CN113454576A - 在板上产生触压效果的单元传感器-致动器及其使用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单元传感器‑致动器（1），其旨在固定在要根据至少一个预定振动模式来致动的表面（4）上，并且包括机电致动器（2）和变形或振动速度传感器（3），其特征在于，机电致动器（2）和传感器（3）在所述表面（4）上位于一处，即传感器（3）进行的测量在紧邻机电致动器（2）处进行，该紧邻使得致动器（2）和传感器（3）能够分别致动和测量同一个预定振动模式。
Description
技术领域
本发明涉及使用分布在界面上的多个机电致动器、尤其是压电致动器的触觉界面（interface tactile）的领域。
背景技术
已知的触觉界面使用多个致动器，尤其是压电致动器，这样的触觉界面存在与以下方面相关联的若干问题：其用于向致动器馈电并控制致动器的架构、致动器之间存在串扰现象、或对周围环境条件的过高的敏感度。
关于馈电，必须为每个压电致动器馈送电能，以便能够藉由压电效应将其转化为变形。因此，能量必须以复杂的方式分布在整个振动结构上，这导致致动器馈电架构的复杂性。
在某些已知配置中，并行地对各致动器进行馈电。于是各致动器被馈送有相同的电压，但由于每个致动器都可以有自己的谐振频率，因此这并不能保证致动器移位的同步，因而无法保证触觉界面上的动作的良好协调。
关于致动器控制，各致动器的动作必须很好地协调，以便为用户产生良好的触感，这导致致动器控制架构的复杂性。
在某些已知配置中，每个致动器都有自己的放大器，并且电压参考来自单个计算机。此方法使得能够经由该单个计算器实现动作的同步。作为抵偿，其实施起来很复杂，因为该单个计算机必须包括多个输出。
为了使致动器同步，借助于逆过滤（filtrage inverse）：辨识每个放大器和振动结构的传递函数，然后求逆，以根据参考变形获得电压参考。然而，由于这些传递函数随实验条件（几何变化、温度、用户手指压力等）而变化，因此必须定期辨识传递函数。
在文章（1）中，文章（1）为Sofiane Ghenna、Frédéric Giraud、ChristopheGiraud-Audine、Michel Amberg、Betty Lemaire-Semail的题为“Preliminary design ofa multi-touch ultrasonic tactile stimulator（多触摸超声触觉刺激器的初步设计）”的文章，发表于“World Haptics Conference（WHC），世界触觉会议，2015 IEEE，2015年6月，美国芝加哥，世界触觉大会（WHC），2015 IEEE，2015年，10.1109/WHC.2015.7177687 <hal-01238296>，介绍了具有由两个致动器控制的两种振动模式的梁的实现，但是在该实施方式中，致动器的控制不是分布在致动器附近。相反，单个控制器管理闭环电压参考。这具有以下缺陷：需要致动器与该单个控制器（DSP）之间的针对致动器的功率和信号的一贯连接。为了转为多种谐振模式，该单个控制器于是需要多个输入来测量变形，并且需要多个输出用于馈电电压。因此，该单个控制器必须包括大量输入/输出，这使其复杂且昂贵。
在文章（2）中，文章（2）为Sofiane Ghenna、Frédéric Giraud、ChristopheGiraud-Audine、Michel Amberg在“IEEE Transactions on Industrial Electronics2018（IEEE工业电子学会刊2018）”中的“Vector Control of Piezoelectric Transducersand Ultrasonic Actuators（压电换能器和超声致动器的矢量控制）”的文章，描述了超声域中的朗之万致动器的低水平控制的实验装置。这种控制使得能够跟踪变形幅度参考并追踪致动器的谐振频率，但它仅针对这样的单个致动器的单种振动模式进行了描述，因此不适用于对具有多个致动器的如板之类的触觉界面的各振动模式的控制。因此，为了转为板的多种振动谐振模式，就需要安置几个并行操作的操控回路。此外，在这种情况下，控制器必须是非常快速且昂贵的控制器。
此外，在已知的具有分布的多个致动器的架构中，向各致动器的馈电分发通常以高压进行，因此存在产生串扰现象的风险，即一个致动器的馈电可能会干扰相邻致动器的馈电，并且于是干扰整体的振动效果。它还可能干扰对振动的测量，因此在系统传感器的振动测量中可能同样存在致动器的馈电电压。
最后，已知的具有多个致动器的架构通常对周围环境条件的变化非常敏感，如操作温度，并且由此会干扰借助于致动器获得的触觉效果。
发明内容
发明目标
本发明的总体目标是提出一种用于超声应用的新型传感器-致动器，从而使得能够解决已知的具有多个致动器的系统的上述问题和缺陷。
本发明的具体目标是提出一种单元传感器致动器以及使用这样的传感器致动器的系统，其中，能量转换（即致动器的馈电）在每个致动器附近进行，使得向每个致动器分发能量而不是电压，以在致动器之间产生较少的串扰。
本发明的具体目标还有提出一种多传感器-致动器系统，以降低的频率从主微控制器通过通信链路向多个传感器-致动器提供振动参考。
发明概述
根据其原理，本发明提出了一种分布式且分层的振动控制结构，包括主机和一组从机。从机是单元传感器-致动器对（couple capteur-actionneur unitaire），其中传感器和致动器位于同一处，即理想情况下位于要致动的板的同一位置处，或至少位于板上彼此非常近距离处。它的作用是局部控制板的振动。传感器-致动器对包括直流-交流转换器，用于通过使用来自传感器的测量放大来自控制电路的信号来向致动器馈电。它遵循主处理器分配给它的指令局部且快速地做出反应。
因此，从机是传感器-致动器系统，结合有：
- 直流/交流转换器的电压参考
- 用于测量致动器振动的传感器
- 控制算法，其将致动器的控制结合到旋转参照系中
- 尽可能最快的通信模块。
“主”控制器或处理器将板的局部振动参考发送到每个传感器-致动器，所述局部振动参考是基于总体上要实现的参考而确定的。它从单元传感器-致动器接收量（测量、电压）。通过汇总这些信息，主机拥有总体信息，并且能够调整要传输到每个从机的参考。
因此，本发明的主题是一种单元传感器-致动器，其旨在固定在板的第一面上，要根据板的至少一个预定振动模式来致动所述板，所述单元传感器-致动器包括机电致动器和变形或振动速度传感器，二者均固定在板的所述第一面上以便在与所述第一面相对的板的第二面上产生振动，从而产生可由用户的手指或触控笔感知到的触压效果，其特征在于，致动器和传感器并排固定在所述第一面上并间隔一定距离，所述距离小于或等于在致动器应致动所述板的最小谐振频率下的振动的半波长，使得致动器和传感器能够分别致动和测量板的同一个预定振动模式。
以此方式，避免了给定的传感器-致动器可测量它不能致动的振动模式。
根据对应于板的多振动模式操作的实施例，传感器与致动器之间的距离小于或等于在致动器应致动所述板的最小谐振频率下的振动的半波长。
根据对应于单振动模式操作的另一实施例，传感器与致动器之间的距离等于振动的半波长的倍数。
根据有利实施例，机电致动器是压电致动器。
优选地，致动器的最大尺寸（即矩形致动器的情况下的长度）在2至25mm之间，以确保致动和测量功能，同时又足够小以能够激发最小波长的振动模式，所述最小波长在20kHz至200kHz之间的超声振动频率范围内。
根据一个实施例，传感器被布置为向与传感器-致动器相关联的处理器提供测量信号w(t)，并且所述处理器被布置为计算要输送给致动器的馈电电压的瞬时值，记为Vin(t)。
根据本发明的传感器-致动器包括由与传感器-致动器相关联的处理器控制的直流到交流的电压转换器。
根据传感器-致动器的有利实施例，馈电电压Vin(t)的值由数字控制器操控为由传感器输送的测量信号w(t)的瞬时值。
本发明的主题还有包括振动板的触觉装置，其特征在于，其包括分布且固定在振动板的一个面上的一组如上所述的单元传感器-致动器。
根据实施例，该触觉装置包括与单元传感器-致动器的每个从处理器的输入并联连接的主处理器，以便能够分离各致动器的控制信号。
根据该装置的有利实施例，主处理器被配置为以低于传感器的振动频率的频率向每个从处理器发送同步信息。
根据该装置的实施例，主处理器被配置为在初始化阶段期间执行自编址算法，以便自动建立在要致动的板上的传感器-致动器网络的绘图（cartographie）。
根据实施例，主处理器被配置为向从处理器传输工作参数，即控制要致动的板的一种或多种振动模式所需的数据。它还可以被配置为根据传感器-致动器的空间分布、初始化阶段期间分配给各传感器-致动器的谐振频率以及根据所寻求的用户在要致动的板的触觉面上的效果来向从处理器传输每个振动模式的电压整定值。
根据实施例，主处理器被配置为在诊断阶段期间询问从处理器以获得它们的操作参数并在必要时校正单独的传感器-致动器的参数设置。
最后，根据有利实施例，主处理器被配置为在对接阶段期间向外部处理装置传送向从处理器收集的数据，以使得能够对其进行后处理。
附图说明
将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了在上面引用的现有技术文献（2）中描述的来自相同发明人的实验装置的简化图；
图2示出了根据本发明的单元传感器-致动器组件的架构图。
图3示出了控制每个传感器-致动器的处理器的内部图；
图4借助于旋转参照系示出了控制振动原理；
图5示出了各压电致动器的馈电电路；
图6示出了根据本发明的用于致动触觉界面的多传感器-致动器架构的图。
具体实施方式
参考图1，图1示意性地示出了从上面引用的文献（2）中已知的并且使用单个朗之万型致动器的实验装置，该致动器由插入在具有纹理化上表面的振动主体与相对主体之间的压电片组成。压电振动传感器直接固定在朗之万致动器上，即在其振动主体上，而不是固定在承载朗之万型致动器的板上。用户可以通过将手指放在其振动主体的纹理化上表面上来测试直接在致动器上产生的触觉效果。该文献未就多个致动器和传感器的使用给出任何指导，所述多个致动器和传感器在板的一个面上位于一处并且非常紧密地布置使得位于一处的致动器和传感器可以分别致动和测量承载它们的板的同一个预定振动模式。
参考图2，其示出了根据本发明的单元传感器-致动器1的原理图。传感器-致动器1包括机电致动器2（压电或机电或其他类型的）和变形或振动速度传感器3（例如与上面引用的示例相同的类型），二者都固定在板4的所述第一面4a上，以便在板4的与所述第一面4a相对的第二面4b上产生振动，从而产生可由放在板的第二面4b上的用户的手指或触控笔感知到的触压效果。
根据本发明，致动器2和传感器3在振动板4的面4a上位于一处，也就是说，传感器3进行的测量非常靠近致动器2施加致动的位置。在本发明的上下文中，“板（plaque）”是指由任何材料制成的、刚性的、实心的并且与其其他尺寸相比具有较小厚度的片材。
优选地，传感器3与致动器2之间的距离小于根据致动器应致动所述板4的最小谐振频率的振动的半波长。
该传感器-致动器组件1附着到振动结构，这里以振动板或平板4的形式示出。传感器3和致动器2例如通过胶合而固定到板4的面4a上。传感器-致动器组件1的尺寸必须足够大以确保致动和测量功能，但又足够小以能够激发小波长的振动模式。举例来说，致动器2的最大尺寸（即矩形致动器的情况下的长度）在2至25mm之间，以确保致动和测量功能，同时又足够小以能够激发高频（因此小波长）振动模式。通常对20kHz至200kHz之间的超声范围内的致动频率感兴趣。
装置的每个传感器-致动器1由数字信号处理器5（也记为DSP，英文术语“DigitalSignal Processor”的首字母缩合词）控制，数字信号处理器5在其输入处接收来自传感器3的信号并在其输出处向直流/交流电压转换器6输送控制信号，以便将振动幅度局部操控至整定值。在设想的实施方式中，可以在旋转参照系中使用振动控制，如上面引用的文章（2）中解释的那样。
理想情况下，DSP处理器5和电压转换器6也距传感器3和致动器2非常近。但实际上它们应相距一定的距离，因为它们不应妨碍振动板4的振动。
参考图3，其示出了控制每个传感器-致动器1的DSP处理器5的内部图。虚线框示出了高频工作回路，例如由时钟7给出的1MHz频率。其余的块以较低的频率工作。
w(t)是来自传感器3的测量。它是先验正弦交替电压，可以类似于振动速度或致动器2附近的表面4的位移。旨在输送至传感器-致动器1的输出电压记为vin(t)。它也是正弦交替的。
控制如w(t)这样的高频正弦交替量并不容易。这就是为什么在由模拟-数字转换器8（在图3中记为ADC，英文术语“Analog to Digital Converter（模数转换器）”的首字母缩合词）进行的模/数转换级之后，测量w(t)首先通过脉冲载波ω进行解调（这样的解调在机电系统中有时称为旋转）。在解调器9的输出处，有两个量Ud和Uq。在稳态下，Ud和Uq是常数，这就是为什么控制Ud和Uq比起直接控制w(t)更容易。解调级9实现：
[数学式1] Ud = (N/T)∫(NT)w(t) x cos(ωt)dt和Uq = (N/T)∫(NT)w(t) x sin(ωt)dt
其中T=2π/ω是振动周期，并且N是整数，转换Ud和Uq的计算范围。
然后在VCM（“Vector Control Method（矢量控制方法）”的首字母缩合词或矢量控制）块10内将Ud和Uq的值与参考值Udref和Uqref进行比较，并且VCM块内部的校正器通过提供馈电电压Vin(t)的调节值来执行电压值的操控，记为Vd和Vq。
电压调节值Vd和Vq被传输到调制器11（也称为逆旋转）。然后通过下式计算电压Vin(t)：
[数学式2] Vin(t)=Vdsin(ωt) - Vqcos(ωt)。
由于sin(ωt)和cos(ωt)信号是在同一个微处理器内部产生的，因此解调载波必然同步并具有与振动相同的脉冲，因为振动是基于电压v(t)而产生的。
这些cos(ωt)和sin(ωt)信号是从直接合成DDS 12（DDS是英文术语“DirectDigital Synthesis（直接数字合成）”的首字母缩合词）产生的。在DDS块中，定时器（记为“定时器”）产生具有固定周期Te的时钟，固定周期Te比受控振动模式的周期小得多（例如Te=1μsec）。在每个时钟步长，Nc位（例如N=32）的计数器C递增记为Δθ的值。一段时间后，计数器将溢出。该时间通过下式来计算：T=(Δθ/2N) Te。
原则上，该时间T将等于所考虑的模式的振动周期，因此等于所考虑的谐振频率。
实际上，计数器C的Ns个最高有效位用作到ROM存储器的地址，该ROM存储器包含正弦函数的值。通过偏移，还得到针对同一时刻的余弦值。通过改变Δθ的值来改变振动频率。
在称为“谐振频率跟踪”的特定操作模式中，寻求准确地以致动器的谐振频率激发振动模式，而不管该频率的任何可能变化。Vq的值由VCM块系统上指定为0。然后，当Vd固定且ω（ω=2πf）可变时，Ud和Uq的演变根据特定的圆来进行，如图4所示。
实际上，在所考虑的模式的谐振频率（ω=ω0）下，Uq=0。于是，没必要精确地知道该模式的谐振频率值，因为能通过Uq的值来知道该值。然后，可以关联频率跟踪算法（可以将其引入VCM中）以跟踪谐振频率。
在称为“同步模式”的另一操作模式中，工作频率是指定的（例如，由稍后描述的主处理器来指定）。然后，Vq的值不为零，而是使用VCM块的操控回路将Uq指定为特定值，例如0。
最后，每个传感器-致动器1还具有馈电13，其能够放大电压Vin，同时确保阻抗匹配。例如，可以使用类似于图5中示意性示出的桥臂。由两个晶体管14进行的脉宽调制方法来截止总线电压，记为HV。电感15过滤谐波含量同时确保源的交替。例如，压电致动器是电容性的。如果将压电致动器连接到电压源，则会产生巨大的瞬态电流。为了避免这种情况，安排插入电流源，以符合功率电子装置中已知的源的交替规则。必要时，可以在每个单元传感器-致动器1的DSP处理器5处实施电压的闭环操控。
图6示出了使用如前所述的多个单元传感器-致动器1的系统16的图，其使得能够向分布在谐振装置（例如，触觉界面4）上的一组机电致动器进行馈电并对其进行控制。
装置16是分层的，如图6所示。它包括主要处理器17，其扮演主机的角色，主机协调各单元传感器-致动器1的处理器5，这些处理器5扮演从处理器的角色。主处理器17具有合适的计算能力，但不一定非常快，并且不需要专门的外围装置。因此其成本是有限的。从传感器-致动器1的数量是可变的。该数量由用户根据要致动的板4和要操控的振动模式来确定。
各元件之间的通信通过一根或两根线（例如I2C或SPI类型）上的网络通信18来确保。与根据现有技术的单处理器结构相比，主处理器17和从处理器5之间的通信可能相对较慢。它用于具有低通带要求的管理操作，如构造传感器-致动器1的网络、分配从处理器5、传输整定值、同步、系统诊断或与外部装置（未示出）的对接。下面更详细地描述这些操作。
- 构造网络：主处理器17执行自编址算法，通过该算法，它自动建立传感器-致动器1的网络的绘图。
- 分配从处理器5：基于单元传感器-致动器1在要使之振动的结构4上的布置的先验知识，主处理器17向从处理器5传输工作参数（具体地，控制一种或多种振动模式所需的数据，如（一个或多个）谐振频率、（一个或多个）阻尼、增益、（一个或多个）控制器的参数）。
- 定义并传输整定值：通过模态分解，每个模式的参考是根据在要致动的表面4上寻求的效果（振动控制、聚焦）所需的位移、速度或加速度的空间分布来计算的。在上述旋转参照系（图4）中表示的参考对应于真实轨迹的包络。在给定的传感器-致动器1处，传感器-致动器根据谐振频率对该（一个或多个）包络进行调制，谐振频率是在网络初始化阶段期间向传感器-致动器传达的。这使得能够最大限度地减少通信需求，因为使得能够描述包络的点数少于描述以超声频率调制的信号所需的点数。实际上，正弦信号的包络表示例如峰值幅度随时间的演变。由于幅度的演变比正弦信号慢，因此描述幅度与描述信号本身相比需要的每秒点数更少。
- 同步：对于聚焦振动型应用，各调制之间的相移至关重要。一旦从处理器5被初始化，主处理器17就通过在通信信道上传输的“字”来确保指令执行的同时触发。
- 诊断：在询问主处理器17时，从处理器5向主处理器上传操作诊断所需的元素（例如电压Vd、Vq、速度UdUq）。基于这些数据，主处理器17基于例如该结构的内部模型来校准系统的特性。该校准使得能够调整动态参数并在必要时在需要的情况下校正单独的传感器-致动器1的参数设置。
- 对接：主处理器17能够与更先进的装置（计算机、电子平板电脑）通信。这使得能够部署高级工具来在要致动的结构的描述阶段、传感器-驱动器的布置的绘图、内部模型（即描述例如振动模式（模态变形）的一组方程）的参数设置方面帮助用户。这些方程的参数可以通过串行链路输入。实际指令通过这种方式传输（主处理器17然后负责模态基中的投影，也就是说，基于希望的参考变形，基于标量积算法来计算每种振动模式的幅度。主处理器17可以上传向从处理器5收集的数据，以使得用户能够对其进行后处理。
发明优势
本发明达成了所设定的目标，并且使得能够解决对根据现有技术的致动器发现的问题。
特别地，每个单独的传感器-致动器1的结构与主处理器17进行的控制相结合使得能够简化连接并共享致动器的馈电（通常是高压）和通信网络，同时避免线缆间串扰。单元传感器-致动器1的同步由通信链路和局部处理器5的石英的稳定性来确保。
单元传感器-致动器1可以在多个结构的网络中使用，主处理器17提供适于应用的电压参考，这使得能够实现良好的使用多功能性。
闭环控制使得能够适应因周围环境条件改变而引起的参数变化，因此该装置的操作很稳健。
已知控制与传感器不位于一处的振动的问题在于致动与传感器测量的信号之间的相对相位随模式而改变。这样，致动器和传感器对于一种模式可能同相而对于相邻模式可能反相。因此，通过闭环，由于反馈中的符号改变，一种模式的稳定回路可能潜在地因相邻模式而不稳定。
如上所述的传感器和致动器位于一处使得能够消除该缺陷。
此外，传感器-致动器具有向主处理器上传的逻辑链路这一事实使得能够同步所有传感器-致动器。另外，主处理器只需要与局部以较高频率工作的从处理器进行低频通信，从而避免了主处理器过大的情况。
Claims (15)
1.一种单元传感器-致动器（1），其旨在固定在板（4）的第一面（4a）上，要根据板的至少一个预定振动模式来致动所述板（4），所述单元传感器-致动器（1）包括机电致动器（2）和变形或振动速度传感器（3），二者均固定在板（4）的所述第一面（4a）上以便在与所述第一面（4a）相对的板（4）的第二面（4b）上产生振动，从而产生可由用户的手指或触控笔感知到的触压效果，其特征在于，致动器（2）和传感器（3）并排固定在所述第一面（4a）上并间隔一定距离，所述距离小于或等于在致动器（2）应致动所述板（4）的最小谐振频率下的振动的半波长，使得致动器（2）和传感器（3）能够分别致动和测量板（4）的同一个预定振动模式。
2.根据权利要求1所述的传感器-致动器（1），其在单振动模式下使用，其特征在于，在所述第一面（4a）上的传感器（3）与致动器（2）之间的距离等于所述单振动模式的半波长的倍数。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器-致动器（1），其特征在于，机电致动器（2）是压电致动器。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的传感器-致动器（1），其特征在于，其最大尺寸在2至25mm之间，以确保致动和测量功能，同时又足够小以能够激发最小波长的振动模式，所述最小波长在20kHz至200kHz之间的超声振动频率范围内。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器-致动器（1），其特征在于，传感器（3）被布置为向与传感器-致动器（1）相关联的处理器（5）提供测量信号w(t)，并且在于，所述处理器（5）被布置为计算要输送给致动器（2）的馈电电压的值，记为Vin(t)。
6.根据权利要求5所述的传感器-致动器（1），其特征在于，其包括由与传感器-致动器（1）相关联的所述处理器（5）控制的直流到交流的电压转换器（6）。
7.根据权利要求6所述的传感器-致动器（1），其特征在于，馈电电压Vin(t)的值由所述数字处理器（5）操控为由传感器（3）输送的测量信号w(t)的瞬时值。
8.包括振动板（4）的触觉装置（16），其特征在于，其包括分布且固定在振动板（4）的一个面（4a）上的一组根据前述权利要求中的任一项所述的单元传感器-致动器（1）。
9.根据权利要求8所述的触觉装置（16），其特征在于，其包括与单元传感器-致动器（1）的每个从处理器（5）的输入并联连接的主处理器（17），以便能够分离各致动器（2）的控制信号。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，主处理器（17）被配置为以低于传感器（2）的振动频率的频率向每个从处理器（5）发送同步信息。
11.根据权利要求9至10中的一项所述的装置，其特征在于，主处理器（17）被配置为在初始化阶段期间执行自编址算法，以便自动建立在要致动的板（4）上的传感器-致动器（1）网络的绘图。
12.根据权利要求9至11中的一项所述的装置，其特征在于，主处理器（17）被配置为向从处理器（5）传输工作参数，即控制一种或多种振动模式所需的数据。
13.根据权利要求9至12中的一项所述的装置，其特征在于，主处理器（17）被配置为根据传感器-致动器（1）的空间分布、初始化阶段期间分配给各传感器-致动器（1）的谐振频率以及根据所寻求的在要致动的板（4）的表面（8）上的效果来向从处理器（5）传输每个振动模式的电压整定值。
14.根据权利要求9至13中的一项所述的装置，其特征在于，主处理器（17）被配置为在诊断阶段期间询问从处理器（5）以获得它们的操作参数并在必要时校正单独的传感器-致动器（1）的参数设置。
15.根据权利要求9至14中的任一项所述的装置，其特征在于，主处理器（17）被配置为在对接阶段期间向外部处理装置传送向从处理器（5）收集的数据，以使得能够对其进行后处理。
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