CN107705663A - 带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器，由转向盘组件、联轴器、角度传感器、转矩传感器、电磁离合器、电机组件和支架及旋转机构构成。本发明带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器可更真实地模拟车辆运动情形，满足多种条件下的车辆道路试验。使用本发明提供的驾驶模拟器，可以更加逼真的模拟道路试验，相比于无力感反馈的模拟器试验数据更为准确可靠。此外，驾驶模拟器在电机出现故障时依旧可以完成基本的模拟操作，装置总体尺寸小，结构简单，便于应用。

Description

带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，具体涉及一种带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器。

背景技术

在近代汽车开发过程中，实车试验由于成本高、安全性较低等原因，在开发过程中所占比重越来越低，而模拟和仿真试验可以替代一部分的初期实车试验，大大降低了场地测试成本的同时提高了安全性，并能达到节能减排。但是，在软件仿真模拟的过程中无法考虑到驾驶员的因素，如若将驾驶员同时引入汽车开发环节，进行“人-车-路”闭环系统研究，驾驶模拟器是开发过程中一个较好的选择，通过驾驶模拟器来研究和试验逐渐成为未来汽车开发和发展过程中一个十分有效合理的手段。

实车驾驶过程中，由于轮胎定位参数及轮胎的柔性会产生回正力矩，此外由于道路不平等因素驾驶员也会在转向盘上感受，回正力矩和“路感”统称为力感反馈。传统驾驶模拟器上，转向盘相关信号直接传入计算机中，驾驶员感受不到转向盘力感反馈，驾驶员缺乏很好的驾驶沉浸感，由于与实车驾驶上有较大差异，操作准确性也有所下降。为解决此问题，准确、及时的转向盘力感模拟在驾驶模拟器研发中也是一个重要的技术要求。

中国专利CN 204288573 U公开了一种机械式回正的汽车驾驶模拟器转向装置，其两个旋转轴上的两个弹簧在转向盘旋转时发生变形，提供回正力矩，但驾驶员只能感受到由弹簧变形提供的线性的转矩，无法获得由路面不平或侧向加速度等从转向盘感受到的“路感”，操作准确性较差。

中国专利CN 204117396 U公开了一种电机回正及振动的汽车驾驶模拟器转向装置，虽然力感反馈由电机提供，准确性较高，但整个机构冗余能力较差，一旦力感反馈电机出现故障，将无法正常实现驾驶模拟的转向功能。

综上所述，虽然带有力感反馈的驾驶模拟器为汽车开发与研究等带来很大的便利，通过力矩的控制能够提高力感反馈的准确性与实时性，但仍有一些问题需要解决。力感反馈电机抵抗外界干扰能力较差，当力感反馈电机无法正常工作时整个驾驶模拟器也无法正常进行驾驶模拟。因此，需要对驾驶模拟器进行冗余设计，提高系统的容错能力。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器。

一种带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器，主要由转向盘组件1、联轴器2、角度传感器3、转矩传感器4、电磁离合器5、电机组件和可调整转动角度的支架及旋转机构9构成；其中，所述转向盘组件1由转向盘和转向轴构成，电机组件由减速器6、电机7和电机编码器8构成；

所述转矩传感器4一端通过电磁离合器5与减速器6相连，另一端通过联轴器2与转向盘和转向轴相连；

所述角度传感器3设置在联轴器2与转矩传感器4之间，且与转矩传感器4伸出的轴端相连，角度传感器3下方与支架及旋转机构9的L形支架9a固定；

所述电机7两端分别与减速器6和电机编码器8相连，电机7输出的转矩经过减速箱6的减速增扭后传递给转矩传感器4，电机编码器8能够测量电机7的转角以及转速；

所述电磁离合器5、减速器6、电机7和电机编码器8通过CAN总线通信，方向盘转角、转矩信息通过角度传感器3和转矩传感器4发送到CAN总线上。

所述支架及旋转机构9还包括活动铰链9b、两个支撑臂9c和两个底座9d，其中两个支撑臂9c均带有滑槽，L形支架9a和活动铰链9b分别通过设置在滑槽内的螺钉9e与支撑臂9c固定，且两个支撑臂9c及活动铰链9b均固定在两个底架9d上。

所述活动铰链9b的最大转动角度为20°。

所述转向盘组件1、联轴器2、角度传感器3、转矩传感器4、电磁离合器5、减速器6、电机7和电机编码器8均布置在一条直线上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器可更真实地模拟车辆运动情形，满足不同车型进行道路试验；使用本发明提供的驾驶模拟器机构，可以更加逼真地模拟道路试验，相比于无力感反馈的模拟器试验数据更为准确可靠；此外，在电机出现故障时依旧可以完成基本的模拟操作；本装置总体尺寸小，结构简单，便于应用。

附图说明

图1为本发明带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器的结构示意图；

图2为图1的A-A剖面图。

图中：1.转向盘组件 2.联轴器 3.角度传感器 4.转矩传感器 5.电磁离合器 6.减速器 7.电机 8.电机编码器 9.支架及旋转机构 9a.L形支架 9b.活动铰链 9c.支撑臂9d.底座 9e.螺钉。

具体实施方式

本发明旨在使用驾驶模拟器进行模拟驾驶的同时可以通过电机让驾驶员感受到与实车试验相近的转向盘力感反馈，并在电机无法正常工作时将电机与其他装置的连接切断，可以在一定程度上继续完成模拟驾驶的工作。此外，固定零件的支架可以绕活动铰链旋转，使转向盘轴线与水平面的夹角发生改变，从而更加贴近不同车型不同转向盘安装角度的驾驶感受。本装置适用于传统汽车开发及线控转向系统研究等工作，同时可以用于驾驶游戏开发以及初学者学习驾驶。

应用本发明提供的驾驶模拟器，通过对电机的精准控制可以提供与实车驾驶相近的力矩反馈，提高模拟驾驶的准确性和驾驶员的沉浸感，并且在力感反馈电机发生故障时通过电磁离合器将电机与传感器的连接断开，采用冗余设计提高系统的工作可靠性。此外，由于不同车型的转向盘与水平线的夹角有所不同，本发明提供的装置可以改变转向盘轴线与水平面的夹角，从而使驾驶员获得更加真实的驾驶感受。

本发明所提供的装置功能的实现主要依靠提供转向盘力感反馈的转向电机及配套的减速器和编码器、负责检测转向盘及电机信号的转矩及角度传感器、在电机无法正常工作时切断连接的电磁离合器、可以调节角度的支架及旋转机构。电机及配套减速器、编码器与转矩传感器在一条直线上，两者通过电磁离合器相连，电机动力经过减速器、转矩传感器传到转向轴上，再通过转向盘对驾驶员产生力感反馈。电机的控制器以及转矩、角度传感器通过CAN总线通信，转向盘转角、转矩等信息由传感器发送到CAN总线上，控制器从CAN总线上接收到对应的报文从而发出相应的指令，控制电机和电磁离合器动作。安装电机、传感器等的支架通过两个带有滑槽的支撑臂与铝材相连。

当提供力感反馈的电机无法正常工作时，电磁离合器将力感反馈电机与转矩离合器的连接切断，转向盘依然可以自由旋转，角度传感器检测转向盘转角，转矩传感器检测转矩，依旧可以完成传统驾驶模拟器的驾驶工作。

由于不同车型的方向盘与水平夹角有所不同，在本发明提供的装置中可以通过螺钉在两个支撑臂滑槽中的滑动来改变此夹角，从而更加贴近实车试验的环境，提高了驾驶模拟的真实感。

如图1和图2所示，本发明带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器，由转向盘组件1、联轴器2、角度传感器3、转矩传感器4、电磁离合器5、电机组件和支架及旋转机构9构成，其中转向盘组件1由转向盘和转向轴构成，电机组件由减速器6、电机7和电机编码器8构成。所述转向盘组件1、联轴器2、角度传感器3、转矩传感器4、电磁离合器5、减速器6、电机7和电机编码器8均布置在一条直线上。

所述电机7输出的转矩经过减速箱6的减速增扭后传递给转矩传感器4，电机编码器8可以测量电机7的转角以及转速，减速器6轴与转矩传感器4通过电磁离合器5相连，以便于在电机组件无法工作的情况下及时切断电机组件与其他旋转件的连接。转矩传感器4另一端通过联轴器2与转向轴和转向盘相连，同时角度传感器3与转矩传感器4伸出的轴端相连，角度传感器3固定在支架及旋转机构9的L形支架9a上。L形支架9a与带有滑槽的支撑臂9c相连，使L形支架9a可以沿滑槽滑动改变角度，两个支撑臂9c与活动铰链9b都固定在4080铝材组成的底座9d上。减速器6、电机7和电机编码器8及电磁离合器5通过CAN总线通信，方向盘转角、转矩等信息通过角度传感器3、转矩传感器4发送到CAN总线上。本发明提供的装置便于安装以及拆卸，结构简单，占用空间小，成本较低。

当电机7正常工作时，电磁离合器5处于闭合状态，驾驶员在操纵方向盘的同时还会受到电机组件传来的模拟真实路感的力感反馈，可以使驾驶员真切地感受到车轮受到的回正力矩以及路面情况等“路感”，结合显示屏上车辆运动状态、道路信息与转向盘力感反馈，驾驶员可以对车辆的转向操作进行调整。

当电机组件无法正常工作时，电磁离合器5及时切断电机组件与转矩传感器4的连接，此时角度传感器3依旧可以测得方向盘转角等数据，驾驶员将无法感受到由电机组件提供的力感反馈，但依旧可以进行与传统驾驶模拟器相同的基本转向操作，提高了整个装置的容错性。

在对不同车型进行驾驶模拟时，可以根据实际车型中转向盘与水平线的夹角来改变驾驶模拟器的角度，更加贴近实车试验的环境。具体调整方法是旋转活动铰链9b，螺钉9e会在支撑臂9c的滑槽中滑动以及限位，在理想位置拧紧螺钉9e以固定安装角度。本装置的最大设计转动角度为20°。

综上，本发明所提供装置可实现带有力感反馈的驾驶模拟，并且可在电机失效时断开电机的连接继续进行转向操作，可以改变转向盘轴线与水平线的夹角，整个系统具有很好的可控性和工作可靠性。

Claims (4)

1.一种带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器，其特征在于：主要由转向盘组件(1)、联轴器(2)、角度传感器(3)、转矩传感器(4)、电磁离合器(5)、电机组件和可调整转动角度的支架及旋转机构(9)构成；其中，所述转向盘组件(1)由转向盘和转向轴构成，电机组件由减速器(6)、电机(7)和电机编码器(8)构成；

所述转矩传感器(4)一端通过电磁离合器(5)与减速器(6)相连，另一端通过联轴器(2)与转向盘和转向轴相连；

所述角度传感器(3)设置在联轴器(2)与转矩传感器(4)之间，且与转矩传感器(4)伸出的轴端相连，角度传感器(3)下方与支架及旋转机构(9)的L形支架9a固定；

所述电机(7)两端分别与减速器(6)和电机编码器(8)相连，电机(7)输出的转矩经过减速箱(6)的减速增扭后传递给转矩传感器(4)，电机编码器(8)能够测量电机(7)的转角以及转速；

所述电磁离合器(5)、减速器(6)、电机(7)和电机编码器(8)通过CAN总线通信，方向盘转角、转矩信息通过角度传感器(3)和转矩传感器(4)发送到CAN总线上。

2.根据权利要求1所述的一种带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器，其特征在于：所述支架及旋转机构(9)还包括活动铰链(9b)、两个支撑臂(9c)和两个底座(9d)，其中两个支撑臂(9c)均带有滑槽，L形支架(9a)和活动铰链(9b)分别通过设置在滑槽内的螺钉(9e)与支撑臂(9c)固定，且两个支撑臂(9c)及活动铰链(9b)均固定在两个底架(9d)上。

3.根据权利要求2所述的一种带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器，其特征在于：所述活动铰链(9b)的最大转动角度为20°。

4.根据权利要求1所述的一种带力感反馈的可变安装角度驾驶模拟器，其特征在于：所述转向盘组件(1)、联轴器(2)、角度传感器(3)、转矩传感器(4)、电磁离合器(5)、减速器(6)、电机(7)和电机编码器(8)均布置在一条直线上。