CN101976521B - 应用于驾驶模拟器的力反馈转向盘装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于驾驶模拟器的力反馈转向盘装置。在模拟器底座上依次安装有力矩电机、光电编码器、磁粉制动器、设有拉伸弹簧的圆盘、扭矩传感器和转向盘；力矩电机、光电编码器、磁粉制动器和扭矩传感器分别与控制系统连接，控制系统与PC计算机连接。磁粉制动器模拟反馈摩擦力矩，拉伸弹簧模拟回正力矩，力矩电机模拟其它反馈力矩，测量控制装置中扭矩传感器测量反馈力矩，光电编码器测量转向盘转角和转速，测量的数据发送到控制系统，控制系统综合PC计算机上的虚拟参数进行计算，并向驱动装置发送控制信号，实现闭环控制。本发明提供的反馈力矩大、控制精确、坚固可靠，适合于重型工程车辆及军用车辆的高级驾驶模拟器。
Description
技术领域
本发明涉及一种力反馈转向盘装置，尤其是涉及一种应用于驾驶模拟器的力反馈转向盘装置。
背景技术
车辆模拟器在驾驶员培训中的应用越来越普遍，车辆驾驶模拟器通过视景显示、音效、虚拟操纵系统等创造出一种与实际相近的驾驶状况，随着电子技术的迅猛发展，虚拟驾驶的显示效果已经比较接近真实，但是逼真的驾驶状况不仅仅是视景效果，还应该包括力感反馈。真实状况下，车辆在行驶过程中，由于车辆的行驶状态、路面状况以及转向盘转角的变化，其转动转向盘所需要的力也不同，这是由于路面对转向机构的反作用、转向机构的摩擦力以及转向系统的转动惯量产生的，因此力感反馈的应用可以使虚拟驾驶更接近真实状况。
一般的车辆驾驶模拟器其转向盘是通过弹簧或者扭簧来回正，这种转向盘机构虽然能模拟简单的回正力矩，但是其回正力矩是固定的比例关系，并不能随着车辆行驶情况的变化而变化，其反馈力矩仅同转向盘转角成简单的线性关系，不能反映真实的驾驶状况。
目前市场上有较多的游戏方向盘在售，较高级的游戏方向盘也提供力反馈的力感模拟，但其仅通过一个减速电机来产生反馈力，其力反馈效果完全由电机实现，不能模拟所有的力，比如摩擦力。另外其结构简单，反馈力矩较小，一般不超过1N·m，因此只适合于游戏玩家在家庭PC上娱乐。
目前，专业驾驶训练模拟器对力感反馈的要求越来越高，特别是重型工程车辆和军用车辆驾驶员训练模拟器，这些模拟器要求模拟效果真实、反馈力矩大，最大反馈力矩要求在10N·m以上。
为了能较真实地模拟转向盘的力感，常采用转速和力矩可比例控制的伺服电机，但由于在转向盘转动过程中，常常需要电机处于堵转和强制反转状态，当反馈力矩要求较大时，所需电机功率也需要增大，一般伺服电机很容易发热烧毁。
发明内容
针对专业驾驶训练模拟器，特别是重型工程车辆和军用车辆驾驶员训练模拟器的特殊要求，本发明的目的在于提供一种应用于车辆模拟器的力反馈转向盘装置，通过采用力矩电机、磁粉制动器和弹簧力的组合来模拟反馈力感，，可以大幅提高模拟力矩的范围，在无需增加散热条件的情况下较容易地实现10N·m以上的反馈力矩要求。
本发明采用的技术方案是：
力矩电机和减速机固定在电机底座上，电机底座固定在模拟器底座上，减速机的伸出轴通过第一弹性联轴器与传动轴的一端连接，光电编码器套在传动轴的中部，固定传动轴上，传动轴的中部另外通过键连接磁粉制动器，磁粉制动器固定在制动器底座上，光电编码器固定在制动器底座的另一侧，制动器底座固定在模拟器底座上，圆盘套在传动轴上与轴固定，两根拉伸弹簧的一端通过挂钩悬挂于挂架上，挂架固定在模拟器底座上，其中一根拉伸弹簧的另一端与钢丝绳的一端连接，钢丝绳在圆盘圆柱面上的凹槽里卷绕以后，钢丝绳的另一端与另一根拉伸弹簧的另一端连接，传动轴另一端通过第二弹性联轴器与扭矩传感器一伸出端连接，扭矩传感器另一伸出端与转向盘转轴通过第三弹性联轴器连接，转向盘转轴穿过滚动轴承内孔，滚动轴承固定在转向盘面板上，转向盘面板固定在模拟器底座上。
本发明具有的有益效果是：
1、力矩电机可以提供较大的反馈力矩，并且可以长时间工作在堵转和反转状态，其功率大小合适，不会因发热而烧毁，力矩电机与伺服驱动器配合使用，可实现反馈力矩的精确控制。
2、磁粉制动器可以真实地模拟车辆转向系统中的摩擦力，并且和力矩电机配合提供更大的反馈力矩。
3、结构坚固可靠，使用寿命长，反馈力矩大，适用于重型工程车辆及军用车辆的高级驾驶模拟器的力反馈转向盘装置。
附图说明
图1是本发明的总体结构原理示意图。
图2是图1沿轴向的剖视图。
图3是本发明控制原理框图。
图中：1、模拟器底座，2、力矩电机，3、减速机，4、电机底座，5、弹性联轴器，6、光电编码器，7、制动器底座，8、磁粉制动器，9、传动轴，10、紧定螺钉，11、圆盘，12、拉伸弹簧，13、钢丝绳，14、挂架，15、弹性联轴器，16、扭矩传感器，17、传感器垫板，18、弹性联轴器，19、滚动轴承，20、转向盘面板，21、转向盘，22、PC计算机，23、控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。
如图1、图2所示，力矩电机2和减速机3通过螺栓固定在电机底座4上，电机底座4固定在模拟器底座1上，减速机3的伸出轴通过第一弹性联轴器5与传动轴9的一端连接，光电编码器6通过内孔套在传动轴9的中部，并以一枚紧定螺钉固定传动轴9上，传动轴9的中部另外通过键连接磁粉制动器8，磁粉制动器8通过螺钉固定在制动器底座7上，光电编码器6通过螺钉固定在制动器底座7的另一侧，制动器底座7固定在模拟器底座1上，圆盘11通过内孔套在传动轴9上，圆盘11的台阶上钻有两个间隔90度的螺纹孔，螺纹孔内拧入两枚紧定螺钉10与轴固定，两根拉伸弹簧12的一端通过挂钩悬挂于挂架14上，挂架14固定在模拟器底座1上，其中一根拉伸弹簧12的另一端与钢丝绳13的一端连接，钢丝绳13在圆盘11圆柱面上的凹槽里卷绕以后，钢丝绳13的另一端与另一根拉伸弹簧12的另一端连接，传动轴9另一端通过第二弹性联轴器15与扭矩传感器16一伸出端连接，扭矩传感器16另一伸出端与转向盘21转轴通过第三弹性联轴器18连接，17为传感器垫板，转向盘21转轴穿过滚动轴承19内孔，滚动轴承19通过螺栓固定在转向盘面板20上，转向盘面板20固定在模拟器底座1上。
本发明的工作方式为：
如图3所示，系统开启后，光电编码器6将当前位置设定为中间位置，当驾驶员的作用力矩作用在转向盘21上后，转向盘21转动，光电编码器6将得到的转向盘转角信号发送到控制系统23的输入端，控制系统23对转角信号进行处理、计算后，得出转向盘21的转角和转速，然后控制系统通过串口通信向PC计算机22发送转角数据，PC计算机得到转角信号后控制虚拟车辆模型在虚拟视景中的运动，同时控制系统从PC计算机22接收虚拟驾驶中的车辆行驶状况，如车辆速度、路面摩擦阻力、车辆助力系数等数据，控制系统23对以上数据按一定函数关系计算出接近真实情况的转向盘阻力矩，该函数关系可以表达为：
T＝f(δ，ω，ε，v，γ)
其中，δ为转向盘转角，ω为转向盘转速，ε为路面综合摩擦系数，v为车速，γ为车辆助力系数。
计算所得的转向盘阻力矩T包括两部分，一部分是摩擦力矩，另一部分是回正力矩；摩擦力矩由磁粉制动器8提供，根据磁粉制动器8的参数，控制系统23计算出相应的控制信号，控制磁粉制动器8产生摩擦力矩；回正力矩由力矩电机2和拉伸弹簧12共同提供，其中拉伸弹簧12提供的回正力矩与转角成线性关系，且系数固定。控制系统23根据回正力矩大小向电机控制器发送控制信号，从而使力矩电机2和拉伸弹簧12共同产生相应的回正力矩。由力矩电机2、拉伸弹簧12、磁粉制动器8综合产生的反馈力矩作用在转向盘21的转轴上，扭矩传感器16将作用在转向盘21上的实际力矩信号发送到控制系统23，控制系统23将实际力矩和计算理论阻力矩比较，实时调整控制信号，实现闭环控制，从而使控制更加精确。最终产生的反馈力矩由驾驶员通过手来感受，使驾驶员能感受到较真实的驾驶力感反馈。
以上整个控制过程以一定的频率不断刷新，控制系统23根据虚拟驾驶中的驾驶状况不断计算并更新数据，从而达到转向盘阻力矩的实时变化。
系统结束后，由于对称的两根拉伸弹簧12的回复作用，最终拉伸弹簧12会恢复到相同长度，而连接它们的钢丝绳13是卷绕在圆盘11上的，因此拉伸弹簧12通过钢丝绳13带动圆盘11、传动轴9，最终带动转向盘21回复到对中位置，下次系统开启时，将此位置作为中间位置。
Claims (1)
1.一种应用于驾驶模拟器的力反馈转向盘装置，其特征在于：力矩电机(2)和减速机(3)固定在电机底座(4)上，电机底座(4)固定在模拟器底座(1)上，减速机(3)的伸出轴通过第一弹性联轴器(5)与传动轴(9)的一端连接，光电编码器(6)套在传动轴(9)的中部，并固定在传动轴(9)上，传动轴(9)的中部另外通过键连接磁粉制动器(8)，磁粉制动器(8)固定在制动器底座(7)上，光电编码器(6)固定在制动器底座(7)的另一侧，制动器底座(7)固定在模拟器底座(1)上，圆盘(11)套在传动轴(9)上，圆盘(11)的台阶上钻有两个间隔90度的螺纹孔，螺纹孔内拧入两枚紧定螺钉(10)与轴固定，两根拉伸弹簧的一端通过挂钩悬挂于挂架(14)上，挂架(14)固定在模拟器底座(1)上，其中一根拉伸弹簧的另一端与钢丝绳(13)的一端连接，钢丝绳(13)在圆盘(11)圆柱面上的凹槽里卷绕以后，钢丝绳(13)的另一端与另一根拉伸弹簧的另一端连接，传动轴(9)另一端通过第二弹性联轴器(15)与扭矩传感器(16)一伸出端连接，扭矩传感器(16)另一伸出端与转向盘(21)转轴通过第三弹性联轴器(18)连接，转向盘(21)转轴穿过滚动轴承(19)内孔，滚动轴承(19)固定在转向盘面板(20)上，转向盘面板(20)固定在模拟器底座(1)上；当驾驶员的作用力矩作用在转向盘(21)上后，光电编码器(6)将得到的转向盘转角信号发送到控制系统(23)，控制系统(23)对转角信号进行处理、计算后，得出转向盘(21)的转角和转速，并向PC计算机(22)发送转角数据，PC计算机得到转角信号后控制虚拟车辆模型在虚拟视景中的运动，同时控制系统(23)从PC计算机(22)接收虚拟驾驶中的车辆行驶状况，以便按一定函数关系计算出接近真实情况的转向盘阻力矩，并通过控制磁粉制动器(8)产生摩擦力矩，以及控制电机控制器，使力矩电机(2)和拉伸弹簧(12)共同产生相应的回正力矩；扭矩传感器(16)将作用在转向盘(21)上的实际力矩信号发送到控制系统(23)与计算理论阻力矩比较，实时调整控制信号，实现闭环控制。
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