CN102013185B - 一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置及其位姿调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置及其位姿调整方法，包括底座固定平台、两个伺服电动缸、支撑杆和顶部模拟驾驶舱，其中：两个伺服电动缸和支撑杆的上端分别通过球铰副与顶部模拟驾驶舱铰接，两个伺服电动缸的下端通过转动副和底座固定平台铰接，支撑杆的下端固连在底座固定平台上。本发明实现汽车驾驶过程中俯仰、侧倾和颠簸的体感效果，具有结构简单，成本低的特点；本发明使装置的重心大大降低，安全性和可靠性大大提高；本发明的汽车驾驶模拟器体感装置位姿调整方法不需要复杂的数学矩阵运算，就可实现汽车驾驶位姿和伺服电动缸杆长之间的换算，完成汽车驾驶位姿的调整。

Description

一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置及其位姿调整方法

技术领域

本发明涉及的是一种汽车驾驶模拟器体感装置，尤其涉及的是一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置及其位姿调整方法。

背景技术

近年来，随着机动车保有量的增加，道路里程的延伸，道路交通愈趋复杂，由于交通设施状况和驾驶员培训存在的问题，发生交通事故的概率很大。研究表明，与有经验的驾驶员相比，新驾驶员更容易发生交通事故。为减少或避免事故的发生，需要提高驾驶培训效果，目前在驾驶培训方面越来越多采用汽车驾驶模拟器对新驾驶员进行先期培训，以获得对汽车驾驶的感性认识和对危险复杂路况的理性处理经验，通过采用汽车驾驶模拟器进行训练可以减少1/3的实车训练时间，减少交通事故，减少环境污染，减少汽车的油耗、磨损以及教练的指导时间，既节能又环保。汽车驾驶模拟器能正确模拟汽车驾驶动作，又称为汽车模拟驾驶仿真系统，它集合了传感器、计算机、数据通信、多媒体等先进技术，具有安全性高、再现性好、容易设定各种试验条件以及节能环保等优点，是应用于驾驶员培训的一种重要工具。汽车驾驶模拟器作为汽车驾驶培训工具在发达国家已普遍应用，我国也正式规定汽车驾驶培训学校必须装备汽车驾驶模拟器。

目前现有应用于驾驶培训中的是简易型汽车驾驶模拟器，其根据驾驶者输入的加速、刹车、转向等信号，得到当前汽车的运动状态，实时生成交通场景，将车辆的响应动作通过视频和音频设备反馈给驾驶者，驾驶人员根据交通场景做出判断，操纵汽车；但对于能促进沉浸感的触觉反馈(力反馈)的体感效应大多数汽车驾驶模拟器都无法有效模拟，比如对于颠簸路面的震动体感、由汽车制动惯性或加速惯性产生的身体俯仰体感、由汽车转向产生的身体侧倾体感和自动回位的体感模拟问题至今未得到有效解决，因而影响了汽车驾驶模拟器的实车驾驶感觉。由于在实际驾驶培训中，结构简单、开发成本低，又能实现驾驶体感的汽车驾驶模拟器具有很大市场需求和广泛的应用前景。而目前国内外研究者更多地关注具有多自由度复杂空间运动的体感产生运动机构及其与多自由度复杂空间运动机构对应的体感模拟算法，对能反映汽车驾驶体感、结构简单、成本较低的少自由度体感产生运动机构考虑较少，而据此所设计的体感产生运动机构结构复杂、成本较高，无法满足中低端汽车驾驶模拟器培训的需求。鉴于技术、经济的原因，目前应用在汽车驾驶培训领域的体感装置在推广应用中受到了限制。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置及其位姿调整方法。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括底座固定平台、两个伺服电动缸、支撑杆和顶部模拟驾驶舱，其中：两个伺服电动缸和支撑杆的上端分别通过球铰副与顶部模拟驾驶舱铰接，两个伺服电动缸的下端通过转动副和底座固定平台铰接，支撑杆的下端固连在底座固定平台上。

所述支撑杆和两个伺服电动缸在底座固定平台的第一固接支点、第二平台支点和第三平台支点以第二平台支点和第三平台支点的连线为底边的等腰三角形位置分布；所述支撑杆和两个伺服电动缸在顶部模拟驾驶舱的第一铰接支点、第二铰接支点和第三铰接支点以第二铰接支点和第三铰接支点的连线为底边的等腰三角形位置分布。

所述两个伺服电动缸和底座固定平台铰接的转动副的转动方向垂直，顶部模拟驾驶舱以嵌入式布局铰接在伺服电动缸和支撑杆之间。

所述伺服电动缸包括伺服电机、伺服驱动器、旋转编码器、上限位传感器、下限位传感器、零位传感器、滚珠丝杠、推杆和电动缸外部套筒，其中：旋转编码器设置于伺服电机上，伺服驱动器和伺服电机相连，伺服电机和滚珠丝杆相连，上限位传感器和下限位传感器设置在电动缸外部套筒上，上限位传感器和下限位传感器分别位于推杆运动的上下极限位置，零位传感器设于电动缸外部套筒的中间位置。

所述伺服电动缸工作行程为200mm，滚珠丝杆导程为10mm，伺服电机额定转速为3000r/min，伺服电机功率为800w。所述支撑杆为空心圆柱形，两端带有机械接口，长度和伺服电动缸处于中间位置时的伺服电动缸长度相同。

所述伺服电动缸具有一个方向的移动自由度，且采用闭环伺服控制。

本装置还包括伺服控制系统，所述伺服控制系统包括通讯数据接收模块、位姿转换模块、运动控制模块、远程控制模块、本机控制模块和参数设置模块，其中：

参数设置模块分别与本机控制模块和远程控制模块相连，设置体感装置运动的相关参数；

通讯数据接收模块实时接收汽车的运动姿态；

位姿转换模块和通讯数据接收模块相连，分析和处理汽车的运动姿态，变换为伺服电动缸的动作数据；

运动控制模块分别与伺服电动缸和位姿转换模块相连，根据伺服电动缸的运动控制数据，协调控制两个伺服电动缸动作；

远程控制模块分别与位姿转换模块和运动控制模块相连，负责体感装置运行期间的协调和管理；

本机控制模块分别与位姿转换模块和运动控制模块相连，用于伺服控制系统的测试。

一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置位姿调整方法，包括以下步骤：

(1)装置初始化，两个伺服电动缸定位到中间位置；

(2)汽车驾驶过程中位姿数据由汽车驾驶模拟视景仿真系统通过PCI总线送入伺服控制系统，用于位姿数据转换，伺服控制系统接收的位姿数据包括：绕X方向旋转的侧倾角度、绕Y方向旋转的俯仰角度和垂直震动幅度Z向位移；

(3)通过位姿转换模块将汽车驾驶过程中位姿数据变换为两个伺服电动缸的移动调整量；

(4)根据步骤(3)变换后的两个伺服电动缸移动调整量驱动控制两个伺服电动缸移动适当距离，实现汽车驾驶模拟器体感装置的姿态调整与实时控制，获得真实的汽车驾驶体感。

一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置位姿调整方法，其特征在于，所述位姿转换模块包括以下处理过程：

(1)首先建立底座固定平台和顶部模拟驾驶舱的坐标系，利用底座固定平台的三个支点和顶部模拟驾驶舱的三个铰接点分别建立以第一固接支点为原点的坐标系A1-xyz和以第一铰接支点为原点的坐标系B1-x1y1z1；

(2)确定底座固定平台和顶部模拟驾驶舱的支点坐标，根据底座固定平台三个支点和顶部模拟驾驶舱三个铰接支点构成的等腰三角形，建立顶部模拟驾驶舱坐标系B1-x1y1z1相对于底座固定坐标系A1-xyz的齐次变换矩阵T，建立的齐次变换矩阵T与侧倾角度α和俯仰角度β有关，通过建立的齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱各铰接支点表示为底座固定平台坐标系中的坐标；

(3)分析汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的侧倾位姿，将参数α≠0、β＝0代入建立的齐次变换矩阵T中，得到齐次变换矩阵T在侧倾位姿下的表达式，从而可以通过齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱各铰接支点表示为底座固定平台坐标系中的坐标P_i(i＝1、2、3)，由侧倾前后的顶部模拟驾驶舱各铰接支点的坐标得到两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的长度；

(4)分析汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的俯仰位姿，将参数α＝0、β≠0代入齐次变换矩阵T中，得到齐次变换矩阵T在俯仰位姿下的表达式，从而可以通过齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱各铰接支点表示为底座固定平台坐标系中的坐标P_i(i＝1、2、3)，由俯仰前后的顶部模拟驾驶舱各铰接支点的坐标得到两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的长度；

(5)分析汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的颠簸位姿，驾驶模拟颠簸位姿的实现，采用与俯仰类似的方式进行伺服电动缸杆长和颠簸幅度的转换，此时两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的长度在50mm以内，在一定频率不断移动颠簸幅度需要两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的距离就可实现汽车驾驶模拟的颠簸位姿。

有益效果：本发明采用两个伺服电动缸和一个支撑杆的形式实现汽车驾驶过程中俯仰、侧倾和颠簸的体感效果，具有结构简单，成本低的特点；本发明采用汽车驾驶座舱的嵌入式布局，从而使用于产生体感的装置的重心大大降低，安全性和可靠性大大提高；本发明的汽车驾驶模拟器体感装置位姿调整方法不需要复杂的数学矩阵运算，就可实现汽车驾驶位姿和伺服电动缸杆长之间的换算，完成汽车驾驶位姿的调整。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明侧倾位姿示意图；

图3是本发明俯仰位姿示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例由三个定位器支撑调节汽车驾驶模拟器的位姿，三个定位器采用两个伺服电动缸(能够做伸长和缩短运动的执行机构)和一个支撑杆的形式进行位姿调整。

本实施例包括底座固定平台1、两个伺服电动缸3、支撑杆、顶部模拟驾驶舱5、三自由度球铰副4和单自由度转动副2，其中：两个伺服电动缸3和支撑杆的上端分别通过球铰副4与顶部模拟驾驶舱5铰接，两个电动缸的下端通过转动副2和底座固定平台1铰接，支撑杆的下端固连在底座固定平台1上，组成一个底部固定、顶部可调的双平台汽车驾驶模拟器体感装置。

所述支撑杆和两个伺服电动缸3在底座固定平台1的第一固接支点A1、第二平台支点A2和第三平台支点A3以第二平台支点A2和第三平台支点A3的连线为底边的等腰三角形位置分布；所述支撑杆和两个伺服电动缸3在顶部模拟驾驶舱5的第一铰接支点B1、第二铰接支点B2和第三铰接支点B3以第二铰接支点B2和第三铰接支点B3的连线为底边的等腰三角形位置分布。

在其他的实施例中，第一固接支点A1、第二平台支点A2和第三平台支点A3；第一铰接支点B1、第二铰接支点B2和第三铰接支点B3也可以以其他形式的三角形分布。

所述伺服电动缸3和底座固定平台1铰接的转动副2的转动方向垂直，顶部模拟驾驶舱5以嵌入式布局铰接在伺服电动缸3和支撑杆之间，降低了整个汽车驾驶模拟器体感装置的重心。

所述伺服电动缸3包括伺服电机、伺服驱动器、旋转编码器、上限位传感器、下限位传感器、零位传感器、滚珠丝杠、推杆和电动缸外部套筒，其中：旋转编码器设置于伺服电机上，伺服驱动器和伺服电机相连，伺服电机和滚珠丝杆相连，上限位传感器和下限位传感器设置在电动缸外部套筒上，上限位传感器和下限位传感器分别位于推杆运动的上下极限位置，零位传感器设于电动缸外部套筒的中间位置。

所述伺服电动缸3工作行程为200mm，滚珠丝杆导程为10mm，伺服电机额定转速为3000r/min，伺服电机功率为800w。

所述支撑杆为空心圆柱形，两端带有机械接口，长度和伺服电动缸3处于中位时的伺服电动缸3长度相同。

所述伺服电动缸3具有一个方向的移动自由度，且采用闭环伺服控制，通过两个伺服电动缸3移动方向的不同组合获得汽车驾驶模拟的俯仰、侧倾和颠簸位姿。

本装置可做绕x轴旋转和y轴旋转两种自由度的运动，也即汽车驾驶过程中产生的侧倾和俯仰姿态，由于设计的汽车驾驶模拟器体感装置等腰三角形布置的顶点与底边的距离相比底边比较大，其构造的等腰三角形是狭长形三角形，以顶部模拟驾驶舱5的第一铰接支点B1进行绕y轴的旋转时，顶部模拟驾驶舱5的第二铰接支点B2和顶部模拟驾驶舱5的第三铰接支点B3相对中位或零位伸长或缩短的距离较短时，可近似看作沿z轴的垂直震动，也即沿z轴的颠簸的汽车驾驶位姿。汽车驾驶模拟器少自由度体感装置采用全局位姿调整方式反映实际的模拟驾驶过程，即体感装置作为整个汽车驾驶模拟器的支撑部件，对汽车驾驶模拟器进行支撑和位姿调整。

本装置还包括伺服控制系统，所述伺服控制系统包括通讯数据接收模块、位姿转换模块、运动控制模块、远程控制模块、本机控制模块和参数设置模块，其中：

参数设置模块分别与本机控制模块和远程控制模块相连，设置体感装置运动的相关参数；

通讯数据接收模块实时接收汽车的运动姿态；

位姿转换模块和通讯数据接收模块相连，分析和处理汽车的运动姿态，变换为伺服电动缸的动作数据；

运动控制模块分别与伺服电动缸和位姿转换模块相连，根据伺服电动缸的运动控制数据，协调控制两个伺服电动缸动作；

远程控制模块分别与位姿转换模块和运动控制模块相连，负责体感装置运行期间的协调和管理；

本机控制模块分别与位姿转换模块和运动控制模块相连，用于伺服控制系统的测试。

对汽车运行姿态进行分析和处理，变换为汽车驾驶模拟器的体感数据，根据体感数据控制汽车驾驶模拟器体感装置产生相应体感。

一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置位姿调整方法，包括以下步骤：

(1)装置初始化，两个伺服电动缸3定位到中间位置，即伺服电动缸3行程为100mm时的位置；

(2)汽车驾驶过程中位姿数据由汽车驾驶模拟视景仿真系统通过PCI总线送入伺服控制系统，用于位姿数据转换，伺服控制系统接收的位姿数据包括：绕X方向旋转的侧倾角度、绕Y方向旋转的俯仰角度和垂直震动幅度Z向位移；

(3)通过位姿转换模块将汽车驾驶过程中位姿数据变换为两个伺服电动缸3的移动调整量；

(4)根据步骤(3)变换后的两个伺服电动缸3移动调整量驱动控制两个电动缸移动适当距离，实现汽车驾驶模拟器体感装置的姿态调整与实时控制，获得真实的汽车驾驶体感。

所述汽车驾驶模拟视景仿真系统模拟驾驶视景可以将汽车驾驶过程中的模拟仿真的位姿数据传输给伺服控制系统。

一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置位姿调整方法，所述位姿转换模块包括以下处理过程：

(1)底座固定平台1和顶部模拟驾驶舱5坐标系的建立：

以顶部模拟驾驶舱5的第一铰接支点B1为原点，从顶部模拟驾驶舱5的第一铰接支点B1到顶部模拟驾驶舱5的第二铰接支点B2和顶部模拟驾驶舱5的第三铰接支点B3为边的中点的连线为x1轴，过顶部模拟驾驶舱5的第一铰接支点B1与顶部模拟驾驶舱5三个铰接支点构成的平面垂直的方向为z1轴，过顶部模拟驾驶舱5的第一铰接支点B1与顶部模拟驾驶舱5的第二铰接支点B2和顶部模拟驾驶舱5的第三铰接支点B3的连线平行的方向建立y1轴，建立固连在顶部模拟驾驶舱5的坐标系B1-x1y1z1。以底座固定平台1的第一固接支点A1为原点，从底座固定平台1的第一固接支点A1到底座固定平台1的第二平台支点A2和底座固定平台1的第三平台支点A3为边的中点的连线为x轴，过底座固定平台1的第一固接支点A1与底座固定平台1的三个铰接支点构成的平面垂直的方向为z轴，过底座固定平台1的第一固接支点A1与底座固定平台1的第二平台支点A2和底座固定平台1的第三平台支点A3的连线平行的方向建立y轴，建立底座固定平台1坐标系A1-xyz。在建立的上述B1-x1y1z1和A1-xyz坐标系的情况下，顶部模拟驾驶舱5在两个伺服电动缸3的移动过程中可在A1-xyz坐标系中绕x轴、y轴做空间旋转运动，并且在两个伺服电动缸3长度一定时，可唯一确定顶部模拟驾驶舱5在空间的位置姿态。

(2)底座固定平台1和顶部模拟驾驶舱5铰接支点坐标的确定：

设底座固定平台1三个铰接支点和顶部模拟驾驶舱5三个铰接支点构成的等腰三角形的底边长为b、腰的长为a，顶部模拟驾驶舱5坐标系B1-x1y1z1相对于底座固定平台1坐标系A1-xyz的x轴、y轴的转角分别为α和β，则顶部模拟驾驶舱5坐标系B1-x1y1z 1相对于底座固定坐标系A1-xyz有式(1)所示的齐次变换矩阵T：

$T=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

底座固定平台1三个铰接支点在底座固定平台1坐标系A1-xyz中的坐标为式(2)所示：

$\left[\begin{array}{ccc}A1& A2& A3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& \sqrt{a^2-b^2/4}& \sqrt{a^2-b^2/4}\\ 0& b/2& -b/2\\ 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(2\right)$

顶部模拟驾驶舱5的三个铰接支点在顶部模拟驾驶舱5坐标系B1-x1y1z1中的坐标如式(3)所示：

$\left[\begin{array}{ccc}B1& B2& B3\end{array}\right]=\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{ccc}0& \sqrt{a^2-b^2/4}& \sqrt{a^2-b^2/4}\\ 0& b/2& -b/2\\ 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

通过式(1)的齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱5各铰接支点表示为底座固定平台1坐标系中的坐标P_i(i＝1、2、3)，见式(4)：

$\left[\begin{array}{c}P\\ 1\end{array}\right]=T\×\left[\begin{array}{c}B\\ 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中式(4)中，P＝[P1 P2 P3]，B＝[B1 B2 B3]

(3)汽车驾驶模拟器少自由度体感装置侧倾位姿的分析：

将参数α≠0、β＝0代入式(1)表示的齐次变换矩阵T中，得到齐次变换矩阵T在侧倾位姿下的表达式：

$T=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

从而可以通过齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱5各铰接支点表示为底座固定平台1坐标系中的坐标P_i(i＝1、2、3)如式(5)所示：

$\left[P\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& \sqrt{a^2-b^2/4}& \sqrt{a^2-b^2/4}\\ 0& b/2*\cos \mathrm{\α}& -b/2*\cos \mathrm{\α}\\ 0& b/2*\sin \mathrm{\α}& -b/2*\sin \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(5\right)$

通过式(5)可以得到两伺服电动缸3推杆伸长或缩短量的表达式如式(6)所示：

$\mathrm{\ΔL}=|P2-B2|=\sqrt{2}/2*b*\sqrt{1-\cos \mathrm{\α}}---\left(6\right)$

(4)汽车驾驶模拟器少自由度体感装置俯仰位姿的分析：

将参数α＝0、β≠0代入式(1)表示的齐次变换矩阵T中，得到齐次变换矩阵T在俯仰位姿下的表达式：

$T=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

从而可以通过齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱5各铰接支点表示为底座固定平台1坐标系中的坐标P_i(i＝1、2、3)如式(7)所示：

$\left[P\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& \sqrt{a^2-b^2/4}\cos \mathrm{\β}& \sqrt{a^2-b^2/4}\cos \mathrm{\β}\\ 0& b/2& -b/2\\ 0& -\sqrt{a^2-b^2/4}*\sin \mathrm{\β}& -\sqrt{a^2-b^2/4}*\sin \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(7\right)$

通过式(7)可以得到两伺服电动缸3推杆伸长或缩短量的表达式如式(8)所示：

$\mathrm{\ΔL}=|P2-B2|=\sqrt{2}*\sqrt{a^2-b^2/4}*\sqrt{1-\cos \mathrm{\β}}---\left(8\right)$

(5)汽车驾驶模拟器少自由度体感装置颠簸位姿的分析：

汽车驾驶模拟颠簸位姿的实现，采用与俯仰类似的方式利用式(8)进行伺服电动缸3杆长和颠簸幅度的转换，只是此时的两电动伺服缸推杆伸长或缩短的长度较短，针对本发明所设计的汽车驾驶模拟器体感装置取颠簸位姿的幅度为50mm，实现汽车驾驶模拟的颠簸位姿。

根据实际需要设计的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置底座固定平台1三个支点和顶部模拟驾驶舱5三个支点构成的等腰三角形的底边长为b为600mm、腰的长为a为1000mm，具体结合图2和图3对设计的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置侧倾、俯仰和颠簸位姿进行分析。

如图2所示为汽车驾驶模拟器少自由度体感装置侧倾位姿调整示意图，6为汽车驾驶模拟器少自由度体感装置顶部驾驶模拟舱侧倾后的位置，通过第一伺服电动缸3的伸长或缩短式(6)给出的长度和第二伺服电动缸3缩短或伸长式(6)给出的长度实现顶部驾驶座舱绕x轴旋转α角，实现顶部驾驶座舱的侧倾姿态，伸长或缩短量的大小决定了汽车驾驶侧倾幅度的大小。

两伺服电动缸3推杆伸长或缩短的长度的表达式如下：

第一伺服电动缸3的伸长或缩短量为：

$\mathrm{\ΔL}1=|P2-B2|=\sqrt{2}/2*b*\sqrt{1-\cos \mathrm{\α}}$

第二伺服电动缸3的伸长或缩短量为：

$\mathrm{\ΔL}2=|P3-B3|=\sqrt{2}/2*b*\sqrt{1-\cos \mathrm{\α}}$

据此，可以得到第一伺服电动缸3和第二伺服电动缸3的移动量。根据体感装置设计的参数，当α＝0时，ΔL1和ΔL2为零，当α＝90°时，ΔL1有最大的伸长量424.2mm、ΔL2有最大的缩短量424.2mm。目前设计的伺服电动缸3的从中位或零位开始的工作行程为100mm，此时，所能实现的体感装置的最大侧倾角度为19.2°，也即体感装置能实现±19.2°的侧倾位姿。

如图3所示为汽车驾驶模拟器体感装置俯仰位姿调整示意图，7为汽车驾驶模拟器少自由度体感装置顶部驾驶模拟舱俯仰后的位置，通过第一伺服电动缸3和第二伺服电动缸3的伸长或缩短式(8)给出的长度实现顶部驾驶座舱绕x轴旋转β角，实现顶部驾驶座舱的俯仰姿态，伸长或缩短量的大小决定了汽车驾驶俯仰幅度的大小。

两伺服电动缸3在汽车驾驶俯仰位姿下推杆伸长或缩短的长度表达式如下：

第一伺服电动缸3的伸长或缩短量为：

$\mathrm{\ΔL}1=|P2-B2|=\sqrt{2}*\sqrt{a^2-b^2/4}*\sqrt{1-\cos \mathrm{\β}}$

第二伺服电动缸3伸长或缩短量为：

$\mathrm{\ΔL}2=|P3-B3|=\sqrt{2}*\sqrt{a^2-b^2/4}*\sqrt{1-\cos \mathrm{\β}}$

据此，可以得到第一伺服电动缸3和第二伺服电动缸3的移动量。根据体感装置设计的参数，当β＝0时，ΔL1和ΔL2为零，当β＝90°时，ΔL1有最大的伸长量1414mm、ΔL2有最大的缩短量1414mm。目前设计的伺服电动缸3的从中位或零位开始的工作行程为100mm，此时，所能实现的体感装置的最大俯仰角度为5.7°，也即体感装置能实现±5.7°的俯仰位姿。

由于顶部驾驶模拟舱与伺服电动缸3和支撑杆的支点所构成的等腰三角形为一狭长形三角形，通过限制两第一伺服电动缸3和第二伺服电动缸3的伸长或缩短在50mm以内的小距离实现汽车驾驶模拟器体感装置的颠簸位姿，此时取颠簸位姿的幅度为50mm，则此时俯仰的角度为2.867°，在一定频率不断移动颠簸幅度需要两伺服电动缸3推杆伸长或缩短的距离就可实现汽车驾驶模拟的颠簸位姿。。

由于本发明所述的汽车驾驶模拟器体感装置采用两个伺服电动缸3和一个支撑杆的形式实现汽车驾驶过程中俯仰、侧倾和颠簸的体感效果，具有结构简单，成本低的特点；本发明所述的汽车驾驶模拟器体感装置采用汽车驾驶座舱的嵌入式布局，从而使用于产生体感的装置的重心大大降低，安全性和可靠性大大提高；本发明所述的汽车驾驶模拟器体感装置位姿调整方法不需要复杂的数学矩阵运算，就可实现汽车驾驶位姿和伺服电动缸3杆长之间的换算，完成汽车驾驶位姿的调整。

Claims (5)

1.一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于，包括底座固定平台、两个伺服电动缸、支撑杆和顶部模拟驾驶舱，其中：两个伺服电动缸和支撑杆的上端分别通过球铰副与顶部模拟驾驶舱铰接，两个伺服电动缸的下端通过转动副和底座固定平台铰接，支撑杆的下端固连在底座固定平台上；

所述伺服电动缸包括伺服电机、伺服驱动器、旋转编码器、上限位传感器、下限位传感器、零位传感器、滚珠丝杠、推杆和电动缸外部套筒，其中：旋转编码器设置于伺服电机上，伺服驱动器和伺服电机相连，伺服电机和滚珠丝杆相连，上限位传感器和下限位传感器设置在电动缸外部套筒上，上限位传感器和下限位传感器分别位于推杆运动的上下极限位置，零位传感器设于电动缸外部套筒的中间位置；

所述伺服电动缸具有一个方向的移动自由度，且采用闭环伺服控制；

所述支撑杆为空心圆柱形，两端带有机械接口，长度和伺服电动缸处于中间位置时的伺服电动缸长度相同；

所述支撑杆和两个伺服电动缸在底座固定平台的第一固接支点、第二平台支点和第三平台支点以第二平台支点和第三平台支点的连线为底边的等腰三角形位置分布；所述支撑杆和两个伺服电动缸在顶部模拟驾驶舱上的第一铰接支点、第二铰接支点和第三铰接支点以第二铰接支点和第三铰接支点的连线为底边的等腰三角形位置分布；

所述两个伺服电动缸和底座固定平台铰接的转动副的转动方向垂直，顶部模拟驾驶舱以嵌入式布局铰接在伺服电动缸和支撑杆之间。

2.根据权利要求1所述的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于：所述伺服电动缸工作行程为200mm，滚珠丝杆导程为10mm，伺服电机额定转速为3000r/min，伺服电机功率为800w。

3.根据权利要求1所述的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于：还包括伺服控制系统，所述伺服控制系统包括通讯数据接收模块、位姿转换模块、运动控制模块、远程控制模块、本机控制模块和参数设置模块，其中：

参数设置模块分别与本机控制模块和远程控制模块相连，设置体感装置运动的相关参数；

通讯数据接收模块实时接收汽车的运动姿态；位姿转换模块和通讯数据接收模块相连，分析和处理汽车的运动姿态，变换为伺服电动缸的动作数据；

运动控制模块分别与伺服电动缸和位姿转换模块相连，根据伺服电动缸的运动控制数据，协调控制两个伺服电动缸动作；

远程控制模块分别与位姿转换模块和运动控制模块相连，负责体感装置运行期间的协调和管理；

本机控制模块分别与位姿转换模块和运动控制模块相连，用于伺服控制系统的测试。

4.根据权利要求3所述的一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的位姿调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)装置初始化，两个伺服电动缸定位到中间位置；

(2)汽车驾驶过程中位姿数据由汽车驾驶模拟视景仿真系统通过PCI总线送入伺服控制系统，用于位姿数据转换，伺服控制系统接收的位姿数据包括：绕X方向旋转的侧倾角度、绕Y方向旋转的俯仰角度和垂直震动幅度Z向位移；

(3)通过位姿转换模块将汽车驾驶过程中位姿数据变换为两个伺服电动缸的移动调整量；

(4)根据步骤(3)变换后的两个伺服电动缸移动调整量驱动控制两个电动缸移动适当距离，实现汽车驾驶模拟器体感装置的姿态调整与实时控制，获得真实的汽车驾驶体感。

5.根据权利要求4所述的一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的位姿调整方法，其特征在于，所述位姿转换模块包括以下处理过程：

(1)首先建立底座固定平台和顶部模拟驾驶舱的坐标系，利用底座固定平台的三个支点和顶部模拟驾驶舱的三个铰接支点分别建立以第一固接支点为原点的坐标系A1-xyz和以第一铰接支点为原点的坐标系B1-x1y1z1；

(2)确定底座固定平台和顶部模拟驾驶舱的支点坐标，根据底座固定平台三个支点和顶部模拟驾驶舱三个铰接支点构成的等腰三角形，建立顶部模拟驾驶舱坐标系B1-x1y1z1相对于底座固定坐标系A1-xyz的齐次变换矩阵T，建立的齐次变换矩阵T与侧倾角度α和俯仰角度β有关，通过建立的齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱各铰接支点表示为底座固定平台坐标系中的坐标，

设底座固定平台三个铰接支点和顶部模拟驾驶舱三个铰接支点构成的等腰三角形的底边长为b、腰的长为a，顶部模拟驾驶舱坐标系B1-x1y1z1相对于底座固定平台坐标系A1-xyz的x轴、y轴的转角分别为α和β，则顶部模拟驾驶舱坐标系B1-x1y1z1相对于底座固定坐标系A1-xyz有式(1)所示的齐次变换矩阵T：

$T=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

底座固定平台三个铰接支点在底座固定平台坐标系A1-xyz中的坐标为式(2)所示：

$\left[\begin{array}{ccc}A1& A2& A3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& \sqrt{a^2-b^2/4}& \sqrt{a^2-b^2/4}\\ 0& b/2& -b/2\\ 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(2\right)$

顶部模拟驾驶舱的三个铰接支点在顶部模拟驾驶舱坐标系B1-x1y1z1中的坐标如式(3)所示：

$\left[\begin{array}{ccc}B1& B2& B3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& \sqrt{a^2-b^2/4}& \sqrt{a^2-b^2/4}\\ 0& b/2& -b/2\\ 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

通过式(1)的齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱各铰接支点表示为底座固定平台坐标系中的坐标P_i(i＝1、2、3)，见式(4)：

$\left[\begin{array}{c}P\\ 1\end{array}\right]=T\×\left[\begin{array}{c}B\\ 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中式(4)中，P＝[P1 P2 P3]，B＝[B1 B2 B3]；

(3)分析汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的侧倾位姿，将参数α≠0、β＝0代入建立的齐次变换矩阵T中，得到齐次变换矩阵T在侧倾位姿下的表达式：

$T=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

从而可以通过齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱各铰接支点表示为底座固定平台坐标系中的坐标P_i(i＝1、2、3)，

$\left[P\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& \sqrt{a^2-b^2/4}& \sqrt{a^2-b^2/4}\\ 0& b/2*\cos \mathrm{\α}& -b/2*\cos \mathrm{\α}\\ 0& b/2*\sin \mathrm{\α}& -b/2*\sin \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(5\right)$

通过式(5)可以得到两伺服电动缸3推杆伸长或缩短量的表达式如式(6)所示：

$\mathrm{\ΔL}=|P2-B2|=\sqrt{2}/2*b*\sqrt{1-\cos \mathrm{\α}}---\left(6\right)$

由侧倾前后的顶部模拟驾驶舱各铰接支点的坐标得到两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的长度；

(4)分析汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的俯仰位姿，将参数α＝0、β≠0代入齐次变换矩阵T中，得到齐次变换矩阵T在俯仰位姿下的表达式，

$T=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

从而可以通过齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱各铰接支点表示为底座固定平台坐标系中的坐标P_i(i＝1、2、3)，

$\left[P\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& \sqrt{a^2-b^2/4}\cos \mathrm{\β}& \sqrt{a^2-b^2/4}\cos \mathrm{\β}\\ 0& b/2& -b/2\\ 0& -\sqrt{a^2-b^2/4}*\sin \mathrm{\β}& \sqrt{a^2-b^2/4}*\sin \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(7\right)$

通过式(7)可以得到两伺服电动缸3推杆伸长或缩短量的表达式如式(8)所示：

$\mathrm{\ΔL}=|P2-B2|=\sqrt{2}*\sqrt{a^2-b^2/4}*\sqrt{1-\cos \mathrm{\β}}---\left(8\right)$

由俯仰前后的顶部模拟驾驶舱各铰接支点的坐标得到两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的长度；

(5)分析汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的颠簸位姿，汽车驾驶模拟颠簸位姿的实现，采用与俯仰类似的方式进行伺服电动缸杆长和颠簸幅度的转换，此时两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的长度在50mm以内，在一定频率不断移动颠簸幅度需要两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的距离就可实现汽车驾驶模拟的颠簸位姿。

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