一种特种车辆方向盘力反馈装置及其力反馈方法与流程

本发明实施例涉及特种车辆模拟驾驶训练技术领域，具体涉及一种特种车辆方向盘力反馈装置及其力反馈方法。

背景技术：

特种车辆，如装甲车、重型卡车、越野车等在进行驾驶训练时，容易受到训练场地、驾驶条件等因素的限制，相应的驾驶训练模拟系统适时出现，在特种车辆驾驶训练模拟系统中，转向系统的设计至关重要，现有的转向系统多以纯机械模拟，电气自动化模拟系统较少，大扭矩、特种车型的专用转向模拟系统更少，在实际特种车辆驾驶过程中，由于当前车辆行驶状态、车速、地形特点等因素的影响，会对方向盘转向系统造成不同程度的反向力矩，现有的转向模拟系统不具备对不同车型在不同行驶状态下的转向力矩的模拟功能，造成模拟训练与实际驾驶操作的体验感差距，模拟驾驶的训练效果差的问题。

技术实现要素：

为此，本发明实施例提供一种特种车辆方向盘力反馈装置及其力反馈方法，以解决现有的转向模拟系统不具备对不同车型在不同行驶状态下的转向力矩的模拟功能，造成模拟训练与实际驾驶操作的体验感差距，模拟驾驶的训练效果差的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提出了一种特种车辆方向盘力反馈装置，所述装置包括中轴、机壳、制动机构、传动机构以及微控制器，所述机壳内设置有挡板和电机安装板，所述中轴一端连接方向盘，所述中轴另一端水平延伸依次贯穿所述机壳的一侧侧板、挡板和电机安装板连接力矩传感器，所述力矩传感器连接光电编码器的转轴，所述光电编码器连接至微控制器，所述制动机构包括两组电机以及与电机连接的电机驱动电路，两组电机安装在电机安装板上部，所述微控制器的信号输出端连接电机驱动电路的信号输入端，所述传动机构包括第一齿轮组和第二齿轮组，所述第一齿轮组设置在挡板与电机安装板之间，所述电机通过第一齿轮组连接中轴向所述中轴输出驱动力或制动力，所述侧板与挡板之间的中轴上设置有转盘，所述第二齿轮组设置在所述侧板与转盘之间，所述中轴通过第二齿轮组驱动所述转盘，所述转盘上部安装有两组限位柱，两组限位柱的下方中间处设置有磁钢，所述挡板底部两侧对称安装有两组霍尔传感器，当所述转盘分别向两侧旋转至两组限位柱分别与挡板底部接触时，所述转盘到达两侧的转动极限位且所述磁钢分别与两组霍尔传感器的检测端接触获得转动极限位信号，两组霍尔传感器均连接至微控制器。

进一步地，所述第一齿轮组包括两组第一齿轮和第二齿轮，两组第一齿轮分别与两组电机的电机轴连接，所述第二齿轮套接在所述中轴上并与两组第一齿轮啮合。

进一步地，所述第二齿轮组包括第三齿轮、双联齿轮和内齿轮，所述第三齿轮套接在中轴上，所述双联齿轮设置在所述中轴一侧，所述双联齿轮内设置有与所述侧板可转动连接的双联齿轮轴，所述第三齿轮与双联齿轮的前齿啮合，所述内齿轮与双联齿轮的后齿啮合，所述内齿轮设置在所述转盘内并与所述转盘内齿啮合。

进一步地，所述侧板与转盘之间设置有用于支撑所述双联齿轮的支撑座，所述支撑座设置在所述双联齿轮的前齿与后齿之间，所述双联齿轮轴贯穿所述支撑座且两者之间设置有轴套。

进一步地，所述微控制器的信号输出端通过光耦隔离电路连接电机驱动电路的信号输入端。

进一步地，所述电机驱动电路连接有电流检测电路，所述电流检测电路连接至微控制器的adc采集端。

进一步地，所述微控制器通过rs485通讯模块连接上位计算机。

进一步地，所述装置还包括用于供电的电源电路，所述机壳的另一侧侧板上设置有dc电源插座和航空插座。

进一步地，所述机壳的另一侧侧板上设置有按钮开关。

根据本发明实施例的第二方面，提出了一种特种车辆方向盘力反馈装置的力反馈方法，所述方法包括：

系统上电初始时，微控制器通过电机驱动电路驱动电机旋转，电机通过第一齿轮组驱动中轴旋转，力矩传感器和光电编码器的转轴随转，中轴通过第二齿轮组驱动转盘向一侧旋转；

当限位柱旋转至与所述挡板底部接触时，所述转盘到达该侧的转动极限位，挡板上与转盘转动侧同侧的霍尔传感器的检测端与磁钢接触采集到该侧的第一转动极限位信号，并将所述第一转动极限位信号发送至微控制器，微控制器获取光电编码器的采集信号并进行信号归零处理；

微控制器通过电机驱动电路驱动电机反向旋转，电机通过第一齿轮组驱动中轴反向旋转，力矩传感器和光电编码器的转轴随转，中轴通过第二齿轮组驱动转盘向另一侧旋转；

当另一组限位柱旋转至与所述挡板底部接触时，所述转盘到达另一侧的转动极限位，挡板上与转盘转动侧同侧的另一组霍尔传感器的检测端与磁钢接触采集到另一侧的第二转动极限位信号，并将所述第二转动极限位信号发送至微控制器，微控制器获取光电编码器测得的中轴最大转动角度，计算回正归零点，通过驱动电机并根据光电编码器实时测得的中轴转动角度使方向盘归零回正，完成系统初始化；

初始化完成后，模拟驾驶状态下，微控制器根据上位计算机下发的模拟驾驶状态信息和环境信息计算反馈力矩，根据所述反馈力矩驱动电机向中轴输出相应制动力，并通过力矩传感器采集到的实时扭矩进行反馈力矩验证，同时将光电编码器实时采集的中轴转动角度上传至上位计算机。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例提出的一种特种车辆方向盘力反馈装置及其力反馈方法，系统采用电气自动化转向模拟系统，通过双电机向中轴输出驱动力或制动力，控制灵活，力矩传感器能够输出实时力矩，方便反馈调节，光电编码器实时测量当前转向角度，系统具备上电自检功能，自动识别方向盘回正归零点和当前转动角度，适应不同转动圈数和角度的特种车辆的模拟转向，可根据当前模拟驾驶中的行车状态、车速以及地形特点等状态信息和环境信息计算反馈力矩，模拟出各种车型在不同行驶状态下的转向力矩，适用范围广，加强了模拟训练中仿真实际驾驶操作的体验感，具有较好的模拟驾驶训练效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置的内部结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置的内部俯视结构示意图；

图3为图2的a-a向剖视结构示意图；

图4为图2的b-b向剖视结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置的侧面结构示意图；

图6为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置的另一侧面结构示意图；

图7为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置的控制原理框图；

图8为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置微控制器的电路示意图；

图9为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置rs232串口通讯电路示意图；

图10为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置光耦隔离电路示意图；

图11为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置电机驱动电路示意图；

图12为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置电机下载通讯模块电路示意图；

图13为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置rs485通讯模块电路示意图；

图14为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置光电编码器接口电路示意图；

图15为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置霍尔传感器接口电路示意图；

图16为本发明实施例1提供的一种特种车辆方向盘力反馈装置电源电路示意图。

图中：中轴1、机壳2、制动机构3、传动机构4、微控制器5、挡板6、电机安装板7、力矩传感器8、光电编码器9、转盘10、支撑座11、限位柱12、磁钢13、霍尔传感器14、电源电路15、dc电源插座16、航空插座17、rs485通讯模块18、上位计算机19、按钮开关21、电机31、电机驱动电路32、光耦隔离电路33、电流检测电路34、第一齿轮组41、第二齿轮组42、第一齿轮411、第二齿轮412、第三齿轮421、双联齿轮422、内齿轮423。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提出了一种特种车辆方向盘力反馈装置，该系统包括中轴1、机壳2、制动机构3、传动机构4以及微控制器5。

机壳2包括底板、与底板垂直连接的左右两侧侧板、前后两侧侧板以及与底板相对设置的顶板，如图1、图2、图3和图5所示，图1、图2分别为该装置去掉顶板、前后两侧侧板和右侧侧板的内部结构示意图以及内部俯视结构示意图，机壳2内设置有挡板6和电机安装板7，中轴1一端连接方向盘，中轴1另一端水平延伸依次贯穿机壳2的左侧侧板、挡板6和电机安装板7连接力矩传感器8，能够输出实时扭矩，方便反馈调节，力矩传感器8连接光电编码器9的转轴，光电编码器9连接至微控制器5，采用光电编码器9测量实时角度，可用接近开关控制安全距离。

制动机构3包括两组电机31以及与电机31连接的电机驱动电路32，两组电机31安装在电机31安装板7上部，双电机31对称设置，控制灵活，不需要刹车部件，结构灵活，微控制器5的信号输出端连接电机驱动电路32的信号输入端，进一步地，微控制器5的信号输出端通过光耦隔离电路33连接电机驱动电路32的信号输入端，采用光耦隔离，运行可靠。进一步地，电机驱动电路32连接有电流检测电路34，电流检测电路34连接至微控制器5的adc采集端。

传动机构4包括第一齿轮组41和第二齿轮组42，第一齿轮组41设置在挡板6与电机31安装板7之间，电机31通过第一齿轮组41连接中轴1向中轴1输出驱动力或制动力，进一步地，第一齿轮组41包括两组第一齿轮411和第二齿轮412，两组第一齿轮411分别与两组电机31的电机31轴连接，第二齿轮412套接在中轴1上并与两组第一齿轮411啮合。

侧板与挡板6之间的中轴1上设置有转盘10，第二齿轮组42设置在侧板与转盘10之间，中轴1通过第二齿轮组42驱动转盘10，进一步地，如图4所示，第二齿轮组42包括第三齿轮421、双联齿轮422和内齿轮423，第三齿轮421套接在中轴1上，双联齿轮422设置在中轴1一侧，双联齿轮422内设置有与侧板可转动连接的双联齿轮422轴，第三齿轮421与双联齿轮422的前齿啮合，内齿轮423与双联齿轮422的后齿啮合，内齿轮423设置在转盘10内并与转盘10内齿啮合。进一步地，侧板与转盘10之间设置有用于支撑双联齿轮422的支撑座11，支撑座11设置在双联齿轮422的前齿与后齿之间，双联齿轮422轴贯穿支撑座11且两者之间设置有轴套。

转盘10上部安装有两组限位柱12，两组限位柱12的下方中间处设置有磁钢13，挡板6底部两侧对称安装有两组霍尔传感器14，当转盘10分别向两侧旋转至两组限位柱12分别与挡板6底部接触时，转盘10到达两侧的转动极限位且磁钢13分别与两组霍尔传感器14的检测端接触获得转动极限位信号，两组霍尔传感器14均连接至微控制器5。系统具备上电自检功能，自动识别当前转向圈数、角度和回正归零点，通过对两侧转动极限的检测，计算回正归零点，机械结构可调，能够适应不同圈数的特种车辆，适应范围广。

本实施例的一种特种车辆方向盘力反馈装置的控制过程如图7所示，微控制器5采用stm32系列单片机，如图8所示，输出4路pwm控制信号，经过光耦隔离后连接到电机驱动电路32的信号输入端，通过电机驱动电路32驱动电机31向中轴1输出驱动力或制动力，光耦隔离电路如图10所示，电机驱动电路32如图11所示，并通过电流检测电路34对电机驱动电路32进行电流检测，将采样电流反馈到微控制器5的adc采集端口，计算电机31闭环控制所需数据，并防止因为电机31堵转时间过长引起的电机31损毁。微控制器5通过rs232串口通信电路连接rs485通讯模块，rs232串口通信电路如图9所示，rs485通讯模块连接上位计算机，rs485通讯模块如图13所示，采用rs485总线通信，拓展性好，传输距离远，上位计算机上具有3d模拟驾驶系统，可将车辆启动状态、车速等模拟驾驶状态信息以及车道状态等环境信息下发至力反馈系统，下载通讯模块如图12所示，力反馈系统根据相关信息计算并输出各种车型在不同驾驶状态下的模拟反馈力矩，微控制器5分别通过光电编码器接口电路和霍尔传感器接口电路连接光电编码器9和霍尔传感器14，光电编码器接口电路如图14所示，霍尔传感器接口电路如图15所示。

系统还包括用于供电的电源电路15，如图16所示，机壳2的右侧侧板上设置有dc电源插座16、航空插座17和按钮开关21，如图6所示，用于控制系统上电，系统采用一体化设计，独立24v供电，独立通信，使用灵活。

本实施例的一种特种车辆方向盘力反馈装置的力反馈方法包括：

系统上电初始时，微控制器5通过电机驱动电路32驱动电机31旋转，电机31通过第一齿轮组41驱动中轴1旋转，力矩传感器8和光电编码器9的转轴随转，中轴1通过第二齿轮组42驱动转盘10向一侧旋转；

当限位柱12旋转至与挡板6底部接触时，转盘10到达该侧的转动极限位，挡板6上与转盘10转动侧同侧的霍尔传感器14的检测端与磁钢13接触采集到该侧的第一转动极限位信号，并将第一转动极限位信号发送至微控制器5，微控制器5获取光电编码器9的采集信号并进行信号归零处理；

微控制器5通过电机驱动电路32驱动电机31反向旋转，电机31通过第一齿轮组41驱动中轴1反向旋转，力矩传感器8和光电编码器9的转轴随转，中轴1通过第二齿轮组42驱动转盘10向另一侧旋转；

当另一组限位柱12旋转至与挡板6底部接触时，转盘10到达另一侧的转动极限位，挡板6上与转盘10转动侧同侧的另一组霍尔传感器14的检测端与磁钢13接触采集到另一侧的第二转动极限位信号，并将第二转动极限位信号发送至微控制器5，微控制器5获取光电编码器9测得的中轴1最大转动角度，计算回正归零点，通过驱动电机31并根据光电编码器9实时测得的中轴1转动角度使方向盘归零回正，完成系统初始化；

初始化完成后，模拟驾驶状态下，微控制器5根据上位计算机下发的模拟驾驶状态信息和环境信息计算反馈力矩，根据反馈力矩驱动电机31向中轴1输出相应制动力，并通过力矩传感器8采集到的实时扭矩进行反馈力矩验证，同时将光电编码器9实时采集的中轴1转动角度上传至上位计算机。

反馈力矩的大小与实车运行的参数相符合，特种车辆的实车助力转向系统一般采用机械液压助力，低速时转动力矩较大，高速时力矩略小，车辆在行驶过程中转向时，力反馈会输出持续回正的力矩，车辆在静止状态转向时，力反馈输出“静态力矩”，转向停止则力矩停止，不具有回正效果，根据车辆启动状态、车速等模拟驾驶状态信息以及车道状态等环境信息模拟出不同的反馈力矩。另外，实车行驶时，力矩也会随着转向角度的变化而变化。并且，力反馈在正常运行状态下，始终向上位计算机提供当前转向角度数据，从而为上位计算机模拟转向提供物理数据。

系统采用电气自动化转向模拟系统，通过双电机向中轴1输出驱动力或制动力，控制灵活，力矩传感器能够输出实时力矩，方便反馈调节，光电编码器实时测量当前转向角度，系统具备上电自检功能，自动识别方向盘回正归零点和当前转动角度，适应不同转动圈数和角度的特种车辆的模拟转向，可根据当前模拟驾驶中的行车状态、车速以及地形特点等状态信息和环境信息计算反馈力矩，模拟出各种车型在不同行驶状态下的转向力矩，适用范围广，加强了模拟训练中仿真实际驾驶操作的体验感，具有较好的模拟驾驶训练效果。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。