用触觉导航：一种更好地解决导航难题的方法

　　如果在手机或车上没有导航的话，大多数人都会寸步难行。我们对导航技术的依赖程度之高，使我们难以想象在没有导航之前，人们是怎么认路的。毋庸置疑，这项技术将会长存。围绕着这项技术也在进行着不断的改进和创新，使定位或者目的地导航更加简单。

　　前几天我在多伦多出差，我想在城里跑步去四处看看。我在家的时候每天都在住所附近跑3到5英里，所以我想在这座大城市中也找到一条相似距离的路径。虽然我也可以绕着附近的街区跑几圈，但是我还是拿出手机，看看是不是能找到一条沿途景色比较优美的路径。

　　我拿出手机，打开地图，大约两秒钟后我就找到了一条完美路径。整条路径有15个转弯，最后回到我下榻的酒店。我把手机放回到臂带中开始跑步，但是我很快就意识到，我需要看地图才能确定下一次转弯的方向。因此，我把手机拿出来，看方向，之后在开始跑，不过不再把手机放回到臂带中了。

　　由于总是晃来晃去的，跑步时看手机可不太容易。跑步时，我的手摆来摆去，根本就看不清下一个转弯的方向。我的手机没有手机套，所以拿着手机有点儿让人头疼，特别是我脚下的那条硬硬的人行道，实在是太颠簸了。

　　我边跑边想，一定有更好地方法来解决我的导航难题。会是音频吗？不会，绝不是，这样的话我就需要头戴式耳机了。我可不想在过马路时被车撞到。视频方法，我也不想老是向下盯着手机看。那么剩下的就是—触觉反馈或振动反馈？

　　我可不是碰巧偶然想到将振动反馈作为一种可能的解决方案。其实我就是在TI的触觉反馈产品组工作。不过，当我认识到触觉反馈将成为我在跑步时遇到的难题（概括地说，是导航时遇到的问题）的理想解决方案时，它仍然给了我不少的启示。

　　触觉是人们的其它感觉被占用时对人发出警报的理想选择，或者用来强化音频或视觉反馈。下面就是一些你可以用触觉反馈里实现的绝妙功能：

　　●用清晰的振动提醒用户左转或右转

　　●当用户已经达到里程数时提醒用户

　　●通过提供振动节拍器来帮助用户保持步速或节奏（我可能会用到这个功能）

　　●在收到短信或有电话打进来时提醒用户

　　●甚至会用清晰的蜂鸣声提醒用户应该去锻炼了

　　使用触觉反馈来提供导航提示的方法很多。想一想走路或跑步时鞋子内的振动反馈（图1）。当你到达转弯处时，左脚或右脚的鞋子将告诉你下一个方向。这对于跑步者、登山者、徒步旅行者、自行车爱好者、甚至是像我这样的陌生城市中的游客非常有用，他们在不断运动的过程中需要知道前进的方向。诸如此类的触觉反馈应用还能够帮助有视觉障碍的人轻松游走于大城市中。

　　

　　图1.鞋子中使用的触觉反馈应用示例

　　不喜欢跑步？自行车也能指明方向（图2）。有几家公司正在研究如何将电子元器件集成到自行车当中。而自行车与骑车人之间通信的主要方式就是触觉反馈。自行车与你的手机互连，并通过左右车把或车座上的蜂鸣声告诉你方向。你的手根本就不用离开车把，非常方便。当你在快速骑行时，你肯定不想掏出手机看方向，所以就让自行车告诉你前进的方向吧。如果进行更进一步的功能拓展，同样的蜂鸣车把可以提醒骑行英里数、速度踏频，甚至是朋友发来的短信。

　　图2. 自行车车把中，触觉反馈的使用示例

　　在导航方面，触觉反馈还有很多其它用途。一个专门用途就是支持触觉反馈的腰带，可以在噪声敏感环境中为佩带此腰带的士兵提供断续的导航提示。当士兵不能通话时，他们可以使用触觉反馈进行通信。触觉反馈提示可以是基于GPS的局部导航方向、两个士兵之间或者一组士兵之间更加复杂的通信，甚至是遥控机器人与障碍物碰撞避免的振动反馈。你可以看一看由美国国防高级研究计划局 （DARPA） 赞助研发的主动腰带项目。

　　对于辅助性应用，触觉反馈可被用作视障人员的虚拟拐杖。距离传感器可以感测用户前面的物体，触觉反馈将提供物体与用户之间的距离。触觉反馈还在与智能手机上的导航功能相连接时提供左右导航命令。

 

　　触觉导航系统

　　那么这种系统长什么样呢？此系统由两个主要部分组成：导航设备和触觉用户接口（图3）。智能手表、智能手机、或者专用导航设备均可用来生成导航命令。这些命令被映射到特定的制动器（例如，左右车把），还有就是特定的触觉效应（诸如用于急转弯的三重蜂鸣声），然后通过Bluetooth传到Bluetooth微控制器 （MCU）。Bluetooth MCU解释接收到的效应，然后触发触觉驱动器来生成正确的触觉振动。

　　

　　图3.触觉反馈系统方框图

　　除了触觉反馈块，还需要一个处理器或微控制器、一个触觉反馈驱动器和一个制动器。制动器的类型和型号有很多种。为了帮助缩小选择范围，以下内容概括了在选择制动器时需要考虑的关键参数。

　　●制动器类型—主要有两种类型的振动制动器：离心旋转质量电机 （ERM） 和线性谐振致动器 （LRA）。

　　o ERM是一种具有偏心质量的传统电机。当施加直流电压时，偏心质量开始旋转以产生力。

　　o LRA是金属外壳内的d簧质量系统。由于它们不但能够产生很强的振动力，而且能够对施加的电压快速做出相应，所以这些系统通常在智能手机中使用。这也使得LRA能够产生点击和复杂的振幅调制效应。

　　●加速-通过测量加速度，可计算制动器在运动时产生的振动力。较高的加速度对于产品的用户吸引力很重要。对于诸如自行车车把的应用，应该使用较大的制动器。要测量你系统中制动器的性能，可使用现成的加速计。图4显示3中不同尺寸的ERM制动器以及它们测得的加速度。加速度的单位为G，等于地球表面由重力导致的标准加速度，或者表示为9.8m/s2。

　　

　　图4.ERM尺寸和加速度比较

　　●安装-制动器有多种不同的形状和大小，但是真正的技巧在于如何将它们安装在系统内。主要有3中ERM的安装技术（图5）。

　　

　　图5. ERM安装选项
 

　　在这里可以看一下Precision Microdrives公司生产的封装电机。对于LRA来说，实现起来就稍微简单一些。LRA是完全封装的，所以制动器可以被黏合或者固定在几乎所有表面上。此外，在触觉反馈腰带、背心或衬衣上设计几个小口袋，就可以将这些设备缝制在衣服内（图6）。这也可以通过ERM实现。

　　

　　图6.带有LRA制动器的衣服

　　在选中一款制动器后，就需要选择一款驱动器。由于它生成了触觉波形，所以此驱动器发挥的作用很重要。它负责生成通过触觉与用户进行通信的语言。为了实现这一功能，驱动器通过变化输出波形的振幅和频率来生成不同的振动模式。

　　让我们来看一看德州仪器 （TI） DRV2605L ERM和LRA驱动器，它在芯片内嵌入有123种不同的触觉波形。此器件为你生成触觉语言。你只需要将它整合在一起并大声说出来就可以了！嵌入式波形可以与序列组合在一起，以获得更加多变的触觉效应。它采用极小型1.5mm x 1.5mm BGA芯片级封装，或者稍微大一些的3mm x 3mm引线封装，个人认为这种封装方式更容易焊接。两种封装都只需两个外部组件：一个1μF旁路电容器和1个1μF内部稳压电容器。

　　

　　图7. DRV2605 ERM和LRA触觉驱动器

　　系统中的最后一个组件是处理器。Bluetooth处理器负责导航块与触觉用户接口之间的通信。对于这种器件，有很多种不同的选择，不过我推荐SimpleLink Bluetooth 低功耗（Bluetooth智能）CC2541微控制器。我们曾经于近期在一个项目中使用了这款器件为触觉可穿戴设备生成参考设计，发现这款器件在所有需要进行触觉反馈原型设计的应用中非常有用。查看触觉Bluetooth套件参考设计—它甚至包含一款iPhone和iPod应用程序！