CN107481576A - 一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置。本发明根据力的相互作用原理，通过计算电磁铁通电电流，控制安装于车辆驾驶模拟器驾驶座椅中的电磁铁和仪表板中的电磁铁，使电磁铁吸引包覆于驾驶员躯干的软磁性材料，从而为车辆驾驶模拟器中的驾驶员提供符合驾驶员质量和车辆驾驶模拟器所模拟行车状态的水平向后的力和水平向前的力，使驾驶员感受到真实的加速推背感和减速前倾感。

Description

一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置
技术领域
本发明涉及一种驾驶模拟器纵向力发生装置，特别是涉及一种基于磁力作用的驾驶模拟器纵向力发生装置。
背景技术
为使驾驶模拟器能够在加减速时为驾驶员呈现较为真实的受力感受，人们通过驾驶模拟器座椅乃至整个驾驶模拟器驾驶室的运动向驾驶员施加作用力以模拟加速状态下驾驶员的推背感和减速状态下驾驶员的前倾感。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（CN102013185，授权）通过改变两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的长度来实现顶部模拟驾驶舱各铰接支点的运动，从而实现驾驶模拟器少自由度体感装置的俯仰位姿；一种仿真驾驶游戏车辆体感驱动模拟系统（CN105999695A，实质审查）通过座椅底部若干个驱动单元装置来模拟急速加速时的座椅系统快速后倾运动与急减速时的座椅系统快速前倾运动；一种汽车驾驶模拟器动感平台系统及模拟汽车驾驶的方法（CN105719530A，实质审查）通过驾驶室底部四个伺服电缸中前两个伺服电缸上升和后两个伺服电缸下降来实现加速过程中因受惯性力作用的后仰感觉，并通过前两个伺服电缸下降和后两个伺服电缸上升来实现减速过程中因受惯性力作用的前倾感觉。
上述通过倾斜座椅来模拟车辆加减速情况驾驶员所受惯性力的驾驶模拟器，虽然可以使驾驶员产生向后和向前的分力，但座椅平面的倾斜同时会对驾驶员产生向上的分力，座椅的倾斜还会导致驾驶员视角、驾驶操作角度的变化，从而影响驾驶员加速操作时的感受。而通过纵向移动以实现推背感的驾驶模拟器，推背感的生成受移动距离的限制，无法向驾驶员提供长时间加速操作时的推背感和减速操作时的前倾感。如果根据力的相互作用原理，通过电磁铁吸引包覆于驾驶员躯干的软磁性材料，从而为驾驶员提供一个符合车辆加速度和驾驶员质量的水平方向力以模拟加减速产生的惯性力，将使驾驶员感受到更为真实的加速推背感和减速前倾感。
发明内容
本发明为解决目前驾驶模拟器在模拟加减速工况时驾驶员感受到的推背感和前倾感不够逼真且不能持续的缺陷，提出了一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置。
为实现在不改变驾驶座椅空间姿态和位置的情况下模拟驾驶员所受的惯性力，使驾驶员感受到更为真实的加速推背感和减速前倾感，本发明所述基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置，包括纵向力数据采集模块、纵向力数据处理模块和纵向力执行模块。
所述纵向力数据采集模块，包括压力采集子模块和车速采集子模块两部分。
所述压力采集子模块，通过安装在驾驶座椅上的压力传感器采集压力信息，并输出模拟信号，经数模转换得到数字信号，并将数字信号形式的压力值p传输到纵向力数据处理模块，用于前置电磁铁通电电流I f 和后置电磁铁通电电流I b 的计算。
所述车速采集子模块，通过车辆驾驶模拟器数据接口采集当前驾驶模拟器所模拟的车速信息v，并将车速v传输到纵向力数据处理模块，用于装置中前置电磁铁通电电流I f 和后置电磁铁通电电流I b 的计算。
所述纵向力数据处理模块，其功能为计算加速度a、惯性力F、前置电磁铁通电电流I f 和后置电磁铁通电电流I b 。
所述加速度a，通过将车速采集子模块得到的车速v对时间求导数得到。
所述惯性力F，由公式得到，其中a为纵向力数据处理模块处理得到的加速度，p为压力采集子模块输出的压力值。
所述前置电磁铁通电电流I f 是这样得到的：当a＞0时，令前置电磁铁通电电流I f =0；当时，令驾驶员夹克在驾驶座椅处所受前置电磁铁的磁力，I f 根据F f 与前置电磁铁通电电流I f 间对应关系f(F f )=I f 得到。
所述后置电磁铁通电电流I b 是这样得到的：当时，令后置电磁铁通电电流I b =0；当a>0时，令驾驶员夹克在驾驶座椅处所受后置电磁铁的磁力，I b 根据F b 与后置电磁铁通电电流I b 间对应关系f(F b )=I b 得到。
所述驾驶员夹克在驾驶座椅处所受前置电磁铁的磁力F f 与前置电磁铁通电电流I f 间对应关系f(F f )=I f 是这样得到的：通过检测前置电磁铁通入不同电流下驾驶员夹克在驾驶座椅处所受磁力，构造前置电磁铁通电电流I f 与驾驶员夹克在驾驶座椅处所受前置电磁铁的磁力F f 的对应关系f(F f )=I f 。
所述驾驶员夹克在驾驶座椅处所受后置电磁铁的磁力F b 与后置电磁铁通电电流I b 间对应关系f(F b )=I b 是这样得到的：通过检测后置电磁铁通入不同电流下驾驶员夹克在驾驶座椅处所受磁力，构造后置电磁铁通电电流I b 与驾驶员夹克在驾驶座椅处所受后置电磁铁的磁力F b 的对应关系f(F b )=I b 。
所述纵向力执行模块，主要包括方向盘、前置电磁铁、驾驶员夹克、驾驶座椅、后置电磁铁。
所述方向盘，其材质为非铁磁材料，避免其影响前置电磁铁对驾驶员夹克的吸引。
所述前置电磁铁由线圈、铁芯、电源、电流控制器组成，前置电磁铁安装于仪表板中，前置电磁铁的电流控制器将电磁铁的通电电流大小控制为纵向力数据处理模块计算得到的前置电磁铁通电电流I f ，从而实现前置电磁铁对驾驶员夹克的吸引，使驾驶员感受到符合驾驶模拟器所模拟的行车状态和驾驶员质量的前倾感。
所述驾驶座椅，其材质为非铁磁材料，避免其影响电磁铁对驾驶员夹克的吸引，驾驶座椅中安装有后置电磁铁。
所述驾驶员夹克，为软磁性材料和纺织纤维混纺材质，使用时包覆于驾驶员躯干，作为电磁铁磁场的响应物。
所述后置电磁铁由线圈、铁芯、电源、电流控制器组成，后置电磁铁安装于驾驶座椅中，后置电磁铁的电流控制器将电磁铁的通电电流大小控制为纵向力数据处理模块计算得到的后置电磁铁通电电流I b ，从而实现后置电磁铁对驾驶员夹克的吸引，使驾驶员感受到符合驾驶模拟器所模拟的行车状态和驾驶员质量的推背感。
通过上述纵向力发生装置，可以带来如下有益效果：
1、本发明提出一种通过电磁铁与驾驶员夹克间的磁力作用使驾驶员感受到水平方向惯性力的装置，电磁铁与驾驶员夹克间的磁力作用可长时间保持，因而可使驾驶员感受到长时间的前倾感和推背感；
2、本发明所述一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置通过安装于驾驶座椅和仪表板中的电磁铁吸引驾驶员夹克，且吸引驾驶员夹克的方向为水平方向，不会使驾驶座椅平面产生倾斜，从而使前倾感和推背感更真实；
3、本发明所述一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置根据驾驶座椅所受驾驶员的压力换算出驾驶员的质量，根据驾驶模拟器模拟的车速换算出加速度，将计算出的质量和加速度用于驾驶员所受惯性力的计算，使驾驶员可感受到与自身质量、驾驶模拟器车速相吻合的前倾感和推背感；
4、本发明所述一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置包括一种驾驶员夹克，该夹克为软磁性材料和纺织纤维混纺材质，剩余磁化强度较小，在电磁铁不通电时不会影响驾驶员操作。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明的工作流程图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明中驾驶员夹克的材质示意图。
附图标记说明：1.驾驶座椅；2.后置电磁铁；3.压力传感器；4.驾驶员夹克；41.涤纶纤维；42.冷轧无取向硅钢带；5.方向盘；6.前置电磁铁。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
如图1至图3所示，本发明所述一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置包括纵向力数据采集模块、纵向力数据处理模块和纵向力执行模块。所述纵向力数据采集模块包括压力采集子模块和车速采集子模块。所述纵向力数据处理模块用于进行加速度计算、惯性力计算和电磁铁通电电流计算。所述纵向力执行模块包括驾驶座椅1、驾驶员夹克4、后置电磁铁2和前置电磁铁6。所述驾驶座椅1由铝合金、棉麻、皮革等非铁磁材料制成，所述驾驶员夹克4的面料由涤纶纤维41和冷轧无取向硅钢带42混纺制成，所述后置电磁铁2和前置电磁铁6均由线圈、铁芯、电源、电流控制器组成。
本发明所述一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置的具体工作过程如下。
通过检测前置电磁铁6加载不同通电电流I f 时驾驶员夹克4在前置电磁铁作用下所受磁力，使用三次样条插值法构造前置电磁铁通电电流I f 与驾驶员夹克4所受磁力F f 的对应关系f(F f )=I f ，并将前置电磁铁通电电流I f 与所受磁力F f 的对应关系f(F f )=I f 存储于纵向力数据处理模块以便调用。
通过检测后置电磁铁2加载不同通电电流I b 时驾驶员夹克4在驾驶座椅1处所受磁力，使用三次样条插值法构造后置电磁铁通电电流I b 与驾驶员夹克4在驾驶座椅1处所受磁力F b 的对应关系f(F b )=I b ，并将后置电磁铁通电电流I b 与所受磁力F b 的对应关系f(F b )=I b 存储于纵向力数据处理模块以便调用。
将驾驶员夹克4包覆于驾驶员躯干，驾驶员坐于驾驶座椅1上进行驾驶模拟器的驾驶操作。
纵向力数据采集模块中的压力采集子模块通过安装在驾驶座椅1上的压力传感器输出模拟信号，经数模转换得到数字信号形式的压力值p，并将压力值p传输到纵向力数据处理模块。
纵向力数据采集模块中的车速采集子模块与驾驶模拟器数据接口相连，采集驾驶模拟器的行车车速v，并将车速v传输到纵向力数据处理模块。
纵向力数据处理模块通过对车速采集子模块得到的车速v对时间求导数得到驾驶模拟器当前所模拟状态的车辆加速度a，由公式得到当前所模拟状态中驾驶员所受的惯性力F。
当a＞0时，纵向力数据处理模块令前置电磁铁通电电流I f =0，并令驾驶员夹克在驾驶座椅处所受后置电磁铁的磁力，根据F b 与后置电磁铁通电电流I b 间对应关系f (F b )=I b 得到I b ，并将后置电磁铁通电电流I b 输入到后置电磁铁2的电流控制器中。当时，纵向力数据处理模块令后置电磁铁通电电流I b =0，并令驾驶员夹克在驾驶座椅处所受前置电磁铁的磁力，根据F f 与前置电磁铁通电电流I f 间对应关系f(F f )=I f 得到I f ，并将前置电磁铁通电电流I f 输入到前置电磁铁6的电流控制器中。
前置电磁铁的电流控制器将前置电磁铁6的通电电流大小控制为纵向力数据处理模块计算得到的前置电磁铁通电电流I f ，后置电磁铁的电流控制器将后置电磁铁2的通电电流大小控制为纵向力数据处理模块计算得到的后置电磁铁通电电流I b ，驾驶员夹克4中的冷轧无取向硅钢带会受到前置电磁铁6水平向前的吸引或后置电磁铁2水平向后的吸引，且所受吸引力符合驾驶员质量和驾驶模拟器所模拟的车辆行驶状态，驾驶员因而会感受到真实的前倾感和推背感。

Claims (8)

1.一种基于磁力作用的车辆驾驶模拟器纵向力发生装置，其特征在于：该装置包括纵向力数据采集模块、纵向力数据处理模块和纵向力执行模块。
2.根据权利要求1所述的纵向力数据处理模块，其特征在于：该模块的功能为计算加速度a、惯性力F、前置电磁铁通电电流I f 和后置电磁铁通电电流I b 。
3.根据权利要求1所述的纵向力数据处理模块，其特征在于：当a＞0时，纵向力数据处理模块令前置电磁铁通电电流I f =0；当时，纵向力数据处理模块令驾驶员夹克在驾驶座椅处所受前置电磁铁的磁力，根据F f 与前置电磁铁通电电流I f 间对应关系f(F f )= I f 得到I f 。
4.根据权利要求1所述的纵向力数据处理模块，其特征在于：当时，纵向力数据处理模块令后置电磁铁通电电流I b =0；当a>0时，纵向力数据处理模块令驾驶员夹克在驾驶座椅处所受后置电磁铁的磁力，根据F b 与后置电磁铁通电电流I b 间对应关系f(F b )=I b 得到I b 。
5.根据权利要求1所述的纵向力执行模块，其特征在于：该模块包含方向盘、前置电磁铁、驾驶员夹克、驾驶座椅、后置电磁铁。
6.根据权利要求5所述的方向盘，其特征在于：方向盘的材质为非铁磁材料。
7.根据权利要求5所述的驾驶座椅，其特征在于：驾驶座椅中安装有后置电磁铁。
8.根据权利要求5所述的前置电磁铁，其特征在于：前置电磁铁安装于仪表板中。
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