一种多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统及其视景控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统及其视景控制方法，系统组成包括：模拟驾驶台架，为模拟转向操纵提供布局可调的硬件平台，并模拟汽车驾驶路感，为转向操纵提供实时可调力反馈；数据采集与控制系统，实时采集转向盘转角、转矩信号，并输出电机控制信号；上位机系统，同数据采集与控制系统进行实时通讯，并通过显示设备为模拟转向操纵提供三维虚拟视景。本发明通过集成软、硬件系统，同步模拟真实汽车转向盘的路感以及实车驾驶的视觉场景，并实现硬件布局、力反馈、驾驶视景等影响转向操纵感受的多维实验条件可调，为转向操纵模拟实验研究提供实验平台。
【专利说明】
一种多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统及其视景控制 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及汽车人机工程学技术领域，特别是指一种用于研究汽车人机交互的多 维可调汽车转向操纵模拟与测试系统及其视景控制方法。
【背景技术】
[0002] 汽车转向操纵是典型的人机作业，相关的工效学研究需要进行大量的操控实验， 为了便于更加安全、经济、快捷地实现实验目标，利用虚拟仿真技术进行的模拟实验以及模 拟实验设备的开发逐步受到重视，模拟实验对于实车实验的替代程度不断上升。模拟驾驶 设备对于驾驶者感官反馈模拟的全面性和逼真性是模拟实验效果的决定性因素。中国专利 201320799080.2"一种模拟驾驶器的转向装置"提出了一种具有转向力反馈功能的模拟驾 驶转向装置的构建方法；申请号为201310196507.4的中国专利"一种汽车驾驶员转向操纵 舒适性评价系统及方法"也构建了一套具有力反馈功能的模拟转向操纵实验台，并在此基 础上添加了转向盘转角转矩测试、人体运动学测试以及舒适性评价等功能模块。这两种驾 驶模拟设备主要是对方向盘的操控触觉反馈进行模拟，忽略了视觉反馈模拟。中国发明专 利200910085771 ? 4 "模拟转向盘操纵感觉力反馈转向系统及汽车模拟驾驶系统"提出了力 反馈转向系统与汽车模拟驾驶视景系统结合的实施框架，但在系统的集成同步性及可调性 方面未做深入的研究。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提出一种具有视觉、触觉同步反馈 功能的多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统及其视景控制方法，以期能同步模拟真实汽 车转向盘的路感以及实车驾驶的视觉场景及触觉感受，并实现硬件布局、力反馈、驾驶视景 等影响转向操纵感受的多维实验条件可调，为转向操纵模拟实验研究提供实验平台。
[0004] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0005] 本发明一种多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统的特点是组成包括:模拟驾驶 台架、数据采集与控制系统、上位机系统；
[0006] 所述模拟驾驶台架包括：由水平板和倾斜板构成的"L"型底座、汽车座椅、踏板、转 向器支架和转向器，其中，所述转向器由路感电机、双膜片联轴器、转向柱及转向盘依次连 接而成；
[0007] 所述数据采集与控制系统包括:角度编码器、扭矩传感器、直流电机驱动模块及其 相连的多功能数据采集卡；
[0008] 所述上位机系统包括:计算机主机和显示设备;所述显示设备用于实时显示汽车 驾驶的虚拟场景；
[0009] 在所述"L"型底座的水平板的末端设置有可调汽车座椅;在所述可调汽车座椅的 前方设置有踏板;在所述"L"型底座的倾斜板顶部设置有转向器支架;在所述转向器支架上 设置有所述转向器；
[0010] 在所述路感电机上设置有角度编码器;在转向柱和转向盘之间设置有所述扭矩传 感器；
[0011] 在所述"L"型底座的前方设置有所述上位机系统；
[0012] 由所述角度编码器获取所述转向盘的转角信号，并通过所述多功能数据采集卡传 递给所述计算机主机用于更新所述虚拟场景中汽车的横摆角速度；
[0013] 由所述计算机主机根据所接收到的转角信号判断控制逻辑后，通过所述多功能数 据采集卡输出相应的驱动信号给所述直流电机驱动模块，用于驱动所述路感电机；
[0014] 由所述扭矩传感器获取所述转向盘的转矩，即所述路感电机的输出转矩，并通过 所述多功能数据采集卡传递给所述计算机主机进行存储;从而完成汽车转向操纵的模拟与 测试。
[0015] 本发明所述的多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统的特点也在于：
[0016] 所述"L"型底座的水平板和倾斜板为可伸缩式结构，从而使得所述汽车座椅、踏板 和转向器之间的水平距离可调、转向器的高度可调；所述转向器支架用于调整所述转向器 的倾斜角;所述踏板的倾角可调，从而实现驾驶坐姿的自由调整。
[0017] 当所述转向器顺时针偏转时，所述转角信号为正值，此时所述直流电机驱动模块 输出逆时针转动的驱动信号给所述路感电机；
[0018] 当所述转向器逆时针偏转时，所述转角信号为负值，此时所述直流电机驱动模块 输出逆时顺转动的驱动信号给所述路感电机；
[0019] 设置转向盘转角阈值为9〇，
[0020] 当转向盘的转角信号的绝对值在至0〇范围内变化时，所述路感电机的输出转矩与 所述转角信号的绝对值成正比；
[0021] 当转向盘的转角信号的绝对值大于0〇变化时，所述路感电机的输出转矩为一定 值；由所述驱动信号和输出转矩实现汽车驾驶路感的模拟。
[0022] 本发明一种多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统的视景控制方法的特点是按 如下步骤进行：
[0023] 步骤1、利用式（1)设置虚拟场景与实物之间的比例值A，从而构建汽车驾驶的虚拟 场景：
(1)
[0025] 式（1)中，W表示实际车道宽度，W'表示虚拟车道宽度，w为实车宽度，w '为汽车模型 宽度，vx为实车车速，v ' x为模拟车速；
[0026] 步骤2、利用式(2)所示的二自由度车辆动力学模型，获得实车质心的侧向速度v和 横摆角速度r:
[0028] 式(2)中，m为实车质量，vx为实车的实时车速，0为实车的转向盘转角，Cf、Cr分别为 实车前、后轮的线性侧偏刚度，lf、l r分别为实车质心至前、后轴的距离，Iz为实车绕竖直轴 的转动惯量，y为实车转向系统传动比>、/分别是v和r关于时间的一阶导数；
[0029] 步骤3、所述实车的横摆角速度r即为汽车模型的横摆角速度;根据实车运动参数 对所述汽车模型的模拟车速v ' x与所述横摆角速度r进行实时调整，从而实现视景控制。
[0030] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0031] 1、本发明通过路感电机与虚拟视景同步控制，从而实现了对转向操纵过程中的触 觉及视觉反馈进行同步模拟，并在此基础上集成转向盘转角、转矩信号采集功能，能够为汽 车转向操纵实验提供模拟实验平台。
[0032] 2、本发明中的模拟驾驶台架采用可调式设计，可自由调整驾驶坐姿，充分发挥了 硬件系统的柔性，能够为驾驶舱布局及驾驶者姿态研究提供有利条件。
[0033] 3、本发明中路感电机通过直流电机驱动模块进行驱动，能够根据转向盘转角信号 实时调整路感电机的输出转矩，从而提供了实时的转向操纵触觉反馈，该反馈的强度变化 区间及变化趋势可自由调整，能够为驾驶者转向操纵的触觉偏好及驾驶疲劳研究提供支 持。
[0034] 4、本发明中的视景控制以二自由度车辆动力学模型为依据，利用实时的车速和转 向盘转角计算车辆的侧向移动速度及横摆角速度，进而控制虚拟驾驶场景中汽车模型的运 动;综合考虑了整车质量、前后轮的线性侧偏刚度、车辆质心至前后轴的距离、整车绕竖直 轴的转动惯量、以及转向系统传动比等汽车及其转向系统动力学特征参数对于转向操纵响 应的影响，能够逼真的模拟不同类型车辆的实车驾驶视觉感受，且视景中的道路条件可以 根据实验目的进行自由调整，充分发挥了系统的柔性。
【附图说明】
[0035]图1为本发明多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统构架图；
[0036]图2为本发明多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统的实施例图；
[0037] 图3为本发明中模拟驾驶基础视景示意图；
[0038] 附图标号：1"L"型底座，2汽车座椅，3踏板，4转向器支架，5路感电机，6双膜片联轴 器，7转向柱，8转向盘，9角度编码器，10扭矩传感器，11直流电机驱动模块和多功能数据采 集卡，12计算机主机，13显示设备。
【具体实施方式】
[0039]本实施例中，一种多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统，是应用于汽车转向操 纵模拟实验，其组成包括:模拟驾驶台架、数据采集与控制系统、上位机系统，内部组成及联 系如图1所示。
[0040]各主要部件的安装位置及可调性示意如图2所示。模拟驾驶台架包括：由水平板和 倾斜板构成的"L"型底座1、汽车座椅2、踏板3、转向器支架4和转向器。其中，转向器由路感 电机5、双膜片联轴器6、转向柱7及转向盘8依次连接而成。路感电机5是带有减速器的低速 直流电机，为转向盘8提供回正力矩，以模拟驾驶路感。利用双膜片联轴器将路感电机5的输 出轴和转向柱7连接在一起，补偿两轴线的不对中性，有效传动转矩，并起到减震作用。
[0041]数据采集与控制系统包括：角度编码器9、扭矩传感器10、直流电机驱动模块及其 相连的多功能数据采集卡11。
[0042]上位机系统包括:计算机主机12和显示设备13。可以采用普通的计算机显示器、投 影仪以及数字头盔等作为显示设备13,用于实时显示汽车驾驶的虚拟场景。
[0043] 在"L"型底座1的水平板的末端设置有可调汽车座椅2;在可调汽车座椅2的前方设 置有踏板3;在"L"型底座1的倾斜板顶部设置有转向器支架4;转向器固定在转向器支架4 上。
[0044] 在路感电机5上设置有角度编码器9;在转向柱7和转向盘8之间设置有扭矩传感器 10。
[0045] 在"L"型底座1的前方设置有上位机系统。
[0046] 角度编码器9通过测量电机输出轴在减速前的转角，结合减速比计算可得转向盘8 的转角信号，并通过多功能数据采集卡11传递给计算机主机12用于更新虚拟场景中汽车的 横摆角速度。
[0047] 由计算机主机12根据所接收到的转角信号判断控制逻辑后，通过多功能数据采集 卡11输出相应的驱动信号给直流电机驱动模块，用于驱动路感电机5。
[0048] 由扭矩传感器10获取转向盘8的转矩，即路感电机5的输出转矩，并通过多功能数 据采集卡11传递给计算机主机12进行存储;从而完成汽车转向操纵的模拟与测试。
[0049] 使用多功能数据采集卡11，一方面对所采集到的转角和转矩信号进行A/D转换，进 而将数据传输给计算机主机12;另一方面根据计算机主机12对电机的控制指令输出相应的 脉冲宽度调制(pulse-width modulation，PWM)信号，传递给直流电机驱动模块。在路感电 机5的输出转矩与由电机驱动模块所提供的电枢电流成正比，调整PWM输出信号的占空比， 以控制电枢电流，进而影响路感电机5的输出转矩。
[0050] 具体实施中，多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统硬件的可调性表现为："L"型 底座1的水平板和倾斜板为可伸缩式结构，从而使得汽车座椅2、踏板3和转向器之间的水平 距离及转向器的高度可调;转向器支架4用于调整转向器的倾斜角；踏板3的倾角可调，从而 配合座椅调节实现驾驶坐姿的自由调整。
[0051]具体实施中，多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统中路感电机5的驱动控制逻 辑为：
[0052]当转向器顺时针偏转时，转角信号为正值，此时直流电机驱动模块输出逆时针转 动的驱动信号给路感电机5;
[0053]当转向器逆时针偏转时，转角信号为负值，此时直流电机驱动模块输出逆时顺转 动的驱动信号给路感电机5;
[0054]设置转向盘转角阈值为9〇;
[0055] 当转向盘8转角信号的绝对值在0至0〇范围内变化时，路感电机5的输出转矩与转 角信号的绝对值成正比，根据参数设定可呈线性或非线性关系；
[0056] 当转向盘8转角信号的绝对值大于0〇变化时，路感电机5的输出转矩为一定值。 [0057] 通过以上驱动控制逻辑实现汽车驾驶过程中的路感模拟，且可以通过改变参数进 行调整。
[0058]本实施例中，一种多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统的视景控制方法是按如 下步骤进行：
[0059]步骤1、利用式（1)设置虚拟场景与实物之间的比例值A，从而构建汽车驾驶的虚拟 场景：
(1)
[0061 ]式（1)中，W表示实际车道宽度，W'表示虚拟车道宽度，w为实车宽度，w '为汽车模型 宽度，vx为实车车速，v ' x为模拟车速；
[0062]步骤2、利用式(2)所示的二自由度车辆动力学模型，获得实车质心的侧向速度v和 横摆角速度r:
[0064] 式(2)中，m为实车质量，vx为实车的实时车速，0为实车的转向盘转角，Cf、Cr分别为 实车前、后轮的线性侧偏刚度，lf、l r分别为实车质心至前、后轴的距离，Iz为实车绕竖直轴 的转动惯量，y为实车转向系统传动比，1>、f分别是7和^关于时间的一阶导数；
[0065] 步骤3、实车的横摆角速度r即为汽车模型的横摆角速度;根据实车运动参数对汽 车模型的模拟车速v ' x与横摆角速度r进行实时调整，从而实现视景控制。
[0066] 显示设备13所显示的虚拟驾驶场景利用Unity3D平台开发，能够通过调整公式(2) 中的参数，模拟具有不同的运动学与动力学特征的车辆驾驶过程中的视觉场景。基础的虚 拟驾驶场景如图3所不，参考国际标准IS026022 "Road vehicles -Ergonomic aspects oftransport information and control systems-Simulated lane change test to assess in-vehicle secondary task demand"的要求，画面主体是由白色虚线划分为三车 道的公路，每隔一段距离就在公路两边设置变道指示牌，用以提示驾驶者根据要求变换车 道。虚拟驾驶场景中的道路条件可以自由设计和调整。
[0067]安装于计算机主机12中的上位机软件，集成了与多功能数据采集卡11进行通讯和 视景控制功能，能够同步进行数据采集、电机控制及视景模拟三方面的任务，模拟汽车驾驶 过程中的触觉和视觉同步反馈。
【主权项】
1. 一种多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统，其特征是组成包括:模拟驾驶台架、数 据采集与控制系统、上位机系统； 所述模拟驾驶台架包括：由水平板和倾斜板构成的"L"型底座（1)、汽车座椅(2)、踏板 ⑶、转向器支架⑷和转向器，其中，所述转向器由路感电机(5)、双膜片联轴器(6)、转向柱 (7)及转向盘(8)依次连接而成； 所述数据采集与控制系统包括：角度编码器(9)、扭矩传感器（10)、直流电机驱动模块 及其相连的多功能数据采集卡(11); 所述上位机系统包括:计算机主机（12)和显示设备（13);所述显示设备（13)用于实时 显示汽车驾驶的虚拟场景； 在所述"L"型底座（1)的水平板的末端设置有可调汽车座椅(2);在所述可调汽车座椅 (2)的前方设置有踏板(3);在所述"L"型底座（1)的倾斜板顶部设置有转向器支架(4);在所 述转向器支架(4)上设置有所述转向器； 在所述路感电机(5)上设置有角度编码器(9);在转向柱(7)和转向盘(8)之间设置有所 述扭矩传感器(10); 在所述"L"型底座（1)的前方设置有所述上位机系统； 由所述角度编码器(9)获取所述转向盘(8)的转角信号，并通过所述多功能数据采集卡 (11)传递给所述计算机主机(12)用于更新所述虚拟场景中汽车的横摆角速度； 由所述计算机主机（12)根据所接收到的转角信号判断控制逻辑后，通过所述多功能数 据采集卡(11)输出相应的驱动信号给所述直流电机驱动模块，用于驱动所述路感电机(5); 由所述扭矩传感器（10)获取所述转向盘(8)的转矩，即所述路感电机(5)的输出转矩， 并通过所述多功能数据采集卡（11)传递给所述计算机主机(12)进行存储;从而完成汽车转 向操纵的模拟与测试。2. 根据权利要求1所述的多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统，其特征是，所述"L" 型底座（1)的水平板和倾斜板为可伸缩式结构，从而使得所述汽车座椅(2)、踏板(3)和转向 器之间的水平距离可调、转向器的高度可调;所述转向器支架(4)用于调整所述转向器的倾 斜角;所述踏板(3)的倾角可调，从而实现驾驶坐姿的自由调整。3. 根据权利要求1所述的多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统，其特征是， 当所述转向器顺时针偏转时，所述转角信号为正值，此时所述直流电机驱动模块输出 逆时针转动的驱动信号给所述路感电机(5); 当所述转向器逆时针偏转时，所述转角信号为负值，此时所述直流电机驱动模块输出 逆时顺转动的驱动信号给所述路感电机(5); 设置转向盘转角阈值为θ〇， 当转向盘(8)的转角信号的绝对值在0至θ〇范围内变化时，所述路感电机(5)的输出转矩 与所述转角信号的绝对值成正比； 当转向盘(8)的转角信号的绝对值大于Θ 〇变化时，所述路感电机(5)的输出转矩为一定 值；由所述驱动信号和输出转矩实现汽车驾驶路感的模拟。4. 一种多维可调汽车转向操纵模拟与测试系统的视景控制方法，其特征是按如下步骤 进行： 步骤1、利用式（1)设置虚拟场景与实物之间的比例值λ，从而构建汽车驾驶的虚拟场 (I) 景：式（1)中，W表示实际车道宽度，W'表示虚拟车道宽度，W为实车宽度，W'为汽车模型宽 度，Vx为实车车速，V ' X为模拟车速； 步骤2、利用式(2)所示的二自由度车辆动力学模型，获得实车质心的侧向速度V和横摆 角速度r:(2) 式(2)中，m为实车质量，Vx为实车的实时车速，Θ为实车的转向盘转角，Cf、Cr分别为实车 前、后轮的线性侧偏刚度，lf、lr分别为实车质心至前、后轴的距离，Iz为实车绕竖直轴的转 动惯量，γ为实车转向系统传动比，?·、P分别是V和r关于时间的一阶导数； 步骤3、所述实车的横摆角速度r即为汽车模型的横摆角速度;根据实车运动参数对所 述汽车模型的模拟车速V ' x与所述横摆角速度r进行实时调整，从而实现视景控制。
【文档编号】G09B9/04GK105894889SQ201610305769
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】刘明周, 张淼, 扈静, 刘正琼, 葛茂根, 张铭鑫, 凌琳, 张玺, 王小巧
【申请人】合肥工业大学