CN106908161A - 一种快速实现大范围温度触觉感知的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速实现大范围温度触觉感知的方法，将双层帕尔贴作为双热源，采集上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度，然后将温度进行差动放大并转化为电压量，接着将电压量转化为数字量，再通过二阶热电路模型算法和GPI温度控制算法计算得到两个帕尔贴所需的输入控制电流，再将两个输入控制电流通过直流电机驱动模块进行电流换向，然后将两个输入控制电流分别输入上层帕尔贴冷端和下层帕尔贴冷端。本发明公开了一种快速实现大范围温度触觉感知的系统。本发明具有更好的升降温速率和抗干扰性，并且超调量小，能更好地复现热触觉。

Description

一种快速实现大范围温度触觉感知的方法及系统

技术领域

本发明涉及热触觉显示领域，特别是涉及一种快速实现大范围温度触觉感知的方法及系统。

背景技术

目前，固体表面产生快速温度变化的方式主要有两种。一种是国内以东南大学为代表的通过水射流的方式让一个金属块产生快速的温度变化，该装置整体结构比较复杂，难以实现小型化，并且装置主要用于纹理触觉的表现。另一种方式是其他研制温度复现装置更为普遍使用的方式，即使用半导体制冷器(帕尔贴)作为表面温度发生的元器件。半导体制冷器具有可快速切换制热制冷两种状态、快速的升降温速率、尺寸小等优点。目前市场上有最小尺寸为3.4mm×3.4mm×2.4mm的微型半导体制冷器，而成年人指尖尺寸大小普遍约为15mm×20mm，因此只有选用合适尺寸的半导体制冷器(帕尔贴)，并且与其他复现装置集成在一起，才能为实验者提供更为丰富完整的触觉信息。

目前国内外对于温度触觉的研究重点主要集中在热模型及接触热阻计算公式的完善、热流量控制算法的优化、温度触觉与其他触觉信息相结合以获得更多信息和将温度触觉由触觉显示器拓展到更多领域这四个方面。其中温度以及和接触热阻相关的参数，如压力、接触面积等的测量是关键，它们的精度直接影响着复现的精度。目前温度测量主要有两种方式，一是红外温度传感器，但它不能直接测得手指接触部分的温度；而是贴在帕尔贴上的热电偶传感器，它能直接测得手指接触部分的温度，但增大了接触热阻，影响了手指与帕尔贴直接热流量的传递。其结果就是温度复现曲线与理论曲线相差较大，复现的精度偏低难以达到虚拟现实技术的要求。所以需要在接触热阻模型、控制算法、温度测量方法做进一步改善。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的快速实现大范围温度触觉感知的方法及系统。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的快速实现大范围温度触觉感知的方法，将双层帕尔贴作为双热源，采集上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度，然后将温度进行差动放大并转化为电压量，接着将电压量转化为数字量，再通过二阶热电路模型算法和GPI温度控制算法计算得到两个帕尔帖所需的输入控制电流，再将两个输入控制电流通过直流电机驱动模块进行电流换向，然后将两个输入控制电流分别输入上层帕尔贴冷端和下层帕尔贴冷端。

进一步，通过温度传感器采集上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度，双层帕尔贴设于吸热源上，二阶系统热电路模型如式(1)和(5)所示：

式(1)中，T_c1为上层帕尔贴冷端的温度，T_c2为下层帕尔贴冷端的温度，a₁如式(2)所示，b₁如式(3)所示，c₁如式(4)所示；

式(2)中，C₁为上层帕尔贴和温度传感器的复合热容量，R₀为手指和上层帕尔贴之间的接触热阻，α为塞贝克系数，I₁为流经上层帕尔贴的电流，R₁₂为上层帕尔贴与下层帕尔贴之间的热阻；

式(4)中，T₀为手指的温度，R_el为输入控制电流导线的焦耳热阻；

式(5)中，a₂如式(6)所示，b₂如式(7)所示，c₂如式(8)所示；

式(6)中，C₂为上层帕尔贴和下层帕尔贴的复合热容量，R_p为帕尔贴与支撑平台之间的热阻，I₂为流经下层帕尔贴的电流；

式(8)中，T_h为吸热源的温度。

进一步，所述GPI控制算法如式(9)所示：

式(9)中，u为上层帕尔贴所需的输入控制电流和下层帕尔贴所需的输入控制电流I₁和I₂，a为a₁和a₂，b为b₁和b₂，c为c₁和c₂，K是用于使得(a-K)是Hurwitz稳定的常量，h为一个拟合常数，x_ref为参考输入，d为热干扰，x如式(10)所示，如式(11)所示；

式(11)中，L_i是GPI控制算法中设计的状态观测器的增益，i＝0,1,2,3,4,5，g_k(t)如式(12)所示，k＝0,1,...,5；

式(12)中，z如式(13)所示；

本发明所述的快速实现大范围温度触觉感知的系统，包括设于吸热源上的双层帕尔贴，还包括温度传感器、电压放大器、A/D转换器、控制模块和直流电机驱动模块，上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度通过温度传感器进行采集，温度传感器的输出通过电压放大器进行差动放大并转化为电压量，电压放大器的输出通过A/D转换器转化为数字量，数字量输入控制模块，控制模块经过相应的二阶热电路模型算法和GPI温度控制算法输出得到两个帕尔贴所需的输入控制电流，控制模块再将两个输入控制电流输入直流电机驱动模块进行电流换向，然后将换向后的两路输出电流分别输入上层帕尔贴冷端和下层帕尔贴冷端。

有益效果：本发明公开了一种快速实现大范围温度触觉感知的方法及系统，与现有技术相比，具有更好的升降温速率和抗干扰性，并且超调量小，能更好地复现热触觉。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的双层帕尔贴的示意图；

图2为本发明具体实施方式的系统的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式的系统的二阶热电路图；

图4为本发明具体实施方式的系统的最大升温速率测试结果；

图5为本发明具体实施方式的系统的最大降温速率测试结果；

图6为本发明具体实施方式的双层帕尔贴上层表面温度与单层帕尔贴表面温度对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种快速实现大范围温度触觉感知的方法，将双层帕尔贴作为双热源，代替常规的单热源，采集上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度，然后将温度进行差动放大并转化为电压量，接着将电压量转化为数字量，再通过二阶热电路模型算法和GPI温度控制算法计算得到两个帕尔贴所需的输入控制电流，再将两个输入控制电流通过直流电机驱动模块8进行电流换向，然后将两个输入控制电流分别输入上层帕尔贴冷端和下层帕尔贴冷端。

如图1所示，采用双层帕尔贴作为热源，其中T₀、T_c1、T_c2、T_h分别代表手指、上层帕尔贴制冷端、下层帕尔贴冷端以及支撑平台的温度(恒温)。

当双层帕尔贴中有电流流过时，由于帕尔贴效应，帕尔贴内部会产生热量的流动，上层制冷端吸收的热量为q_a1＝-αT_c1I₁，下层制冷端吸收的热量为q_a2＝-αT_c2I₂。

使用热网络的方法，即将其类比于电路。热阻类比于电阻，热容量类比于电容，温度类比于电压，热量类比于电流。从而建立图3所示的二阶系统的热电路图。

其中，通过温度传感器21采集上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度，双层帕尔贴设于吸热源3上，二阶系统热电路模型如式(1)和(5)所示：

式(1)中，T_c1为上层帕尔贴冷端的温度，T_c2为下层帕尔贴冷端的温度，a₁如式(2)所示，b₁如式(3)所示，c₁如式(4)所示；

式(2)中，C₁为上层帕尔贴和温度传感器21的复合热容量，R₀为手指1和上层帕尔贴22之间的接触热阻，α为塞贝克系数，I₁为流经上层帕尔贴22的电流，R₁₂为上层帕尔贴22与下层帕尔贴23之间的热阻；

式(4)中，T₀为手指1的温度，R_el为输入控制电流导线的焦耳热阻；

式(5)中，a₂如式(6)所示，b₂如式(7)所示，c₂如式(8)所示；

式(6)中，C₂为上层帕尔贴22和下层帕尔贴23的复合热容量，R_p为帕尔贴与吸热源3之间的热阻，I₂为流经下层帕尔贴23的电流；

式(8)中，T_h为吸热源3的温度。

GPI控制算法如式(9)所示：

式(9)中，u为上层帕尔贴22所需的输入控制电流或者下层帕尔贴23所需的输入控制电流I₁和I₂，a为a₁和a₂，b为b₁和b₂，c为c₁和c₂，K是用于使得(a-K)是Hurwitz稳定的常量，h为一个拟合常数，x_ref为参考输入，d为热干扰，x如式(10)所示，如式(11)所示；

式(11)中，L_i是GPI控制算法中设计的状态观测器的增益，i＝0,1,2,3,4,5，g_k(t)如式(12)所示，k＝0,1,…,5；

式(12)中，z如式(13)所示；

本具体实施方式还公开了一种快速实现大范围温度触觉感知的系统，如图2所示，包括设于吸热源3上的双层帕尔贴，也即上层帕尔贴22和下层帕尔贴23，还包括温度传感器21、电压放大器4、A/D转换器5、控制模块6、电源模块7和直流电机驱动模块8，上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度通过温度传感器21进行采集，温度传感器21的输出通过电压放大器4进行差动放大并转化为电压量，电压放大器4的输出通过A/D转换器5转化为数字量，数字量输入控制模块6，控制模块6经过相应的二阶热电路模型算法和GPI温度控制算法输出得到两个帕尔贴所需的输入控制电流，控制模块6再将两个输入控制电流输入直流电机驱动模块8进行电流换向，再将两路输出电流分别输入上层帕尔贴冷端和下层帕尔贴冷端。

实验一：为了比较双层帕尔贴和单层帕尔贴的升降温速率、能达到的最低温度以及最高温度，给双层帕尔贴和单层都施加最大工作电流4A。对于双层帕尔贴，上层的制冷端贴着下层的制热端。实验时的室温维持在300K左右。图4为最大升温速率测试图，图5为最大降温速率测试图。由图4可以看出，二阶系统的升温速率约为15K/s，最高温度约为337.1K；而一阶系统的升温速率约为12K/s，最高温度约为332.6K。由图5可以看出，二阶系统的降温速率约为11K/s，最低温度约为277.2K；而一阶系统的升温速率约为9K/s，最高温度约为279.7K/s。

实验二：输入为流经上下层帕尔贴的两个电流，输出为帕尔贴上层的温度和帕尔贴下层的温度，目标是在存在外界热干扰的情况下将帕尔贴上层的温度稳定293K，并设定下层帕尔贴的参考温度也为293K。温度传感器每隔1ms读入的帕尔贴上层和帕尔贴下层的表面温度。图6显示的即为双层帕尔贴上层表面温度与单层帕尔贴表面温度对比图。

由此可以得到结论：双层帕尔贴组成的二阶系统较之单层帕尔贴组成的一阶系统，有着更快的升降温速率，并且有着更低的最低温度和更高的最高温度；同时在受到外界热干扰后能更快恢复到平衡状态，且超调更小。这说明本具体实施方式具有更好的升降温速率和抗干扰性，能快速实现大范围温度触觉感知。

Claims (4)

1.一种快速实现大范围温度触觉感知的方法，其特征在于：将双层帕尔贴作为双热源，采集上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度，然后将温度进行差动放大并转化为电压量，接着将电压量转化为数字量，再通过二阶热电路模型算法和GPI温度控制算法计算得到两个帕尔帖所需的输入控制电流，再将两个输入控制电流通过直流电机驱动模块进行电流换向，然后将两个输入控制电流分别输入上层帕尔贴冷端和下层帕尔贴冷端。

2.根据权利要求1所述的快速实现大范围温度触觉感知的方法，其特征在于：通过温度传感器采集上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度，双层帕尔贴设于吸热源上，二阶系统热电路模型如式(1)和(5)所示：

$\stackrel{\·}{T_{c1}}=a_1{T}_{c1}+b_1{T}_{c2}+c_1---\left(1\right)$

式(1)中，T_c1为上层帕尔贴冷端的温度，T_c2为下层帕尔贴冷端的温度，a₁如式(2)所示，b₁如式(3)所示，c₁如式(4)所示；

$a_1=\frac{1}{C_1}(-\frac{1}{R_0}-{\mathrm{\αI}}_1-\frac{1}{R_{12}})---\left(2\right)$

式(2)中，C₁为上层帕尔贴和温度传感器的复合热容量，R₀为手指和上层帕尔贴之间的接触热阻，α为塞贝克系数，I₁为流经上层帕尔贴的电流，R₁₂为上层帕尔贴与下层帕尔贴之间的热阻；

$b_1=\frac{1}{C_1{R}_{12}}---\left(3\right)$

$c_1=\frac{1}{C_1}(\frac{T_0}{R_0}+\frac{1}{2}{R}_{el}{I_1}^2)---\left(4\right)$

式(4)中，T₀为手指的温度，R_el为输入控制电流导线的焦耳热阻；

$\stackrel{\·}{T_{c2}}=a_2{T}_{c2}+b_2{T}_{c1}+c_2---\left(5\right)$

式(5)中，a₂如式(6)所示，b₂如式(7)所示，c₂如式(8)所示；

$a_2=\frac{1}{C_2}(-\frac{1}{R_p}-{\mathrm{\αI}}_2-\frac{1}{R_{12}})---\left(6\right)$

式(6)中，C₂为上层帕尔贴和下层帕尔贴的复合热容量，R_p为帕尔贴与支撑平台之间的热阻，I₂为流经下层帕尔贴的电流；

$b_2=\frac{1}{C_2{R}_{12}}---\left(7\right)$

$c_2=\frac{1}{C_2}(\frac{T_h}{R_p}+\frac{1}{2}{R}_{el}{I_2}^2)---\left(8\right)$

式(8)中，T_h为吸热源的温度。

3.根据权利要求1所述的快速实现大范围温度触觉感知的方法，其特征在于：所述GPI控制算法如式(9)所示：

$u=\frac{-bx+\sqrt{b^2{x}^2+4c(-a*x_{ref}+{\stackrel{\·}{x}}_{ref}-K*(x-x_{ref})-\hat{d}-h)}}{2c}---\left(9\right)$

式(9)中，u为上层帕尔贴所需的输入控制电流和下层帕尔贴所需的输入控制电流I₁和I₂，a为a₁和a₂，b为b₁和b₂，c为c₁和c₂，K是用于使得(a-K)是Hurwitz稳定的常量，h为一个拟合常数，x_ref为参考输入，d为热干扰，x如式(10)所示，如式(11)所示；

$\stackrel{\·}{x}=ax+bxu+{\mathrm{cu}}^2+h+d---\left(10\right)$

$\hat{d}=L_0*g_0\left(t\right)+L_1*g_1\left(t\right)+...+L_5*g_5\left(t\right)---\left(11\right)$

式(11)中，L_i是GPI控制算法中设计的状态观测器的增益，i＝0,1,2,3,4,5，g_k(t)如式(12)所示，k＝0,1,...,5；

$g_k\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}x-z,(k=0)\\ \underset{0}{\overset{t}{\∫}}{g}_{k-1}\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ},(k=1,2,...,5)\end{array}\right.---\left(12\right)$

式(12)中，z如式(13)所示；

$\stackrel{\·}{z}=ax+bxu+{\mathrm{cu}}^2+h+L_0*g_0\left(t\right)+L_1*g_1\left(t\right)+...+L_5*g_5\left(t\right)---\left(13\right).$

4.一种快速实现大范围温度触觉感知的系统，其特征在于：包括设于吸热源上的双层帕尔贴，还包括温度传感器、电压放大器、A/D转换器、控制模块和直流电机驱动模块，上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度通过温度传感器进行采集，温度传感器的输出通过电压放大器进行差动放大并转化为电压量，电压放大器的输出通过A/D转换器转化为数字量，数字量输入控制模块，控制模块经过相应的二阶热电路模型算法和GPI温度控制算法输出得到两个帕尔贴所需的输入控制电流，控制模块再将两个输入控制电流输入直流电机驱动模块进行电流换向，再将换向后的两路输出电流分别输入上层帕尔贴冷端和下层帕尔贴冷端。