用于数模混合触觉效果控制器的系统、设备和方法与流程

用于数模混合触觉效果控制器的系统、设备和方法
1.相关申请
2.本技术要求于2019年2月25日提交的在先美国申请62/810,174的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及用于提供有限持续时间的触觉效果的系统、设备和方法。特别地，本发明针对使用数模混合控制器提供用于振动致动器的闭环反馈控制以产生有限持续时间的明确定义的触觉效果的技术。


背景技术：

4.用于产生振动效果的触觉致动器(即，诸如偏心旋转质块的振动致动器、线性谐振致动器、基于压电的致动器等)通常用在触觉使能设备中以提供中等到长持续时间的振动效果。这样的触觉效果作为嗡嗡声或振动感觉呈现给用户。提供嗡嗡声感觉可以通过激励振动致动器振荡许多次(例如，数十次、数百次或甚至数千次)来实现。这样的振动效果通过振动致动器的常规开环控制技术来实现。在这些情况下，不需要在有限持续时间内的精确致动器控制，这会在设备制造中引入不必要的成本。
5.在一些情况下，可能期望产生有限持续时间的触觉效果，其中振动致动器仅经历少量(例如，少于10次)振荡。这样的触觉效果可以作为点击而不是嗡嗡声呈现给用户。例如，可能期望这些类型的点击提供对触摸屏输入的机械响应的感觉和满足感。常规上，开环控制技术和硬件适于通过例如实现致动器制动来提供这些短持续时间的点击。通过开环制动保持具有清晰边沿的高质量明确定义的感觉可能需要良好的致动器表征。致动器与开环控制方案的特性的偏差可导致减弱而不是急剧结束的效果。因此，例如，与线性谐振致动器的指定谐振频率的差异可导致有限持续时间的触觉效果劣化。该问题的常规解决方案包括致动器输出的制造后表征和开环控制参数的调整。
6.本文描述的发明提供了在触觉使能设备中生成有限持续时间的触觉效果的改进方法。


技术实现要素：

7.本文提供了适应振动致动器的闭环反馈控制，以产生有限持续时间的精确触觉振动效果的系统、设备和方法。迄今为止，闭环反馈控制尚未应用于振动致动器，因为认为常规的振动效果不需要精确控制。常规的触觉使能设备也不包括闭环控制的必要部件，并且认为引入这些部件不必要地增加了这些设备的成本。本文描述的数模混合控制系统用于向触觉使能设备便宜地提供精确的闭环控制。
8.本发明的实施例可以包括传感器、控制电路和振动致动器，其特别被配置为提供闭环控制能力以产生有限持续时间的振动效果。实施例还可以包括结合这些部件的设备和系统以及实现闭环控制技术以提供有限持续时间的触觉效果的方法。
9.本文的实施例包括触觉使能设备。触觉使能设备包括振动致动器；传感器，该传感器被配置为测量振动致动器的运动特性，并输出运动特性反馈信号；数模混合控制电路，包括模拟控制电路和至少一个处理器，该处理器被配置为控制振动致动器以产生有限持续时间的触觉效果。数模混合控制器被配置为通过以下方式控制振动致动器：在处理器处生成表示有限持续时间触觉效果的参考信号、向模拟控制电路提供误差信号、由模拟控制电路基于误差信号向振动致动器提供命令信号、对运动特性反馈信号进行采样，以及由处理器根据运动特性反馈信号和参考信号以采样频率提供对误差信号的连续调整，使模拟控制电路连续调整命令信号，以最小化参考信号和运动特性反馈信号之间的误差。
10.还有的实施例包括一种通过数模混合控制电路控制振动致动器的方法，该数模混合控制电路包括模拟控制电路和处理器以产生有限持续时间的触觉效果。该方法包括由处理器生成参考信号，该参考信号表示有限持续时间的触觉效果。该方法还包括由处理器向模拟控制电路提供初始误差信号，以使模拟控制电路生成用于激活振动致动器的命令信号；由传感器随时间测量振动致动器的运动特性；由传感器输出指示运动特性的运动特性反馈信号；以及控制振动致动器以提供有限时间的触觉效果。控制振动致动器包括由处理器对运动特性反馈信号进行采样，以及由处理器根据运动特性反馈信号和参考信号以采样频率提供对误差信号的连续调整，同时由模拟控制电路提供命令信号，其中提供对误差信号的连续调整使模拟控制电路连续调整命令信号以最小化参考信号和运动特性反馈信号之间的误差。
附图说明
11.从如附图所示的本发明的实施例的以下描述中，本发明的前述和其它特征和优点将变得显而易见。并入本文并形成说明书一部分的附图进一步用于解释本发明的原理并使相关领域的技术人员能够制造和使用本发明。附图不按比例绘制。
12.图1是图示根据本发明的实施例的触觉使能设备的各方面的示意图。
13.图2a和图2b是图示根据本发明的实施例的经由集成电路实现的数模混合控制电路的示意图。
14.图3是与本发明的实施例一致的致动器控制处理的流程图。
15.图4a和图4b是示出与本发明的实施例一致的lra测试结果的图表。
具体实施方式
16.现在参考各图描述本发明的具体实施例。下面的详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，无意受前述技术领域、背景技术、方面内容或以下具体实施方式中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。
17.本文描述的实施例涉及触觉使能设备。与本文的实施例一致的触觉使能设备可以被配置为智能电话、平板计算设备、智能手表、健身带、触觉使能可穿戴设备、眼镜、虚拟现实(vr)、增强现实(ar)和/或混合现实(mr)耳机、手持式游戏设备、个人计算机(例如，台式计算机、膝上型计算机等)、电视、交互式标志和/或可被编程为向用户提供触觉输出的其它设备。与本发明的实施例一致的基于触觉的设备包括具有用于向触觉使能设备传递振动效果的一个或多个振动致动器的设备。在本发明的实施例中，触觉使能设备还可以包括用户
输入元件，例如，控制元件，诸如触发器、按钮、操纵杆、操纵手柄、触摸屏、触摸板等，以允许用户与计算机系统交互。触觉使能设备还可以包括被配置为增强无论启用触觉还是没有触觉使能其它设备的能力的外围设备。
18.与本发明的实施例一致的触觉使能设备可以包括处理系统。与本文描述的实施例一致的处理系统包括一个或多个处理器(为了方便起见，在本文中也可互换地称为处理器、(一个或多个)处理器)、一个或多个存储器单元、音频输出、用户输入元件、通信单元和/或其它部件。处理器可以由一个或多个计算机程序指令编程以执行本文描述的方法。与本发明一致的通信单元可以包括可以与外围设备进行传输或通信的任何有线或无线连接设备。
19.在本发明的实施例中，触觉使能设备可以与被配置为向触觉使能设备提供触觉控制信号的处理系统分开提供。这种触觉使能设备包括振动致动器和所需的控制电路系统以及激活振动致动器的电源。与处理系统分开提供的触觉使能设备可以是例如旨在用于与中央处理系统通信的可穿戴设备。根据这些实施例的触觉使能设备可以包括腕带、戒指、腿带、手指附件、手套、眼镜以及被配置为提供触觉输出的其它类型的设备。
20.本发明的实施例涉及经由数模混合控制器对振动致动器进行闭环反馈控制以产生有限持续时间的触觉效果。与本发明的实施例一致的反馈控制系统被配置为减少和/或最小化由参考信号表示的预期触觉效果与由运动特性信号表示的输出触觉效果之间的误差。参考信号表示旨在由振动致动器产生的触觉效果。响应于参考信号，如本文所述的反馈控制系统控制触觉输出，该触觉输出由输出运动特性信号的传感器测量。反馈系统使用运动特性信号来最小化触觉输出中的误差。
21.如本文所使用的，“振动致动器”是指被配置为响应于命令信号而通过振荡或振动产生触觉效果的致动器。与本发明的实施例一致的振动致动器能够通过以1hz或更高的振荡或振动产生触觉效果。有限持续时间的触觉效果是指持续时间小于100ms的触觉效果。有限持续时间的触觉效果的长度可以根据致动器的频率而变化。例如，10hz的致动器的一次振荡需要100ms，并且有限持续时间的触觉效果可以是100ms或更短。作为对照，在1,000hz时，一次振荡仅需要1ms，并且有限持续时间的触觉效果可以包括15次振荡，大约需要15ms。在实施例中，有限持续时间的触觉效果可以具有小于100ms、小于50ms、30ms、小于25ms、小于20ms和/或小于15ms的持续时间。在实施例中，有限持续时间的触觉效果可以采用在1hz和1000hz之间操作15ms和50ms之间的持续时间的振动致动器。可以基于所使用的致动器的类型、由振动致动器提供的力或位移的大小和/或由设计者寻求的效果的类型来执行有限持续时间的触觉效果持续时间的选择。在实施例中，可以根据产生触觉效果的振动致动器的代表性瞬态时间来确定有限持续时间的触觉效果的持续时间。有限持续时间的触觉效果可以由执行1到大约15次振荡的振动致动器产生，其中可以根据振动致动器的频率选择所传递的振荡的数量。本发明的实施例还涉及振动致动器的闭环反馈控制，以产生有限持续时间的清晰触觉效果。如本文所使用的，“清晰触觉效果”是指在效果完成时具有突发截止的触觉效果。
22.在实施例中，与本发明的实施例一致的振动致动器可以包括能够在1hz和10,000hz之间的频率下产生振动效果的宏纤维复合致动器。在还有的实施例中，与本发明的实施例一致的振动致动器可以包括基于压电材料的振动致动器，诸如压电陶瓷致动器，其能够在大约1hz和10,000hz之间的频率下产生振动效果。在还有的实施例中，与本发明的实施
例一致的振动致动器可以包括lra，其能够在大约50hz和500hz之间的频率下产生振动效果。本发明的实施例可以采用被配置为通过在1hz和10,000hz频率范围内振动部件来传递触觉效果的其它类型的振动致动器，诸如erm致动器。
23.与本发明的实施例一致的一些振动致动器(诸如lra)被设计为提供对频率输入的谐振响应，并且通常具有高q
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因子或窄带宽。这样的致动器被构造成使阻尼最小化以提供更高的效率。因此，当在振动致动器的谐振频率处提供命令信号时，振动触觉响应被最大化。为了防止浪费能量，这样的致动器被构造成使摩擦和其它阻尼源最小化。当停止向振动致动器的命令信号时，振动致动器仍将以其谐振频率振荡若干次。产生强烈的触觉效果需要相应的强大信号，这在没有阻尼的情况下将使振动致动器在减速到停止之前振荡若干次。对于振动致动器的常规使用，这是可接受的结果，因为在命令信号停止之后数十毫秒的自由振荡不会降低几百毫秒的振动或嗡嗡声的触觉效果。相反，数十毫秒的自由振荡将使预期15毫秒的触觉效果显著失真。
24.以高频振荡的振动致动器的闭环控制需要这种致动器的运动的高频测量以及高频控制方案。以1000hz振荡的致动器无法通过以500hz提供命令的控制方案进行可靠控制。常规的移动设备通常不配备足以在高频下实现数字控制方案的数字信号处理电路系统。虽然存在专门为高频数字控制定制的处理单元，但将这样的处理单元添加到移动设备可能意味着移动设备支出的增加不可接受。
25.本文的实施例描述了混合数模控制系统的使用，该系统被配置为通过使用与数字处理单元结合的专用模拟集成电路来提供高频控制。与本发明的实施例一致的数字处理单元可以包括移动设备的中央处理单元。因此，高频闭环控制方案可以被便宜地添加到触觉使能设备。
26.图1是图示根据本发明的实施例的触觉使能设备100的各方面的示意图。触觉使能设备100包括一个或多个振动致动器105、模拟控制电路102、一个或多个运动特性传感器107和外壳101。可选地，触觉使能设备100还包括显示器106、至少一个处理器108、至少一个存储器单元120、一个或多个用户输入元件110、一个或多个音频输出109，以及一个或多个通信单元112。
27.振动致动器105包括被配置为响应于命令信号而振荡或振动的致动器。振动致动器105被配置为当以超过50hz的频率振荡时产生触觉效果。振动致动器105可以包括配置有弹簧质块振荡系统的致动器，诸如线性谐振致动器(lra)和音圈致动器。与本发明的实施例一致的振动致动器105被配置为产生范围在大约50hz和1000hz之间的振荡效果。
28.运动特性传感器107包括被配置为测量运动的传感器和换能器。运动特性传感器107被配置为测量触觉使能设备100的振动致动器105的运动特性。运动特性传感器107包括被配置为确定致动器部件的运动特性的传感器。这样的运动特性可以包括，例如，诸如位移、力、速度、动量、角速度、角动量和加速度之类的向量值，以及诸如速率、距离和加速度大小的标量值。其它运动特性可以包括振荡特性，诸如频率、振幅和相位。在实施例中，可以使用上述运动特性中的一个或多个的直接测量来确定其它运动特性的值。例如，可以使用加速度的直接测量来间接地确定速度和/或位移。在一些示例中，系统参数可以存储在存储器中用于在这种确定时使用。例如，系统的质块可以存储为参数并与加速度的测量组合以允许确定力。在运动特性传感器107的示例中，运动特性传感器107被配置为确定振动致动器
105的移动质块的运动特性。在另一个示例中，运动特性传感器107被配置为测量与弹簧质块致动器系统相关联的弹簧的应变。
29.运动特性传感器107可以是例如加速度计。运动特性传感器107可以被实现为加速度计和/或可以是专门选择用于检测振动致动器105的运动特性的换能器和/或可以是包括在触觉使能设备100内用于其它目的的换能器。例如，触觉使能设备100经常包括用于倾斜控制或步进计数目的的加速度计。这种加速度计可以提供如运动特性传感器107那样的运动特性信息。在可选实施例中，实现为加速度计的运动特性传感器107被定向成检测与振动致动器105被定向成产生移动的相同移动轴中的运动。
30.用于本发明的实施例的模拟控制电路102可以是被配置用于控制振动致动器105的部件的集合。在实施例中，控制电路102可以包括集成电路，该集成电路包含专用于提供触觉控制功能的部件。例如，控制电路102可以包括专用集成电路(“asic”)、可编程门阵列(“pga”)、现场可编程门阵列(“fpga”)、片上系统(“soc”)或其它类型的集成电路。在还有的实施例中，控制电路102可以完全用硬件部件实现并且可以包括被配置为执行本文讨论的功能的各种电子部件，例如，电容器、电阻器、运算放大器等。
31.触觉使能设备100的可选部件还包括显示器106、至少一个处理器108、至少一个存储器单元120、用户输入元件110、音频输出109、以及一个或多个通信单元112。
32.触觉使能设备100可以包括一个或多个处理器108和一个或多个存储器单元120。处理器108可以由存储在(一个或多个)存储器单元120中的一条或多条计算机程序指令编程。如本文所述，处理器108的功能可以由存储在(一个或多个)存储器单元120或另一个计算机可读或有形介质中的软件实现，并由处理器108执行。如本文所使用的，为方便起见，各种指令可以被描述为执行操作，但实际上，各种指令对处理器108进行编程以执行操作。
33.本文描述的各种指令可以存储在存储器单元120中，存储器单元120可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪存和/或适于存储软件指令的任何其它存储器。(一个或多个)存储器单元120可以存储将由处理器108执行的计算机程序指令(例如，前述指令)以及可以由处理器108操纵的数据。
34.处理器108被配置为与模拟电路102结合操作以提供振动致动器105的闭环控制作为数模混合控制器，如下文更详细讨论的。
35.与本文的实施例一起使用的用户输入元件110可以包括适合于接受用户输入的任何元件。这些元件可以包括按钮、开关、拨盘、杠杆、触摸屏、触摸板等。用户输入元件110还可以包括外围连接的设备，诸如鼠标、操纵杆、游戏控制器、键盘等。用户输入元件110还可以包括相机、雷达设备、激光雷达设备、超声设备和被配置为远程捕获用户手势的其它设备。
36.根据本发明的实施例的通信单元112可以包括被配置用于外部通信的一个或多个设备或部件。通信单元可以包括有线通信端口，诸如usb端口、hdmi端口、a/v端口、光缆端口，以及被配置为以有线方式接收或发送信息的任何其它部件或设备。通信单元还可以包括无线通信设备，诸如蓝牙天线、天线、蜂窝天线、红外传感器、光学传感器，以及被配置为无线地接收和/或传送信息的任何其它设备。在还有的实施例中，通信单元112可以包括被配置为经由超声波传送信息的超声扬声器和麦克风。
37.与本发明的实施例一起使用的显示器106可以是用于向用户提供视觉输出的屏
幕。显示器106可以包括触摸屏能力(并且因此也用作用户输入元件110)。显示器106可以具有任何尺寸、形状或配置，以适应触觉使能设备100的需要。在触觉使能设备100的一些实施例中，诸如被配置用于传递触觉效果的可穿戴设备，不需要显示器106。在实施例中，显示器106可以包括头戴式显示器，诸如vr、ar或mr头戴式耳机、护目镜和/或其它vr/ar/mr显示设备。在实施例中，显示器106可以被投射到表面上或者用于在空中显示。
38.音频输出109包括被配置为向用户提供音频输出的设备。音频输出109可以包括扬声器以及被配置用于将音频信号传送到扬声器或耳机的音频输出端口，诸如耳机插孔。音频输出109还可以包括音频信号的无线传输(例如，经由蓝牙协议)所需的任何硬件和/或天线。
39.图2a和图2b图示了与本发明的实施例一致的数模混合控制系统。图2a图示了与本发明的实施例一致的数模混合控制系统111。数模混合控制系统111包括模拟控制电路102和数字控制电路208。数字控制电路208至少包括处理器108、存储单元120。数模混合控制系统111还包括模数转换器(adc)121和数模转换器(dac)122。如图2a所示，adc 121和dac 122可以是数字控制电路208的一部分。adc 121和dac 122可以是单独的部件和/或可以将它们的功能包括为处理器108的一部分。在还有的实施例中，adc 121和dac 122可以是模拟控制电路102的一部分和/或可以不包括在模拟控制电路102或数字控制电路208中。模拟控制电路102和数字控制电路208协作以提供振动致动器105的高频控制以产生有限持续时间的触觉效果。
40.模拟控制电路102被实现为图2a中的集成电路。如图2a所示，模拟控制电路102是被配置为pid控制器的集成电路。模拟控制电路102的所示实施例仅作为示例，并且在不脱离本发明的情况下可以使用附加的或不同的模拟电路部件和控制器方案。
41.处理器108接收或生成参考信号。参考信号表示期望的触觉输出。参考信号是表示随时间测量的运动特性的期望值的时变信号。参考信号可以是任何运动特性的时变信号，包括本文讨论的那些中的每一个。例如，参考信号可以是随时间的加速度。参考信号可以表示振动致动器105的期望运动特性。在实施例中，参考信号可以表示耦合到振动致动器105的触觉使能设备100的不同部件的期望运动特性。参考信号可以由触觉使能设备100的处理器108生成、从至少一个存储器单元120接收、和/或可以从触觉使能设备100外部的源接收。例如，在触觉使能设备100被实现为用于提供触觉效果的可穿戴设备(诸如手镯)的情况下，参考信号可以从可穿戴设备与之相关联的更大系统的处理器传递到处理器108。在实施例中，参考信号可以跟踪与运动特性传感器107相同的参数，例如，当运动特性传感器107是加速度计时，参考信号可以指示随时间的期望加速度。在还有的实施例中，参考信号可以跟踪与运动特性传感器107不同的参数。例如，当运动特性传感器107是加速度计时，参考信号可以指示随时间的期望速度。
42.处理器被配置为从运动特性传感器107接收运动特性反馈信号222。运动特性反馈信号222由adc 121从模拟信号转换成数字信号。运动特性传感器107被配置为检测、测量和/或确定振动致动器103的至少一种运动特性并将基于运动特性的运动特性反馈信号222传递到处理器108。如以上所讨论的，运动特性传感器107可以基于直接测量的运动特性(例如，由加速度计测量的加速度)传递运动特性反馈信号222，和/或可以传递从测得的运动特性导出的运动特性反馈信号222，例如，从加速度计测得的加速度导出的速度信号。运动特
性反馈信号222还可以基于耦合到振动致动器105的触觉使能设备100的一部分的运动测量。一旦接收到，运动特性反馈信号222就从模拟信号转换成数字信号以供处理器108处理。
43.处理器108接收(或生成)参考信号并接收运动特性反馈信号222并将误差信号223输出至模拟控制电路102。处理器108将参考信号与运动特性反馈信号222进行比较以确定它们之间的误差。基于该误差，处理器108生成数字误差信号，该数字误差信号由dac122转换成模拟误差信号223，然后该信号被传递到模拟控制电路102。
44.模拟控制电路102接收误差信号223。模拟控制电路102的控制部分104充当对误差信号223的pid控制器以产生未放大的命令信号224。控制部分104的未放大的命令信号224被放大器部分103放大以产生命令信号221。
45.命令信号221被输出到振动致动器105以引起触觉输出。当振动致动器105由命令信号221驱动时，振动致动器105的触觉输出由运动特性传感器107测量。
46.处理器108接收运动特性反馈信号222并将其与参考信号进行比较以连续调整误差信号223，从而连续调整输出至振动致动器105的命令信号221，以最小化参考信号和运动特性反馈信号222之间的误差。
47.如本文所使用的，连续调整意味着处理器108输出的信号(例如误差信号223)在该信号的输出期间持续地被调整以调整触觉效果或输出。对于数字应用，可以理解为连续调整包括重复的离散调整。如本文所使用的，连续调整不包括使用触觉输出的测量以用于未来触觉效果的参数调整，即使是定期执行的。在实施例中，可以在超过500hz、超过1k hz、5k hz、10k hz和20k hz的频率下以数字方式执行连续调整。在实施例中，以等于或超过连续调整频率的频率对运动特性反馈信号222进行采样。在实施例中，运动特性反馈信号222以连续调整频率的至少两倍的频率被采样。“连续调整”的这些定义适用于本文讨论的所有实施例和该术语的使用。
48.在数模混合控制系统111中，处理器108基于参考信号和运动特性反馈信号222执行简单计算以产生误差信号223。这些相对简单的计算(例如，与由模拟控制电路102的pid控制执行的计算相比)可以由常规移动设备中的中央处理单元执行，而不需要专用和专门的数字信号处理器。模拟控制电路102执行pid控制方案或任何其它合适的控制方案的更复杂的计算。模拟控制电路102的硬连线模拟性质允许模拟控制电路102比数字版本更高效并且以更便宜的封装执行控制计算。
49.在实施例中，处理器108还被配置为在执行触觉效果期间或紧随其后接收或生成经调整的参考信号。所需的触觉输出可以基于与触觉使能设备100的用户交互来确定，并且这样的要求可以持续地改变。可以作为触觉使能设备100的中央处理单元操作的处理器108可以根据需要更新或调整参考信号。
50.在实施例中，处理器108还被配置为调整模拟控制电路102的特性。模拟控制电路102可以被实现为具有可调参数的集成电路，诸如fpga。处理器108可以被配置为调整fpga的参数以调整由模拟控制电路102实现的控制方案的参数。在实施例中，处理器108可以被配置为调整fpga的参数以对应于模拟控制电路102要实现的多个预定义控制方案中的一个。例如，多个潜在fpga编程的控制方案参数可以被调节以产生不同的控制结果，例如，不同的增益或不同的阻尼。在实施例中，多个fpga编程可以被配置用于以不同频率驱动振动致动器105的最佳性能。处理器108可以在多个fpga编程之间切换以根据参考信号(和期望
的触觉效果)选择优选的模拟控制电路102。
51.在实施例中，数模混合控制系统111可以包括多个模拟控制电路102。每个模拟控制电路102可以在控制方案参数方面不同。例如，可以调节多个模拟控制电路102的控制方案参数以产生不同的控制结果，例如，不同的增益或不同的阻尼。在实施例中，多个模拟控制电路102可以被配置用于以不同频率驱动振动致动器105的最佳性能。处理器108可以在多个模拟控制电路102之间切换以根据参考信号(和期望的触觉效果)选择优选的模拟控制电路102。
52.在附加的实施例中，如图2b所示，数模混合控制系统311可以采用开关301来允许在开环和闭环控制之间切换。数模混合控制系统311可以包括与数模控制系统111相同的元件中的每一个，包括模拟控制电路102、数字控制电路208、振动致动器105和一个或多个运动特性传感器107。数模混合控制系统311还包括开关301和求和电路302。
53.数模混合控制系统311可以如下操作。在开环操作期间，开关301可以处于位置a。在开环操作期间，开关301提供数字控制电路208和振动致动器105之间的直接控制路径。数字控制电路208输出参考信号224。在开环操作期间，参考信号224与命令信号221相同，其由振动致动器接收以控制它的输出。
54.在闭环操作期间，开关301可以处于位置b。在闭环操作期间，开关301提供数字控制电路208和求和电路302之间的路径。数字控制电路208为模拟控制电路102的闭环操作提供参考信号224。求和电路302接收来自数字控制电路208的参考信号224和运动特性信号222，并输出误差信号223作为参考信号224和运动特性信号222之间的差异。
55.因此，根据数模混合控制系统311，振动致动器105可以根据触觉使能设备101的要求通过开环或闭环控制被交替地控制。
56.在实施例中，模拟控制电路102可以实现任何合适的控制方案。例如，模拟控制电路102可以实现超前补偿控制器。当用lra实现时，由于lra系统在谐振频率下的滞后，超前补偿控制可能是有利的。当lra在谐振频率下被激励时，初始频率响应表现出相对于输入信号的相位滞后。超前补偿控制可以用于抵消这种滞后并减少参考信号和运动特性反馈信号222之间的误差。在其它示例中，模拟控制电路102可以实现比例控制器、比例微分(pd)控制器、比例积分微分(pid)控制器、比例积分(pi)控制器、超前
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滞后补偿控制器和/或任何其它适当的控制器。
57.数模混合控制系统111在应用于产生有限持续时间的触觉效果，即，持续时间小于100ms的效果时是有利的。在实施例中，有限持续时间的触觉效果可以在5到50ms之间，并且使用振动致动器105的1到10次之间的振荡。由于由本发明的实施例产生的触觉效果的有限持续时间，数模混合控制系统111操作以提供命令信号221的连续调整。这种连续调整意味着即使在非常短的触觉效果期间，命令信号221也基于运动特性反馈信号222进行多次调整。在实施例中，运动特性反馈信号222可以以超过500hz、超过1khz、超过5khz、超过10khz和/或超过20khz的采样频率捕获振动致动器105的运动。处理器108可以以与运动特性反馈信号222的采样频率相同的速率对误差信号223执行更新。
58.在还有的实施例中，数模混合控制器的不同部分可以以数字或模拟形式实现。例如，在实施例中，包括误差信号的整个控制回路可以在模拟电路系统中实现，其中数字处理器仅向控制回路的模拟部分提供参考信号。在还有的实施例中，数字处理器可以处理控制
回路的较大部分。例如，在采用pid控制方案的控制系统中，数字处理器可以执行控制方案的p(比例控制)方面所需的步骤，而模拟电路系统被配置为执行i(积分控制)和d(微分控制)所需的步骤。在这样的实施例中，数字处理器被配置为将比例控制信号以及误差信号和参考信号中的一个或两个传送到模拟控制电路。还有的实施例可以包括数字处理器和模拟电路，每一个都执行所实现的控制方案的任何方面。
59.图3描绘了示出提供振动致动器的闭环反馈控制的处理400的流程图。处理400可以由如本文所讨论的数模混合控制系统111执行。如本文进一步讨论的，适合于实现处理400的控制器的任何部分可以以数字方式实现并且任何部分可以模拟方式实现。由处理400实现的闭环反馈控制可以被理解为提供对期望参考信号的密切跟踪，其可以包括急剧或突然的开始和停止。例如，处理400可以向受控系统提供受控阻尼，以便为触觉效果提供急剧截止或突然停止。如以上所讨论的，闭环反馈控制可以仅用于传递的触觉效果的一部分，例如，以消除触觉效果结束时的过度振动。这样的实施例与下面讨论的处理400一致。
60.在操作402中，处理400包括接收(或生成)参考信号。参考信号表示触觉使能设备试图产生的触觉效果。处理400的目标是减少测量的触觉效果(即，由运动特性反馈信号测量)和旨在由参考信号产生的触觉效果之间的误差。本文讨论的实施例非常适合于产生小于50ms、小于30ms、小于20ms、小于15ms和小于10ms的清晰触觉效果。
61.在操作404中，处理400包括向模拟控制电路提供初始误差信号以生成命令信号以使振动致动器传递有限持续时间的触觉效果。选择误差信号的初始值以发起振动致动器的运动并引起有限持续时间的触觉效果。误差信号的初始值根据参考信号和反馈系统的已知特性确定，反馈系统至少包括振动致动器、其耦合到的部件和传感器。虽然来自传感器的反馈将用于最小化参考信号和运动特性信号(即，测量的触觉效果)之间的误差，但是选择接近实现期望输出所需的初始误差信号值用来最小化触觉效果的早期部分中的误差。
62.在操作406中，处理400包括由传感器测量触觉使能设备的触觉激活部件的一个或多个运动特性。在实施例中，传感器是如本文所讨论的运动特性传感器。运动特性可以包括诸如位移、速度、动量、角速度、角动量和加速度之类的向量值，以及诸如速率、距离和加速度大小之类的标量值。运动特性可以被直接测量或者可以从直接测量的值导出。运动特性传感器可以直接或间接地振动耦合到振动致动器。
63.在操作408中，处理400包括由传感器输出指示用于振动致动器的反馈控制的运动特性的运动特性反馈信号。
64.在操作410中，处理400包括向模拟控制电路提供更新后的误差信号。更新后的误差信号是基于运动特性反馈信号与参考信号之间的差异。
65.在操作412中，处理400包括由处理器根据运动特性反馈信号和参考信号提供误差信号的连续调整，同时由模拟控制电路连续提供命令信号。误差信号的连续调整使参考信号和运动特性反馈信号之间的误差最小化。运动特性反馈信号测量输出触觉效果，因此连续调整用于控制振动致动器以控制输出触觉效果。反馈系统减少和/或最小化由参考信号表示的预期触觉效果和由运动特性信号表示的输出触觉效果之间的误差。在实施例中，命令信号的连续调整被执行的速率等于运动特性反馈信号被采样的速率。
66.以上描述了根据本文描述的实施例的提供振动致动器的闭环控制以产生有限持续时间的触觉效果的示例处理400的说明性流程。如图3所示的处理仅仅是示例性的，并且
在不脱离本文公开的实施例的范围的情况下存在变化。可以以与所描述的顺序不同的顺序执行这些步骤、可以执行附加步骤，和/或可以执行更少的步骤。
67.与本文描述的闭环控制方案一致的系统和方法可以允许使用具有比常规的更宽的特性变化的致动器。如以上所讨论的，致动器的准确开环控制要求致动器特性落在窄的范围内。超出该范围的特性将导致致动器出现异常行为。但是，与本文描述的那些一致的闭环控制器的使用允许具有规格外特性的致动器与规格内的致动器一样执行。这种更广泛的可接受特性允许使用较便宜的致动器。
68.对20个lra进行了实验，其中10个在规格内，其中10个未通过质量控制。图4a示出了20个lra的谐振频率，图示了10个在规格内并且10个在规格外。图4b示出了5个在规格内的lra和5个在规格外的lra在产生清晰有限持续时间的触觉效果时的加速响应。这些lra经由与本发明的实施例一致的闭环控制方案来控制。如图4b所示，在规格内和在规格外的lra均显示出出色的有限持续时间响应性。因此，提供了在有限持续时间的触觉效果期间使用数模混合闭环控制系统提供对振动致动器的精确控制的系统、设备和方法。由本文的实施例实现的精确控制方法允许产生具有清晰或突发完成的有限持续时间的触觉效果。虽然上面已经描述了根据本发明的各种实施例，但是应该理解的是，它们仅以图示和示例的方式呈现，而不是限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。还将理解的是，本文所讨论的每个实施例的每个特征以及本文引用的每个参考文献的每个特征可以与任何其它实施例的特征组合使用。换句话说，上述渲染触觉效果的方法的各方面可以与本文描述的其它方法任意组合使用，或者这些方法可以单独使用。以下段落描述了本发明的附加方面和实施例。