Diseño de HMI en la era digital: los retos a los que se enfrentan los ingenieros y el papel de las tecnologías de detección magnética

Autor: Atanas Dikov, director de marketing de Melexis

Las interfaces hombre-máquina (HMI) han evolucionado de forma espectacular en las últimas décadas, impulsadas por la electrificación, la digitalización y las cambiantes expectativas de los usuarios. Sin embargo, el progreso rara vez ha sido lineal. En los inicios de la industria automovilística, los vehículos dependían de controles mecánicos (mandos, interruptores y palancas) que proporcionaban una respuesta inmediata e intuitiva. Estas interfaces hacían hincapié en la fiabilidad y la simplicidad, y proporcionaban una clara sensación de control, aunque carecían de la flexibilidad necesaria para adaptarse a nuevas funciones.

El auge de las pantallas táctiles, el control por voz y las interfaces definidas por software prometía transformar los salpicaderos en centros dinámicos y configurables. Al centralizar múltiples funciones y optimizar el diseño, abrieron la puerta a las actualizaciones inalámbricas y a la evolución impulsada por el software. Sin embargo, en la práctica, estos sistemas táctiles revelaron claras desventajas: ajustar el control de la climatización o cambiar la configuración de la radio a menudo requiere varios pasos, lo que distrae la atención de la carretera, mientras que la ausencia de respuesta táctil frustra a los usuarios e incluso puede plantear problemas de seguridad.

Conscientes de estos retos, muchos fabricantes de automóviles han vuelto a integrar botones, mandos y palancas físicos junto con las interfaces digitales. No se trata de un retroceso, sino de una comprensión matizada: ciertas funciones, especialmente las que son críticas para la seguridad o se utilizan con frecuencia, exigen un accionamiento rápido y fiable y una respuesta tangible.

La lección más amplia es que no existe una HMI válida para todos los casos. Algunas soluciones simplemente no satisfacen las necesidades del usuario o del sistema. Los ingenieros que diseñan vehículos, maquinaria industrial o dispositivos de consumo deben sopesar la ergonomía, la seguridad y la integración, equilibrando la innovación con la experiencia humana. Para hacer frente a este reto es necesaria una combinación de profundos conocimientos de las aplicaciones, herramientas de diseño flexibles y una amplia selección de tecnologías de detección personalizadas capaces de dar soporte a interfaces en un amplio espectro de industrias y casos de uso.

Qué hace que una HMI sea buena: consideraciones de diseño

La base de cualquier HMI eficaz es la experiencia humana: los controles deben ser naturales, intuitivos y receptivos, y proporcionar una respuesta inmediata que genere confianza. Las pantallas táctiles destacan en los teléfonos inteligentes y las aplicaciones, donde las interacciones son deliberadas y predomina la retroalimentación visual, pero en entornos de ritmo rápido, ya sea en la automoción, la maquinaria industrial o los mandos de videojuegos, a menudo no logran conectar con el usuario. Las acciones rápidas y repetitivas exigen una respuesta táctil y previsibilidad, por lo que los controles mecánicos siguen siendo esenciales en aplicaciones que requieren precisión y un funcionamiento instintivo.

La integración de sistemas con electrónica, software o inteligencia artificial (IA) también influye en el rendimiento de la HMI. Las salidas digitales pueden optimizar las cadenas de señales y proporcionar datos que se integran de manera eficiente con los modelos de IA, lo que permite una toma de decisiones con baja latencia y un procesamiento complejo. En otros casos, las salidas analógicas pueden ser más adecuadas, ya que permiten que los componentes magnéticos sin procesar se procesen externamente para un filtrado, calibración o control proporcional personalizados.

Las consideraciones de fiabilidad y seguridad siguen siendo primordiales, especialmente en entornos hostiles o aplicaciones críticas para la seguridad. Las normas de seguridad funcional, la inmunidad al campo parásito (SFI), la durabilidad a largo plazo y la baja latencia son esenciales para mantener el rendimiento a lo largo de millones de ciclos. El tamaño del sensor, el espacio que ocupa el envolvente y su ubicación también afectan a la ergonomía, la palanca mecánica y la proximidad a una unidad microcontroladora (MCU), lo que influye directamente en la fiabilidad y comodidad con la que el usuario puede interactuar con la HMI.

En última instancia, la selección de un sensor para una HMI moderna es un reto de ingeniería lleno de matices. La ergonomía, la integración, el rendimiento y la fiabilidad definen colectivamente los requisitos funcionales, pero estos también deben alinearse con la forma física de la interfaz, ya sean mandos, joysticks, ruedas multifunción u otros controles. Los potenciómetros tradicionales, por ejemplo, ofrecen simplicidad y bajo coste, pero su naturaleza mecánica los hace propensos al desgaste, la deriva y un funcionamiento multivuelta limitado, lo que los hace inadecuados para sistemas de alta fiabilidad o críticos para la seguridad. Por el contrario, los sensores de magnetorresistencia de túnel (TMR) proporcionan un funcionamiento sin contacto y no se desgastan, pero a menudo dependen del cálculo y el posprocesamiento de un MCU externo para generar información angular precisa, y con frecuencia carecen de características de seguridad integradas o de un SFI robusto, lo que limita su fiabilidad en aplicaciones complejas o difíciles.

A medida que los diseños de HMI evolucionan para equilibrar el control táctil con la inteligencia digital, los ingenieros necesitan cada vez más soluciones de detección que unan precisión, fiabilidad e integración perfecta en espacios mecánicos compactos. La respuesta está en tecnologías que puedan proporcionar mediciones estables y sin contacto en diversas geometrías de control y entornos operativos, capacidades que ahora definen la próxima generación de sensores de posición magnéticos.

Satisfacer las necesidades de diversas aplicaciones HMI

Los sensores de posición magnéticos proporcionan una solución atractiva para muchas aplicaciones HMI modernas. Melexis, fabricante líder de magnetómetros y sensores de posición magnéticos 2D y 3D, ofrece dispositivos sin contacto y sin desgaste que proporcionan una alta precisión y una baja latencia, con variantes adaptadas para satisfacer los requisitos específicos de una amplia gama de implementaciones, incluidas aplicaciones automovilísticas, industriales y de juegos.

Aplicaciones automovilísticas

Comencemos por el sector automovilístico, uno de los ecosistemas HMI más sofisticados y exigentes desde el punto de vista técnico. Los vehículos modernos son cada vez más electrónicos y están definidos por software, con múltiples capas de interacción con el usuario que abarcan el infoentretenimiento, la asistencia al conductor y las interfaces de control. Los diseñadores deben garantizar que los mecanismos de entrada ofrezcan una alta precisión, una baja latencia y una capacidad de respuesta constante para mantener una experiencia de usuario ininterrumpida. Los sistemas de infoentretenimiento, por ejemplo, se basan en ruedas giratorias multifunción y superficies de control integradas que se coordinan con pantallas grandes y dinámicas, lo que exige un procesamiento de señales fluido y una fidelidad háptica.

Por otra parte, interfaces como los selectores montados en el volante, los controles de climatización o los interruptores de asistencia al conductor requieren una respuesta táctil robusta, un accionamiento repetible y una respuesta determinista en condiciones de funcionamiento a alta velocidad y en entornos variables. Una ventaja clave de la detección magnética de la posición en todos estos sistemas es que el mecanismo de retroalimentación mecánica sigue siendo totalmente independiente del elemento sensor. Esto permite a los ingenieros ajustar con precisión la respuesta táctil y la sensación háptica sin comprometer la precisión del sensor ni la fiabilidad a largo plazo.

Sin embargo, la ergonomía es solo una parte del reto. En el caso de los botones o interruptores que activan los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) o los modos de conducción autónoma, los requisitos de seguridad funcional aumentan considerablemente. Una entrada mal interpretada podría alterar el comportamiento del vehículo, por lo que la fiabilidad y la redundancia son imprescindibles. Cada control debe transmitir la intención con precisión determinista, baja latencia y robustez verificada a lo largo de millones de ciclos.

Melexis aborda estos diversos requisitos a través de una cartera estructurada de sensores de posición magnéticos Triaxis®, disponibles en las gamas Performance, Mainstream y Value-Optimized. Estos dispositivos sin contacto y sin desgaste miden los tres componentes ortogonales del campo magnético (Bx, By, Bz), lo que permite una detección de posición absoluta con una latencia mínima y un funcionamiento robusto durante una vida útil prolongada. La gama Performance está dirigida a las aplicaciones automovilísticas más exigentes, incluidos los controles de asistencia al conductor críticos para la seguridad y los selectores del volante. Las características avanzadas, como los diseños de matriz apilada, permiten incluso una redundancia inherente en un solo chip, lo que permite cumplir los requisitos de seguridad funcional hasta ASIL D.D.

Para los sistemas menos críticos para la seguridad, pero que aún así requieren una precisión fiable, la gama Mainstream ofrece un equilibrio entre funcionalidad y rentabilidad, aprovechando la misma plataforma tecnológica Triaxis® para garantizar un rendimiento predecible y repetible. La serie Value-Optimized, que cuenta con magnetómetros 3D de grado automovilístico, amplía aún más la flexibilidad de diseño y es ideal para aplicaciones automovilísticas robustas y sensibles al coste, manteniendo la precisión y la durabilidad sin una complejidad innecesaria.

Joysticks industriales, agrícolas y de construcción

Aunque los vehículos industriales, agrícolas y de construcción comparten muchos conceptos de HMI con los sistemas automovilísticos, también dependen en gran medida de los joysticks para operaciones críticas para la seguridad. En estas aplicaciones de joystick, incluso los errores menores en la medición angular pueden provocar movimientos no deseados, lo que requiere una entrada precisa, proporcional y predecible bajo vibraciones, polvo, temperaturas extremas e interferencias electromagnéticas.

Una vez más, no es posible satisfacer estas demandas con un único enfoque de solución. Algunas arquitecturas de joystick emplean un sensor por eje para satisfacer las restricciones específicas del sistema, mientras que otras se benefician de soluciones de un solo dispositivo que proporcionan salidas α/β directas. La amplia gama de sensores y magnetómetros Triaxis® de Melexis le permite admitir configuraciones de uno o varios sensores, lo que ofrece a los ingenieros la flexibilidad de alinear el concepto de detección con el diseño mecánico, los requisitos de seguridad y la complejidad de la integración.

La integración a nivel de sistema también guía las opciones de salida. Las salidas digitales pueden permitir una menor latencia del sistema y una comunicación determinista con MCUs centralizados, mientras que las interfaces analógicas o PWM son más adecuadas para arquitecturas distribuidas o cableados extendidos. Melexis proporciona circuitos integrados (CIs) de detección en una gama completa de variantes de salida digital y analógica, lo que garantiza una adaptación perfecta a cualquier topología de control. Además, los modos de medición SFI ofrecen una precisión constante y un funcionamiento fiable incluso en proximidad a cableado de alta corriente o sistemas de accionamiento eléctrico.

Joysticks y controles para videojuegos

Los joysticks también son muy comunes en nuestros hogares, ya que las aplicaciones de videojuegos representan uno de los entornos HMI más dinámicos, en los que los dispositivos de entrada deben convertir las acciones rápidas y matizadas del usuario en respuestas digitales precisas y repetibles. Aunque no se requieren características como la homologación para automoción o los chips de doble pila, el rendimiento, la capacidad de respuesta y la estabilidad a largo plazo siguen siendo fundamentales, especialmente para los volantes de simulación, los periféricos de carreras y los controladores multieje.

Para cumplir estos requisitos, Melexis ofrece variantes de sus sensores de posición magnéticos y magnetómetros Triaxis®, diseñados específicamente para HMI de juegos con opciones de salida digital y analógica disponibles. Estos dispositivos sin contacto y sin desgaste ofrecen una alta precisión y linealidad a lo largo de millones de ciclos, lo que garantiza una sensación consistente y una respuesta proporcional durante toda la vida útil del producto.

Además, la optimización del mercado de Melexis va más allá, con una variante lanzada recientemente y diseñada específicamente para hardware de simulación de carreras.

Este dispositivo cuenta con una funcionalidad altamente personalizada para ofrecer una baja densidad de ruido, cálculos en chip y una excelente fiabilidad, con el fin de garantizar que los pilotos de simulación tengan una respuesta precisa incluso durante largas sesiones de simulación..

Conclusión

Diseñar HMI modernas no es una tarea sencilla. Los ingenieros deben lograr un delicado equilibrio entre la respuesta táctil, la capacidad de respuesta del sistema, la seguridad funcional y la durabilidad, todo ello mientras se adaptan a diversos tipos de control e interacciones de los usuarios. El éxito requiere el acceso a una amplia gama de soluciones, cada una de ellas adaptada a las exigencias precisas de la aplicación final.

Melexis satisface esta necesidad a través de su tecnología magnética y Triaxis®, que permite una amplia gama de sensores de posición sin contacto y sin desgaste. Desde controles de alto rendimiento y críticos para la seguridad en sistemas automovilísticos e industriales hasta entradas compactas y sensibles en dispositivos de juego y de consumo, estos sensores proporcionan la flexibilidad, la precisión y la fiabilidad que los ingenieros necesitan para dar vida a las HMI actuales, superando las capacidades de las tecnologías de detección tradicionales.