您的感官值得更多：使用高清触觉技术提高驾驶安全性

自 2012 年在特斯拉 Model S 中引入大屏幕中控台显示器以来，传统的机械车辆控制和开关越来越多地被集成式触摸屏用户界面所取代。这种方法具有基于软件的人机界面 (HMI) 的所有优点，并可实现简洁的内饰设计概念。然而，将关键车辆控件越来越多地整合到中央堆栈触摸控件中也存在缺点，这需要用户在使用过程中互动并查看显示屏。¹

研究表明，使用基于触摸屏的信息娱乐系统时，驾驶员的反应时间可以增加 50% 以上。²未来，欧洲新车安全评鉴协会 (Euro NCAP) 等车辆测试机构计划在其评级系统中为控制危险信号灯等关键车辆功能的独立按钮分配评分，以减少驾驶员的认知负担并专注于路况。³这给已经用触摸屏 HMI 取代物理控制的汽车制造商带来了一系列挑战：

用户已经熟悉这种“软件定义”方法。要让用户放弃他们熟悉且喜爱的智能手机触摸屏体验，需要同样能够带来身临其境体验的解决方案来改变他们的习惯。
重新使用机械按钮可能会违背座舱设计师的意愿，要么没有实际空间可安装额外的开关，要么不希望在简洁、极简的“隐形科技”内饰中加入“按钮岛”而破坏整体美感。
鉴于行业面临的成本压力，随着电动汽车的普及放缓和激烈的竞争，与其他竞争性功能相比，增加离散控制元件的额外成本可能难以证明其合理性。

尽管存在所有这些不利因素，仍有一些技术可以为这些挑战提供解决方案。

软件定义的汽车

一些汽车制造商已经实施了触摸控制，但从机械控制到虚拟按钮的过渡并不总是一帆风顺的，使用当时最好的技术进行成本优化的设计在市场上的接受度很低。汽车设计周期长达 5 年，这也意味着新车在用户体验方面往往落后于消费设备，因为当汽车进入展厅时，硬件已经过时，软件的更新和维护成本高昂。

汽车制造商正大力投资于这一领域，软件定义车辆架构的出现使得面向用户的功能开发和定型能够以更快的节奏完成，并更加接近车辆生产的起始阶段。无线 (OTA) 更新功能还允许在车辆上路后进行优化，通过新功能或性能调整来充分利用底层硬件设计。

随着汽车从您购买的产品转变为您在互联移动生态系统中使用的设备或服务，用户对于交互界面提出了更高的要求。他们希望拥有数字原生的控制界面，用以操作他们喜爱的应用程序——类似于智能手机用户体验。最新智能手机上引入相机专用按钮的设计预示着未来汽车行业的发展趋势。用户希望拥有触觉控制来使用智能手机拍照，以专注于拍摄对象。这同样适用于汽车：驾驶员希望拥有触觉控制，以专注于道路并将双手保持在方向盘上。

将软件定义的概念应用于内部控制将开启一个充满可能性的全新世界。将简单的机械按钮替换为单一功能的按钮点击，对整个系统的价值提升微乎其微。另一方面，虚拟可编程表面可以利用集中式 HMI 处理在不同的驾驶环境中动态配置触觉反馈。这增加了每个控制按钮的功能深度，并减少了可能导致驾驶员分心的混乱情况。

这种灵活性可能有助于汽车制造商适应驾驶员控制安全指南，例如 NCAP 提出的指南。通过基于软件的方法，可以轻松管理区域差异，同时考虑到当地市场对不同类型控制反馈或安全法规和指南的偏好。

点击的原理

正如本文标题所暗示的那样，在车辆控制的触觉实现方面，我们应该追求更多的改进。这不一定是由于缺乏适合汽车使用的技术，而是由于在汽车应用中实现消费者级触觉性能的复杂性，这些应用通常具有截然不同的物理稳健性要求和相关用例。

要理解如何使触觉体验更安全、更沉浸，我们首先需要了解触觉反馈的原理。从生物学角度讲，我们的人体触觉系统具有特定的机械感受器，当手指在表面上移动时，可以感知高达 500Hz 的振动（RA2 帕西尼氏感受器）和纹理（见图 1）。这些感觉的感知强度或锐度与执行器（产生反馈的机械装置）刺激这些感受器的方式直接相关。

点击的两个关键组成部分是触觉强度或功率，以及触觉质量（见图 2）。并非所有触觉执行器技术都能够产生短暂而有力的点击效果。

事实上，当今道路上的许多系统都采用开环触觉电路，这些电路在一个方向上向执行器发送“盲”电压脉冲。在设计过程中，这些脉冲通过实验室测量触觉反馈加速度曲线，并修改脉冲波形以获得所需效果，从而实现最佳性能。虽然这种方法在实验室环境中可能有效，但在现实世界中，由于生产中的零件差异和现场的温度变化，往往会导致性能下降，进而带来低质量、不明确的触觉反馈体验，无法充分利用我们机械感受器的潜能！

高清触觉

为了产生更清晰、更明确的反馈，类似于用户期望从笔记本电脑触控板或智能手机获得的体验，可以采用一种被称为无传感器速度控制^TM (SVC) 的方法来生成高分辨率触觉效果，提供我们感官应得的体验！SVC 使用先进的算法来监控执行器移动时返回的信号，以不断调整和补偿驱动和制动脉冲，从而实现最佳的“点击”响应。（见图 3。）

。SVC 的众多优势之一是它会自动对点击波形脉冲应用过载和制动，以实现客户所需的加速度规格。它还可以在大批量生产中的制造公差，以及真实应用中的不同环境工作温度之间实现性能一致性。当控制表明可能有多个不同的执行器，或者驾驶舱的多个控制表面需要展现相同的点击特征时，这一点尤其重要。

确保这种点击在车辆的整个使用寿命内保持不变也很重要。执行器会随着时间的推移而老化，并造成负载阻抗、机械刚度和共振频率发生变化，进行导致采用开环设计的主动触觉系统的点击响应不佳。SVC 可以诊断执行器随时间推移的健康状况，并通过将智能闭环信号处理应用于驱动器输出波形来补偿这些老化影响，确保“点击”始终清晰锐利。

从商业角度看，SVC 的优势不仅在于它能够在不牺牲性能的前提下使用更小或更低成本的驱动器，更重要的是它提升了整体用户体验，使触控反馈更加自然易感，从而减轻驾驶员的认知负担。

简化触觉控制

传统的离散解决方案	集成式 Cirrus 解决方案

低质量、模糊的触觉效果	清晰锐利的高清纹理触觉效果
复杂且耗时的软件和硬件集成	简化的硬件和软件集成：单芯片触觉
单一执行器支持	无需生产线末端校准
需要昂贵的生产线末端工厂校准	无需生产线末端校准
单元间性能不一致	使用无传感器速度控制实现一致的性能

通过闭环控制实现高清触觉点击并非易事，这需要复杂的系统，并结合反馈传感器、先进的软件算法和低延迟的数字信号处理。

图 4 将这些传统的“离散”触觉实现与使用单芯片集成驱动器解决方案的 Cirrus 方法进行了比较，后者融合了所有必要的电路，可有效驱动一系列不同类型的执行器。它还使用片上电压和电流监控来实现 SVC，以主动感应和管理执行器性能，且不受生产过程中零件间差异和不断变化的环境工作温度条件的影响。

除了 SVC 功能外，CS40L5x 系列还为主机处理器省却了低延迟波形生成和合成任务，使触觉效果生成更加简单。由于不需要从存储器中存储和流式传输数百种不同的触觉波形，主处理器可以通过更高级的脚本生成适用于不同用户界面场景的触觉效果序列。这对资源有限的设备来说是一个重大优势，允许使用更低成本的微控制器，降低软件复杂性并加快开发速度。

未来的可能性

现有的控制开关主动触觉系统实现通常使用运行本地软件堆栈的微控制器，结合离散的放大器来产生驱动传感器的电压脉冲。触觉效果通常由开关模块供应商根据汽车制造商的指导方针开发，并在汽车的整个使用寿命内“嵌入”到开关软件中。OTA 软件更新可以重新配置触觉效果，但这需要向开关模块供应商提出变更请求，以进行必要的软件更改。

通过利用 10Base-T1S 等车辆通信网络的进步以及开放联盟⁴正在内部讨论的远程控制概念，汽车制造商可以选择用在中央车辆计算机上运行的远程控制软件驱动程序替代开关单元中的本地微控制器。开关单元中的微控制器 (MCU) 被更简单的集成 I/O 网络收发器所取代，通过 I₂C 或 SPI 连接到触觉驱动程序，如图 5 所示。

由于 Cirrus 触觉驱动程序集成了创建触觉事件所需的所有信号处理和波形生成功能，因此不需要其他本地微控制器。

做出改变

Cirrus 提供一系列硬件和软件工具，帮助工程师在集成开发环境中测量和评估本文所讨论功能（包括 SVC）的性能。您可以联系 automotivehaptics@cirrus.com 或您当地的 Cirrus Logic 销售代表以获取有关 Cirrus Logic CS40L5x 触觉驱动器 IC 系列和我们全面原型设计支持服务的更多信息。

作者

Peter Hall - 汽车业务发展经理
Jorge Reynaga - 触觉产品经理
Miguel Sanchez - 触觉应用工程师

ⁱ “四种机械感受器的特性”，下载自：https://mycourses.aalto.fi/pluginfile.php/910764/mod_resource/content/1/04%20-%20Activation%20Point.pdf 最初印刷于：《Sensation and Perception》，第七版平装本 – E. Bruce Goldstein（作者）

¹ 欧洲新车安全评鉴协会战略发展总监 Matthew Avery 告诉《星期日泰晤士报》：“触摸屏的过度使用是全行业的问题，几乎每家汽车制造商都将关键控制转移到中央触摸屏上，这迫使驾驶员必须将视线从道路上移开，从而增加了因分心而导致事故的风险。来源：https://etsc.eu/cars-will-need-buttons-not-just-touchscreens-to-get-a-5-star-euro-ncap-safety-rating/

² 驾驶时与 Android Auto 和 Apple CarPlay 交互：https://trl.co.uk/publications/interacting-with-android-auto-and-apple-carplay-when-driving

³ 请参阅 NCAP 评级计划 2026-2028 第 8 页的“驾驶员参与”部分：“驾驶控制”是一个全新的评估要素，主要针对使用车辆最重要控制功能的便捷性进行考核。”https://www.euroncap.com/media/79890/euro-ncap-rating-review-2023.pdf

⁴ TC18 – 远程控制协议，开放联盟网站：https://opensig.org/tech-committee/tc18-remote-control-protocol/