车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法与装置，属于汽车电子、虚拟现实与人机交互领域。采用静电力、机械振动、空气压膜中的任意一种或多种方式融合的触觉再现装置，获取到用户与车载终端界面交互时的手指位置信息之后，基于坐标变换方法判断出手势类别，计算出手指旋转旋钮的角度和角速度，建立角速度

【技术实现步骤摘要】
车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法与装置


[0001]本专利技术属于汽车电子、虚拟现实与人机交互领域，尤其涉及一种车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法与装置。

技术介绍

[0002]一般汽车里只有像旋钮、按钮和滑块这种纯粹的物理控件，而如今车辆仪表板正在迅速转变为计算机界面，汽车内饰理念发生了颠覆性的转变。汽车行业已经开始在汽车仪表板和中控台上安装触摸显示屏，以减少对按钮和旋钮等物理控件的需求，设计更加可配置和丰富美观的汽车内饰，因此，司机操作方式正在改变。这对驾驶员来说是一个挑战，因为屏幕上没有可以使诸如点击按键、转动旋钮等传统控件易于操作的提示。传统的车载触摸屏没有集成触觉反馈技术，从而对视觉产生了巨大的需求。驾驶员安全数据表明，离开前方道路的视线导致了60％的碰撞事故，触摸屏使用的视觉特性是驾驶员分心的一个重要因素。
[0003]多资源模型表明，当执行多个来自同一个资源或模态的任务时，由于共享资源的处理瓶颈，执行性能通常会下降。驾驶汽车是一项需要视觉、听觉、空间和手动资源的任务，而车载信息系统主要依赖于驾驶员的视觉和听觉模态，这与驾驶汽车这项主要任务相竞争，因为驾驶时需要使用视觉和听觉资源，且在高水平背景噪声或者从事第二听觉任务(例如接听电话)时听觉资源受限。因此，触觉模态是在车辆中呈现重要信息的有效替代方式。
[0004]在汽车驾驶中，使用基于触觉反馈的交互界面具有以下优势，首先，触觉信息不会干扰驾驶时通常需要处理的视觉信息和听觉信息。多资源模型表明，通过不同感官通道呈现的信息不会像通过相同通道呈现的信息那样受到干扰。其次，触觉提示已被证明在事件驱动领域(如控制和驾驶)中能有效地引导注意力。第三，局部振动是向驾驶员呈现空间信息或警告信息并降低驾驶员认知负荷的直观方式。有实验表明，与语音警告提示相比，驾驶员对给油门踏板提供触觉反馈警告提示方法的反应更快。最近，Ho等人在论文《在驾驶环境中使用空间振动触觉提示指示视觉注意力》中证实了驾驶时在司机的身体上做方向相关的振动提示，司机对此做出的反应更快。Van等人在论文《在汽车导航系统中的振动触觉》中证实了使用触觉显示器来提供导航信息使飞行员和汽车驾驶员在高工作负荷条件下不会轻易受到飞机或汽车性能下降的影响。
[0005]大多数汽车原始设备制造商，如奥迪、奔驰和保时捷，以及汽车供应商，已经在触摸屏和无缝控制面板中使用螺线管和音圈致动器实现了触觉反馈。目前，已有一些关于车载终端用户界面使用触觉反馈技术的研究。
[0006]论文《使用触摸屏设备减少司机分心》中研制出了一款TPaD(触觉模式显示屏)可变摩擦触摸屏，用于福特驾驶模拟器中。这是在驾驶环境中首次部署可编程摩擦显示器。TPaD可以控制手指与车载触摸屏之间的摩擦系数，改变屏幕表面和用户指尖之间的横向阻力，以提供不同的触觉反馈力。可变摩擦显示屏的增加允许驾驶员在交互中增加物理力的提示。论文《我的按键在哪？评估汽车用户界面中表面触觉的用户体验》中借助汽车用户界
面的触觉处理框架，提出了一个车载界面触觉交互的四阶段模型：探索、检测、识别和使用，通过触觉增强边缘的方法使眼睛能够在触摸屏上进行“搜索”式交互。论文《获取触觉增强型汽车触摸屏交互的用户需求》提出了两种渲染车载终端用户界面上虚拟按键的方法：单一按键和多个按键的触觉反馈。渲染单一按键按下按钮的过程可以通过模仿力
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位移曲线施加触觉反馈，且按钮边缘的过渡部分，即从按钮上的非交互背景移动手指，反之亦然，可以用边缘反馈来丰富。渲染多个按键，主要研究了按钮大小和间距对最终用户主观偏好的影响，然后施加相应的触觉反馈技术。
[0007]以上研究大多针对车载终端界面虚拟按键进行研究，且采用振动触觉反馈的方法，振动触觉反馈只能提供法向力，并且振动反馈触感单一，不易在车载触摸屏上产生多种触觉反馈使驾驶员区分不同按键功能，极易造成驾驶员在使用触摸屏时造成分心驾驶。且之前对旋钮的研究没有施加触觉制动技术，不能对旋钮各个扇区内部不同刻度线和不同扇区之间的重要交界线进行明显的区分，也不能对驾驶员操作旋钮产生提示的效果，不能实现盲控，这对驾驶员造成极大的不便。
[0008]由于旋钮在车载终端用户界面中扮演重要角色，可调节音乐音量、浏览分层菜单以及寻找电台特定频道等等。在驾驶汽车时由于道路颠簸、车身本身振动等原因，可能会造成司机操作中控屏时误触或错误的操作等。

技术实现思路

[0009]本专利技术提出一种车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法与装置，以减少驾驶员视觉负荷，提高交互效率和驾驶安全。通过建立角速度
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频率的映射模型，获取到手指旋转旋钮角速度之后，根据角速度不同提供不同的触觉反馈，且在旋钮中各个扇形边界处和每个扇区内部均施加触觉反馈产生制动效果，对司机的操作予以提示和确认，避免驾驶员错过目标旋转点。
[0010]本专利技术采取的技术方案是，采用静电力、机械振动、空气压膜中的任意一种或多种方式融合的触觉再现装置，包括下列步骤：
[0011](1)获取用户手指与车载终端用户界面交互时的位置；
[0012](2)获取与车载终端用户界面交互手势的类别；
[0013](3)获取手指旋转旋钮角度；
[0014](4)获取手指旋转旋钮的角速度；
[0015](5)建立角速度
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信号频率的映射模型，手指旋转角速度作为输入，施加电压的频率作为输出，基于旋转角速度改变摩擦阻力的大小，实现旋转角速度不同，触觉反馈随之改变的效果；
[0016](6)将旋钮平均划分为n个扇区，在扇区与扇区交界处施加幅度不同的脉冲信号，在每个扇区内部的各个刻度线处施加基于角速度
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信号频率映射模型的正弦波信号。
[0017]本专利技术所述虚拟旋钮是四周刻有一个或一系列标号的圆盘，概念图如图3所示。可将其旋转360
°
，用来寻找电台频道、调整音量大小、选择菜单中的项目等。所述虚拟旋钮由软件Adobe Photoshop CC绘制，在Unity 2017.2.4f1平台上运行并驱动。
[0018]本专利技术所述基于静电力、机械振动、空气压膜中的任意一种或多种方式融合的触觉再现装置，其结构包括：
[0019](1)定位单元和交互单元：由触觉再现的触控显示屏作为定位单元和交互单元，实现了触觉再现屏和触控定位屏合成一块触觉再现的触控显示屏的“二屏合一”技术，触觉再现的触控显示屏由实现定位功能的装置、两个压电陶瓷片和静电力触摸屏组成，装置背部固定有6个振动电机，既能实现定位功能，实时地跟踪手指的位置坐标，并将该坐标信息发送到处理单元；也能实现交互功能，可以同时改变手指受到的切向力和法向力，使手指皮肤产生周期性变化的形变，实现三维的触觉再现感受；
[0020](2)处理单元：用平板作为处理单元，易于集成到车载终端，操作方便，显示清晰，用于输出视觉信息，接收定位单元实时发送过来的手指的位置信息，同时对手指位置处的图像进行渲染得到触觉驱动信号的幅度、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法，采用静电力、机械振动、空气压膜中的任意一种或多种方式融合的触觉再现装置，其特征在于，包括下列步骤：(1)获取用户手指与车载终端用户界面交互时的位置；(2)获取与车载终端用户界面交互手势的类别；(3)获取手指旋转旋钮角度；(4)获取手指旋转旋钮的角速度；(5)建立角速度
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信号频率的映射模型，手指旋转角速度作为输入，施加电压的频率作为输出，基于旋转角速度改变摩擦阻力的大小，实现旋转角速度不同，触觉反馈随之改变的效果；(6)将旋钮平均划分为n个扇区，在扇区与扇区交界处施加幅度不同的脉冲信号，在每个扇区内部的各个刻度线处施加基于角速度
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信号频率映射模型的正弦波信号。2.根据权利要求1所述的车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法，其特征在于：所述虚拟旋钮是四周刻有一个或一系列标号的圆盘，可将其旋转360
°
，用来寻找电台频道、调整音量大小、选择菜单中的项目，所述虚拟旋钮由软件Adobe Photoshop CC绘制，在Unity2017.2.4f1平台上运行并驱动。3.根据权利要求1所述的车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法，其特征在于：所述基于静电力、机械振动、空气压膜中的任意一种或多种方式融合的触觉再现装置，其结构包括：(1)定位单元和交互单元：由触觉再现的触控显示屏作为定位单元和交互单元，实现了触觉再现屏和触控定位屏合成一块触觉再现的触控显示屏的“二屏合一”技术，触觉再现的触控显示屏由实现定位功能的装置、两个压电陶瓷片和静电力触摸屏组成，装置背部固定有6个振动电机，既能实现定位功能，实时地跟踪手指的位置坐标，并将该坐标信息发送到处理单元；也能实现交互功能，可以同时改变手指受到的切向力和法向力，使手指皮肤产生周期性变化的形变，实现三维的触觉再现感受；(2)处理单元：用平板作为处理单元，易于集成到车载终端，操作方便，显示清晰，用于输出视觉信息，接收定位单元实时发送过来的手指的位置信息，同时对手指位置处的图像进行渲染得到触觉驱动信号的幅度、频率、波形参数，并将该参数发送到驱动单元；(3)驱动单元：内含高压驱动电路，由信号发生器和放大器组成。驱动单元根据处理单元发送过来的驱动信号参数生成相应的驱动信号，并将该信号输入到交互单元进行驱动。4.根据权利要求1所述的车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法，其特征在于：所述步骤(1)的实现方法如下：获取用户手指与车载终端用户界面的交互位置的方法包括但不限于使用红外定位单元对手指进行实时跟踪并记录。5.根据权利要求1所述的车载终端界面虚拟旋钮的触觉反馈渲染方法，其特征在于：所述步骤(2)的实现方法如下：1)建立二维坐标系，X轴代表水平方向，Z轴代表垂直方向，将手势的动作拟化到坐标系上，X轴拟化为手指的向左移动或向右移动，Z轴拟化为手指相对于目标的靠近或离开，目标指手势的作用对象，此处指虚拟旋钮；2)在X轴方向上有效区段内等间距设置K个红外线传感器R
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(i≤K)，用于采集手部的红外数据，其中K≥2.有效区域指能够触发红外中断的手势所在坐标系内的区域，有效区段指
有效区域分别映射至X轴和Z轴的部分；3)当手势处于有效区域时，系统开始对各传感器采集的人体首部红外数据进行定时采样得到数据值D
i
(i≤K)；4)根据采样得到的数据值D
i
，将当前手势运动点通过最小二乘法映射至二维坐标系上的多组坐标值，将多组坐标值分别归化为X轴上的坐标值与采样次数之间的关系所形成的最接近的一条直线，以及Z轴上的坐标值与采样次数之间的关系所形成的最接近的一条直线；5)通过上述步骤归化所得直线的斜率来判断手势运动状...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓颖，赵轶男，韩宇，宋瑞，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：