CN107784891A - 一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置 - Google Patents

一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置，包括有齿轮轴、齿条、第一感觉模拟器、第二感觉模拟器和数据采集及控制模块，其中齿条装配在一底板上，齿条能够沿底板进行前后纵向滑动，齿轮轴上设置有齿轮，齿轮轴通过该齿轮与齿条相啮合，齿轮轴的一端与方向盘相连接，方向盘的转动带动齿轮轴驱使齿条进行前后滑动，齿条的前后端分别与第一感觉模拟器和第二感觉模拟器相连，数据采集及控制模块通过导线与第一感觉模拟器和第二感觉模拟器相连接。有益效果：为科研、教学提供了新型的工具手段，在实现转向路感贴切模拟、转向盘转角较高精度测量的同时也降低了实现的成本。

Description

一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置
技术领域
本发明涉及一种转向感觉模拟及转角测量装置，特别涉及一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置。
背景技术
汽车转向感觉模拟以及转角数据采集对驾驶模拟器的综合性能体验至关重要，近年来，随着汽车驾驶模拟器的不断发展，对于汽车各个操纵机构比如转向盘的力反馈感觉模拟以及转角数据采集精度的要求也日趋提高。目前，围绕如何提供适当的转向盘转动感觉以及高精度、低成本的精度转角数据采集并将其应用于模拟驾驶系统的相关问题已然成为一大热点。目前市场上现有的用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置的相关技术往往存在两大问题：一、结构过于简单，模拟转向感觉效果严重失真；二、结构过于复杂，在没有大幅度提高模拟效果、转角测量精度的情况下使成本大大提升。
现有的转向感觉模拟装置在力反馈方面以及结构方面均有不足之处。中国专利公开号CN206171555U，公开日为2017.05.17名称为一种阻尼式工业车辆转向装置中通过齿轮、齿条、液压缸的布局连接实现转向感觉模拟，该装置设置了四个液压缸、两个齿条等，增加了装置实现转向感觉模拟的成本。
中国专利公开号CN102320324A，公开日为2012.01.18发明名称为线控转向汽车路感模拟执行装置中通过扭簧、扭簧随动件、阻尼器的使用实现转向路感模拟，然而扭杆弹簧(扭簧)的成本非常之高，对材料及工艺要求较严，不利于发明装置的应用普及。
中国专利公开号CN101966856A，公开日为2011.02.09名称为一种汽车方向盘转动角度测量方法的转角测量需要基于巨磁阻传感器来实现，然而巨磁阻传感器的温度稳定性以及抗干扰性并不理想，难以良好的实现高精度的测量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的应用于驾驶模拟器的转向感觉模拟装置中普遍存在的模拟感觉失真、装置结构过于复杂、成本高以及转角测量精度较低的问题，而提供的一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置。
本发明提供的用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置包括有齿轮轴、齿条、第一感觉模拟器、第二感觉模拟器和数据采集及控制模块，其中齿条装配在一底板上，齿条能够沿底板进行前后纵向滑动，齿轮轴上设置有齿轮，齿轮轴通过该齿轮与齿条相啮合，齿轮轴的一端与方向盘相连接，方向盘的转动带动齿轮轴驱使齿条进行前后滑动，齿条的前后端分别与第一感觉模拟器和第二感觉模拟器相连，数据采集及控制模块通过导线与第一感觉模拟器和第二感觉模拟器相连接。
齿轮轴上设置有两个限位板对齿轮轴进行限位固定，齿轮轴的一端设有卡槽，齿轮轴通过卡槽与方向盘固定连接。
齿轮轴上的齿轮共有八个齿，模数为2.5；齿条共有二十四个齿，模数为2.5。
第一感觉模拟器和第二感觉模拟器的内腔中与齿条的连接端均设置有顶片，其中齿条的前端能够与第一感觉模拟器中的顶片相接触，齿条的后端能够与第二感觉模拟器中的顶片相接触，齿条向前滑动时能够驱使第一感觉模拟器中的顶片向第一感觉模拟器的内腔中进行滑动，齿条向后滑动时能够驱使第二感觉模拟器中的顶片向第二感觉模拟器的内腔中进行滑动。
第一感觉模拟器和第二感觉模拟器的结构相同，第一感觉模拟器和第二感觉模拟器的内腔中均包括有顶片、第一滑动片、第二滑动片和第三滑动片，其中顶片设在第一感觉模拟器和第二感觉模拟器与齿条的连接端，第一滑动片、第二滑动片和第三滑动片依次设在顶片的后部，顶片与第一滑动片之间的腔体中填充有液压油，第一滑动片和第二滑动片设在第一限位块和第二限位块之间，第三滑动片设在第二限位块与第三限位块之间，第一滑动片的后部连接有第一线性弹簧，第一线性弹簧的后端固定在第三滑动片的前部，第二滑动片的后部连接有第二线性弹簧，第二线性弹簧套设在第一线性弹簧上，第二线性弹簧的后端固定在第二限位块的前部，第三滑动片的后部连接有第三线性弹簧，第三线性弹簧的后端固定在腔体后部的垫片上，腔体后部的垫片与腔体底部之间设置有压力敏感电阻，压力敏感电阻通过导线与数据采集及控制模块相连接。
数据采集及控制模块包括有转角模拟控制器、固定电阻、保护电阻、电源和控制开关，其中第一感觉模拟器和第二感觉模拟器中的两个压力敏感电阻与固定电阻、保护电阻、电源和控制开关串联连接，第一感觉模拟器中的压力敏感电阻与固定电阻串联后再与转角模拟控制器进行并联连接，即第一感觉模拟器中的压力敏感电阻与固定电阻串联两端的电压与转角模拟控制器两端电压保持一致。
转角模拟控制器、固定电阻、保护电阻、电源、控制开关和压力敏感电阻均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
当驾驶人转动转向盘时，转向盘的转动带动齿轮轴以及齿条的运动，进而第一感觉模拟器和第二感觉模拟器内部的线性弹簧产生形变而产生弹簧力，弹簧力即用于有效的转向感觉模拟。又因为第一感觉模拟器和第二感觉模拟器内部线性弹簧的布置形式，在驾驶人转动转向盘的过程中第一感觉模拟器和第二感觉模拟器中能够产生多个阶段的感觉模拟，通过选择合适的线性弹簧刚度能够使该模拟装置的感觉模拟效果尽可能地贴切于真实情况。此外，基于不同转角大小对压力敏感电阻的阻值影响不同，电压Uab与转向盘转角yk之间存在一一对应关系，通过拉格朗日多项式获取的拟合函数实现了转向盘转角的获取，至此，便实现了转向感觉的贴切模拟以及较高精度的转向盘转角测量。
本发明的有益效果：
本发明提供的用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置，各组成部分之间连接可靠，检测维修十分方便；本发明贴切地提供了转向盘转动过程中多个阶段的不同的路感模拟效果。为科研、教学提供了新型的工具手段，在实现转向路感贴切模拟、转向盘转角较高精度测量的同时也降低了实现的成本。
附图说明
图1为本发明所述装置整体结构示意图。
图2为本发明所述第一感觉模拟器和第二感觉模拟器内部结构示意图。
图3为本发明所述数据采集及控制模块电路原理结构示意图。
1、齿轮轴 2、齿条 3、第一感觉模拟器 4、第二感觉模拟器 5、数据采集及控制模块 6、底板 7、齿轮 8、限位板 9、卡槽 10、顶片 11、第一滑动片 12、第二滑动片 13、第三滑动片 14、第一限位块 15、第二限位块 16、第三限位块 17、第一线性弹簧 18、第二线性弹簧 19、第三线性弹簧 20、垫片 21、压力敏感电阻 22、转角模拟控制器 23、固定电阻24、保护电阻 25、电源 26、控制开关。
具体实施方式
请参阅图1至图3所示：
本发明提供的用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置包括有齿轮轴1、齿条2、第一感觉模拟器3、第二感觉模拟器4和数据采集及控制模块5，其中齿条2装配在一底板6上，齿条2能够沿底板6进行前后纵向滑动，齿轮轴1上设置有齿轮7，齿轮轴1通过该齿轮7与齿条2相啮合，齿轮轴1的一端与方向盘相连接，方向盘的转动带动齿轮轴1驱使齿条2进行前后滑动，齿条2的前后端分别与第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4相连，数据采集及控制模块5通过导线与第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4相连接。
齿轮轴1上设置有两个限位板8对齿轮轴1进行限位固定，齿轮轴1的一端设有卡槽9，齿轮轴1通过卡槽9与方向盘固定连接。
齿轮轴1上的齿轮7共有八个齿，模数为2.5；齿条2共有二十四个齿，模数为2.5。
第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4的内腔中与齿条2的连接端均设置有顶片10，其中齿条2的前端能够与第一感觉模拟器3中的顶片10相接触，齿条2的后端能够与第二感觉模拟器4中的顶片10相接触，齿条2向前滑动时能够驱使第一感觉模拟器3中的顶片10向第一感觉模拟器3的内腔中进行滑动，齿条2向后滑动时能够驱使第二感觉模拟器4中的顶片10向第二感觉模拟器4的内腔中进行滑动。
第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4的结构相同，第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4的内腔中均包括有顶片10、第一滑动片11、第二滑动片12和第三滑动片13，其中顶片10设在第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4与齿条2的连接端，第一滑动片11、第二滑动片12和第三滑动片13依次设在顶片10的后部，顶片10与第一滑动片11之间的腔体中填充有液压油，第一滑动片11和第二滑动片12设在第一限位块14和第二限位块15之间，第三滑动片13设在第二限位块15与第三限位块16之间，第一滑动片11的后部连接有第一线性弹簧17，第一线性弹簧17的后端固定在第三滑动片13的前部，第二滑动片12的后部连接有第二线性弹簧18，第二线性弹簧18套设在第一线性弹簧17上，第二线性弹簧18的后端固定在第二限位块15的前部，第三滑动片13的后部连接有第三线性弹簧19，第三线性弹簧19的后端固定在腔体后部的垫片20上，腔体后部的垫片20与腔体底部之间设置有压力敏感电阻21，压力敏感电阻21通过导线与数据采集及控制模块5相连接。
数据采集及控制模块5包括有转角模拟控制器22、固定电阻23、保护电阻24、电源25和控制开关26，其中第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4中的两个压力敏感电阻21与固定电阻23、保护电阻24、电源25和控制开关26串联连接，第一感觉模拟器3中的压力敏感电阻21与固定电阻23串联后再与转角模拟控制器22进行并联连接，即第一感觉模拟器3中的压力敏感电阻21与固定电阻23串联两端的电压与转角模拟控制器22两端电压保持一致。
转角模拟控制器22、固定电阻23、保护电阻24、电源25、控制开关26和压力敏感电阻21均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
当驾驶人转动转向盘时，转向盘的转动带动齿轮轴1以及齿条2的运动，进而第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4内部的线性弹簧产生形变而产生弹簧力，弹簧力即用于有效的转向感觉模拟。又因为第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4内部线性弹簧的布置形式，在驾驶人转动转向盘的过程中第一感觉模拟器3和第二感觉模拟器4中能够产生多个阶段的感觉模拟，通过选择合适的线性弹簧刚度能够使该模拟装置的感觉模拟效果尽可能地贴切于真实情况。此外，基于不同转角大小对压力敏感电阻21的阻值影响不同，电压Uab与转向盘转角yk之间存在一一对应关系，通过拉格朗日多项式获取的拟合函数实现了转向盘转角的获取，至此，便实现了转向感觉的贴切模拟以及较高精度的转向盘转角测量。
理想的转向力反馈感觉模拟器应该可以提供尽量可能多的阶段区域，本发明能够在驾驶人转动转向盘的过程中模拟产生三个阶段的不同刚度的转向力，具体实现过程如下：
第一阶段：转动转向盘角度较小时，顶片10的线位移也比较小，此时第一滑动片11仅做较小的位移。这段小位移使得第一线性弹簧17、第三线性弹簧19都有一定程度的压缩，由于第一线性弹簧17和第三线性弹簧19串联布置，第一阶段表现的总的弹簧刚度为进而产生第一阶段的转向感觉模拟。(k01：第一阶段两个感觉模拟器内部提供的弹簧刚度；k1：第一线性弹簧17的刚度；k3：第三线性弹簧19的刚度。)
第二阶段：转动转向盘角度进一步变大时，顶片10的线位移相应增加，此时第一滑动片11位移的幅度也得以增加。这段位移使得第一线性弹簧17、第三线性弹簧19都有较大的压缩，使得第三滑动片13的右侧与第三限位块16的左侧相接触，第三滑动片13不再运动，此时第三线性弹簧19不再继续压缩，表现的总的弹簧刚度为k02＝k1。进而产生第二阶段的转向感觉模拟。(k02：第二阶段两个感觉模拟器内部提供的弹簧刚度；k1：第一线性弹簧17的刚度。)
第三阶段：转动转向盘角度进一步增加，顶片10的线位移相应增加，此时第一滑动片11位移的幅度也得以增加。这段位移使得第一滑动片11的右侧运动到与第二滑动片12的左侧接触，使得第二滑动片12开始向右运动，进而压缩第二线性弹簧18产生压缩形变，表现的总的弹簧刚度为k03＝k1+k2。进而产生第三阶段的转向感觉模拟。(k03：第三阶段两个感觉模拟器内部提供的弹簧刚度；k1：第一线性弹簧17的刚度；k2：第二线性弹簧18的刚度。)
驾驶人转动转向盘的同时，两个感觉模拟器内部的线性弹簧产生形变，对压力敏感电阻21产生压力，使其电阻阻值大小发生变化。压力敏感电阻21是一种可以将机械力转换为电信号的特殊元件，它是利用半导体材料的压力电阻效应制成的。本发明中所使用的压力敏感电阻21的电阻值随外加力的增加而减小。
当驾驶人逆时针转动方向盘使得齿条2向左移动时，第一感觉模拟器3内布置的压力敏感电阻21所感受到的压力增加，其自身阻值减小，图3中a、b两点之间的电压Uab(即Uk)也相对于转向盘处于回正位置(转角为0度)时有所减小。
当驾驶人顺时针转动方向盘使得齿条2向右移动时，第二感觉模拟器4内布置的压力敏感电阻21所感受到的压力增加，其自身阻值减小，图3中a、b两点之间的电压Uab也相对于转向盘处于回正位置(转角为0度)时有所增加。
可见图3中a、b两点之间的电压Uab大小与转向盘转动角度的大小(及方向)存在对应关系，利用这种对应关系，进行标定试验，利用电压表测量a、b两点之间的电压Uab。
实验标定获得d组a、b两点之间的电压Uab与转向盘转角yk数据：
有效标定次数k 0 1 … d
输出电压Uk u0 u1 … ud
转向盘转角yk y0 y1 … yd
即(Uk，yk)，k＝0，1，…，d。
利用拉格朗日插值多项式进行电压Uab与转向盘转角yk之间拟合关系的确定：
首先，利用每一标定的插值节点uk，构造一简单d次多项式lk(u)，使之满足：
作为插值基函数，然后把这d+1个基函数作为插值函数空间的基底，从而生成多项式：
可见，上式满足：Ld(uk)＝yk(k＝0，1，…，d)
其中，lk(u)＝Ak(u-u0)...（uk-uk-1)(u-uk-2)...(u-ud)
这里，Ak为待定系数，利用条件lk(uk)＝1，得：
所以，
最终可以整理得到d次的拉格朗日插值公式：
至此，便得到了a、b两点之间的电压Uab与转向盘转角yk之间的拟合函数Ld(u)。
通过标定实验得到电压Uab与转向盘转角yk之间的拟合函数Ld(u)之后，将拟合函数Ld(u)预先设置在转角模拟控制器22中。此后，向转角模拟控制器22中送入电压Uab后，转角模拟控制器22即可输出对应的转向盘转角yk信号。

Claims (6)

1.一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置，其特征在于：包括有齿轮轴、齿条、第一感觉模拟器、第二感觉模拟器和数据采集及控制模块，其中齿条装配在一底板上，齿条能够沿底板进行前后纵向滑动，齿轮轴上设置有齿轮，齿轮轴通过该齿轮与齿条相啮合，齿轮轴的一端与方向盘相连接，方向盘的转动带动齿轮轴驱使齿条进行前后滑动，齿条的前后端分别与第一感觉模拟器和第二感觉模拟器相连，数据采集及控制模块通过导线与第一感觉模拟器和第二感觉模拟器相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置，其特征在于：所述的齿轮轴上设置有两个限位板对齿轮轴进行限位固定，齿轮轴的一端设有卡槽，齿轮轴通过卡槽与方向盘固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置，其特征在于：所述的齿轮轴上的齿轮共有八个齿，模数为2.5；齿条共有二十四个齿，模数为2.5。
4.根据权利要求1所述的一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置，其特征在于：所述的第一感觉模拟器和第二感觉模拟器的内腔中与齿条的连接端均设置有顶片，其中齿条的前端能够与第一感觉模拟器中的顶片相接触，齿条的后端能够与第二感觉模拟器中的顶片相接触，齿条向前滑动时能够驱使第一感觉模拟器中的顶片向第一感觉模拟器的内腔中进行滑动，齿条向后滑动时能够驱使第二感觉模拟器中的顶片向第二感觉模拟器的内腔中进行滑动。
5.根据权利要求1所述的一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置，其特征在于：所述的第一感觉模拟器和第二感觉模拟器的结构相同，第一感觉模拟器和第二感觉模拟器的内腔中均包括有顶片、第一滑动片、第二滑动片和第三滑动片，其中顶片设在第一感觉模拟器和第二感觉模拟器与齿条的连接端，第一滑动片、第二滑动片和第三滑动片依次设在顶片的后部，顶片与第一滑动片之间的腔体中填充有液压油，第一滑动片和第二滑动片设在第一限位块和第二限位块之间，第三滑动片设在第二限位块与第三限位块之间，第一滑动片的后部连接有第一线性弹簧，第一线性弹簧的后端固定在第三滑动片的前部，第二滑动片的后部连接有第二线性弹簧，第二线性弹簧套设在第一线性弹簧上，第二线性弹簧的后端固定在第二限位块的前部，第三滑动片的后部连接有第三线性弹簧，第三线性弹簧的后端固定在腔体后部的垫片上，腔体后部的垫片与腔体底部之间设置有压力敏感电阻，压力敏感电阻通过导线与数据采集及控制模块相连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于模拟驾驶系统的转向感觉模拟及转角测量装置，其特征在于：所述的数据采集及控制模块包括有转角模拟控制器、固定电阻、保护电阻、电源和控制开关，其中第一感觉模拟器和第二感觉模拟器中的两个压力敏感电阻与固定电阻、保护电阻、电源和控制开关串联连接，第一感觉模拟器中的压力敏感电阻与固定电阻串联后再与转角模拟控制器进行并联连接，即第一感觉模拟器中的压力敏感电阻与固定电阻串联两端的电压与转角模拟控制器两端电压保持一致。
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