基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统

技术领域

本发明涉及触觉反馈技术领域，特别涉及一种基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统。

背景技术

随着现阶段人机交互领域的不断研究和发展，对各种交互途径的准确性和可靠性提出越来越高的要求。触觉反馈提供了一种新的人机交互方式，是现阶段人机交互领域的重要研究方向。触觉反馈的方式可分为两种：接触式触觉反馈和非接触式触觉反馈，这取决于它们在使用的过程中是否与设备直接接触。在非接触触觉反馈的研究中，基于超声波相控阵的触觉反馈是国内外研究的热点。基于超声波在空中形成的声束聚焦而产生触觉反馈，创造性地使用户能够摆脱设备的束缚，增加了交互的舒适度，可以广泛应用于教育、医疗、游戏等多个领域，具有广阔的应用前景。

目前的超声波激发技术主要是通过在换能器两端施加高压脉冲产生超声波，这种激发方式简单可靠，但是发射信号参数难以调控，需要搭配相控阵技术才能完成声束聚焦。

发明内容

根据本发明实施例，提供了一种基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统，包含：

超声波换能器阵列，超声波换能器阵列包含若干超声波换能器，用于向空中特定区域发射超声波；

主控模块，主控模块的输入端接收空中特定区域的坐标参数，根据坐标参数计算并输出超声波换能器阵列的各个通道的控制信号，控制信号包含相位周期、同步时钟和调制信号；

驱动模块，驱动模块的输入端与主控模块的输出端相连，驱动模块的输出端与超声波换能器阵列相连，用于计算和放大超声波换能器阵列的各通道的控制信号。

进一步，主控模块包含串联的：UART串口、数字信号处理器和第一现场可编程门阵列；

UART串口接收空中特定区域的坐标参数并输入数字信号处理器；

数字信号处理器将空中特定区域的坐标参数换算为相位周期并输出至第一现场可编程门阵列；

第一现场可编程门阵列生成同步时钟和调制信号，并将控制信号输出至驱动模块。

进一步，驱动模块包含串联的：第二现场可编程门阵列和放大电路；

第二现场可编程门阵列的输入端与主控模块的输出端相连，第二现场可编程门阵列的输出端与放大电路的输入端相连，用于对调制信号延时，并输出到放大电路；

放大电路的输出端与超声波换能器阵列相连。

进一步，放大电路包含：若干运算放大器电路，每个运算放大器电路分别对应输出若干超声波换能器的控制信号。

进一步，运算放大器电路为双相放大电路，每个运算放大器输出两个超声波换能器的控制信号。

进一步，运算放大器电路包含：

一运算放大器，运算放大器为双路运算放大器；

一对隔直电容，一对隔直电容分别对应连接在双相运算放大器的双相的输入端与主控模块的输入端之间。

进一步，超声波换能器阵列的若干超声波换能器为平面矩阵阵列。

进一步，超声波换能器的超声波发射头的内部为压电陶瓷片结构。

根据本发明实施例的基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统，多通道超声波相控阵发射系统，利用DSP和FPGA双核结构，实现超声波换能器相位的精确控制，实现基于超声波相控阵的非接触式触觉反馈。

要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并 且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。

附图说明

图1为根据本发明实施例基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统的原理框图；

图2为图1中的运算放大器电路的电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。

首先，将结合图1~2描述根据本发明实施例的基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统，用于教育、医疗、游戏等领域，其应用场景很广。

如图1所示，本发明实施例的基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统，具有超声波换能器阵列1、主控模块2和驱动模块3。其中，超声波换能器阵列1包含若干超声波换能器，用于向空中特定区域发射超声波；主控模块2的输入端输入空中特定区域的坐标参数，根据坐标参数计算并输出超声波换能器阵列1的各个通道的控制信号，控制信号包含相位周期、同步时钟和调制信号；驱动模块3的输入端与主控模块2的输出端相连，驱动模块3的输出端与超声波换能器阵列1相连，用于计算和放大超声波换能器阵列1的各通道的控制信号。

具体地，如图1所示，主控模块2具有：UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART，通用异步收发传输器)串口21和数字信号处理器22（Digital SignalProcessing，DSP）、和第一现场可编程门阵列23（Field Programmable Gate Array，FPGA），UART串口21和数字信号处理器22串联连接，UART串口21接收空中特定区域的坐标参数并输入数字信号处理器22，数字信号处理器22将空中特定区域的坐标参数换算为相位周期并输出至第一现场可编程门阵列23；第一现场可编程门阵列23生成同步时钟和调制信号，并将控制信号输出至驱动模块3。在本实施例中，超声波换能器阵列1的控制信号为各个超声波换能器的相位，DSP的主频可达465MHz，能够确保实时计算超声波换能器的相位的低延时、高分辨率，以保证空中特定区域，即超声波聚焦点的精度。

具体地，如图1所示，驱动模块3具有串联的：第二现场可编程门阵列31（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）和放大电路32，第二现场可编程门阵列31的输入端与主控模块2的输出端相连，第二现场可编程门阵列31的输出端与放大电路32的输入端相连，用于对调制信号延时，并输出到放大电路；放大电路32的输出端与超声波换能器阵列1相连。

进一步，放大电路32具有：若干运算放大器电路，每个运算放大器电路分别对应输出若干超声波换能器的控制信号。如图2所示，运算放大器电路为双相放大电路，具有较低的输入偏置电压和偏移电流，输入级具有较高的输入阻抗，其谐波失真率 0.003%，增益带宽为 3MHz，最大工作电压为±24V，具有较的工作电压范围，并可同时驱动两个超声波换能器，减少驱动器芯片的用量，节约成本，降低系统复杂度。

进一步，如图2所示，运算放大器电路包含：一运算放大器Q和一对隔直电容C；运算放大器Q为双路运算放大器；一对隔直电容C分别对应连接在双相运算放大器的双相的输入端与主控模块2的输入端之间，以隔离输入端的直流电流，在本实施例中，由于增加隔直电容C会对调制信号滤波，造成信号失真，因而需选用经测试合适的电容，即保证放大倍数合格，输出电压能够满足超声波换能器所需驱动电压，从而确保放大后的输出信号失真较小。在本实施例中，主控模块2的输出峰值约为3.3V，而驱动模块3的输出电压峰值约为 24V，放大倍数约为 7.5。

超声波相控阵可以有多种几何排列形状，但是在本实施例中需要兼顾触觉反馈模块化设计，以便与各种虚拟现实技术进行结合以提升交互的自然性、准确性，更方便地对阵列进行拓展，因此，在本实施例中，超声波换能器阵列1的若干超声波换能器为平面矩阵阵列，通过对各个超声波换能器的激励信号进行相位控制，平面超声波相控阵可以实现触觉反馈、超声悬浮、方向扬声器等应用需求。进一步，在本实施例中，超声波换能器阵列1采用9×9平面超声阵列，驱动模块3设有41个运算放大器Q，按1:2的比例，对81个通道的超声波换能器控制信号进行放大。

进一步，超声波换能器的超声波发射头的内部为压电陶瓷片结构，当在它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电陶瓷片的固有震荡频率时，压电陶瓷片将会产生共振，并带动共振板振动，从而能够将40kHz的激励信号转换为超声波。

以上，参照图1~2描述了根据本发明实施例的基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统，多通道超声波相控阵发射系统，利用DSP和FPGA双核结构，实现超声波换能器相位的精确控制，实现基于超声波相控阵的非接触式触觉反馈。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“具有……”、“包含……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。