静电力触觉再现驱动信号合成技术研究

发布时间：2017-10-19 21:27

  本文关键词：静电力触觉再现驱动信号合成技术研究

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【摘要】：静电力触觉再现利用静电感应原理通过改变手指和触觉再现面板交互界面的压力和摩擦力来再现不同的表面触觉特性,能够在普通触摸屏表面实现裸指触觉再现,在人机交互和虚拟现实领域具有重要的应用价值。目前静电力触觉再现技术的研究多集中在触觉再现设备以及图像触觉渲染算法等方面,而静电力触觉再现产生机理及触觉力的量化表征等方面还有待于进一步深入研究。本文研究静电力触觉再现原理、系统建模以及驱动信号合成技术,在DSP平台上实现驱动信号合成,并搭建静电力测量平台,通过实际测量静电力客观定量地研究静电力和驱动信号的映射关系,由驱动信号的合成实现静电力的合成,为静电力触觉再现理论研究以及相关产品的开发提供参考。本文的主要工作内容如下:(1)在分析静电力触觉再现系统组成及基本原理的基础上,结合手指皮肤生物电特性建立了静电力触觉再现系统模型,针对系统模型利用静电场理论和电路原理进行理论分析,获取触觉静电力和驱动信号之间的定量关系。(2)在分析直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis,DDS)原理及结构的基础上设计了静电力触觉再现驱动信号合成方案,以DSP为主控芯片实现DDS结构中的相位累加器和波形ROM表,结合数模转换器生成模拟阶梯波形,通过低通滤波器对波形进行平滑处理,最后经过幅值放大生成高幅值的静电力触觉再现驱动信号,并根据此方案在考虑电磁兼容及信号完整性的基础上设计实现了静电力触觉再现驱动信号合成硬件电路。(3)在静电力触觉再现驱动信号合成硬件电路的基础上开发了波形合成及串口通信程序。波形合成程序首先根据驱动信号频率和采样频率确定频率控制字,相位累加器不断对频率控制字进行累加获取周期变化的波形相位,利用波形ROM表进行相幅转换得到波形相位对应的幅值数字量,DSP将幅值数字量按照采样频率送给数模转换器生成波形。串口通信程序实现驱动信号幅值、频率等参数的设置工作,给出了调制波形的数字调制方法和程序实现,开发了上位机驱动信号参数设置软件程序,并对合成的驱动信号进行了测试。(4)搭建静电力测量装置,测量交互过程中不同驱动信号作用下手指受到的静电力,通过对考虑手指皮肤生物电特性的系统模型进行仿真以及实际测量静电力研究了系统模型的瞬态响应和稳态响应,获取静电力与驱动信号频率及幅值的定量关系,验证静电力触觉再现系统等效模型的有效性,研究了脉冲信号极性以及占空比对静电力的影响,并给出了脉冲信号低功耗的参数设计方案,此外,还研究了调幅信号对静电力的影响。本文的主要贡献及创新如下:(1)建立静电力触觉再现系统等效物理模型,解决了触觉力的客观定量求解问题,搭建静电力测量平台,解决了手指和触觉面板间静电力的测量问题。(2)研究了静电力和驱动信号不同参数的定量映射关系,由驱动信号的合成实现触觉力的合成。(3)设计了静电力触觉再现驱动信号合成方案及流程并实现了硬件电路及软件程序,实现了静电力触觉再现驱动信号的合成。上述工作为静电力触觉再现系统分析、驱动信号合成以及触觉静电力合成提供了方案,有一定的理论和应用参考价值。
【关键词】：静电力 触觉再现 直接数字频率合成技术 驱动信号合成 数字调制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN911.7
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.3 研究内容及论文安排16-17
• 1.4 本章小结17-19
• 第2章 静电力触觉再现原理及驱动信号合成原理19-27
• 2.1 静电力触觉再现原理19-20
• 2.2 静电力触觉再现系统模型20-22
• 2.3 驱动信号合成原理22-24
• 2.4 理想情况DDS频谱分析24-25
• 2.5 本章小结25-27
• 第3章 驱动信号合成硬件电路设计27-45
• 3.1 驱动信号合成总体方案设计27-28
• 3.1.1 驱动信号合成设计指标27-28
• 3.1.2 驱动信号合成设计方案28
• 3.2 单元电路设计28-39
• 3.2.1 核心处理单元28-31
• 3.2.2 数模转换电路31-33
• 3.2.3 运算放大电路33-34
• 3.2.4 低通滤波电路34-35
• 3.2.5 幅值放大电路35-36
• 3.2.6 串口通信电路36-37
• 3.2.7 电源电路37-39
• 3.3 PCB电路板设计39-40
• 3.4 小型化电路设计40-44
• 3.4.1 单片机最小系统41
• 3.4.2 直流升压电路设计41-42
• 3.4.3 高压输出电路设计42-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 驱动信号合成软件程序设计及系统测试45-53
• 4.1 DSP波形合成及通信程序设计45-49
• 4.1.1 CCS集成开发环境45
• 4.1.2 DSP主程序设计45-46
• 4.1.3 DSP波形合成程序设计46-48
• 4.1.4 串口通信程序设计48-49
• 4.2 上位机波形参数设置软件程序设计49-50
• 4.2.1 Qt应用程序开发框架49
• 4.2.2 波形参数设置软件程序设计49-50
• 4.3 静电力触觉再现驱动信号测试50-52
• 4.3.1 典型信号波形测试50-51
• 4.3.2 频率和幅度测试51-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 触觉静电力仿真及测量分析53-67
• 5.1 静电力测量平台及测量方法53-55
• 5.2 触觉静电力仿真及测量分析55-65
• 5.2.1 系统等效模型的瞬态响应和稳态响应55-57
• 5.2.2 静电力与驱动信号幅值和频率的关系57-59
• 5.2.3 脉冲信号极性对触觉静电力的影响59-61
• 5.2.4 脉冲信号占空比对触觉静电力的影响61-63
• 5.2.5 调幅信号对触觉静电力的影响63-65
• 5.3 本章小结65-67
• 第6章 总结与展望67-69
• 参考文献69-74
• 作者简介及科研成果74-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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中国硕士学位论文全文数据库 前5条

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本文编号：1063409