李征 陳光 陳昕

【摘要】目前廣泛應(yīng)用的智能表面產(chǎn)品絕大多數(shù)為塑料單一材質(zhì)，且只集成了電容觸控和振動(dòng)反饋技術(shù)。為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)外觀(guān)設(shè)計(jì)、數(shù)字化體驗(yàn)的需求，采用電容觸摸、聲音反饋、振動(dòng)反饋、壓力感應(yīng)等多項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)表面包覆塑料、真木、金屬、織物4種材質(zhì)，探索多種振源手感、多種材質(zhì)表面性能，旨在提升智能座艙設(shè)計(jì)的材質(zhì)豐富性和用戶(hù)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：智能表面；觸控技術(shù)；振動(dòng)反饋；壓力感應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.66?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20220298

Comparative Analysis on Intelligent Surface Assembly Design with Different Materials

Li Zheng1，2， Chen Guang1，2， Chen Xin1，2

（1. Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2. National Key Laboratory of Advanced Vehicle Integration and Control， Changchun 130013）

【Abstract】 At present， the vast majority of intelligent surface products are made of a single material： plastic， which typically integrated capacitive touch and vibration feedback technologies. In order to meet the needs of users for appearance design and digital experience， various technologies such as capacitive touch， sound feedback， vibration feedback， and pressure sensing are utilized. By covering the surface with 4 materials： plastic， wood， metal and fabric， this paper explores various tactile sensations from vibration sources and surface properties of materials. This exploration aims to enhance the material richness and user experience in intelligent cockpit design.

Key words： Intelligent surfaces， Touching technology， Vibration feedback， Pressure sensing

【歡迎引用】 李征， 陳光， 陳昕. 不同材質(zhì)智能表面總成設(shè)計(jì)對(duì)比分析[J]. 汽車(chē)文摘， 2024（7）： 51-57.

【Cite this paper】 LI Z， CHEN G， CHEN X. Comparative Analysis on Intelligent Surface Assembly Design with Different Materials[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（7）： 51-57.

0 引言

在汽車(chē)智能化、網(wǎng)聯(lián)化背景下，智能表面總成作為一款集功能性與智能化于一體的表面處理技術(shù)是汽車(chē)內(nèi)飾的重要發(fā)展方向之一[1]。在智能座艙設(shè)計(jì)領(lǐng)域，減少多余的按鈕和開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，可以使座艙設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔和智能。智能表面產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了從物理按鍵到虛擬按鍵的跨越，其采用隱藏式字符與圖標(biāo)的一體無(wú)縫外觀(guān)，兼顧物理與數(shù)字體驗(yàn)，擁有更佳的防塵、防水性能和更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。

目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)電容觸控技術(shù)[1]、高分子材料[2]、織物材料[3]、振動(dòng)反饋技術(shù)[4]、壓力感應(yīng)技術(shù)[5-13]等進(jìn)行了較深入的研究，部分成果已量產(chǎn)應(yīng)用。但上述研究均局限于單一技術(shù)，少數(shù)研究集成了2～4項(xiàng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，其在表面材質(zhì)的豐富性和用戶(hù)實(shí)際操作體驗(yàn)上還存在一定問(wèn)題。首先，表面包覆材料絕大多數(shù)仍以塑料材質(zhì)為主，通過(guò)表面渲染為仿木、仿石等定制花紋實(shí)現(xiàn)“材質(zhì)多樣”的效果，僅寶馬iX車(chē)型使用了真木材質(zhì)的智能表面產(chǎn)品。其次，雖然應(yīng)用振動(dòng)反饋來(lái)提供接近實(shí)體按鍵的操作手感，并輔以壓力感應(yīng)來(lái)提升操作準(zhǔn)確性，但目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用振動(dòng)反饋和壓力感應(yīng)的產(chǎn)品不多，實(shí)車(chē)體驗(yàn)仍存在一定概率的誤動(dòng)作或操作失敗。

為了探索上述問(wèn)題的解決方案，本文結(jié)合電容觸控、振動(dòng)反饋、壓力感應(yīng)等技術(shù)，提供一種融合智能表面結(jié)構(gòu)、硬件框架、軟件框架的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)包覆真木、金屬、織物等智能材料，在提升表面材料豐富性的同時(shí)，也分析上述材料在顯示特性上的不同，并搭載一種根據(jù)用戶(hù)需求個(gè)性化定義的壓力閾值控制邏輯，旨在提升不同使用場(chǎng)景的準(zhǔn)確性。

1 功能需求

1.1 智能表面演示樣件

智能表面總成演示樣件按照定義好的功能，提供聲音反饋、振動(dòng)反饋及工作指示燈光反饋，按鍵布局如圖1所示。通過(guò)改變其表面包覆材料，主要用于對(duì)比塑料、真木、金屬和織物4種材質(zhì)的顯示特性。

1.1.1 功能定義

本文所示智能表面總成演示樣件旨在實(shí)現(xiàn)汽車(chē)座椅通風(fēng)調(diào)節(jié)、座椅加熱調(diào)節(jié)、座椅按摩調(diào)節(jié)和座椅姿態(tài)調(diào)節(jié)。其中加熱、通風(fēng)功能共4個(gè)擋位（0～3擋）；座椅按摩功能為2個(gè)擋位，通過(guò)指示燈的亮、滅來(lái)指示功能開(kāi)或關(guān)；座椅調(diào)節(jié)區(qū)域鍵為3選1的選擇鍵，可分別控制頭枕上下、靠背角度及坐墊前后移動(dòng)，當(dāng)選擇對(duì)應(yīng)的功能時(shí)，上下左右按鍵通過(guò)背光亮、滅來(lái)提示用戶(hù)操作。

1.1.2 聲音反饋

智能表面演示樣件內(nèi)置揚(yáng)聲器并在芯片內(nèi)寫(xiě)入音源實(shí)現(xiàn)按鍵音發(fā)聲，為用戶(hù)提供聲音反饋。每次識(shí)別到操作動(dòng)作且觸發(fā)成功后，驅(qū)動(dòng)內(nèi)置揚(yáng)聲器發(fā)出按鍵音。

1.1.3 振動(dòng)反饋

觸覺(jué)反饋技術(shù)通過(guò)壓力、振動(dòng)或其他激勵(lì)方法實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)感知[3]。與視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)相比，觸覺(jué)是最復(fù)雜的感知方式。為了給用戶(hù)提供直接的觸覺(jué)反饋，增加振動(dòng)反饋是業(yè)內(nèi)解決此類(lèi)問(wèn)題的常見(jiàn)方案。振動(dòng)反饋提供類(lèi)似操作機(jī)械按鍵手感，在用戶(hù)操作成功后用于提醒用戶(hù)此次操作成功。在任意按鍵觸摸成功后給出振動(dòng)反饋，且不同區(qū)域的振動(dòng)手感應(yīng)一致。

由于振動(dòng)電動(dòng)機(jī)有3個(gè)可選振動(dòng)方向（X、Y、Z），因而需要確定好振動(dòng)方向，以提供最佳的振動(dòng)手感。在仿真模擬時(shí)，當(dāng)振動(dòng)觸覺(jué)發(fā)生在指腹表面時(shí)，振動(dòng)感知能力最強(qiáng)。1階振動(dòng)模態(tài)輸出是該結(jié)構(gòu)剛度及邊界約束條件下的最大位移平行手指面輸出，故建議選擇Z軸方向振動(dòng)輸出的振子。

1.1.4 燈光控制

選用三色發(fā)光二極管[14]，可實(shí)現(xiàn)253色顯示，所有按鍵背光顏色為白色。加熱、通風(fēng)2種按鍵工作指示燈分低、中、高3種亮度進(jìn)行區(qū)分；第一次操作按最高亮度顯示，之后每觸摸一次，燈光亮度減弱1擋，直至恢復(fù)到0擋，以此往復(fù)循環(huán)；座椅區(qū)域選擇鍵在選中時(shí)更換顏色，取消選中后顏色恢復(fù)為默認(rèn)顏色；方向調(diào)節(jié)鍵在被手指觸摸操作時(shí)，可調(diào)節(jié)方向字符以高亮顯示，從而提示用戶(hù)操作成功，手指離開(kāi)字符恢復(fù)默認(rèn)亮度。

1.2 智能表面展臺(tái)樣件

通過(guò)與電腦上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)4種振源與4種壓力閾值搭配方案，提供多種壓力及多種振源手感的實(shí)際體驗(yàn)。

1.2.1 功能定義

智能表面展臺(tái)實(shí)現(xiàn)振源選擇、振源振幅、振源頻率及壓力閾值設(shè)置的功能，并在軟件界面體現(xiàn)壓力、振源、電容等采樣信息。

1.2.2 振源選擇

振源可選擇音圈電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)[15]、線(xiàn)性電動(dòng)機(jī)[16]和壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)操作來(lái)體驗(yàn)4種振源不同手感，供后續(xù)產(chǎn)品振源選擇及振動(dòng)手感定義參考。

1.2.3 壓力感應(yīng)

壓力傳感器的工作原理是一種信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制[5-6]，通過(guò)將外部壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)。壓力傳感器分為3類(lèi)：壓電電阻式[7-8]、電容式[9-11]和壓電式[12]。壓電傳感器產(chǎn)生的電荷與施加的力、壓力或變形成正比[13]。本文通過(guò)壓力-電壓的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)4種壓力（2 N、4 N、6 N、8 N）可調(diào)方案，盡可能地覆蓋汽車(chē)領(lǐng)域內(nèi)操縱件常見(jiàn)的壓力值范圍，4種振源標(biāo)定的壓力曲線(xiàn)和電壓曲線(xiàn)如表1、圖2所示。

1.2.4 顯示要求

智能表面展臺(tái)樣件表面人機(jī)界面（Human-Machine Interface，HMI）使用紅旗設(shè)計(jì)方案，智能表面展臺(tái)樣件與電腦上位機(jī)的通用串行總線(xiàn)（Universal Serial Bus，USB）串口連接，實(shí)時(shí)設(shè)置壓力閾值、選擇振源、調(diào)節(jié)振源振幅與頻率，并在電腦上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示電容采樣值和壓力采樣值（見(jiàn)圖3）。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

智能表面系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖4。通過(guò)微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）對(duì)觸摸電容檢測(cè)、振動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)、發(fā)光二極管（Light Emtting Diode，LED）燈光驅(qū)動(dòng)等模組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Aera Network，CAN）總線(xiàn)信號(hào)收發(fā)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)座椅動(dòng)作的功能。

2.2 面板設(shè)計(jì)

2.2.1 塑料材質(zhì)

材料為聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）+丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile-Butadiene-Styrene，ABS），采用雙層聚碳酸酯面板，上層為半透黑色PC（0.6 mm），下層為整體透明殼體，在下層內(nèi)側(cè)采用噴黑漆鐳雕圖標(biāo)方式，圖標(biāo)可顯示不同亮度和不同顏色，每顆LED單獨(dú)可控，對(duì)比效果見(jiàn)圖5。

2.2.2 真木材質(zhì)

材料為PC+ABS+木紋紙，面板采用PC面板+木紋紙，上層為木紋紙（0.1 mm），下層為整體透明PC殼體，在下層內(nèi)側(cè)采用噴黑漆鐳雕圖標(biāo)方式，圖標(biāo)可顯示不同亮度和不同顏色，每顆LED單獨(dú)可控，對(duì)比效果見(jiàn)圖6。

2.2.3 織物材質(zhì)

材料為PC+ABS+透明硅膠+織物材料，上層為編織物（0.2 mm），中層為透明硅膠，下層為整體透明殼體，在下層外側(cè)采用噴漆鐳雕圖標(biāo)方式，圖標(biāo)可顯示不同亮度和不同顏色，每顆LED單獨(dú)可控，對(duì)比效果見(jiàn)圖7。

2.2.4 金屬材質(zhì)

材料為PC+ABS+硅膠+金屬，面板采用PC+金屬面板面板，上層為金屬面板+金屬鍵帽+透明硅膠（0.5 mm），下層為整體透明殼體，金屬鍵帽上鏤刻圖標(biāo)，圖標(biāo)可顯示不同亮度和不同顏色，每顆LED單獨(dú)可控，對(duì)比效果見(jiàn)圖8。

2.2.5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)塑料、真木、金屬和織物4種材料顯示效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示：塑料、真木、金屬和織物4種材質(zhì)在外觀(guān)表現(xiàn)、顯示亮度2個(gè)維度上，塑料材質(zhì)最佳，金屬與真木材質(zhì)次之，織物效果較差，見(jiàn)表2。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

面板以透明塑料作為基材，外面包覆塑料膜片、織物，木皮或金屬材質(zhì)。感應(yīng)電極和壓力檢測(cè)電路粘接在面板背面，通過(guò)柔性線(xiàn)路板（Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC）連接到主控電路板，按鍵位置做鏤空處理，并增加導(dǎo)光柱及散光板，實(shí)現(xiàn)燈光性能要求。面板與殼體采用柔性硅膠墊連接，柔性硅膠墊采用硬度為40～45HA的透明硅膠，在受到壓力后可輕微變形，減少剛性連接吸能。主控電路板實(shí)現(xiàn)燈光控制、觸控信號(hào)檢測(cè)、壓力檢測(cè)、振動(dòng)電機(jī)控制及通信等功能。智能表面結(jié)構(gòu)剖視圖見(jiàn)圖9。

2.4 硬件電路設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)方案方面，電容檢測(cè)芯片負(fù)責(zé)完成電容信號(hào)的采集監(jiān)控以及253色指示燈的驅(qū)動(dòng)；MCU負(fù)責(zé)完成振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、座椅電機(jī)繼電器驅(qū)動(dòng)、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及CAN通信的功能。硬件原理框圖見(jiàn)圖10。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用PSOC Creator和KEIL作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)內(nèi)容包括電容檢測(cè)驅(qū)動(dòng)、防誤觸算法、振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、聲音反饋驅(qū)動(dòng)、燈光控制驅(qū)動(dòng)和CAN通信驅(qū)動(dòng)等。軟件設(shè)計(jì)框架見(jiàn)表3。

觸控板軟件部分分為驅(qū)動(dòng)層、應(yīng)用層和設(shè)備層。驅(qū)動(dòng)層包括變化數(shù)據(jù)捕獲（Charge Data Capture，CDC）、LED、電動(dòng)機(jī)、音頻解碼等驅(qū)動(dòng)；應(yīng)用層包括電容應(yīng)用模塊、LED模塊、電動(dòng)機(jī)模塊、音頻模塊等應(yīng)用模塊，分別與相應(yīng)驅(qū)動(dòng)一一對(duì)應(yīng)；設(shè)備層包括外圍受控設(shè)備。驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)采集電容數(shù)據(jù)和控制外圍硬件；數(shù)據(jù)分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自驅(qū)動(dòng)層的電容數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效的分析結(jié)果傳輸給電容應(yīng)用模塊進(jìn)行后續(xù)處理，無(wú)效的結(jié)果直接丟棄；電容應(yīng)用模塊則依據(jù)來(lái)自分析模塊的結(jié)果，通過(guò)LED、電動(dòng)機(jī)等模塊，對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行控制。座椅加熱、通風(fēng)、按摩軟件控制流程見(jiàn)圖11，座椅控制功能軟件控制流程見(jiàn)圖12，觸控軟件控制流程見(jiàn)圖13，壓力感應(yīng)軟件控制流程見(jiàn)圖14，振動(dòng)反饋軟件控制流程見(jiàn)圖15。

2.6 DEMO振源選型

根據(jù)建模數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品質(zhì)量（600 g）的條件，分析對(duì)比音圈電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)、線(xiàn)性電動(dòng)機(jī)、壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)可得出以下結(jié)論：（1）音圈電動(dòng)機(jī)響應(yīng)最慢（約100 ms），輸出加速度為1～2 g；（2）轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)提供波形粗糙且響應(yīng)慢（>50 ms），輸出加速度約1 g；（3）線(xiàn)性電動(dòng)機(jī)響應(yīng)相對(duì)較快（約30 ms），輸出加速度一般約為2 g；（4）壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)一般輸出加速度為3～5 g，同時(shí)響應(yīng)快速（0.5 ms）。從振動(dòng)加速度、噪聲、響應(yīng)時(shí)間、驅(qū)動(dòng)電壓和經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮，對(duì)于滿(mǎn)足汽車(chē)產(chǎn)品基本需求，線(xiàn)性電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)是綜合性較佳的選擇，音圈電動(dòng)機(jī)和壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)次之，具體對(duì)比見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)比，壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)在加速度和響應(yīng)速度上較其余電動(dòng)機(jī)有明顯優(yōu)勢(shì)，這意味著可以輸出更高分辨率的包絡(luò)波形同時(shí)輸出強(qiáng)度更大，盡管驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)成本較高且需要約120 V高壓驅(qū)動(dòng)，但是現(xiàn)在的集成泵升電壓的驅(qū)動(dòng)芯片可以為電路設(shè)計(jì)提供便利。綜合上述因素，為了達(dá)到最佳體驗(yàn)效果決定選擇壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)做為振源。

2.7 按鍵聲音反饋設(shè)計(jì)

按鍵聲音反饋是指手指觸發(fā)按鍵操作時(shí)，通過(guò)內(nèi)置揚(yáng)聲器提供聲音反饋，提醒操作者此次操作成功。MCU把內(nèi)存中存放的音頻數(shù)據(jù)傳輸給音頻解碼芯片進(jìn)行解碼，解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)功率放大器進(jìn)行放大，最終通過(guò)揚(yáng)聲器播放。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)綜合應(yīng)用電容觸控技術(shù)、振動(dòng)反饋技術(shù)，使用塑料、真木、金屬、織物4種材料，提供一種多功能、多材質(zhì)、防誤觸的綜合性產(chǎn)品技術(shù)解決方案。

在振動(dòng)反饋設(shè)計(jì)方面，通過(guò)多種電動(dòng)機(jī)的參數(shù)性能的設(shè)置應(yīng)用，直觀(guān)展示了不同電動(dòng)機(jī)的反饋手感，為后續(xù)產(chǎn)品在成本與性能的均衡選型上提供依據(jù)。

在壓力閾值設(shè)計(jì)方面，通過(guò)4種壓力感應(yīng)閾值的切換，來(lái)應(yīng)對(duì)更豐富的用戶(hù)場(chǎng)景。如轉(zhuǎn)向盤(pán)開(kāi)關(guān)頻繁使用且位于人手容易觸碰區(qū)域內(nèi)，須防止誤操作，則定義2 N或4 N的操作壓力；而發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)開(kāi)關(guān)需要有明確操作目的性，且對(duì)車(chē)輛安全使用有潛在影響，則定義8 N的操作壓力；對(duì)于常規(guī)使用情況，可以讓用戶(hù)在2 N、4 N、6 N間自定義操作壓力。

在材料應(yīng)用方面，通過(guò)集成塑料、真木、金屬和織物4種材料，探索在實(shí)車(chē)環(huán)境下的4種材料的使用表現(xiàn)。在成熟度、燈光亮度、材質(zhì)效果3個(gè)維度上進(jìn)行對(duì)比分析，塑料綜合表現(xiàn)最優(yōu)，無(wú)明顯優(yōu)缺點(diǎn)；金屬材質(zhì)在字符不可隱藏和電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility， EMC）性能方面存在劣勢(shì)；真木材料存在字符邊界發(fā)散及耐久性問(wèn)題；織物材料存在無(wú)法體現(xiàn)精細(xì)符號(hào)、不耐臟、不耐磨、亮度低等問(wèn)題。

目前，蔚來(lái)、小鵬、智己、哪吒、榮威、奧迪、寶馬、奔馳等國(guó)內(nèi)外各整車(chē)企業(yè)均應(yīng)用了智能表面技術(shù)。當(dāng)前塑料材質(zhì)智能表面技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，未來(lái)真木、金屬、織物等材質(zhì)智能表面技術(shù)成為發(fā)展趨勢(shì)，為智能表面產(chǎn)品提供更豐富的內(nèi)飾選擇。由于本文未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)工作，故除塑料材質(zhì)外，真木、金屬和織物材質(zhì)的真實(shí)耐久水平仍需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 明慧）