汽車智能表面觸摸振動反饋的實現

蔡海波， 陳 杰， 吳四海， 莫偉偉

（浙江長江汽車電子有限公司， 浙江 溫州 325025）

近年來車載人機交互方式，從機械按鍵開關向智能內飾方向發展。為了提高用戶的操作體驗，獲得相應的反饋信息，觸摸產品配備振動反饋功能的需求越來越多。目前行業中對觸摸振動的設計及評價，還未形成相應的標準。本文從感知原理、實現方法、振動方式分類、振動傳遞、振動噪聲等方面對觸摸振動產品進行研究。

1 振動感知及評價

車內觸摸產品以指尖操作為主，指尖皮膚中4大觸覺神經元：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”。每個指尖大約分布有350個帕奇尼小體，其對200～300Hz高頻振動最為敏感，在這個頻段上它們能檢測到0.00001mm的皮膚運動，是振動感知的信號傳感器[1]。

圖1 指尖皮膚神經元結構

振動產品的振動評價參數如下。

1） 頻率：人可以覺察到的振動頻率為20～1000Hz，其中最敏感的頻率在250Hz左右。因為振幅的變化會在一定程度上導致頻率感覺的變化，所以一般很難也很少用頻率變化來進行可靠的通信[2]。振動產品設計時，頻率是振動器選型的重要參數，頻率匹配是振動傳遞的基礎。常用振動器的固有頻率范圍在180～350Hz。

2） 波形：振動波形的感覺較為困難，正弦波和方波易于被感覺并區分，其他復雜波形則很難區分[3]。目前大部分觸摸振動波形為正弦波。

3） 振動時間：當振動觸覺信號僅僅作為一個簡單的報警信號時，人們希望振動持續時間在50～200ms之間，如果振動持續時間繼續增加，人們會感到不適[4]。觸摸振動產品作為一個操作反饋信號，通過多次驗證，振動時間控制在30～60ms比較合適。

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

5） 加速度：振動運動的加速度，單位是mm/s2或g。觸摸振動產品振動加速度一般要求大于2g。

2 振動系統的組成

觸摸振動系統一般包括以下幾個部份：①活動件——面板、皮革、織物、觸摸屏等人手觸摸操作的對象件，在振動方向有一定的彈性自由度；②固定件——外殼、底座等相對于活動件而言，與整車連接的安裝固定件；③懸架——通過彈片、橡膠球、橡膠套、泡棉等零件，實現活動件與固定件彈性連接的構件，也可以設計合適的固定點，利用面板自身局部彈性設計來實現；④振動器——線性電機、偏心電機、電磁鐵、激勵器等產生振動動力的器件；⑤電控系統——實現振動控制硬件及軟件的總稱，調整振動器的驅動電壓、波形、頻率、時間來實現產品所需要的振動手感。

3 振動系統的分類

按振動方向分為水平振動、垂直振動（局部振動、整體振動）。

按振動器工作方式不同分為激勵型振動（電磁鐵吸合式、電磁鐵推動式）、共振型振動（LRA線性電機、ERM偏心電機、協振器）。

1） 激勵型振動（圖2）：將振動器安裝在固定件上，振動器對活動件進行一次激勵，活動件產生自由振動，滿足產品所需的振動要求。

圖2 激勵型振動系統

2） 共振型振動（圖3）：將振動器安裝在活動件上，利用振動器自身振動帶動活動件一起振動，實現產品所需的振動要求。

圖3 共振型振動系統

4 振動產品的設計

4.1 確定合適的振動方式

首先與客戶確定振動曲線、振動強度、振動聲音的要求，然后根據活動件的質量、活動件形式（是否是整體面板） 來選擇振動器，設計合適的振動方式。常用振動器選型見表1。

表1 常用振動器選型表

4.2 模態分析

產品初步3D數據完成后需進行CAE分析。通過Hyper Mesh劃分模型網格，采用Abaqus提取結構固有模態，以振動器的振動作為激勵，分析X、Y、Z軸3個方向上的振動加速度、固有頻率、振型。

分析結果需滿足：一階固有頻率需與振動器頻率匹配（圖4）；振型符合產品振動的要求（圖4）；觸摸區域振動加速度符合設計要求（圖5）；產品振動傳遞效率符合要求。

圖4 模態分析——振型及固有頻率

圖5 觸摸區域振動加速度符合設計要求

振動傳遞設計原則：以最小的振源強度滿足觸摸區的振感要求，同時避免與整車安裝結構共振產生噪聲。這就要求對懸架設計及安裝結構設計，進行振動傳遞效率校核，使觸摸區工作在放大區，整車安裝工作在衰減區。詳見振動傳遞效率圖[5]（圖6）。

圖6 振動傳遞效率圖

傳遞率：T=響應位移/激勵位移

阻尼比：ζ=R/R0

頻率比：λ=f/f0

式中：R——阻尼系數；R0——臨界阻尼系數；f——激勵頻率；f0——系統固有頻率。若T＞1振動被放大，T=1振動全部傳遞，T＜1振動被衰減；λ≈1時容易引起共振，振動被放大，放大的程度取決于阻尼比；λ＞1.41時振動傳遞被衰減，衰減程度取決于阻尼比ζ。

4.3 電控驅動設計

根據所選擇的振動器，設計相應的電控驅動。以激勵器為例，MCU輸出DAC波形，通過功放芯片將波形信號放大，驅動激勵器產生振動，通過MCU調整波形的頻率、峰值、持續時間，產生不同的振動效果。電控驅動原理如圖7所示。

圖7 電控驅動原理

振動曲線如圖8所示，根據產品振動效果的需要，把振動的控制分為3段：過驅啟動、驅動保持、制動收尾。通常對各階段的強度及時間進行調整，滿足振動強弱、長短的需求。

圖8 振動曲線

4.4 測試評價

對產品進行實際裝車測試評價，通過振動曲線的測量，結合客戶主觀評價要求進行振感的調整。振感及不同觸摸區域的振感一致性是評價的重點。當觸摸區域較大、活動件為一體式面板時，可通過電容觸摸識別手指觸摸區域，不同區域調用不同的參數驅動振動器。

5 結論

人類的感覺主要包括視覺、聽覺、味覺、觸覺等方面，其中視覺是人類獲取信息的重要途徑，大約80%以上的信息都是通過視覺獲得的，通過觸覺的只有1.5%[6]。因駕駛安全性的要求，車內操作件需要有盲操的可行性，觸摸振動反饋變得格外的重要。結合智能表面的設計可以實現定位提醒、操作反饋、人機交互等功能，在汽車上的應用將會越來越多。振動的實現，除了以上研究的方案外，還將會有更加新穎、更低成本的方案需我們共同去探索發現。