Устройства с положительной тактильной обратной связью для автомобильной электроники.

В статье рассматриваются устройства с тактильной обратной связью для автомобильной электроники. С одной стороны, они не влияют на максимальную скорость и проходимость автомобиля, а, с другой, облегчают управление им и вносят свою лепту в увеличение комфорта водителя, а значит, повышают безопасность движения.

ВАЖНОСТЬ ТАКТИЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Пять чувств обеспечивают нашу безопасность: мы инстинктивно избегаем раскаленных поверхностей, отдергивая от них руку, или чересчур громких звуков, способных причинить вред слуху. Такие реакции наше тело выработало в процессе эволюции. Назовем их врожденными, или естественными, в отличие от тех, которые генерируют электронные устройства. Например, инженеры разработали симуляторы, которые обманывают наш мозг, заставляя думать, что мы летим, хотя на самом деле сидим в зрительном зале и смотрим фильм.

Хаптика, или наука об осязании и прикосновении, описывает механизмы ощущений и двигательных реакций в ответ на внешние воздействия. эти принципы используются также в конструкции электромеханического переключателя, который приводится в действие кнопкой. Точку, в которой механизм переключения срабатывает на внешнее усилие, можно настроить таким образом, чтобы обеспечить удобную обратную связь с устройством.

Для имитации и усиления этого эффекта были созданы исполнительные механизмы (актуаторы) с тактильной обратной связью (Ос). Если такая обратная связь получит широкое признание, появится возможность улучшить пользовательский интерфейс. эффект полета из предыдущего примера может стать особенно впечатляющим при симуляции реальных действий с помощью виртуальных технологий.

В большинстве смартфонов для усиления эффекта взаимодействия с интерфейсом используется тактильная обратная связь. эта связь, являющаяся разновидностью тактильной Ос, получила применение в автомобильной промышленности для предоставления пространственной информации водителю с помощью вибрирующего кресла, колеса или педалей. Интеграция тактильной обратной связи в панель управления автомобиля получает все большее распространение, уменьшая необходимость водителя отвлекаться от дороги и повышая, таким образом, безопасность движения. Тактильная Ос как программно-определяемая функция увеличивает гибкость эксплуатации, расширяет возможности пользовательской персонализации и позволяет получать обновления по беспроводным каналам связи.

РОЛЬ OEM-ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ В РЕАЛИЗАЦИИ ТАКТИЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Тактильная обратная связь обычно применяется как технология, обеспечивающая взаимодействие с пользователем при нажатии кнопки. в сочетании с дисплейной технологией она позволяет разрабатывать инновационные и адаптивные пользовательские интерфейсы. кнопки и ползунки на экране реагируют как их физические аналоги при нажатии или перемещении пальцем. И хотя мы знаем, что это обманчивое ощущение, мы прослеживаем четкую взаимосвязь между своими действиями и реакцией устройства (см. рис. 1).

Рис. 1. Использование тактильной ОС в автомобиле

Опросы показали, что потребителям нравится идея использования тактильной обратной связи. производители намерены задействовать ее в новом оборудовании, но автомобильная промышленность пока еще не нашла наилучшего решения. во многих предложениях тактильная Ос комбинируется с программными кнопками. в таких случаях она в большей мере является функцией кнопки, а не самостоятельной реакцией интерфейса. программная кнопка способна управлять стеклоподъемником: она обеспечивает тактильную Ос, оказывая сопротивление пальцу пользователя, чтобы подтвердить, что окно полностью открыто или закрыто.

Некорректно организованная тактильная Ос может ухудшить взаимодействие с пользовательским интерфейсом. к таким случаям относится, например, кнопка управления стеклоподъемника, если она оказывает чересчур большое или несвоевременное сопротивление внешнему воздействию. Основное предназначение тактильной Ос не в том, чтобы дополнить стандартные управляющие элементы физической обратной связью, а в упрощении требуемых действий. Удобная обратная связь облегчает труд операторов и вождение автомобилей.

Технологию необходимо интегрировать таким образом, чтобы фактически полностью изменить панель управления автомобилем. для этого требуется реализовать новые концепции проектирования центральной консоли. интегрированный сенсорный дисплей заменяет традиционные элементы управления, предоставляя доступ к навигации, климат-контролю, многие другие функции водителю и пассажирам. тактильная обратная связь поможет водителям быстрее найти меню на дисплее, не отвлекаясь от дороги. пользовательский интерфейс для пассажиров станет столь же многофункциональным.

Замена электромеханических элементов управления одним дисплеем -существенное изменение, которому потребуется достаточно много времени, чтобы найти большой спрос. Помимо прочего, необходимо создать удобную цепочку поставок для производителей оборудования. Основу любой такой цепочки определяют стандарты, которые позволяют нескольким поставщикам предоставлять совместимые решения. К настоящему времени стандарты для тактильных технологий отсутствуют.

Несколько поставщиков создали объединение Haptics Industry Forum, цель которого в том, чтобы ускорить внедрение рассматриваемой технологии за счет стандартизации оборудования, встраиваемого программного обеспечения и прикладного уровня. Стандартизация должна охватить все аспекты, начиная с работы исполнительных механизмов и заканчивая нормативами, а также передовыми методами реализации тактильных эффектов. На текущем этапе Форум занимается вопросами интеграции тактильного кодирования в стандарты MPEG для управления исполнительными механизмами.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Тактильный эффект создается перемещением массы, генерируемой с помощью электронных или электромагнитных устройств либо пьезоэлектрическим способом. Для создания вибрации эксцентриковые вибромеханизмы вращают неуравновешенную массу или перемещают ее в линейном направлении. Первый метод (ERM) обеспечивает требуемый эффект с помощью вращающейся массы, центр тяжести которой смещен относительно оси вращения. Во втором методе (LRA) используется линейный резонансный исполнительный механизм.

Пьезоэффект - основная альтернатива технологиям электромагнитного смещения. Биморфные пьезоэлектрические элементы можно считать предшественниками современных пьезоактуаторов. смещение в биморфном устройстве происходит под действием возбуждающего сигнала. Однако используемый керамический материал чувствителен к физическим нагрузкам, условиям окружающей среды и ограничен по величине обеспечиваемого усилия.

В пьезоактуаторе с тактильной ОС также используется пьезоэлектрический эффект для деформации материала под действием электрического сигнала. С этой целью применяется униморфная конструкция с электродами по обеим сторонам, которые крепятся к однослойной или многослойной металлической пластине. Многослойное устройство обеспечивает большее смещение.

Физическое смещение определяет величину генерируемого усилия. Пьезоактуатор способен по отдельности управлять величиной смещения и частотой вибрации, позволяя имитировать множество эффектов.

Встроенное ПО, работающее на главном микроконтроллере (МК) или процессоре, участвует в генерации сигналов. На рынке появляется все больше коммерческих решений, основанных на библиотеках сигналов для кнопок, ползунков и других устройств. Драйвер и правильно подобранный пьезоактуатор с тактильной ОС позволяют воспроизвести эти эффекты, обеспечив полноценные ощущения в конкретных приложениях.

Время реакции пьезоэлектрических устройств существенно меньше, чем у остальных решений. Кроме того, эта технология позволяет перемещать сравнительно большую массу более сложными способами. Малый размер исполнительного элемента является преимуществом при использовании в носимых электронных устройствах, а быстрая реакция позволяет потреблять меньше энергии.

СИСТЕМНОЕ РЕШЕНИЕ

Для обеспечения высокого качества и эффективной работы пьезоактуаторов требуется системный подход, подразумевающий использование самого исполнительного механизма, генератора, а также встраиваемого ПО. В зависимости от типа устройства генератор должен выдавать напряжение до 150 В. Некоторые сенсорные пьезоактуаторы функционируют как датчики, определяя давление, которое приложено к поверхности дисплея. В этом режиме генератор должен обнаруживать и передавать данные главному контроллеру.

Интерфейс между генератором и главным микроконтроллером часто представляет собой последовательную шину, например SPI или I2C. МК через встроенное ПО управляет эффектами, создаваемыми пьезоактуатором.

Миниатюризация устройств в современном мире предполагает уменьшение пространства, занимаемого всеми элементами. Электромагнитному устройству требуется больше места, чем пьезоактуатору, и оно существенно ограниченного по типам эффектов. В тех случаях, когда приложению необходима только обратная вибрационная связь с использованием тела малой массы и отсутствуют ограничения на занимаемое пространство, самыми подходящими решениями, возможно, окажется применение методов ERM или LRA (см. рис. 2). В тех же случаях, когда на занимаемое пространство накладываются ограничения, масса тела больше и необходимы более разнообразные эффекты, наиболее предпочтительным выбором является пьезоактуатор.

Рис. 2. Различия между использованием методов ERM, LRA и пьезоактуатора с тактильной ОС

Миниатюрные пьезоэлектрические устройства, например PowerHap от TDK толщиной менее 1,5 мм, могут сообщать ускорение более 6g объектам массой 100 г. Смещение при этом составляет 18 мкм, но исполнительному механизму требуется всего 0,35 мДж. В линейке имеются также более крупные исполнительные механизмы, развивающие ускорение 12g для тел массой до 1200 г. Устройства масштабируются и программируются для оптимизации ускорения и перемещения в зависимости от массы и размера конечных изделий, что делает их пригодными для множества приложений. например, носимое электронное устройство можно оптимизировать для работы с ускорением 3-5g, автомобильному приложению потребуется около 6-8g для ускорения с обратной связью, а промышленному оборудованию - ускорение величиной 10-12 g.

Поскольку пьезоактуаторы с тактильной обратной связью реагируют на давление, их можно использовать вместо обычных кнопок на поверхностях, которые прогибаются при нажатии. Обратная связь сигнализирует пользователю о том, что кнопка нажата. Исполнительные механизмы такого типа реагируют на давление до 20 Н. Сочетание способности устройства обнаруживать давление и тактильной обратной связи создают у пользователей впечатление, что они взаимодействуют с обычной кнопкой.

При использовании пьезоактуатора функция обратной связи не сводится только к реакции на нажатие кнопки. Этот исполнительный механизм в большей мере управляем, чем ERM- или LRA-устройства, а форма сигнала позволяет определять тип эффекта. Например, актуатор может воспроизводить звук щелчка и производить у пользователя впечатление, что он перемещает ползунок настоящего потенциометра.

АКТУАТОРЫ СЕМЕЙСТВА POWERHAP НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЬЕЗОПЛАСТИН С МЕДНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Пьезопластина, на которую подано напряжение, немного расширяется только по оси z, но под постоянным воздействием пьезоэффекта она одновременно сжимается по осям x и у. Два титановых диска, прикрепленных к каждой стороне пластины, увеличивают это сжатие в 15 раз по оси z, и смещение возрастает до 230 мкм при использовании пьезоактуатора самого большого типа 2626H023V120. Высокий уровень линейной зависимости между приложенным напряжением и смещением является важным преимуществом. У исполнительного механизма этого типа коэффициент линейности равен 1,8 мкм/В, что обеспечивает точное и в то же время плавное регулирование амплитуды, а также формы сигнала. Благодаря многослойной пьезотехнологии у актуатора PowerHap (см. рис. 3) - очень малое время реакции и большое ускорение. Например, при времени нарастания фронта всего 1 мс ускорение дисков составляет 15,0g и достигает максимального значения 35g при массе тела 100 г, что создает очень большую силу до 25 Н. Сопоставимые значения не достигаются с помощью традиционных решений.

Рис. 3. Семейство пьезоактуаторов PowerHap круглого типа

Актуаторы PowerHap генерируют отклик в широком диапазоне частот 1-500 Гц с регулируемыми амплитудами, длительностями и формами сигнала (синусоидальной, треугольной или прямоугольной). Эти исполнительные механизмы могут создавать индивидуально выбранную тактильную обратную связь с механорецепторами пользователей.

Актуаторы позволяют разработчикам устройств создавать специфичные высокоточные профили тактильных реакций, которые пользователи ожидают от современных интерфейсов в автомобильных и промышленных приложениях. Актуаторы толщиной не более 2,3 мм с сильной обратной связью позволяют не только интегрировать их в дисплеи, но и установить непосредственно под плоскими поверхностями. В результате появляется возможность создавать решения с высокой степенью герметичности, которая востребована не только на промышленных объектах, но и в приложениях со строгими гигиеническими требованиями, например в пищевой промышленности или в медицинской технике.

Помимо актуаторов PowerHap квадратной формы, которые, в частности, подходят для использования под плоскими поверхностями, компания TDK разработала четыре тонких актуатора PowerHap прямоугольного типа (см. рис. 4), обеспечивающих тактильную обратную связь в боковом направлении помимо вертикального. Две самые компактные модели длиной всего 9 и 12 мм подходят, в первую очередь, для использования в смартфонах и планшетах, в бытовой технике, игровых консолях, оборудовании виртуальной или дополненной реальности, умных часах, дигитайзерах или портативных медицинских устройствах. Две другие модели с длиной стороны 60 мм в настоящее время являются самыми мощными пьезоактуаторами PowerHap, поскольку они генерируют усилие до 50 Н, позволяя перемещать тела массой до 1 кг. Эти мощные изделия можно, например, установить сбоку от дисплеев, чтобы обеспечить тактильную обратную связь в горизонтальном направлении.

Рис. 4. Семейство пьезоактуаторов PowerHap квадратного типа

БУДУЩЕЕ ТАКТИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Пьезоактуаторы с тактильной ОС воспроизводят ряд ощущений при взаимодействии с новыми интерфейсами, которые производители готовы использовать в автомобилях вместо электромеханических переключателей. К числу преимуществ тактильных пьезоактуаторов помимо компактности и надежности относятся время реакции менее 1 мс и малое энергопотребление, не превышающее 1 мДж из расчета на одно нажатие.

Пользователи ожидают, что управление функциями приборной панели в автомобилях станет не сложнее, чем в смартфонах. При этом любой контакт с дисплеем будет сопровождаться осязаемой реакцией. Тактильные пьезоактуаторы вполне способны оправдать эти ожидания.

Компактные и энергоэффективные пьезоактуаторы с тактильной ОС от TDK, ассортимент которых постоянно растет, обеспечивают такие лучшие в отрасли показатели как ускорение, сила и время реакции. По мере совершенствования этой технологии ключевые параметры будут улучшаться, а размеры устройств станут меньше.

Опубликовано в журнале «Электронные Компоненты», №12-2021