CN110667544B - 一种踏板感可调的自动踏板感觉模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种踏板感可调的自动踏板感觉模拟器，包括有踏板推杆、模拟器和储液罐，其中模拟器的内腔中插设有第一活塞、第二活塞和第三活塞，踏板推杆插设在第一活塞内，第一活塞在踏板推杆的作用下能够在模拟器的内腔中进行移动，第一活塞和第二活塞之间形成有第一工作腔，第二活塞和第三活塞之间形成有第二工作腔，第三活塞与模拟器内腔的后端之间形成有第三工作腔，第一工作腔和第二工作腔分别通过进油管路和出油管路与储液罐相连通，储液罐与进油管路、第一工作腔、第二工作腔和出油管路形成为输油循环管路。有益效果：安装方便，便于分离组装与检测维修；具有良好的非线性特性，为科研、教学提供了新型的工具手段。

Description

一种踏板感可调的自动踏板感觉模拟器

技术领域

本发明涉及一种踏板感觉模拟器，特别涉及一种踏板感可调的自动踏板感觉模拟器。

背景技术

目前，随着汽车保有量增加，汽车驾驶员数量也随之增加。不同驾驶员类型的多样化和驾驶技能的非专业化，使得驾驶员的驾驶习性由于性别、年龄、职业、性格、心理状态也有明显差别，这就要求在汽车的设计中能够考虑驾驶员驾驶习性的需求和影响，实现个性化的智能辅助驾驶。为充分了解驾驶员个性特征，需要在不同工况下进行大量实验，由于实车可调参数少，考虑到实车实验存在一定危险性，因此在驾驶模拟器上模拟真实驾驶感觉十分必要。

现有的相关技术往往存在两大问题：或者结构过于简单，模拟踏板感觉效果严重失真；或者在没有大幅度提高模拟效果的情况下使结构过于复杂，集成度低且较难安装。现有的用于驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟器往往采用多段不同刚度的弹簧模拟踏板感觉，这种模拟方式与液压系统中真实的踏板感有很大差异。并且随着对驾驶员个性化驾驶习性研究的深入，单一的踏板感很难满足不同类型驾驶员对于制动踏板感觉的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的用于驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟器在使用过程中存在的诸多问题而提供的一种踏板感可调的自动踏板感觉模拟器。

本发明提供的踏板感可调的自动踏板感觉模拟器包括有踏板推杆、模拟器和储液罐，其中模拟器的内腔中插设有第一活塞、第二活塞和第三活塞，踏板推杆插设在第一活塞内，第一活塞在踏板推杆的作用下能够在模拟器的内腔中进行移动，第一活塞和第二活塞之间形成有第一工作腔，第二活塞和第三活塞之间形成有第二工作腔，第三活塞与模拟器内腔的后端之间形成有第三工作腔，第一工作腔和第二工作腔分别通过进油管路和出油管路与储液罐相连通，储液罐与进油管路、第一工作腔、第二工作腔和出油管路形成为输油循环管路。

踏板推杆的前端连接有制动踏板，踏板推杆上装配有推杆行程传感器，推杆行程传感器与电控单元相连接，推杆行程传感器能够把踏板推杆的位移数据实时传送给电控单元，踏板推杆与模拟器前端盖之间装配有第一回位弹簧。

第一工作腔中装配有第二回位弹簧，第二工作腔中装配有第三回位弹簧，第三工作腔中装配有数个膜片弹簧，每个膜片弹簧均为碟形空心圆圈结构，空心周圈的侧壁上装配有数个凸齿。

第一工作腔内连接的出油管路上设置有液压传感器，液压传感器与电控单元相连接，液压传感器能够把出油管路上的液压数据实时传输给电控单元，第一工作腔和第二工作腔内连接的出油管路进行互联后与储液罐相连接，互联后的出油管路上装配有电磁阀，电磁阀与电控单元相连接，电控单元控制电磁阀的工作。

电磁阀为常闭两位三通电磁阀。

电控单元上连接有踏板感觉调节开关，踏板感觉调节开关上装配有三个控制按钮，电控单元为可编写程序的集成电路芯片，集成电路芯片的型号为STM32型单片机，集成电路芯片是由处理器、两个模拟信号接收模块、数字信号接收模块和PWM信号输出模块组成，其中两个模拟信号接收模块、数字信号接收模块和PWM信号输出模块均与处理器相连接，两个模拟信号接收模块和数字信号接收模块能够把接收到的数据实时传输给处理器，处理器中的运行程序处理接收的数据后通过PWM信号输出模块向外发出指令。

将预先标定好的三种踏板推杆位移—油液压强拟合函数、踏板感调节模型、液压比较模型通过ISP程序编写方法写入电控单元的处理器中，并配置好各输入输出端口，通电后程序便可在电控单元中实时运行。

上述的推杆行程传感器、液压传感器、电磁阀、处理器、模拟信号接收模块、数字信号接收模块和PWM信号输出模块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：

本发明提供的踏板感可调的自动踏板感觉模拟器在使用时驾驶员首先按下踏板感觉调节开关上三个按钮中的一个，即选择一种踏板感觉。踏板感觉调节开关发送数字信号给电控单元，电控单元随后响应对应所选择踏板感觉的拟合函数。当驾驶员踩下制动踏板时，制动踏板带动踏板推杆克服第一回位弹簧的反作用力向右运动推动第一活塞，此时踏板感觉模拟器第一工作腔和第二工作腔充满液压油，常闭两位三通电磁阀处于闭合状态，克服液压系统的轻微迟滞变形后，第一活塞推动充满液压油的第一工作腔、第二活塞、第二工作腔和第三活塞共同向右平动，第三活塞推动第三工作腔内多组膜片弹簧，膜片弹簧压前支承圈并以其作为支点发生反锥形的转变，使其产生弹性变形，锥顶角变大。克服第三工作腔中的多组碟形膜片弹簧的反作用力实现踏板感觉的模拟。

与此同时，推杆行程传感器将实时检测到的踏板推杆位移传输给电控单元，电控单元通过驾驶员预先选择设置的踏板推杆位移—油液压强拟合函数计算出此时理想的油液压强，并与液压传感器传输给电控单元的液压数据对比，调整拟合函数的方程便可以实现适应不同风格驾驶员的，较轻、中等、较重的踏板感觉。若计算出的理想油液压强小于真实的液压传感器数据，则电控单元不发送控制信号，常闭两位三通电磁阀保持关闭状态，随着踏板推杆继续向右平动，第一工作腔和第二工作腔压强增大，导致液压传感器传输给电控单元的真实液压数据也增大。当电控单元计算出的理想液压大于真实压强时，电控单元发送控制指令PWM信号控制常闭两位三通电磁阀短暂开启泄压，当第一工作腔和第二工作腔中的压强小于理想液压时，电控单元发送PWM信号控制常闭两位三通电磁阀迅速关闭保压。使第一工作腔和第二工作腔按照预先对标传统液压制动系统设定的踏板推杆位移—油液压强变化曲线变化。

本发明对标传统液压制动系统得出踏板推杆位移—油液压强拟合函数的方法如下所述：

步骤一：由于真空助力的液压制动系统中存在伺服助力，而踏板感觉模拟器没有助力因此需要在传统液压制动系统中安装踏板推杆行程传感器和踏板力传感器，实验标定获得的n组踏板行程L与踏板力F数据：

有效标定次数	1	2	……	n
					踏板行程L	L1	L2	……	Ln
踏板力F	F1	F2	……	Fn

步骤二：由于本发明提供的踏板感觉模拟器安装了液压传感器，因此需要将实验测得的踏板力反推出系统油液压强，根据公式F＝PS(S为主缸活塞横截面面积)，处理得到n组踏板行程L与液压P的数据：

有效标定次数	1	2	……	n
					踏板行程L	L1	L2	……	Ln
液压P	P1	P2	……	Pn

步骤三：在Matlab软件中构建自变量向量：踏板行程L＝[L1、L2…Ln]，输入n组踏板行程输入数据；构建因变量向量：液压P＝[P1、P2…Pn]，输入对应的n组液压。

通过如下Matlab程序确定拟合方程的阶数k：

For i＝1:n

Y＝polyfit(L，P，i)；

P＝polyval(Y，L)；

If sum(P-Y)2＜0.1

k＝i％确定拟合方程阶数k的值

Break；end

由以上程序得到了拟合方程阶数在误差平方值平方和小于0.1时的拟合方程阶数k，如果需要更高精度可以修改不等式右侧常数项的数值。

然后在Matlab窗口中输入函数：

M＝polyfit(L，P，k)

按回车键确定后可获得多项式拟合函数系数：

A0、A1……、An

Ai是对应的Ln-i的系数，由此可以获得拟合函数

其中k为拟合方程阶数

步骤四：通过标定实验得到踏板推杆位移—液压拟合函数后，将拟合函数预先设置在电控单元中。此后踏板行程传感器向电控单元发送踏板推杆的位移信号后，电控单元即可得出对应的压强信号，并与液压传感器发送给电控单元的压强信号对比，电控单元发送PWM信号控制常闭两位三通电磁阀的开闭。

通过三组预先标定实验对标三种不同踏板感觉的制动系统可以得到不同的踏板推杆位移—油液压强曲线，将其对应的拟合函数方程设置于电控单元中，便可以实现适应不同驾驶习性驾驶员的制动踏板感觉。

本发明的有益效果：

本发明提供的踏板感可调的制动踏板感觉模拟器集成度高，安装方便，各组成部分之间采用可拆卸连接，便于分离组装与检测维修；本发明主要通过膜片弹簧模拟踏板感觉，与传统的螺旋弹簧模拟器相比，膜片弹簧具有良好的非线性特性，多组膜片弹簧共同工作能够提供更真实的踏板感觉，具有工作性能稳定，压力分布均匀，平衡性好的优点；通过预先标定的不同推杆位移—液压拟合函数实现了较轻、中等、较重等踏板感觉调节，能够满足不同驾驶员的个性化驾驶习性。电控单元采用STM32型单片机，成本较低且具有集成度高和易于开发的特点，本发明提供的应用于驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟器，为科研、教学提供了新型的工具手段，在贴切模拟踏板感觉的同时也满足了驾驶员的个性化需求。

附图说明

图1为本发明所述制动踏板感觉模拟器内部结构剖视示意图。

图2为本发明所述膜片弹簧结构示意图。

图3为本发明所述电控单元内部模块连接结构示意图。

图4为本发明所述电控单元内部算法运行原理示意图。

上图中的标注如下：

1、踏板推杆 2、模拟器 3、储液罐 4、第一活塞 5、第二活塞

6、第三活塞 7、第一工作腔 8、第二工作腔 9、第三工作腔

10、制动踏板 11、推杆行程传感器 12、电控单元 13、第一回位弹簧

14、第二回位弹簧 15、第三回位弹簧 16、膜片弹簧 17、凸齿

18、液压传感器 19、电磁阀 20、踏板感觉调节开关 21、处理器

22、模拟信号接收模块 23、数字信号接收模块 24、PWM信号输出模块。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示：

本发明提供的踏板感可调的自动踏板感觉模拟器包括有踏板推杆1、模拟器2和储液罐3，其中模拟器2的内腔中插设有第一活塞4、第二活塞5和第三活塞6，踏板推杆1插设在第一活塞4内，第一活塞4在踏板推杆1的作用下能够在模拟器2的内腔中进行移动，第一活塞4和第二活塞5之间形成有第一工作腔7，第二活塞5和第三活塞6之间形成有第二工作腔8，第三活塞6与模拟器2内腔的后端之间形成有第三工作腔9，第一工作腔7和第二工作腔8分别通过进油管路和出油管路与储液罐3相连通，储液罐3与进油管路、第一工作腔7、第二工作腔8和出油管路形成为输油循环管路。

踏板推杆1的前端连接有制动踏板10，踏板推杆1上装配有推杆行程传感器11，推杆行程传感器11与电控单元12相连接，推杆行程传感器11能够把踏板推杆1的位移数据实时传送给电控单元12，踏板推杆1与模拟器2前端盖之间装配有第一回位弹簧13。

第一工作腔7中装配有第二回位弹簧14，第二工作腔8中装配有第三回位弹簧15，第三工作腔9中装配有数个膜片弹簧16，每个膜片弹簧16均为碟形空心圆圈结构，空心周圈的侧壁上装配有数个凸齿17。

第一工作腔7内连接的出油管路上设置有液压传感器18，液压传感器18与电控单元12相连接，液压传感器18能够把出油管路上的液压数据实时传输给电控单元12，第一工作腔7和第二工作腔8内连接的出油管路进行互联后与储液罐3相连接，互联后的出油管路上装配有电磁阀19，电磁阀19与电控单元12相连接，电控单元12控制电磁阀19的工作。

电磁阀19为常闭两位三通电磁阀。

电控单元12上连接有踏板感觉调节开关20，踏板感觉调节开关20上装配有三个控制按钮，电控单元12为可编写程序的集成电路芯片，集成电路芯片的型号为STM32型单片机，集成电路芯片是由处理器21、两个模拟信号接收模块22、数字信号接收模块23和PWM信号输出模块24组成，其中两个模拟信号接收模块22、数字信号接收模块23和PWM信号输出模块24均与处理器21相连接，两个模拟信号接收模块22和数字信号接收模块23能够把接收到的数据实时传输给处理器21，处理器21中的运行程序处理接收的数据后通过PWM信号输出模块24向外发出指令。

将预先标定好的三种踏板推杆位移—油液压强拟合函数、踏板感调节模型、液压比较模型通过ISP程序编写方法写入电控单元12的处理器21中，并配置好各输入输出端口，通电后程序便可在电控单元12中实时运行。

上述的推杆行程传感器11、液压传感器18、电磁阀19、处理器21、模拟信号接收模块22、数字信号接收模块23和PWM信号输出模块24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：

本发明提供的踏板感可调的自动踏板感觉模拟器在使用时驾驶员首先按下踏板感觉调节开关20上三个按钮中的一个，即选择一种踏板感觉。踏板感觉调节开关20发送数字信号给电控单元12，电控单元12随后响应对应所选择踏板感觉的拟合函数。当驾驶员踩下制动踏板10时，制动踏板10带动踏板推杆1克服第一回位弹簧13的反作用力向右运动推动第一活塞4，此时踏板感觉模拟器第一工作腔7和第二工作腔8充满液压油，常闭两位三通电磁阀19处于闭合状态，克服液压系统的轻微迟滞变形后，第一活塞4推动充满液压油的第一工作腔7、第二活塞5、第二工作腔8和第三活塞6共同向右平动，第三活塞6推动第三工作腔9内多组膜片弹簧16，膜片弹簧16压前支承圈并以其作为支点发生反锥形的转变，使其产生弹性变形，锥顶角变大。克服第三工作腔9中的多组碟形膜片弹簧16的反作用力实现踏板感觉的模拟。

与此同时，推杆行程传感器11将实时检测到的踏板推杆1位移传输给电控单元12，电控单元12通过驾驶员预先选择设置的踏板推杆1位移—油液压强拟合函数计算出此时理想的油液压强，并与液压传感器18传输给电控单元12的液压数据对比，调整拟合函数的方程便可以实现适应不同风格驾驶员的，较轻、中等、较重的踏板感觉。若计算出的理想油液压强小于真实的液压传感器18数据，则电控单元12不发送控制信号，常闭两位三通电磁阀19保持关闭状态，随着踏板推杆1继续向右平动，第一工作腔7和第二工作腔8压强增大，导致液压传感器18传输给电控单元12的真实液压数据也增大。当电控单元12计算出的理想液压大于真实压强时，电控单元12发送控制指令PWM信号控制常闭两位三通电磁阀19短暂开启泄压，当第一工作腔7和第二工作腔8中的压强小于理想液压时，电控单元12发送PWM信号控制常闭两位三通电磁阀19迅速关闭保压。使第一工作腔7和第二工作腔8按照预先对标传统液压制动系统设定的踏板推杆1位移—油液压强变化曲线变化。

本发明对标传统液压制动系统得出踏板推杆位移—油液压强拟合函数的方法如下所述：

步骤一：由于真空助力的液压制动系统中存在伺服助力，而踏板感觉模拟器没有助力因此需要在传统液压制动系统中安装踏板推杆行程传感器11和踏板力传感器，实验标定获得的n组踏板行程L与踏板力F数据：

有效标定次数	1	2	……	n
					踏板行程L	L1	L2	……	Ln
踏板力F	F1	F2	……	Fn

步骤二：由于本发明提供的踏板感觉模拟器安装了液压传感器18，因此需要将实验测得的踏板力反推出系统油液压强，根据公式F＝PS(S为主缸活塞横截面面积)，处理得到n组踏板行程L与液压P的数据：

有效标定次数	1	2	……	n
					踏板行程L	L1	L2	……	Ln
液压P	P1	P2	……	Pn

步骤三：在Matlab软件中构建自变量向量：踏板行程L＝[L1、L2…Ln]，输入n组踏板行程输入数据；构建因变量向量：液压P＝[P1、P2…Pn]，输入对应的n组液压。

通过如下Matlab程序确定拟合方程的阶数k：

For i＝1:n

Y＝polyfit(L，P，i)；

P＝polyval(Y，L)；

If sum(P-Y)2＜0.1

k＝i％确定拟合方程阶数k的值

Break；end

由以上程序得到了拟合方程阶数在误差平方值平方和小于0.1时的拟合方程阶数k，如果需要更高精度可以修改不等式右侧常数项的数值。

然后在Matlab窗口中输入函数：

M＝polyfit(L，P，k)

按回车键确定后可获得多项式拟合函数系数：

A0、A1……、An

Ai是对应的Ln-i的系数，由此可以获得拟合函数

其中k为拟合方程阶数

步骤四：通过标定实验得到踏板推杆1位移—液压拟合函数后，将拟合函数预先设置在电控单元12中。此后踏板行程传感器向电控单元12发送踏板推杆1的位移信号后，电控单元12即可得出对应的压强信号，并与液压传感器18发送给电控单元12的压强信号对比，电控单元12发送PWM信号控制常闭两位三通电磁阀19的开闭。

通过三组预先标定实验对标三种不同踏板感觉的制动系统可以得到不同的踏板推杆位移—油液压强曲线，将其对应的拟合函数方程设置于电控单元12中，便可以实现适应不同驾驶习性驾驶员的制动踏板感觉。

Claims (3)

1.一种踏板感可调的自动踏板感觉模拟器，包括有踏板推杆、模拟器和储液罐，其中模拟器的内腔中插设有第一活塞、第二活塞和第三活塞，踏板推杆插设在第一活塞内，第一活塞在踏板推杆的作用下能够在模拟器的内腔中进行移动，第一活塞和第二活塞之间形成有第一工作腔，第二活塞和第三活塞之间形成有第二工作腔，第三活塞与模拟器内腔的后端之间形成有第三工作腔，第一工作腔和第二工作腔分别通过进油管路和出油管路与储液罐相连通，储液罐与进油管路、第一工作腔、第二工作腔和出油管路形成为输油循环管路，其特征在于：所述的踏板推杆的前端连接有制动踏板，踏板推杆上装配有推杆行程传感器，推杆行程传感器与电控单元相连接，推杆行程传感器能够把踏板推杆的位移数据实时传送给电控单元，踏板推杆与模拟器前端盖之间装配有第一回位弹簧；第一工作腔内连接的出油管路上设置有液压传感器，液压传感器与电控单元相连接，液压传感器能够把出油管路上的液压数据实时传输给电控单元，第一工作腔和第二工作腔内连接的出油管路进行互联后与储液罐相连接，互联后的出油管路上装配有电磁阀，电磁阀与电控单元相连接，电控单元控制电磁阀的工作；电控单元上连接有踏板感觉调节开关，踏板感觉调节开关上装配有三个控制按钮，电控单元为可编写程序的集成电路芯片，集成电路芯片的型号为STM32型单片机，集成电路芯片是由处理器、两个模拟信号接收模块、数字信号接收模块和PWM信号输出模块组成，其中两个模拟信号接收模块、数字信号接收模块和PWM信号输出模块均与处理器相连接，两个模拟信号接收模块和数字信号接收模块能够把接收到的数据实时传输给处理器，处理器中的运行程序处理接收的数据后通过PWM信号输出模块向外发出指令；

踏板感可调的自动踏板感觉模拟器在使用时驾驶员首先按下踏板感觉调节开关上三个按钮中的一个，即选择一种踏板感觉，踏板感觉调节开关发送数字信号给电控单元，电控单元随后响应对应所选择踏板感觉的拟合函数，当驾驶员踩下制动踏板时，制动踏板带动踏板推杆克服第一回位弹簧的反作用力向右运动推动第一活塞，此时踏板感觉模拟器第一工作腔和第二工作腔充满液压油，常闭两位三通电磁阀处于闭合状态，克服液压系统的轻微迟滞变形后，第一活塞推动充满液压油的第一工作腔、第二活塞、第二工作腔和第三活塞共同向右平动，第三活塞推动第三工作腔内数组膜片弹簧，膜片弹簧压前支承圈并以其作为支点发生反锥形的转变，使其产生弹性变形，锥顶角变大，克服第三工作腔中的多组碟形膜片弹簧的反作用力实现踏板感觉的模拟；

与此同时，推杆行程传感器将实时检测到的踏板推杆位移传输给电控单元，电控单元通过驾驶员预先选择设置的踏板推杆位移—油液压强拟合函数计算出此时理想的油液压强，并与液压传感器传输给电控单元的液压数据对比，调整拟合函数的方程便实现适应不同风格驾驶员的，较轻、中等、较重的踏板感觉，若计算出的理想油液压强小于真实的液压传感器数据，则电控单元不发送控制信号，常闭两位三通电磁阀保持关闭状态，随着踏板推杆继续向右平动，第一工作腔和第二工作腔压强增大，导致液压传感器传输给电控单元的真实液压数据也增大，当电控单元计算出的理想液压大于真实压强时，电控单元发送控制指令PWM信号控制常闭两位三通电磁阀短暂开启泄压，当第一工作腔和第二工作腔中的压强小于理想液压时，电控单元发送PWM信号控制常闭两位三通电磁阀迅速关闭保压，使第一工作腔和第二工作腔按照预先对标传统液压制动系统设定的踏板推杆位移—油液压强变化曲线变化。

2.根据权利要求1所述的一种踏板感可调的自动踏板感觉模拟器，其特征在于：所述的第一工作腔中装配有第二回位弹簧，第二工作腔中装配有第三回位弹簧，第三工作腔中装配有数个膜片弹簧，每个膜片弹簧均为碟形空心圆圈结构，空心周圈的侧壁上装配有数个凸齿。

3.根据权利要求1所述的一种踏板感可调的自动踏板感觉模拟器，其特征在于：所述的电磁阀为常闭两位三通电磁阀。