專利名稱：用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于計(jì)量角度或錐度的檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法，尤其涉及一種用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器中的計(jì)量腳踏板機(jī)構(gòu)或手剎機(jī)構(gòu)角度或檔位機(jī)構(gòu)錐度的檢測(cè)裝置 及其檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
車輛駕駛狀態(tài)信號(hào)的采集、處理及傳輸，直接影響到整個(gè)汽車駕駛模擬系統(tǒng)的交互性和實(shí)時(shí)性，它是衡量汽車駕駛模擬器實(shí)用性能的重要指標(biāo)。在傳統(tǒng)的汽車駕駛模擬器中，對(duì)于車輛油門踏板、腳剎踏板、離合踏板的傾角變化 信號(hào)，主要是采用角度或位移傳感器檢測(cè)機(jī)件姿態(tài)傾角的變化；對(duì)于檔位、手剎信號(hào)的提 取，多采用霍爾開(kāi)關(guān)或行程開(kāi)關(guān)提取相應(yīng)信號(hào)。由于這些傳感器體積較大、成本較高、安裝 時(shí)需要改動(dòng)車體操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，給生產(chǎn)制造、安裝、維修和保養(yǎng)等帶來(lái)不便。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的前沿研 究領(lǐng)域?；贛EMS技術(shù)的三軸加速度傳感器可在X、Y、Z三個(gè)軸向上，以極高的靈敏度采集 重力在墜落、傾斜、移動(dòng)、放置、振動(dòng)和搖擺的變化信號(hào)?，F(xiàn)有技術(shù)中的汽車駕駛模擬器中，采用上述MEMS三軸傳感器替代原有的采集方 式采集車輛腳踏板機(jī)構(gòu)、檔位、手剎的姿態(tài)變化信號(hào)，可采用表面粘貼方式安裝，具有安裝 方便靈活，避免了傳統(tǒng)傳感器安裝需要改動(dòng)車體結(jié)構(gòu)的困難；檢測(cè)裝置可采用統(tǒng)一規(guī)格，給 使用、維修和調(diào)試帶來(lái)方便；同時(shí)采用MEMS三軸傳感器的檢測(cè)裝置具有體積小，信號(hào)采集 和傳輸可靠，性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。但在汽車動(dòng)感駕駛模擬器中，被測(cè)物體(腳踏板、手剎 桿、檔位桿)的載體(動(dòng)感駕駛艙)相對(duì)大地參照系是一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體，此時(shí)被測(cè)物體三軸傳 感器檢測(cè)到的信號(hào)，不僅包括被測(cè)物體相對(duì)載體的姿態(tài)變化信號(hào)，還包括載體相對(duì)大地參 照系的姿態(tài)變化及本身的振動(dòng)等慣性加速度信號(hào)，因此，該MEMS傳感器檢測(cè)到的信號(hào)不能 正確反映被測(cè)物體相對(duì)載體的姿態(tài)變化，從而限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢 測(cè)裝置，當(dāng)動(dòng)感駕駛艙(被測(cè)物體的載體)相對(duì)大地參照系是一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體時(shí)，將兩個(gè)加速 度傳感器探頭分別安裝在車輛腳踏板、手剎桿或檔位桿(被測(cè)物體)和與之相鄰的載體上， 兩個(gè)傳感器探頭以相同姿態(tài)分別安裝在被測(cè)物體和該被測(cè)物體所處的運(yùn)動(dòng)載體上，其安裝 位置應(yīng)盡量靠近，使兩傳感器近似處于一個(gè)剛體中。同時(shí)提取被測(cè)物體和載體上的三維輸 出信號(hào)，兩組信號(hào)通過(guò)嵌入式微處理器的運(yùn)算處理，除去其共有的慣性和姿態(tài)變化共模信 號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)載體姿態(tài)變化的差模信號(hào)，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)微處理器串行口向上位機(jī) 傳輸并進(jìn)行相應(yīng)處理，最終獲得檢測(cè)結(jié)果。針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置予以實(shí) 現(xiàn)的技術(shù)方案是包括電源電路、兩個(gè)加速度傳感器探頭、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、通訊電路及上位機(jī)，所述兩個(gè)加速度傳感器探頭同時(shí)采用模擬量輸出的加速度傳感器，或同時(shí)采 用數(shù)字脈沖量量輸出的加速度傳感器；所述兩個(gè)加速度傳感器探頭分別安裝在被測(cè)物體和 該被測(cè)物體所處的運(yùn)動(dòng)載體上，所述兩個(gè)加速度傳感器探頭均與所述信號(hào)調(diào)理電路連接； 所述微處理器包括用于接收所述兩個(gè)加速度傳感器探頭模擬量的A/D接口和用于轉(zhuǎn)換和 處理上述輸出模擬量的數(shù)據(jù)處理模塊；所述微處理器包括接收所述兩個(gè)加速度傳感器探頭 數(shù)字脈沖量的SPI接口和用于轉(zhuǎn)換和處理上述數(shù)字脈沖量的數(shù)據(jù)處理模塊；所述微處理器 與上位機(jī)之間通過(guò)所述通訊電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置，其中，所述被測(cè)物體是油門腳踏板機(jī)構(gòu)、離合腳踏板機(jī)構(gòu)、剎車腳踏板機(jī)構(gòu)、手剎機(jī)構(gòu)和檔位機(jī)構(gòu)，所述運(yùn)動(dòng)載體是 汽車動(dòng)感模擬駕駛艙。本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法包括以下步 驟步驟一、將動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中的一個(gè)加速度傳感器探頭以表面粘貼方式安裝到 上述相應(yīng)的被測(cè)物體上，將另一個(gè)加速度傳感器探頭以相同姿態(tài)，表面粘貼方式安裝到相 對(duì)車體是靜止?fàn)顟B(tài)的一物體表面，其安裝位置應(yīng)盡量靠近，使兩傳感器近似處于一個(gè)剛體 中；檢測(cè)裝置啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化處理，然后同時(shí)提取被測(cè)物體和動(dòng)態(tài)載體上兩個(gè)加速 度傳感器探頭的三維檢測(cè)信號(hào)；將采集到的信號(hào)送入微處理器的接口電路，進(jìn)行巡回采集、 轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波；若巡回采集還未結(jié)束，則重復(fù)上述過(guò)程；當(dāng)確定巡回采集結(jié)束后，對(duì)采集 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；步驟二、根據(jù)所述檢測(cè)信號(hào)是電壓模擬信號(hào)或是數(shù)字脈沖信號(hào)有下述兩種不同的 數(shù)據(jù)處理方式(1)若檢測(cè)信號(hào)是電壓模擬信號(hào)，則所述兩組三維電壓模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、 AD轉(zhuǎn)換和模擬量數(shù)據(jù)處理模塊，屏蔽所述兩組信號(hào)共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和姿態(tài)變化等信 號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)載體錐角變化的差模信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)經(jīng)微處理器的運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn) 對(duì)所述檢測(cè)量與對(duì)應(yīng)角度量的轉(zhuǎn)換；(2)若檢測(cè)信號(hào)是數(shù)字脈沖信號(hào)，則所述兩組三維數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理及微 處理器的SPI接口傳送到微處理器的數(shù)字量數(shù)據(jù)處理模塊，屏蔽所述兩組信號(hào)共有的振 動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和姿態(tài)信號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)載體錐角變化的差模信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)經(jīng)微處 理器的運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述檢測(cè)量與對(duì)應(yīng)角度量的轉(zhuǎn)換；步驟三、將對(duì)應(yīng)的三維角度變化量數(shù)據(jù)保存在數(shù)組中，等待上位機(jī)呼叫；若上位機(jī) 發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，則通過(guò)微處理器串行口和通訊電路將三維角度變化量數(shù)據(jù)傳輸出去，然 后，開(kāi)始下一輪檢測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程；若沒(méi)有接收到上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)的命令，則直接開(kāi)始下一 輪檢測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程。本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其中，所述兩 個(gè)加速度傳感器探頭在初始安裝時(shí)，安裝姿態(tài)相同，安裝位置應(yīng)滿足不論車體是否運(yùn)動(dòng)，該 兩個(gè)加速度傳感器探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)大小相等，差模信號(hào)差值趨于零。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置可以使加速度傳感器在計(jì) 量角度或錐度的檢測(cè)應(yīng)用中，不但能在靜態(tài)時(shí)檢測(cè)被測(cè)物體相對(duì)大地傾角變化量，而且適用于載體姿態(tài)變化和當(dāng)載體本身存在振動(dòng)等慣性加速度信號(hào)的場(chǎng)合，檢測(cè)被測(cè)物體相對(duì)動(dòng) 態(tài)載體的傾角變化量。本發(fā)明動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法主要是將兩個(gè)傳感器探頭以相 同姿態(tài)分別安裝在被測(cè)物體和該被測(cè)物體所處的運(yùn)動(dòng)載體上，其安裝位置應(yīng)盡量靠近，使 兩傳感器近似處于一個(gè)剛體中。采用差模方法同時(shí)提取兩組三維加速度傳感信號(hào)并進(jìn)行數(shù) 據(jù)融合及處理，避開(kāi)了運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)大地及被測(cè)物相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體，兩參照系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的繁 瑣數(shù)學(xué)計(jì)算，擴(kuò)展了加速度傳感器的應(yīng)用范圍。本發(fā)明替代原有的采集方式，具有安裝方便 靈活，維修調(diào)試方便，避免了傳統(tǒng)傳感器安裝需要改動(dòng)車體結(jié)構(gòu)的困難，檢測(cè)裝置采用統(tǒng)一 規(guī)格，給使用、維修和調(diào)試帶來(lái)方便。同時(shí)該裝置具有體積小，信號(hào)采集和傳輸可靠，性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的構(gòu)成框圖；圖2-1是圖1所示動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中電源電路的原理圖；圖2-2是圖1所示動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中上位機(jī)與通訊電路之間的接口示意圖；圖2-3是圖1所示動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中通訊電路的原理圖；圖2-4是圖1所示動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中信號(hào)調(diào)理電路的原理圖；圖2-5是圖1所示動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中微處理器的電路原理圖；圖3-1是圖1所示動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中一傳感器與信號(hào)調(diào)理電路連接示意圖；圖3-2是圖1所示動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中另一傳感器與信號(hào)調(diào)理電路連接示意圖；圖4是以踏板傾斜角度檢測(cè)為例的本發(fā)明動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置安裝位置示意圖；圖5是以將檔桿姿態(tài)檢測(cè)為例的本發(fā)明動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置安裝位置示意圖；圖6是本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置檢測(cè)方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖1所示，本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置包括電源電路 200、兩個(gè)加速度傳感器探頭中用第一加速度傳感器102和第二加速度傳感器101表示，信 號(hào)調(diào)理電路103、微處理器300及上位機(jī)400，所述微處理器300設(shè)置有SPI接口 301或A/ D接口 302，所述微處理器300與上位機(jī)400之間通過(guò)一通訊電路500實(shí)現(xiàn)聯(lián)系，所述兩個(gè) 加速度傳感器探頭分別安裝在被測(cè)物體和該被測(cè)物體所處的運(yùn)動(dòng)載體上，所述兩個(gè)加速度 傳感器探頭均與所述信號(hào)調(diào)理電路103連接；所述微處理器300還包括有用于轉(zhuǎn)換和處 理所述兩個(gè)加速度傳感器探頭輸出的模擬量數(shù)據(jù)處理模塊304，或用于處理所述兩個(gè)加速 度傳感器探頭輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)處理模塊305。當(dāng)然，本發(fā)明中的加速度傳感器可以是一維輸出、二維輸出或三維輸出的加速度 傳感器形式的應(yīng)用。本發(fā)明動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)包含模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩種 加速度傳感器形式的應(yīng)用。為了進(jìn)一步減小振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)測(cè)量精度的影響，在所述被測(cè)物體與一加速度 傳感器之間及所述運(yùn)動(dòng)載體與另一加速度傳感器之間應(yīng)分別設(shè)置有減振裝置。本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中涉及到的各獨(dú)立單元，諸如電源電路200、第一加速度傳感器102和第二加速度傳感器101、信號(hào)調(diào)理電路103、微處理器300及上位機(jī)400和通訊電路500等，其結(jié)構(gòu)均屬于本技術(shù)領(lǐng)域的成熟產(chǎn)品，具體到 它們的安裝，除了對(duì)于兩個(gè)加速度傳感器探頭的安裝位置有特別要求外，其他單元的安裝 不受限制。本發(fā)明采用模擬量輸出的加速度傳感器，用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢 測(cè)裝置中涉及到的相關(guān)電路如下圖2-1示出了電源電路的原理圖；圖2-2示出了與上位 機(jī)通訊及加速度傳感器接口電路圖；圖2-3示出了通訊電路的原理圖；圖2-4示出了加速 度傳感器及調(diào)理電路的原理圖；圖2-5示出了微處理器所包含的芯片及電路。利用本發(fā)明用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，當(dāng)被測(cè)物 體處于初始位置時(shí)，兩個(gè)被分別安裝在被測(cè)物體和該被測(cè)物體所處的運(yùn)動(dòng)載體上的加速度 傳感器的探頭在初始安裝時(shí)，安裝姿態(tài)相同，兩個(gè)傳感器探頭安裝位置應(yīng)盡量靠近，使兩傳 感器近似處于一個(gè)剛體中，此時(shí)，兩個(gè)加速度傳感器探頭的安裝位置可以滿足不論車體是 否運(yùn)動(dòng)，該兩個(gè)加速度傳感器探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)大小相等，差模信號(hào)趨于零。當(dāng)被測(cè)物體 相對(duì)載體發(fā)生相對(duì)姿態(tài)變化時(shí)，如圖3-1和圖3-2所示，上述兩個(gè)加速度傳感器采集的輸出 信號(hào)分別為XI、YU Zl和X2、Y2、12,并通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路103和對(duì)應(yīng)的SPI接口(或A/ D接口)如圖1所示，分時(shí)輸入到微處理器300，微處理器300進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)字濾波及運(yùn)算處 理，屏蔽共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和姿態(tài)變化等共模信號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體錐角變 化的差模信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)量對(duì)應(yīng)傾斜角度量的轉(zhuǎn)換。角度量檢測(cè)數(shù)據(jù)依次通過(guò)微處 理器300的串口和通訊電路500輸出至上位機(jī)400中的信號(hào)采集處理單元，其通訊方式可 采用有線和無(wú)線兩種方式通訊。如圖6所示，本發(fā)明采用模擬量輸出的加速度傳感器，用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器 的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的檢測(cè)過(guò)程如下步驟一、將動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中的一個(gè)加速度傳感器表面(探頭)粘貼到上述相 應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)件(車輛腳踏板機(jī)構(gòu)、手剎機(jī)構(gòu)或檔位機(jī)構(gòu))上，將另一個(gè)加速度傳感器表面 (探頭)粘貼到相對(duì)車體是靜止?fàn)顟B(tài)的一物體表面，兩個(gè)加速度傳感器探頭同時(shí)提取被測(cè) 物體和動(dòng)態(tài)載體上兩組三維檢測(cè)信號(hào)；系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化處理，然后，將采集到 的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波；若A/D巡回采集還未結(jié)束，則重復(fù)上述采集信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、 數(shù)字濾波過(guò)程；當(dāng)確定A/D巡回采集結(jié)束后，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，步驟二、根據(jù)所述檢測(cè)信號(hào)是電壓模擬信號(hào)或是數(shù)字脈沖信號(hào)有下述兩種不同的 數(shù)據(jù)處理方式(1)若檢測(cè)信號(hào)是電壓模擬信號(hào)，則所述兩組三維電壓模擬量的采集信號(hào) 經(jīng)過(guò)模擬量數(shù)據(jù)處理模塊，屏蔽共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和姿態(tài)變化等共模信號(hào)，保留被測(cè)物 體相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體錐角變化的差模信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)經(jīng)微處理器的運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述加 速度傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)與對(duì)應(yīng)角度量的轉(zhuǎn)換；(2)若檢測(cè)信號(hào)是數(shù)字脈沖信號(hào)，則所 述兩組三維數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理及微處理器的SPI接口傳送到微處理器的數(shù)字量數(shù)據(jù) 處理模塊，屏蔽所述兩組信號(hào)共有的慣性和姿態(tài)變化信號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)載體姿態(tài)的 檢測(cè)信號(hào)，得出所述信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)角度量變化數(shù)據(jù)；步驟三、將對(duì)應(yīng)角度量數(shù)據(jù)保存在數(shù)組中，等待上位機(jī)呼叫；若上位機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù) 命令，則通過(guò)微處理器串行口和通訊電路將采集數(shù)據(jù)傳輸出去，然后，開(kāi)始下一輪數(shù)據(jù)采集 過(guò)程；若沒(méi)有接收到上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)的命令，則直接開(kāi)始下一輪數(shù)據(jù)采集過(guò)程。
綜上，本發(fā)明是將動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置直接應(yīng)用是在具有動(dòng)感平臺(tái)的汽車駕駛模擬 器中，即利用上述動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置與具有動(dòng)感平臺(tái)的汽車駕駛模擬器構(gòu)成一汽車動(dòng)感 駕駛模擬器動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置，包括腳踏板操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)件、手剎機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)件和 檔位位置機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)件；將動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中的一個(gè)加速度傳感器探頭以表面粘貼方 式安裝到上述相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)件上，將另一個(gè)加速度傳感器探頭以表面粘貼方式安裝到相對(duì) 車體是靜止?fàn)顟B(tài)的一物體表面，兩個(gè)傳感器探頭在初始狀態(tài)相同姿態(tài)相同，安裝位置應(yīng)盡 量靠近，使兩傳感器近似處于一個(gè)剛體中。此時(shí)，兩個(gè)加速度傳感器探頭的安裝位置可以滿 足不論車體是否運(yùn)動(dòng)，該兩個(gè)加速度傳感器探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)大小相等，差模信號(hào)趨于 零。采用差模方法同時(shí)提取兩組三維加速度傳感信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及處理，完成對(duì)車輛 駕駛狀態(tài)信號(hào)的提取。本發(fā)明避開(kāi)了運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)大地，及被測(cè)物相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體，兩參照系 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的繁瑣數(shù)學(xué)計(jì)算，擴(kuò)展了加速度傳感器的應(yīng)用范圍。利用該動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置完 成對(duì)車輛駕駛狀態(tài)信號(hào)的提取。相對(duì)傳統(tǒng)的角度傳感器或位移傳感器，具有體積?。徊恍韪?動(dòng)車體機(jī)械結(jié)構(gòu)，安裝方便靈活；采集和傳輸可靠；性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)成本大大 低于其他現(xiàn)有的汽車模擬駕駛器材。
實(shí)際應(yīng)用中，汽車動(dòng)感駕駛模擬器需要安裝多套動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置，即將每套動(dòng) 態(tài)傾角檢測(cè)裝置中的一個(gè)加速度傳感器的探頭采用表面粘貼安裝方式分別連接在汽車腳 踏板操作機(jī)構(gòu)、手剎機(jī)構(gòu)和檔位位置，將每套動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中的另一個(gè)加速度傳感器 以表面粘貼方式安裝到相對(duì)車體是靜止?fàn)顟B(tài)的一物體表面。兩傳感器的距離應(yīng)盡可能的 近，以減小載體運(yùn)動(dòng)時(shí)各處轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同對(duì)測(cè)量精度的影響。同理，本發(fā)明也可以用在汽車駕駛考試中的路考汽車中，采集被考人員駕駛操作 狀態(tài)信號(hào)，應(yīng)用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)中可以用在汽車駕駛考試中的路考汽車中，采集被考人員駕駛 操作狀態(tài)信號(hào)，應(yīng)用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)中。使用方法與上述汽車動(dòng)感駕駛模擬器應(yīng)用相同，只是動(dòng) 態(tài)傾角檢測(cè)裝置的封裝應(yīng)考慮防水問(wèn)題。當(dāng)然，本發(fā)明也可以用在靜態(tài)(不含動(dòng)感平臺(tái))的汽車駕駛模擬器中，即將動(dòng)態(tài) 傾角檢測(cè)裝置中的一個(gè)加速度傳感器的表面粘貼方式安裝到相應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)件上，完成對(duì)腳踏 板操作機(jī)構(gòu)(諸如油門踏板、腳剎踏板和離合踏板)、手剎、檔位位置(空檔、倒檔及各前 進(jìn)檔位)等機(jī)構(gòu)相對(duì)大地參照系的重力加速度變化信號(hào)的提取。實(shí)施例一以汽車駕駛模擬器踏板的單軸傾角信號(hào)的提取為例通常踏板信號(hào)包括離合踏板、剎車踏板、油門踏板的信號(hào)，它們的信號(hào)采集方法 類似，在檢測(cè)踏板轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，可通過(guò)三軸加速度傳感器一個(gè)軸向的變化，檢測(cè)踏板變化角 度，一般選X軸或Y軸作為敏感軸。圖4示出了以踏板傾斜角度檢測(cè)為例的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè) 裝置安裝示意圖。安裝中，將兩傳感器探頭以表貼方式固定在踏板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及相鄰的車體 靜止部位上，兩傳感器探頭的距離應(yīng)盡可能的近，以減小載體運(yùn)動(dòng)時(shí)各處轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同對(duì) 測(cè)量精度的影響。應(yīng)確保加速傳感器敏感軸與地面垂直(水平點(diǎn))，此時(shí)該傳感器輸出靈敏 度最高，并在傾斜角士45°范圍內(nèi)具有較好的線性度。當(dāng)踏板踩下，被測(cè)物發(fā)生姿態(tài)變化時(shí)，由于產(chǎn)生相應(yīng)的角位移，在靜態(tài)重力加速度 的作用下，相應(yīng)的三軸加速度傳感器敏感軸會(huì)有相應(yīng)變化的輸出信號(hào)，兩信號(hào)經(jīng)各自的信 號(hào)調(diào)理與微控制器的輸入接口相連，微控制器巡回采集兩加速度傳感器的輸出信號(hào)，并進(jìn) 行數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，從而屏蔽共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和姿態(tài)變化等共模信號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體錐角變化的差模信號(hào)；并實(shí)現(xiàn)三軸加速度傳感器敏感軸輸出量對(duì) 應(yīng)腳踏板傾斜角度相對(duì)變化的轉(zhuǎn)換，得到該加速度變化量對(duì)應(yīng)被測(cè)物傾斜角度的變化量數(shù) 據(jù)。實(shí)施例二 以汽車駕駛模擬器檔位的三軸錐度信號(hào)的提取為例圖5示出了將加速度傳感器安裝在汽車檔桿上的位置；對(duì)檔位信號(hào)的檢測(cè)，與踏 板檢測(cè)不同，檔位的檢測(cè)需要測(cè)出檔桿在各個(gè)檔位時(shí)三軸加速度傳感器三個(gè)軸向的傾角輸 出值，并將此數(shù)據(jù)記錄在RAM存儲(chǔ)器中，當(dāng)檔位變化時(shí)，微處理器采集該檔桿上和相對(duì)車體 是靜止?fàn)顟B(tài)的一物體表面上的三軸加速度傳感器的兩組檢測(cè)信號(hào)XI、Yl、Zl和X2、Y2、Z2， 經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采集、AD變換、數(shù)字濾波及算法處理，屏蔽所述兩組信號(hào)共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 和姿態(tài)變化等共模信號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體錐角變化的差模信號(hào)，經(jīng)微處理器的 數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)量對(duì)應(yīng)傾斜角度量的轉(zhuǎn)換。并與記錄在RAM存儲(chǔ)器中的檔位 姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以確定變速器的檔位狀態(tài)。在檔桿上安裝傳感器探頭時(shí)，盡量將探頭水 平地貼在換檔桿的低部，以減小換擋動(dòng)作離心力對(duì)加速度傳感器的影響，如圖5所示?？傊帽景l(fā)明進(jìn)行車輛駕駛狀態(tài)信號(hào)采集時(shí)，首先，應(yīng)必須確保所述兩個(gè)加速 度傳感器探頭在初始狀態(tài)時(shí)的姿態(tài)相同，安裝位置應(yīng)盡量靠近，此時(shí)，兩個(gè)加速度傳感器探 頭的安裝位置可以滿足不論車體是否運(yùn)動(dòng)，該兩個(gè)加速度傳感器探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)大小 相等，差模信號(hào)趨于零。圖4和圖5所示是安裝示意圖。進(jìn)入工作狀態(tài)后，首先，上位機(jī)對(duì) 各動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的初始位置進(jìn)行歸零校準(zhǔn)，然后，上位機(jī)按照事先設(shè)定好的地址，順序 分時(shí)跟各動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，讀取更新檢測(cè)數(shù)據(jù)。各動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置作為下位 機(jī)，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸。本發(fā)明主要是應(yīng)用在針對(duì)計(jì)量角度(腳踏板機(jī)構(gòu)、手剎機(jī)構(gòu))或錐度(檔位機(jī)構(gòu)) 的檢測(cè)中，當(dāng)被測(cè)物體的載體(汽車動(dòng)感駕駛模擬器)相對(duì)大地參照系是一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體時(shí)， 利用加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體姿態(tài)及傾斜變化的檢測(cè)。本發(fā)明應(yīng)用于錐 度的檢測(cè)時(shí)(兩組三維輸出量采集)，在被測(cè)物體初始位置狀態(tài)，兩個(gè)傳感器探頭姿態(tài)相 同，安裝位置應(yīng)盡量靠近，使兩傳感器近似處于一個(gè)剛體中。此時(shí)不論檢測(cè)載體是否運(yùn)動(dòng)， 兩個(gè)加速度傳感器探頭輸出的三維加速度電壓信號(hào)大小相等，差模信號(hào)趨于(接近為)零。 本發(fā)明應(yīng)用于檢測(cè)角度時(shí)，可只檢測(cè)某一維變換量(敏感軸)，該軸(敏感軸)在初始態(tài)時(shí) 所承受的加速度分量應(yīng)接近零(即正弦函數(shù)的過(guò)零點(diǎn))，此時(shí)加速度傳感器檢測(cè)精度最高。 采用加速度傳感器實(shí)際檢測(cè)中，當(dāng)載體本身的振動(dòng)等慣性加速度信號(hào)> Ig和姿態(tài)變化向 相對(duì)地面參照系的重力g的分角> 士45°時(shí)，會(huì)影響檢測(cè)精度。本發(fā)明應(yīng)用于，在動(dòng)感載體上檢測(cè)被測(cè)物相對(duì)載體姿態(tài)和傾角變化的場(chǎng)合，具有 廣泛的應(yīng)用前景?？梢杂迷谄囻{駛考試中的路考汽車中，采集被考人員駕駛操作狀態(tài)信 號(hào)，應(yīng)用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)中。使用方法與上述汽車動(dòng)感駕駛模擬器應(yīng)用相同，只是動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè) 裝置的封裝應(yīng)考慮防水問(wèn)題。另外也可以利用動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置檢測(cè)動(dòng)態(tài)載體中被測(cè)物體 相對(duì)載體姿態(tài)及傾斜變化，從而進(jìn)行對(duì)被測(cè)物體相對(duì)車體綁定狀態(tài)的判定。將被測(cè)物體固 定在一車體內(nèi)，將動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中的其中一個(gè)加速度傳感器的表面粘貼方式安裝到上 述被測(cè)物體上，將另外一個(gè)加速度傳感器的表面粘貼方式安裝到車體上，從而提取被測(cè)物 體相對(duì)車體的位移、旋轉(zhuǎn)、傾斜變化的信號(hào)。例如在鐵路運(yùn)輸中，該裝置表貼到重要物資 (被測(cè)物)及車廂(載體)上，可實(shí)時(shí)采集到物資相對(duì)車廂的位移、旋轉(zhuǎn)、傾斜等變化，判定物資綁定狀態(tài)是否正常。在上述應(yīng)用中，所述被測(cè)物體與一加速度傳感器之間及所述運(yùn)動(dòng)載體與另一加速度傳感器之間應(yīng)均分別設(shè)置有減振裝置(減振材料)。
盡管上面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方 式，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā) 明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保 護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置，包括電源電路、兩個(gè)加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、通訊電路及上位機(jī)，其特征在于所述兩個(gè)加速度傳感器同時(shí)采用模擬量輸出的加速度傳感器，或同時(shí)采用數(shù)字脈沖量量輸出的加速度傳感器；所述兩個(gè)加速度傳感器的探頭分別安裝在被測(cè)物體和該被測(cè)物體所處的運(yùn)動(dòng)載體上，所述兩個(gè)加速度傳感器的探頭均與所述信號(hào)調(diào)理電路連接；所述微處理器包括用于接收所述兩個(gè)加速度傳感器探頭模擬量的A/D接口和用于轉(zhuǎn)換和處理上述輸出模擬量的數(shù)據(jù)處理模塊；所述微處理器包括接收所述兩個(gè)加速度傳感器探頭數(shù)字脈沖量的SPI接口和用于轉(zhuǎn)換和處理上述數(shù)字脈沖量的數(shù)據(jù)處理模塊；所述微處理器與上位機(jī)之間通過(guò)所述通訊電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置，其特征在于 所述被測(cè)物體是油門腳踏板機(jī)構(gòu)、離合腳踏板機(jī)構(gòu)、剎車腳踏板機(jī)構(gòu)、手剎機(jī)構(gòu)和檔位機(jī) 構(gòu)，所述運(yùn)動(dòng)載體是汽車動(dòng)感模擬駕駛艙。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置，其特征在于 所述被測(cè)物體與其中一個(gè)加速度傳感器探頭之間及所述運(yùn)動(dòng)載體與另一個(gè)加速度傳感器 探頭之間均分別設(shè)置有減振裝置。
4.一種用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其特征在于利用 如權(quán)利要求2所述動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的檢測(cè)過(guò)程如下步驟一、將動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置中的一個(gè)加速度傳感器探頭表面粘貼方式安裝到上述相 應(yīng)的被測(cè)物體上，將另一個(gè)加速度傳感器探頭表面粘貼方式安裝到相對(duì)車體是靜止?fàn)顟B(tài)的 一物體表面；檢測(cè)裝置啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化處理，然后同時(shí)提取被測(cè)物體和動(dòng)態(tài)載體上 兩個(gè)加速度傳感器探頭的三維檢測(cè)信號(hào)；將采集到的信號(hào)送入微處理器的接口電路，進(jìn)行 巡回采集、轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波；若巡回采集還未結(jié)束，則重復(fù)上述過(guò)程；當(dāng)確定巡回采集結(jié)束 后，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；步驟二、根據(jù)所述檢測(cè)信號(hào)是電壓模擬信號(hào)或是數(shù)字脈沖信號(hào)有下述兩種不同的數(shù)據(jù) 處理方式(1)若檢測(cè)信號(hào)是電壓模擬信號(hào)，則所述兩組三維電壓模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn) 換和模擬量數(shù)據(jù)處理模塊，屏蔽所述兩組信號(hào)共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和姿態(tài)變化等信號(hào)，保 留被測(cè)物體相對(duì)載體錐角變化的差模信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)經(jīng)微處理器的運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)所 述檢測(cè)量與對(duì)應(yīng)角度量的轉(zhuǎn)換；(2)若檢測(cè)信號(hào)是數(shù)字脈沖信號(hào)，則所述兩組三維數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理及微處理 器的S PI接口傳送到微處理器的數(shù)字量數(shù)據(jù)處理模塊，屏蔽所述兩組信號(hào)共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量和姿態(tài)信號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)載體錐角變化的差模信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)經(jīng)微處理器 的運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述檢測(cè)量與對(duì)應(yīng)角度量的轉(zhuǎn)換；步驟三、將對(duì)應(yīng)的三維角度變化量數(shù)據(jù)保存在數(shù)組中，等待上位機(jī)呼叫， 若上位機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，則通過(guò)微處理器串行口和通訊電路將三維角度變化量數(shù)據(jù) 傳輸出去，然后，開(kāi)始下一輪檢測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程；若沒(méi)有接收到上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)的命令，則直接開(kāi)始下一輪檢測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其 特征在于所述兩個(gè)加速度傳感器探頭在初始安裝時(shí)，安裝姿態(tài)相同，安裝位置應(yīng)滿足不論 車體是否運(yùn)動(dòng)，該兩個(gè)加速度傳感器探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)差值趨于零。
6.一種利用如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置進(jìn)行判定運(yùn)輸中物體相對(duì)于車體 的綁定狀態(tài)，其特征在于將所述被測(cè)物體固定在一車體內(nèi)，將其中一加速度傳感器探頭以 表面粘貼的方式安裝到上述被測(cè)物體上，將另一加速度傳感器探頭也以表面粘貼的方式安 裝到車體上，通過(guò)上述兩個(gè)加速度傳感器提取被測(cè)物體相對(duì)車體的旋轉(zhuǎn)、傾斜變化的信號(hào)， 進(jìn)行綁定狀態(tài)的檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置，包括兩個(gè)加速度傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、微控制器、數(shù)據(jù)處理模塊、通訊電路及上位機(jī)。本發(fā)明公開(kāi)了利用上述動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法是，兩個(gè)傳感器的探頭以相同姿態(tài)分別安裝在被測(cè)物體和該被測(cè)物體所處的運(yùn)動(dòng)載體上，安裝位置盡量靠近，使兩傳感器近似處于一個(gè)剛體中。同時(shí)提取被測(cè)物體和載體上的三維加速度信號(hào)，兩組信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)融合及處理，除去共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和姿態(tài)變化等共模信號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體錐角變化的差模信號(hào)，進(jìn)而得到被測(cè)物體相對(duì)載體的角度變量。本發(fā)明用于動(dòng)感載體中角度或錐度的檢測(cè)，擴(kuò)展了加速度傳感器的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G01B7/30GK101813453SQ20101014621
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者付少波, 孫昱, 李志勇, 李長(zhǎng)安, 趙玲 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍軍事交通學(xué)院