專利名稱：互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及汽車駕駛模擬器的控制技術，特別是指一種互動型汽車駕駛模擬器的 電子控制系統(tǒng)及方法。
背景技術：
汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車的駕駛操縱動作，獲得實車駕駛感覺的仿 真系統(tǒng)。目前的汽車駕駛模擬器集合了傳感器、計算機三維實時動畫、計算機接口、人工智 能、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡、多媒體等多種先進技術，主要用于駕駛員的培訓，也可以對微觀交通進 行仿真，對汽車的控制特性進行研究。汽車駕駛模擬器具有安全性高、再現(xiàn)性好的特點。利 用駕駛模擬器來進行研究和訓練，可方便地模擬各種道路環(huán)境、天氣狀況，分析汽車的技術 性能指標，從而可以節(jié)省大量的自然資源，具有很高的經(jīng)濟價值。在汽車駕駛模擬器中，傳感控制系統(tǒng)的性能直接影響到整個汽車駕駛模擬系統(tǒng)的 交互性和實時性，是衡量汽車駕駛模擬器實用性能的重要指標。傳感控制系統(tǒng)主要由各種 傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、以及接口電路等組成。其中，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)是整個傳 感控制系統(tǒng)的核心。目前，很多汽車駕駛模擬器采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)操縱數(shù)據(jù)的采集，這種 基于數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)成本相對較高，采集模擬量時不是很穩(wěn)定，必須在 仿真程序中采用專門的算法對模擬量進行處理，同時接口的數(shù)量也很有限，這為后續(xù)的開 發(fā)帶來了一些困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)及 方法，以使模擬器的模擬功能更強大，具有更逼真的模擬實車環(huán)境，降低生產(chǎn)成本低，提高 產(chǎn)品的成品率，使維修更方便，學員更容易在模擬學習中掌握實際駕駛中的感覺。為解決上述技術問題，本發(fā)明的實施例提供一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控 制系統(tǒng)，包括主控板，用于獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信 號，并通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控計算機根據(jù)所 述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；力反饋板，通過第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取方向盤的轉向角度、轉 向力矩的模擬信號及電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所 述主控板再傳送給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號 對方向盤及電機進行控制。其中，所述主控板包括三踏板電路，用于采集駕駛員的剎車踏板、油門踏板、離合踏板操縱數(shù)據(jù)；可編程控制器CPLD，用于采集駕駛員的點火、組合開關、變速器、安全帶及手制動 的操縱數(shù)據(jù)，并進行儀表顯示控制；
主控處理器，與所述三踏板電路和CPLD連接，用于獲取所述操縱數(shù)據(jù)，并對所述 操縱數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并通過所述主控處理器上的所述第一接口電路將所述 控制信號傳送給主控計算機。其中，所述主控板還包括電源管理電路，分別與所述CPLD和所述主控處理器連接，用于提供電壓和電流；檔位變速器電路，與所述CPLD連接，用于實時采集換檔位置數(shù)據(jù)，并將所述換檔 位置數(shù)據(jù)傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；組合開關電路，與所述CPLD連接，用于采集實車組合開關以及點火開關的操作數(shù) 據(jù)，并傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；儀表驅動電路，與所述CPLD連接，用于對LED背光燈和儀表進行控制。其中，所述三踏板電路采用非接觸式直線位移傳感器；所述檔位變速器電路采用 紅外對射管傳感器。其中，所述檔位變速器電路采用8對紅外對射管確定檔位位置，其中，在變速箱中 每個檔位上變速桿位置兩側設置一對紅外對射管，其中一只紅外對射管負責紅外線發(fā)射， 另一只負責紅外線接收。其中，所述第一接口電路為RS422接口電路。其中，所述力反饋板包括編碼器信號采集電路，用于采集方向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號；電機驅動-H橋電路，用于輸出電機控制信號；力反饋處理器，分別與所述編碼器信號采集電路和所述電機驅動-H橋電路連接， 并通過所述第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取所述編碼器信號采集電路采集的方 向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號和所述電機驅動-H橋電路采集的電機控制信號，并 通過所述第二接口電路傳送給所述主控板。其中，所述力反饋板還包括電源模塊，與所述力反饋處理器連接，用于提供電壓和電流；電流檢測電路，與所述力反饋處理器連接，用于對所述力反饋處理器進行電流檢 測，將電壓信號轉換為頻率信號。其中，所述編碼器信號采集電路采用A/D采樣，用運算放大器LM358放大信號。其中，所述第二接口電路為RS232接口電路。其中，所述三踏板電路包括連接器，連接到傳感器；所述連接器具有第一引腳、第二引腳和第三引腳，其中， 第一引腳與第一電容器連接，所述第一電容器的另一端接地并與一集成運算放大器的端連 接；所述連接器的第二引腳與第一電阻連接；所述連接器的第三引腳接地；第二電容器的一端接電源，另一端接地；所述第一電容器對傳感器電源進行濾波， 所述第二電容器對所述連接器傳輸過來的信號進行濾波；二極管的一端接地，另一端接電源；所述第一電阻的另一端與運算放大器的正極連接，該運算放大器的負極與該運算 放大器的輸出端連接，該運算放大器的輸出端與第二電阻連接；所述第一電阻、所述二極管 限制電壓輸入范圍；
第三電容器與運算放大器連接，為所述運算放大器的電源進行濾波；第二電阻還與第三電阻連接、第三電阻的另一端接地；所述第二電阻和所述第三電阻組成分壓電路，對輸入到ADC器器件的電壓降幅；所述第二電阻還與所述ADC器件連接；第四電容器與所述ADC器件連接，對ADC輸入信號進行濾波。本發(fā)明的實施例還提供一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制方法，應用于互動 型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括主控板和力反饋板，所述方法包括所述主控板獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信 號；所述主控板通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控 計算機根據(jù)所述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；所述力反饋板獲取方向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號及電機控制信號；所述力反饋板通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所述主控板再傳送 給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機 進行控制。本發(fā)明的上述技術方案的有益效果如下上述方案通過主控板根據(jù)駕駛員的操縱數(shù)據(jù)生成控制信號，并傳送給主控計算 機，并由所述主控計算機根據(jù)所述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和 位置進行控制；以及力反饋板獲取方向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號及電機控制信 號并傳送給所述主控板，并由所述主控板再傳送給所述主控計算機，由所述主控計算機根 據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機進行控制，可以使模擬器的模擬功能更強 大，具有更逼真的模擬實車環(huán)境，降低生產(chǎn)成本低，提高產(chǎn)品的成品率，使維修更方便，學員 更容易在模擬學習中掌握實際駕駛中的感覺。


圖1為本發(fā)明的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)結構框圖； 圖2為圖1所示系統(tǒng)中的主控板的組成框圖； 圖3為汽車駕駛模擬器主要的控制框圖； 圖4為紅外檔位檢測板原理框圖； 圖5為主控板的功能原理框圖； 圖6為圖1所示系統(tǒng)中的力反饋板的組成框圖； 圖7為力反饋板的具體實施例結構圖； 圖8為本發(fā)明的電子控制系統(tǒng)的一具體實現(xiàn)方式架構圖； 圖9為主控板的一具體實現(xiàn)方式圖； 圖10為三踏板信號采集電路； 圖11為編碼器角度信號采集電路； 圖12為電機驅動-H橋電路。
具體實施例方式為使本發(fā)明要解決的技術問題、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖及具 體實施例進行詳細描述。汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車的駕駛操縱動作，獲得實車駕駛感覺的仿 真系統(tǒng)。目前的汽車駕駛模擬器集合了傳感器、計算機三維實時動畫、計算機接口、人工智 能、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡、多媒體等多種先進技術，主要用于駕駛員的培訓，也可以對微觀交通進 行仿真，對汽車的控制特性進行研究[1]。汽車駕駛模擬器具有安全性高、再現(xiàn)性好的特點。 利用駕駛模擬器來進行研究和訓練，可方便地模擬各種道路環(huán)境、天氣狀況，分析汽車的技 術性能指標，從而可以節(jié)省大量的自然資源，具有很高的經(jīng)濟價值。在汽車駕駛模擬器中，傳感控制系統(tǒng)的性能直接影響到整個汽車駕駛模擬系統(tǒng)的 交互性和實時性，是衡量汽車駕駛模擬器實用性能的重要指標。傳感控制系統(tǒng)主要由各種 傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、以及接口電路等組成。其中，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)是整個傳 感控制系統(tǒng)的核心。目前，很多汽車駕駛模擬器采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)操縱數(shù)據(jù)的采集，這種 基于數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)成本相對較高，采集模擬量時不是很穩(wěn)定，必須在 仿真程序中采用專門的算法對模擬量進行處理，同時接口的數(shù)量也很有限，這為后續(xù)的開 發(fā)帶來了一些困難。而基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)雖然開發(fā)周期較長，但成本相對較低，接 口的可擴展性好，同時，模擬量和開關量的預處理工作也可以由單片機來完成，完全可以滿 足模擬器系統(tǒng)的交互性和實時性要求。下面介紹汽車駕駛模擬器單片機系統(tǒng)的設計思路。
在模擬汽車運動時，傳感器采集駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，通過接口電路對這些信號進 行放大和濾波，并對其中的模擬信號進行A/D轉換，最后單片機系統(tǒng)將控制信號通過RS232 接口傳送給主控計算機。在仿真程序中，計算機根據(jù)控制信號、汽車的運動狀態(tài)、駕駛操作 規(guī)則等來控制視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、評價系統(tǒng)。利用單片機系統(tǒng)驅動程序中相應 的功能函數(shù)，可以將單片機系統(tǒng)采集的信號轉換為控制汽車運動狀態(tài)和位置的參數(shù)。當駕 駛員進行模擬駕駛時，單片機系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)會根據(jù)駕駛員的駕駛操作實時地發(fā)生變化， 從而實現(xiàn)對駕駛模擬器視景系統(tǒng)中汽車運動狀態(tài)和位置的控制，控制系統(tǒng)的精度由仿真程 序內(nèi)部的算法保證。汽車駕駛過程的基本操縱部件是方向盤、油門、離合器、剎車和檔位，另外還有點 火開關、轉向指示燈等輔助性操縱部件。與實車駕駛相同，這些操縱部件的協(xié)同工作可以對 虛擬視景中的汽車模型進行控制，駕駛訓練者與視景的變化是實時的、交互的。駕駛訓練者 對操縱部件的操作通過傳感器被系統(tǒng)感知后，系統(tǒng)經(jīng)過處理和運算得到汽車模型的控制參 數(shù)，最后根據(jù)這些參數(shù)控制視景系統(tǒng)的渲染輸出，駕駛訓練者就在虛擬視景中實時地觀察 到所駕駛車輛的運行情況。如圖1所示，為本發(fā)明的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)主 要包括主控板，用于獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信 號，并通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控計算機根據(jù)所 述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；其中，所述第一接 口電路為RS422接口電路；力反饋板，通過第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取方向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號及電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所 述主控板再傳送給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號 對方向盤及電機進行控制；其中，該第二接口電路為RS232接口電路。其中，主控板的組成如圖2所示，所述主控板包括三踏板電路，用于采集駕駛員的剎車踏板、油門踏板、離合踏板操縱數(shù)據(jù)；可編程控制器CPLD，用于采集駕駛員的點火、組合開關、變速器、安全帶及手制動 的操縱數(shù)據(jù)，并進行儀表顯示控制；主控處理器，與所述CPLD連接，用于獲取所述三踏板電路采集的操縱數(shù)據(jù)和所述 CPLD采集的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操縱數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并通過所述主控處理器 上的所述第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機。進一步地，所述主控板還包括 電源管理電路，分別與所述CPLD和所述主控處理器連接，用于提供電壓和電流；檔位變速器電路，與所述CPLD連接，用于實時采集換檔位置數(shù)據(jù)，并將所述換檔 位置數(shù)據(jù)傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；組合開關電路，與所述CPLD連接，用于采集實車組合開關以及點火開關的操作數(shù) 據(jù)，并傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；儀表驅動電路，與所述CPLD連接，用于對LED背光燈和儀表進行控制。如圖3所示，汽車駕駛模擬器主要的控制框圖，其中汽車駕駛模擬器主要有方向 盤、離合器、制動器、油門、6個檔位、手剎等信號需要采集，使用的傳感器包括開關傳感器、 位移傳感器、角位移傳感器三類。方向盤采用角位移傳感器；離合器、剎車、油門采用位移傳 感器；點火、手剎、換檔等采用開關傳感器。其中，傳感器的選擇，主要考慮以下幾個方面方向盤的轉向角度采用實車轉向機，內(nèi)含磁角傳感器、力矩傳感器；離合器、剎車、油門三踏板采用非接觸式直線位移傳感器；檔位變速器電路采用紅外對射管傳感器；其中所述檔位變速器電路采用8對紅 外對射管確定檔位位置，其中，在變速箱中每個檔位上變速桿位置兩側設置一對紅外對射 管，其中一只紅外對射管負責紅外線發(fā)射，另一只負責紅外線接收，變速桿在換檔過程中， 將會遮擋相應檔位的紅外接收管，從而完成信號采集，原理如圖4所示。其他全部采用實車部件，包括方向盤、組合開關、手制動(手剎)、安全帶。在硬件電路設計方面如圖5所示，為主控板功能原理框圖汽車駕駛模擬器傳感控制系統(tǒng)需要完成開 關量和模擬量的采集與處理，指示燈與儀表的顯示控制，以及與主控計算機之間進行數(shù)據(jù) 傳輸?shù)裙δ?。根?jù)以上要求，主控芯片選用32位高性能Cortex-M3內(nèi)核的ARM單片機及 CPLD, ARM單片機負責三踏板模擬信號采集、力反饋板的通信以及與計算機的通信，CPLD用 于IO功能擴展，完成檔位、組合開關、點火開關、手制動、安全帶的信號采集和實車儀表的 控制。如圖6所示，所述力反饋板包括編碼器信號采集電路，用于采集方向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號；電機驅動-H橋電路，用于輸出電機控制信號；
力反饋處理器，分別與所述編碼器信號采集電路和所述電機驅動-H橋電路連接， 并通過所述第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取所述編碼器信號采集電路采集的方 向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號和所述電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳 送給所述主控板。進一步的，所述力反饋板還包括電源模塊，與所述力反饋處理器連接，用于提供電壓和電流；電流檢測電路，與所述力反饋處理器連接，用于對所述力反饋處理器進行電流檢 測，將電壓信號轉換為頻率信號。其中，所述編碼器信號采集電路采用A/D (模擬/數(shù)字)采樣，用運算放大器LM358 放大信號。如圖7所示，為力反饋板原理框圖力反饋板用于完成轉向角度、轉向力矩的模擬 信號采集及力反饋電機的控制，主控芯片選擇AVR單片機，內(nèi)置10位AD，完成角度、力矩信 號及電機驅動電流的采集，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，可完成測量范圍-55 125°C、 測量精度0. 0625°C的溫度采集。通過溫度傳感器及電流采樣電路，可完成過流、過熱保護， 通過蜂鳴器完成過流過熱報警。采用PWM技術，可實現(xiàn)電機電壓控制范圍-VDD +VDD，達 到電機正反轉及力矩控制的目的。圖8為主控板和力反饋板組成的系統(tǒng)的一具體原理實現(xiàn)圖，其中組合了上述主控 板的功能原理和力反饋板的功能原理。圖9為上述主控板的一具體實施例示意圖。主控板采用USB-422接口與上位機通信，實現(xiàn)主控板信息上傳與控制，波特率采 用57600，減少數(shù)據(jù)幀發(fā)送周期，保證信息上傳時間不超過50ms。主控板功能包括三踏板傳感器的采集；I/O信號采集負責組合開關、點火開關、 手制動檔位及手剎模塊、儀表驅動模塊、安全帶采集模塊、力反饋通信接口。力反饋板功能包括方向盤角度信號采集模塊、電機驅動模塊、溫度信號采集，電流 檢測等模塊。檔位板主要功能是實時采集檔位傳感器信號，通過主控板發(fā)送到主機控制。采用CPLD (可編程控制器)擴展輸入IO 40個、輸出IO 32個。PWM輸出8路。腳踏板A/D采樣采用12位A/D，采用電位器，實現(xiàn)電壓值實時采樣。三踏板接口采用3個AD 口實時采集離合、油門、剎車信號。如圖10所示，為三踏板信號采集電路，總共包含六路信號采集(剎車踏板信號、油 門踏板信號、離合踏板信號)，預留三路；其中連接器JI連接到傳感器；連接器JI具有第一 引腳1、第二引腳2和第三引腳3 ；第一引腳1與第一電容器C4連接，第一電容器C4的另一 端接地并與一集成運算放大器的端4連接；第二電容器C3的一端接電源，另一端接地；連 接器Jl的第二引腳2與第一電阻Rl連接；連接器Jl的第三引腳接地；第一電容器C4對傳 感器電源進行濾波、第二電容器C3對連接器傳輸過來的信號進行濾波；二極管Dl的一端接 地，另一端接電源(如+5V電源)；第一電阻Rl的另一端與運算放大器Ul的正極3連接， 該運算放大器的負極2與該運算放大器的輸出端1連接，該運算放大器的輸出端1與第二 電阻R3連接；第一電阻R1、二極管Dl限制電壓輸入范圍，保證Ul輸入電壓范圍為0 5V， Ul為集成運算放大器，實現(xiàn)電壓跟隨電路，提供高輸入阻抗；第三電容器Cl與運算放大器Ul連接，為運算放大器Ul的電源進行濾波；第二電阻R3還與第三電阻R5連接、第三電阻 R5的另一端接地，第二電阻R3、第三電阻R5組成分壓電路，對輸入到ADC的電壓降幅；第二 電阻R3還與ADC器件連接，第四電容器C7與ADC器件連接，對ADC輸入信號進行濾波。檔位接口采用8個IO 口實時采集換檔位置數(shù)據(jù)，變速器采集模塊與主控板I/O采 集接口連接，當有檔位使能動作時，主控處理器要實時采集到變速器的使能動作，組合開關采用IO按鍵方式。實現(xiàn)仿真實車組合開關及點火開關的操作功能，組合 開關及點火開關做使能時，主控板要實時采集到使能動作。安全帶和手剎采用IO檢測方式，安全帶和手剎開關做使能時，主控板要實時采集 到使能動作。主控板電源采用大車小車12V)供電，這個系統(tǒng)工作功率為12W左右；儀表驅動包括LED背光燈控制和轉速表、里程表、油溫表等控制，背光燈LED采用 IO控制，儀表采用PWM控制控制，通過調整PWM占空比和頻率大小驅動儀表。其中，電源模塊(線性電源)，本系統(tǒng)CPU供電采用MV (小車12V)開關電源供電， 24V經(jīng)過LM2596降壓到5V，3. 3V電源由AMEll 17-3V3產(chǎn)生。儀表采用24V(小車12V)供 電；電控系統(tǒng)采用交流220V供電，采用24V開關電源給主控板供電和采用12V開關電源給 力反饋板供電。檔位變速器、組合開關、點火開關、手剎、安全帶均采用IO模式，實時監(jiān)測開關量 變化情況。其中，儀表控制電路模塊，儀表驅動電路包括LED背光控制電路和轉動儀表控制 電路。LED背光燈由IO控制MOS管開關電流，實現(xiàn)LED燈的實時控制。轉動儀表包括轉速 表、里程表、水溫表、油壓表、油量表。其中轉速表、里程表采用可編程頻率控制。水溫表、油 壓表、油量表采用PWM控制。力反饋板功能包括方向盤角度信號采集模塊、電機轉向驅動模塊、溫度信號采集， 電流檢測等模塊。方向盤角度信號采集采用10位A/D采樣，實現(xiàn)電壓值實時采樣。從而確定方向盤 旋轉角度及當前位置。如圖11所示，為編碼器角度信號采集電路，編碼器角度傳感器和力矩傳感器采用 A/D采樣，用運放LM358放大信號，其中連接器SENSOR連接到力反饋轉向機，Degreekns0L Main為傳感器角度輸出信號，直接連接到單片機A/D輸入口，TorqueSensorU TorqueSensor2為傳感器力矩輸出信號，通過運放U4放大及電容C18/C19濾波后輸入到單 片機A/D輸入口，Q1、Q2實現(xiàn)相關電平控制。電機力反饋控制采用N溝道增強型場效應管構建H橋，實現(xiàn)大功率直流電機驅動 控制。驅動電路能夠滿足各種類型直流電機需求，并具有快速、精確、高效等特點，直接與8 位AVR微處理器接口，應用PWM技術實現(xiàn)直流電機調速控制。方向盤數(shù)據(jù)采集及力反饋控 制功能由力反饋板實現(xiàn)，方向盤采集模塊采用編碼器采集方向盤角度信號，H橋電路控制電 機力反饋。角度信號采集精度達到0.5度。力反饋板和主控板接口采用RS232通信方式。如圖12所示，為電機驅動-H橋電路，電機驅動采用PWM技術控制，外部輸入系統(tǒng) 電源為12v，電機驅動采用采用N溝道增強型場效應管構建H橋，實現(xiàn)大功率直流電機驅動 控制，帶電流檢測保護功能。直流電機驅動控制電路分為光電隔離電路、電機驅動邏輯電路、驅動信號放大電路、H橋功率驅動電路等三部分。其中P麗、LH_EN、LL_EN、RH_EN、RL_ EN直接由單片機相應的控制輸出腳，PWM為脈沖信號，用于電機電壓輸出幅度控制、LH_EN/ LL_EN/RH_EN/RL_EN為場效應管Q5/Q12/Q11/Q7的開關信號，用于電機電壓輸出方向控制， U16/U17為場效應管驅動芯片，提供場效應管開關所需要的電壓信號，L15/C47/C48串聯(lián) 后再并聯(lián)到電機輸入電源兩端，用來提高低電壓時電機的輸出力矩，D13/D14用來提供對 C47/C48的正反向電壓隔離保護，U11/U12為光耦電路，實現(xiàn)5V/12V的電壓隔離。電機驅動控制電路的外圍接口簡單。其主要控制信號有電機運轉方向信號、電機 調速信號PWM，將驅動回路與控制回路電氣隔離，減少驅動控制電路對外部控制電路的干 擾。H橋驅動器采用美國頂公司生產(chǎn)的頂2110驅動器。頂2110體積小、集成度高、響應快、 偏值電壓高、驅動能力強、內(nèi)設欠壓封鎖，易于調試。采用2片頂2110驅動兩個橋臂，上管 驅動采用外部自舉電容上電。隔離后的控制信號經(jīng)電機驅動邏輯電路產(chǎn)生電機邏輯控制信 號，分別控制H橋的上下臂控制驅動直流電機。在軟件系統(tǒng)設計方面汽車駕駛模擬器單片機軟件系統(tǒng)需要完成模擬量和開關量的采集和處理、串行數(shù) 據(jù)的發(fā)送與接收、控制信號的輸出與顯示、故障的監(jiān)控與保護等功能。軟件采用模塊化設計 思想，通過匯編語言編制而成，主要由主程序、定時器中斷服務程序、串行口中斷服務程序、 數(shù)據(jù)采集和處理程序、信號的輸出與顯示程序等幾部分構成。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化工作；定時器中斷服務程序主要完成看門狗功能， 在單片機發(fā)生異常情況時，能使程序及時復位，保證單片機系統(tǒng)能夠正常工作；串行口中斷 服務程序主要實現(xiàn)單片機與主控計算機之間的通訊；數(shù)據(jù)采集和處理程序主要完成模擬量 和開關量的采集，獲取駕駛員的操控數(shù)據(jù)；信號的輸出與顯示程序將主控計算機的控制信 息傳送給單片機，用于控制指示燈和儀表的顯示輸出。力反饋板采用μ C/0S實時多任務操作系統(tǒng)軟件，設置溫度采集任務、力矩采集任 務、角度采集任務、電流采集任務、電機控制任務、通訊中斷任務；可實時交替地進行任務管 理，從而迅速地進行各種信號采集與控制響應?；有推囻{駛模擬器的電子控制系統(tǒng)的硬件設計詳細說明互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)檔位采集、角度采集、組合開關及點 火開關采集、三踏板采集，手制動采集，儀表驅動。并將這些采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā) 送到電腦之中。性能可靠，兼容性強，生產(chǎn)維護簡單，價格便宜，經(jīng)久耐用。其中，主控板是整機系統(tǒng)中的核心板卡，其功能涵蓋了腳踏板A/D采樣、變速器檔 位信號采樣、組合開關信號檢測、點火開關信號檢測、手剎安全帶信號檢測、儀表控制、LED 指示燈。與此同時，本發(fā)明的實施例還提供互動型汽車駕駛模擬器的電子控制方法，應用 于互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括主控板和力反饋板，所述方法包 括所述主控板獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信 號；所述主控板通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控 計算機根據(jù)所述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；
所述力反饋板獲取方向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號及電機控制信號；所述力反饋板通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所述主控板再傳送 給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機 進行控制。需要說明的是上述系統(tǒng)中的技術特征均適應用于該方法實施例中，也能達到相 同的技術效果，在此不再贅述。以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控板，用于獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并 通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控計算機根據(jù)所述控制 信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；力反饋板，通過第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取方向盤的轉向角度、轉向力 矩的模擬信號及電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所述主 控板再傳送給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方 向盤及電機進行控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 主控板包括三踏板電路，用于采集駕駛員的剎車踏板、油門踏板、離合踏板操縱數(shù)據(jù)； 可編程控制器CPLD，用于采集駕駛員的點火、組合開關、變速器、安全帶及手制動的操 縱數(shù)據(jù)，并進行儀表顯示控制；主控處理器，與所述三踏板電路和CPLD連接，用于獲取所述操縱數(shù)據(jù)，并對所述操縱 數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并通過所述主控處理器上的所述第一接口電路將所述控制 信號傳送給主控計算機。
3.根據(jù)權利要求2所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 主控板還包括電源管理電路，分別與所述CPLD和所述主控處理器連接，用于提供電壓和電流； 檔位變速器電路，與所述CPLD連接，用于實時采集換檔位置數(shù)據(jù)，并將所述換檔位置 數(shù)據(jù)傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；組合開關電路，與所述CPLD連接，用于采集實車組合開關以及點火開關的操作數(shù)據(jù)， 并傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；儀表驅動電路，與所述CPLD連接，用于對LED背光燈和儀表進行控制。
4.根據(jù)權利要求3所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 三踏板電路采用非接觸式直線位移傳感器；所述檔位變速器電路采用紅外對射管傳感器。
5.根據(jù)權利要求4所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 檔位變速器電路采用8對紅外對射管確定檔位位置，其中，在變速箱中每個檔位上變速桿 位置兩側設置一對紅外對射管，其中一只紅外對射管負責紅外線發(fā)射，另一只負責紅外線 接收。
6.根據(jù)權利要求1所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 第一接口電路為RS422接口電路。
7.根據(jù)權利要求1所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 力反饋板包括編碼器信號采集電路，用于采集方向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號； 電機驅動-H橋電路，用于輸出電機控制信號；力反饋處理器，分別與所述編碼器信號采集電路和所述電機驅動-H橋電路連接，并通 過所述第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取所述編碼器信號采集電路采集的方向盤 的轉向角度、轉向力矩的模擬信號和所述電機驅動-H橋電路采集的電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳送給所述主控板。
8.根據(jù)權利要求7所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 力反饋板還包括電源模塊，與所述力反饋處理器連接，用于提供電壓和電流；電流檢測電路，與所述力反饋處理器連接，用于對所述力反饋處理器進行電流檢測，將 電壓信號轉換為頻率信號。
9.根據(jù)權利要求8所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 編碼器信號采集電路采用A/D采樣，用運算放大器LM358放大信號。
10.根據(jù)權利要求7所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 第二接口電路為RS232接口電路。
11.根據(jù)權利要求2所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 三踏板電路包括連接器，連接到傳感器；所述連接器具有第一引腳、第二引腳和第三引腳，其中，第一引 腳與第一電容器連接，所述第一電容器的另一端接地并與一集成運算放大器的端連接；所 述連接器的第二引腳與第一電阻連接；所述連接器的第三引腳接地；第二電容器的一端接電源，另一端接地；所述第一電容器對傳感器電源進行濾波，所述 第二電容器對所述連接器傳輸過來的信號進行濾波； 二極管的一端接地，另一端接電源；所述第一電阻的另一端與運算放大器的正極連接，該運算放大器的負極與該運算放大 器的輸出端連接，該運算放大器的輸出端與第二電阻連接；所述第一電阻、所述二極管限制 電壓輸入范圍；第三電容器與運算放大器連接，為所述運算放大器的電源進行濾波； 第二電阻還與第三電阻連接、第三電阻的另一端接地；所述第二電阻和所述第三電阻組成分壓電路，對輸入到ADC器器件的電壓降幅；所述第二電阻還與所述ADC器件連接；第四電容器與所述ADC器件連接，對ADC輸入信號進行濾波。
12.—種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制方法，應用于互動型汽車駕駛模擬器的電 子控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括主控板和力反饋板，其特征在于，所述方法包括所述主控板獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號； 所述主控板通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控計算 機根據(jù)所述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制； 所述力反饋板獲取方向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號及電機控制信號； 所述力反饋板通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所述主控板再傳送給所 述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機進行 控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)及方法，其中系統(tǒng)包括主控板，用于獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并通過第一接口電路將控制信號傳送給主控計算機，并由主控計算機根據(jù)控制信號，對模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；力反饋板，通過第二接口電路與主控板連接，用于獲取方向盤的轉向角度、轉向力矩的模擬信號及電機控制信號，并通過第二接口電路傳送給主控板，并由主控板再傳送給主控計算機，由主控計算機根據(jù)模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機進行控制。本發(fā)明的方案可以使模擬器的模擬功能更強大。
文檔編號G05B17/02GK102087507SQ201110041768
公開日2011年6月8日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權日2010年12月31日
發(fā)明者于曉輝 申請人:北京宣愛智能模擬技術有限公司