CN112896122A - 一种踏板感模拟装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种踏板感模拟装置及其控制方法，该踏板感模拟装置包括制动踏板(3)和与所述制动踏板(3)连接的U型销(406)，还包括壳体(404)、与U型销(406)固定连接的齿条(403)、用以驱动齿条(403)的电机(409)以及用以根据所述齿条(403)的位移产生踏板行程信号的行程传感器(405)。该装置的控制方法，包括：由行程传感器(405)根据齿条(403)位移产生踏板行程信号；根据踏板行程信号计算电机(409)的目标电流；将目标电流与电机(409)的实际电流进行PID控制，输出PWM波控制电机(409)；电机(409)输出扭矩用以向齿条(403)提供踏板力。本发明可逼真地模拟踏板感。

Description

一种踏板感模拟装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车驾驶模拟器领域，特别涉及一种踏板感模拟装置及其控制方法。
背景技术
随着近些年汽车驾驶辅助系统的快速发展，很多高校和公司都在开展相关的研究课题。一般的研究工作流程分为：算法建模、仿真验证、实车测试等阶段。仿真验证作为其中重要的一环，通常的方法为利用驾驶模拟器进行实现。目前驾驶模拟器包含制动踏板、油门踏板、显示器、方向盘、座椅等零部件组成，其中制动踏板是较为简易的弹簧装置，与真车踏板感相差较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种与真车踏板感相同并且可以根据模拟人力度变化而进行变化的踏板感模拟装置。
为达到上述目的，本发明提供一种踏板感模拟装置，包括制动踏板和与所述制动踏板连接的U型销，还包括：
壳体；
齿条，其可滑动地安装于所述壳体中，所述齿条与所述U型销固定连接；
电机，所述电机的输出轴与所述齿条传动，用以驱动所述齿条(403)；
行程传感器，其用以根据所述齿条的位移产生踏板行程信号。
进一步地，所述电机的输出轴连接有齿轮，所述齿轮与所述齿条之间通过减速机构传动连接。通过增加减速机构传动的设计，可以取消回位弹簧，使得可以用扭矩很少的电机就可以实现不同踏板力的踏板感，而且直接控制电机，可以不用考虑回位弹簧的弹簧力。
再进一步地，所述减速机构包括同轴固定的减速齿轮和齿轮轴，所述减速齿轮与所述齿轮啮合传动，所述齿轮轴与所述齿条啮合传动；所述行程传感器设置在所述齿轮轴的端部外侧。
在一具体实施例中，所述电机的输出轴与所述齿轮之间设置有缓冲件。
作为本发明的另外一种扩展的技术方案，本发明的另一种踏板感模拟装置，所述电机的输出轴连接有齿轮，所述齿轮与所述齿条直接啮合传动；所述行程传感器设置在所述齿轮的端部外侧；所述齿条伸出所述壳体之外的部分和所述壳体之间设有回位弹性件。
进一步地，所述回位弹性件为回位弹簧。回位弹簧的功能不仅可以使制动踏板快速回位，而且提供的弹簧压缩力可以作为踏板感组成的一部分。电机作用在齿条上面的力和回位弹簧力共同组成了制动踏板感的总踏板力。在进行踏板感的控制时，如果总制动力大于回位弹簧力时，则电机给的是正电流，输出正扭矩；如果总制动力小于回位弹簧力时，则电机给的是负电流，输出负扭矩。
在以上技术方案中，所述电机的输出轴与所述齿轮之间设置有缓冲件。缓冲件可以减少电机瞬间启动带来的冲击。
进一步地，所述缓冲件为缓冲橡胶块，所述缓冲橡胶块的一端套接在所述电机的输出轴上，另一端套接在所述齿轮的轴上。
进一步地，所述齿条沿其自身长度方向延伸出所述壳体，并通过定位螺母与所述U型销固定连接。
进一步地，所述齿条位于所述壳体外的部分与所述壳体之间设置有防尘罩。
本发明同时提供了一种上述踏板感模拟装置的控制方法，包括以下步骤：
由行程传感器根据齿条位移产生踏板行程信号；
根据所述踏板行程信号计算电机的目标电流；
将所述目标电流与所述电机的实际电流进行PID控制，输出PWM波控制所述电机；
所述电机输出扭矩用以向所述齿条提供踏板力。
进一步地，所述目标电流的产生包括以下几个步骤：
根据实测得到踏板行程与踏板力关系曲线，将所述踏板行程信号换算成所需要提供的踏板力；
测得阻尼系数，根据踏板力与电流之间的关系以及所述阻尼系数得到所述目标电流。
进一步地，所述阻尼系数考虑的变量包括所述齿条的位移距离和位移速度。
相较于现有技术，本发明提供的一种有以下有益效果：
1、本发明一种踏板感模拟装置及其控制方法，通过电机驱动齿条，以此回顶或者拉伸踏板，进而实现和真车一样的踏板感受；
2、本发明一种踏板感模拟装置及其控制方法，可以根据不同的驾驶模式定制不同的踏板感；
3、本发明一种踏板感模拟装置及其控制方法，可以根据不同的模拟驾驶人员不同的刹车力度，实时变换，通过实时进行电机的目标电流和实时电流PID控制，控制电机根据不同的力度及速度提供不同的扭矩，以此提供更真实的踏板感；
4、本发明结构紧凑，制造成本低廉，应用于模拟驾驶器可节省空间和成本。
附图说明
图1为本发明一种踏板感模拟装置的在驾驶模拟器中的安装位置图。
图2为本发明一种踏板感模拟装置的作为实施例1的侧视剖面图。
图3为本发明一种踏板感模拟装置的作为实施例2的侧视剖面图。
图4为本发明一种踏板感模拟装置的控制流程图。
图5为本发明一种踏板感模拟装置的目标电流产生的流程图。
图6为本发明一种踏板感模拟装置的控制原理图。
图7为本发明一种踏板感模拟装置的作为实施例1提供的踏板力与踏板行程关系曲线图。
附图中：1—显示器、2—转向装置、3—制动踏板、4—踏板感模拟装置、5—油门踏板、6—座椅、7—驾驶模拟器骨架；
401—回位弹簧、402—防尘罩、403—齿条、404—壳体、405—行程传感器、406—U型销、407—定位螺母、408—缓冲件、409—电机、410—齿轮；411—减速机构。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明不限于以下实施例。
实施例1
驾驶模拟器包括显示器1、转向装置2、制动踏板3、踏板感模拟装置4、油门踏板5、座椅6、驾驶模拟器骨架7。整个驾驶模拟器1除踏板感模拟装置4之外为现有技术，不是本发明的重点，在此不做详细的介绍。
参照图1和图2，踏板感模拟装置4包括防尘罩402、齿条403、壳体404、行程传感器405、U型销406、定位螺母407、缓冲件408、电机409、齿轮410、减速机构411。其中，制动踏板3与U型销406固定连接，壳体404内安装有可以滑动的齿条403，本实施例中，根据制动踏板3踩下的动作，齿条403设置为横向滑动设置。齿条403沿其自身长度方向延伸出所述壳体404，并通过定位螺母407与所述U型销406直接通过螺纹连接，定位螺母407不仅可以防止U型销的旋转，然后可以根据实际使用的情况进行长度的固定。
所述齿条403通过电机409驱动，电机409的输出轴上连接有齿轮410，所述齿条403与所述齿轮410之间设置有减速机构411，所述齿轮410在电机409的驱动下转动，并通过减速机构411驱动齿条403横向移动。减速机构411可以是多级齿轮传动机构，在本实施例中，减速机构411包括同轴固定的减速齿轮和齿轮轴，所述减速齿轮与齿轮410啮合传动，所述齿轮轴与齿条403啮合传动。行程传感器405设置在齿轮轴的端部外侧。在其他实施例中，减速机构411也可以采用其他的机械结构起到同样的效果。所述齿轮410与所述电机409之间设置有缓冲件410，缓冲件410为橡胶块，该橡胶块一端套接在电机409的输出轴上，另一端套接在齿轮410的齿轮轴上。
行程传感器405安装在壳体404上，用以根据齿轮轴的转动以检测齿条403位移，从而获得踏板行程信号，并将行程信号发送给系统的控制器(图中未示出)，用以计算电机409的目标电流。
本实施例中，齿条403位于壳体404外的部分与壳体404之间设置有防尘罩402，防尘罩402用以遮蔽灰尘，提高齿条403的使用寿命。
参照图4至图7，本发明提出了一种实施例1所描述的一种踏板感模拟装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、当驾驶模拟人员踩下制动器踏板；
S2、由踏板通过U型销由行程传感器405根据齿条403位移产生踏板行程信号；
S3、模拟器的控制器根据所述踏板行程信号计算电机409的目标电流；计算目标电流包括以下几个步骤：
S301、首先，控制器将所述行程信号换算成所需要提供的踏板力，踏板力与踏板行程之间的关系，可以通过事先设定好的踏板力与踏板行程关系曲线进行设置，在本实施例中，提供了一种踏板力与踏板行程的换算关系曲线图，参照图7，对于不同的设备、材质等，需要现场进行实测然后进行设定；
S302、在得到所需要提供的踏板力后，通过模拟装置的其它设备可以实测得到阻尼系数，在本实施例中，所述阻尼系数考虑的变量包括所述齿条403的位移距离和位移速度；
S303、最后，根据上述因素以及踏板力与电流之间的换算方式得到所述目标电流。
S4、将所述电机409的所述目标电流与所述电机409的实际电流进行PI D控制，输出PWM波控制所述电机409；
S5、所述电机409控制所述齿条403位移提供踏板力。
实施例2
在实施例1的基础上，在齿条403沿其自身长度方向延伸出壳体404的部分与壳体404之间设置一个回位弹簧401，在传动部分取消减速机构411，齿轮410与齿条403直接啮合传动，踏板行程传感器405设置在齿轮410的轴的端部外侧。其他的结构与实施例1相同，这种设计可以减小踏板感模拟装置4的整体体积，回位弹簧410的设计可以提供一定的踏板感，减少电机409的负荷。
采用本实施例提供的踏板感模拟装置4，其控制方法中，在行程传感器405得到踏板行程信号后，将踏板行程信号发送到控制器进行计算最佳踏板力的时候，需要考虑到回位弹簧410的弹力。
在驾驶员踩下制动踏板3产生位移的过程中，假设此时回位弹簧力为F弹，踏板位移对应的最佳踏板力为F踏，F电为电机409需要提供给齿条403的作用力。
如果F踏*i＝F弹，则电机409需要提供给齿条403的作用力F电＝0；
如果F踏*i>F弹，则电机409需要提供给齿条403的作用力为正值，F电＝F踏*i-F弹；
如果F踏*i<F弹，则电机409需要提供给齿条403的作用力为负值，F电＝F踏*i-F弹；
上述计算出来的F电，通过实施例1中S302、S303步骤折算为电机电流参数，就可以得到电机409所需要的目标电流，在踏板位移变化的过程中，系统实时检测目标电流与实际电流的偏差，然后通过PID控制产生PWM控制电机。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种踏板感模拟装置，包括制动踏板(3)和与所述制动踏板(3)连接的U型销(406)，其特征在于，还包括：
壳体(404)；
齿条(403)，其可滑动地安装于所述壳体(404)中，所述齿条(403)与所述U型销(406)固定连接；
电机(409)，所述电机(409)的输出轴与所述齿条(403)传动，用以驱动所述齿条(403)；
行程传感器(405)，其用以根据所述齿条(403)的位移产生踏板行程信号。
2.如权利要求1所述的一种踏板感模拟装置，其特征在于，所述电机(409)的输出轴连接有齿轮(410)，所述齿轮(410)与所述齿条(403)之间通过减速机构传动连接。
3.如权利要求2所述的一种踏板感模拟装置，其特征在于，所述减速机构包括同轴固定的减速齿轮和齿轮轴，所述减速齿轮与所述齿轮(410)啮合传动，所述齿轮轴与所述齿条(403)啮合传动；所述行程传感器(405)设置在所述齿轮轴的端部外侧。
4.如权利要求1所述的一种踏板感模拟装置，其特征在于，所述电机(409)的输出轴连接有齿轮(410)，所述齿轮(410)与所述齿条(403)直接啮合传动；所述行程传感器(405)设置在所述齿轮(410)的端部外侧；所述齿条(403)伸出所述壳体(404)之外的部分和所述壳体(404)之间设有回位弹性件。
5.如权利要求4所述的一种踏板感模拟装置，其特征在于，所述回位弹性件为回位弹簧(401)。
6.如权利要求1-5任意一项所述的一种踏板感模拟装置，其特征在于，所述电机(409)的输出轴与所述齿轮(410)之间设置有缓冲件。
7.如权利要求6所述的一种踏板感模拟装置，其特征在于，所述缓冲件为缓冲橡胶块(408)，所述缓冲橡胶块(408)的一端套接在所述电机(409)的输出轴上，另一端套接在所述齿轮(410)的轴上。
8.一种权利要求1-7任意一项所述的踏板感模拟装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
由行程传感器(405)根据齿条(403)位移产生踏板行程信号；
根据所述踏板行程信号计算电机(409)的目标电流；
将所述目标电流与所述电机(409)的实际电流进行PID控制，输出PWM波控制所述电机(409)；
所述电机(409)输出扭矩用以向所述齿条(403)提供踏板力。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述目标电流的产生包括以下几个步骤：
根据实测得到踏板行程与踏板力关系曲线，将所述踏板行程信号换算成所需要提供的踏板力；
测得阻尼系数，根据踏板力与电流之间的关系以及所述阻尼系数得到所述目标电流。
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