CN110782739A - 一种方向盘力反馈装置和驾驶模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方向盘力反馈装置，包括：方向盘、转向连接组件、直角转换器、角度编码器、扭矩传感器和驱动组件；方向盘通过转向连接组件和直角转换器的一端连接；直角转换器的另一端连接传动轴，传动轴通过第一联轴器和角度编码器连接；传动轴通过第二联轴器和扭矩传感器连接；扭矩传感器通过第三联轴器和驱动组件连接；扭矩传感器、角度编码器和驱动组件分别和力反馈控制系统电连接；力反馈控制系统用于接收扭矩传感器发送的扭矩值、角度编码器发送的旋转角度值以及根据预设程序控制驱动组件输出力矩的大小。本发明的有益效果是：通过构建更加接近真实车辆方向控制结构的力反馈装置使车辆的转向的模拟更加的合理和贴合实际。

Description

一种方向盘力反馈装置和驾驶模拟系统

技术领域

本发明属于模拟驾驶技术领域，具体涉及一种方向盘力反馈装置和驾驶模拟系统。

背景技术

方向盘力反馈装置是车辆驾驶训练模拟器非常重要的组成部分，它主要为训练者提供随着车辆运动状态变化的实时操纵力感模拟，方向盘力反馈效果的好坏直接影响驾驶员操纵模拟器的沉浸感，影响模拟训练的准确性。因此方向盘力反馈装置及其控制要能准确反映被模拟车辆的结构参数、运动参数、模拟路段特性等因素，以达到良好的力感效果。

目前，常规的驾驶模拟器方向盘力反馈装置大多采用弹簧来模拟体感阻力矩效果，这种方式只能粗略的模拟车辆及运动特性，不适用于要求较高的专业训练模拟器。而市售的方向盘力反馈装置虽然也具有一定的力反馈效果，但结构都比较简单不能反映真实的车辆转向结构和状态，尤其是对于而各种工程车辆、特种车辆现有的反馈装置并不合理。

发明内容

为了解决现有技术存在的结构都比较简单不能反映真实的车辆转向结构和状态的问题，本发明提供了一种方向盘力反馈装置和驾驶模拟系统，其具有使车辆的转向的模拟更加的合理和贴合实际等特点。

本发明所采用的技术方案为：

一种方向盘力反馈装置，其特征在于，包括：方向盘、转向连接组件、直角转换器、角度编码器、扭矩传感器和驱动组件；

所述直角转换器、所述角度编码器、所述扭矩传感器和所述驱动组件设置于同一水平线上；

所述方向盘通过转向连接组件和所述直角转换器的一端连接；

所述直角转换器的另一端连接传动轴，所述传动轴通过第一联轴器和所述角度编码器连接；

所述传动轴通过第二联轴器和所述扭矩传感器连接；

所述扭矩传感器通过第三联轴器和所述驱动组件连接；

所述扭矩传感器、所述角度编码器和所述驱动组件分别和力反馈控制系统电连接；

所述力反馈控制系统用于接收所述扭矩传感器发送的扭矩值、所述角度编码器发送的旋转角度值以及根据预设程序控制所述驱动组件输出力矩的大小。

进一步地，所述方向盘力反馈装置还包括：安装基座，所述直角转换器、所述角度编码器、所述扭矩传感器和所述驱动组件依次固定在所述安装基座上。

进一步地，所述驱动组件包括：伺服电机和减速机，所述伺服电机的转轴和所述减速机连接，所述减速机和所述第三联轴器连接。

进一步地，所述安装基座上设有电机支架，所述电机支架设置在所述减速机和所述第三联轴器之间的所述安装基座上用于支撑和固定所述减速机。

进一步地，所述电机支架上设有扭矩传感器支架用于固定所述扭矩传感器。

进一步地，所述安装基座还设有编码器固定架，所述编码器固定架设置于所述第二联轴器和所述角度编码器之间用于固定所述角度编码器。

进一步地，所述转向连接组件包括：转向柱和万向节，所述转向柱的一端和所述方向盘连接，所述转向柱的另一端和所述万向节连接，所述万向节和所述直角转换器连接。

进一步地，所述第一联轴器、所述第二联轴器和所述第三联轴器均为弹性联轴器。

进一步地，所述安装基座上设有固定孔。

一种驾驶模拟系统，包括以上所述的方向盘力反馈装置。

本发明的有益效果为：通过将直角转换器、角度编码器、扭矩传感器和驱动组件设置于同一水平线上，由直角转换器作为和包括方向盘以及转向连接组件的方向控制部的操作动作的中间转换器，形成了模拟真实特种车辆的驾驶的方向盘的操作系统，使对方向盘力矩的模拟更加的接近真实的汽车驾驶模式，并配合相应的力反馈控制系统根据传感器的数据和预设的模拟程序对驱动组件的控制可满足各种方向盘阻力矩需求、综合考虑车辆结构、动力特性、路段特性等因素，力反馈更真实和准确。通过构建更加接近真实车辆方向控制结构的力反馈装置使车辆的转向的模拟更加的合理和贴合实际。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据一示例性实施例提供的方向盘力反馈装置的结构图；

图2是根据一示例性实施例提供的力反馈控制系统的原理图。

图中1-方向盘；2-转向连接组件；21-转向柱；22-万向节；3-直角转换器；4-角度编码器；5-扭矩传感器；6-驱动组件；61-伺服电机；62-减速机；7-第一联轴器；8-传动轴；9-第二联轴器；10-第三联轴器；11-安装基座；12-电机支架；13-扭矩传感器支架；14-编码器固定架；15-固定孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参照图1所示，本发明的实施例提供了一种方向盘力反馈装置，包括：方向盘1、转向连接组件2、直角转换器3、角度编码器4、扭矩传感器5和驱动组件6；

直角转换器3、角度编码器4、扭矩传感器5和驱动组件6设置于同一水平线上；

方向盘1通过转向连接组件2和直角转换器3的一端连接；

直角转换器3的另一端连接传动轴8，传动轴8通过第一联轴器7和角度编码器4连接；

传动轴8通过第二联轴器9和扭矩传感器5连接；

扭矩传感器5通过第三联轴器10和驱动组件6连接；

扭矩传感器5、角度编码器4和驱动组件6分别和力反馈控制系统电连接；

力反馈控制系统用于接收扭矩传感器5发送的扭矩值、角度编码器4发送的旋转角度值以及根据预设程序控制驱动组件6输出力矩的大小。

具体的，现有的汽车力反馈模拟装置，大多采用和方向盘1连接的简单的杠杆后连接角度编码器4、扭矩传感器5、驱动机构和反馈控制系统进行反馈扭矩的模拟和控制，主要依靠对驱动机构的反馈控制来模拟转向助力，这种方式并不能很好的和汽车实际的转向结构相媲美，距离真实的汽车转向还有很大的差距；

而本发明通过采用直角转换器3作为方向盘1以及转向连接组件2和角度编码器4、扭矩传感器5和驱动组件6构成的扭矩反馈部，能够组成接近真实的驾驶模拟装置，通过加入直角转换器3作为模拟装置的中间转换装置使方向盘1在转动时能够模拟出真实的转向的感受进而构建更加接近真实车辆方向控制结构的力反馈装置使车辆的转向的模拟更加的合理和贴合实际，配合力反馈控制系统使力反馈更真实和准确。

参照图2所示，作为上述实施例可行的实现方式，力反馈控制系统的工作过程包括：力反馈控制系统开机启动后，嵌入式控制器通过旋转编码器读取当前方向盘1角度，若角度为设定的零位，则静止不动，若角度不在设定的零位，则控制电机以恒定转速驱动方向盘1角度归零。

方向盘1角度归零后，车辆未启动前，方向盘1为锁止状态，设置伺服电机61转矩为最大值。点火启动车辆后，解锁方向盘1，设置伺服电机61转矩为零，等待车辆运行。

车辆行驶时，当驾驶员转动方向盘1的转角超过实际车辆的角度限制时，设置伺服电机61为最大输出扭矩，阻止方向盘1继续转动；当驾驶员在实际车辆转角范围内转动方向盘1时，嵌入式控制器采集角度编码器4的角度信号得到方向盘1此时的转角。同时嵌入式控制器接收仿真计算机发送过来的车辆动力学模型解算出来的被模拟车辆的实时运行参数，这些参数包括被模拟车辆的结构参数、车辆运动参数、模拟路段参数等，然后根据嵌入式控制器中的力反馈仿真模型计算得到方向盘1的理论扭矩，然后嵌入式控制器通过伺服驱动器控制伺服电机61输出相应的扭矩，使驾驶员在操纵方向盘1时能感受到像在真正操纵汽车时的力感。同时，嵌入式控制器接收扭矩传感器5采集的作用在方向盘1转向轴上的扭矩信号，并与理论扭矩作比较，实现对伺服电机61的闭环控制。驾驶员的操纵信号通过嵌入式控制器发送给仿真计算机从而驱动虚拟视景中仿真车辆模型的运动。

其中，力反馈仿真模型包含三部分：被模拟车辆转向轮和地面接触产生的摩擦力矩T[摩擦]，地面对转向轮的回正力矩T[回正]以及车辆助力系统对转向的助力力矩T[助力]。摩擦力矩主要与车辆的总重量M和地面与轮胎间的综合摩擦系数ε有关，可表示为T[摩擦]＝f(ε，M)。回正力矩主要与车辆总重量M、结构参数λ、车辆行驶速度ν、车轮转角β有关，可表示为T[回正]＝f(M，λ，ν，β)。助力系统对车辆产生的助力力矩主要与车辆助力系数γ、行驶速度ν有关，可表示为T[助力]＝f(γ，ν),其中摩擦力矩和回正力矩对方向盘1产生的为阻力力矩，助力力矩产生的为正向力矩，则综合力矩为三种力矩效果的叠加，即T[体感]＝T[摩擦]+T[回正]-T[助力]。

例如，在具体实施过程中方向盘1的旋转范围在900度以内，车辆停止转向时轮胎摩擦力大驾驶员转向所需要施加的力会更大，此时力矩方向与方向盘1的转动方向相反与反向盘旋转角度以及车速都无关；在车辆行驶时为驾驶员增加同向力矩减轻驾驶员的负担，因为在车辆高速行驶时需要方向盘1更加的稳定，因此助力随车速的增大而减小与方向盘1角度无关；车辆在转向后转向轮会受到回正力的作用传导至方向盘1产生回正力矩，该力矩与使得方向盘1归零的方向相同，大小随方向盘1角度增大而增大，随车速的增大而增大。

以上整个控制过程以一定的频率不断刷新，控制系统根据虚拟驾驶中的驾驶状况不断计算并更新数据，从而达到方向盘1阻力矩的实时变化。

在本发明的一些具体实施例中，伺服电机61的型号为ECMA-C20807RS、减速机62为行星减速机WPF80L1系列、扭矩传感器5为HLT-132-50、角度传感器为SE58T14-14-2-TAB、直角转换器3为轴径为25的直角转换器、所用到的三个联轴器可选用GST-68X53系列的弹性联轴器、与各个传感器连接的信号采集控制器可采用ZLG EPC-287模块通过RS485总线采集角度值、通过CAN总线与仿真计算机的AI采集模块进行通信，得到扭力传感器测得的力矩值，并根据力矩值、角度值、车辆速度等相关参数，使用RS485总线控制伺服电机61的运动模式，进而控制产生助力的大小。

可以理解的是，本领域技术人员可根据实际使用情况选用不同型号的传感器、伺服电机61等设备，本发明在此不做限制。

为进一步优化该技术方案，在本发明的另一些具体实施例中，方向盘1力反馈装置还包括：安装基座11，直角转换器3、角度编码器4、扭矩传感器5和驱动组件6依次固定在安装基座11上；

驱动组件6包括：伺服电机61和减速机62，伺服电机61的转轴和减速机62连接，减速机62和第三联轴器10连接，伺服电机61和减速机62组合可以提供较大的反馈力矩，满足各种方向盘1阻力矩需求；

安装基座11上设有电机支架12，电机支架12设置在减速机62和第三联轴器10之间的安装基座11上用于支撑和固定减速机62；

电机支架12上设有扭矩传感器支架13用于固定扭矩传感器5；

安装基座11还设有编码器固定架14，编码器固定架14设置于第二联轴器9和角度编码器4之间用于固定角度编码器4；

转向连接组件2包括：转向柱21和万向节22，转向柱21的一端和方向盘1连接，转向柱21的另一端和万向节22连接，万向节22和直角转换器3连接。

具体的，通过在安装基座11上依次固定设置电机支架12、扭矩传感器支架13、编码器固定架14分别将伺服电机61、减速机62、扭矩传感器5、角度编码器4进行固定后使用弹性联轴器作为连接的中介形成方向盘1力反馈的模拟控制部使整体的结构更加的牢固稳定，避免在使用时产生移位导致设备的损坏。同时在安装基座11上设有固定孔15，通过该固定孔15可将安装基座11和其他设备进行固定连接使用，在单独使用时配合固定螺栓也可起到固定安装基座11的作用。

本发明的实施例还提供了一种驾驶模拟系统，包括以上实施例所记载的方向盘力反馈装置。

该驾驶模拟系统实时性好，力矩控制精确可以应用于各种专业级训练模拟器、游戏娱乐系统等需要模拟车辆驾驶的操作系统，具有更好的推广前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种方向盘力反馈装置，其特征在于，包括：方向盘、转向连接组件、直角转换器、角度编码器、扭矩传感器和驱动组件；

所述直角转换器、所述角度编码器、所述扭矩传感器和所述驱动组件设置于同一水平线上；

所述方向盘通过转向连接组件和所述直角转换器的一端连接；

所述直角转换器的另一端连接传动轴，所述传动轴通过第一联轴器和所述角度编码器连接；

所述传动轴通过第二联轴器和所述扭矩传感器连接；

所述扭矩传感器通过第三联轴器和所述驱动组件连接；

所述扭矩传感器、所述角度编码器和所述驱动组件分别和力反馈控制系统电连接；

所述力反馈控制系统用于接收所述扭矩传感器发送的扭矩值、所述角度编码器发送的旋转角度值以及根据预设程序控制所述驱动组件输出力矩的大小。

2.根据权利要求1所述的方向盘力反馈装置，其特征在于，还包括：安装基座，所述直角转换器、所述角度编码器、所述扭矩传感器和所述驱动组件依次固定在所述安装基座上。

3.根据权利要求2所述的方向盘力反馈装置，其特征在于，所述驱动组件包括：伺服电机和减速机，所述伺服电机的转轴和所述减速机连接，所述减速机和所述第三联轴器连接。

4.根据权利要求3所述的方向盘力反馈装置，其特征在于，所述安装基座上设有电机支架，所述电机支架设置在所述减速机和所述第三联轴器之间的所述安装基座上用于支撑和固定所述减速机。

5.根据权利要求4所述的方向盘力反馈装置，其特征在于，所述电机支架上设有扭矩传感器支架用于固定所述扭矩传感器。

6.根据权利要求2所述的方向盘力反馈装置，其特征在于，所述安装基座还设有编码器固定架，所述编码器固定架设置于所述第二联轴器和所述角度编码器之间用于固定所述角度编码器。

7.根据权利要求1所述的方向盘力反馈装置，其特征在于，所述转向连接组件包括：转向柱和万向节，所述转向柱的一端和所述方向盘连接，所述转向柱的另一端和所述万向节连接，所述万向节和所述直角转换器连接。

8.根据权利要求1至7任一项所述的方向盘力反馈装置，其特征在于，所述第一联轴器、所述第二联轴器和所述第三联轴器均为弹性联轴器。

9.根据权利要求2所述的方向盘力反馈装置，其特征在于，所述安装基座上设有固定孔。

10.一种驾驶模拟系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的方向盘力反馈装置。

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