Sterowanie wibracjami haptycznymi i sprzężeniem zwrotnym w urządzeniach noszonych

Rzeczywistość rozszerzona, wirtualne operacje, zastępowanie kończyn, urządzenia medyczne oraz inne nowe technologie muszą włączać silniki wibracyjne i sprzężenie zwrotne haptyczne, aby zapewnić użytkownikowi pełne poczucie interakcji ze swoim otoczeniem. Jeśli te nowoczesne aplikacje nie będą zawierały wibracji haptycznych i sprzężenia zwrotnego, użytkownicy są zmuszeni polegać na swoich czterech pozostałych zmysłach, aby zrozumieć rzeczywiste lub wirtualne środowisko. Niskokosztowe komponenty wspierające sprzężenie zwrotne haptyczne są dostępne od czasów telefonów komórkowych typu clamshell, aby wspierać te aplikacje, a projektanci są ograniczeni jedynie swoją wyobraźnią.

Po niedawnym zapytaniu od nowego klienta, musiałem zagłębić się w świat wibracji haptycznych i sprzężenia zwrotnego. Jeśli jesteś projektantem elektroniki audio, prawdopodobnie znasz transduktory i wiesz, jak łączyć je z wzmacniaczami, MCU lub innymi komponentami. Niezależnie od tego, czy znasz transduktory, istnieje problem z oprogramowaniem wbudowanym do rozwiązania, szczególnie gdy weźmie się pod uwagę czujniki używane do wyzwalania sprzężenia zwrotnego haptycznego.

Wybór silnika wibracyjnego haptycznego

Silnik wibracyjny haptyczny występuje w dwóch odmianach: o zmiennej amplitudzie i o zmiennej częstotliwości. Oczywiście, te silniki można podzielić na różne struktury silników, takie jak pionowe oscylacyjne, liniowe i silniki wibracyjne z ekscentryczną masą obrotową (ERM). Silniki ERM były powszechne w starych pagerach i wczesnych telefonach komórkowych. Silniki pionowe oscylacyjne i liniowe są podobne w sposobie działania siły przeciwko obudowie. Te silniki mogą być montowane do płyty lub do obudowy za pomocą pary przewodów.

Styl monety/naleśnika pokazany powyżej to w zasadzie silnik prądu stałego sterowany amplitudą, gdzie częstotliwość można zmieniać od ~10000 do ~15000 obr./min poprzez zmianę napięcia stałego dostarczanego do silnika. Napięcie stałe wymagane do napędzania tych silników zwykle wynosi od 2 do 5 V, a urządzenia wymagają między ~50 a ~100 mA. Wiele badań przeprowadzonych w ciągu ostatnich dwóch dekad wykazało, że optymalna częstotliwość wibracji dla haptiki wynosi od 150 Hz do 180 Hz. Dostępne są również wersje prądu przemiennego (patrz tabela poniżej).

Inny typ silnika wibracyjnego haptiki to liniowy rezonansowy aktuator (LRA). Ten typ silnika ma silny rezonans w wąskim paśmie. Tych urządzeń nie powinno się używać z haptiką sterowaną częstotliwością, ale są bardzo przydatne dla haptiki sterowanej napięciem, ponieważ będą reagować na częstotliwość sterującą (czyli są silnikiem prądu przemiennego).

Dopasowanie impedancji czy mostkowanie impedancji?

Wprowadzenie tych silników do rzeczywistego systemu nie stanowi takiego wyzwania, ponieważ nie generują one takich samych problemów związanych z EMI przewodzonymi i emitowanymi, jak większe silniki. Jeśli zostaną umieszczone na płytce (tj. jako komponent SMD), powinny być umieszczone blisko krawędzi płytki i w rejonie, który pozwoli użytkownikowi najlepiej odczuć wibracje. Projektuj płytki dla tych komponentów tak, jak robiłbyś to dla każdego innego małego silnika prądu stałego/przemiennego.

Ze względu na wymagania dotyczące napięcia i prądu, zawsze pojawia się pytanie o dopasowanie impedancji vs. mostkowanie impedancji przy łączeniu silnika wibracyjnego z sterownikiem. Silniki wibracyjne haptyczne są w zasadzie przetwornikami, które w odpowiedzi na niskoczęstotliwościowy sygnał elektryczny generują określone niskoczęstotliwościowe wibracje mechaniczne.

Jeśli przeczytasz niektóre poradniki na temat przetworników, nawet na popularnych stronach o tematyce technicznej, znajdziesz zalecenia projektowe, które stwierdzają, że wymagane jest dopasowanie impedancji między układem scalonym źródłowym a przetwornikiem. Takie właśnie porady można było znaleźć na EDN i Hyperphysics, dopóki liczne skargi nie zmusiły właścicieli stron do zmiany ich treści. To, czy należy użyć dopasowania impedancji czy mostkowania impedancji, zależy od charakteru sterownika.

Jeśli sterownik jest skutecznie źródłem napięcia sterowanym prądem (czyli ma niską impedancję wyjściową), wówczas należy użyć mostkowania impedancji, aby przekazać wysokie napięcie wyjściowe do silnika. To właśnie jest robione w nowoczesnym sprzęcie audio. Jednakże, jeśli sterownik ma odwrotną funkcjonalność, należy wybrać silnik tak, aby jego impedancja była znacznie niższa niż impedancja źródła. Efekty linii transmisyjnej nie są tutaj istotne, ponieważ działamy w zakresie setek Hz.

Algorytmy sprzężenia zwrotnego haptycznego

Ważnym elementem sprzężenia zwrotnego haptycznego jest zmiana wrażenia wibracji w miarę zmiany innego sygnału wejściowego do systemu. Dane mogą być wprowadzane do systemu wraz z pewnymi pomiarami z zewnętrznych czujników i używane do kontrolowania intensywności wibracji haptycznej. Te systemy mogą być otwarte lub zamknięte, i przypominają strategie kontroli używane w systemach kontroli przemysłowej.

Algorytmy sprzężenia zwrotnego haptycznego są na tyle lekkie, że mogą być wbudowane w MCU lub mały FPGA, pod warunkiem, że urządzenie ma wystarczającą ilość wejść, aby obsłużyć inne funkcje w produkcie. Algorytmy sprzężenia zwrotnego haptycznego nadal muszą być projektowane pod kątem konkretnych produktów, i są one nadal aktywnym obszarem badań naukowych i inżynierskich.

Jeśli planujesz włączyć wibracje i sprzężenie zwrotne haptyczne do nowej PCB, powinieneś użyć narzędzi CAD w Altium Designer® do zaprojektowania nowej płyty i umieszczenia modeli komponentów dla twojego silnika wibracji haptycznej. Narzędzia MCAD mogą pomóc ci zaprojektować twoją płytę tak, aby pasowała do obudowy i przygotować ją do produkcji.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.