汽车智能表面触摸振动反馈的实现

蔡海波， 陈 杰， 吴四海， 莫伟伟

（浙江长江汽车电子有限公司， 浙江 温州 325025）

近年来车载人机交互方式，从机械按键开关向智能内饰方向发展。为了提高用户的操作体验，获得相应的反馈信息，触摸产品配备振动反馈功能的需求越来越多。目前行业中对触摸振动的设计及评价，还未形成相应的标准。本文从感知原理、实现方法、振动方式分类、振动传递、振动噪声等方面对触摸振动产品进行研究。

1 振动感知及评价

车内触摸产品以指尖操作为主，指尖皮肤中4大触觉神经元：默克尔触盘、迈斯纳小体、鲁菲民末梢、帕奇尼小休（图1），其中帕奇尼小体被称为“地震记录仪”。每个指尖大约分布有350个帕奇尼小体，其对200～300Hz高频振动最为敏感，在这个频段上它们能检测到0.00001mm的皮肤运动，是振动感知的信号传感器[1]。

图1 指尖皮肤神经元结构

振动产品的振动评价参数如下。

1） 频率：人可以觉察到的振动频率为20～1000Hz，其中最敏感的频率在250Hz左右。因为振幅的变化会在一定程度上导致频率感觉的变化，所以一般很难也很少用频率变化来进行可靠的通信[2]。振动产品设计时，频率是振动器选型的重要参数，频率匹配是振动传递的基础。常用振动器的固有频率范围在180～350Hz。

2） 波形：振动波形的感觉较为困难，正弦波和方波易于被感觉并区分，其他复杂波形则很难区分[3]。目前大部分触摸振动波形为正弦波。

3） 振动时间：当振动触觉信号仅仅作为一个简单的报警信号时，人们希望振动持续时间在50～200ms之间，如果振动持续时间继续增加，人们会感到不适[4]。触摸振动产品作为一个操作反馈信号，通过多次验证，振动时间控制在30～60ms比较合适。

4） 振幅：偏离初始位置的最大位移单位mm，手指感知强度与频率有关。振动产品的振幅一般为0.1mm左右。

5） 加速度：振动运动的加速度，单位是mm/s2或g。触摸振动产品振动加速度一般要求大于2g。

2 振动系统的组成

触摸振动系统一般包括以下几个部份：①活动件——面板、皮革、织物、触摸屏等人手触摸操作的对象件，在振动方向有一定的弹性自由度；②固定件——外壳、底座等相对于活动件而言，与整车连接的安装固定件；③悬架——通过弹片、橡胶球、橡胶套、泡棉等零件，实现活动件与固定件弹性连接的构件，也可以设计合适的固定点，利用面板自身局部弹性设计来实现；④振动器——线性电机、偏心电机、电磁铁、激励器等产生振动动力的器件；⑤电控系统——实现振动控制硬件及软件的总称，调整振动器的驱动电压、波形、频率、时间来实现产品所需要的振动手感。

3 振动系统的分类

按振动方向分为水平振动、垂直振动（局部振动、整体振动）。

按振动器工作方式不同分为激励型振动（电磁铁吸合式、电磁铁推动式）、共振型振动（LRA线性电机、ERM偏心电机、协振器）。

1） 激励型振动（图2）：将振动器安装在固定件上，振动器对活动件进行一次激励，活动件产生自由振动，满足产品所需的振动要求。

图2 激励型振动系统

2） 共振型振动（图3）：将振动器安装在活动件上，利用振动器自身振动带动活动件一起振动，实现产品所需的振动要求。

图3 共振型振动系统

4 振动产品的设计

4.1 确定合适的振动方式

首先与客户确定振动曲线、振动强度、振动声音的要求，然后根据活动件的质量、活动件形式（是否是整体面板） 来选择振动器，设计合适的振动方式。常用振动器选型见表1。

表1 常用振动器选型表

4.2 模态分析

产品初步3D数据完成后需进行CAE分析。通过Hyper Mesh划分模型网格，采用Abaqus提取结构固有模态，以振动器的振动作为激励，分析X、Y、Z轴3个方向上的振动加速度、固有频率、振型。

分析结果需满足：一阶固有频率需与振动器频率匹配（图4）；振型符合产品振动的要求（图4）；触摸区域振动加速度符合设计要求（图5）；产品振动传递效率符合要求。

图4 模态分析——振型及固有频率

图5 触摸区域振动加速度符合设计要求

振动传递设计原则：以最小的振源强度满足触摸区的振感要求，同时避免与整车安装结构共振产生噪声。这就要求对悬架设计及安装结构设计，进行振动传递效率校核，使触摸区工作在放大区，整车安装工作在衰减区。详见振动传递效率图[5]（图6）。

图6 振动传递效率图

传递率：T=响应位移/激励位移

阻尼比：ζ=R/R0

频率比：λ=f/f0

式中：R——阻尼系数；R0——临界阻尼系数；f——激励频率；f0——系统固有频率。若T＞1振动被放大，T=1振动全部传递，T＜1振动被衰减；λ≈1时容易引起共振，振动被放大，放大的程度取决于阻尼比；λ＞1.41时振动传递被衰减，衰减程度取决于阻尼比ζ。

4.3 电控驱动设计

根据所选择的振动器，设计相应的电控驱动。以激励器为例，MCU输出DAC波形，通过功放芯片将波形信号放大，驱动激励器产生振动，通过MCU调整波形的频率、峰值、持续时间，产生不同的振动效果。电控驱动原理如图7所示。

图7 电控驱动原理

振动曲线如图8所示，根据产品振动效果的需要，把振动的控制分为3段：过驱启动、驱动保持、制动收尾。通常对各阶段的强度及时间进行调整，满足振动强弱、长短的需求。

图8 振动曲线

4.4 测试评价

对产品进行实际装车测试评价，通过振动曲线的测量，结合客户主观评价要求进行振感的调整。振感及不同触摸区域的振感一致性是评价的重点。当触摸区域较大、活动件为一体式面板时，可通过电容触摸识别手指触摸区域，不同区域调用不同的参数驱动振动器。

5 结论

人类的感觉主要包括视觉、听觉、味觉、触觉等方面，其中视觉是人类获取信息的重要途径，大约80%以上的信息都是通过视觉获得的，通过触觉的只有1.5%[6]。因驾驶安全性的要求，车内操作件需要有盲操的可行性，触摸振动反馈变得格外的重要。结合智能表面的设计可以实现定位提醒、操作反馈、人机交互等功能，在汽车上的应用将会越来越多。振动的实现，除了以上研究的方案外，还将会有更加新颖、更低成本的方案需我们共同去探索发现。