CN102700522B - 一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置，在装置的底板上依次安装有力矩电动机、光电编码器、力矩传感器以及制动踏板子装置，制动踏板子装置包括制动踏板、踏板轴、踏板架以及扭簧；扭簧提供制动踏板力感中的线性力矩，并使制动踏板复位，力矩电动机提供制动力感的调整力矩；光电编码器测量制动踏板的转角和转速，力矩传感器测量制动踏板的实际力矩，测量的数据发送给工控机处理，处理后的数据一方面发送给服务器以控制虚拟车辆的运行，另一方面发送给电机控制器以控制力矩电机输出的调整力矩。本发明实现了制动踏板力矩的闭环控制，因而能够提供真实的制动踏板感觉，且制动踏板的预置力以及软硬特性可根据情况方便调整，结构简单、安装简易。

Description

一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置

技术领域

本发明涉及一种制动踏板感觉模拟装置，尤其涉及一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置。

背景技术

车辆驾驶模拟器利用虚拟现实仿真技术营造一个虚拟的驾驶环境，人们通过模拟器的操作部件与虚拟的环境进行交互，从而进行驾驶操作。车辆驾驶模拟器主要应用于驾驶训练、游戏娱乐以及科学研究等领域。一款优秀的车辆驾驶模拟器要求具有强烈的沉浸感、友好的人机交互性。随着数字图像处理技术、计算机图形学、多媒体技术等信息技术的发展，车辆驾驶模拟器中已能呈现逼真的虚拟现实场景，从而实现强烈的沉浸感。至于人机交互性，则需要靠能够模拟真实力感的操作装置来实现，如方向盘、制动踏板、油门踏板以及离合器等。

目前车辆模拟器驾驶感觉模拟的研究主要针对方向盘，相应地，市场上力反馈方向盘产品也比较多、技术也较成熟。而制动踏板感觉模拟的研究相对较少，应用于车辆模拟器的制动踏板结构简单，制动力感基本上是由阻尼器或者弹簧提供，以至于制动力感为恒定力矩或者线性力矩。经查阅相关文献资料，国内外已有一些制动踏板感觉模拟的试验与研究，然而这些试验与研究的结果均表明，制动踏板行程越大，虽然相应的力感也越大，但是这两种并不遵循线性关系。因此，当前车辆驾驶模拟器中的制动踏板感觉模拟与实际还是有一定的差距。

经相关专利文献资料查询，发明专利CN102294997A公开了一种汽车制动踏板感觉模拟器，包括储油杯、制动主缸、制动踏板、踏板行程传感器、活塞回位弹簧、二位三通电磁阀和模拟器阀块。发明专利CN101879891A公开了一种制动踏板感觉模拟器，包括储油杯、制动主缸、带有踏板行程传感器的制动踏板。发明专利CN101982356A公开了一种汽车制动踏板机构及其踏板感觉模拟器，其中踏板感觉模拟器采用磁流变液原理，由中央处理单元根据踏板速度或者微波测距雷达所测的距离信息控制输出制动踏板感觉。发明专利CN101927758A公开了一种用于汽车制动系统的制动踏板模拟器，包括充满液压液的压力腔、由可以与制动踏板连接的第一活塞和第二活塞形成压力腔的边界、用于产生复位力并作用于第二活塞的复位装置。发明专利CN101846567A公开了一种制动踏板力模拟装置，主要由带有控制元件的气缸、压力传感器和位移传感器等部件组成。发明专利CN101566211A公开了一种用于电子制动踏板感觉模拟器的阻尼调节器，包括缸体、活塞和与活塞相连的连杆，缸体被活塞分为压缩腔和伸张腔，压缩腔和伸张腔想通，缸体内充有电流变液体。

现有的车辆制动踏板感觉模拟装置主要是针对车辆线控系统展开研究和设计的，基本上采用的是液压或气压系统结构，应用于车辆驾驶模拟器上            均有一定的局限性，如结构复杂、安装不便、占用空间较大、响应不够精准、闭环控制性能欠佳。

发明内容

针对现有的制动踏板感觉模拟装置应用于车辆驾驶模拟器上存在一定的局限性，本发明的目的在于提供一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置，本发明通过力矩电机和扭簧的组合来模拟制动踏板力感，以实现力感的闭环控制、精确响应，且结构简单、安装方便。

本发明采用的技术方案是：

一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置，它包括：力矩电动机、减速机、传动轴、光电编码器、力矩传感器、底板、制动踏板子装置、工控机、服务器和电机控制器。其中，力矩电动机与减速机相连，减速机通过底座固定在底板上，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；传动轴的另一端穿过光电编码器的中心孔后，通过第二弹性联轴器与力矩传感器连接。光电编码器通过支架固定在底板上。力矩传感器通过第一定位垫板固定在底板上，力矩传感器另一端通过第三弹性联轴器与制动踏板子装置连接；制动踏板子装置通过第二定位垫板固定在底板上。力矩电动机的电机控制器、光电编码器和力矩传感器均与工控机相连，工控机与服务器20相连。

进一步地，所述制动踏板子装置包括：扭簧、踏板轴、制动踏板和踏板架；制动踏板通过紧定螺钉固定在踏板轴上，踏板轴安装在踏板架上，踏板轴通过第三弹性联轴器与力矩传感器相连；扭簧套设在踏板轴上，扭簧一端弯成圆形，然后贯穿相同直径的第一螺栓，通过螺母固定在制动踏板一侧；扭簧另一端也弯成圆形，然后贯穿相同直径的第二螺栓，第二螺栓穿过踏板架一侧上的弧形孔，并以螺母固定。

本发明具有的有益效果是：

1、利用力矩电动机和扭簧组合来模拟制动踏板力感，其中扭簧产生线性力矩，力矩电机输出调整力矩对线性力矩进行不断调节，使得制动踏板力感非线性化，与实际相符。

2、电动机易于控制、响应快速；结合制动踏板的实际力矩与计算力矩的偏差对力矩电动机输出的调整力矩进行闭环控制，从而得到准确的制动踏板力矩，制动踏板感觉真实；

3、扭簧可更换、初始扭力可调，进而可以根据驾驶员喜好、制动状况、车辆类型以及研究目标等不同情况方便调整制动踏板的预置力或者软硬特性。

4、结构简单，安装方便。

附图说明

 图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的制动踏板子装置示意图；

图3是本发明的工控机工作流程图；

图4是本发明的服务器工作流程图；

图中：力矩电动机1、减速机2、底座3、第一弹性联轴器4、传动轴5、光电编码器6、支架7、第二弹性联轴器8、力矩传感器9、第三弹性联轴器10、扭簧11、第一螺栓12、踏板轴13、制动踏板14、第二定位垫板15、踏板架16、第二螺栓17、第一定位垫板18、底板19、服务器20、工控机21、电机控制器22。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本发明应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置包括：力矩电动机1、减速机2、传动轴5、光电编码器6、力矩传感器9、底板19、制动踏板子装置、工控机21、服务器20和电机控制器22。其中，力矩电动机1与减速机2相连，减速机2通过底座3固定在底板19上，减速机2的伸出轴通过第一弹性联轴器4与传动轴5的一端连接；传动轴5的另一端穿过光电编码器6的中心孔后，通过第二弹性联轴器8与力矩传感器9连接。光电编码器6通过支架7固定在底板19上。力矩传感器9通过第一定位垫板18固定在底板19上，力矩传感器9另一端通过第三弹性联轴器10与制动踏板子装置连接；制动踏板子装置通过第二定位垫板15固定在底板19上。力矩电动机1的电机控制器22、光电编码器6和力矩传感器9均与工控机21相连，工控机21与服务器20相连。

如图2所示，制动踏板子装置包括：扭簧11、踏板轴13、制动踏板14和踏板架16；踏板14通过紧定螺钉固定在踏板轴13上，踏板轴13安装在踏板架16上，踏板轴13通过第三弹性联轴器10与力矩传感器9相连；扭簧11套设在踏板轴13上，扭簧11一端弯成圆形，然后贯穿相同直径的第一螺栓12，通过螺母固定在踏板14一侧；扭簧11另一端也弯成圆形，然后贯穿相同直径的第二螺栓17，第二螺栓17穿过踏板架16一侧上的弧形孔，并以螺母固定。

驾驶员踩下制动踏板14，踏板轴13转动，由光电编码器6得到制动踏板14的转角信号，力矩传感器9得到制动踏板14的力矩信号。

如图3所示，一方面，工控机21接收制动踏板14转角信号，计算出制动踏板14的转角和转速，然后结合服务器20发送过来的虚拟车辆速度值，按照一定的函数模型得到制动踏板14的计算力矩，该函数模型可以表示为：                                                ，其中，为制动踏板14转角，为制动踏板14转速，为虚拟车辆速度，计算力矩包括两部分，一部分是扭簧11提供的线性力矩，线性力矩与制动踏板14转角成线性关系，系数为扭簧11刚度；一部分是力矩电动机1提供的名义调整力矩。另一方面，工控机21根据接收到的力矩传感器9的力矩信号，计算出制动踏板14的实际力矩值。然后，工控机14根据计算力矩与实际力矩的偏差以及力矩电动机1的名义调整力矩值， 计算出力矩电动机1输出的实际调整力矩，并换算成力矩电动机1的控制电压值，最后向电机控制器22发送控制电压信号，由电机控制器22控制力矩电动机1产生实际调整力矩。

与此同时，如图4所示，服务器20接收工控机21发送过来的制动踏板14转角数据，然后换算成虚拟车辆的制动力矩，计算出此刻虚拟车辆的速度，更新虚拟车辆的运行状态，并将新的速度数据发送给工控机21。

以上工作过程以一定的频率不断地刷新执行，即工控机21根据踏板14转角变化以及虚拟车辆速度变化不断地更新数据并进行解算，实现制动踏板力矩的实时变化以及制动踏板感觉的连续变化。

最后，驾驶员松开制动踏板14，由扭簧11将制动踏板14复位。此外，可以根据驾驶员喜好、制动状况、车辆类型以及研究目标等不同情况，将第二螺栓17移动到踏板架16弧形孔中的不同位置处，以改变制动踏板14的预置力，或者更换不同刚度的扭簧，以改变制动踏板14的力感软硬特性。

Claims (1)

1.一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置，其特征在于，它包括：力矩电动机（1）、减速机（2）、传动轴（5）、光电编码器（6）、力矩传感器（9）、底板（19）、制动踏板子装置、工控机（21）、服务器（20）和电机控制器（22）；其中，力矩电动机（1）与减速机（2）相连，减速机（2）通过底座（3）固定在底板（19）上，减速机（2）的伸出轴通过第一弹性联轴器（4）与传动轴（5）的一端连接；传动轴（5）的另一端穿过光电编码器（6）的中心孔后，通过第二弹性联轴器（8）与力矩传感器（9）连接；光电编码器（6）通过支架（7）固定在底板（19）上；力矩传感器（9）通过第一定位垫板（18）固定在底板（19）上，力矩传感器（9）另一端通过第三弹性联轴器（10）与制动踏板子装置连接；制动踏板子装置通过第二定位垫板（15）固定在底板（19）上；力矩电动机（1）的电机控制器（22）、光电编码器（6）和力矩传感器（9）均与工控机（21）相连，工控机（21）与服务器（20）相连；所述制动踏板子装置包括：扭簧（11）、踏板轴（13）、制动踏板（14）和踏板架（16）；制动踏板（14）通过紧定螺钉固定在踏板轴（13）上，踏板轴（13）安装在踏板架（16）上，踏板轴（13）通过第三弹性联轴器（10）与力矩传感器（9）相连；扭簧（11）套设在踏板轴（13）上，扭簧（11）一端弯成圆形，然后贯穿相同直径的第一螺栓（12），通过螺母固定在制动踏板（14）一侧；扭簧（11）另一端也弯成圆形，然后贯穿相同直径的第二螺栓（17），第二螺栓（17）穿过踏板架（16）一侧上的弧形孔，并以螺母固定。