CN219512538U - 一种用于驾驶模拟器的控制设备和驾驶模拟器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于驾驶模拟器的控制设备和驾驶模拟器。驾驶模拟器设有方向盘、转向杆、电机、扭矩传感器、角度传感器，控制设备为外接式，其设有用于与扭矩传感器、角度传感器电连接的第一电连接口和用于与电机电连接的第二电连接口，控制设备包括控制器和电机驱动电路，其中控制器的第一端口与第一电连接口电连接，控制器的第二端口与电机驱动电路电连接，电机驱动电路与第二电连接口电连接。本实施例将电机驱动控制和主控制器集成在一起，相比于电机控制器外加控制器控制方案，成本低，同时应用汽车配件可靠性更高，便于批量生产，增加社会资源的利用率，并且免去了控制单元之间的通讯，反馈响应更及时，模拟真实体验手感更好。

Description

一种用于驾驶模拟器的控制设备和驾驶模拟器

技术领域

本实用新型涉及驾驶技术领域，尤其涉及一种用于驾驶模拟器的控制设备和驾驶模拟器。

背景技术

目前市面上的驾驶模拟器方向盘，有两种限位方式；一种是用弹簧和机械限位方式，只能简单实现功能，不能主动控制，并且时间长了之后，机械耦合会发生间隙，大扭力下，容易发生不可逆的机械损坏；还有一种是用控制板加伺服电机和通用伺服控制器进行控制，通过电机编码器实现限位角度控制，通过伺服电机电流检测实现扭矩控制，这种方案成本很高，并且系统复杂，电流转扭矩也存在一定的延迟。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型公开了一种用于驾驶模拟器的控制设备和驾驶模拟器，用以解决驾驶模拟器控制成本高，反馈不及时的问题。

本实用新型为实现上述的目标，采用的技术方案是：

本实用新型第一方面公开了一种用于驾驶模拟器的控制设备，驾驶模拟器设有方向盘、转向杆、电机、扭矩传感器、角度传感器，控制设备为外接式，其设有用于与扭矩传感器、角度传感器电连接的第一电连接口和用于与电机电连接的第二电连接口，控制设备包括控制器和电机驱动电路，其中控制器的第一端口与第一电连接口电连接，控制器的第二端口与电机驱动电路电连接，电机驱动电路与第二电连接口电连接。

进一步可选地，控制设备还设有自备电源和/或外用电源接口。

进一步可选地，控制设备还设有一外壳，外壳设有固定结构，用于将控制设备固定在转向杆外壳或驾驶模拟器设备上。

进一步可选地，控制设备还设有：

外部通信接口，用于与上位机连接；

通信模块，与外部通信接口和控制器分别连接；

采集模块，用于接收和存储扭矩传感器检测的扭矩信息、角度传感器所检测的角度信息和上位机的指令信息，采集模块通过第二电连接口与角度传感器和扭矩传感器连接，并与控制器连接。

进一步可选地，控制器设有：PID控制模块，被设计为根据扭矩传感器检测的扭矩值与设定值的大小对电机的输出功率进行PID控制，PID控制模块与电机驱动电路和采集模块分别连接。

进一步可选地，控制器还设有：自动回中控制模块，被设计为可根据角度传感器检测的方向盘偏转信息向电机驱动电路输出对方向盘的自动回中控制信息，自动回中控制模块与电机驱动电路和采集模块分别连接。

进一步可选地，控制器还设有：限位模块，被设计为可根据角度传感器检测的方向盘旋转角度绝对值向电机驱动电路输出对方向盘的扭矩调整信息，限位模块与电机驱动电路和采集模块分别连接。

进一步可选地，控制设备还包括：霍尔传感器，被设计为当方向盘回正在零点时生成预设信号；

控制器还设有：零点标定模块，被设计为根据角度传感器检测的角度信息对方向盘的零点进行标定；以及响应于预设信号，对方向盘的零点进行调整，零点标定模块与采集模块和霍尔传感器分别连接。

进一步可选地，控制设备还设有：

外部电源接口，用于与外部电源连接；

电源模块，用于为电机驱动电路、扭矩传感器、角度传感器和控制器分别供电；

稳压器模块，用于为电源模块中的每个电源进行稳压，稳压器模块与电源模块连接；

电源保护电路，连接在稳压器模块和外部电源接口之间；

过压保护电路，连接在控制器和外部通信接口之间。

依次连接的ESD保护芯片和阻容器件，ESD保护芯片和阻容器件连接在第二电连接口和控制器之间。

本实用新型第二方面公开了一种驾驶模拟器，驾驶模拟器设有方向盘、转向杆、电机、扭矩传感器、角度传感器，驾驶模拟器还包括第一方面中任一项的控制设备。

进一步可选地，驾驶模拟器还包括上位机，上位机被设计为根据控制设备发送的角度信息改变模拟驾驶的方向，以及发送不同场景手感的模拟指令给控制设备。

本实用新型第三方面公开了一种驾驶模拟器，其包括：方向盘、驾驶助力结构，其中驾驶助力结构包括电机、扭矩传感器、角度传感器、输入轴、扭杆和输出轴；方向盘与驾驶助力结构进行连接；输入轴接方向盘，输出轴接电机，输入轴和输出轴通过扭杆连接，输入轴与输出轴之间接扭矩传感器，扭杆与外套筒之间接角度传感器；

驾驶模拟器设有第一方面中任一项的控制设备。

有益效果：本实用新型相比于伺服电机控制器外加控制器控制方案，成本低，只需要在成品汽车助力结构件配备一个控制单元，即可实现功能，生产简单，应用汽车配件可靠性更高，便于批量生产，增加社会资源的利用率。并且免去了控制单元之间的通讯，反馈响应更及时，模拟真实体验手感更好。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本实用新型公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本实用新型公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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示出了根据本实用新型一种实施例的控制装置的结构示意框图。

图2示出了根据本实用新型一种实施例的控制装置的电路结构示意图。

图3示出了根据本实用新型一种实施例的驾驶模式器的结构示意图。

图4示出了根据本实用新型一种实施例的外套筒内部结构示意图。

其中：10-控制器，11-第一电连接口，12-第二电连接口，13-采集模块，14-PID控制模块，15-自动回中控制模块，16-限位模块，17-零点标定模块，18-电机驱动电路，19-霍尔传感器，20-外部通信接口，21-方向盘，22-转向杆，23-电机，24-通信模块，221-输入轴，222-输出轴，223-扭杆，224-定子，225-输入轴转子，226-输出轴转子。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

为解决驾驶模拟器控制成本高，反馈不及时的问题，本实施例第一方面公开了一种用于驾驶模拟器的控制设备。结合图3、图4，该驾驶模拟器设有方向盘21、转向杆22、电机23、扭矩传感器、角度传感器；具体地，转向杆22包括与方向盘21连接的输入轴221、扭杆223和输出轴222；其中输入轴221和输出轴222通过扭杆223连接；这里的角度传感器和扭矩传感器可以为一体件或两个独立件，本实施例优选角度传感器和扭矩传感器集成为一体的角度、扭矩传感器，该角度、扭矩传感器分为接触式和非接触式两种，如非接触的海拉型传感器和接触式可变电阻传感器，均可实现；优选海拉型传感器，海拉型传感器一端与扭杆33的输入端连接，海拉型传感器的另一端与扭杆33的输出端连接。

结合图1，该控制设备为外接式，其设有用于与扭矩传感器、角度传感器电连接的第一电连接口11和用于与电机23电连接的第二电连接口12，控制设备包括控制器10和电机驱动电路18，其中控制器10的第一端口与第一电连接口11电连接，控制器10的第二端口与电机驱动电路18电连接，电机驱动电路18与第二电连接口12电连接。

本实施例提供的控制设备主要包括控制器10和电机驱动电路18两部分，而原有的电机驱动控制部分则集成在控制器10中，输入方向盘角度传感器信号和扭矩传感器信号，经控制器10运算处理后，输出电机控制，包括方向、位置和扭矩控制；相比于传统电机控制器外加主控制器控制方案，成本低，只需要在成品汽车助理结构件配备一个控制单元，即可实现功能，生产简单，同时应用汽车配件可靠性更高，便于批量生产，增加社会资源的利用率，并且免去了控制单元之间的通讯，反馈响应更及时，模拟真实体验手感更好。

可选地，控制设备还设有一外壳，外壳设有固定结构，用于将控制设备固定在转向杆外壳或模拟器设备上。

可选地，所述控制设备还设有用于与上位机连接的外部通信接口20；

通信模块24，与外部通信接口20和控制器10分别连接，用于实现控制器10与上位机之间的通信；其中通信模块24包括CAN芯片、RS485芯片和网口芯片等；

采集模块13，用于接收和存储扭矩传感器检测的扭矩信息、角度传感器所检测的角度信息和上位机的指令信息，采集模块13通过第二电连接口12与角度传感器和扭矩传感器连接，并与控制器10连接。

可选地，控制器10设有：PID控制模块14，被设计为根据扭矩传感器检测的扭矩值与设定值的大小对电机23的输出功率进行PID控制，PID控制模块14与电机驱动电路18和采集模块13分别连接。

通过以上系统可以实现，手转动方向盘时，使方向盘的扭矩恒定。具体地，定时采集扭矩信息，根据扭矩值的大小做个一个负反馈调节，当扭矩比设定值大时，减小电机功率输出，甚至施加反向电流，直到扭矩回归到设定值附近，当扭矩比设定值小时，增大电机功率输出，直到扭矩回归到设置附近，为了得到良好的效果使用了电机的PID控制，避免了电机控制时反应不及时或方向盘抖动。为了使力矩控制更加细腻，扭矩反馈频率在1000Hz及以上；根据实际情况也可适当降低反馈频率。

可选地，控制器10还设有：自动回中控制模块15，被设计为可根据角度传感器检测的方向盘212偏转信息向电机驱动电路18输出对方向盘212的自动回中控制信息，自动回中控制模块15与电机驱动电路18和采集模块13分别连接。

通过以上控制系统可实现方向盘自动回中，当方向盘向右偏时，给一个向左的恒定扭力，方向盘向左偏时给一个向右的恒定扭力，使方向盘回中；为避免中间零点扭力变化，影响手感，方向盘角度的中心零点附近时，扭力回逐渐减小，过零点后扭力再反向慢慢变大，到一定角度后，扭矩恒定，保持不变。

进一步可选地，控制器10还设有：限位模块16，被设计为可根据角度传感器检测的方向盘212旋转角度绝对值向电机驱动电路18输出对方向盘212的扭矩调整信息，限位模块16与电机驱动电路18和采集模块13分别连接。

通过限位模块16实现了打轮到两侧的限位，如方向盘旋转到±540°、±720°、±900°、±180°、±270°、±60°附近时，迅速提升扭矩，实现限位手感，根据实际模拟车辆，限位角度可以自由设定。

进一步可选地，控制设备还包括霍尔传感器19：被设计为当方向盘212回正在零点时生成预设信号；

具体地，转向杆上设有磁性件，当转向杆回正在零点时，磁性件接近霍尔传感器，从而使霍尔传感器产生预设信号。霍尔传感器暴露在壳体之外，便于检测转向杆是否回正在零点。

控制器10还设有：零点标定模块17，被设计为根据角度传感器检测的角度信息对方向盘212的零点进行标定；以及响应于预设信号，对方向盘212的零点进行调整，零点标定模块17与采集模块13和霍尔传感器19分别连接。

本实施例实现了重新上电自动找正功能，分为两种情况，一种是当角度传感器绝对角度范围大于等于两侧限位加180°时，如±1140°，通过软件标零，即，先手动扶正方向盘，触发软件标零模块，记录当前角度在±180°内的偏移量，大于一周时减去360°，180°到360°之间转换为0°到-180°之间，负数区间同样的转换，将偏移量存储在控制单元，每次断电上电后读取，实现绝对角度寻址归零；还一种当绝对角度范围小于限位时，需要加机械零点寻找功能，即增加一个霍尔开关传感器，当方向盘在零点时，霍尔开关给个预设信号接入控制单元，开始上电后，方向盘自动旋转一周，找到零点后，实现相对角度变换控制。

在另一实施例中控制设备还设有用于连接上位机和外部电源的电连接器。

进一步可选地，控制设备还设有：

外部电源接口，用于与外部电源连接；

电源模块，用于为电机驱动电路、扭矩传感器、角度传感器和控制器分别供电；具体地，电机驱动电路优选H桥MOS驱动电路，为电机34提供12v-48v电源；电源模块包括系统电源3.3V、传感器电源5V、H桥MOS驱动电路电源12V；

稳压器模块，用于为电源模块中的每个电源进行稳压，稳压器模块与电源模块连接；稳压器模块中设有对应连接在上述各个电源上的稳压器，即3.3V稳压器、5V稳压器、12V稳压器；

电源保护电路，连接在稳压器模块和外部电源接口之间；过压保护电路，连接在控制器和外部通信接口之间。利用电源保护单元进行过电压保护，在输入电压超过输入电压最大值后，进行过电压保护，避免因输入电压多大导致电源损坏，提高控制设备的可靠性。利用过压保护电路对控制器进行过电压保护，进一步提高控制设备的可靠性。在一具体实施方式中，通过二极管正向导通防止电源反接烧毁设备，通过自恢复保险丝防止过流，通过MOV压敏电阻防止浪涌。

进一步可选地，控制设备还设有依次连接的ESD保护芯片和阻容器件，ESD保护芯片和阻容器件连接在第二电连接口和控制器之间。

利用ESD保护芯片和阻容器件对输入的方向盘转向和位置信息进行处理，进一步提高控制设备的可靠性。具体地，阻容器件包括有电阻和/或电容。

本控制设备具有外部通讯接口，可以将角度位置、传感器信息、控制信息发送给上位机用户系统单元，模拟器画面显示软件，可根据角度信息改变模拟驾驶的方向。

本实施例第二方面公开了一种驾驶模拟器，结合图3、图4，驾驶模拟器设有方向盘212、转向杆22、电机23、扭矩传感器、角度传感器，驾驶模拟器还包括第一方面中任一项的控制设备。

进一步可选地，驾驶模拟器还包括上位机，上位机被设计为根据控制设备发送的角度信息改变模拟驾驶的方向，以及发送不同场景手感的模拟指令给控制设备。

本实施例可实现不同场景手感的模拟，如，原地打轮、进入石子路面、草地、沙地、泥泞路、坑洼路面、等，或模拟车辆发生碰撞，上位可以发送指令，控制单元通过扭矩控制，模拟出实际路况的驾驶手感；如：原地打轮增加转动扭矩并取消自动回中，在泥泞路段增加转动阻力，在坑洼路段增加扭矩左右变化，随着坑洼的大小调节扭矩变化的频率和幅度。

本实用新型第三方面公开了一种驾驶模拟器，其包括方向盘21、驾驶助力结构，其中驾驶助力结构包括电机23、扭矩传感器、角度传感器、输入轴221、扭杆223和输出轴222；方向盘21与驾驶助力结构进行连接；输入轴221接方向盘21，输出轴222接电机23，输入轴221和输出轴222通过扭杆223连接，输入轴221与输出轴222之间接扭矩传感器，扭杆223与外套筒之间接角度传感器；驾驶模拟器设有第一方面中任一项的控制设备。

本实施例通过外接模拟器控制器，实现驾驶方向的真实模拟；由于汽车配件成熟、标准统一、批量大、成本控制好，因次本方案降低了成本，产品质量真正达到了车规级，使用通用配件提高了社会资源的重复利用。

本实施例使使用了真实汽车的配件，包括扭矩传感器和角度传感器，因此模拟汽车驾驶手感更加的真实。

本实施例扭力反馈为绝对值，相比于电流采样转换的扭矩更加的真实，灵敏度更高，能够更真实的模拟真实驾驶手感。

通过以上控制系统可实现方向盘自动回中，当方向盘向右偏时，给一个向左的恒定扭力，方向盘向左偏时给一个向右的恒定扭力，使方向盘回中；为避免中间零点扭力变化，影响手感，方向盘角度的中心零点附近时，扭力回逐渐减小，过零点后扭力再反向慢慢变大，到一定角度后，扭矩恒定，保持不变。

本方案实现了打轮到两侧的限位，如方向盘旋转到±540°、±720°、±900°、±180°、±270°、±60°附近时，迅速提升扭矩，实现限位手感，根据实际模拟车辆，限位角度可以自由设定。

本方案实现了重新上电自动找正功能，分为两种情况，一种是当角度传感器绝对角度范围大于等于两侧限位加180°时，如±1140°，通过软件标零，即，先手动扶正方向盘，触发软件标零模块，记录当前角度在±180°内的偏移量，大于一周时减去360°，180°到360°之间转换为0°到-180°之间，负数区间同样的转换，将偏移量存储在控制单元，每次断电上电后读取，实现绝对角度寻址归零；还一种当绝对角度范围小于限位时，需要加机械零点寻找功能，即增加一个霍尔开关传感器，当方向盘在零点时，霍尔开关给个预设信号接入控制单元，开始上电后，方向盘自动旋转一周，找到零点后，实现相对角度变换控制。

本方案还可实现不同场景手感的模拟，如，原地打轮、进入石子路面、草地、沙地、泥泞路、坑洼路面、等，或模拟车辆发生碰撞，上位可以发送指令，控制单元通过扭矩控制，模拟出实际路况的驾驶手感；如：原地打轮增加转动扭矩并取消自动回中，在泥泞路段增加转动阻力，在坑洼路段增加扭矩左右变化，随着坑洼的大小调节扭矩变化的频率和幅度。

在本实用新型提供的不同实施例中，对于相同参数、名词、逻辑等应当理解为统一的含义，本申请对此不刻意在每个实施例中进行重复说明。

以上具体示出和描述了本公开的示例性实施例。应理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种用于驾驶模拟器的控制设备，所述驾驶模拟器设有方向盘、转向杆、电机、扭矩传感器、角度传感器，其特征在于：所述控制设备为外接式，其设有用于与所述扭矩传感器、角度传感器电连接的第一电连接口和用于与所述电机电连接的第二电连接口，所述控制设备包括控制器和电机驱动电路，其中所述控制器的第一端口与所述第一电连接口电连接，所述控制器的第二端口与所述电机驱动电路电连接，所述电机驱动电路与所述第二电连接口电连接。

2.如权利要求1所述的控制设备，其特征在于：所述控制设备还设有一外壳，所述外壳设有固定结构，用于将所述控制设备固定在转向杆外壳或所述驾驶模拟器设备上。

3.如权利要求1所述的控制设备，其特征在于，所述控制设备还设有：

外部通信接口，用于与上位机连接；

通信模块，与所述外部通信接口和所述控制器分别连接；

采集模块，用于接收和存储所述扭矩传感器检测的扭矩信息、所述角度传感器所检测的角度信息和所述上位机的指令信息，所述采集模块与所述角度传感器和所述扭矩传感器连接，并与所述控制器连接。

4.如权利要求3所述的控制设备，其特征在于，所述控制器还设有：

PID控制模块，被设计为根据所述扭矩传感器检测的扭矩值与设定值的大小对所述电机的输出功率进行PID控制，所述PID控制模块与所述电机驱动电路和所述采集模块分别连接。

5.如权利要求3所述的控制设备，其特征在于：所述控制器还设有：

自动回中控制模块，被设计为可根据所述角度传感器检测的方向盘偏转信息向所述电机驱动电路输出对所述方向盘的自动回中控制信息，所述自动回中控制模块与所述电机驱动电路和所述采集模块分别连接。

6.如权利要求3所述的控制设备，其特征在于：所述控制器还设有：

限位模块，被设计为可根据所述角度传感器检测的方向盘旋转角度绝对值向所述电机驱动电路输出对所述方向盘的扭矩调整信息，所述限位模块与所述电机驱动电路和所述采集模块分别连接。

7.如权利要求3所述的控制设备，其特征在于，控制设备还包括：

霍尔传感器，被设计为当方向盘回正在零点时生成预设信号；

所述控制器还设有：

零点标定模块，被设计为根据所述角度传感器检测的角度信息对方向盘的零点进行标定；以及响应于所述预设信号，对方向盘的零点进行调整，所述零点标定模块与所述采集模块和所述霍尔传感器分别连接。

8.如权利要求1-7中任一项所述的控制设备，其特征在于，所述控制设备还设有：

外部电源接口，用于与外部电源连接；

电源模块，用于为所述电机驱动电路、所述扭矩传感器、所述角度传感器和所述控制器分别供电；

稳压器模块，用于为所述电源模块中的每个电源进行稳压，所述稳压器模块与所述电源模块连接；

电源保护电路，连接在所述稳压器模块和所述外部电源接口之间；

过压保护电路，连接在所述控制器和外部通信接口之间；

依次连接的ESD保护芯片和阻容器件，所述ESD保护芯片和所述阻容器件连接在所述第二电连接口和所述控制器之间。

9.一种驾驶模拟器，所述驾驶模拟器设有方向盘、转向杆、电机、扭矩传感器、角度传感器，其特征在于，所述驾驶模拟器还包括权利要求1-8中任一项所述的控制设备所述驾驶模拟器还包括上位机，所述上位机被设计为根据所述控制设备发送的角度信息改变模拟驾驶的方向，以及发送不同场景手感的模拟指令给所述控制设备。

10.一种驾驶模拟器，其包括：方向盘、驾驶助力结构，其中所述驾驶助力结构包括电机、扭矩传感器、角度传感器、输入轴、扭杆和输出轴；所述方向盘与所述驾驶助力结构进行连接；所述输入轴接所述方向盘，所述输出轴接所述电机，所述输入轴和所述输出轴通过所述扭杆连接，所述输入轴与所述输出轴之间接所述扭矩传感器，所述扭杆与外套筒之间接所述角度传感器；

其特征在于：所述驾驶模拟器设有权利要求1-8中任一项所述的控制设备。