一种基于力觉反馈的车架训练系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种基于力觉反馈的车架训练系统，包括显示屏、力反馈方向盘、离合器、脚制动、油门以及变速杆。本发明能够用于初学驾驶员在半实物仿真的环境下学习驾驶技术，临场感强，成本低；且在辅助驾驶模块中方向盘控制部分加入力反馈功能，使初学驾驶员能够在力反馈功能的引导下快速掌握方向盘控制技术；且在辅助驾驶模块中脚制动和离合器控制部分加入了警示信号，根据具体路况提醒驾驶员该如何操作，使其更快地学会根据具体情况如何调整脚制动和离合器以及两者的配合。
【专利说明】一种基于力觉反馈的车架训练系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于力觉反馈的车架训练系统。
【背景技术】
[0002] 随着现代科技的发展，汽车对普通人来说已不再是奢侈品，越来越多的人们开始 学习驾车。我国汽车行业发展迅猛，汽车保有量以每年15%的速度递增，汽车性能的提高， 道路条件的改善，使得汽车开始走向家庭。想学车的人越来越多，练车场地的面积却十分有 限，而且目前训练和考试的科目设置比较多，训练和考试周期长。这种现象在大中小城市都 十分普遍，由于练车人数和场地的限制，初学者真正学车的时间并不是很多，这将严重影响 驾驶培训的质量。这些情况要求人们利用更加先进的手段对驾驶员进行培训，基于虚拟现 实技术的汽车驾驶模拟系统的研发正是顺应这一形势。
[0003] 驾驶模拟机是一种驾驶训练的教学设备。它集合了虚拟现实技术、机械传动技术、 计算机图形学、三维实时渲染技术、计算机接口技术、数据通信技术等先进技术，能根据驾 驶者输入的加速、刹车、转向等信号按数学方法计算出车辆的预期行为，并通过视频和音频 设备反馈给驾驶者。借助于驾驶模拟器，能对汽车一驾驶员一道路相互作用关系进行研宄， 也能对驾驶人员进行训练。模拟驾驶环境几乎完全"克隆"真实学车环境，能够消除驾驶初 学者的恐惧心理，适时规范驾驶者的操作，为驾校驾驶培训的有力帮助。同时，由于具有安 全性高、再现性好、可开发性强、成本低等显著特点，初学驾驶员利用该车驾训练系统练习 驾驶技术，不但节约能源，更重要的是在练车过程中发生事故的几率降为零。
[0004] 目前，常见的车驾训练系统分为两类：一类是完全实物仿真的车驾系统，这一类车 驾系统的临场感强，但是成本很高，普及率很低；另一类是完全软件仿真的车驾系统，这类 车驾系统的临场感差，不能真正模拟实际的驾驶情况，但是成本较低。目前还没有一种半实 物仿真的车驾系统，成本低且临场感强。我国在驾驶模拟器方面的研宄起步比较晚，经历了 一个从引进国外产品到自行研制的较漫长的发展过程。国内的汽车模拟驾驶方面的训练设 备经过近几年的发展，已经有了较为成熟的产品，正在市场普及之中。
[0005] 然而，现有的车驾训练系统的缺点为：一、现有半实物驾驶模拟系统在提示模式 下，驾驶员根据交通环境、路面状况实时操作汽车的操纵装置来改变汽车的运动状态，模拟 器根据操作者动作，通过文字、声音等手段提醒驾驶者下一步操作要领，通过驾驶座椅的震 动模拟路况的颠簸。对于初学者而言，要熟悉操作环境，掌握各项操作技巧，学习曲线较陡 峭。相较而言，视觉、听觉等干预提示手段功能单一，时效性较低，亟需更为高效的辅助训练 方式。二、驾驶员的触感信息包括方向盘反力及振动、油门踏板力、制动踏板力、离合器反力 以及变速器手柄反力，其中方向盘回正力矩和振动是驾驶员触感中最主要的信息。真实驾 驶过程中的方向盘回正力矩与路面对转向轮的反作用、转向机构的摩擦力和前轮与转向系 的惯性等方面有关，具体运算过程比较复杂，目前绝大多数模拟系统通过操作杆机械结构 中的弹簧来模拟方向盘反力，并不能反映真实的情形。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于力觉反馈的 车架训练系统，包括显示屏、力反馈方向盘、离合器、脚制动、油门以及变速杆。
[0007] 进一步地，所述力反馈方向盘包括方向盘把手以及向所述方向盘把手提供反馈力 的直流电机，其中，根据不同的训练模式决定是否使直流电机工作。
[0008] 进一步地，在所述训练模式为测试模式的情况下，所述直流电机停止工作；在所述 训练模式为辅助模式的情况下，所述直流电机工作。
[0009] 进一步地，在所述训练模式为辅助模式的情况下，所述力反馈方向盘根据具体路 况生成排斥力辅助机制和吸引力辅助机制。
[0010] 进一步地，在所述辅助模式为方向盘辅助模式的情况下，检测驾驶汽车外轮廓与 其周围物体的距离，其中，根据检测到的距离与预设阈值的比较结果判断是否产生反馈力。 [0011] 进一步地，当所述检测到的距离不大于所述预设阈值时，产生反馈力。
[0012] 进一步地，所述显不屏为3D显不屏。
[0013] 进一步地，所述显示屏包括中间视窗、位于中间视窗上方的上视窗、位于中间视窗 下方的下视窗、位于中间视窗左上方的左视窗以及位于中间视窗右上方的右视窗。
[0014] 进一步地，在训练模式为脚制动辅助模式的情况下，在所述下视窗中显示提示驾 驶员正确操作脚制动的警示信号。
[0015] 进一步地，在训练模式为离合器辅助模式的情况下，在所述下视窗中显示提示驾 驶员正确操作离合器的警示信号。
[0016] 本发明的基于力觉反馈的车架训练系统具有以下有益效果：
[0017](一）能够用于初学驾驶员在半实物仿真的环境下学习驾驶技术，临场感强，成本 低；
[0018](二）实物部分由方向盘、脚制动、离合器、油门和变速杆组成，能够真实模拟驾驶 环境中各个重要零部件的功能；
[0019](三）软件部分由信息采集模块、虚拟场景生成模块、辅助驾驶模块和驾驶测试模 块四部分组成，功能齐全；
[0020] (四）在辅助驾驶模块中方向盘控制部分加入力反馈功能，使初学驾驶员能够在 力反馈功能的引导下快速掌握方向盘控制技术；
[0021] (五）在辅助驾驶模块中脚制动和离合器控制部分加入了警示信号，根据具体路 况提醒驾驶员该如何操作，使其更快地学会根据具体情况如何调整脚制动和离合器以及两 者的配合；
[0022] (六）实物部分的变速杆可以通过遥控杆代替，脚制动、离合器和油门以结实、廉 价、耐用的压力传感器为主要组成零件。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点 将变得更加清楚，附图中：
[0024]图1是根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统的结构示意图；
[0025] 图2是根据本发明的实施例的显示屏的结构示意图；
[0026] 图3是根据本发明的实施例的力反馈方向盘的辅助模式原理图。
【具体实施方式】
[0027] 以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实 施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施 例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明 的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
[0028]图1是根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统的结构示意图。
[0029] 参照图1，根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统半实物地模仿了 驾驶员驾车的全过程，精细的3D画面实时模拟驾车环境。
[0030] 根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统显示屏10、力反馈方向盘 20、离合器30、脚制动40、油门（未示出）以及变速杆50。
[0031] 显示屏10可例如是3D显示屏，其可提供精细的3D画面实时模拟驾车环境。在本 实施例中，显示屏10需要提供五个视窗，但本发明并不限制于此。参照图2,显示屏10包 括正中间较大的中间视窗11、位于中间视窗上方的上视窗12、位于中间视窗下方的下视窗 13、位于中间视窗左上方的左视窗14以及位于中间视窗右上方的右视窗15。其中，中间视 窗11模拟汽车前窗视野，上视窗12用于显示驾驶室内后视镜视野，下视窗13显示仪表盘 包括车速、脚制动和离合器的警示信号灯等，左视窗14和右视窗15分别显示左右后视镜视 野。在本实施例中，根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统包括的虚拟场景 生成模块通过显示屏10真实模拟驾驶员的视野信息。
[0032]根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统还包括辅助驾驶模块。在辅 助模式下，力反馈方向盘20会根据具体路况生成排斥力和吸引力两种辅助机制，帮助初学 驾驶员更快地适应方向盘操作。在本实施例中，辅助驾驶模块设置的辅助模式包括方向盘 辅助模式、脚制动辅助模式和离合器辅助模式。
[0033]当辅助模式为方向盘辅助模式时，通过检测所驾驶汽车外轮廓与其相邻行驶的汽 车、路边障碍物或行驶道路上不能跨线行驶的标线等的最短距离或者与其理想的驾驶路线 的偏差向量作为产生虚拟力计算的基础。通过设立阀值，当最短距离不大于阀值时便产生 虚拟力。反馈力与最短距离成反比，距离越短，反馈力越大。此虚拟力通过力反馈方向盘20 反馈给驾驶员以提示驾驶员正确的操纵方向盘，更快的熟悉方向盘。
[0034]方向盘控制是初学驾驶员不易掌握的，本实施例的力反馈方向盘20控制是基于 力反馈辅助机制的，所以方向盘的实物设计应具有提供反馈力的电机，本实施例采用直流 电机和普通方向盘把手相结合发明能提供反馈力的方向盘。虚拟反馈力与角加速度的关系 如式1所示：
[0035] 式子lMh+Mf+Me=Ja
[0036] 其中，a为角加速度，Mh为驾驶员输入力矩，Mf为反馈力矩，Me为摩擦力矩，角加 速度a的变化直接影响图3中车体偏角Θ的变化。摩擦力矩凡通过方向盘反向回转模 型计算。
[0037] 力反馈方向盘20辅助模式原理图如图3所示，图中Θ表示车体偏角，车体偏角通 过方向盘控制；V表示汽车行驶速度矢量，速度大小由油门和变速杆控制，速度方向通过方 向盘控制；车体质心与理想驾驶路径的最近邻的距离为d，车体轴线L与路径切线的偏角为Φ，通过力觉反馈机制使得路径的偏移量d和切线角Φ尽可能趋向于0。
[0038] 式子 2Mb +V
[0039]力觉渲染机制可以使用二阶弹性阻尼模型，如式2所示，阻尼系数kd、弹性系数kp 控制力觉植染的动态响应。在测试模式下，直流电机不通电，Mf= 0不起任何作用，方向的 改变依靠驾驶员输入力矩Mh。辅助模式下，驾驶员不需要刻意控制方向，只要随着电机反馈 力矩运动即Mh= 0,所以方向的改变只依靠力反馈机制产生的反馈力矩。直流电机产生的 反馈力矩Mf与驱动电压/电流呈线性关系，通过设定驱动电压/电流大小和正负来确定反 馈力矩大小和方向。
[0040]当辅助模式为脚制动辅助模式时，通过检测所驾驶汽车外轮廓与其前方行驶的汽 车、前方障碍物或红灯停止线等的最短距离，以此作为警示信号产生的标志，通过产生警示 信号提示驾驶员正确的操作脚制动。警示信号通过上述虚拟场景生成模块中的下视窗13 显示，除了提供视频反馈外还提供音频反馈。
[0041]当辅助模式为离合器辅助模式时，在启动汽车或行驶中由于没有踩下离合器而变 换挡位时，通过产生警示信号提示驾驶员正确的操作离合器，警示信号通过上述虚拟场景 生成模块中的下视窗13显示，除了提供视频反馈外还提供音频反馈。
[0042] 根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统还包括信息采集模块。信息 采集模块采集车速、汽车外轮廓与其相邻或前方行驶汽车的距离、汽车外轮廓与路边障碍 物的距离、汽车外轮廓与行驶道路上不能跨越的标线或红灯停止线等的距离、脚制动、离合 器和油门压力传感器值等。
[0043] 根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统还包括驾驶测试模块。测试 模块用于设置实际驾驶测试模式和驾照考试测试模式。其中，实际驾驶测试模式是在没有 辅助驾驶模式时，初学的驾驶员在各种道路上驾驶汽车，通过驾车表现评价算法给出具体 驾驶等级以及错误原因，使初学的驾驶员迅速掌握驾车技巧，能够更快的学会驾车。驾照考 试测试模式通过模拟真实的考试场地、考试科目以及成绩生成算法，帮助初学的驾驶员真 正了解具体考试的过程以及评判标准，以达到更快通过考试的目的。此外，在本实施例中， 当根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统被设置为测试模式，则此时的车架 训练系统无辅助模式；而当根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统被设置为 辅助模式时，此时的车架训练系统无测试模式。这样，初学的驾驶员通过在辅助模式与测试 模式下反复训练即可迅速掌握驾车技巧，能够更快的学会驾车；通过模拟真实的考试项目， 真正了解具体考试的过程以及评判标准，以达到更快通过考试的目的。
[0044]综上所述，根据本发明的实施例的基于力觉反馈的车架训练系统具有以下有益效 果：
[0045](一）能够用于初学驾驶员在半实物仿真的环境下学习驾驶技术，临场感强，成本 低；
[0046](二）实物部分由方向盘、脚制动、离合器、油门和变速杆组成，能够真实模拟驾驶 环境中各个重要零部件的功能；
[0047] (三）软件部分由信息采集模块、虚拟场景生成模块、辅助驾驶模块和驾驶测试模 块四部分组成，功能齐全；
[0048] (四）在辅助驾驶模块中方向盘控制部分加入力反馈功能，使初学驾驶员能够在 力反馈功能的引导下快速掌握方向盘控制技术；
[0049] (五）在辅助驾驶模块中脚制动和离合器控制部分加入了警示信号，根据具体路 况提醒驾驶员该如何操作，使其更快地学会根据具体情况如何调整脚制动和离合器以及两 者的配合；
[0050] (六）实物部分的变速杆可以通过遥控杆代替，脚制动、离合器和油门以结实、廉 价、耐用的压力传感器为主要组成零件。
[0051] 虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解： 在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和 细节上的各种变化。
【权利要求】
1. 一种基于力觉反馈的车架训练系统，其特征在于，包括显示屏、力反馈方向盘、离合 器、脚制动、油门以及变速杆。
2. 根据权利要求1所述的车架训练系统，其特征在于，所述力反馈方向盘包括方向盘 把手以及向所述方向盘把手提供反馈力的直流电机，其中，根据不同的训练模式决定是否 使直流电机工作。
3. 根据权利要求2所述的车架训练系统，其特征在于，在所述训练模式为测试模式的 情况下，所述直流电机停止工作；在所述训练模式为辅助模式的情况下，所述直流电机工 作。
4. 根据权利要求2或3所述的车架训练系统，其特征在于，在所述训练模式为辅助模式 的情况下，所述力反馈方向盘根据具体路况生成排斥力辅助机制和吸引力辅助机制。
5. 根据权利要求4所述的车架训练系统，其特征在于，在所述辅助模式为方向盘辅助 模式的情况下，检测驾驶汽车外轮廓与其周围物体的距离，其中，根据检测到的距离与预设 阈值的比较结果判断是否产生反馈力。
6. 根据权利要求5所述的车架训练系统，其特征在于，当所述检测到的距离不大于所 述预设阈值时，产生反馈力。
7. 根据权利要求1所述的车架训练系统，其特征在于，所述显示屏为3D显示屏。
8. 根据权利要求1或7所述的车架训练系统，其特征在于，所述显示屏包括中间视窗、 位于中间视窗上方的上视窗、位于中间视窗下方的下视窗、位于中间视窗左上方的左视窗 以及位于中间视窗右上方的右视窗。
9. 根据权利要求8所述的车架训练系统，其特征在于，在训练模式为脚制动辅助模式 的情况下，在所述下视窗中显示提示驾驶员正确操作脚制动的警示信号。
10. 根据权利要求8所述的车架训练系统，其特征在于，在训练模式为离合器辅助模式 的情况下，在所述下视窗中显示提示驾驶员正确操作离合器的警示信号。
【文档编号】G09B9/052GK104504957SQ201410797429
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】张东文, 池鹏, 王磊 申请人:深圳先进技术研究院