專利名稱：應(yīng)用于駕駛模擬器的力反饋轉(zhuǎn)向盤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力反饋轉(zhuǎn)向盤裝置，尤其是涉及一種應(yīng)用于駕駛模擬器的力反饋 轉(zhuǎn)向盤裝置。
背景技術(shù)：
車輛模擬器在駕駛員培訓(xùn)中的應(yīng)用越來越普遍，車輛駕駛模擬器通過視景顯示、 音效、虛擬操縱系統(tǒng)等創(chuàng)造出一種與實(shí)際相近的駕駛狀況，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬 駕駛的顯示效果已經(jīng)比較接近真實(shí)，但是逼真的駕駛狀況不僅僅是視景效果，還應(yīng)該包括 力感反饋。真實(shí)狀況下，車輛在行駛過程中，由于車輛的行駛狀態(tài)、路面狀況以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn) 角的變化，其轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤所需要的力也不同，這是由于路面對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的反作用、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 的摩擦力以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的，因此力感反饋的應(yīng)用可以使虛擬駕駛更接近真 實(shí)狀況。一般的車輛駕駛模擬器其轉(zhuǎn)向盤是通過彈簧或者扭簧來回正，這種轉(zhuǎn)向盤機(jī)構(gòu)雖 然能模擬簡(jiǎn)單的回正力矩，但是其回正力矩是固定的比例關(guān)系，并不能隨著車輛行駛情況 的變化而變化，其反饋力矩僅同轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，不能反映真實(shí)的駕駛狀況。目前市場(chǎng)上有較多的游戲方向盤在售，較高級(jí)的游戲方向盤也提供力反饋的力感 模擬，但其僅通過一個(gè)減速電機(jī)來產(chǎn)生反饋力，其力反饋效果完全由電機(jī)實(shí)現(xiàn)，不能模擬所 有的力，比如摩擦力。另外其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反饋力矩較小，一般不超過IN · m,因此只適合于游 戲玩家在家庭PC上娛樂。目前，專業(yè)駕駛訓(xùn)練模擬器對(duì)力感反饋的要求越來越高，特別是重型工程車輛和 軍用車輛駕駛員訓(xùn)練模擬器，這些模擬器要求模擬效果真實(shí)、反饋力矩大，最大反饋力矩要 求在ION · m以上。為了能較真實(shí)地模擬轉(zhuǎn)向盤的力感，常采用轉(zhuǎn)速和力矩可比例控制的伺服電機(jī)， 但由于在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，常常需要電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)和強(qiáng)制反轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)反饋力矩要求較 大時(shí)，所需電機(jī)功率也需要增大，一般伺服電機(jī)很容易發(fā)熱燒毀。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)專業(yè)駕駛訓(xùn)練模擬器，特別是重型工程車輛和軍用車輛駕駛員訓(xùn)練模擬器的 特殊要求，本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于車輛模擬器的力反饋轉(zhuǎn)向盤裝置，通過采用 力矩電機(jī)、磁粉制動(dòng)器和彈簧力的組合來模擬反饋力感，，可以大幅提高模擬力矩的范圍， 在無需增加散熱條件的情況下較容易地實(shí)現(xiàn)ION · m以上的反饋力矩要求。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是力矩電機(jī)和減速機(jī)固定在電機(jī)底座上，電機(jī)底座固定在模擬器底座上，減速機(jī)的 伸出軸通過第一彈性聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸的一端連接，光電編碼器套在傳動(dòng)軸的中部，固定傳 動(dòng)軸上，傳動(dòng)軸的中部另外通過鍵連接磁粉制動(dòng)器，磁粉制動(dòng)器固定在制動(dòng)器底座上，光電 編碼器固定在制動(dòng)器底座的另一側(cè)，制動(dòng)器底座固定在模擬器底座上，圓盤套在傳動(dòng)軸上與軸固定，兩根拉伸彈簧的一端通過掛鉤懸掛于掛架上，掛架固定在模擬器底座上，其中一 根拉伸彈簧的另一端與鋼絲繩的一端連接，鋼絲繩在圓盤圓柱面上的凹槽里卷繞以后，鋼 絲繩的另一端與另一根拉伸彈簧的另一端連接，傳動(dòng)軸另一端通過第二彈性聯(lián)軸器與扭矩 傳感器一伸出端連接，扭矩傳感器另一伸出端與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)軸通過第三彈性聯(lián)軸器連接，轉(zhuǎn) 向盤轉(zhuǎn)軸穿過滾動(dòng)軸承內(nèi)孔，滾動(dòng)軸承固定在轉(zhuǎn)向盤面板上，轉(zhuǎn)向盤面板固定在模擬器底 座上。本發(fā)明具有的有益效果是1、力矩電機(jī)可以提供較大的反饋力矩，并且可以長(zhǎng)時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)， 其功率大小合適，不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，力矩電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器配合使用，可實(shí)現(xiàn)反饋力矩的 精確控制。2、磁粉制動(dòng)器可以真實(shí)地模擬車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的摩擦力，并且和力矩電機(jī)配合提 供更大的反饋力矩。3、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，使用壽命長(zhǎng)，反饋力矩大，適用于重型工程車輛及軍用車輛的高 級(jí)駕駛模擬器的力反饋轉(zhuǎn)向盤裝置。
圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是圖1沿軸向的剖視圖。圖3是本發(fā)明控制原理框圖。圖中1、模擬器底座，2、力矩電機(jī)，3、減速機(jī)，4、電機(jī)底座，5、彈性聯(lián)軸器，6、光電 編碼器，7、制動(dòng)器底座，8、磁粉制動(dòng)器，9、傳動(dòng)軸，10、緊定螺釘，11、圓盤，12、拉伸彈簧，13、 鋼絲繩，14、掛架，15、彈性聯(lián)軸器，16、扭矩傳感器，17、傳感器墊板，18、彈性聯(lián)軸器，19、滾 動(dòng)軸承，20、轉(zhuǎn)向盤面板，21、轉(zhuǎn)向盤，22、PC計(jì)算機(jī)，23、控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。如圖1、圖2所示，力矩電機(jī)2和減速機(jī)3通過螺栓固定在電機(jī)底座4上，電機(jī)底座 4固定在模擬器底座1上，減速機(jī)3的伸出軸通過第一彈性聯(lián)軸器5與傳動(dòng)軸9的一端連 接，光電編碼器6通過內(nèi)孔套在傳動(dòng)軸9的中部，并以一枚緊定螺釘固定傳動(dòng)軸9上，傳動(dòng) 軸9的中部另外通過鍵連接磁粉制動(dòng)器8，磁粉制動(dòng)器8通過螺釘固定在制動(dòng)器底座7上， 光電編碼器6通過螺釘固定在制動(dòng)器底座7的另一側(cè)，制動(dòng)器底座7固定在模擬器底座1 上，圓盤11通過內(nèi)孔套在傳動(dòng)軸9上，圓盤11的臺(tái)階上鉆有兩個(gè)間隔90度的螺紋孔，螺紋 孔內(nèi)擰入兩枚緊定螺釘10與軸固定，兩根拉伸彈簧12的一端通過掛鉤懸掛于掛架14上， 掛架14固定在模擬器底座1上，其中一根拉伸彈簧12的另一端與鋼絲繩13的一端連接， 鋼絲繩I3在圓盤11圓柱面上的凹槽里卷繞以后，鋼絲繩13的另一端與另一根拉伸彈簧12 的另一端連接，傳動(dòng)軸9另一端通過第二彈性聯(lián)軸器15與扭矩傳感器16 —伸出端連接，扭 矩傳感器16另一伸出端與轉(zhuǎn)向盤21轉(zhuǎn)軸通過第三彈性聯(lián)軸器18連接，17為傳感器墊板， 轉(zhuǎn)向盤21轉(zhuǎn)軸穿過滾動(dòng)軸承19內(nèi)孔，滾動(dòng)軸承19通過螺栓固定在轉(zhuǎn)向盤面板20上，轉(zhuǎn)向 盤面板20固定在模擬器底座1上。
本發(fā)明的工作方式為如圖3所示，系統(tǒng)開啟后，光電編碼器6將當(dāng)前位置設(shè)定為中間位置，當(dāng)駕駛員的 作用力矩作用在轉(zhuǎn)向盤21上后，轉(zhuǎn)向盤21轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器6將得到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)發(fā) 送到控制系統(tǒng)23的輸入端，控制系統(tǒng)23對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算后，得出轉(zhuǎn)向盤21的轉(zhuǎn) 角和轉(zhuǎn)速，然后控制系統(tǒng)通過串口通信向PC計(jì)算機(jī)22發(fā)送轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，PC計(jì)算機(jī)得到轉(zhuǎn)角 信號(hào)后控制虛擬車輛模型在虛擬視景中的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制系統(tǒng)從PC計(jì)算機(jī)22接收虛擬駕 駛中的車輛行駛狀況，如車輛速度、路面摩擦阻力、車輛助力系數(shù)等數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)23對(duì)以 上數(shù)據(jù)按一定函數(shù)關(guān)系計(jì)算出接近真實(shí)情況的轉(zhuǎn)向盤阻力矩，該函數(shù)關(guān)系可以表達(dá)為T = f ( δ , ω , ε , ν, Y )其中，δ為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，ω為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速，ε為路面綜合摩擦系數(shù)，ν為車速，Y 為車輛助力系數(shù)。計(jì)算所得的轉(zhuǎn)向盤阻力矩T包括兩部分，一部分是摩擦力矩，另一部分是回正力 矩；摩擦力矩由磁粉制動(dòng)器8提供，根據(jù)磁粉制動(dòng)器8的參數(shù)，控制系統(tǒng)23計(jì)算出相應(yīng)的控 制信號(hào)，控制磁粉制動(dòng)器8產(chǎn)生摩擦力矩；回正力矩由力矩電機(jī)2和拉伸彈簧12共同提供， 其中拉伸彈簧12提供的回正力矩與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，且系數(shù)固定?？刂葡到y(tǒng)23根據(jù)回正力 矩大小向電機(jī)控制器發(fā)送控制信號(hào)，從而使力矩電機(jī)2和拉伸彈簧12共同產(chǎn)生相應(yīng)的回正 力矩。由力矩電機(jī)2、拉伸彈簧12、磁粉制動(dòng)器8綜合產(chǎn)生的反饋力矩作用在轉(zhuǎn)向盤21的 轉(zhuǎn)軸上，扭矩傳感器16將作用在轉(zhuǎn)向盤21上的實(shí)際力矩信號(hào)發(fā)送到控制系統(tǒng)23，控制系統(tǒng) 23將實(shí)際力矩和計(jì)算理論阻力矩比較，實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而使控制更加 精確。最終產(chǎn)生的反饋力矩由駕駛員通過手來感受，使駕駛員能感受到較真實(shí)的駕駛力感 反饋。以上整個(gè)控制過程以一定的頻率不斷刷新，控制系統(tǒng)23根據(jù)虛擬駕駛中的駕駛 狀況不斷計(jì)算并更新數(shù)據(jù)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向盤阻力矩的實(shí)時(shí)變化。系統(tǒng)結(jié)束后，由于對(duì)稱的兩根拉伸彈簧12的回復(fù)作用，最終拉伸彈簧12會(huì)恢復(fù)到 相同長(zhǎng)度，而連接它們的鋼絲繩13是卷繞在圓盤11上的，因此拉伸彈簧12通過鋼絲繩13 帶動(dòng)圓盤11、傳動(dòng)軸9，最終帶動(dòng)轉(zhuǎn)向盤21回復(fù)到對(duì)中位置，下次系統(tǒng)開啟時(shí)，將此位置作 為中間位置。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用于駕駛模擬器的力反饋轉(zhuǎn)向盤裝置，其特征在于力矩電機(jī)(2)和減速機(jī)(3)固定在電機(jī)底座(4)上，電機(jī)底座(4)固定在模擬器底座(1)上，減速機(jī)(3)的伸出軸通過第一彈性聯(lián)軸器(5)與傳動(dòng)軸(9)的一端連接，光電編碼器(6)套在傳動(dòng)軸(9)的中部，固定傳動(dòng)軸(9)上，傳動(dòng)軸(9)的中部另外通過鍵連接磁粉制動(dòng)器(8)，磁粉制動(dòng)器(8)固定在制動(dòng)器底座(7)上，光電編碼器(6)固定在制動(dòng)器底座(7)的另一側(cè)，制動(dòng)器底座(7)固定在模擬器底座(1)上，圓盤(11)套在傳動(dòng)軸(9)上與軸固定，兩根拉伸彈簧的一端通過掛鉤懸掛于掛架(14)上，掛架(14)固定在模擬器底座(1)上，其中一根拉伸彈簧的另一端與鋼絲繩(13)的一端連接，鋼絲繩(13)在圓盤(11)圓柱面上的凹槽里卷繞以后，鋼絲繩(13)的另一端與另一根拉伸彈簧的另一端連接，傳動(dòng)軸(9)另一端通過第二彈性聯(lián)軸器(15)與扭矩傳感器(16)一伸出端連接，扭矩傳感器(16)另一伸出端與轉(zhuǎn)向盤(21)轉(zhuǎn)軸通過第三彈性聯(lián)軸器(18)連接，轉(zhuǎn)向盤(21)轉(zhuǎn)軸穿過滾動(dòng)軸承(19)內(nèi)孔，滾動(dòng)軸承(19)固定在轉(zhuǎn)向盤面板(20)上，轉(zhuǎn)向盤面板(20)固定在模擬器底座(1)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于駕駛模擬器的力反饋轉(zhuǎn)向盤裝置。在模擬器底座上依次安裝有力矩電機(jī)、光電編碼器、磁粉制動(dòng)器、設(shè)有拉伸彈簧的圓盤、扭矩傳感器和轉(zhuǎn)向盤；力矩電機(jī)、光電編碼器、磁粉制動(dòng)器和扭矩傳感器分別與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)與PC計(jì)算機(jī)連接。磁粉制動(dòng)器模擬反饋摩擦力矩，拉伸彈簧模擬回正力矩，力矩電機(jī)模擬其它反饋力矩，測(cè)量控制裝置中扭矩傳感器測(cè)量反饋力矩，光電編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)綜合PC計(jì)算機(jī)上的虛擬參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本發(fā)明提供的反饋力矩大、控制精確、堅(jiān)固可靠，適合于重型工程車輛及軍用車輛的高級(jí)駕駛模擬器。
文檔編號(hào)G09B9/05GK101976521SQ20101050460
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者周曉軍, 魏燕定, 黃茫茫, 黎建軍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)