一种智能汽车人机协同驾驶实验平台的制作方法

本实用新型涉及一种驾驶实验平台，特别涉及一种智能汽车人机协同驾驶实验平台。

背景技术：

近年来，随着智能汽车的发展，自动驾驶汽车逐渐成为了汽车行业的发展方向。在无人驾驶技术实际未产业化之前，人机共驾技术受到了国内外的业内人士的广泛关注。根据SAE对自动驾驶的分类，面向L3级以上的人机共驾技术的测试与评价技术正在成为行业内研究的热点，而其驾驶实验平台的开发也成为了一项十分重要的工作。

人机共驾系统分为切换型人机共驾与共享型人机共驾。切换型人机共驾发生在一些车辆控制超出驾驶员能力之外的场景或者车辆控制超出驾驶系统能力范围之外的场景，对应的系统或者驾驶员需要获取驾驶权；共享型人机共驾中驾驶员与智能驾驶系统的关系为人机并行控制的颇为复杂的动态交互关系，驾驶员和系统的驾驶权分配协同的方式按照专家分类可以分为对输入修正式的协同控制与触觉交互式的协同控制。

中国专利CN201610839897.6公开了一种人机共驾型电动助力转向系统及模式切换的方法，可以充分发挥电动助力转向系统在人工转向的优势，并增加自动转向功能，并可以实现两种模式的智能切换。该专利实现了切换型人机共驾的功能，但相比于切换型人机共驾的小部分场景的适用性，共享型人机共驾则在使用场景上有更多的选择。

中国专利CN107323457A公开了一种人机共驾的共享型转向控制的方法，该方法采用了约束模型预测控制，设计了共享转向控制器，在满足安全的前提下，使车辆尽可能按照驾驶员意图驾驶。该专利仅提供了控制方法，但未给出相关的实验平台的搭建方案，因此仍可以继续完善。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了实现对共享型人机共驾系统的测试与评价，为了补偿驾驶员在驾驶过程中出现的操作不当而提供的一种智能汽车人机协同驾驶实验平台。

本实用新型提供的智能汽车人机协同驾驶实验平台包括有支架、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、步进电机、显示屏、仿真系统和踏板驱动机构，其中支架设在两个驾驶座椅的前方，支架的顶板上装配有支撑板，第一传动轴、第二传动轴和第三传动轴的一端均枢接在支撑板上，第一传动轴与步进电机的输出轴相连接，第一传动轴在步进电机的驱使下进行转动，第一传动轴上装配有第一齿轮，第二传动轴上装配有第二齿轮和第三齿轮，第三传动轴上装配有第四齿轮，第一齿轮和第二齿轮相啮合，第三齿轮和第四齿轮相啮合，步进电机带动第一传动轴转动过程中驱使第二传动轴和第三传动轴进行同步转动，第一传动轴穿设在支撑板的一端连接有第一方向盘，第三传动轴穿设在支撑板的一端连接有第二方向盘，显示屏和仿真系统设在支架顶板的后部，支架的底板上并列装配有第一制动踏板和第一油门踏板，第一制动踏板和第一油门踏板对应第一方向盘的位置处，支架的底板上还并列装配有第二制动踏板和第二油门踏板，踏板驱动机构也设在支架下方的底板上，第二制动踏板和第二油门踏板设在踏板驱动机构的后部，第二制动踏板和第二油门踏板由踏板驱动机构控制工作，踏板驱动机构装配在对应第二方向盘的位置处，仿真系统与步进电机、显示屏和踏板驱动机构相连接，仿真系统控制步进电机和踏板驱动机构的工作。

第一传动轴通过减速器和联轴器与步进电机的输出轴相连接。

步进电机与仿真系统的连接线路上设置有第一电磁驱动器，第一电磁驱动器控制步进电机的工作。

显示屏对称设置为两个。

仿真系统为Dspace实时仿真系统。

踏板驱动机构包括有第一电动缸、第二电动缸、第一推杆、第二推杆、两个第一转杆、两个第二转杆、第一压板、第二压板、第二电磁驱动器和第三电磁驱动器，其中第一电动缸铰接在第一固定板上，第一电动缸与第一推杆的前端相连接并驱动第一推杆进行直线运动，第一推杆的后端穿设在第一销轴上，两个第一转杆的前端分别枢接在第一销轴的两端，两个第一转杆通过固定销装配在第一支撑架上，两个第一转杆能够绕固定销进行转动，两个第一转杆的后端分别枢接在第一压板的两侧，第一压板与第二制动踏板相抵靠，第一推杆进行直线运动时带动两个第一转杆进行转动从而带动第一压板对第二制动踏板进行踩踏，第一电动缸与第二电磁驱动器相连接并由第二电磁驱动器控制工作，第二电动缸铰接在第二固定板上，第二电动缸与第二推杆的前端相连接并驱动第二推杆进行直线运动，第二推杆的后端穿设在第二销轴上，两个第二转杆的前端分别枢接在第二销轴的两端，两个第二转杆通过固定销装配在第二支撑架上，两个第二转杆能够绕固定销进行转动，两个第二转杆的后端分别枢接在第二压板的两侧，第二压板与第二油门踏板相抵靠，第二推杆进行直线运动时带动两个第二转杆进行转动从而带动第二压板对第二油门踏板进行踩踏，第二电动缸与第三电磁驱动器相连接并由第三电磁驱动器控制工作。

仿真系统上连接有电源并由电源提供电力，仿真系统还与第一电磁驱动器、第二电磁驱动器和第三电磁驱动器连接并指令第一电磁驱动器、第二电磁驱动器和第三电磁驱动器的工作，仿真系统上还连接有主机，主机中装有Matlab、Prescan和Carsim软件，主机运用Matlab/Simulink搭建人机共驾的软件测试平台，主机联合Prescan软件选取实验测试场景，主机中Carsim软件构建整车动力学模型，第一方向盘、第一制动踏板和第一油门踏板组成为一套罗技G29，第二方向盘、第二制动踏板和第二油门踏板组成为另一套罗技G29，第一方向盘、第一制动踏板、第一油门踏板、第二方向盘、第二制动踏板和第二门踏板均通过数据线与主机相连，主机通过Matlab/Simulink软件将第一方向盘、第一制动踏板、第一油门踏板、第二方向盘、第二制动踏板和第二油门踏板与仿真系统进行连接，驾驶员通过第一方向盘、第一制动踏板和第一油门踏板的动作输入，实时向仿真系统传递方向盘转角、制动力和油门开度信息，主机通过Matlab/Simulink内部的计算模块求出当前汽车所需的方向盘转角、制动力和油门开度，并通过仿真系统来控制第一电磁驱动器、第二电磁驱动器和第三电磁驱动器的工作，并对步进电机、第一电动缸和第二电动缸进行控制，从而对第二方向盘、第二制动踏板和第二油门踏板施加输入，最终通过在Matlab/Simulink中计算得来的共驾系数实现对驾驶员输入的修正，主机还与两个显示屏相连接，主机和两个显示屏均与电源连接并由电源提供电力。

本实用新型的工作原理：

当驾驶员面对显示屏上的不同驾驶场景，在实验台上对第一方向盘、第一制动踏板和第一油门踏板进行操作时，会产生方向盘转角、油门踏板开度和制动踏板开度方面的输入，而针对不同的驾驶场景及路况，主机中的Matlab/Simulink软件仿真系统的计算模块会计算出当前所需的方向盘转角、油门踏板开度和制动踏板开度，所需的方向盘转角、油门踏板开度和制动踏板开度与驾驶员所输入信号的差值通过连接在主机上的第二方向盘、第二制动踏板和第二油门踏板给出。第二方向盘、第二制动踏板和第二油门踏板通过数据线与主机相连，在Matlab/Simulink软件仿真系统中它们各有对应的输入模块，第二方向盘、第二制动踏板和第二油门踏板的输入模块与第一方向盘、第一制动踏板和第一油门踏板的输入模块共同构成了人机共驾实验平台的输入部分。

第一方向盘与第二方向盘的输入模块共同构成了系统的方向盘转角输入部分，即系统方向盘转角输入＝k×第一方向盘转角+(1-k)×第二方向盘转角。其中k为共驾系数，k通过Matlab/Simulink软件仿真系统计算得来的。同理，第一制动踏板与第二制动踏板的输入模块共同构成了系统的制动踏板力输入部分，即系统制动踏板力输入＝k×第一制动踏板力+(1-k)×第二制动踏板力，其中k为共驾系数，k通过Matlab/Simulink软件仿真系统计算得来；第一油门踏板与第二油门踏板的输入模块共同构成了系统的油门开度的输入部分，即系统油门开度＝k×第一油门踏板开度+(1-k)×第二油门踏板开度，其中k为共驾系数，k通过Matlab/Simulink软件仿真系统计算得来的。

第二方向盘的转角控制通过步进电机在第一传动轴上输出转矩来实现，而步进电机的输出则通过数据线连接的第一电磁驱动器来进行控制，第一电磁驱动器通过数据线与Dspace实时仿真系统相连，Dspace实时仿真系统与主机通过双绞线连接，并可以从主机中获取第二方向盘所需要输出的转角，并将其转化为需要步进电机输出的转矩，Dspace实时仿真系统通过控制第一电磁驱动器间接控制步进电机的输出转矩，最终达到控制第二方向盘的转角的目的。

同时，第二电磁驱动器和第三电磁驱动器均通过数据线与Dspace实时仿真系统相连。Dspace实时仿真系统与主机通过双绞线连接，并可以从主机中获取第二制动踏板和第二油门踏板所需输入的制动踏板压力和油门开度，并将其转化为第一电动缸和第二电动缸所应输出的动力，通过连接在第一电动缸和第二电动缸上的第二电磁驱动器和第三电磁驱动器来驱动第一电动缸和第二电动缸输出推力，并通过第一推杆和第二推杆带动第一压板和第二压板实现对第二制动踏板和第二油门踏板的控制。

除控制第二方向盘之外，步进电机的输出转矩经过第一传动轴，通过第一齿轮与第二齿轮啮合，之后通过第二传动轴传递转矩至第三齿轮，第三齿轮与第四齿轮啮合来传递转矩，通过调整第一方向盘的输入以达到人机共驾的效果。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的技术方案实现了驾驶员与驾驶系统共享驾驶权，提高了驾驶安全性及操作可靠性。实验平台工作安全可靠，坚固耐用，寿命长。实验平台结构简单，安装方便。实验平台传动部分可以进行改造，改造的过程方便简单。步进电机的输出信号灵敏度高，精度高。通过控制第二油门踏板和第二制动踏板能够控制驾驶模拟器的动力。通过转杆结构带动踏板压板来控制第二油门踏板和第二制动踏板，其机构设计巧妙，能够消除踏板表面不平所产生的翻转力矩。

附图说明

图1为本实用新型所述试验平台整体结构示意图。

图2为本实用新型所述踏板驱动机构结构示意图。

图3为本实用新型所述仿真系统连接关系结构框图。

上图中标注序号如下：

1、支架 2、第一传动轴 3、第二传动轴 4、第三传动轴

5、步进电机 6、显示屏 7、仿真系统 8、踏板驱动机构

9、驾驶座椅 10、支撑板 11、第一齿轮 12、第二齿轮

13、第三齿轮 14、第四齿轮 15、第一方向盘 16、第二方向盘

17、第一制动踏板 18、第一油门踏板 19、第二制动踏板

20、第二油门踏板 21、减速器 22、联轴器 23、第一电磁驱动器

24、第一电动缸 25、第二电动缸 26、第一推杆 27、第二推杆

28、第一转杆 29、第二转杆 30、第一压板 31、第二压板

32、第二电磁驱动器 33、第三电磁驱动器 34、第一固定板

35、第一支撑架 36、第二固定板 37、第二支撑架 38、第一销轴

39、第二销轴 40、电源 41、主机。

具体实施方式

请参阅图1至图3所示：

本实用新型提供的智能汽车人机协同驾驶实验平台包括有支架1、第一传动轴2、第二传动轴3、第三传动轴4、步进电机5、显示屏6、仿真系统7和踏板驱动机构8，其中支架1设在两个驾驶座椅9的前方，支架1的顶板上装配有支撑板10，第一传动轴2、第二传动轴3和第三传动轴4的一端均枢接在支撑板10上，第一传动轴2与步进电机5的输出轴相连接，第一传动轴2在步进电机5的驱使下进行转动，第一传动轴2上装配有第一齿轮11，第二传动轴3上装配有第二齿轮12和第三齿轮13，第三传动轴4上装配有第四齿轮14，第一齿轮11和第二齿轮12相啮合，第三齿轮13和第四齿轮14相啮合，步进电机5带动第一传动轴2转动过程中驱使第二传动轴3和第三传动轴4进行同步转动，第一传动轴2穿设在支撑板10的一端连接有第一方向盘15，第三传动轴4穿设在支撑板10的一端连接有第二方向盘16，显示屏6和仿真系统7设在支架1顶板的后部，支架1的底板上并列装配有第一制动踏板17和第一油门踏板18，第一制动踏板17和第一油门踏板18对应第一方向盘15的位置处，支架1的底板上还并列装配有第二制动踏板19和第二油门踏板20，踏板驱动机构8也设在支架1下方的底板上，第二制动踏板19和第二油门踏板20设在踏板驱动机构8的后部，第二制动踏板19和第二油门踏板20由踏板驱动机构8控制工作，踏板驱动机构8装配在对应第二方向盘16的位置处，仿真系统7与步进电机5、显示屏6和踏板驱动机构8相连接，仿真系统7控制步进电机5和踏板驱动机构8的工作。

第一传动轴2通过减速器21和联轴器22与步进电机5的输出轴相连接。

步进电机5与仿真系统7的连接线路上设置有第一电磁驱动器23，第一电磁驱动器23控制步进电机5的工作。

显示屏6对称设置为两个。

仿真系统7为Dspace实时仿真系统。

踏板驱动机构8包括有第一电动缸24、第二电动缸25、第一推杆26、第二推杆27、两个第一转杆28、两个第二转杆29、第一压板30、第二压板31、第二电磁驱动器32和第三电磁驱动器33，其中第一电动缸24铰接在第一固定板34上，第一电动缸24与第一推杆26的前端相连接并驱动第一推杆26进行直线运动，第一推杆26的后端穿设在第一销轴38上，两个第一转杆28的前端分别枢接在第一销轴38的两端，两个第一转杆28通过固定销装配在第一支撑架35上，两个第一转杆28能够绕固定销进行转动，两个第一转杆28的后端分别枢接在第一压板30的两侧，第一压板30与第二制动踏板19相抵靠，第一推杆26进行直线运动时带动两个第一转杆28进行转动从而带动第一压板30对第二制动踏板19进行踩踏，第一电动缸24与第二电磁驱动器32相连接并由第二电磁驱动器32控制工作，第二电动缸25铰接在第二固定板36上，第二电动缸25与第二推杆27的前端相连接并驱动第二推杆27进行直线运动，第二推杆27的后端穿设在第二销轴39上，两个第二转杆29的前端分别枢接在第二销轴39的两端，两个第二转杆29通过固定销装配在第二支撑架37上，两个第二转杆29能够绕固定销进行转动，两个第二转杆29的后端分别枢接在第二压板31的两侧，第二压板31与第二油门踏板20相抵靠，第二推杆27进行直线运动时带动两个第二转杆29进行转动从而带动第二压板31对第二油门踏板20进行踩踏，第二电动缸25与第三电磁驱动器33相连接并由第三电磁驱动器33控制工作。

仿真系统7上连接有电源40并由电源40提供电力，仿真系统7还与第一电磁驱动器23、第二电磁驱动器32和第三电磁驱动器33连接并指令第一电磁驱动器23、第二电磁驱动器32和第三电磁驱动器33的工作，仿真系统7上还连接有主机41，主机41中装有Matlab、Prescan和Carsim软件，主机41运用Matlab/Simulink搭建人机共驾的软件测试平台，主机41联合Prescan软件选取实验测试场景，主机41中Carsim软件构建整车动力学模型，第一方向盘15、第一制动踏板17和第一油门踏板18组成为一套罗技G29，第二方向盘16、第二制动踏板19和第二油门踏板20组成为另一套罗技G29，第一方向盘15、第一制动踏板17、第一油门踏板18、第二方向盘16、第二制动踏板19和第二油门踏板20均通过数据线与主机41相连，主机41通过Matlab/Simulink软件将第一方向盘15、第一制动踏板17、第一油门踏板18、第二方向盘16、第二制动踏板19和第二油门踏板20与仿真系统7进行连接，驾驶员通过第一方向盘15、第一制动踏板17和第一油门踏板18的动作输入，实时向仿真系统7传递方向盘转角、制动力和油门开度信息，主机41通过Matlab/Simulink内部的计算模块求出当前汽车所需的方向盘转角、制动力和油门开度，并通过仿真系统7来控制第一电磁驱动器23、第二电磁驱动器32和第三电磁驱动器33的工作，并对步进电机5、第一电动缸24和第二电动缸25进行控制，从而对第二方向盘16、第二制动踏板19和第二油门踏板20施加输入，最终通过共驾系数实现对驾驶员输入的修正，主机41还与两个显示屏6相连接，主机41和两个显示屏6均与电源40连接并由电源40提供电力。

本实用新型的工作原理：

当驾驶员面对显示屏6上的不同驾驶场景，在实验台上对第一方向盘15、第一制动踏板17和第一油门踏板18进行操作时，会产生方向盘转角、油门踏板开度和制动踏板开度方面的输入，而针对不同的驾驶场景及路况，主机41中的Matlab/Simulink软件仿真系统7的计算模块会计算出当前所需的方向盘转角、油门踏板开度和制动踏板开度，所需的方向盘转角、油门踏板开度和制动踏板开度与驾驶员所输入信号的差值通过连接在主机41上的第二方向盘16、第二制动踏板19和第二油门踏板20给出。第二方向盘16、第二制动踏板19和第二油门踏板20通过数据线与主机41相连，在Matlab/Simulink软件仿真系统7中它们各有对应的输入模块，第二方向盘16、第二制动踏板19和第二油门踏板20的输入模块与第一方向盘15、第一制动踏板17和第一油门踏板18的输入模块共同构成了人机共驾平台的输入部分。

第一方向盘15与第二方向盘16的输入模块共同构成了系统的方向盘转角输入部分，即系统方向盘转角输入＝k×第一方向盘转角+(1-k)×第二方向盘转角。其中k为共驾系数，k通过Matlab/Simulink软件仿真系统7计算得来的。同理，第一制动踏板17与第二制动踏板19的输入模块共同构成了系统的制动踏板力输入部分，即系统制动踏板力输入＝k×第一制动踏板力+(1-k)×第二制动踏板力，其中k为共驾系数，k通过Matlab/Simulink软件仿真系统7计算得来；第一油门踏板18与第二油门踏板20的输入模块共同构成了系统的油门开度的输入部分，即系统油门开度＝k×第一油门踏板开度+(1-k)×第二油门踏板开度，其中k为共驾系数，k通过Matlab/Simulink软件仿真系统7计算得来的。

第二方向盘16的转角控制通过步进电机5在第一传动轴2上输出转矩来实现，而步进电机5的输出则通过数据线连接的第一电磁驱动器23来进行控制，第一电磁驱动器23通过数据线与Dspace实时仿真系统7相连，Dspace实时仿真系统7与主机41通过双绞线连接，并可以从主机41中获取第二方向盘16所需要输出的转角，并将其转化为需要步进电机5输出的转矩，Dspace实时仿真系统7通过控制第一电磁驱动器23间接控制步进电机5的输出转矩，最终达到控制第二方向盘16的转角的目的。

同时，第二电磁驱动器32和第三电磁驱动器33均通过数据线与Dspace实时仿真系统7相连。Dspace实时仿真系统7与主机41通过双绞线连接，并可以从主机41中获取第二制动踏板19和第二油门踏板20所需输入的制动踏板压力和油门开度，并将其转化为第一电动缸24和第二电动缸25所应输出的动力，通过连接在第一电动缸24和第二电动缸25上的第二电磁驱动器32和第三电磁驱动器33来驱动第一电动缸24和第二电动缸25输出推力，并通过第一推杆26和第二推杆27带动第一压板30和第二压板31实现对第二制动踏板19和第二油门踏板20的控制。

除控制第二方向盘16之外，步进电机5的输出转矩经过第一传动轴2，通过第一齿轮11与第二齿轮12啮合，之后通过第二传动轴3传递转矩至第三齿轮13，第三齿轮13与第四齿轮14啮合来传递转矩，通过调整第一方向盘15的输入以达到人机共驾的效果。