汽車智能表面觸摸振動(dòng)反饋的實(shí)現(xiàn)

蔡海波， 陳 杰， 吳四海， 莫偉偉

（浙江長(zhǎng)江汽車電子有限公司， 浙江 溫州 325025）

近年來(lái)車載人機(jī)交互方式，從機(jī)械按鍵開(kāi)關(guān)向智能內(nèi)飾方向發(fā)展。為了提高用戶的操作體驗(yàn)，獲得相應(yīng)的反饋信息，觸摸產(chǎn)品配備振動(dòng)反饋功能的需求越來(lái)越多。目前行業(yè)中對(duì)觸摸振動(dòng)的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)，還未形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。本文從感知原理、實(shí)現(xiàn)方法、振動(dòng)方式分類、振動(dòng)傳遞、振動(dòng)噪聲等方面對(duì)觸摸振動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行研究。

1 振動(dòng)感知及評(píng)價(jià)

車內(nèi)觸摸產(chǎn)品以指尖操作為主，指尖皮膚中4大觸覺(jué)神經(jīng)元：默克爾觸盤、邁斯納小體、魯菲民末梢、帕奇尼小休（圖1），其中帕奇尼小體被稱為“地震記錄儀”。每個(gè)指尖大約分布有350個(gè)帕奇尼小體，其對(duì)200～300Hz高頻振動(dòng)最為敏感，在這個(gè)頻段上它們能檢測(cè)到0.00001mm的皮膚運(yùn)動(dòng)，是振動(dòng)感知的信號(hào)傳感器[1]。

圖1 指尖皮膚神經(jīng)元結(jié)構(gòu)

振動(dòng)產(chǎn)品的振動(dòng)評(píng)價(jià)參數(shù)如下。

1） 頻率：人可以覺(jué)察到的振動(dòng)頻率為20～1000Hz，其中最敏感的頻率在250Hz左右。因?yàn)檎穹淖兓瘯?huì)在一定程度上導(dǎo)致頻率感覺(jué)的變化，所以一般很難也很少用頻率變化來(lái)進(jìn)行可靠的通信[2]。振動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，頻率是振動(dòng)器選型的重要參數(shù)，頻率匹配是振動(dòng)傳遞的基礎(chǔ)。常用振動(dòng)器的固有頻率范圍在180～350Hz。

2） 波形：振動(dòng)波形的感覺(jué)較為困難，正弦波和方波易于被感覺(jué)并區(qū)分，其他復(fù)雜波形則很難區(qū)分[3]。目前大部分觸摸振動(dòng)波形為正弦波。

3） 振動(dòng)時(shí)間：當(dāng)振動(dòng)觸覺(jué)信號(hào)僅僅作為一個(gè)簡(jiǎn)單的報(bào)警信號(hào)時(shí)，人們希望振動(dòng)持續(xù)時(shí)間在50～200ms之間，如果振動(dòng)持續(xù)時(shí)間繼續(xù)增加，人們會(huì)感到不適[4]。觸摸振動(dòng)產(chǎn)品作為一個(gè)操作反饋信號(hào)，通過(guò)多次驗(yàn)證，振動(dòng)時(shí)間控制在30～60ms比較合適。

4） 振幅：偏離初始位置的最大位移單位mm，手指感知強(qiáng)度與頻率有關(guān)。振動(dòng)產(chǎn)品的振幅一般為0.1mm左右。

5） 加速度：振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的加速度，單位是mm/s2或g。觸摸振動(dòng)產(chǎn)品振動(dòng)加速度一般要求大于2g。

2 振動(dòng)系統(tǒng)的組成

觸摸振動(dòng)系統(tǒng)一般包括以下幾個(gè)部份：①活動(dòng)件——面板、皮革、織物、觸摸屏等人手觸摸操作的對(duì)象件，在振動(dòng)方向有一定的彈性自由度；②固定件——外殼、底座等相對(duì)于活動(dòng)件而言，與整車連接的安裝固定件；③懸架——通過(guò)彈片、橡膠球、橡膠套、泡棉等零件，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)件與固定件彈性連接的構(gòu)件，也可以設(shè)計(jì)合適的固定點(diǎn)，利用面板自身局部彈性設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)；④振動(dòng)器——線性電機(jī)、偏心電機(jī)、電磁鐵、激勵(lì)器等產(chǎn)生振動(dòng)動(dòng)力的器件；⑤電控系統(tǒng)——實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制硬件及軟件的總稱，調(diào)整振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓、波形、頻率、時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所需要的振動(dòng)手感。

3 振動(dòng)系統(tǒng)的分類

按振動(dòng)方向分為水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)（局部振動(dòng)、整體振動(dòng)）。

按振動(dòng)器工作方式不同分為激勵(lì)型振動(dòng)（電磁鐵吸合式、電磁鐵推動(dòng)式）、共振型振動(dòng)（LRA線性電機(jī)、ERM偏心電機(jī)、協(xié)振器）。

1） 激勵(lì)型振動(dòng)（圖2）：將振動(dòng)器安裝在固定件上，振動(dòng)器對(duì)活動(dòng)件進(jìn)行一次激勵(lì)，活動(dòng)件產(chǎn)生自由振動(dòng)，滿足產(chǎn)品所需的振動(dòng)要求。

圖2 激勵(lì)型振動(dòng)系統(tǒng)

2） 共振型振動(dòng)（圖3）：將振動(dòng)器安裝在活動(dòng)件上，利用振動(dòng)器自身振動(dòng)帶動(dòng)活動(dòng)件一起振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所需的振動(dòng)要求。

圖3 共振型振動(dòng)系統(tǒng)

4 振動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

4.1 確定合適的振動(dòng)方式

首先與客戶確定振動(dòng)曲線、振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)聲音的要求，然后根據(jù)活動(dòng)件的質(zhì)量、活動(dòng)件形式（是否是整體面板） 來(lái)選擇振動(dòng)器，設(shè)計(jì)合適的振動(dòng)方式。常用振動(dòng)器選型見(jiàn)表1。

表1 常用振動(dòng)器選型表

4.2 模態(tài)分析

產(chǎn)品初步3D數(shù)據(jù)完成后需進(jìn)行CAE分析。通過(guò)Hyper Mesh劃分模型網(wǎng)格，采用Abaqus提取結(jié)構(gòu)固有模態(tài)，以振動(dòng)器的振動(dòng)作為激勵(lì)，分析X、Y、Z軸3個(gè)方向上的振動(dòng)加速度、固有頻率、振型。

分析結(jié)果需滿足：一階固有頻率需與振動(dòng)器頻率匹配（圖4）；振型符合產(chǎn)品振動(dòng)的要求（圖4）；觸摸區(qū)域振動(dòng)加速度符合設(shè)計(jì)要求（圖5）；產(chǎn)品振動(dòng)傳遞效率符合要求。

圖4 模態(tài)分析——振型及固有頻率

圖5 觸摸區(qū)域振動(dòng)加速度符合設(shè)計(jì)要求

振動(dòng)傳遞設(shè)計(jì)原則：以最小的振源強(qiáng)度滿足觸摸區(qū)的振感要求，同時(shí)避免與整車安裝結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生噪聲。這就要求對(duì)懸架設(shè)計(jì)及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行振動(dòng)傳遞效率校核，使觸摸區(qū)工作在放大區(qū)，整車安裝工作在衰減區(qū)。詳見(jiàn)振動(dòng)傳遞效率圖[5]（圖6）。

圖6 振動(dòng)傳遞效率圖

傳遞率：T=響應(yīng)位移/激勵(lì)位移

阻尼比：ζ=R/R0

頻率比：λ=f/f0

式中：R——阻尼系數(shù)；R0——臨界阻尼系數(shù)；f——激勵(lì)頻率；f0——系統(tǒng)固有頻率。若T＞1振動(dòng)被放大，T=1振動(dòng)全部傳遞，T＜1振動(dòng)被衰減；λ≈1時(shí)容易引起共振，振動(dòng)被放大，放大的程度取決于阻尼比；λ＞1.41時(shí)振動(dòng)傳遞被衰減，衰減程度取決于阻尼比ζ。

4.3 電控驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)所選擇的振動(dòng)器，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電控驅(qū)動(dòng)。以激勵(lì)器為例，MCU輸出DAC波形，通過(guò)功放芯片將波形信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)MCU調(diào)整波形的頻率、峰值、持續(xù)時(shí)間，產(chǎn)生不同的振動(dòng)效果。電控驅(qū)動(dòng)原理如圖7所示。

圖7 電控驅(qū)動(dòng)原理

振動(dòng)曲線如圖8所示，根據(jù)產(chǎn)品振動(dòng)效果的需要，把振動(dòng)的控制分為3段：過(guò)驅(qū)啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)保持、制動(dòng)收尾。通常對(duì)各階段的強(qiáng)度及時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，滿足振動(dòng)強(qiáng)弱、長(zhǎng)短的需求。

圖8 振動(dòng)曲線

4.4 測(cè)試評(píng)價(jià)

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際裝車測(cè)試評(píng)價(jià)，通過(guò)振動(dòng)曲線的測(cè)量，結(jié)合客戶主觀評(píng)價(jià)要求進(jìn)行振感的調(diào)整。振感及不同觸摸區(qū)域的振感一致性是評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。當(dāng)觸摸區(qū)域較大、活動(dòng)件為一體式面板時(shí)，可通過(guò)電容觸摸識(shí)別手指觸摸區(qū)域，不同區(qū)域調(diào)用不同的參數(shù)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器。

5 結(jié)論

人類的感覺(jué)主要包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等方面，其中視覺(jué)是人類獲取信息的重要途徑，大約80%以上的信息都是通過(guò)視覺(jué)獲得的，通過(guò)觸覺(jué)的只有1.5%[6]。因駕駛安全性的要求，車內(nèi)操作件需要有盲操的可行性，觸摸振動(dòng)反饋?zhàn)兊酶裢獾闹匾?。結(jié)合智能表面的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)定位提醒、操作反饋、人機(jī)交互等功能，在汽車上的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多。振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，除了以上研究的方案外，還將會(huì)有更加新穎、更低成本的方案需我們共同去探索發(fā)現(xiàn)。