Hochauflösende Haptik Ein softwaredefinierter Ansatz verbessert den Tastsinn im Fahrzeug

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Bei Touchdisplays im Fahrzeug stehen die Hersteller vor dem Spagat zwischen Design und Sicherheit. Vielversprechend ist eine Kombination aus taktilem Feedback und softwaredefinierter Steuerung. Was mit Sensorless Velocity Control (SVC) möglich ist.

Seit der Einführung des großen Displays in der Mittelkonsole des Tesla Model S im Jahr 2012 werden herkömmliche mechanische Bedienelemente und Schalter zunehmend durch integrierte Touchscreens ersetzt. Dies bietet den Herstellern zahlreiche Vorteile, darunter die Möglichkeit, minimalistische Innenräume zu gestalten und softwarebasierte Schnittstellen (Human-Machine-Interfaces, HMI) zu ermöglichen. Darüber hinaus ermöglichen softwaredefinierte Fahrzeugarchitekturen eine schnellere Entwicklung und bieten die Möglichkeit, Fahrzeuge später über Over-the-Air- (OTA-)Funktionsupdates zu optimieren. Allerdings hat eine softwaredefinierte Steuerung auch Nachteile, insbesondere in Bezug auf die Aufmerksamkeit des Fahrers. Studien zeigen, dass sich die Reaktionszeit des Fahrers bei der Interaktion mit Touchscreens um mehr als 50 Prozent verlängern kann.

Was das für die Fahrzeughersteller bedeutet

Als Reaktion auf das Gefahrenpotenzial planen Fahrzeugtestorganisationen wie Euro NCAP, in ihrem Bewertungssystem Punkte für diskrete Tasten zur Steuerung kritischer Fahrzeugfunktionen zu vergeben. Ziel ist es, die kognitive Belastung des Fahrers zu reduzieren und ihn zu ermutigen, seinen Blick auf die Straße und nicht auf das Display zu richten. Dies stellt Automobilhersteller, die physische Bedienelemente durch Touchscreen-HMIs ersetzt haben, vor mehrere Herausforderungen. Einerseits haben sich die Kunden an den softwaredefinierten Ansatz der Touchscreens gewöhnt. Andererseits würden zusätzliche Schalter mit den ästhetischen Wünschen der Designer kollidieren.

Zudem steht die Automobilindustrie unter erheblichem Kostendruck und die Integration neuer, diskreter Bedienelemente wäre mit zusätzlichen Kosten verbunden. Um diese zum Teil widersprüchlichen Herausforderungen zu meistern, müssen die Hersteller neue Technologien nutzen, die die Vorteile mechanischer Bedienelemente mit dem softwaredefinierten Ansatz von Touchscreens verbinden können.

Taktile Bedienelemente sind erwünscht

Ein gutes Beispiel für ein taktiles Bedienelement ist die kürzlich eingeführte Kamerataste auf Mobiltelefonen. Mit dieser Taste kann der Benutzer Kamerafunktionen wie Belichtung oder Schärfentiefe einstellen, ohne den Blick vom Motiv zu nehmen. In ähnlicher Weise können taktile Bedienelemente Autofahrern helfen, die Augen auf der Straße und die Hände am Lenkrad zu behalten. Hier besteht ein dringender Bedarf an verbesserten haptischen Implementierungen in Fahrzeugsteuerungen.

Um solche haptischen Bedienelemente zu realisieren, bieten neue softwaredefinierte Konzepte für die Innenraumbedienung den Automobilherstellern völlig neue Möglichkeiten. Anstatt mechanische Knöpfe durch Klicks mit nur einer Funktion zu ersetzen, können programmierbare virtuelle Oberflächen die zentralisierte HMI-Verarbeitung nutzen, um das haptische Feedback in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrkontexten dynamisch neu zu konfigurieren. Dies erhöht die Funktionstiefe der einzelnen Bedienelemente und reduziert die Unübersichtlichkeit, die sonst den Fahrer ablenken könnte.

Integration von haptischen Funktionen ist sehr komplex

Das Haupthindernis für die Integration dieser Konzepte ist nicht der Mangel an geeigneten technischen Möglichkeiten, sondern die Komplexität der Integration robuster und benutzerfreundlicher haptischer Funktionen auf Verbraucherebene. Bisherige Lösungen boten nur ein minderwertiges haptisches Erlebnis.

Um das haptische Erlebnis zu verbessern, ist es hilfreich, zunächst die Biologie des Tastsinns zu verstehen. Die Mechanorezeptoren der menschlichen Hand haben besondere Fähigkeiten: Sie können Vibrationen bis zu 500 Hz und Texturen wahrnehmen, wenn die Finger über Oberflächen gleiten. Die wahrgenommene Stärke und Schärfe dieser Empfindungen hängt direkt davon ab, wie der Aktuator das Feedback erzeugt. Zwei kritische Komponenten sind für ein effektives Klicken unerlässlich: haptische Stärke und Qualität.

Leider werden in vielen bestehenden Fahrzeugsystemen haptische Schaltkreise mit offenem Regelkreis verwendet, die feste Spannungsimpulse an die Aktoren senden. Obwohl diese Designs im Labor optimiert wurden, liefern sie in der Praxis aufgrund von Produktions- und Temperaturschwankungen oft kein konsistentes Feedback, was zu einem minderwertigen haptischen Erlebnis führt. Um eine feinere Rückmeldung zu erhalten, die dem entspricht, was der Benutzer von einem Laptop-Trackpad oder einem Smartphone erwartet, kann die SVC-Methode (Sensorless Velocity Control) verwendet werden, um hochauflösende haptische Effekte zu erzeugen.

Hochauflösende Haptik dank Sensorless Velocity Control

Sensorless Velocity Control, kurz SVC, nutzt hochentwickelte Algorithmen, um die Signale des Aktuators zu überwachen, während er sich bewegt, und passt die Antriebs- und Bremsimpulse kontinuierlich an, um optimale Klickreaktionen zu gewährleisten. Dies bietet zahlreiche Vorteile: Die Klick-Wellenformen kann dynamisch angepasst werden, um die gewünschten Beschleunigungswerte zu erreichen. SVC kompensiert Abweichungen von Bauteil zu Bauteil und unterschiedliche Umgebungstemperaturen und gewährleistet so ein einheitliches Benutzererlebnis unter verschiedenen Umgebungsbedingungen.

Da Aktuatoren altern, was zu veränderten Lastimpedanzen und Steifigkeiten führt, kann SVC den Zustand des Aktuators im Laufe der Zeit diagnostizieren und eine geschlossene Signalverarbeitung anwenden, um ein klares Feedback zu erhalten. Auf kommerzieller Ebene ermöglicht SVC die Verwendung kleinerer, kostengünstigerer Aktuatoren ohne Leistungseinbußen. Noch wichtiger ist, dass SVC das Gesamterlebnis des Benutzers verbessert, indem es das Feedback der Berührungseingabe natürlicher und leichter wahrnehmbar macht. Dies trägt dazu bei, die kognitive Belastung des Fahrers zu verringern.

Die haptische Steuerung vereinfachen

Die Implementierung von hochauflösenden Klicks unter Verwendung einer Closed-Loop-Steuerung ist komplex und erfordert eine Kombination aus Feedback-Sensoren, verbesserten Software-Algorithmen und digitaler Signalverarbeitung (DSP) mit niedriger Latenz. Das veranschaulicht die Vorteile dieses Ansatzes, bei dem eine integrierte Ein-Chip-Treiberlösung zum Einsatz kommt, die alle erforderlichen Schaltungen zur Ansteuerung verschiedener Aktuatorentypen effektiv kombiniert.

Darüber hinaus entlasten fortschrittliche Lösungen den Host-Prozessor von Aufgaben der Wellenformerzeugung und -synthese mit niedriger Latenz und vereinfacht so die Erzeugung haptischer Effekte. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, zahlreiche haptische Wellenformen aus dem Speicher zu streamen, so dass der Host-Prozessor Skripte auf höherer Ebene verwenden kann, um haptische Sequenzen für verschiedene UI-Kontexte zu generieren, Dies ist insbesondere für Geräte mit eingeschränkten Ressourcen von Vorteil.

Lokaler Mikrocontroller durch Remote-Softwaretreiber ersetzen

Aktuelle aktive haptische Systeme für Bedienschalter verwenden in der Regel einen Mikrocontroller, auf dem ein lokaler Software-Stack läuft, kombiniert mit diskreten Verstärkern zur Erzeugung von Spannungsimpulsen für Wandler. Die haptischen Effekte werden von den Lieferanten der Schaltermodule auf der Grundlage der Vorgaben des Fahrzeugherstellers entwickelt und sind häufig für die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs festgelegt. OTA-Updates ermöglichen zwar eine Neukonfiguration der haptischen Effekte, erfordern aber eine Abstimmung mit dem Schaltmodul-Lieferanten über die notwendigen Softwareänderungen.

Dank verbesserter Fahrzeugkommunikationsnetzwerke wie 10Base-T1S und Fernsteuerungskonzepten, die innerhalb der Open Alliance diskutiert werden, können Automobilhersteller erwägen, den lokalen Mikrocontroller in den Schaltmodulen durch einen Remote-Softwaretreiber zu ersetzen, der auf einem zentralen Fahrzeugcomputer läuft. Durch das Ersetzen der lokalen MCU durch einen einfacheren Netzwerk-Transceiver, der mit einem Haptik-Treiber verbunden ist, können Hersteller ihre Designs rationalisieren. Bessere Haptik-Treiber integrieren alle wesentlichen Signalverarbeitungs- und Signalgenerierungsfunktionen und machen einen lokalen Mikrocontroller überflüssig. (heh)

Softwaredefinierte Fahrzeuge

Wird Hardware im Auto bald zur Nebensache?

* Peter Hall ist Business Development Manager mit mehr als 20 Jahren Erfahrung in der Mikroelektronikbranche. Bei Cirrus Logic entwickelt er innovative Lösungen für das Benutzererlebnis in Fahrzeugen.

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