Vibrazione aptica del volante: integrazione e calibrazione

A cosa serve il vibratore aptico

Il vibratore aptico trasforma un avviso del sistema ADAS in una sensazione fisica nel palmo della mano. Invece di accendere una spia arancione o di far suonare un bip che può essere coperto dalla musica, il volante stesso vibra brevemente.

I casi d'uso tipici sono gli avvisi laterali (lane departure warning), il rilevamento dell'angolo cieco (blind spot warning), l'avviso di pre-collisione (forward collision warning) e l'avviso di uscita dalla corsia di emergenza. A seconda del costruttore, la vibrazione può essere localizzata a sinistra o a destra, oppure generalizzata sull'intera corona del volante.

Il vantaggio chiave, misurato da diversi studi ergonomici pubblicati sul Journal of Safety Research, è il tempo di reazione del conducente. Un avviso tattile viene elaborato più rapidamente dal cervello rispetto a un avviso visivo nella periferia del campo visivo. Per funzioni critiche come l'uscita involontaria dalla corsia, questa differenza si traduce in decine di metri di spazio di frenata.

Due tecnologie: ERM contro LRA

Due famiglie di attuatori equipaggiano oggi i volanti aptici.

ERM: Eccentric Rotating Mass

Un piccolo motore elettrico fa ruotare una massa decentrata. Lo squilibrio genera una vibrazione meccanica trasmessa al volante. L'ERM è semplice, robusto ed economico, ma la sua frequenza è legata alla sua velocità di rotazione: impossibile modulare frequenza e ampiezza indipendentemente. È la tecnologia storica, ampiamente utilizzata nei telecomandi dei giochi e nelle prime generazioni di volanti aptici.

LRA: Linear Resonant Actuator

Una massa fissata a una molla oscilla linearmente, eccitata da un elettromagnete. La frequenza è scelta con precisione (tipicamente da 150 a 250 Hz per i volanti), l'ampiezza è modulabile tramite la tensione di alimentazione. L'LRA è più preciso, più rapido nell'avvio e nell'arresto e consente motivi di vibrazione sofisticati (impulsi brevi, vibrazioni modulate, segnali direzionali).

I costruttori premium utilizzano quasi esclusivamente l'LRA dal 2018. È il componente che equipaggia Audi, BMW, Mercedes, Volvo e la maggior parte delle ultime Hyundai/Kia premium.

Integrazione meccanica nella corona del volante

A seconda del costruttore, il o i vibratori sono posizionati in punti precisi della corona. Tre schemi dominano.

Vibratore unico centrale: un solo LRA è posizionato nel mozzo, sotto l'airbag. Ogni vibrazione è percepita sull'intero volante. È la soluzione più semplice, utilizzata sui modelli premium di fascia bassa.

Due vibratori laterali: un LRA in posizione ore 3 e un altro in posizione ore 9. Ciò consente di generare una vibrazione direzionale: solo il lato interessato dall'avviso vibra. È molto efficace per segnalare una deriva a sinistra o a destra. Audi e BMW sui modelli recenti utilizzano questo approccio.

Diversi vibratori distribuiti: da tre a sei LRA posizionati in più punti della corona. Permette motivi complessi (vibrazione che si propaga dalla posizione ore 6 a quella ore 12, ad esempio). Riservato alle versioni di punta (Mercedes EQS, BMW Serie 7 G70).

Calibrazione frequenza e ampiezza

Un LRA è molto dipendente dalla sua frequenza di risonanza. Se alimentato esattamente alla sua frequenza, eroga un'ampiezza massima per una corrente minima. Fuori risonanza, consuma di più per meno. I costruttori scelgono quindi una frequenza target (tipicamente tra 175 e 235 Hz) e tollerano una deriva di più o meno 5 Hz.

L'ampiezza è modulata dalla tensione. In ciclo normale, l'LRA riceve da 2 a 5 V in segnale PWM. Per un segnale di avviso di pre-collisione, l'ampiezza può salire transitoriamente a 8 V, per superare la percezione del conducente.

Segnali temporali

I motivi di vibrazione sono definiti dall'unità di controllo ADAS. Alcuni esempi tipici:

• Lane Departure Warning: 3 impulsi di 50 ms a intervalli di 200 ms, dal lato della deriva.
• Blind Spot Warning: vibrazione continua di 800 ms a ampiezza moderata.
• Forward Collision Warning: impulso unico di 300 ms a ampiezza massima.
• Lane Keeping Assist correction: vibrazione modulata in crescendo per 400 ms.

Questi motivi sono raramente pubblicati dai costruttori e rimangono nel firmware delle centraline. Sono calibrati dai team UX in collaborazione con gli ingegneri di sistema.

Implementazioni del costruttore

Ecco una panoramica delle implementazioni osservate sui modelli recenti.

• Audi: doppio LRA laterale su Q6 e-tron, A6 e-tron, RS6 C8 e RS7 C8. Integrazione nella schiuma alle ore 3 e alle ore 9. La vibrazione è combinata con un avviso visivo nel cockpit virtuale.
• BMW: doppio LRA su G60 e G70. Su G05 e G07, integrazione più discreta, con un solo LRA centrale.
• Mercedes: LRA centrale più due LRA laterali su EQS e Classe S W223. La vibrazione può essere modulata da sinistra a destra per le funzioni Drive Pilot di livello 3.
• Volvo: doppio LRA sui modelli EX30, EX90 e XC60 recenti. Particolarità: l'LRA è utilizzato anche in modalità conferma all'avvio dell'ACC (breve impulso quando il regolatore è attivato).
• Tesla: nessun LRA dedicato sui modelli attuali. Tesla utilizza le microvibrazioni dell'EPS per generare un feedback aptico discreto. È un approccio software diverso.

Rischi durante un rifacimento

Un LRA è un componente fragile per due motivi. In primo luogo, l'involucro in alluminio è relativamente sottile e può deformarsi sotto una pressione mal applicata. In secondo luogo, i suoi fili sono sottili (tipicamente AWG 28 o 30) e saldati direttamente sulla carcassa, senza connettore intermedio. Una trazione di pochi Newton è sufficiente per strappare la saldatura.

Rischi allo smontaggio

• Taglio del filo durante la rimozione del rivestimento (l'alluminio dell'LRA è facilmente graffiato dal taglierino, e il filo corre nello stesso canale).
• Scollatura dell'LRA se il solvente di pulizia della schiuma raggiunge la colla originale.
• Modifica della frequenza di risonanza se l'LRA viene riposizionato con una massa aggiuntiva (ad esempio, uno spessore eccessivo di pelle).
• Cortocircuito se un ago da cucito attraversa l'area dell'LRA.

Decisione pratica

Da Velnetta, la regola è chiara: il vibratore originale rimane nella sua posizione esatta, mai spostato. Il nuovo rivestimento viene scelto con uno spessore compatibile con la frequenza di risonanza originale. Durante la rimozione del rivestimento, proteggiamo sistematicamente l'area dell'LRA con una mascheratura rigida.

Un test post-rifacimento è incluso nel protocollo: attivazione di ogni LRA tramite l'unità di controllo ADAS, misurazione dell'ampiezza con il sensore piezoelettrico esterno, confronto con il valore originale. Se si riscontra una differenza superiore al 10%, il cliente viene informato e l'intervento viene rivisto prima della consegna.

Questo è il tipo di dettaglio che differenzia un'officina seria da un fornitore che considera il vibratore un piccolo componente secondario. Su un veicolo premium recente, questo piccolo componente è collegato direttamente alle funzioni di sicurezza attiva. Trattarlo con rispetto è il minimo.