一种应用于驾驶模拟器的转向感觉模拟及行程计算装置的制作方法

本发明涉及一种转向感觉模拟及行程计算装置，特别涉及一种应用于驾驶模拟器的转向感觉模拟及行程计算装置。

背景技术：

近年来，随着汽车制造水平的提高，对于应用于驾驶模拟器的转向盘转向感觉模拟器的模拟贴切程度以及转向盘转角测量准确程度的要求也日趋提高。转向盘转向感觉的贴切模拟可以有效的保证驾驶人模拟驾驶时体验的真实性，而驾驶数据比如转向盘转角的准确采集则保障了数据的有效性，以方便对驾驶数据的进一步处理，为基于驾驶大数据分析的人机共驾打下坚固的基础。

现有的转向盘转角感觉模拟装置以及转向盘转角测量装置往往存在转向感觉模拟失真、转角测量精度不足、装置结构复杂以及成本过高等不足之处。

中国专利公开号cn102506697a，公开日为2012.06.20发明名称为汽车用转向盘转角传感器中采用直滑式导电塑料电位器实现将机械运动转化为电信号，但是忽略了导电塑料电位器耐温性能差、接触电阻大、精度不易做得很高等不足之处。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的相关技术普遍存在的模拟转向感觉模拟失真、装置结构过于复杂以及转向盘转角测量不准确等问题，而提供的一种应用于驾驶模拟器的转向感觉模拟及行程计算装置。

本发明提供的应用于驾驶模拟器的转向感觉模拟及行程计算装置包括有第一传动轴、第二传动轴、叉杆、感觉模拟器和数据采集及控制模块，其中第一传动轴上装配有第一圆柱齿轮，第二传动轴的一端装配有第二圆柱齿轮，第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮相啮合，第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮啮合的过程中使第一传动轴和第二传动轴进行联动，第二传动轴的另一端设置有偏心轮，偏心轮上设置有滑槽，叉杆的顶端枢接有驱动轮，驱动轮嵌设在第二传动轴一端偏心轮的滑槽内，偏心轮转动过程中带动驱动轮进行转动，感觉模拟器设置在叉杆的下端，叉杆的杆体上设置有应变片，应变片通过导线与数据采集及控制模块相连接。

第一传动轴的一端设有键槽，第一传动轴与第一圆柱齿轮一体或分体设置，第一圆柱齿轮设有八个齿，第二圆柱齿轮设有二十四个齿，第二圆柱齿轮上还设有限位块，第一传动轴的转动角度范围为-540度至+540度。

第二传动轴为阶梯轴，第二传动轴两端的直径小于中间的直径。

感觉模拟器是由壳体、活塞和弹簧组成，其中活塞和弹簧设在壳体内，活塞的上部与叉杆的下端相连接，活塞的下部与弹簧的顶端相连接，弹簧的下端连接在壳体的下部，壳体的下部开设有通孔。

数据采集及控制模块包括有电源、电桥电路、转向盘转角模拟控制器、总控开关和保护电阻，其中电源直接为电桥电路供电，电桥电路输出的电压作用在转向盘转角模拟控制器上，总控开关设在电源与电桥电路的连接线路上，保护电阻设在电桥电路与转向盘转角模拟控制器的连接线路上。

应变片设有四片，其中第一应变片设在叉杆杆体的一侧，第二应变片设在叉杆杆体的另一侧，第一应变片连接在电桥电路的a点与b点之间，第二应变片连接在电桥电路的c点和d点之间，在电桥电路的a点与d点之间连接有第三应变片，在电桥电路的b点与c点之间连接有第四应变片，数据采集及控制模块通过导线与第一应变片和第二应变片相连，第一应变片、第二应变片在电桥电路中形成对臂，第三应变片、第四应变片在电桥电路中形成对臂，第一应变片与第四应变片在电桥电路中形成邻臂，第二应变片与第三应变片在电桥电路中形成邻臂，第一应变片与第三应变片在电桥电路中形成邻臂，第二应变片与第四应变片在电桥电路中形成邻臂。

本发明中所述的应变片、电源、转向盘转角模拟控制器、总控开关和保护电阻均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明的工作原理：

当驾驶人转动转向盘时，转向盘的运动通过键连接带动第一传动轴的转动，第一传动轴的转动通过第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮的啮合带动第二传动轴以及偏心轮的转动，进而通过驱动轮带动叉杆产生不同大小的升程，最终压缩叉杆下端的线性弹簧产生形变，产生模拟的随着转向盘转动角度不同而反馈力大小不同的转向感觉。

当第一圆柱齿轮从初始的中间位置开始顺时针或者逆时针单向转动时，当转动1.5圈(对应450度)时，第一圆柱齿轮与第二圆柱齿轮的限位块接触，受到限位作用，不能继续转动。即允许第一传动轴转动角度范围是-540度至+540度。

叉杆底部的活塞在压缩弹簧产生形变的同时，弹簧形变产生的弹簧力也会对叉杆中部截面为矩形的杆状部位产生反作用力，进而杆状部位也将发生微小形变，粘贴在杆状部位表面的应变片也会随之产生形变。

因为不同大小的转向盘转角对应着不同大小的第一传动轴、第二传动轴的转角，而不同的第二传动轴的转角大小则对应产生不同大小叉杆的升程，进而对应产生不同大小的弹簧压缩量以及不同大小的弹簧力。不同大小的弹簧力又与叉杆的杆状部位以及应变片的形变大小存在对应关系。

本发明正是利用转向盘转角大小与应变片形变大小之间的对应关系的确定，最终获得转向盘转角的大小。

本发明提供的转向盘转角测量方法如下所述：

步骤一：预先进行标定实验，通过多项式拟合确定所设计的电桥电路输出电压与转向盘转角之间拟合函数；

步骤二：将电桥电路输出电压与转向盘转角之间的拟合函数预先设置在转向盘转角模拟控制器中；

步骤三：驾驶人转动转向盘时，通过预先在转向盘转角模拟控制器中设置的拟合函数计算出转向盘转角。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种应用于驾驶模拟器的转向感觉模拟及转角计算装置，各组成部分之间连接可靠，检测维修十分方便；在仅使用机械结构的情况下，有效的提供了驾驶人转动转向盘的较为真实的感觉模拟效果。在不使用角度传感器的情况下实现了转向盘转角相对准确的测量，有效的降低了测量系统的成本。为科研、教学提供了新型的工具手段，在实现转动转向盘转动感觉贴切模拟的同时也降低了实现的成本。

附图说明

图1为本发明所述装置整体结构示意图。

图2为本发明所述感觉模拟器的内部结构图。

图3为本发明所述数据采集及控制模块结构示意图。

图4为本发明所述电桥电路布置结构示意图。

1、第一传动轴2、第二传动轴3、叉杆4、感觉模拟器

5、数据采集及控制模块6、第一圆柱齿轮7、第二圆柱齿轮

8、偏心轮9、滑槽10、驱动轮11、键槽12、限位块

13、壳体14、活塞15、弹簧16、通孔17、电源

18、电桥电路19、转向盘转角模拟控制器20、总控开关

21、保护电阻22、第一应变片23、第二应变片24、第三应变片

25、第四应变片。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示：

本发明提供的应用于驾驶模拟器的转向感觉模拟及行程计算装置包括有第一传动轴1、第二传动轴2、叉杆3、感觉模拟器4和数据采集及控制模块5，其中第一传动轴1上装配有第一圆柱齿轮6，第二传动轴2的一端装配有第二圆柱齿轮7，第一圆柱齿轮6和第二圆柱齿轮7相啮合，第一圆柱齿轮6和第二圆柱齿轮7啮合的过程中使第一传动轴1和第二传动轴2进行联动，第二传动轴2的另一端设置有偏心轮8，偏心轮8上设置有滑槽9，叉杆3的顶端枢接有驱动轮10，驱动轮10嵌设在第二传动轴2一端偏心轮8的滑槽9内，偏心轮8转动过程中带动驱动轮10进行转动，感觉模拟器4设置在叉杆3的下端，叉杆3的杆体上设置有应变片，应变片通过导线与数据采集及控制模块5相连接。

第一传动轴1的一端设有键槽11，第一传动轴1与第一圆柱齿轮6一体或分体设置，第一圆柱齿6轮设有八个齿，第二圆柱齿轮7设有二十四个齿，第二圆柱齿轮7上还设有限位块12，第一传动轴1的转动角度范围为-540度至+540度。

第二传动轴2为阶梯轴，第二传动轴2两端的直径小于中间的直径。

感觉模拟器4是由壳体13、活塞14和弹簧15组成，其中活塞14和弹簧15设在壳体13内，活塞14的上部与叉杆3的下端相连接，活塞14的下部与弹簧15的顶端相连接，弹簧15的下端连接在壳体13的下部，壳体13的下部开设有通孔16。

数据采集及控制模块5包括有电源17、电桥电路18、转向盘转角模拟控制器19、总控开关20和保护电阻21，其中电源17直接为电桥电路18供电，电桥电路18输出的电压作用在转向盘转角模拟控制器19上，总控开关20设在电源17与电桥电路18的连接线路上，保护电阻21设在电桥电路18与转向盘转角模拟控制器19的连接线路上。

应变片设有四片，其中第一应变片22设在叉杆3杆体的一侧，第二应变片23设在叉杆3杆体的另一侧，第一应变片22连接在电桥电路18的a点与b点之间，第二应变片23连接在电桥电路18的c点和d点之间，在电桥电路18的a点与d点之间连接有第三应变片24，在电桥电路18的b点与c点之间连接有第四应变片25，数据采集及控制模块5通过导线与第一应变片22和第二应变片23相连，第一应变片22、第二应变片23在电桥电路18中形成对臂，第三应变片24、第四应变片25在电桥电路18中形成对臂，第一应变片22与第四应变片25在电桥电路18中形成邻臂，第二应变片23与第三应变片24在电桥电路18中形成邻臂，第一应变片22与第三应变片24在电桥电路18中形成邻臂，第二应变片23与第四应变片25在电桥电路18中形成邻臂。

本发明中所述的应变片、电源17、转向盘转角模拟控制器19、总控开关20和保护电阻21均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明的工作原理：

当驾驶人转动转向盘时，转向盘的运动通过键连接带动第一传动轴1的转动，第一传动轴1的转动通过第一圆柱齿轮6和第二圆柱齿轮7的啮合带动第二传动轴2以及偏心轮8的转动，进而通过驱动轮10带动叉杆3产生不同大小的升程，最终压缩叉杆3下端的线性弹簧15产生形变，产生模拟的随着转向盘转动角度不同而反馈力大小不同的转向感觉。

当第一圆柱齿轮6从初始的中间位置开始顺时针或者逆时针单向转动时，当转动1.5圈(对应450度)时，第一圆柱齿轮6与第二圆柱齿轮7的限位块12接触，受到限位作用，不能继续转动。即允许第一传动轴1转动角度范围是-540度至+540度。

叉杆3底部的活塞14在压缩弹簧15产生形变的同时，弹簧15形变产生的弹簧力也会对叉杆3中部截面为矩形的杆状部位产生反作用力，进而杆状部位也将发生微小形变，粘贴在杆状部位表面的应变片也会随之产生形变。

因为不同大小的转向盘转角对应着不同大小的第一传动轴1、第二传动轴2的转角，而不同的第二传动轴2的转角大小则对应产生不同大小叉杆3的升程，进而对应产生不同大小的弹簧15压缩量以及不同大小的弹簧力。不同大小的弹簧力又与叉杆3的杆状部位以及应变片的形变大小存在对应关系。

本发明正是利用转向盘转角大小与应变片形变大小之间的对应关系的确定，最终获得转向盘转角的大小。

本发明提供的转向盘转角测量方法如下所述：

步骤一：预先进行标定实验，通过多项式拟合确定所设计的电桥电路18输出电压与转向盘转角之间拟合函数；

步骤二：将电桥电路18输出电压与转向盘转角之间的拟合函数预先设置在转向盘转角模拟控制器19中；

步骤三：驾驶人转动转向盘时，通过预先在转向盘转角模拟控制器19中设置的拟合函数计算出转向盘转角。

测量方法的标定试验中，电桥电路18输出电压由电压表测量得到。

实验标定获得m组电桥电路18输出电压uk与转向盘转角yk数据：

输出电压uk＝[u1,u2,……,um]

转向盘转角yk＝[y1,y2,……,ym]

即(uk，yk)，k＝1,2,…,m。

在matlab下输入以下语言：

clear

u＝[u1,u2,……,um]；

y＝[y1,y2,……,ym]；

plot(u,y,'r*')

[p,s]＝polyfit(u,y,5)

按下回车键即可获得多项式拟合函数系数：

p1，p2，……，p5，p6

pi是对应的x^n-i的系数，如此便可写出即可获得拟合函数：

y＝p1*u⁵+p2*u⁴+p3*u³+p4*u²+p5*u¹+p

此时便得到了电桥电路18输出电压uk与转向盘转角yk之间的拟合函数。

通过标定实验得到电桥电路18输出电压与转向盘转角之间的拟合函数之后，将拟合函数预先设置在转向盘转角模拟控制器19中。此后，向转向盘转角模拟控制器19中送入电桥电路18输出电压后，转向盘转角模拟控制器19即可输出对应的转向盘转角信号，即得到了转向盘转角。