CN106926892A - 车辆转向盘触觉反馈系统及其反馈方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了车辆转向盘触觉反馈系统及其反馈方法，触觉反馈系统将直线振动马达嵌入转向盘内部，并通过直线振动马达的振动进行触觉的反馈；反馈方法包括常规反馈、中断反馈和紧急反馈，当车辆的辅助系统需要进行信息反馈时，向车辆控制器ECU发送反馈请求，车辆控制器ECU根据反馈请求进入不同的反馈模式，进而生成不同的控制信号，并驱动嵌置在转向盘上的直线振动马达工作。本发明将直线振动马达通过信号线与车辆控制器ECU相连，能够反馈多种不同的触觉信号，丰富驾驶者与车辆间的人机交互方式。
Description
技术领域
本发明属于车辆人机交互技术领域，具体涉及车辆转向盘触觉反馈系统及其控制方法，尤其适用于装有车载电脑的车辆。
背景技术
随着智能车载系统的发展，车辆智能化程度越来越高，相应的，能够传达给驾驶者的信息也越来越多。传统的驾驶过程中，驾驶者往往通过视觉、听觉以及少部分触觉来获取反馈信息。其中，触觉信息的反馈往往局限于力与力矩的反馈(如踏板感觉反馈、转向盘力矩反馈等)。在现有的触觉信息的反馈技术中，触觉信息反馈的方式较少，没有充分利用人机交互过程中，驾驶人员丰富的触觉感官能力，使得交互内容单一，人机交互过程中触觉感官体验不佳。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足本发明提供了车辆转向盘触觉反馈系统及其控制方法，使驾驶员通过触觉接收更为丰富的信息，实现更加完善的人机互方式。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
车辆转向盘触觉反馈系统，所述处触觉反馈系统由安装在转向盘2上的直线振动马达1和车辆控制器ECU 9控制连接组成；
所述直线振动马达1由马达壳体5、弹簧支座3、螺旋弹簧4、振子6和线圈7组成；
所述马达壳体5嵌置在转向盘2内，两个所述弹簧支座3固定在马达壳体5内部两端，所述振子6两端加工有轴针，振子6活动安装在两个所述弹簧支座3之间，且轴针与弹簧支座3和马达壳体5两端的通孔间隙配合；
所述螺旋弹簧4安装在弹簧支座3内，一端顶靠在弹簧支座3底部，另一端顶靠在振子6轴针的轴肩处；
所述线圈7缠绕在马达壳体5的外表面，且线圈7缠绕段的中线从振子6的中线不重合，线圈7的一端连接公共地端，线圈7的另一端通过信号线8连接车辆控制器ECU 9信号输出端；
所述车载控制器ECU 9与车辆的信息采集装置信号连接，车载控制器ECU 9获得并处理车辆的行使状态信息，进而向直线振动马达1发送控制信号。
车辆转向盘触觉反馈系统，其中：所述马达壳体5采用非金属材料制成；所述振子6采用高密度可导磁衔铁制成；所述线圈7为漆包细铜线。
本发明还提供了车辆转向盘触觉反馈系统的反馈方法，当车辆的辅助系统需要进行信息反馈时，向车辆控制器ECU发送反馈请求，车辆控制器ECU9根据反馈请求进入不同的反馈模式，进而生成不同的控制信号，并驱动嵌置在转向盘2上的直线振动马达1工作；
所述不同的反馈模式包括常规反馈、中断反馈和紧急反馈；
所述常规反馈模式具体如下：
A1、首先判断紧急反馈标志是否触发，如果判断紧急反馈标志触发，则将紧急反馈标志清零，然后进入步骤A4；如果判断紧急反馈标志没有触发，则进行下一步骤A2；
A2、判断驾驶员是否开启了触觉反馈系统，如果驾驶员没有开启触觉反馈系统，则进入下一步骤A3；如果驾驶员开启了触觉反馈系统，则检测是否触发中断反馈标志，如果触发中断反馈标志，此时为中断反馈工况，并进入中断反馈模式，如果没有触发中断反馈标志，则进入下一步骤A3；
A3、检测并判断反馈系统的占用状态，如果反馈系统未被占用，则进入下一步骤A4；如果反馈系统被占用，反馈占用状态为“1”，此时直接进行定时器累加，并进入步骤A5；
A4、根据当前反馈请求的类型确定当前触发事件的触发等级、振动频率以及振动时间信息，并将定时器清零；车辆控制器ECU根据以上信息产生激励电流控制直线振动马达产生振动，此时将反馈占用状态置“1”，定时器累加，并进入步骤A5；
A5、判断定时器是否溢出，如果定时器没有溢出，返回步骤A1，重复判断紧急反馈标志，确定驾驶员开启触觉反馈，监测终端标志等步骤；如果定时器的值溢出，此时关闭直线振动马达，反馈占用状态清零，返回步骤A1，进行下一个工况的循环；
所述中断反馈模式具体如下：
B1、根据上述常规反馈模式中A1、A2的反馈过程，当进行A2步骤时，如果驾驶员开启了触觉反馈系统，则检测是否触发中断反馈标志，如果没有触发中断反馈标志，则正常进行后续常规反馈过程；如果触发了中断反馈标志，此时为中断反馈工况，并进入中断反馈模式；
所述触发了中断反馈标志，是指在当前反馈系统正在执行当前反馈请求的时候，有另一项中断反馈请求触发；
B2、进入中断反馈模式后，确定中断事件的优先等级并将中断反馈标志位清零，然后进行下一步骤B3；所述事件优先等级预设并存储于车辆控制器ECU中；
B3、比较当前反馈请求与中断反馈请求的优先等级；如果当前反馈请求的优先等级大于等于中断反馈请求，直接进行步骤B6；如果中断反馈请求的优先等级大于当前反馈请求的优先等级，则关闭直线振动马达，并进入下一步骤B4；
B4、将中断反馈请求的优先等级赋值给当前反馈请求的优先等级，重新配置振动频率、振动时间等信息，并将累加器清零，然后进入下一步骤B5；
B5、启动直线振动马达并将反馈占用状态置1，然后进入步骤B6；
B6、定时器累加，并进行下一步骤B7；
B7、判断定时器是否溢出，如果没有溢出，返回步骤B1；如果定时器溢出，则关闭直线振动马达，反馈占用状态清零，返回步骤B1，进行下一个工况的循环；
所述紧急反馈模式具体如下：
C1、当出现危及人身及车辆安全的紧急情况时，触发紧急反馈标志位，并进入下一步骤C2；
C2、清零紧急反馈标志位，并进入下一步骤C3；
C3、将当前的反馈请求等级设为最高，确定反馈频率及振动时间，并且清零定时器，并进入下一步骤C4；
C4、启动直线振动马达，立刻进行触觉反馈，并将反馈占用状态置1，并进入下一步骤C5；
C5、将定时器进行累加，判断定时器是否溢出；如果没有溢出，返回步骤C1；如果溢出，关闭直线振动马达，并将反馈占用状态清零。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明将直线振动马达嵌入转向盘中，用车载电脑控制马达的振动频率、振动幅度以及振动时间，模拟出各种触觉信息，通过转向盘将振动信息反馈给驾驶者，本发明充分利用驾驶员触觉感官，给驾驶者与车辆间的人机信息交互提供了更多的途径，丰富了人车交互的途径与交互内容。在传统的驾驶过程中，利用视觉、听觉两个维度进行信息的反馈，本发明充分利用触觉感官，实现视觉、听觉、触觉三个维度的信息反馈。相较于传统的反馈方式大大丰富的反馈信息的内容。例如传统的转向盘的路面感觉反馈，采用的都是力矩反馈的方式，本发明可以采用触觉反馈的方式反馈路面信息。再比如，车辆运行的一些状态(发动机的运转情况、制动盘的磨损情况、轮胎的气压等信息)通过指示灯或指示图标的形式反映在仪表盘上，驾驶过程中驾驶员很难察觉，利用触觉反馈便能能直观的感受到车辆的运行状况。再比如，结合辅助驾驶系统，可以通过触觉反馈的方式实现对危险操作的警告(如疲劳驾驶、超速等)。
此外，把发明采用直线振动马达，相较于偏心转子振动马达，直线振动马达具有起振快，振动频率和振幅可控、体积小、集成度高等优点。
附图说明
图1为本发明所述车辆转向盘触觉反馈系统结构示意图；
图2为本发明所述车辆转向盘触觉反馈系统中，直线振动马达的结构示意图；
图3为本发明所述车辆转向盘触觉反馈系统中，直线振动马达中振子的结构示意图；
图4为本发明所述车辆转向盘触觉反馈系统中，线圈中电流与电压的关系曲线图；
图5为本发明所述车辆转向盘触觉反馈系统中，线圈磁力与激励电流的关系曲线图；
图6为本发明所述车辆转向盘触觉反馈系统的控制方法流程框图。
图中：
1-直线振动马达，2-转向盘，3-弹簧支座，4-螺旋弹簧，5-马达壳体，6-振子，7-线圈，8-信号线，9-车辆控制器ECU。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明所述的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
如图1所示，本发明提供了一种车辆转向盘触觉反馈系统，该系统由安装在车辆的转向盘2上的两个直线振动马达1组成，且两个直线振动马达1分别与车辆控制器ECU 9控制连接；两个所述直线振动马达1位于转向盘2两侧的手握处，以便于驾驶者在驾驶过程中，迅速、敏捷地感知直线振动马达1传递来的触觉信号。
如图2所示，所述直线振动马达1由马达壳体5、弹簧支座3、螺旋弹簧4、振子6和线圈7组成。其中，马达壳体5嵌置在转向盘2内，马达壳体5采用非金属材料制成，马达壳体5为两端开有壳体通孔的中通管状结构；弹簧支座3固定在马达壳体5两端，弹簧支座3两端面均开有支座通孔，支座通孔与马达壳体5两端的壳体通孔同轴；振子6安装在马达壳体5内部，位于两弹簧支座3之间。如图3所示，振子6的材质为高密度可导磁衔铁，振子6的外部形状与马达壳体5内部形状相匹配，振子6两端通过车削方式加工出轴针，如图2所示，振子6的中部主体结构的外表面与马达壳体5的内表面之间留有间隙，使得振子6的中部主体结构能够在马达壳体5内沿轴向自由运动，振子6两端的轴针穿过两端同轴的马达壳体5端面的壳体通孔和弹簧支座3端面的支座通孔，且与各通孔之间为间隙配合，振子6与弹簧支座3之间在装配时需加适量润滑油；所述线圈7采用漆包细铜线，线圈7以统一的绕线方向紧密缠绕在马达壳体5的外圆周表面，线圈7从振子6的中线位置开始缠绕，并向远离中线的方向进行绕线，最终使线圈7的中线与振子6的中线存在一定的距离，线圈7的一端连接公共地端，线圈7的另一端通过信号线8连接车辆控制器ECU 9正弦信号输出端。车载控制器ECU 9与车辆各处传感器及信息采集装置相连，以获得车辆的各种行使信息，进而向直线振动马达1发送不同信号，使驾驶员获得各种反馈信息；
本发明所述车辆转向盘触觉反馈系统的工作原理如下：
已知线圈7相当于一个电感，对于电感存在关系
令i＝imsinωt
得到
其中：
UL—线圈7两端电压；
L—线圈7的等效电感；
i—流过线圈7内部的电流；
im—线圈7内的最大电流；
Um—线圈7两端最大电压。
所得到的线圈7电压与电流的关系如图4所示；
线圈7相当于一块电磁铁，电磁铁的吸力与线圈匝数以及电流的平方成正比，当励磁电压，即加在线圈7两端的电压为正弦信号时，线圈7内的电流也为相位滞后90°的正弦信号。当线圈7匝数一定时，线圈7产生的磁力的大小与线圈7内的电流的平方成正比，如图5所示；
车载控制器ECU 9通过接收车辆的行驶数据，结合内部设定的程序指令，根据需求的不同使直线振动马达产生不同振幅、不同频率、不同时间的振动以传达不同的信息。
结合上述反馈系统的结构，本发明还提供了车辆转向盘触觉反馈系统的反馈方法，所述反馈方法包括常规反馈、中断反馈以及紧急反馈。
一、常规反馈过程：
在常规反馈过程中，驾驶员需开启触觉反馈功能；当车辆的辅助系统需要进行信息反馈的时候，向车辆控制器ECU发送反馈请求；依据触发事件的类型确定当前的触发等级、振动频率以及振动时间等信息。车辆控制器ECU根据以上信息生成控制信号，驱动嵌置在转向盘上的直线振动马达工作；在运行的过程中定时器不断累加，当定时器的值溢出的时候关闭直线振动马达，并重置反馈占用状态、紧急反馈标志、定时器等。所述触发等级、振动频率以及振动时间存储在车辆控制器ECU内部寄存器，由系统提前设定，可根据需求的不同使直线振动马达产生不同振幅、不同频率、不同时间的振动以传达不同的信息。
如图6所示，常规反馈过程具体如下：
A1、首先判断紧急反馈标志是否触发，如果判断紧急反馈标志触发，则将紧急反馈标志清零，然后进入步骤A4；如果判断紧急反馈标志没有触发，则进行下一步骤A2；
A2、判断驾驶员是否开启了触觉反馈系统，如果驾驶员没有开启触觉反馈系统，则进入下一步骤A3；如果驾驶员开启了触觉反馈系统，则检测是否触发中断反馈标志，如果触发中断反馈标志，此时为中断反馈工况，并进入中断反馈模式，如果没有触发中断反馈标志，则进入下一步骤A3；
A3、检测并判断反馈系统的占用状态，如果反馈系统未被占用，则进入下一步骤A4；如果反馈系统被占用，反馈占用状态为1，此时直接进行定时器累加，并进入步骤A5；
A4、根据当前反馈请求的类型确定当前触发事件的触发等级、振动频率以及振动时间信息，并将定时器清零；车辆控制器ECU根据以上信息产生激励电流控制直线振动马达产生振动，此时将反馈占用状态置1，定时器累加，并进入步骤A5；
A5、判断定时器是否溢出，如果定时器没有溢出，返回步骤A1，重复判断紧急反馈标志，确定驾驶员开启触觉反馈，监测终端标志等步骤；如果定时器的值溢出，此时关闭直线振动马达，反馈占用状态清零，返回步骤1，进行下一个工况的循环。
二、中断反馈过程：
中断反馈过程中，驾驶员需打开触觉反馈功能；在反馈系统正在工作的情况下，又有另外一个事件触发，则触发中断反馈，此时进入中断反馈模式；车辆控制器ECU根据预先设定好的优先等级表确定中断事件的优先等级，并与正在工作的当前事件优先等级相比较；如果当前事件的优先等级大于等于中断事件的优先等级，则清零中断反馈标志，并继续累加定时器；后续步骤与常规反馈相同。所述事件优先等级由程序设计者根据需求自行配置，并存储于车辆控制器ECU中。
如图6所示，中断反馈过程具体如下：
B1、根据上述常规反馈模式中A1、A2的反馈过程，当进行A2步骤时，如果驾驶员开启了触觉反馈系统，则检测是否触发中断反馈标志，如果没有触发中断反馈标志，则正常进行后续常规反馈过程；如果触发了中断反馈标志，此时为中断反馈工况，并进入中断反馈模式；
所述中断反馈标志，是指在当前反馈系统正在执行一项反馈请求(即“当前反馈请求”)的时候，另一项反馈请求(即“中断反馈请求”)触发才触发中断反馈标志；
B2、进入中断反馈模式后，确定中断事件的优先等级并将中断反馈标志位清零，然后进行下一步骤B3；
所述事件优先等级由程序设计者根据需求自行配置，并存储于车辆控制器ECU中。
B3、比较当前反馈请求与中断反馈请求的优先等级；如果当前反馈请求的优先等级大于等于中断反馈请求，直接进行步骤B6；如果中断反馈请求的优先等级大于当前反馈请求的优先等级，则关闭直线振动马达，并进入下一步骤B4；
B4、将中断反馈请求的优先等级赋值给当前反馈请求的优先等级，重新配置振动频率、振动时间等信息，并将累加器清零，然后进入下一步骤B5；
B5、启动直线振动马达并将反馈占用状态置1，然后进入步骤B6；
B6、定时器累加，并进行下一步骤B7；
B7、判断定时器是否溢出，如果没有溢出，返回步骤B1；如果定时器溢出，则关闭直线振动马达，反馈占用状态清零，返回步骤B1，进行下一个工况的循环。
三、紧急反馈过程：
紧急反馈过程中，无论驾驶员是否主动开启触觉反馈功能，都将运行紧急反馈监测；如果遇到紧急情况，紧急反馈标志触发；此时根据紧急反馈的类型确定反馈等级、频率、振动时间等信息，并将定时器以及紧急反馈标志位清零；车辆控制器ECU根据以上信息驱动直线振动马达振动。所述紧急情况包括即将发生碰撞、滑动率过高、发动机超载等危及人身及车辆安全的事件。
如图6所示，紧急反馈过程具体如下：
C1、当出现危及人身及车辆安全的紧急情况时，触发紧急反馈标志位，并进入下一步骤C2；
C2、清零紧急反馈标志位，并进入下一步骤C3；
C3、将当前的反馈请求等级设为最高，确定反馈频率及振动时间，并且清零定时器，并进入下一步骤C4；
C4、启动直线振动马达，立刻进行触觉反馈，并将反馈占用状态置1，并进入下一步骤C5；
C5、将定时器进行累加，判断定时器是否溢出；如果没有溢出，返回步骤C1；如果溢出，关闭直线振动马达，并将反馈占用状态清零。
上述常规反馈、中断反馈以及紧急反馈过程中，定时器在一个工作循环中数值只加“1”，即累加器每加“1”，必然经历检测是否触发紧急反馈标志、检测驾驶员是否开启触觉反馈系统以及监测反馈是否占用等步骤。
Claims (3)
1.车辆转向盘触觉反馈系统，其特征在于：所述处触觉反馈系统由安装在转向盘(2)上的直线振动马达(1)和车辆控制器ECU(9)控制连接组成；
所述直线振动马达(1)由马达壳体(5)、弹簧支座(3)、螺旋弹簧(4)、振子(6)和线圈(7)组成；
所述马达壳体(5)嵌置在转向盘(2)内，两个所述弹簧支座(3)固定在马达壳体(5)内部两端，所述振子(6)两端加工有轴针，振子(6)活动安装在两个所述弹簧支座(3)之间，且轴针与弹簧支座(3)和马达壳体(5)两端的通孔间隙配合；
所述螺旋弹簧(4)安装在弹簧支座(3)内，一端顶靠在弹簧支座(3)底部，另一端顶靠在振子(6)轴针的轴肩处；
所述线圈(7)缠绕在马达壳体(5)的外表面，且线圈(7)缠绕段的中线从振子(6)的中线不重合，线圈(7)的一端连接公共地端，线圈(7)的另一端通过信号线(8)连接车辆控制器ECU(9)信号输出端；
所述车载控制器ECU(9)与车辆的信息采集装置信号连接，车载控制器ECU(9)获得并处理车辆的行使状态信息，进而向直线振动马达(1)发送控制信号。
2.如权利要求1所述车辆转向盘触觉反馈系统，其特征在于：
所述马达壳体(5)采用非金属材料制成；
所述振子(6)采用高密度可导磁衔铁制成；
所述线圈(7)为漆包细铜线。
3.如权利要求1所述车辆转向盘触觉反馈系统的反馈方法，其特征在于：
当车辆的辅助系统需要进行信息反馈时，向车辆控制器ECU发送反馈请求，车辆控制器ECU9根据反馈请求进入不同的反馈模式，进而生成不同的控制信号，并驱动嵌置在转向盘(2)上的直线振动马达(1)工作；
所述不同的反馈模式包括常规反馈、中断反馈和紧急反馈；
所述常规反馈模式具体如下：
A1、首先判断紧急反馈标志是否触发，如果判断紧急反馈标志触发，则将紧急反馈标志清零，然后进入步骤A4；如果判断紧急反馈标志没有触发，则进行下一步骤A2；
A2、判断驾驶员是否开启了触觉反馈系统，如果驾驶员没有开启触觉反馈系统，则进入下一步骤A3；如果驾驶员开启了触觉反馈系统，则检测是否触发中断反馈标志，如果触发中断反馈标志，此时为中断反馈工况，并进入中断反馈模式，如果没有触发中断反馈标志，则进入下一步骤A3；
A3、检测并判断反馈系统的占用状态，如果反馈系统未被占用，则进入下一步骤A4；如果反馈系统被占用，反馈占用状态为“1”，此时直接进行定时器累加，并进入步骤A5；
A4、根据当前反馈请求的类型确定当前触发事件的触发等级、振动频率以及振动时间信息，并将定时器清零；车辆控制器ECU根据以上信息产生激励电流控制直线振动马达产生振动，此时将反馈占用状态置“1”，定时器累加，并进入步骤A5；
A5、判断定时器是否溢出，如果定时器没有溢出，返回步骤A1，重复判断紧急反馈标志，确定驾驶员开启触觉反馈，监测终端标志等步骤；如果定时器的值溢出，此时关闭直线振动马达，反馈占用状态清零，返回步骤A1，进行下一个工况的循环；
所述中断反馈模式具体如下：
B1、根据上述常规反馈模式中A1、A2的反馈过程，当进行A2步骤时，如果驾驶员开启了触觉反馈系统，则检测是否触发中断反馈标志，如果没有触发中断反馈标志，则正常进行后续常规反馈过程；如果触发了中断反馈标志，此时为中断反馈工况，并进入中断反馈模式；
所述触发了中断反馈标志，是指在当前反馈系统正在执行当前反馈请求的时候，有另一项中断反馈请求触发；
B2、进入中断反馈模式后，确定中断事件的优先等级并将中断反馈标志位清零，然后进行下一步骤B3；所述事件优先等级预设并存储于车辆控制器ECU中；
B3、比较当前反馈请求与中断反馈请求的优先等级；如果当前反馈请求的优先等级大于等于中断反馈请求，直接进行步骤B6；如果中断反馈请求的优先等级大于当前反馈请求的优先等级，则关闭直线振动马达，并进入下一步骤B4；
B4、将中断反馈请求的优先等级赋值给当前反馈请求的优先等级，重新配置振动频率、振动时间等信息，并将累加器清零，然后进入下一步骤B5；
B5、启动直线振动马达并将反馈占用状态置“1”，然后进入步骤B6；
B6、定时器累加，并进行下一步骤B7；
B7、判断定时器是否溢出，如果没有溢出，返回步骤B1；如果定时器溢出，则关闭直线振动马达，反馈占用状态清零，返回步骤B1，进行下一个工况的循环；
所述紧急反馈模式具体如下：
C1、当出现危及人身及车辆安全的紧急情况时，触发紧急反馈标志位，并进入下一步骤C2；
C2、清零紧急反馈标志位，并进入下一步骤C3；
C3、将当前的反馈请求等级设为最高，确定反馈频率及振动时间，并且清零定时器，并进入下一步骤C4；
C4、启动直线振动马达，立刻进行触觉反馈，并将反馈占用状态置“1”，并进入下一步骤C5；
C5、将定时器进行累加，判断定时器是否溢出；如果没有溢出，返回步骤C1；如果溢出，关闭直线振动马达，并将反馈占用状态清零。
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| CN111552372A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-08-18 | 瑞声科技(新加坡)有限公司 | 车载装置 |
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- 2017-02-22 CN CN201710094615.9A patent/CN106926892A/zh active Pending
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