affectera la précision de la mesure du point de contact. Ces écrans sont les plus chers.

Quelques compléments techniques:


Écran résistif :

Présentation uniquement de la technologie 5 fils qui est plus coûteuse mais bien meilleure que les 4 ou 8 fils (qui nécessitaient des étalonnages fréquents).

Les surfaces conductrices sont en ITO : Idium Tin Oxide.

Tout repose sur des points de contact pour fermer électriquement le circuit en des points de la matrice. La couche supérieure est mise sous tension avec un réseau de résistance. La couche inférieure réalise la même fonction qu'un curseur dans un potentiomètre. L'ensemble prendra la forme d'un pont diviseur de tension une fois qu'un point de contact sera réalisé. De plus, selon la pression exercée par le contact, la tension de mesure sera différente.

Voici l'architecture des blocs des microcontrôleurs de gestion :

La technologie 5 fils permet d'avoir une excellente précision sans étalonnage répété tout en étant dotée d'une très longue durée de vie. Car les quatre fils qui mesurent simultanément la position en X et Y du contact sont installés physiquement sur le revêtement conducteur de l'écran, alors que le cinquième fil qui sert uniquement à la transmission des données est placé sur la dalle supérieure.

Exemple d'écran :

Écran capacitif :

Le revêtement conducteur est également en ITO.

Le courant utilisé pour réaliser les mesures est alternatif (AC).

Le doigt va venir modifier l'impédance équivalente d'un condensateur et ainsi modifier la forme du signal injecté.

Car U = ZI et Z = 1/jwC où w= 2πF et C = capacité en farad. (Le "j" est purement mathématique ici).

On peut donc représenter la couche de détection sous la forme d'un réseau de filtres.

L'électronique de traitement va analyser les modifications dans l'onde AC émise.

Exemple d'écran:

Écran infrarouge :

Pour rappel, la réfraction dépend de l'angle d'incidence.

Voici une capture d'image sur des écrans de grande taille type FTIR : les bouts des doigts viennent générer les points de contacts multiples.

Écran à onde de surface :

Les réflexions des ondes sonores vont déterminer les points de contact.

Tout est donc basé sur les mesures de temps de mesure onde émise / onde reçue.

Pour rappel, la vitesse du son est de 343 m/s.

Les transducteurs sont piézo-électriques et sont placés sur un bord horizontal et vertical de l'écran (axes X et Y). Ils transforment un signal électrique en une onde ultrasonique (inaudible à l'oreille humaine) qui se propage le long d'une dalle de verre.

Le temps d'arrivée des ondes est déterminé avec précision. Lorsqu'un utilisateur touche l'écran, une partie de l'énergie de l'onde acoustique est absorbée. Les circuits de contrôle des transmetteurs analysent alors le temps d'arrivée de l'onde atténuée et calculent le point de contact (ce calcul est fait indépendamment pour le transducteur de l'axe X et celui de l'axe Y). Une originalité de cette technologie est que la composante en Z peut aussi être calculée (grâce à l'analyse de la quantité d'énergie absorbée). Ce faisant, avec ce type d'interface, on peut modifier la réponse suivant l'approche du doigt qui vient en contact sur l'écran.

Cette technologie permet notamment d'obtenir des écrans d'une luminosité élevée (les rayons lumineux ne traversent que des couches en verre). Elle peut aussi être utilisée sans ajout d'une dalle de verre (c'est la technologie iTouch d'Elo Touch Systems). Les ondes acoustiques sont dans ce cas dirigées directement sur la surface en verre du tube cathodique de l'ordinateur. On obtient alors la meilleure qualité d'image possible.

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Méthodes et pratiques

Tous les intervenants doivent:

• Veiller à la bonne connexion des antennes et lors de la pose-dépose des calculateurs IHM du véhicule.

Pour les techniciens:

• Ils doivent maîtriser les tests via l'outil de diagnostic pour vérifier les connexions sans fils du véhicule.
• Ils doivent coder correctement les calculateurs IHM du véhicule.

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Impact sur les compétences en atelier

Les techniciens doivent être en mesure de:

• Mettre à jour des logiciels de gestion de l'IHM.
• Connaître les applications smartphones généralistes ou spécifiques aux constructeurs
• Réaliser des interventions de diagnostic comme tout système à gestion électronique.

Les réceptionnaires et les vendeurs peuvent:

• Être en mesure d'orienter sur l'utilisation adéquate des systèmes par l'utilisateur
• Connaître les applications smartphones généralistes ou spécifiques aux constructeurs
• Être en mesure de faire évoluer le pack service ou abonnement du client selon les préconisations du constructeur et les désidératas du client.

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Exemple d’outillage approprié

Outil de diagnostic
Maintien de tension homologué (à forte capacité)