[發(fā)明專利]一種汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置及其位姿調(diào)整方法

有效

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• 申請日: 2010-11-26
• 公開（公告）號: CN102013185A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發(fā)明（設計）人: 張臣
• 申請（專利權(quán)）人: 南京多倫科技有限公司
• 主分類號: G09B9/04
• 分類號: G09B9/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置，其特征在于，包括底座固定平臺、兩個伺服電動缸、支撐桿和頂部模擬駕駛艙，其中：兩個伺服電動缸和支撐桿的上端分別通過球鉸副與頂部模擬駕駛艙鉸接，兩個伺服電動缸的下端通過轉(zhuǎn)動副和底座固定平臺鉸接，支撐桿的下端固連在底座固定平臺上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置，其特征在于：所述支撐桿和兩個伺服電動缸在底座固定平臺的第一固接支點、第二平臺支點和第三平臺支點以第二平臺支點和第三平臺支點的連線為底邊的等腰三角形位置分布；所述支撐桿和兩個伺服電動缸在頂部模擬駕駛艙上的第一鉸接支點、第二鉸接支點和第三鉸接支點以第二鉸接支點和第三鉸接支點的連線為底邊的等腰三角形位置分布。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置，其特征在于：所述兩個伺服電動缸和底座固定平臺鉸接的轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動方向垂直，頂部模擬駕駛艙以嵌入式布局鉸接在伺服電動缸和支撐桿之間。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置，其特征在于：所述伺服電動缸包括伺服電機、伺服驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)編碼器、上限位傳感器、下限位傳感器、零位傳感器、滾珠絲杠、推桿和電動缸外部套筒，其中：旋轉(zhuǎn)編碼器設置于伺服電機上，伺服驅(qū)動器和伺服電機相連，伺服電機和滾珠絲桿相連，上限位傳感器和下限位傳感器設置在電動缸外部套筒上，上限位傳感器和下限位傳感器分別位于推桿運動的上下極限位置，零位傳感器設于電動缸外部套筒的中間位置。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置，其特征在于：所述伺服電動缸工作行程為200mm，滾珠絲桿導程為10mm，伺服電機額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，伺服電機功率為800w。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置，其特征在于：所述支撐桿為空心圓柱形，兩端帶有機械接口，長度和伺服電動缸處于中間位置時的伺服電動缸長度相同。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置，其特征在于：所述伺服電動缸具有一個方向的移動自由度，且采用閉環(huán)伺服控制。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置，其特征在于：還包括伺服控制系統(tǒng)，所述伺服控制系統(tǒng)包括通訊數(shù)據(jù)接收模塊、位姿轉(zhuǎn)換模塊、運動控制模塊、遠程控制模塊、本機控制模塊和參數(shù)設置模塊，其中：

參數(shù)設置模塊分別與本機控制模塊和遠程控制模塊相連，設置體感裝置運動的相關參數(shù)；

通訊數(shù)據(jù)接收模塊實時接收汽車的運動姿態(tài)；位姿轉(zhuǎn)換模塊和通訊數(shù)據(jù)接收模塊相連，分析和處理汽車的運動姿態(tài)，變換為伺服電動缸的動作數(shù)據(jù)；

運動控制模塊分別與伺服電動缸和位姿轉(zhuǎn)換模塊相連，根據(jù)伺服電動缸的運動控制數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)控制兩個伺服電動缸動作；

遠程控制模塊分別與位姿轉(zhuǎn)換模塊和運動控制模塊相連，負責體感裝置運行期間的協(xié)調(diào)和管理；

本機控制模塊分別與位姿轉(zhuǎn)換模塊和運動控制模塊相連，用于伺服控制系統(tǒng)的測試。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置位姿調(diào)整方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)裝置初始化，兩個伺服電動缸定位到中間位置；

(2)汽車駕駛過程中位姿數(shù)據(jù)由汽車駕駛模擬視景仿真系統(tǒng)通過PCI總線送入伺服控制系統(tǒng)，用于位姿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，伺服控制系統(tǒng)接收的位姿數(shù)據(jù)包括：繞X方向旋轉(zhuǎn)的側(cè)傾角度、繞Y方向旋轉(zhuǎn)的俯仰角度和垂直震動幅度Z向位移；

(3)通過位姿轉(zhuǎn)換模塊將汽車駕駛過程中位姿數(shù)據(jù)變換為兩個伺服電動缸的移動調(diào)整量；

(4)根據(jù)步驟(3)變換后的兩個伺服電動缸移動調(diào)整量驅(qū)動控制兩個電動缸移動適當距離，實現(xiàn)汽車駕駛模擬器體感裝置的姿態(tài)調(diào)整與實時控制，獲得真實的汽車駕駛體感。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置位姿調(diào)整方法，其特征在于，所述位姿轉(zhuǎn)換模塊包括以下處理過程：

(1)首先建立底座固定平臺和頂部模擬駕駛艙的坐標系，利用底座固定平臺的三個支點和頂部模擬駕駛艙的三個鉸接點分別建立以第一固接支點為原點的坐標系A1-xyz和以第一鉸接支點為原點的坐標系B1-x1y1z1；

(2)確定底座固定平臺和頂部模擬駕駛艙的支點坐標，根據(jù)底座固定平臺三個支點和頂部模擬駕駛艙三個鉸接支點構(gòu)成的等腰三角形，建立頂部模擬駕駛艙坐標系B1-x1y1z1相對于底座固定坐標系A1-xyz的齊次變換矩陣T，建立的齊次變換矩陣T與側(cè)傾角度α和俯仰角度β有關，通過建立的齊次變換矩陣T將頂部模擬駕駛艙各鉸接支點表示為底座固定平臺坐標系中的坐標；

(3)分析汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置的側(cè)傾位姿，將參數(shù)α≠0、β＝0代入建立的齊次變換矩陣T中，得到齊次變換矩陣T在側(cè)傾位姿下的表達式，從而可以通過齊次變換矩陣T將頂部模擬駕駛艙各鉸接支點表示為底座固定平臺坐標系中的坐標P_i(i＝1、2、3)，由側(cè)傾前后的頂部模擬駕駛艙各鉸接支點的坐標得到兩個伺服電動缸推桿伸長或縮短的長度；

(4)分析汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置的俯仰位姿，將參數(shù)α＝0、β≠0代入齊次變換矩陣T中，得到齊次變換矩陣T在俯仰位姿下的表達式，從而可以通過齊次變換矩陣T將頂部模擬駕駛艙各鉸接支點表示為底座固定平臺坐標系中的坐標P_i(i＝1、2、3)，由俯仰前后的頂部模擬駕駛艙各鉸接支點的坐標得到兩個伺服電動缸推桿伸長或縮短的長度；

(5)分析汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置的顛簸位姿，汽車駕駛模擬顛簸位姿的實現(xiàn)，采用與俯仰類似的方式進行伺服電動缸桿長和顛簸幅度的轉(zhuǎn)換，此時兩個伺服電動缸推桿伸長或縮短的長度在50mm以內(nèi)，在一定頻率不斷移動顛簸幅度需要兩個伺服電動缸推桿伸長或縮短的距離就可實現(xiàn)汽車駕駛模擬的顛簸位姿。