專利名稱：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
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種汽車駕駛模擬器體感裝置，尤其涉及的是一種汽車駕駛模 擬器少自由度體感裝置及其位姿調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著機動車保有量的增加，道路里程的延伸，道路交通愈趨復(fù)雜，由 于交通設(shè)施狀況和駕駛員培訓(xùn)存在的問題，發(fā)生交通事故的概率很大。研究表明，與有 經(jīng)驗的駕駛員相比，新駕駛員更容易發(fā)生交通事故。為減少或避免事故的發(fā)生，需要提 高駕駛培訓(xùn)效果，目前在駕駛培訓(xùn)方面越來越多采用汽車駕駛模擬器對新駕駛員進(jìn)行先 期培訓(xùn)，以獲得對汽車駕駛的感性認(rèn)識和對危險復(fù)雜路況的理性處理經(jīng)驗，通過采用汽 車駕駛模擬器進(jìn)行訓(xùn)練可以減少1/3的實車訓(xùn)練時間，減少交通事故，減少環(huán)境污染， 減少汽車的油耗、磨損以及教練的指導(dǎo)時間，既節(jié)能又環(huán)保。汽車駕駛模擬器能正確 模擬汽車駕駛動作，又稱為汽車模擬駕駛仿真系統(tǒng)，它集合了傳感器、計算機、數(shù)據(jù)通 信、多媒體等先進(jìn)技術(shù)，具有安全性高、再現(xiàn)性好、容易設(shè)定各種試驗條件以及節(jié)能環(huán) 保等優(yōu)點，是應(yīng)用于駕駛員培訓(xùn)的一種重要工具。汽車駕駛模擬器作為汽車駕駛培訓(xùn) 工具在發(fā)達(dá)國家已普遍應(yīng)用，我國也正式規(guī)定汽車駕駛培訓(xùn)學(xué)校必須裝備汽車駕駛模擬
ο目前現(xiàn)有應(yīng)用于駕駛培訓(xùn)中的是簡易型汽車駕駛模擬器，其根據(jù)駕駛者輸入的 加速、剎車、轉(zhuǎn)向等信號，得到當(dāng)前汽車的運動狀態(tài)，實時生成交通場景，將車輛的響 應(yīng)動作通過視頻和音頻設(shè)備反饋給駕駛者，駕駛?cè)藛T根據(jù)交通場景做出判斷，操縱汽 車；但對于能促進(jìn)沉浸感的觸覺反饋(力反饋)的體感效應(yīng)大多數(shù)汽車駕駛模擬器都無 法有效模擬，比如對于顛簸路面的震動體感、由汽車制動慣性或加速慣性產(chǎn)生的身體俯 仰體感、由汽車轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的身體側(cè)傾體感和自動回位的體感模擬問題至今未得到有效解 決，因而影響了汽車駕駛模擬器的實車駕駛感覺。由于在實際駕駛培訓(xùn)中，結(jié)構(gòu)簡單、 開發(fā)成本低，又能實現(xiàn)駕駛體感的汽車駕駛模擬器具有很大市場需求和廣泛的應(yīng)用前 景。而目前國內(nèi)外研究者更多地關(guān)注具有多自由度復(fù)雜空間運動的體感產(chǎn)生運動機構(gòu)及 其與多自由度復(fù)雜空間運動機構(gòu)對應(yīng)的體感模擬算法，對能反映汽車駕駛體感、結(jié)構(gòu)簡 單、成本較低的少自由度體感產(chǎn)生運動機構(gòu)考慮較少，而據(jù)此所設(shè)計的體感產(chǎn)生運動機 構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，無法滿足中低端汽車駕駛模擬器培訓(xùn)的需求。鑒于技術(shù)、經(jīng)濟 的原因，目前應(yīng)用在汽車駕駛培訓(xùn)領(lǐng)域的體感裝置在推廣應(yīng)用中受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種汽車駕駛模擬 器少自由度體感裝置及其位姿調(diào)整方法。技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括底座固定平臺、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。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。 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。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(shè)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(shè)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(shè)于電動缸外部套筒的中間位置。所述伺服電動缸工作行程為200mm，滾珠絲桿導(dǎo)程為10mm，伺服電機額定轉(zhuǎn) 速為3000r/min，伺服電機功率為800w。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。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。本裝置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(yuǎn)程控制模塊、本機控制模塊和參數(shù)設(shè)置模塊，其中參數(shù)設(shè)置模塊分別與本機控制模塊和遠(yuǎn)程控制模塊相連，設(shè)置體感裝置運動的 相關(guān)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(yuǎn)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(fù)責(zé)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。一種汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置位姿調(diào)整方法，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)動控制兩個伺服電動缸 移動適當(dāng)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。
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(biāo)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(biāo)系A(chǔ)l-xyz 和以第一鉸接支點為原點的坐標(biāo)系Bl-xlylzl ；(2)確定底座固定平臺和頂部模擬駕駛艙的支點坐標(biāo)，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(biāo)系 Bl-xlylzl相對于底座固定坐標(biāo)系A(chǔ)l-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(guān)，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(biāo)系中的坐標(biāo)；(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興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(dá)式，從而可以通 過齊次變換矩陣τ將頂部模擬駕駛艙各鉸接支點表示為底座固定平臺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)P1G =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(biāo)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 ^O 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(dá)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(biāo)系中的坐標(biāo)P1G = 1、 2、3)，由俯仰前后的頂部模擬駕駛艙各鉸接支點的坐標(biāo)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，駕駛模擬顛簸位姿的實 現(xiàn)，采用與俯仰類似的方式進(jìn)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。有益效果本發(fā)明采用兩個伺服電動缸和一個支撐桿的形式實現(xiàn)汽車駕駛過程 中俯仰、側(cè)傾和顛簸的體感效果，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低的特點；本發(fā)明采用汽車駕駛 座艙的嵌入式布局，從而使用于產(chǎn)生體感的裝置的重心大大降低，安全性和可靠性大大 提高；本發(fā)明的汽車駕駛模擬器體感裝置位姿調(diào)整方法不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)矩陣運算，就 可實現(xiàn)汽車駕駛位姿和伺服電動缸桿長之間的換算，完成汽車駕駛位姿的調(diào)整。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明側(cè)傾位姿示意圖；圖3是本發(fā)明俯仰位姿示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn) 行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。 如圖1所示，本實施例由三個定位器支撐調(diào)節(jié)汽車駕駛模擬器的位姿，三個定 位器采用兩個伺服電動缸(能夠做伸長和縮短運動的執(zhí)行機構(gòu))和一個支撐桿的形式進(jìn)行 位姿調(diào)整。本實施例包括底座固定平臺1、兩個伺服電動缸3、支撐桿、頂部模擬駕駛艙 5、三自由度球鉸副4和單自由度轉(zhuǎn)動副2，其中兩個伺服電動缸3和支撐桿的上端分 別通過球鉸副4與頂部模擬駕駛艙5鉸接，兩個電動缸的下端通過轉(zhuǎn)動副2和底座固定平 臺1鉸接，支撐桿的下端固連在底座固定平臺1上，組成一個底部固定、頂部可調(diào)的雙平 臺汽車駕駛模擬器體感裝置。所述支撐桿和兩個伺服電動缸3在底座固定平臺1的第一固接支點Al、第二平 臺支點A2和第三平臺支點A3以第二平臺支點A2和第三平臺支點A3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3在頂部模擬駕駛艙5的第一鉸接支點 Bi、第二鉸接支點B2和第三鉸接支點B3以第二鉸接支點B2和第三鉸接支點B3的連線 為底邊的等腰三角形位置分布。在其他的實施例中，第一固接支點Al、第二平臺支點A2和第三平臺支點A3 ； 第一鉸接支點Bi、第二鉸接支點B2和第三鉸接支點B3也可以以其他形式的三角形分布。所述伺服電動缸3和底座固定平臺1鉸接的轉(zhuǎn)動副2的轉(zhuǎn)動方向垂直，頂部模擬 駕駛艙5以嵌入式布局鉸接在伺服電動缸3和支撐桿之間，降低了整個汽車駕駛模擬器體 感裝置的重心。所述伺服電動缸3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(shè) 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(shè)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(shè)于電動缸外部套筒的中間位置。所述伺服電動缸3工作行程為200mm，滾珠絲桿導(dǎo)程為10mm，伺服電機額定轉(zhuǎn) 速為3000r/min，伺服電機功率為800w。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3處于中位 時的伺服電動缸3長度相同。所述伺服電動缸3具有一個方向的移動自由度，且采用閉環(huán)伺服控制，通過兩 個伺服電動缸3移動方向的不同組合獲得汽車駕駛模擬的俯仰、側(cè)傾和顛簸位姿。本裝置可做繞χ軸旋轉(zhuǎn)和y軸旋轉(zhuǎn)兩種自由度的運動，也即汽車駕駛過程中產(chǎn)生 的側(cè)傾和俯仰姿態(tài)，由于設(shè)計的汽車駕駛模擬器體感裝置等腰三角形布置的頂點與底邊 的距離相比底邊比較大，其構(gòu)造的等腰三角形是狹長形三角形，以頂部模擬駕駛艙5的 第一鉸接支點Bl進(jìn)行繞y軸的旋轉(zhuǎn)時，頂部模擬駕駛艙5的第二鉸接支點B2和頂部模 擬駕駛艙5的第三鉸接支點B3相對中位或零位伸長或縮短的距離較短時，可近似看作沿 ζ軸的垂直震動，也即沿ζ軸的顛簸的汽車駕駛位姿。汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置 采用全局位姿調(diào)整方式反映實際的模擬駕駛過程，即體感裝置作為整個汽車駕駛模擬器 的支撐部件，對汽車駕駛模擬器進(jìn)行支撐和位姿調(diào)整。
本裝置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(yuǎn)程控制模塊、本機控制模塊和參數(shù)設(shè)置模塊，其中 參數(shù)設(shè)置模塊分別與本機控制模塊和遠(yuǎn)程控制模塊相連，設(shè)置體感裝置運動的 相關(guān)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(yuǎn)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(fù)責(zé)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。對汽車運行姿態(tài)進(jìn)行分析和處理，變換為汽車駕駛模擬器的體感數(shù)據(jù)，根據(jù)體 感數(shù)據(jù)控制汽車駕駛模擬器體感裝置產(chǎn)生相應(yīng)體感。一種汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置位姿調(diào)整方法，包括以下步驟(1)裝置初始化，兩個伺服電動缸3定位到中間位置，即伺服電動缸3行程為 IOOmm時的位置；(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3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3移動調(diào)整量驅(qū)動控制兩個電動缸移 動適當(dāng)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。所述汽車駕駛模擬視景仿真系統(tǒng)模擬駕駛視景可以將汽車駕駛過程中的模擬仿 真的位姿數(shù)據(jù)傳輸給伺服控制系統(tǒng)。一種汽車駕駛模擬器少自由度體感裝置位姿調(diào)整方法，所述位姿轉(zhuǎn)換模塊包括 以下處理過程(1)底座固定平臺1和頂部模擬駕駛艙5坐標(biāo)系的建立以頂部模擬駕駛艙5的第一鉸接支點Bl為原點，從頂部模擬駕駛艙5的第一鉸 接支點Bl到頂部模擬駕駛艙5的第二鉸接支點B2和頂部模擬駕駛艙5的第三鉸接支點 B3為邊的中點的連線為Xl軸，過頂部模擬駕駛艙5的第一鉸接支點Bl與頂部模擬駕駛 艙5三個鉸接支點構(gòu)成的平面垂直的方向為zl軸，過頂部模擬駕駛艙5的第一鉸接支點 Bl與頂部模擬駕駛艙5的第二鉸接支點B2和頂部模擬駕駛艙5的第三鉸接支點B3的連 線平行的方向建立yl軸，建立固連在頂部模擬駕駛艙5的坐標(biāo)系Bl-xlylzl。以底座固 定平臺1的第一固接支點Al為原點，從底座固定平臺1的第一固接支點Al到底座固定 平臺1的第二平臺支點A2和底座固定平臺1的第三平臺支點A3為邊的中點的連線為χ軸，過底座固定平臺1的第一固接支點Al與底座固定平臺1的三個鉸接支點構(gòu)成的平面 垂直的方向為ζ軸，過底座固定平臺1的第一固接支點Al與底座固定平臺1的第二平臺 支點A2和底座固定平臺1的第三平臺支點A3的連線平行的方向建立y軸，建立底座固 定平臺1坐標(biāo)系A(chǔ)l-xyz。在建立的上述Bl-xlylzl和Al_Xyz坐標(biāo)系的情況下，頂部模 擬駕駛艙5在兩個伺服電動缸3的移動過程中可在Al-xyz坐標(biāo)系中繞χ軸、y軸做空間 旋轉(zhuǎn)運動，并且在兩個伺服電動缸3長度一定時，可唯一確定頂部模擬駕駛艙5在空間的 位置姿態(tài)。(2)底座固定平臺1和頂部模擬駕駛艙5鉸接支點坐標(biāo)的確定設(shè)底座固定平臺1三個鉸接支點和頂部模擬駕駛艙5三個鉸接支點構(gòu)成的等腰 三角形的底邊長為b、腰的長為a，頂部模擬駕駛艙5坐標(biāo)系Bl-xlylzl相對于底座固定 平臺1坐標(biāo)系A(chǔ)l-xyz的χ軸、y軸的轉(zhuǎn)角分別為α和β，則頂部模擬駕駛艙5坐標(biāo)系 Bl-Xlylz 1相對于底座固定坐標(biāo)系A(chǔ)l-xyz有式(1)所示的齊次變換矩陣T
權(quán)利要求
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(shè)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(yuǎn)程控制模塊、本機控制模塊和參數(shù)設(shè)置模塊，其中參數(shù)設(shè)置模塊分別與本機控制模塊和遠(yuǎn)程控制模塊相連，設(shè)置體感裝置運動的相關(guān) 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(yuǎn)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(fù)責(zé)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ο
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(dāng)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(biāo)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(biāo)系A(chǔ)l-xyz和以 第一鉸接支點為原點的坐標(biāo)系Bl-Xlylzl ；(2)確定底座固定平臺和頂部模擬駕駛艙的支點坐標(biāo)，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(biāo)系Bl-Xlylzl 相對于底座固定坐標(biāo)系A(chǔ)l-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(guān)，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(biāo)系中的坐標(biāo)；(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興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(dá)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(biāo)系中的坐標(biāo)P1G =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(biāo)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興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(dá)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(biāo)系中的坐標(biāo)P1G = 1、 2、3)，由俯仰前后的頂部模擬駕駛艙各鉸接支點的坐標(biāo)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(jìn)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。
全文摘要
本發(fā)明公開了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，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。本發(fā)明實現(xiàn)汽車駕駛過程中俯仰、側(cè)傾和顛簸的體感效果，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低的特點；本發(fā)明使裝置的重心大大降低，安全性和可靠性大大提高；本發(fā)明的汽車駕駛模擬器體感裝置位姿調(diào)整方法不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)矩陣運算，就可實現(xiàn)汽車駕駛位姿和伺服電動缸桿長之間的換算，完成汽車駕駛位姿的調(diào)整。
文檔編號G09B9/04GK102013185SQ20101056201
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者張臣 申請人:南京多倫科技有限公司