基于超声阵列的多点触觉反馈相位优化研究

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传统的触觉交互方法一般为接触式触觉反馈,通常利用与人直接接触的装置来产生阻力、振动或者电刺激信号等。这类装置由于需要直接接触,因此会比较限制用户的活动空间,而且需要复杂的结构设计,所以成本偏高。而基于超声阵列的触觉反馈方法,不仅能隔空产生触觉,而且触觉点位置可以灵活控制。与传统触觉装置相比,其整体结构也相对简单,因此具有非常大的潜力。针对传统接触式触觉反馈存在的问题,本文主要研究一种基于超声阵列的非接触式触觉反馈方法。为了阐述超声实现触觉反馈的原理,本文结合人体产生触觉感受的机理以及超声波在空气中传播过程中的性质分析了利用超声实现触觉反馈的原理。由基本声学物理定律出发推导并建立了单个超声换能器以及超声相控阵列的声场声压数学模型,进一步基于该模型对声场的声压分布特性、声场指向性等进行了Matlab仿真,能够直观的看到在不同相位控制下阵列声场声压的分布情况。除了实现单点触觉反馈,本文重点对复杂形式的多点触觉反馈进行研究,提出采用包括时分复用法/阵列分块法、遗传算法以及伪逆求解算法在内的多种方法对相位进行求解以及对比,推导并建立了阵列各换能器相位与阵列多聚焦点的数学关系。并且针对求解结果幅值大小不一致导致实际实验不具可行性的问题,本文利用加权幅值迭代的优化方法对相位解进行了进一步优化。为了验证相位求解算法的有效性,本文还搭建了主要由FPGA控制器、驱动电路以及超声换能器阵列构成的完整超声触觉反馈实验平台,进行了单点触觉反馈实验、动态轨迹触觉反馈实验以及多点触觉反馈实验。实验结果表明本文的相位求解方法是可靠有效的,在所求解相位的控制下,阵列声场声压分布也与理论仿真结果相吻合。
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