Управление тактильной вибрацией и обратной связью в носимых устройствах

Дополненная реальность, виртуальные операции, замена конечностей, медицинские устройства и другие новые технологии требуют внедрения моторов гаптической вибрации и обратной связи, чтобы пользователь полностью ощущал взаимодействие со своим окружением. Если эти передовые приложения не включают в себя гаптическую вибрацию и обратную связь, пользователям приходится полагаться на свои остальные четыре чувства для понимания реальной или виртуальной среды. Компоненты низкой стоимости для поддержки гаптической обратной связи доступны начиная с времен мобильных телефонов-раскладушек для поддержки этих приложений, и дизайнеры ограничены только своим воображением.

После недавнего запроса от нового клиента мне пришлось погрузиться в мир гаптической вибрации и обратной связи. Если вы дизайнер аудиоэлектроники, то, вероятно, вам знакомы трансдьюсеры и как их сочетать с усилителями, МКУ или другими компонентами. Вне зависимости от того, знакомы ли вы с трансдьюсерами, существует проблема встроенного программного обеспечения, которую необходимо решить, особенно когда речь идет о датчиках, используемых для активации гаптической обратной связи.

Выбор вибрационного мотора тактильной обратной связи

Вибрационный мотор тактильной обратной связи бывает двух типов: с переменной амплитудой и с переменной частотой. Очевидно, что эти моторы могут быть разделены на различные конструкции моторов, такие как вертикально-колебательные, линейные и моторы с эксцентриковой вращающейся массой (ERM). Моторы ERM были распространены в старых пейджерах и ранних мобильных телефонах. Вертикально-колебательные моторы и линейные моторы схожи тем, как они создают силу, действующую на упаковку. Эти моторы могут быть установлены на плату или на упаковку с помощью пары проводов.

Монетный/блинный тип, показанный выше, по сути, является амплитудно-управляемым постоянного тока мотором, частота которого может варьироваться от ~10000 до ~15000 об/мин за счет изменения напряжения постоянного тока, подаваемого на мотор. Напряжение постоянного тока, необходимое для работы этих моторов, обычно находится в диапазоне от 2 до 5 В, а устройства требуют потребления тока от ~50 до ~100 мА. Ряд исследований за последние два десятилетия показал, что оптимальная частота вибрации для тактильной обратной связи находится в диапазоне от 150 Гц до 180 Гц. Также доступны версии на переменном токе (см. таблицу ниже).

Другой тип мотора для тактильной вибрации - это линейный резонансный актуатор (LRA). Этот тип мотора имеет сильный резонанс в узкой полосе частот. Эти устройства не следует использовать с управлением частотой вибрации, но они очень полезны для управления вибрацией напряжением, так как они будут реагировать на частоту управления (т.е. являются мотором на переменном токе).

Согласование импеданса или мостовое соединение?

Интеграция этих моторов в реальную систему не представляет большой сложности, поскольку они не создают таких же проблем с проводимыми и излучаемыми помехами EMI, как более крупные моторы. Если их размещать на плате (например, как компонент SMD), их следует устанавливать ближе к краю платы и в области, которая позволит пользователю наилучшим образом ощутить вибрацию. Разрабатывайте платы для этих компонентов так же, как и для любого другого маленького мотора постоянного/переменного тока.

В связи с требованиями к напряжению и току всегда возникает вопрос о согласовании импеданса против мостового соединения импеданса при подключении вибрационного мотора к драйверу. Вибрационные моторы тактильной обратной связи по сути являются преобразователями, которые выдают определенную механическую вибрацию низкой частоты в ответ на электрический сигнал низкой частоты.

Если вы читали некоторые учебные пособия по преобразователям, даже на популярных технических сайтах, вы найдете некоторые рекомендации по дизайну, которые утверждают, что необходимо согласование импеданса между исходной ИС и преобразователем. Это был именно такой совет, который можно было найти на EDN и Hyperphysics, пока несколько жалоб не заставили владельцев сайтов изменить их контент. Вопрос о том, следует ли использовать согласование импеданса или мостовое соединение импеданса, зависит от характеристик драйвера.

Если драйвер является по сути источником напряжения, управляемым током (т.е., с низким выходным импедансом), то должен использоваться мостовой переход для передачи высокого выходного напряжения на мотор. Это в основном то, что делается с современным аудиооборудованием. Однако, если драйвер имеет обратную функциональность, мотор должен быть выбран таким образом, чтобы его импеданс был значительно ниже импеданса источника. Эффекты передачи по линии не актуальны здесь, поскольку мы работаем в диапазоне сотен Гц.

Алгоритмы тактильной обратной связи

Важной частью тактильной обратной связи является изменение ощущения вибрации в зависимости от изменения какого-либо другого входного сигнала в системе. Данные могут быть введены в систему вместе с некоторыми измерениями от внешних датчиков и использованы для управления интенсивностью тактильной вибрации. Эти системы могут быть как с открытым, так и с закрытым контуром, и они напоминают стратегии управления, используемые в промышленных системах управления.

Алгоритмы тактильной обратной связи достаточно легковесны, чтобы быть встроенными в МКУ или небольшой FPGA, при условии, что устройство имеет достаточно входов для поддержки других функций в продукте. Тем не менее, алгоритмы тактильной обратной связи должны быть специально разработаны для конкретных продуктов, и эти алгоритмы по-прежнему являются активной областью научных и инженерных исследований.

Если вы планируете внедрить тактильную вибрацию и обратную связь в новую печатную плату, вам следует использовать инструменты САПР в Altium Designer® для размещения вашей новой платы и компонентов для вашего мотора тактильной вибрации. Инструменты MCAD могут помочь вам спроектировать вашу плату так, чтобы она аккуратно поместилась в корпус и была готова к производству.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки плат, симуляции и планирования производства. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше.