[发明专利]基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统

说明书

本发明公开了一种基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统，包含：超声波换能器阵列，超声波换能器阵列包含若干超声波换能器，用于向空中特定区域发射超声波；主控模块，主控模块的输入端接收空中特定区域的坐标参数，根据坐标参数计算并输出超声波换能器阵列的各个通道的控制信号，控制信号包含相位周期、同步时钟和调制信号；驱动模块，驱动模块的输入端与主控模块的输出端相连，驱动模块的输出端与超声波换能器阵列相连，用于计算和放大超声波换能器阵列的各通道的控制信号。本发明多通道超声波相控阵发射系统，利用DSP和FPGA双核结构，实现超声波换能器相位的精确控制，实现基于超声波相控阵的非接触式触觉反馈。

技术领域

本发明涉及触觉反馈技术领域，特别涉及一种基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统。

背景技术

随着现阶段人机交互领域的不断研究和发展，对各种交互途径的准确性和可靠性提出越来越高的要求。触觉反馈提供了一种新的人机交互方式，是现阶段人机交互领域的重要研究方向。触觉反馈的方式可分为两种：接触式触觉反馈和非接触式触觉反馈，这取决于它们在使用的过程中是否与设备直接接触。在非接触触觉反馈的研究中，基于超声波相控阵的触觉反馈是国内外研究的热点。基于超声波在空中形成的声束聚焦而产生触觉反馈，创造性地使用户能够摆脱设备的束缚，增加了交互的舒适度，可以广泛应用于教育、医疗、游戏等多个领域，具有广阔的应用前景。

目前的超声波激发技术主要是通过在换能器两端施加高压脉冲产生超声波，这种激发方式简单可靠，但是发射信号参数难以调控，需要搭配相控阵技术才能完成声束聚焦。

发明内容

根据本发明实施例，提供了一种基于超声波相控阵技术的非接触式触觉反馈系统，包含：

超声波换能器阵列，超声波换能器阵列包含若干超声波换能器，用于向空中特定区域发射超声波；

主控模块，主控模块的输入端接收空中特定区域的坐标参数，根据坐标参数计算并输出超声波换能器阵列的各个通道的控制信号，控制信号包含相位周期、同步时钟和调制信号；

驱动模块，驱动模块的输入端与主控模块的输出端相连，驱动模块的输出端与超声波换能器阵列相连，用于计算和放大超声波换能器阵列的各通道的控制信号。

进一步，主控模块包含串联的：UART串口、数字信号处理器和第一现场可编程门阵列；

UART串口接收空中特定区域的坐标参数并输入数字信号处理器；

数字信号处理器将空中特定区域的坐标参数换算为相位周期并输出至第一现场可编程门阵列；

第一现场可编程门阵列生成同步时钟和调制信号，并将控制信号输出至驱动模块。

进一步，驱动模块包含串联的：第二现场可编程门阵列和放大电路；

第二现场可编程门阵列的输入端与主控模块的输出端相连，第二现场可编程门阵列的输出端与放大电路的输入端相连，用于对调制信号延时，并输出到放大电路；

放大电路的输出端与超声波换能器阵列相连。

进一步，放大电路包含：若干运算放大器电路，每个运算放大器电路分别对应输出若干超声波换能器的控制信号。

进一步，运算放大器电路为双相放大电路，每个运算放大器输出两个超声波换能器的控制信号。

进一步，运算放大器电路包含：

一运算放大器，运算放大器为双路运算放大器；

一对隔直电容，一对隔直电容分别对应连接在双相运算放大器的双相的输入端与主控模块的输入端之间。

进一步，超声波换能器阵列的若干超声波换能器为平面矩阵阵列。

进一步，超声波换能器的超声波发射头的内部为压电陶瓷片结构。