基于超声波辐射压力的空中触觉反馈技术

发布时间：2020-10-11 17:32

　　 触觉反馈为人机交互提供了新的交互方式,是现阶段人机交互领域的重要研究方向。触觉反馈依据是否与设备直接接触可以分为接触式触觉反馈和非接触式触觉反馈两种方式。在非接触式触觉反馈的研究中,基于超声波辐射压力的空中触觉反馈是国内外研究的热点。基于超声波辐射压力的空中触觉反馈使用户摆脱了设备的束缚,增加了交互的自然性,提高了交互的舒适度,可以广泛应用于教育、医疗、游戏等多个领域。本文从超声聚焦原理、软硬件系统开发、系统性能测试等方面对基于超声波辐射压力的空中触觉反馈技术进行了研究。开发了基于超声波辐射压力的空中触觉反馈系统,分析了载波占空比、调制波频率对触觉反馈性能的影响,为后续基于超声波辐射压力的空中触觉反馈技术的研究提供了实验平台和相关技术参考。本文的主要工作如下:(1)研究了超声波辐射压力的触觉反馈原理及多通道超声波聚焦技术,完成了324通道的超声波空中触觉反馈硬件系统的设计与开发,主要包括18×18超声波聚焦阵列、多通道超声波聚焦驱动单元、基于DSP和FPGA双核结构的多通道聚焦主控单元以及电源等电路。(2)构建基于超声波辐射压力的触觉反馈系统的DSP和FPGA双核软件系统,完成主控单元DSP、主控单元FPGA和驱动单元FPGA软件设计。主控单元DSP完成相位计算、uPP传输、上位机通信等功能,主控单元FPGA负责产生同步时钟、调制信号、串行相位信息的同步传输等功能,驱动单元FPGA负责根据接收到的控制信号完成对于每个通道的相位的具体控制。结合硬件系统,完成了基于超声波辐射压力的触觉反馈系统的开发。(3)在完成基于超声波辐射压力的触觉反馈系统的基础上,从功耗、聚焦点大小、系统延时精度、占空比以及调制波频频率对触觉反馈效果等方面对系统性能进行测试分析。分别验证载波占空比、调制波频率对触觉反馈的渲染强度、渲染聚焦点大小的影响,验证了开发基于超声波辐射压力的触觉反馈系统的稳定性。本文的主要贡献和创新包括:(1)开发了完整的基于超声波辐射压力触觉反馈系统的原理样机,为后续超声波辐射压力的空中触觉反馈技术的进一步研究提供了实验平台。(2)完成基于DSP和FPGA的超声波动态聚焦系统的设计与开发,实现了三维空间中动点、多点超声波聚焦;设计基于FPGA的324个通道的相位控制算法,能够实现高刷新频率下的同步相位控制。系统相位延时精度达到0.5微秒,聚焦点分辨率达到17mm。(3)测试并分析了载波占空比、调制波频率对超声触觉反馈效果的影响,并进行了空中简单的图形触觉渲染实验,验证了超声波驱动信号特征与触觉反馈效果的映射关系,为后续三维空间内的图形渲染提供参考。本文对基于超声波辐射压力的空中触觉反馈技术从基本理论、硬件系统、软件系统、渲染实验几个方面进行了研究,为基于超声波辐射压力的空中触觉反馈技术的深入研究提供了技术支撑。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP11;TN791
【部分图文】：

图 1.1 SemFeel 设备 图 1.2 T-Mobile 设备 图 1.3 TPaD 设备基于机械振动的触觉反馈，由于其原理上的缺陷，只能实现装置的整体振动，致了反馈的效果单一，用户体验真实感低，仅能满足简单的触觉反馈要求[13]。（2）基于空气压膜的触觉反馈技术

图 1.1 SemFeel 设备 图 1.2 T-Mobile 设备 图 1.3 TPaD 设备基于机械振动的触觉反馈，由于其原理上的缺陷，只能实现装置的整体振动，致了反馈的效果单一，用户体验真实感低，仅能满足简单的触觉反馈要求[13]。（2）基于空气压膜的触觉反馈技术

图 1.1 SemFeel 设备 图 1.2 T-Mobile 设备 图 1.3 TPaD 设备基于机械振动的触觉反馈，由于其原理上的缺陷，只能实现装置的整体振动，致了反馈的效果单一，用户体验真实感低，仅能满足简单的触觉反馈要求[13]。（2）基于空气压膜的触觉反馈技术
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本文编号：2836897