用觸覺導(dǎo)航：一種更好地解決導(dǎo)航難題的方法

　　如果在手機(jī)或車上沒有導(dǎo)航的話，大多數(shù)人都會寸步難行。我們對導(dǎo)航技術(shù)的依賴程度之高，使我們難以想象在沒有導(dǎo)航之前，人們是怎么認(rèn)路的。毋庸置疑，這項(xiàng)技術(shù)將會長存。圍繞著這項(xiàng)技術(shù)也在進(jìn)行著不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，使定位或者目的地導(dǎo)航更加簡單。

　　前幾天我在多倫多出差，我想在城里跑步去四處看看。我在家的時(shí)候每天都在住所附近跑3到5英里，所以我想在這座大城市中也找到一條相似距離的路徑。雖然我也可以繞著附近的街區(qū)跑幾圈，但是我還是拿出手機(jī)，看看是不是能找到一條沿途景色比較優(yōu)美的路徑。

　　我拿出手機(jī)，打開地圖，大約兩秒鐘后我就找到了一條完美路徑。整條路徑有15個(gè)轉(zhuǎn)彎，最后回到我下榻的酒店。我把手機(jī)放回到臂帶中開始跑步，但是我很快就意識到，我需要看地圖才能確定下一次轉(zhuǎn)彎的方向。因此，我把手機(jī)拿出來，看方向，之后在開始跑，不過不再把手機(jī)放回到臂帶中了。

　　由于總是晃來晃去的，跑步時(shí)看手機(jī)可不太容易。跑步時(shí)，我的手?jǐn)[來擺去，根本就看不清下一個(gè)轉(zhuǎn)彎的方向。我的手機(jī)沒有手機(jī)套，所以拿著手機(jī)有點(diǎn)兒讓人頭疼，特別是我腳下的那條硬硬的人行道，實(shí)在是太顛簸了。

　　我邊跑邊想，一定有更好地方法來解決我的導(dǎo)航難題。會是音頻嗎？不會，絕不是，這樣的話我就需要頭戴式耳機(jī)了。我可不想在過馬路時(shí)被車撞到。視頻方法，我也不想老是向下盯著手機(jī)看。那么剩下的就是—觸覺反饋或振動反饋？

　　我可不是碰巧偶然想到將振動反饋?zhàn)鳛橐环N可能的解決方案。其實(shí)我就是在TI的觸覺反饋產(chǎn)品組工作。不過，當(dāng)我認(rèn)識到觸覺反饋將成為我在跑步時(shí)遇到的難題（概括地說，是導(dǎo)航時(shí)遇到的問題）的理想解決方案時(shí)，它仍然給了我不少的啟示。

　　觸覺是人們的其它感覺被占用時(shí)對人發(fā)出警報(bào)的理想選擇，或者用來強(qiáng)化音頻或視覺反饋。下面就是一些你可以用觸覺反饋里實(shí)現(xiàn)的絕妙功能：

　　●用清晰的振動提醒用戶左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)

　　●當(dāng)用戶已經(jīng)達(dá)到里程數(shù)時(shí)提醒用戶

　　●通過提供振動節(jié)拍器來幫助用戶保持步速或節(jié)奏（我可能會用到這個(gè)功能）

　　●在收到短信或有電話打進(jìn)來時(shí)提醒用戶

　　●甚至?xí)们逦姆澍Q聲提醒用戶應(yīng)該去鍛煉了

　　使用觸覺反饋來提供導(dǎo)航提示的方法很多。想一想走路或跑步時(shí)鞋子內(nèi)的振動反饋（圖1）。當(dāng)你到達(dá)轉(zhuǎn)彎處時(shí)，左腳或右腳的鞋子將告訴你下一個(gè)方向。這對于跑步者、登山者、徒步旅行者、自行車愛好者、甚至是像我這樣的陌生城市中的游客非常有用，他們在不斷運(yùn)動的過程中需要知道前進(jìn)的方向。諸如此類的觸覺反饋應(yīng)用還能夠幫助有視覺障礙的人輕松游走于大城市中。

　　圖1.鞋子中使用的觸覺反饋應(yīng)用示例

　　不喜歡跑步？自行車也能指明方向（圖2）。有幾家公司正在研究如何將電子元器件集成到自行車當(dāng)中。而自行車與騎車人之間通信的主要方式就是觸覺反饋。自行車與你的手機(jī)互連，并通過左右車把或車座上的蜂鳴聲告訴你方向。你的手根本就不用離開車把，非常方便。當(dāng)你在快速騎行時(shí)，你肯定不想掏出手機(jī)看方向，所以就讓自行車告訴你前進(jìn)的方向吧。如果進(jìn)行更進(jìn)一步的功能拓展，同樣的蜂鳴車把可以提醒騎行英里數(shù)、速度踏頻，甚至是朋友發(fā)來的短信。

　　圖2. 自行車車把中，觸覺反饋的使用示例

　　在導(dǎo)航方面，觸覺反饋還有很多其它用途。一個(gè)專門用途就是支持觸覺反饋的腰帶，可以在噪聲敏感環(huán)境中為佩帶此腰帶的士兵提供斷續(xù)的導(dǎo)航提示。當(dāng)士兵不能通話時(shí)，他們可以使用觸覺反饋進(jìn)行通信。觸覺反饋提示可以是基于GPS的局部導(dǎo)航方向、兩個(gè)士兵之間或者一組士兵之間更加復(fù)雜的通信，甚至是遙控機(jī)器人與障礙物碰撞避免的振動反饋。你可以看一看由美國國防高級研究計(jì)劃局 （DARPA） 贊助研發(fā)的主動腰帶項(xiàng)目。

　　對于輔助性應(yīng)用，觸覺反饋可被用作視障人員的虛擬拐杖。距離傳感器可以感測用戶前面的物體，觸覺反饋將提供物體與用戶之間的距離。觸覺反饋還在與智能手機(jī)上的導(dǎo)航功能相連接時(shí)提供左右導(dǎo)航命令。

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　　觸覺導(dǎo)航系統(tǒng)

　　那么這種系統(tǒng)長什么樣呢？此系統(tǒng)由兩個(gè)主要部分組成：導(dǎo)航設(shè)備和觸覺用戶接口（圖3）。智能手表、智能手機(jī)、或者專用導(dǎo)航設(shè)備均可用來生成導(dǎo)航命令。這些命令被映射到特定的制動器（例如，左右車把），還有就是特定的觸覺效應(yīng)（諸如用于急轉(zhuǎn)彎的三重蜂鳴聲），然后通過Bluetooth傳到Bluetooth微控制器 （MCU）。Bluetooth MCU解釋接收到的效應(yīng)，然后觸發(fā)觸覺驅(qū)動器來生成正確的觸覺振動。

　　圖3.觸覺反饋系統(tǒng)方框圖

　　除了觸覺反饋塊，還需要一個(gè)處理器或微控制器、一個(gè)觸覺反饋驅(qū)動器和一個(gè)制動器。制動器的類型和型號有很多種。為了幫助縮小選擇范圍，以下內(nèi)容概括了在選擇制動器時(shí)需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。

　　●制動器類型—主要有兩種類型的振動制動器：離心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量電機(jī) （ERM） 和線性諧振致動器 （LRA）。

　　o ERM是一種具有偏心質(zhì)量的傳統(tǒng)電機(jī)。當(dāng)施加直流電壓時(shí)，偏心質(zhì)量開始旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生力。

　　o LRA是金屬外殼內(nèi)的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。由于它們不但能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的振動力，而且能夠?qū)κ┘拥碾妷嚎焖僮龀鱿鄳?yīng)，所以這些系統(tǒng)通常在智能手機(jī)中使用。這也使得LRA能夠產(chǎn)生點(diǎn)擊和復(fù)雜的振幅調(diào)制效應(yīng)。

　　●加速-通過測量加速度，可計(jì)算制動器在運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的振動力。較高的加速度對于產(chǎn)品的用戶吸引力很重要。對于諸如自行車車把的應(yīng)用，應(yīng)該使用較大的制動器。要測量你系統(tǒng)中制動器的性能，可使用現(xiàn)成的加速計(jì)。圖4顯示3中不同尺寸的ERM制動器以及它們測得的加速度。加速度的單位為G，等于地球表面由重力導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)加速度，或者表示為9.8m/s2。

　　圖4.ERM尺寸和加速度比較

　　●安裝-制動器有多種不同的形狀和大小，但是真正的技巧在于如何將它們安裝在系統(tǒng)內(nèi)。主要有3中ERM的安裝技術(shù)（圖5）。

　　圖5. ERM安裝選項(xiàng)
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　　在這里可以看一下Precision Microdrives公司生產(chǎn)的封裝電機(jī)。對于LRA來說，實(shí)現(xiàn)起來就稍微簡單一些。LRA是完全封裝的，所以制動器可以被黏合或者固定在幾乎所有表面上。此外，在觸覺反饋腰帶、背心或襯衣上設(shè)計(jì)幾個(gè)小口袋，就可以將這些設(shè)備縫制在衣服內(nèi)（圖6）。這也可以通過ERM實(shí)現(xiàn)。

　　圖6.帶有LRA制動器的衣服

　　在選中一款制動器后，就需要選擇一款驅(qū)動器。由于它生成了觸覺波形，所以此驅(qū)動器發(fā)揮的作用很重要。它負(fù)責(zé)生成通過觸覺與用戶進(jìn)行通信的語言。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，驅(qū)動器通過變化輸出波形的振幅和頻率來生成不同的振動模式。

　　讓我們來看一看德州儀器 （TI） DRV2605L ERM和LRA驅(qū)動器，它在芯片內(nèi)嵌入有123種不同的觸覺波形。此器件為你生成觸覺語言。你只需要將它整合在一起并大聲說出來就可以了！嵌入式波形可以與序列組合在一起，以獲得更加多變的觸覺效應(yīng)。它采用極小型1.5mm x 1.5mm BGA芯片級封裝，或者稍微大一些的3mm x 3mm引線封裝，個(gè)人認(rèn)為這種封裝方式更容易焊接。兩種封裝都只需兩個(gè)外部組件：一個(gè)1μF旁路電容器和1個(gè)1μF內(nèi)部穩(wěn)壓電容器。

　　圖7. DRV2605 ERM和LRA觸覺驅(qū)動器

　　系統(tǒng)中的最后一個(gè)組件是處理器。Bluetooth處理器負(fù)責(zé)導(dǎo)航塊與觸覺用戶接口之間的通信。對于這種器件，有很多種不同的選擇，不過我推薦SimpleLink Bluetooth 低功耗（Bluetooth智能）CC2541微控制器。我們曾經(jīng)于近期在一個(gè)項(xiàng)目中使用了這款器件為觸覺可穿戴設(shè)備生成參考設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)這款器件在所有需要進(jìn)行觸覺反饋原型設(shè)計(jì)的應(yīng)用中非常有用。查看觸覺Bluetooth套件參考設(shè)計(jì)—它甚至包含一款iPhone和iPod應(yīng)用程序！