一種多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)及其視景控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)及其視景控制方法，系統(tǒng)組成包括：模擬駕駛臺(tái)架，為模擬轉(zhuǎn)向操縱提供布局可調(diào)的硬件平臺(tái)，并模擬汽車(chē)駕駛路感，為轉(zhuǎn)向操縱提供實(shí)時(shí)可調(diào)力反饋；數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩信號(hào)，并輸出電機(jī)控制信號(hào)；上位機(jī)系統(tǒng)，同數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，并通過(guò)顯示設(shè)備為模擬轉(zhuǎn)向操縱提供三維虛擬視景。本發(fā)明通過(guò)集成軟、硬件系統(tǒng)，同步模擬真實(shí)汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)的路感以及實(shí)車(chē)駕駛的視覺(jué)場(chǎng)景，并實(shí)現(xiàn)硬件布局、力反饋、駕駛視景等影響轉(zhuǎn)向操縱感受的多維實(shí)驗(yàn)條件可調(diào)，為轉(zhuǎn)向操縱模擬實(shí)驗(yàn)研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)及其視景控制 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及汽車(chē)人機(jī)工程學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種用于研究汽車(chē)人機(jī)交互的多 維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)及其視景控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱是典型的人機(jī)作業(yè)，相關(guān)的工效學(xué)研究需要進(jìn)行大量的操控實(shí)驗(yàn)， 為了便于更加安全、經(jīng)濟(jì)、快捷地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)以及模 擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)逐步受到重視，模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)的替代程度不斷上升。模擬駕駛 設(shè)備對(duì)于駕駛者感官反饋模擬的全面性和逼真性是模擬實(shí)驗(yàn)效果的決定性因素。中國(guó)專(zhuān)利 201320799080.2"一種模擬駕駛器的轉(zhuǎn)向裝置"提出了一種具有轉(zhuǎn)向力反饋功能的模擬駕 駛轉(zhuǎn)向裝置的構(gòu)建方法；申請(qǐng)?zhí)枮?01310196507.4的中國(guó)專(zhuān)利"一種汽車(chē)駕駛員轉(zhuǎn)向操縱 舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)及方法"也構(gòu)建了一套具有力反饋功能的模擬轉(zhuǎn)向操縱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并在此基 礎(chǔ)上添加了轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩測(cè)試、人體運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試以及舒適性評(píng)價(jià)等功能模塊。這兩種駕 駛模擬設(shè)備主要是對(duì)方向盤(pán)的操控觸覺(jué)反饋進(jìn)行模擬，忽略了視覺(jué)反饋模擬。中國(guó)發(fā)明專(zhuān) 利200910085771 ? 4 "模擬轉(zhuǎn)向盤(pán)操縱感覺(jué)力反饋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及汽車(chē)模擬駕駛系統(tǒng)"提出了力 反饋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與汽車(chē)模擬駕駛視景系統(tǒng)結(jié)合的實(shí)施框架，但在系統(tǒng)的集成同步性及可調(diào)性 方面未做深入的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種具有視覺(jué)、觸覺(jué)同步反饋 功能的多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)及其視景控制方法，以期能同步模擬真實(shí)汽 車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)的路感以及實(shí)車(chē)駕駛的視覺(jué)場(chǎng)景及觸覺(jué)感受，并實(shí)現(xiàn)硬件布局、力反饋、駕駛視景 等影響轉(zhuǎn)向操縱感受的多維實(shí)驗(yàn)條件可調(diào)，為轉(zhuǎn)向操縱模擬實(shí)驗(yàn)研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
[0004] 本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案：
[0005] 本發(fā)明一種多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)是組成包括:模擬駕駛 臺(tái)架、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)；
[0006] 所述模擬駕駛臺(tái)架包括：由水平板和傾斜板構(gòu)成的"L"型底座、汽車(chē)座椅、踏板、轉(zhuǎn) 向器支架和轉(zhuǎn)向器，其中，所述轉(zhuǎn)向器由路感電機(jī)、雙膜片聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)向柱及轉(zhuǎn)向盤(pán)依次連 接而成；
[0007] 所述數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括:角度編碼器、扭矩傳感器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及其 相連的多功能數(shù)據(jù)采集卡；
[0008] 所述上位機(jī)系統(tǒng)包括:計(jì)算機(jī)主機(jī)和顯示設(shè)備;所述顯示設(shè)備用于實(shí)時(shí)顯示汽車(chē) 駕駛的虛擬場(chǎng)景；
[0009] 在所述"L"型底座的水平板的末端設(shè)置有可調(diào)汽車(chē)座椅;在所述可調(diào)汽車(chē)座椅的 前方設(shè)置有踏板;在所述"L"型底座的傾斜板頂部設(shè)置有轉(zhuǎn)向器支架;在所述轉(zhuǎn)向器支架上 設(shè)置有所述轉(zhuǎn)向器；
[0010] 在所述路感電機(jī)上設(shè)置有角度編碼器;在轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向盤(pán)之間設(shè)置有所述扭矩傳 感器；
[0011] 在所述"L"型底座的前方設(shè)置有所述上位機(jī)系統(tǒng)；
[0012] 由所述角度編碼器獲取所述轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)角信號(hào)，并通過(guò)所述多功能數(shù)據(jù)采集卡傳 遞給所述計(jì)算機(jī)主機(jī)用于更新所述虛擬場(chǎng)景中汽車(chē)的橫擺角速度；
[0013] 由所述計(jì)算機(jī)主機(jī)根據(jù)所接收到的轉(zhuǎn)角信號(hào)判斷控制邏輯后，通過(guò)所述多功能數(shù) 據(jù)采集卡輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)所述路感電機(jī)；
[0014] 由所述扭矩傳感器獲取所述轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)矩，即所述路感電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，并通過(guò) 所述多功能數(shù)據(jù)采集卡傳遞給所述計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ);從而完成汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱的模擬與 測(cè)試。
[0015] 本發(fā)明所述的多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)也在于：
[0016] 所述"L"型底座的水平板和傾斜板為可伸縮式結(jié)構(gòu)，從而使得所述汽車(chē)座椅、踏板 和轉(zhuǎn)向器之間的水平距離可調(diào)、轉(zhuǎn)向器的高度可調(diào)；所述轉(zhuǎn)向器支架用于調(diào)整所述轉(zhuǎn)向器 的傾斜角;所述踏板的傾角可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)駕駛坐姿的自由調(diào)整。
[0017] 當(dāng)所述轉(zhuǎn)向器順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，所述轉(zhuǎn)角信號(hào)為正值，此時(shí)所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 輸出逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給所述路感電機(jī)；
[0018] 當(dāng)所述轉(zhuǎn)向器逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，所述轉(zhuǎn)角信號(hào)為負(fù)值，此時(shí)所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 輸出逆時(shí)順轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給所述路感電機(jī)；
[0019] 設(shè)置轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角閾值為9〇，
[0020] 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)角信號(hào)的絕對(duì)值在至0〇范圍內(nèi)變化時(shí)，所述路感電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與 所述轉(zhuǎn)角信號(hào)的絕對(duì)值成正比；
[0021] 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)角信號(hào)的絕對(duì)值大于0〇變化時(shí)，所述路感電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為一定 值；由所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)汽車(chē)駕駛路感的模擬。
[0022] 本發(fā)明一種多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)的視景控制方法的特點(diǎn)是按 如下步驟進(jìn)行：
[0023] 步驟1、利用式（1)設(shè)置虛擬場(chǎng)景與實(shí)物之間的比例值A(chǔ)，從而構(gòu)建汽車(chē)駕駛的虛擬 場(chǎng)景：
(1)
[0025] 式（1)中，W表示實(shí)際車(chē)道寬度，W'表示虛擬車(chē)道寬度，w為實(shí)車(chē)寬度，w '為汽車(chē)模型 寬度，vx為實(shí)車(chē)車(chē)速，v ' x為模擬車(chē)速；
[0026] 步驟2、利用式(2)所示的二自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，獲得實(shí)車(chē)質(zhì)心的側(cè)向速度v和 橫擺角速度r:
[0028] 式(2)中，m為實(shí)車(chē)質(zhì)量，vx為實(shí)車(chē)的實(shí)時(shí)車(chē)速，0為實(shí)車(chē)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，Cf、Cr分別為 實(shí)車(chē)前、后輪的線性側(cè)偏剛度，lf、l r分別為實(shí)車(chē)質(zhì)心至前、后軸的距離，Iz為實(shí)車(chē)?yán)@豎直軸 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，y為實(shí)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比>、/分別是v和r關(guān)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)；
[0029] 步驟3、所述實(shí)車(chē)的橫擺角速度r即為汽車(chē)模型的橫擺角速度;根據(jù)實(shí)車(chē)運(yùn)動(dòng)參數(shù) 對(duì)所述汽車(chē)模型的模擬車(chē)速v ' x與所述橫擺角速度r進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)視景控制。
[0030] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0031] 1、本發(fā)明通過(guò)路感電機(jī)與虛擬視景同步控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向操縱過(guò)程中的觸 覺(jué)及視覺(jué)反饋進(jìn)行同步模擬，并在此基礎(chǔ)上集成轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集功能，能夠?yàn)槠?車(chē)轉(zhuǎn)向操縱實(shí)驗(yàn)提供模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
[0032] 2、本發(fā)明中的模擬駕駛臺(tái)架采用可調(diào)式設(shè)計(jì)，可自由調(diào)整駕駛坐姿，充分發(fā)揮了 硬件系統(tǒng)的柔性，能夠?yàn)轳{駛艙布局及駕駛者姿態(tài)研究提供有利條件。
[0033] 3、本發(fā)明中路感電機(jī)通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào) 實(shí)時(shí)調(diào)整路感電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而提供了實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱觸覺(jué)反饋，該反饋的強(qiáng)度變化 區(qū)間及變化趨勢(shì)可自由調(diào)整，能夠?yàn)轳{駛者轉(zhuǎn)向操縱的觸覺(jué)偏好及駕駛疲勞研究提供支 持。
[0034] 4、本發(fā)明中的視景控制以二自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型為依據(jù)，利用實(shí)時(shí)的車(chē)速和轉(zhuǎn) 向盤(pán)轉(zhuǎn)角計(jì)算車(chē)輛的側(cè)向移動(dòng)速度及橫擺角速度，進(jìn)而控制虛擬駕駛場(chǎng)景中汽車(chē)模型的運(yùn) 動(dòng);綜合考慮了整車(chē)質(zhì)量、前后輪的線性側(cè)偏剛度、車(chē)輛質(zhì)心至前后軸的距離、整車(chē)?yán)@豎直 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比等汽車(chē)及其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)對(duì)于轉(zhuǎn)向操縱響 應(yīng)的影響，能夠逼真的模擬不同類(lèi)型車(chē)輛的實(shí)車(chē)駕駛視覺(jué)感受，且視景中的道路條件可以 根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行自由調(diào)整，充分發(fā)揮了系統(tǒng)的柔性。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1為本發(fā)明多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)架圖；
[0036]圖2為本發(fā)明多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)施例圖；
[0037] 圖3為本發(fā)明中模擬駕駛基礎(chǔ)視景示意圖；
[0038] 附圖標(biāo)號(hào)：1"L"型底座，2汽車(chē)座椅，3踏板，4轉(zhuǎn)向器支架，5路感電機(jī)，6雙膜片聯(lián)軸 器，7轉(zhuǎn)向柱，8轉(zhuǎn)向盤(pán)，9角度編碼器，10扭矩傳感器，11直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和多功能數(shù)據(jù)采 集卡，12計(jì)算機(jī)主機(jī)，13顯示設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】
[0039]本實(shí)施例中，一種多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)，是應(yīng)用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向操 縱模擬實(shí)驗(yàn)，其組成包括:模擬駕駛臺(tái)架、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)部組成及聯(lián) 系如圖1所示。
[0040]各主要部件的安裝位置及可調(diào)性示意如圖2所示。模擬駕駛臺(tái)架包括：由水平板和 傾斜板構(gòu)成的"L"型底座1、汽車(chē)座椅2、踏板3、轉(zhuǎn)向器支架4和轉(zhuǎn)向器。其中，轉(zhuǎn)向器由路感 電機(jī)5、雙膜片聯(lián)軸器6、轉(zhuǎn)向柱7及轉(zhuǎn)向盤(pán)8依次連接而成。路感電機(jī)5是帶有減速器的低速 直流電機(jī)，為轉(zhuǎn)向盤(pán)8提供回正力矩，以模擬駕駛路感。利用雙膜片聯(lián)軸器將路感電機(jī)5的輸 出軸和轉(zhuǎn)向柱7連接在一起，補(bǔ)償兩軸線的不對(duì)中性，有效傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并起到減震作用。
[0041]數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括：角度編碼器9、扭矩傳感器10、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及其 相連的多功能數(shù)據(jù)采集卡11。
[0042]上位機(jī)系統(tǒng)包括:計(jì)算機(jī)主機(jī)12和顯示設(shè)備13?？梢圆捎闷胀ǖ挠?jì)算機(jī)顯示器、投 影儀以及數(shù)字頭盔等作為顯示設(shè)備13,用于實(shí)時(shí)顯示汽車(chē)駕駛的虛擬場(chǎng)景。
[0043] 在"L"型底座1的水平板的末端設(shè)置有可調(diào)汽車(chē)座椅2;在可調(diào)汽車(chē)座椅2的前方設(shè) 置有踏板3;在"L"型底座1的傾斜板頂部設(shè)置有轉(zhuǎn)向器支架4;轉(zhuǎn)向器固定在轉(zhuǎn)向器支架4 上。
[0044] 在路感電機(jī)5上設(shè)置有角度編碼器9;在轉(zhuǎn)向柱7和轉(zhuǎn)向盤(pán)8之間設(shè)置有扭矩傳感器 10。
[0045] 在"L"型底座1的前方設(shè)置有上位機(jī)系統(tǒng)。
[0046] 角度編碼器9通過(guò)測(cè)量電機(jī)輸出軸在減速前的轉(zhuǎn)角，結(jié)合減速比計(jì)算可得轉(zhuǎn)向盤(pán)8 的轉(zhuǎn)角信號(hào)，并通過(guò)多功能數(shù)據(jù)采集卡11傳遞給計(jì)算機(jī)主機(jī)12用于更新虛擬場(chǎng)景中汽車(chē)的 橫擺角速度。
[0047] 由計(jì)算機(jī)主機(jī)12根據(jù)所接收到的轉(zhuǎn)角信號(hào)判斷控制邏輯后，通過(guò)多功能數(shù)據(jù)采集 卡11輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)路感電機(jī)5。
[0048] 由扭矩傳感器10獲取轉(zhuǎn)向盤(pán)8的轉(zhuǎn)矩，即路感電機(jī)5的輸出轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)多功能數(shù) 據(jù)采集卡11傳遞給計(jì)算機(jī)主機(jī)12進(jìn)行存儲(chǔ);從而完成汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱的模擬與測(cè)試。
[0049] 使用多功能數(shù)據(jù)采集卡11，一方面對(duì)所采集到的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn) 而將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)主機(jī)12;另一方面根據(jù)計(jì)算機(jī)主機(jī)12對(duì)電機(jī)的控制指令輸出相應(yīng)的 脈沖寬度調(diào)制(pulse-width modulation，PWM)信號(hào)，傳遞給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。在路感電 機(jī)5的輸出轉(zhuǎn)矩與由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊所提供的電樞電流成正比，調(diào)整PWM輸出信號(hào)的占空比， 以控制電樞電流，進(jìn)而影響路感電機(jī)5的輸出轉(zhuǎn)矩。
[0050] 具體實(shí)施中，多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)硬件的可調(diào)性表現(xiàn)為："L"型 底座1的水平板和傾斜板為可伸縮式結(jié)構(gòu)，從而使得汽車(chē)座椅2、踏板3和轉(zhuǎn)向器之間的水平 距離及轉(zhuǎn)向器的高度可調(diào);轉(zhuǎn)向器支架4用于調(diào)整轉(zhuǎn)向器的傾斜角；踏板3的傾角可調(diào)，從而 配合座椅調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)駕駛坐姿的自由調(diào)整。
[0051]具體實(shí)施中，多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)中路感電機(jī)5的驅(qū)動(dòng)控制邏 輯為：
[0052]當(dāng)轉(zhuǎn)向器順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)角信號(hào)為正值，此時(shí)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出逆時(shí)針轉(zhuǎn) 動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給路感電機(jī)5;
[0053]當(dāng)轉(zhuǎn)向器逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)角信號(hào)為負(fù)值，此時(shí)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出逆時(shí)順轉(zhuǎn) 動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給路感電機(jī)5;
[0054]設(shè)置轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角閾值為9〇;
[0055] 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)8轉(zhuǎn)角信號(hào)的絕對(duì)值在0至0〇范圍內(nèi)變化時(shí)，路感電機(jī)5的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn) 角信號(hào)的絕對(duì)值成正比，根據(jù)參數(shù)設(shè)定可呈線性或非線性關(guān)系；
[0056] 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)8轉(zhuǎn)角信號(hào)的絕對(duì)值大于0〇變化時(shí)，路感電機(jī)5的輸出轉(zhuǎn)矩為一定值。 [0057] 通過(guò)以上驅(qū)動(dòng)控制邏輯實(shí)現(xiàn)汽車(chē)駕駛過(guò)程中的路感模擬，且可以通過(guò)改變參數(shù)進(jìn) 行調(diào)整。
[0058]本實(shí)施例中，一種多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)的視景控制方法是按如 下步驟進(jìn)行：
[0059]步驟1、利用式（1)設(shè)置虛擬場(chǎng)景與實(shí)物之間的比例值A(chǔ)，從而構(gòu)建汽車(chē)駕駛的虛擬 場(chǎng)景：
(1)
[0061 ]式（1)中，W表示實(shí)際車(chē)道寬度，W'表示虛擬車(chē)道寬度，w為實(shí)車(chē)寬度，w '為汽車(chē)模型 寬度，vx為實(shí)車(chē)車(chē)速，v ' x為模擬車(chē)速；
[0062]步驟2、利用式(2)所示的二自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，獲得實(shí)車(chē)質(zhì)心的側(cè)向速度v和 橫擺角速度r:
[0064] 式(2)中，m為實(shí)車(chē)質(zhì)量，vx為實(shí)車(chē)的實(shí)時(shí)車(chē)速，0為實(shí)車(chē)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，Cf、Cr分別為 實(shí)車(chē)前、后輪的線性側(cè)偏剛度，lf、l r分別為實(shí)車(chē)質(zhì)心至前、后軸的距離，Iz為實(shí)車(chē)?yán)@豎直軸 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，y為實(shí)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比，1>、f分別是7和^關(guān)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)；
[0065] 步驟3、實(shí)車(chē)的橫擺角速度r即為汽車(chē)模型的橫擺角速度;根據(jù)實(shí)車(chē)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)汽 車(chē)模型的模擬車(chē)速v ' x與橫擺角速度r進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)視景控制。
[0066] 顯示設(shè)備13所顯示的虛擬駕駛場(chǎng)景利用Unity3D平臺(tái)開(kāi)發(fā)，能夠通過(guò)調(diào)整公式(2) 中的參數(shù)，模擬具有不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征的車(chē)輛駕駛過(guò)程中的視覺(jué)場(chǎng)景。基礎(chǔ)的虛 擬駕駛場(chǎng)景如圖3所不，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS026022 "Road vehicles -Ergonomic aspects oftransport information and control systems-Simulated lane change test to assess in-vehicle secondary task demand"的要求，畫(huà)面主體是由白色虛線劃分為三車(chē) 道的公路，每隔一段距離就在公路兩邊設(shè)置變道指示牌，用以提示駕駛者根據(jù)要求變換車(chē) 道。虛擬駕駛場(chǎng)景中的道路條件可以自由設(shè)計(jì)和調(diào)整。
[0067]安裝于計(jì)算機(jī)主機(jī)12中的上位機(jī)軟件，集成了與多功能數(shù)據(jù)采集卡11進(jìn)行通訊和 視景控制功能，能夠同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制及視景模擬三方面的任務(wù)，模擬汽車(chē)駕駛 過(guò)程中的觸覺(jué)和視覺(jué)同步反饋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)，其特征是組成包括:模擬駕駛臺(tái)架、數(shù) 據(jù)采集與控制系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)； 所述模擬駕駛臺(tái)架包括：由水平板和傾斜板構(gòu)成的"L"型底座（1)、汽車(chē)座椅(2)、踏板 ⑶、轉(zhuǎn)向器支架⑷和轉(zhuǎn)向器，其中，所述轉(zhuǎn)向器由路感電機(jī)(5)、雙膜片聯(lián)軸器(6)、轉(zhuǎn)向柱 (7)及轉(zhuǎn)向盤(pán)(8)依次連接而成； 所述數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括：角度編碼器(9)、扭矩傳感器（10)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 及其相連的多功能數(shù)據(jù)采集卡(11); 所述上位機(jī)系統(tǒng)包括:計(jì)算機(jī)主機(jī)（12)和顯示設(shè)備（13);所述顯示設(shè)備（13)用于實(shí)時(shí) 顯示汽車(chē)駕駛的虛擬場(chǎng)景； 在所述"L"型底座（1)的水平板的末端設(shè)置有可調(diào)汽車(chē)座椅(2);在所述可調(diào)汽車(chē)座椅 (2)的前方設(shè)置有踏板(3);在所述"L"型底座（1)的傾斜板頂部設(shè)置有轉(zhuǎn)向器支架(4);在所 述轉(zhuǎn)向器支架(4)上設(shè)置有所述轉(zhuǎn)向器； 在所述路感電機(jī)(5)上設(shè)置有角度編碼器(9);在轉(zhuǎn)向柱(7)和轉(zhuǎn)向盤(pán)(8)之間設(shè)置有所 述扭矩傳感器(10); 在所述"L"型底座（1)的前方設(shè)置有所述上位機(jī)系統(tǒng)； 由所述角度編碼器(9)獲取所述轉(zhuǎn)向盤(pán)(8)的轉(zhuǎn)角信號(hào)，并通過(guò)所述多功能數(shù)據(jù)采集卡 (11)傳遞給所述計(jì)算機(jī)主機(jī)(12)用于更新所述虛擬場(chǎng)景中汽車(chē)的橫擺角速度； 由所述計(jì)算機(jī)主機(jī)（12)根據(jù)所接收到的轉(zhuǎn)角信號(hào)判斷控制邏輯后，通過(guò)所述多功能數(shù) 據(jù)采集卡(11)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)所述路感電機(jī)(5); 由所述扭矩傳感器（10)獲取所述轉(zhuǎn)向盤(pán)(8)的轉(zhuǎn)矩，即所述路感電機(jī)(5)的輸出轉(zhuǎn)矩， 并通過(guò)所述多功能數(shù)據(jù)采集卡（11)傳遞給所述計(jì)算機(jī)主機(jī)(12)進(jìn)行存儲(chǔ);從而完成汽車(chē)轉(zhuǎn) 向操縱的模擬與測(cè)試。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)，其特征是，所述"L" 型底座（1)的水平板和傾斜板為可伸縮式結(jié)構(gòu)，從而使得所述汽車(chē)座椅(2)、踏板(3)和轉(zhuǎn)向 器之間的水平距離可調(diào)、轉(zhuǎn)向器的高度可調(diào);所述轉(zhuǎn)向器支架(4)用于調(diào)整所述轉(zhuǎn)向器的傾 斜角;所述踏板(3)的傾角可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)駕駛坐姿的自由調(diào)整。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)，其特征是， 當(dāng)所述轉(zhuǎn)向器順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，所述轉(zhuǎn)角信號(hào)為正值，此時(shí)所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給所述路感電機(jī)(5); 當(dāng)所述轉(zhuǎn)向器逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，所述轉(zhuǎn)角信號(hào)為負(fù)值，此時(shí)所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出 逆時(shí)順轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給所述路感電機(jī)(5); 設(shè)置轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角閾值為θ〇， 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)(8)的轉(zhuǎn)角信號(hào)的絕對(duì)值在0至θ〇范圍內(nèi)變化時(shí)，所述路感電機(jī)(5)的輸出轉(zhuǎn)矩 與所述轉(zhuǎn)角信號(hào)的絕對(duì)值成正比； 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)(8)的轉(zhuǎn)角信號(hào)的絕對(duì)值大于Θ 〇變化時(shí)，所述路感電機(jī)(5)的輸出轉(zhuǎn)矩為一定 值；由所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)汽車(chē)駕駛路感的模擬。4. 一種多維可調(diào)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱模擬與測(cè)試系統(tǒng)的視景控制方法，其特征是按如下步驟 進(jìn)行： 步驟1、利用式（1)設(shè)置虛擬場(chǎng)景與實(shí)物之間的比例值λ，從而構(gòu)建汽車(chē)駕駛的虛擬場(chǎng) (I) 景：式（1)中，W表示實(shí)際車(chē)道寬度，W'表示虛擬車(chē)道寬度，W為實(shí)車(chē)寬度，W'為汽車(chē)模型寬 度，Vx為實(shí)車(chē)車(chē)速，V ' X為模擬車(chē)速； 步驟2、利用式(2)所示的二自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，獲得實(shí)車(chē)質(zhì)心的側(cè)向速度V和橫擺 角速度r:(2) 式(2)中，m為實(shí)車(chē)質(zhì)量，Vx為實(shí)車(chē)的實(shí)時(shí)車(chē)速，Θ為實(shí)車(chē)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，Cf、Cr分別為實(shí)車(chē) 前、后輪的線性側(cè)偏剛度，lf、lr分別為實(shí)車(chē)質(zhì)心至前、后軸的距離，Iz為實(shí)車(chē)?yán)@豎直軸的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量，γ為實(shí)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比，?·、P分別是V和r關(guān)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)； 步驟3、所述實(shí)車(chē)的橫擺角速度r即為汽車(chē)模型的橫擺角速度;根據(jù)實(shí)車(chē)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)所 述汽車(chē)模型的模擬車(chē)速V ' x與所述橫擺角速度r進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)視景控制。
【文檔編號(hào)】G09B9/04GK105894889SQ201610305769
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年5月9日
【發(fā)明人】劉明周, 張淼, 扈靜, 劉正瓊, 葛茂根, 張銘鑫, 凌琳, 張璽, 王小巧
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)