專利名稱：力反饋方向盤的處理系統(tǒng)的制作方法
力反饋方向盤的處理系統(tǒng)
本發(fā)明涉及游戲機方向盤控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種力反饋方 向盤的處理系統(tǒng)。 [背景技術(shù)]
所謂力反饋，其實是一種機械表現(xiàn)出的反作用力，將虛擬現(xiàn)實中傳 遞的數(shù)據(jù)通過力反饋設(shè)備表現(xiàn)出對應(yīng)的力量與方向，力反饋的作用是讓 操作者感受到虛擬現(xiàn)實中力的真實性，隨著科技的迅速發(fā)展，對能夠?qū)?現(xiàn)多維移動或轉(zhuǎn)動控制并能反饋力、力矩的多維控制器的需求越來越 多。
2006年4月，國家出臺了《關(guān)于推動我國動漫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干意 見》，鼓勵游戲產(chǎn)業(yè)發(fā)展并先后兩次確定上海、中山、成都、杭州、南 京、南寧、濟南、珠海、長春共9個城市為電子游戲經(jīng)營場所管理工作 試點城市。昔日藏身于街頭巷尾的電子游戲廳，如今已經(jīng)"堂而皇之"地 步入大型購物廣場，而且隨著行業(yè)的逐步規(guī)范，大型游戲機也已變成一 種時尚，被越來越多的人所接受。
賽車游戲是眾多大型游戲機中長久以來廣受街機玩家青睞的游戲 之一。目前，市場最流行的賽車游戲主要是日本世嘉的《頭文字D》， Rockstar的《灣岸》，以及眾所周知的《極品飛車》，而這些賽車游戲 所采用的力反饋方向盤均是采用國外游戲設(shè)備廠家自制的控制系統(tǒng)，或 是羅技、微軟等知名廠商生產(chǎn)的專用力反饋方向盤配件，這些國外廠家 生產(chǎn)的設(shè)備或價格昂貴或存在諸多不符合真實駕駛效果，不滿足國內(nèi)玩 家需求的問題，且長期購買國外設(shè)備或采用國外配件，不利于國內(nèi)大型
4游戲機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，且核心技術(shù)受制于國外，很難進行符合國內(nèi)玩 家需求的升級和改進。
脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控 制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換 的許多領(lǐng)域中。 [發(fā)明內(nèi)容]
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于ARM平臺的力反饋控 制主板為基礎(chǔ)，研究大型賽車游戲機用方向盤在游戲模擬環(huán)境中各種不 同狀況下的力反饋狀態(tài)，以及各種力反饋狀態(tài)的電子算法，最終實現(xiàn)與 真實駕駛各種汽車相似的力反饋效果。
為實現(xiàn)上述目的，設(shè)計一種力反饋方向盤的處理系統(tǒng)，采用單片機 結(jié)合力反饋控制系統(tǒng)控制控制主板，進而控制驅(qū)動電路板發(fā)出力反饋命 令來驅(qū)動方向盤進行力反饋操作，其特征在于力反饋控制主板基于 ARM平臺，力反饋控制系統(tǒng)中還設(shè)有數(shù)據(jù)采集模塊、根據(jù)不同車型及 排量的數(shù)據(jù)庫建立的力反饋等級數(shù)學(xué)模型，并采用如下處理方法
(1) 確定方向盤零點位置數(shù)據(jù)采集模塊通過采集方向盤上的電 位器實時判斷當(dāng)前方向盤的位置，在系統(tǒng)上電時，系統(tǒng)通過搜尋方向盤 上電位器的最大和最小值判斷方向盤的旋轉(zhuǎn)范圍，再通過求平均值找出 方向盤的零點，這樣每次上電系統(tǒng)都會自動搜索零點，誤差范圍+/-1度；
(2) 設(shè)阻尼區(qū)在零點兩側(cè)40度范圍的區(qū)域設(shè)置成阻尼區(qū)，當(dāng)進 入方向盤阻尼區(qū)時力反饋控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊實時采集的方向 盤當(dāng)前的位置、轉(zhuǎn)動方向，及由剎車和油門控制的速度、加速度，并預(yù) 判方向盤的加速度，采用加速度前瞻阻尼算法，使得方向盤迅速穩(wěn)定的 回到零點，并最多在零點附近震蕩一次；
5(3)多路PWM波形的疊加輸出結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊，根據(jù)游戲
車型，從力反饋等級數(shù)學(xué)模型中取出相應(yīng)車型方向盤的回中力及受外部
環(huán)境影響產(chǎn)生的自然反應(yīng)力采用ARM平臺自帶的多路PWM脈寬調(diào)制 模塊實現(xiàn)多路PWM波形的疊加輸出，并通過S型曲線加減力的算法， 使得各種力的疊加和衰減自然平衡，最終形成方向盤的反饋力。
所述的外部環(huán)境影響產(chǎn)生的自然反應(yīng)力包括游戲車輛打滑、急轉(zhuǎn) 彎、遇陡坡產(chǎn)生的抖動力、持續(xù)力。
所述的數(shù)據(jù)采集模塊采用了軟件濾波算法保證了采樣數(shù)據(jù)的精度， 每9ms采集一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括3路AD值，20路按鍵，其中投幣事件 當(dāng)作特殊的按鍵，數(shù)據(jù)采集模塊的時序由ARM平臺的定時器中斷管理， 表示剎車、油門、方向盤位置的每個坐標軸的AD采樣是輪換式的，每 隔lms的定時器中斷里，要進行一次AD采樣，以及一次檢測按鍵輸入 口的按鍵采樣。
每次AD采樣的時間為13us， 一次按鍵采樣的時間為1-2 us。 AD采樣采用RC濾波電路。 按鍵采樣采用高速光耦隔離電路。 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點
1、 方向盤的回中過程采用加速度前瞻阻尼算法，是通過預(yù)判方向 盤加速度，使得阻尼力的產(chǎn)生隨時間積分而漸變，符合人體工學(xué)和實際 駕駛效果，并使方向盤能快速穩(wěn)定回到零點；
2、 在國內(nèi)首創(chuàng)了根據(jù)不同車型和排量建立數(shù)學(xué)模型，自動生成與 車輛相匹配的力反饋等級，再現(xiàn)各種車輛在模擬環(huán)境下接近真實，從而 不需要根據(jù)不同車型來定制各種不同功率輸出的控制系統(tǒng)，這樣大大節(jié) 省了大型游戲機制造的采購和管理成本；
63、 通過數(shù)據(jù)采集模塊對方向盤、剎車、油門等的實時采集，結(jié)合力反饋等級數(shù)學(xué)模型反應(yīng)出的相應(yīng)的回中力，持續(xù)力，抖動力等各種力反饋效果，采用ARM自帶的多路PWM脈寬調(diào)制模塊實現(xiàn)疊加，另夕卜，因為各種力的產(chǎn)生和消失都是有一個過程的，是漸變的，都是時間的積分函數(shù)，因此力反饋系統(tǒng)在PWM脈寬調(diào)制力大小的同時，通過S型曲線加減力算法，使得各種力的疊加和衰減自然平穩(wěn)，更符合實際力學(xué)效果；
4、 另外采用的ARM平臺是一個開放的資源平臺，可留有多個可擴展的IO 口和通訊接口，為后續(xù)的升級和維護帶來了較多方便；
5、 力反饋控制系統(tǒng)的各個功能均采用模塊化設(shè)計，如數(shù)據(jù)采集模塊、力反饋等級數(shù)學(xué)模型等，并采用標準接口，因此連線方便，各種不同車型用同一款控制器即可完成，裝配和維護成本低；
6、 與傳統(tǒng)的力反饋方向盤的調(diào)試過程相比，本系統(tǒng)集成度高，簡單易用，大部分操作能實現(xiàn)自動完成，如自動搜索零點等，無需調(diào)試人員調(diào)試眾多參數(shù)，只需輸入車型等少數(shù)參數(shù)，與之對應(yīng)的很多參數(shù)自動生成。


圖1為本發(fā)明實施例中力產(chǎn)生過程和衰減過程中的S型曲線圖。[具體實施方式
]
下面對本發(fā)明作進一步的說明。
本發(fā)明中采用的ARM平臺是一個開放的資源平臺，可方便留有多個可擴展的IO 口和通訊接口，為后續(xù)的升級和維護帶來了較多方便，本例中設(shè)置了2個USB接口，主USB 口提供U盤在線升級程序，從USB 口使得系統(tǒng)可以兼容各種工控機或PC機；在力反饋控制系統(tǒng)設(shè)定方向盤的總體性能指標如下
(1) 方向盤最大輸出扭矩達到0.7Nm;
(2) 方向盤抖動頻率達到100Hz;
(3) 方向盤輸出轉(zhuǎn)速范圍0-3000RPM; (4 )方向盤轉(zhuǎn)角-270~270度；
(5) 回中過程在零點附近震蕩次數(shù)少于等于l次；
(6) 方向盤定位精度+/-1度。 本發(fā)明中力反饋控制系統(tǒng)主要技術(shù)原理如下
一、 方向盤零點自動精確搜索
系統(tǒng)通過采集方向盤上的電位器可實時判斷當(dāng)前方向盤的位置。在 系統(tǒng)上電時，系統(tǒng)通過搜尋方向盤上電位器的最大和最小值判斷方向盤 的旋轉(zhuǎn)范圍，再通過求平均值找出方向盤的零點，這樣每次上電系統(tǒng)都 會自動精確搜索零點，誤差范圍+M度。而國外的系統(tǒng)則需要在電位器 發(fā)生磨損或系統(tǒng)長時間工作后在老板菜單校正系統(tǒng)零點。
二、 回中過程的電子阻尼算法的實現(xiàn) 方向盤在駕駛過程中始終要存在指向零點方向的力，幫助玩家尋找
方向盤的零點。國外的力反饋方向盤在回零過程中往往因為慣性會在零 點附近多次震蕩，甚至自激震蕩無法快速穩(wěn)定的實現(xiàn)回零。
本發(fā)明中的力反饋控制系統(tǒng)采用加速度前瞻阻尼算法，將零點兩側(cè) 40度范圍的區(qū)域設(shè)置成阻尼區(qū)，在運行過程中數(shù)據(jù)采集模塊實時監(jiān)測方
向盤的位置，速度，加速度及轉(zhuǎn)動方向，當(dāng)方向盤進入阻尼區(qū)時，根據(jù) 當(dāng)前方向盤的位置、速度、加速度及轉(zhuǎn)動方向自動生成反方向的阻尼力， 使得方向盤可迅速穩(wěn)定的回到零點，并最多在零點附近震蕩一次，本發(fā) 明中所采用的加速度前瞻阻尼算法，是通過預(yù)判方向盤加速度，使得阻
8尼力的產(chǎn)生隨時間積分而漸變，符合人體工學(xué)和實際駕駛效果。
三、 回中力、持續(xù)力、抖動力等各種力反饋效果疊加的實現(xiàn)方向盤在駕駛過程中會受到各種外部環(huán)境的影響，如打滑，與陡坡，
急轉(zhuǎn)彎，對這些影響方向盤應(yīng)產(chǎn)生與之對應(yīng)的各種自然反應(yīng)力如抖動力，持續(xù)力，而這些力與回中力是同時存在的。國外的力反饋方向盤往往無法實現(xiàn)幾種力同時存在的疊加效果，某種力產(chǎn)生后，之前的力就要
撤銷，不符合實際效果。本發(fā)明中利用ARM平臺自帶的多路PWM脈寬調(diào)制模塊，實現(xiàn)了多路PWM波形的疊加輸出，真實再現(xiàn)了各種反應(yīng)力疊加同時作用的效果。
四、 剎車、油門及方向盤等數(shù)據(jù)的實時采集系統(tǒng)需根據(jù)實時采集的剎車、油門及方向盤等的數(shù)據(jù)影響力反饋的
效果。數(shù)據(jù)采集模塊，每9ms采集到一組數(shù)據(jù)，包括3路AD值，20路按鍵，其中投幣事件當(dāng)作特殊的按鍵處理。數(shù)據(jù)采集模塊的時序由ARM平臺的定時器中斷管理，表示剎車、油門、方向盤位置的每個坐標軸的AD采樣是輪換式的。每隔1ms的定時器中斷里，要進行一次AD采樣，采樣時間為13us，以及一次按鍵輸入口的檢測，即按鍵采樣，采樣時間為1-2us， AD采樣硬件采用了 RC濾波電路，按鍵采樣采用高速光耦隔離電路，另外在數(shù)據(jù)采集模塊中采用了軟件濾波算法保證了采樣數(shù)據(jù)的精度。
五、 根據(jù)不同車型自動生成各種等級力反饋效果國外的力反饋方向盤往往根據(jù)不同的車型，如卡車，賽車和普通轎
車，要定制各種不同功率輸出的控制系統(tǒng)，這樣增加了大型游戲機制造的采購和管理成本。而本發(fā)明中力反饋控制系統(tǒng)根據(jù)各種車型及排量的數(shù)據(jù)庫建立了適用于不同車輛的力反饋等級的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)根據(jù)與車
9輛匹配的力反饋等級設(shè)置反饋力的大小，再現(xiàn)各種車輛在模擬環(huán)境下接 近真實駕駛的效果，使得各種車輛的力反饋效果均可由一套控制系統(tǒng)完 成。
六、各種力的自然產(chǎn)生和衰減的實現(xiàn)
各種反應(yīng)力的產(chǎn)生和消失都是有一個過程的，是隨時間積分漸變的
力，都是時間的積分函數(shù)，力反饋控制系統(tǒng)在PWM脈寬調(diào)制力的大小 時，為此我們在力的產(chǎn)生和衰減時采用了S型加減力的數(shù)學(xué)模型，力的 產(chǎn)生過程和衰減過程為一個S型的曲線，使得力的曲線在任意時刻二階 連續(xù)，過渡自然，符合受力規(guī)則，這樣各種力的疊加和衰減自然平穩(wěn)， 更符合實際力學(xué)效果。
各種反應(yīng)力的控制信號為PWM脈寬調(diào)制波，各種反應(yīng)力大小與 PWM波占空比成正比，力的控制變量PwmC漢ate被分成了 255份， PwmCfRate從0到255增大時，pwml占空比相應(yīng)從0線性增大為1， PwmCfRate的控制算法為
PwmCfRate:
丑
及她Mxc Ixl:^Xl
x (及flfeMax — R fltefios7'c) |x| S XI
其中，RateMax, RateBasic根據(jù)反饋力等級FeedbackLevel從1至l] 10 變化時，取如下經(jīng)驗數(shù)值
unsigned char CFPwmRateBasic[lO] ={18, 20， 22, 24， 26， 28， 30， 32， 34, 36};
unsigned char CFPwmRateMax網(wǎng)={35， 50, 70, 90,110, 130， 150, 170, 190,210}。
權(quán)利要求
1、一種力反饋方向盤的處理系統(tǒng)，采用單片機結(jié)合力反饋控制系統(tǒng)來控制主板，進而控制驅(qū)動電路板發(fā)出力反饋命令來驅(qū)動方向盤進行力反饋操作，其特征在于力反饋控制主板基于ARM平臺，力反饋控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集模塊、根據(jù)不同車型及排量的數(shù)據(jù)庫建立的力反饋等級數(shù)學(xué)模型，并采用如下處理方法(1)確定方向盤零點位置數(shù)據(jù)采集模塊通過采集方向盤上的電位器實時判斷當(dāng)前方向盤的位置，在系統(tǒng)上電時，系統(tǒng)通過搜尋方向盤上電位器的最大和最小值判斷方向盤的旋轉(zhuǎn)范圍，再通過求平均值找出方向盤的零點，這樣每次上電系統(tǒng)都會自動搜索零點，誤差范圍+/-1度；(2)設(shè)阻尼區(qū)在零點兩側(cè)40度范圍的區(qū)域設(shè)置成阻尼區(qū)，當(dāng)進入方向盤阻尼區(qū)時力反饋控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊實時采集的方向盤當(dāng)前的位置、轉(zhuǎn)動方向，及由剎車和油門控制的速度、加速度，并預(yù)判方向盤的加速度，采用加速度前瞻阻尼算法，使得方向盤迅速穩(wěn)定的回到零點，并最多在零點附近震蕩一次；(3)多路PWM波形的疊加輸出結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊，根據(jù)游戲車型，從力反饋等級數(shù)學(xué)模型中取出相應(yīng)車型方向盤的回中力及受外部環(huán)境影響產(chǎn)生的自然反應(yīng)力采用ARM平臺自帶的多路PWM脈寬調(diào)制模塊實現(xiàn)多路PWM波形的疊加輸出，并采用S型曲線加減力算法，使得各種力的疊加和衰減自然平衡，最終形成方向盤的反饋力。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種力反饋方向盤的處理系統(tǒng)，其特征在于: 所述的外部環(huán)境影響產(chǎn)生的自然反應(yīng)力包括游戲車輛打滑、急轉(zhuǎn) 彎、遇陡坡產(chǎn)生的抖動力、持續(xù)力。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種力反饋方向盤的處理系統(tǒng)，其特征在于: 所述的數(shù)據(jù)采集模塊采用了軟件濾波算法保證了采樣數(shù)據(jù)的精度，每9ms釆集一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括3路AD值，20路按鍵，其 中投幣事件當(dāng)作特殊的按鍵，數(shù)據(jù)采集模塊的時序由ARM平臺 的定時器中斷管理，表示剎車、油門、方向盤位置的每個坐標軸 的AD采樣是輪換式的，每隔lms的定時器中斷里，要進行一次 AD采樣，以及一次檢測按鍵輸入口的按鍵采樣。
4、 如權(quán)利要求3所述的一種力反饋方向盤的處理系統(tǒng)，其特征在于 每次AD采樣的時間為Bus， 一次按鍵釆樣的時間為1-2 us。
5、 如權(quán)利要求3所述的一種力反饋方向盤的處理系統(tǒng)，其特征在于 AD采樣采用RC濾波電路。
6、 如權(quán)利要求3所述的一種力反饋方向盤的處理系統(tǒng)，其特征在于 按鍵采樣采用高速光耦隔離電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及游戲機方向盤控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種力反饋方向盤的處理系統(tǒng)，其力反饋控制主板基于ARM平臺，力反饋控制系統(tǒng)中還設(shè)有數(shù)據(jù)采集模塊、力反饋等級數(shù)學(xué)模型，數(shù)據(jù)采集模塊通過采集方向盤上的電位器實時判斷當(dāng)前方向盤的位置，再通過求平均值找出方向盤的零點，并在零點兩側(cè)40度范圍的區(qū)域設(shè)置成阻尼區(qū)，使得方向盤迅速穩(wěn)定的回到零點，并最多在零點附近震蕩一次，再將各種反應(yīng)采用多路PWM波形的疊加輸出，并通過S型曲線加減力的算法，最終形成方向盤的反饋力。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，自動搜索零點，采用與車輛相匹配的力反饋等級，不需定制不同功率輸出的控制系統(tǒng)，節(jié)省成本；采用S型曲線加減力算法，符合實際力學(xué)效果。
文檔編號A63F13/00GK101642622SQ20091019453
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者曄 唐 申請人:上海柏楚電子科技有限公司