本發(fā)明涉及機電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于虛擬駕駛的機電系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

虛擬駕駛的系統(tǒng)可以應(yīng)用在駕駛教學(xué)或者游戲等方面。現(xiàn)有技術(shù)中的虛擬駕駛系統(tǒng)中主要有方向盤、油門踏板、剎車踏板、座椅、多自由度平臺、控制系統(tǒng)、以及執(zhí)行系統(tǒng)。圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的一種虛擬駕駛系統(tǒng)的主要組成部分的示意圖。如圖1所示，座椅11安裝在多自由度平臺12上；方向盤13、油門踏板14以及剎車踏板15與控制系統(tǒng)16連接；控制系統(tǒng)16與執(zhí)行系統(tǒng)17連接，用于根據(jù)方向盤13、油門踏板14以及剎車踏板15發(fā)來的信號對執(zhí)行系統(tǒng)17進行控制；執(zhí)行系統(tǒng)17與多自由度平臺12連接，用于在控制系統(tǒng)16的控制下改變多自由度平臺12的姿態(tài)。

控制系統(tǒng)16包括計算處理裝置和多個模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。這些模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置分別與上述方向盤13、油門踏板14、以及剎車踏板15連接，并且與計算處理裝置連接。模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置對方向盤13、油門踏板14、以及剎車踏板15發(fā)來的模擬量進行例如每秒50次的采樣，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再發(fā)送給計算處理裝置。計算處理裝置用于根據(jù)這些模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置發(fā)來的數(shù)字量，向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)送控制信號，可采用通常的個人計算機和控制器來組成計算處理裝置。

穿戴式顯示設(shè)備在近年來得到了越來越多的應(yīng)用，VR(虛擬現(xiàn)實)頭盔或VR眼鏡是其中常見的品種。穿戴式顯示設(shè)備具有顯示元件即屏幕，并且還具有陀螺儀等裝置，能夠檢測穿戴者的一些運動。目前的穿戴式顯示設(shè)備通常應(yīng)用于提供虛擬現(xiàn)實中的視覺場景。如何擴展穿戴式顯示設(shè)備的應(yīng)用范圍，成為目前研究和應(yīng)用關(guān)心的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是要提供一種用于虛擬駕駛的機電系統(tǒng)及其控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶應(yīng)用穿戴式顯示設(shè)備時進行虛擬駕駛，有助于提高用戶體驗。

為達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于虛擬駕駛的機電系統(tǒng)。

本發(fā)明的用于虛擬駕駛的機電系統(tǒng)，所述機電系統(tǒng)包括方向盤、油門踏板、剎車踏板、座椅、多自由度平臺、控制系統(tǒng)、以及執(zhí)行系統(tǒng)，其中：所述座椅安裝在所述多自由度平臺上；所述方向盤、油門踏板以及剎車踏板與所述控制系統(tǒng)連接；所述控制系統(tǒng)與所述執(zhí)行系統(tǒng)連接，用于根據(jù)所述方向盤、油門踏板以及剎車踏板發(fā)來的信號對所述執(zhí)行系統(tǒng)進行控制；所述執(zhí)行系統(tǒng)與所述多自由度平臺連接，用于在所述控制系統(tǒng)的控制下改變所述多自由度平臺的姿態(tài)；所述機電系統(tǒng)還包括帶有陀螺儀的穿戴式顯示設(shè)備以及水平轉(zhuǎn)盤，其中：所述穿戴式顯示設(shè)備與所述控制系統(tǒng)連接，用于將該穿戴式顯示設(shè)備的水平偏轉(zhuǎn)角度的信息發(fā)送給所述控制系統(tǒng)；所述水平轉(zhuǎn)盤連接在所述多自由度平臺下方，并且與所述控制系統(tǒng)連接；所述控制系統(tǒng)還用于根據(jù)所述穿戴式顯示設(shè)備的水平偏轉(zhuǎn)角度的信息以及所述方向盤輸出的信息對所述穿戴式顯示設(shè)備顯示的場景的視角進行控制。

可選地，所述水平轉(zhuǎn)盤包括伺服電機、蝸桿、以及齒盤，其中：所述伺服電機與所述控制系統(tǒng)連接，并與所述蝸桿連接；所述蝸桿與所述齒盤嚙合；所述齒盤與所述多自由度平臺連接。

可選地，所述多自由度平臺為2自由度，分別是橫滾和俯仰。

可選地，所述控制系統(tǒng)包括計算處理裝置和多個模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置；所述多個模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置分別與所述方向盤、油門踏板、以及剎車踏板連接，并且與所述計算處理裝置連接；所述計算處理裝置用于根據(jù)所述多個模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置輸出的信號，向所述執(zhí)行系統(tǒng)或水平轉(zhuǎn)盤發(fā)送控制信號。

可選地，所述執(zhí)行系統(tǒng)包括互相連接的伺服電機和電缸；所述伺服電機與所述計算處理裝置連接；所述電缸和所述多自由度動運平臺連接。

可選地，所述執(zhí)行系統(tǒng)包括互相連接的伺服電磁閥和液壓缸；所述伺服電磁閥與所述計算處理裝置連接；所述液壓缸和所述多自由度動運平臺連接。

可選地，所述執(zhí)行系統(tǒng)包括互相連接的伺服電機和擺臂連桿機構(gòu)，所述擺臂連桿機構(gòu)用于將旋轉(zhuǎn)輸入轉(zhuǎn)換為直線輸出；所述伺服電機與所述計算處理裝置連接；所述擺臂連桿機構(gòu)和所述多自由度動運平臺連接。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于虛擬駕駛的機電系統(tǒng)的控制方法。

本發(fā)明的用于虛擬駕駛的機電系統(tǒng)的控制方法，所述機電系統(tǒng)為本發(fā)明中的機電系統(tǒng)，該控制方法包括：所述控制系統(tǒng)同時接收所述方向盤發(fā)來的行進方向偏轉(zhuǎn)角度的信息和所述穿戴式顯示設(shè)備發(fā)來的視線方向偏轉(zhuǎn)角度的信息；所述控制系統(tǒng)將所述行進方向偏轉(zhuǎn)角度和所述視線方向偏轉(zhuǎn)角度分別乘以各自的預(yù)設(shè)權(quán)重之后相加，得到合成角度；所述控制系統(tǒng)控制所述穿戴式顯示設(shè)備顯示的場景的視角轉(zhuǎn)過所述合成角度。

可選地，所述行進方向偏轉(zhuǎn)角度的預(yù)設(shè)權(quán)重范圍是[0,1]；所述視線方向偏轉(zhuǎn)角度的預(yù)設(shè)權(quán)重范圍是[0,1]。

可選地，過濾所述方向盤產(chǎn)生的大于5Hz的行進方向偏轉(zhuǎn)角度振動，以及過濾所述穿戴式顯示設(shè)備產(chǎn)生的大于5Hz的視線方向偏轉(zhuǎn)角度振動。

根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，實現(xiàn)了用戶應(yīng)用穿戴式顯示設(shè)備時進行虛擬駕駛，并且在轉(zhuǎn)彎時并不鎖定而是繼續(xù)接收穿戴式顯示設(shè)備的輸入，使駕駛員在操作方向盤時能夠通過轉(zhuǎn)動頭部來獲得更廣的視野，并且更加符合實際駕駛狀態(tài)。

根據(jù)下文結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點和特征。

附圖說明

后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中：

圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的一種虛擬駕駛系統(tǒng)的主要組成部分的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于虛擬駕駛的機電系統(tǒng)的基本組成部分的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實施方式的采用擺臂連桿機構(gòu)實現(xiàn)的執(zhí)行系統(tǒng)的示意圖。

具體實施方式

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于虛擬駕駛的機電系統(tǒng)的基本組成部分的示意圖。如圖2所示，用于虛擬駕駛的機電系統(tǒng)20在圖1所示的虛擬駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了穿戴式顯示設(shè)備21和水平轉(zhuǎn)盤22。

水平轉(zhuǎn)盤22連接在多自由度平臺12的下方，并且與控制系統(tǒng)16連接。因其盤面與水平面平行，旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)軸與水平面垂直(即旋轉(zhuǎn)時盤面仍保持在水平面內(nèi))，因此叫做水平轉(zhuǎn)盤。

本實施方式的多自由度平臺選用2自由度，分別是橫滾和俯仰，未采用更多的自由度，以降低系統(tǒng)復(fù)雜度。橫滾時的轉(zhuǎn)軸前后方向延伸，俯仰時的轉(zhuǎn)軸則是左右方向延伸。該2自由度再結(jié)合水平轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，足夠模擬虛擬駕駛時的各種姿態(tài)。

穿戴式顯示設(shè)備21可以是VR頭盔或VR眼鏡，以無線的方式例如紅外、藍(lán)牙等近距離通信方式與控制系統(tǒng)16連接，從而將該穿戴式顯示設(shè)備21的水平偏轉(zhuǎn)角度的信息發(fā)送給控制系統(tǒng)16。這里的水平偏轉(zhuǎn)角度，一般是使用者頭部左右轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生。該偏轉(zhuǎn)角度可以是用戶的視線方向與座椅初始位置的正前方的夾角。這里的視線是用戶兩眼向面部朝向的正前方的視線。

控制系統(tǒng)16在收到上述的水平偏轉(zhuǎn)角度的信息后，根據(jù)該信息并結(jié)合方向盤的輸出，控制穿戴式顯示設(shè)備21所呈現(xiàn)的視野。具體控制方式將在下文中加以說明。

本實施方式中，為了提高轉(zhuǎn)盤的安全性并且降低成本，采用了齒盤-蝸桿的結(jié)構(gòu)。具體而言，水平轉(zhuǎn)盤包括伺服電機、蝸桿、以及齒盤。齒盤水平方向布置，其邊緣具有齒；蝸桿豎直方向布置，其螺旋齒與齒盤的齒相配合，使蝸桿在繞其軸心旋轉(zhuǎn)時帶動齒盤旋轉(zhuǎn)；另有伺服電機與蝸桿同軸連接。這種方式與電機通過減速裝置連接到轉(zhuǎn)盤軸心這一通常控制轉(zhuǎn)盤的方式相比，需要的減速裝置的齒輪更少或不需減速裝置，降低了成本；而且在外力不合理地施加到齒盤，試圖使其轉(zhuǎn)動時，由于齒盤無法帶動蝸桿，從而形成自鎖以避免齒盤的轉(zhuǎn)動，提高了轉(zhuǎn)盤的安全性。

執(zhí)行系統(tǒng)的一種可選結(jié)構(gòu)是互相連接的伺服電機和電缸，伺服電機與計算處理裝置連接，根據(jù)計算處理裝置輸出的控制信號啟示或停止。執(zhí)行系統(tǒng)也可以采用伺服電磁閥和液壓缸等元件組成，由計算處理裝置控制伺服電磁閥，從而控制液壓缸的行程。

執(zhí)行系統(tǒng)的另一種可選結(jié)構(gòu)是采用擺臂連桿機構(gòu)，如圖3所示，圖3是根據(jù)本發(fā)明實施方式的采用擺臂連桿機構(gòu)實現(xiàn)的執(zhí)行系統(tǒng)的示意圖。

在實際駕駛時，方向盤的轉(zhuǎn)動會改變駕駛員的視野；駕駛員頭部左右轉(zhuǎn)動也會改變其視野。因此在實現(xiàn)虛擬駕駛時，需要綜合考慮上述兩種影響視野的因素。本發(fā)明實施方式中，控制系統(tǒng)同時接收方向盤發(fā)來的行進方向偏轉(zhuǎn)角度的信息和穿戴式顯示設(shè)備發(fā)來的視線方向偏轉(zhuǎn)角度的信息。具體仍由模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置進行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。這里的偏轉(zhuǎn)角度是行進方向或視線方向與正前方之間的夾角，并且賦予正負(fù)值，例如從正前方起順時針轉(zhuǎn)過的角度為正值，逆時針轉(zhuǎn)過的角度為負(fù)值。然后控制系統(tǒng)計算上述兩個偏轉(zhuǎn)角度的加權(quán)和，即根據(jù)公式X＝W1×A+W2×B計算，其中X表示合成角度，W1表示設(shè)定的行進方向偏轉(zhuǎn)角度的權(quán)重，W2表示設(shè)定的視線方向偏轉(zhuǎn)角度的權(quán)重，A和B分別表示方向盤發(fā)來的行進方向偏轉(zhuǎn)角度以及穿戴式顯示設(shè)備發(fā)來的視線方向偏轉(zhuǎn)角度。最后控制系統(tǒng)控制穿戴式顯示設(shè)備顯示的場景的視角轉(zhuǎn)過該合成角度。

根據(jù)上述的控制方式，在轉(zhuǎn)彎時并不鎖定而是繼續(xù)接收穿戴式顯示設(shè)備的輸入，使駕駛員在操作方向盤時能夠通過轉(zhuǎn)動頭部來獲得更廣的視野，并且更加符合實際駕駛狀態(tài)。

上述的W1和W2之和應(yīng)保持為1，W1的范圍可取為[0,1]，W2的范圍可取為[0,1]。為了避免穿戴式顯示設(shè)備的視野的變動過快，在本發(fā)明實施方式中，可以對方向盤和穿戴式顯示設(shè)備的高頻振動進行過濾。對于方向盤來說，可以對于大于5Hz的行進方向偏轉(zhuǎn)角度的振動不作響應(yīng)。對于穿戴式顯示設(shè)備來說，可以對于大于5Hz的視線方向的偏轉(zhuǎn)角度的振動不作響應(yīng)。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其他變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。