CN110667687B - 一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，盘缘传感器位于方向盘的盘缘外侧；盘辐传感阵列位于方向盘的盘辐中心处；盘缘传感器和盘辐传感阵列均内置有压阻式传感器；信号处理装置、电源和无线收发模块安装在方向盘的盘辐上，电源分别与信号处理装置和无线收发模块电性连接；信号处理装置与无线收发模块电性连接，并且信号处理装置分别与盘缘传感器和盘辐传感阵列内的压阻式传感器电性连接。本发明通过带有触觉手势感知的智能方向盘装置，汽车驾驶系统中的个性化功能，娱乐系统功能和行驶过程常用的功能等将更加兼顾智能化，效率化和安全化，一种可行有效的人机交互方式。
Description
技术领域
本发明涉及车辆工程技术领域，更具体的说是涉及一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统。
背景技术
未来汽车人机交互技术的发展方向朝着更加人性化、安全化的方向发展。未来的交互形式不再过分依赖视觉信息，更强调多感官通道结合。从车内部件细分来看，主要包括照明单元、中控屏、方向盘等。为降低驾驶人员疏忽导致的交通事故风险，提升驾驶员安全驾驶操作，已成为汽车智能化改善的重点。
目前汽车的很多功能，例如多媒体娱乐功能，语音导航功能，车窗升降功能，空调功能，座椅调节功能等，使用的都是传统的机械按键操作，该操作常常会转移驾驶员的视线与注意力去操作功能按键，过分依赖视觉信息会提高驾驶员分散注意力的几率。这种无意识的行为极大程度会引发交通事故，存在重大安全隐患性。因此，目前通过在车辆方向盘上集成功能开关在许多车载人机交互方式中被认为是最优的方式之一。
同时，将触觉感知技术引入车辆方向盘，在方向盘处通过触觉识别装置识别驾驶员的意图是一种可行有效的人机交互方式。
因此，如何提供一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，通过带有触觉手势感知的智能方向盘装置，汽车驾驶系统中的个性化功能，娱乐系统功能和行驶过程常用的功能等将更加兼顾智能化，效率化和安全化，一种可行有效的人机交互方式。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，包括：方向盘和安装在所述方向盘上的传感器模块、电源、信号处理装置和无线收发模块；
所述传感器模块包括盘缘传感器和盘辐传感阵列，所述盘缘传感器位于所述方向盘的盘缘外侧；所述盘辐传感阵列位于所述方向盘的盘辐中心处；所述盘缘传感器和盘辐传感阵列均内置有压阻式传感器；
所述信号处理装置、电源和无线收发模块安装在所述方向盘的盘辐上，所述电源分别与所述信号处理装置和所述无线收发模块电性连接；所述信号处理装置与所述无线收发模块电性连接，并且所述信号处理装置分别与所述盘缘传感器和所述盘辐传感阵列内的所述压阻式传感器电性连接。
优选的，在上述一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统中，所述盘缘传感器还包括有盘缘基底，所述盘缘基底设置在所述方向盘的盘缘外侧，所述盘缘基底上安装所述压阻式传感器。
优选的，在上述一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统中，所述盘辐传感阵列还包括阵列基底和透光保护层，所述阵列基底安装在所述方向盘的盘辐中心处，所述阵列基底上设置有由多个所述压阻式传感器规则排布构成的压阻式传感器阵列，所述透光保护层将所述压阻式传感器阵列封装在所述阵列基底上。
优选的，在上述一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统中，所述压阻式传感器包括电极板层、介质层和基底层；所述电极板层和所述基底层之间通过所述介质层填充；在所述电极板层内侧面覆盖导电膜，所述导电膜同侧设置有两个电极，所述电极与所述信号处理装置电性连接。
优选的，在上述一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统中，所述电极板层为聚对苯二甲酸乙二醇酯为材质制成的透明板层；所述导电膜为铟锡氧化物半导体透明导电膜。
优选的，在上述一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统中，所述基底层采用具有生理惰性硅橡胶制备，通过匀胶机将双组份室温硫化硅橡胶加工成膜，经裁剪后制成所述基底层。
优选的，在上述一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统中，所述介质层由基本组分和填充组分制备而成，采用聚二甲基硅氧烷为基本组分，填充组份包括复合PEDOT/碳纳米管和复合PEDOT/石墨烯。
优选的，在上述一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统中，复合PEDOT/碳纳米管的制备方法为：用2-噻吩甲胺对酸化后的碳纳米管进一步的进行功能化，在电化学三电极体系的聚合条件下，使3,4-乙撑二氧噻吩与功能化碳纳米管进行反应生成PEDOT/碳纳米管复合电致变色材料，碳纳米管与PEDOT的质量比为1:9；
通过同样的上述方法和质量比制备PEDOT/石墨烯。
优选的，在上述一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统中，所述介质层的制备方法为：通过将PEDOT/碳纳米管和PEDOT/石墨烯添加进无水乙醇中，得到浓度为0.5mg/ml的溶液，利用超声波分散仪使其充分分散，然后加入聚二甲基硅氧烷，使PEDOT/碳纳米管，PEDOT/石墨烯和聚二甲基硅氧烷三者质量比为0.5:0.5:9；使用电动搅拌器搅拌混合，然后在加热台上加热挥发掉无水乙醇，然后加入固化剂，固化剂质量为聚二甲基硅氧烷质量的5％，充分搅拌后再抽真空除去气泡，接着倒入加工有表面微结构的聚四氟乙烯模具，最后真空干燥箱里加热成型后脱模制成。
优选的，在上述一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统中，所述盘缘传感器设置有四个，分别位于所述方向盘盘缘的2点钟、4点钟、8点钟和10点钟位置。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，本发明中压阻式传感器体积小，具有良好的柔软性，可以测量法向的压力；由于电极板层和透光保护层均为透明材质，压阻式传感器中介质层含有电致变色敏感材料成分，随着不同的压力而改变电阻的同时也呈现随压力改变的色光，使驾驶员能够察觉压力作用区域。
盘缘传感器和盘辐传感阵列使方向盘具有触觉式的手势识别感知能力，可以采集操作员的握力分布和压力信息，经过信号分析处理后得到手势信息。
本发明所述的带有触觉感知的智能方向盘装置可以用于提供更有效和较少干扰的人机交互界面，从而使汽车驾驶辅助系统更加智能化，效率化和安全化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的装配图；
图3是本发明中压阻式传感器的垂直结构图；
图4是本发明中压阻式传感器的拆分立体图；
图5是本发明的控制原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种带有触觉感知的智能方向盘装置可以用于提供更有效和较少干扰的人机交互界面，从而使汽车驾驶辅助系统更加智能化，效率化和安全化。
本发明公开了一种带有触觉手势感知的智能方向盘1装置，包括：方向盘1和安装在方向盘1上的传感器模块、电源2、信号处理装置3和无线收发模块4；无线收发模块可以为无线收发模块JF24D；
传感器模块包括盘缘传感器5和盘辐传感阵列6，盘缘传感器5位于方向盘1的盘缘外侧；盘辐传感阵列6位于方向盘1的盘辐中心处；盘缘传感器5和盘辐传感阵列6均内置有压阻式传感器7；
信号处理装置3、电源2和无线收发模块4通过支架8安装在方向盘1的盘辐上，电源2分别与信号处理装置3和无线收发模块4电性连接；信号处理装置3与无线收发模块4电性连接，并且信号处理装置3分别与盘缘传感器5和盘辐传感阵列6内的压阻式传感器7电性连接；
由于汽车方向盘1上安全气囊位于方向盘1的中心位置，在发生剧烈撞击的时候气囊弹出顶开中心位置的气囊盖，短时间内迅速充气来达到保护乘客的目的，盘辐传感阵列6覆盖在方向盘1盘辐中心位置的气囊盖表面，由于气囊盖的撕裂缝位于气囊盖的下半部分，所以信号处理装置3与盘辐传感阵列6内压阻式传感器7的电性连接走线经过气囊盖上半部分不会发生断裂的位置，所以不影响气囊弹出。
为了进一步优化上述技术方案，信号处理装置3包括有AD转换器，将压阻式传感器7采集的模拟信号转换为为数字信号，并通过无线收发模块4发射到车辆ECU，车辆ECU电性连接有与无线收发模块4匹配的无线收发模块，从而能够进行无线通讯。车辆ECU可以将驾驶员的手势信息转化为预设定好的命令，并对应相应的车载设备开启相应的功能。
本发明提出一种触觉辅助驾驶技术，使用触觉的方式将信息从驾驶员传递到车辆的个性化功能，娱乐系统功能和行驶过程常用的功能，能够为驾驶员提供更有效和较少干扰的辅助方法与人机交互方式。其控制原理图如图5所示，包括盘缘传感器5、盘辐传感阵列6、信号处理装置3、无线收发模块4、车辆ECU以及车辆上搭载的车载娱乐功能模块、导航模块、自动驾驶模块、安全防护功能模块和舒适性功能模块。通过盘缘传感器5和盘辐传感阵列6获得驾驶员自身的指令，最终控制车载娱乐功能模块、导航模块、自动驾驶模块、安全防护功能模块和舒适性功能模块进行动作，驾驶员从上述功能的模块中得到反馈，从而达到车辆人机交互界面智能化，效率化和安全化的效果。
为了进一步优化上述技术方案，盘缘传感器5还包括有盘缘基底，盘缘基底设置在方向盘1的盘缘外侧，盘缘基底上粘接固连压阻式传感器7。
为了进一步优化上述技术方案，盘辐传感阵列6还包括阵列基底61和透光保护层62，阵列基底61安装在方向盘1的盘辐中心处，阵列基底61上粘接固连有由多个压阻式传感器7规则排布构成的压阻式传感器7阵列，透光保护层62将压阻式传感器7阵列封装在阵列基底61上。
为了进一步优化上述技术方案，压阻式传感器7包括电极板层71、介质层72和基底层73；电极板层71和基底层73之间通过介质层72填充；在电极板层71内侧面覆盖导电膜，导电膜同侧设置有两个电极74，电极74与信号处理装置3电性连接。
为了进一步优化上述技术方案，电极板层71为聚对苯二甲酸乙二醇酯为材质制成的透明板层；导电膜为铟锡氧化物半导体透明导电膜。
为了进一步优化上述技术方案，基底层73和透光保护层62采用具有生理惰性和良好透光性的硅橡胶制备，通过匀胶机将双组份室温硫化硅橡胶加工成膜，经裁剪后制成基底层73和透光保护层62。
为了进一步优化上述技术方案，介质层72由基本组分和填充组分制备而成，采用聚二甲基硅氧烷为基本组分，填充组份包括复合PEDOT/碳纳米管和复合PEDOT/石墨烯。
介质层72的材料是具有力敏特性和良好柔性的导电聚合物，并在其表面设计微结构增加其灵敏度。
压阻式传感器7的特点是应用半导体作为敏感材料，其电阻阻值的变化会随着外界压力的不同作用效果而改变。现有的以硅基体或光电式等触觉力传感器存在柔性差、不易穿戴等缺点，本发明中使用的填充型高分子柔性导电复合材料，尤其碳系填料，因具备加工性好、工艺简单、电阻率易于调节等优点在柔性电子的研究中得到广泛应用。碳纳米管因较大的长径比呈现较低的渗流阈值，石墨烯对环境敏感，灵敏度高，被应用于力敏复合材料研究中。
透光性良好的的透光保护层62受到来自外界的力，法向力会压迫介质层72，压阻式传感器7电阻减小，同时因为电压电流变化，电致变色敏感材料在氧化还原态间转换，发生光学上的颜色变化。
通过同侧的两个电极74输出电信号并进行处理便可以得到触觉信号。通过将多个压阻式传感器7嵌入阵列基底61内，根据多点压力信号，使其获得多点压力信号感知能力，通过多点压力信号感知能力能够感知驾驶员作用在盘辐传感矩阵上的手势，因而具备手势识别能力；实际操作时将不同手势放于盘辐传感矩阵的表面，通过这种接触方式来感知驾驶员手势信息。
为了进一步优化上述技术方案，复合PEDOT/碳纳米管的制备方法为：用2-噻吩甲胺对酸化后的碳纳米管进一步的进行功能化，在电化学三电极74体系的聚合条件下，使3,4-乙撑二氧噻吩与功能化碳纳米管进行反应生成PEDOT/碳纳米管复合电致变色材料，碳纳米管与PEDOT的质量比为1:9；
通过同样的上述方法和质量比制备PEDOT/石墨烯。
为了进一步优化上述技术方案，介质层72的制备方法为：通过将PEDOT/碳纳米管和PEDOT/石墨烯添加进无水乙醇中，得到浓度为0.5mg/ml的溶液，利用超声波分散仪使其充分分散，然后加入聚二甲基硅氧烷，使PEDOT/碳纳米管，PEDOT/石墨烯和聚二甲基硅氧烷三者质量比为0.5:0.5:9；使用电动搅拌器搅拌混合，然后在加热台上加热挥发掉无水乙醇，然后加入固化剂，固化剂质量为聚二甲基硅氧烷质量的5％，充分搅拌后再抽真空除去气泡，接着倒入加工有表面微结构的聚四氟乙烯模具，最后真空干燥箱里加热成型后脱模制成。表面微结构为半球形。
为了进一步优化上述技术方案，盘缘传感器5设置有四个，通过方向盘套9封装在内，分别位于方向盘1盘缘的2点钟、4点钟、8点钟和10点钟位置。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，其特征在于，包括：方向盘和安装在所述方向盘上的传感器模块、电源、信号处理装置和无线收发模块；
所述传感器模块包括盘缘传感器和盘辐传感阵列，所述盘缘传感器位于所述方向盘的盘缘外侧；所述盘辐传感阵列位于所述方向盘的盘辐中心处；所述盘缘传感器和盘辐传感阵列均内置有压阻式传感器；
所述信号处理装置、电源和无线收发模块安装在所述方向盘的盘辐上，所述电源分别与所述信号处理装置和所述无线收发模块电性连接；所述信号处理装置与所述无线收发模块电性连接，并且所述信号处理装置分别与所述盘缘传感器和所述盘辐传感阵列内的所述压阻式传感器电性连接；
其中，所述盘缘传感器还包括有盘缘基底，所述盘缘基底设置在所述方向盘的盘缘外侧，所述盘缘基底上安装所述压阻式传感器；所述盘辐传感阵列还包括阵列基底和透光保护层，所述阵列基底安装在所述方向盘的盘辐中心处，所述阵列基底上设置有由多个所述压阻式传感器规则排布构成的压阻式传感器阵列，所述透光保护层将所述压阻式传感器阵列封装在所述阵列基底上；
所述压阻式传感器包括电极板层、介质层和基底层；所述电极板层和所述基底层之间通过所述介质层填充；在所述电极板层内侧面覆盖导电膜，所述导电膜同侧设置有两个电极，所述电极与所述信号处理装置电性连接；所述介质层表面设计微结构增加其灵敏度，所述介质层含有电致变色敏感材料。
2.根据权利要求1所述的一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，其特征在于，所述电极板层为聚对苯二甲酸乙二醇酯为材质制成；所述导电膜为铟锡氧化物半导体透明导电膜。
3.根据权利要求1所述的一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，其特征在于，所述基底层采用具有生理惰性硅橡胶制备，通过匀胶机将双组份室温硫化硅橡胶加工成膜，经裁剪后制成所述基底层。
4.根据权利要求1所述的一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，其特征在于，所述介质层由基本组分和填充组分制备而成，采用聚二甲基硅氧烷为基本组分，填充组份包括复合PEDOT/碳纳米管和复合PEDOT/石墨烯。
5.根据权利要求4所述的一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，其特征在于，复合PEDOT/碳纳米管的制备方法为：用2-噻吩甲胺对酸化后的碳纳米管进一步的进行功能化，在电化学三电极体系的聚合条件下，使3,4-乙撑二氧噻吩与功能化碳纳米管进行反应生成PEDOT/碳纳米管复合电致变色材料，碳纳米管与PEDOT的质量比为1:9；
通过同样的上述方法和质量比制备PEDOT/石墨烯。
6.根据权利要求5所述的一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，其特征在于，所述介质层的制备方法为：通过将PEDOT/碳纳米管和PEDOT/石墨烯添加进无水乙醇中，得到浓度为0.5mg/ml的溶液，利用超声波分散仪使其充分分散，然后加入聚二甲基硅氧烷，使PEDOT/碳纳米管，PEDOT/石墨烯和聚二甲基硅氧烷三者质量比为0.5:0.5:9；使用电动搅拌器搅拌混合，然后在加热台上加热挥发掉无水乙醇，然后加入固化剂，固化剂质量为聚二甲基硅氧烷质量的5％，充分搅拌后再抽真空除去气泡，接着倒入加工有表面微结构的聚四氟乙烯模具，最后真空干燥箱里加热成型后脱模制成。
7.根据权利要求1所述的一种带有触觉手势识别功能的人机交互智能方向盘系统，其特征在于，所述盘缘传感器设置有四个，分别位于所述方向盘盘缘的2点钟、4点钟、8点钟和10点钟位置。
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