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一种驾驶模拟器转向控制机构及其控制方法

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201811540420.3国省代码:吉林 22
申请(专利权)人:吉林大学
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摘要:
本发明公开一种驾驶模拟器转向控制机构,包括:方向盘;以及方向盘轴,其一端与所述方向盘固定连接;力执行机构,其与所述方向盘轴另一端固定连接,用于回正所述方向盘;限位机构,其设置在所述方向盘轴和所述力执行机构之间,用于限制所述方向盘的转动角度,本发明设计开发的驾驶模拟器转向控制机构,设置有限位机构,通过限位,限位块和限位口的配合,使得方向盘转动角度控制在限定范围内。本发明还设计开发了一种驾驶模拟器转向控制机构的控制方法,能够模拟车辆转向动作,并精确控制方向盘回正的力矩,使得方向盘能够稳定快速回正。

主权项:
1.一种驾驶模拟器转向控制机构,其特征在于,包括:方向盘;以及方向盘轴,其一端与所述方向盘固定连接;力执行机构,其与所述方向盘轴另一端固定连接,用于回正所述方向盘;限位机构,其设置在所述方向盘轴和所述力执行机构之间,用于限制所述方向盘的转动角度,其包括:限位座,其为矩形板状结构;限位壳,其为中空矩形结构且相对两侧开口,所述限位壳开口一侧与所述限位座固定连接;限位口,其对称设置在所述限位壳轴向两侧且靠近所述限位座设置;限位齿条,其轴向设置在所述限位壳内且两端穿出所述限位口,所述限位齿条能够沿所述限位座轴向运动;限位块,其固定设置在所述限位齿条轴向两端,用于限制所述限位齿条轴向两端运动至所述限位壳内;限位齿轮,其设置在所述限位壳内且与所述限位齿条啮合,用于驱动所述限位齿条沿所述限位座周向运动;限位传动轴,其穿过所述限位齿轮且与所述限位齿轮固定连接,所述限位传动轴两端分别可旋转穿过所述限位壳径向两侧,并与所述方向盘轴和力执行机构同轴固定连接。


说明书

一种驾驶模拟器转向控制机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及驾驶模拟器转向控制领域,更具体的是,本发明涉及一种驾驶模拟器
转向控制机构及其控制方法。

背景技术

随着工业的发展,汽车逐渐走入人们的日常生活之中,但是汽车工业需要大量的
资金成本、时间成本及人力成本,同时室外道路试验和使用实验受到场地和气候条件限制,
以及极限工况下易发生事故或者无法进行试验,在这样的情况下人们将计算机模拟技术应
用在汽车上,发明出驾驶模拟器进行模拟仿真实验。

目前国内高校和科研机构对驾驶模拟器都有需求。除了高校和科研机构,借助驾
驶模拟器技术,可以在有限的空间下,对大量驾驶人员进行系统化的培训,一方面可以解决
我国驾驶员培训周期长、压力大、资源紧缺的问题,另一方面也可以有效降低驾校周围的交
通事故发生率,还能降低驾校的废气排放。因此驾驶模拟器的普及是有助于社会进步的。

对于驾驶模拟器来说,使用人员的驾驶体验尤为重要。为了满足驾驶员驾驶体验,
驾驶模拟器转向控制机构应该满足以下需求:

(1)获取方向盘即时转角大小。驾驶员在实际驾驶中通过操作方向盘作为输入改
变汽车的行驶方向,驾驶模拟器转向机构需要获取该数据并传输给计算机。

(2)获取方向盘扭矩大小。驾驶员在模拟驾驶时,计算机需要不断获取方向盘所受
扭矩,这是为了能够之后对驾驶员的行为进行评估,同时将方向盘所受扭矩和力执行机构
发出的阻力矩相比较,起到监控的作用。

(3)提供适当阻力矩。实际驾驶中汽车发生转向时,车轮与地面间的摩擦力会通过
转向系作用到方向盘上,也就是俗称的“路感”;汽车发生转向之后,转向轮能自动调整行驶
轨迹,方向盘及车轮同时恢复到直线行驶状态,驾驶模拟器也要求能够提供类似回正力矩
的阻力。转向盘回正力矩直接影响驾驶员对车辆和路面状况的判断,这对模拟驾驶的逼真
度有着重要的影响,对驾驶模拟器的研究具有重要意义。

(4)提供限位。驾驶员实际驾驶时,方向盘转动通常有转动角度限制。一般是±720
度(即方向盘可向转两侧各转两圈)或±540度(即方向盘可向转两侧各转一圈半)。

现有技术中的驾驶模拟器转向控制机构虽然也能提供基本的如回正、限位角度测
量等功能,但是主要选择弹簧作为回正力矩的提供元件,回正手感较差,而且一般占用空间
很大。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种驾驶模拟器转向控制机构,设置有限位机
构,通过限位,限位块和限位口的配合,使得方向盘转动角度控制在限定范围内。

本发明的另一个目的是设计开发了一种驾驶模拟器转向控制机构的控制方法,能
够模拟车辆转向动作,并精确控制方向盘回正的力矩,使得方向盘能够稳定快速回正。

本发明提供的技术方案为:

一种驾驶模拟器转向控制机构,包括:

方向盘;以及

方向盘轴,其一端与所述方向盘固定连接;

力执行机构,其与所述方向盘轴另一端固定连接,用于回正所述方向盘;

限位机构,其设置在所述方向盘轴和所述力执行机构之间,用于限制所述方向盘
的转动角度,其包括:

限位座,其为矩形板状结构;

限位壳,其为中空矩形结构且相对两侧开口,所述限位壳开口一侧与所述限位座
固定连接;

限位口,其对称设置在所述限位壳轴向两侧且靠近所述限位座设置;

限位齿条,其轴向设置在所述限位壳内且两端穿出所述限位口,所述限位齿条能
够沿所述限位座轴向运动;

限位块,其固定设置在所述限位齿条轴向两端,用于限制所述限位齿条轴向两端
运动至所述限位壳内;

限位齿轮,其设置在所述限位壳内且与所述限位齿条啮合,用于驱动所述限位齿
条沿所述限位座周向运动;

限位传动轴,其穿过所述限位齿轮且与所述限位齿轮固定连接,所述限位传动轴
两端分别可旋转穿过所述限位壳径向两侧,并与所述方向盘轴和力执行机构同轴固定连
接。

优选的是,所述力执行机构包括执行电机,其输出端与所述限位传动轴一端固定
连接,用于驱动所述方向盘轴旋转回正。

优选的是,还包括转矩传感器,其设置在所述执行电机和所述限位传动轴之间,用
于检测方向转矩。

优选的是,还包括角度传感器,其设置在所述方向盘轴和所述限位传动轴之间,用
于检测方向盘转角。

优选的是,所述角度传感器与所述限位传动轴之间通过第一连接器连接。

优选的是,所述限位传动轴与所述转矩传感器之间通过第二联轴器连接;所述转
矩传感器与所述执行电机之间通过第三联轴器连接。

优选的是,所述方向盘与所述方向盘轴通过紧定螺母固定连接。

优选的是,所述角度传感器为光电编码器。

一种驾驶模拟器转向控制机构的控制方法,包括如下步骤:

步骤1:控制驾驶模拟器进行方向盘转向动作,光电编码器采集所述方向盘转角,
并输出转弯结果,同时力执行机构产生相应的阻力矩阻碍转动的进行,其阻力矩大小满足:


其中,Tf为方向盘的阻力矩,G为车前轴载荷,g为重力加速度,η1为转向系统正效
率,i为转向系传动比,v为车速,r为轮胎半径,R为转弯半径,γ为前轮主销后倾角,θ为转向
轮偏角,β为前轮主销内倾角,b为主销转向节偏距,f为轮胎与地面的滚动阻力摩擦系数,c
为主销偏距。

步骤2:完成模拟转向后,力执行机构控制所述方向盘回正,控制所述方向盘回正
的力矩满足:


其中,Tr为方向盘回正的力矩。

本发明所述的有益效果:

(1)本发明设计开发的驾驶模拟器转向控制机构,1)采用电机驱动,回正力度均匀
且力度大小可调,可以设计不同的控制策略来满足不同驾驶模拟器的使用需要;2)不仅安
装了角度传感器,还安装了转矩传感器,转矩传感器的值可以起到反馈的作用,能够让驾驶
模拟器自检,如果出现转矩异常的情况就及时停止使用,避免危险的发生,同时能够这是为
了能够之后对驾驶员的行为进行评估,对于驾驶员行为研究有很大帮助;3)角度传感器使
用光电编码器,属于非接触角传感器,精度高,寿命长;4)整个转向控制机构都安装在同一
根轴线上,对中性好,安装时精度高,安装方便,人为误差小;5)可完成限位功能,限位机构
结构简单,成本低,手感好。

(2)本发明设计开发的驾驶模拟器转向控制机构的控制方法,能够模拟车辆转向
动作,并精确控制方向盘回正的力矩,使得方向盘能够稳定快速回正。

附图说明

图1是本发明所述驾驶模拟器转向控制机构组成的轴测投影图。

图2是本发明所述驾驶模拟器转向控制机构方向盘结构图。

图3是本发明所述驾驶模拟器转向控制机构限位机构的轴测投影图。

图4是本发明所述驾驶模拟器转向控制机构限位机构的剖面图。

图5是本发明所述驾驶模拟器转向控制机构的控制方法的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文
字能够据以实施。

如图1-4所示,本发明提供一种驾驶模拟器转向控制机构,包括:方向盘100;以及
方向盘轴110,其一端与所述方向盘100固定连接;力执行机构200,其与所述方向盘轴110另
一端固定连接,用于回正所述方向盘100。

限位机构120,其设置在方向盘轴110和力执行机构200之间,用于限制方向盘100
的转动角度。

限位机构120包括:限位座121,其为矩形板状结构;限位壳122,其为中空矩形结构
且相对两侧开口,并且限位壳122开口一侧与限位座121固定连接;限位口123,其对称设置
在限位壳122轴向两侧且靠近所述限位座121设置;限位齿条124,其轴向设置在限位壳122
内且两端穿出所述限位口123,所述限位齿条124能够沿所述限位座121轴向运动;限位块
125,其固定设置在限位齿条124轴向两端,用于限制限位齿条124轴向两端运动至所述限位
壳内;限位齿轮126,其设置在所述限位壳122内且与所述限位齿条124啮合,用于驱动所述
限位齿条124沿所述限位座121周向运动;限位传动轴127,其穿过所述限位齿轮126且与所
述限位齿轮126固定连接,所述限位传动轴127两端分别可旋转穿过所述限位壳122径向两
侧,并与所述方向盘轴110和力执行机构200同轴固定连接。

当旋转方向盘100时,通过方向盘轴110带动限位传动轴127旋转,进而带动限位齿
轮126旋转,由于限位齿条124与限位齿轮126啮合,所述限位齿条124在限位齿轮126的旋转
驱动下沿沿所述限位座121轴向运动,由于限位口123和限位块125的配合,使得方向盘100
旋转一定角度后便不能再继续增大旋转角度,同理反方向也同样限制了方向盘100的旋转
角度。使得方向盘转动角度控制在限定范围内。即当驾驶员向某个方向转动方向盘达到预
设的方向盘转角上限时,此时限位齿条该侧的限位块也同时到达限位壳的限位口处,限位
齿条的限位块处被卡死,不能继续转动。当驾驶员向另一个方向转动方向盘时同理。在安装
时要注意对中,安装完成后要注意调试。

力执行机构200包括执行电机,其输出端与限位传动轴127一端固定连接,用于驱
动方向盘轴100旋转回正。

转矩传感器300,其设置在所述执行电机200和所述限位传动轴127之间,用于检测
方向转矩,当方向盘100回正时,用于检测力矩大小,防止出现意外。转矩传感器300的值可
以起到反馈的作用,能够让驾驶模拟器自检,如果出现转矩异常的情况就及时停止使用,避
免危险的发生,同时能够这是为了能够之后对驾驶员的行为进行评估,对于驾驶员行为研
究有很大帮助。

角度传感器400,其设置在所述方向盘轴110和所述限位传动轴127之间,用于检测
方向盘转角,并传递给控制系统,控制系统经过计算,将转弯的结果显示在屏幕上,驾驶员
看到转弯的结果,也就完成了模拟转向的过程。所述角度传感器优选为光电编码器,属于非
接触角传感器,精度高,寿命长。

角度传感器400与限位传动轴127之间通过第一连接器410连接。限位传动轴127与
转矩传感器300之间通过第二联轴器310连接;转矩传感器300与执行电机200之间通过第三
联轴器210连接。

方向盘轴110一端有螺纹,通过紧定螺母111和方向盘100相连,有效限制了方向盘
的轴向窜动,在安装时,需要对紧定螺母进行预紧,可以避免驾驶员操作时方向盘和方向盘
轴转动角度可能不同的问题。

本发明设计开发的驾驶模拟器转向控制机构,1)采用电机驱动,回正力度均匀且
力度大小可调,可以设计不同的控制策略来满足不同驾驶模拟器的使用需要;2)不仅安装
了角度传感器,还安装了转矩传感器,转矩传感器的值可以起到反馈的作用,能够让驾驶模
拟器自检,如果出现转矩异常的情况就及时停止使用,避免危险的发生,同时能够这是为了
能够之后对驾驶员的行为进行评估,对于驾驶员行为研究有很大帮助;3)角度传感器使用
光电编码器,属于非接触角传感器,精度高,寿命长;4)整个转向控制机构都安装在同一根
轴线上,对中性好,安装时精度高,安装方便,人为误差小;5)可完成限位功能,限位机构结
构简单,成本低,手感好。

如图5所示,本发明还提供一种驾驶模拟器转向控制机构的控制方法,包括如下步
骤:

步骤1:控制驾驶模拟器进行方向盘转向动作,光电编码器采集所述方向盘转角,
并输出转弯结果,同时力执行机构产生相应的阻力矩阻碍转动的进行,其阻力矩大小满足:


其中,Tf为方向盘的阻力矩,G为车前轴载荷,g为重力加速度,η1为转向系统正效
率,i为转向系传动比,v为车速,r为轮胎半径,R为转弯半径,γ为前轮主销后倾角,θ为转向
轮偏角,β为前轮主销内倾角,b为主销转向节偏距,f为轮胎与地面的滚动阻力摩擦系数,c
为主销偏距。

步骤2:完成模拟转向后,力执行机构控制所述方向盘回正,控制所述方向盘回正
的力矩满足:


其中,Tr为方向盘回正的力矩。

本发明设计开发的驾驶模拟器转向控制机构的控制方法,能够模拟车辆转向动
作,并精确控制方向盘回正的力矩,使得方...

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图1
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