專利名稱：互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車駕駛模擬器的控制技術(shù)，特別是指一種互動型汽車駕駛模擬器的 電子控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車的駕駛操縱動作，獲得實車駕駛感覺的仿 真系統(tǒng)。目前的汽車駕駛模擬器集合了傳感器、計算機三維實時動畫、計算機接口、人工智 能、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)、多媒體等多種先進技術(shù)，主要用于駕駛員的培訓(xùn)，也可以對微觀交通進 行仿真，對汽車的控制特性進行研究。汽車駕駛模擬器具有安全性高、再現(xiàn)性好的特點。利 用駕駛模擬器來進行研究和訓(xùn)練，可方便地模擬各種道路環(huán)境、天氣狀況，分析汽車的技術(shù) 性能指標，從而可以節(jié)省大量的自然資源，具有很高的經(jīng)濟價值。在汽車駕駛模擬器中，傳感控制系統(tǒng)的性能直接影響到整個汽車駕駛模擬系統(tǒng)的 交互性和實時性，是衡量汽車駕駛模擬器實用性能的重要指標。傳感控制系統(tǒng)主要由各種 傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、以及接口電路等組成。其中，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)是整個傳 感控制系統(tǒng)的核心。目前，很多汽車駕駛模擬器采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)操縱數(shù)據(jù)的采集，這種 基于數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)成本相對較高，采集模擬量時不是很穩(wěn)定，必須在 仿真程序中采用專門的算法對模擬量進行處理，同時接口的數(shù)量也很有限，這為后續(xù)的開 發(fā)帶來了一些困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)及 方法，以使模擬器的模擬功能更強大，具有更逼真的模擬實車環(huán)境，降低生產(chǎn)成本低，提高 產(chǎn)品的成品率，使維修更方便，學(xué)員更容易在模擬學(xué)習(xí)中掌握實際駕駛中的感覺。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施例提供一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控 制系統(tǒng)，包括主控板，用于獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信 號，并通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控計算機根據(jù)所 述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；力反饋板，通過第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn) 向力矩的模擬信號及電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所 述主控板再傳送給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號 對方向盤及電機進行控制。其中，所述主控板包括三踏板電路，用于采集駕駛員的剎車踏板、油門踏板、離合踏板操縱數(shù)據(jù)；可編程控制器CPLD，用于采集駕駛員的點火、組合開關(guān)、變速器、安全帶及手制動 的操縱數(shù)據(jù)，并進行儀表顯示控制；
主控處理器，與所述三踏板電路和CPLD連接，用于獲取所述操縱數(shù)據(jù)，并對所述 操縱數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并通過所述主控處理器上的所述第一接口電路將所述 控制信號傳送給主控計算機。其中，所述主控板還包括電源管理電路，分別與所述CPLD和所述主控處理器連接，用于提供電壓和電流；檔位變速器電路，與所述CPLD連接，用于實時采集換檔位置數(shù)據(jù)，并將所述換檔 位置數(shù)據(jù)傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；組合開關(guān)電路，與所述CPLD連接，用于采集實車組合開關(guān)以及點火開關(guān)的操作數(shù) 據(jù)，并傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；儀表驅(qū)動電路，與所述CPLD連接，用于對LED背光燈和儀表進行控制。其中，所述三踏板電路采用非接觸式直線位移傳感器；所述檔位變速器電路采用 紅外對射管傳感器。其中，所述檔位變速器電路采用8對紅外對射管確定檔位位置，其中，在變速箱中 每個檔位上變速桿位置兩側(cè)設(shè)置一對紅外對射管，其中一只紅外對射管負責(zé)紅外線發(fā)射， 另一只負責(zé)紅外線接收。其中，所述第一接口電路為RS422接口電路。其中，所述力反饋板包括編碼器信號采集電路，用于采集方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號；電機驅(qū)動-H橋電路，用于輸出電機控制信號；力反饋處理器，分別與所述編碼器信號采集電路和所述電機驅(qū)動-H橋電路連接， 并通過所述第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取所述編碼器信號采集電路采集的方 向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號和所述電機驅(qū)動-H橋電路采集的電機控制信號，并 通過所述第二接口電路傳送給所述主控板。其中，所述力反饋板還包括電源模塊，與所述力反饋處理器連接，用于提供電壓和電流；電流檢測電路，與所述力反饋處理器連接，用于對所述力反饋處理器進行電流檢 測，將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號。其中，所述編碼器信號采集電路采用A/D采樣，用運算放大器LM358放大信號。其中，所述第二接口電路為RS232接口電路。其中，所述三踏板電路包括連接器，連接到傳感器；所述連接器具有第一引腳、第二引腳和第三引腳，其中， 第一引腳與第一電容器連接，所述第一電容器的另一端接地并與一集成運算放大器的端連 接；所述連接器的第二引腳與第一電阻連接；所述連接器的第三引腳接地；第二電容器的一端接電源，另一端接地；所述第一電容器對傳感器電源進行濾波， 所述第二電容器對所述連接器傳輸過來的信號進行濾波；二極管的一端接地，另一端接電源；所述第一電阻的另一端與運算放大器的正極連接，該運算放大器的負極與該運算 放大器的輸出端連接，該運算放大器的輸出端與第二電阻連接；所述第一電阻、所述二極管 限制電壓輸入范圍；
第三電容器與運算放大器連接，為所述運算放大器的電源進行濾波；第二電阻還與第三電阻連接、第三電阻的另一端接地；所述第二電阻和所述第三電阻組成分壓電路，對輸入到ADC器器件的電壓降幅；所述第二電阻還與所述ADC器件連接；第四電容器與所述ADC器件連接，對ADC輸入信號進行濾波。本發(fā)明的實施例還提供一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制方法，應(yīng)用于互動 型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括主控板和力反饋板，所述方法包括所述主控板獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信 號；所述主控板通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控 計算機根據(jù)所述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；所述力反饋板獲取方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號及電機控制信號；所述力反饋板通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所述主控板再傳送 給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機 進行控制。本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下上述方案通過主控板根據(jù)駕駛員的操縱數(shù)據(jù)生成控制信號，并傳送給主控計算 機，并由所述主控計算機根據(jù)所述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和 位置進行控制；以及力反饋板獲取方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號及電機控制信 號并傳送給所述主控板，并由所述主控板再傳送給所述主控計算機，由所述主控計算機根 據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機進行控制，可以使模擬器的模擬功能更強 大，具有更逼真的模擬實車環(huán)境，降低生產(chǎn)成本低，提高產(chǎn)品的成品率，使維修更方便，學(xué)員 更容易在模擬學(xué)習(xí)中掌握實際駕駛中的感覺。


圖1為本發(fā)明的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為圖1所示系統(tǒng)中的主控板的組成框圖； 圖3為汽車駕駛模擬器主要的控制框圖； 圖4為紅外檔位檢測板原理框圖； 圖5為主控板的功能原理框圖； 圖6為圖1所示系統(tǒng)中的力反饋板的組成框圖； 圖7為力反饋板的具體實施例結(jié)構(gòu)圖； 圖8為本發(fā)明的電子控制系統(tǒng)的一具體實現(xiàn)方式架構(gòu)圖； 圖9為主控板的一具體實現(xiàn)方式圖； 圖10為三踏板信號采集電路； 圖11為編碼器角度信號采集電路； 圖12為電機驅(qū)動-H橋電路。
具體實施例方式為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具 體實施例進行詳細描述。汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車的駕駛操縱動作，獲得實車駕駛感覺的仿 真系統(tǒng)。目前的汽車駕駛模擬器集合了傳感器、計算機三維實時動畫、計算機接口、人工智 能、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)、多媒體等多種先進技術(shù)，主要用于駕駛員的培訓(xùn)，也可以對微觀交通進 行仿真，對汽車的控制特性進行研究[1]。汽車駕駛模擬器具有安全性高、再現(xiàn)性好的特點。 利用駕駛模擬器來進行研究和訓(xùn)練，可方便地模擬各種道路環(huán)境、天氣狀況，分析汽車的技 術(shù)性能指標，從而可以節(jié)省大量的自然資源，具有很高的經(jīng)濟價值。在汽車駕駛模擬器中，傳感控制系統(tǒng)的性能直接影響到整個汽車駕駛模擬系統(tǒng)的 交互性和實時性，是衡量汽車駕駛模擬器實用性能的重要指標。傳感控制系統(tǒng)主要由各種 傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、以及接口電路等組成。其中，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)是整個傳 感控制系統(tǒng)的核心。目前，很多汽車駕駛模擬器采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)操縱數(shù)據(jù)的采集，這種 基于數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)成本相對較高，采集模擬量時不是很穩(wěn)定，必須在 仿真程序中采用專門的算法對模擬量進行處理，同時接口的數(shù)量也很有限，這為后續(xù)的開 發(fā)帶來了一些困難。而基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)雖然開發(fā)周期較長，但成本相對較低，接 口的可擴展性好，同時，模擬量和開關(guān)量的預(yù)處理工作也可以由單片機來完成，完全可以滿 足模擬器系統(tǒng)的交互性和實時性要求。下面介紹汽車駕駛模擬器單片機系統(tǒng)的設(shè)計思路。
在模擬汽車運動時，傳感器采集駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，通過接口電路對這些信號進 行放大和濾波，并對其中的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，最后單片機系統(tǒng)將控制信號通過RS232 接口傳送給主控計算機。在仿真程序中，計算機根據(jù)控制信號、汽車的運動狀態(tài)、駕駛操作 規(guī)則等來控制視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、評價系統(tǒng)。利用單片機系統(tǒng)驅(qū)動程序中相應(yīng) 的功能函數(shù)，可以將單片機系統(tǒng)采集的信號轉(zhuǎn)換為控制汽車運動狀態(tài)和位置的參數(shù)。當(dāng)駕 駛員進行模擬駕駛時，單片機系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)會根據(jù)駕駛員的駕駛操作實時地發(fā)生變化， 從而實現(xiàn)對駕駛模擬器視景系統(tǒng)中汽車運動狀態(tài)和位置的控制，控制系統(tǒng)的精度由仿真程 序內(nèi)部的算法保證。汽車駕駛過程的基本操縱部件是方向盤、油門、離合器、剎車和檔位，另外還有點 火開關(guān)、轉(zhuǎn)向指示燈等輔助性操縱部件。與實車駕駛相同，這些操縱部件的協(xié)同工作可以對 虛擬視景中的汽車模型進行控制，駕駛訓(xùn)練者與視景的變化是實時的、交互的。駕駛訓(xùn)練者 對操縱部件的操作通過傳感器被系統(tǒng)感知后，系統(tǒng)經(jīng)過處理和運算得到汽車模型的控制參 數(shù)，最后根據(jù)這些參數(shù)控制視景系統(tǒng)的渲染輸出，駕駛訓(xùn)練者就在虛擬視景中實時地觀察 到所駕駛車輛的運行情況。如圖1所示，為本發(fā)明的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)主 要包括主控板，用于獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信 號，并通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控計算機根據(jù)所 述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；其中，所述第一接 口電路為RS422接口電路；力反饋板，通過第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號及電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所 述主控板再傳送給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號 對方向盤及電機進行控制；其中，該第二接口電路為RS232接口電路。其中，主控板的組成如圖2所示，所述主控板包括三踏板電路，用于采集駕駛員的剎車踏板、油門踏板、離合踏板操縱數(shù)據(jù)；可編程控制器CPLD，用于采集駕駛員的點火、組合開關(guān)、變速器、安全帶及手制動 的操縱數(shù)據(jù)，并進行儀表顯示控制；主控處理器，與所述CPLD連接，用于獲取所述三踏板電路采集的操縱數(shù)據(jù)和所述 CPLD采集的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操縱數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并通過所述主控處理器 上的所述第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機。進一步地，所述主控板還包括 電源管理電路，分別與所述CPLD和所述主控處理器連接，用于提供電壓和電流；檔位變速器電路，與所述CPLD連接，用于實時采集換檔位置數(shù)據(jù)，并將所述換檔 位置數(shù)據(jù)傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；組合開關(guān)電路，與所述CPLD連接，用于采集實車組合開關(guān)以及點火開關(guān)的操作數(shù) 據(jù)，并傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；儀表驅(qū)動電路，與所述CPLD連接，用于對LED背光燈和儀表進行控制。如圖3所示，汽車駕駛模擬器主要的控制框圖，其中汽車駕駛模擬器主要有方向 盤、離合器、制動器、油門、6個檔位、手剎等信號需要采集，使用的傳感器包括開關(guān)傳感器、 位移傳感器、角位移傳感器三類。方向盤采用角位移傳感器；離合器、剎車、油門采用位移傳 感器；點火、手剎、換檔等采用開關(guān)傳感器。其中，傳感器的選擇，主要考慮以下幾個方面方向盤的轉(zhuǎn)向角度采用實車轉(zhuǎn)向機，內(nèi)含磁角傳感器、力矩傳感器；離合器、剎車、油門三踏板采用非接觸式直線位移傳感器；檔位變速器電路采用紅外對射管傳感器；其中所述檔位變速器電路采用8對紅 外對射管確定檔位位置，其中，在變速箱中每個檔位上變速桿位置兩側(cè)設(shè)置一對紅外對射 管，其中一只紅外對射管負責(zé)紅外線發(fā)射，另一只負責(zé)紅外線接收，變速桿在換檔過程中， 將會遮擋相應(yīng)檔位的紅外接收管，從而完成信號采集，原理如圖4所示。其他全部采用實車部件，包括方向盤、組合開關(guān)、手制動(手剎)、安全帶。在硬件電路設(shè)計方面如圖5所示，為主控板功能原理框圖汽車駕駛模擬器傳感控制系統(tǒng)需要完成開 關(guān)量和模擬量的采集與處理，指示燈與儀表的顯示控制，以及與主控計算機之間進行數(shù)據(jù) 傳輸?shù)裙δ?。根?jù)以上要求，主控芯片選用32位高性能Cortex-M3內(nèi)核的ARM單片機及 CPLD, ARM單片機負責(zé)三踏板模擬信號采集、力反饋板的通信以及與計算機的通信，CPLD用 于IO功能擴展，完成檔位、組合開關(guān)、點火開關(guān)、手制動、安全帶的信號采集和實車儀表的 控制。如圖6所示，所述力反饋板包括編碼器信號采集電路，用于采集方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號；電機驅(qū)動-H橋電路，用于輸出電機控制信號；
力反饋處理器，分別與所述編碼器信號采集電路和所述電機驅(qū)動-H橋電路連接， 并通過所述第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取所述編碼器信號采集電路采集的方 向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號和所述電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳 送給所述主控板。進一步的，所述力反饋板還包括電源模塊，與所述力反饋處理器連接，用于提供電壓和電流；電流檢測電路，與所述力反饋處理器連接，用于對所述力反饋處理器進行電流檢 測，將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號。其中，所述編碼器信號采集電路采用A/D (模擬/數(shù)字)采樣，用運算放大器LM358 放大信號。如圖7所示，為力反饋板原理框圖力反饋板用于完成轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬 信號采集及力反饋電機的控制，主控芯片選擇AVR單片機，內(nèi)置10位AD，完成角度、力矩信 號及電機驅(qū)動電流的采集，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，可完成測量范圍-55 125°C、 測量精度0. 0625°C的溫度采集。通過溫度傳感器及電流采樣電路，可完成過流、過熱保護， 通過蜂鳴器完成過流過熱報警。采用PWM技術(shù)，可實現(xiàn)電機電壓控制范圍-VDD +VDD，達 到電機正反轉(zhuǎn)及力矩控制的目的。圖8為主控板和力反饋板組成的系統(tǒng)的一具體原理實現(xiàn)圖，其中組合了上述主控 板的功能原理和力反饋板的功能原理。圖9為上述主控板的一具體實施例示意圖。主控板采用USB-422接口與上位機通信，實現(xiàn)主控板信息上傳與控制，波特率采 用57600，減少數(shù)據(jù)幀發(fā)送周期，保證信息上傳時間不超過50ms。主控板功能包括三踏板傳感器的采集；I/O信號采集負責(zé)組合開關(guān)、點火開關(guān)、 手制動檔位及手剎模塊、儀表驅(qū)動模塊、安全帶采集模塊、力反饋通信接口。力反饋板功能包括方向盤角度信號采集模塊、電機驅(qū)動模塊、溫度信號采集，電流 檢測等模塊。檔位板主要功能是實時采集檔位傳感器信號，通過主控板發(fā)送到主機控制。采用CPLD (可編程控制器)擴展輸入IO 40個、輸出IO 32個。PWM輸出8路。腳踏板A/D采樣采用12位A/D，采用電位器，實現(xiàn)電壓值實時采樣。三踏板接口采用3個AD 口實時采集離合、油門、剎車信號。如圖10所示，為三踏板信號采集電路，總共包含六路信號采集(剎車踏板信號、油 門踏板信號、離合踏板信號)，預(yù)留三路；其中連接器JI連接到傳感器；連接器JI具有第一 引腳1、第二引腳2和第三引腳3 ；第一引腳1與第一電容器C4連接，第一電容器C4的另一 端接地并與一集成運算放大器的端4連接；第二電容器C3的一端接電源，另一端接地；連 接器Jl的第二引腳2與第一電阻Rl連接；連接器Jl的第三引腳接地；第一電容器C4對傳 感器電源進行濾波、第二電容器C3對連接器傳輸過來的信號進行濾波；二極管Dl的一端接 地，另一端接電源(如+5V電源)；第一電阻Rl的另一端與運算放大器Ul的正極3連接， 該運算放大器的負極2與該運算放大器的輸出端1連接，該運算放大器的輸出端1與第二 電阻R3連接；第一電阻R1、二極管Dl限制電壓輸入范圍，保證Ul輸入電壓范圍為0 5V， Ul為集成運算放大器，實現(xiàn)電壓跟隨電路，提供高輸入阻抗；第三電容器Cl與運算放大器Ul連接，為運算放大器Ul的電源進行濾波；第二電阻R3還與第三電阻R5連接、第三電阻 R5的另一端接地，第二電阻R3、第三電阻R5組成分壓電路，對輸入到ADC的電壓降幅；第二 電阻R3還與ADC器件連接，第四電容器C7與ADC器件連接，對ADC輸入信號進行濾波。檔位接口采用8個IO 口實時采集換檔位置數(shù)據(jù)，變速器采集模塊與主控板I/O采 集接口連接，當(dāng)有檔位使能動作時，主控處理器要實時采集到變速器的使能動作，組合開關(guān)采用IO按鍵方式。實現(xiàn)仿真實車組合開關(guān)及點火開關(guān)的操作功能，組合 開關(guān)及點火開關(guān)做使能時，主控板要實時采集到使能動作。安全帶和手剎采用IO檢測方式，安全帶和手剎開關(guān)做使能時，主控板要實時采集 到使能動作。主控板電源采用大車小車12V)供電，這個系統(tǒng)工作功率為12W左右；儀表驅(qū)動包括LED背光燈控制和轉(zhuǎn)速表、里程表、油溫表等控制，背光燈LED采用 IO控制，儀表采用PWM控制控制，通過調(diào)整PWM占空比和頻率大小驅(qū)動儀表。其中，電源模塊(線性電源)，本系統(tǒng)CPU供電采用MV (小車12V)開關(guān)電源供電， 24V經(jīng)過LM2596降壓到5V，3. 3V電源由AMEll 17-3V3產(chǎn)生。儀表采用24V(小車12V)供 電；電控系統(tǒng)采用交流220V供電，采用24V開關(guān)電源給主控板供電和采用12V開關(guān)電源給 力反饋板供電。檔位變速器、組合開關(guān)、點火開關(guān)、手剎、安全帶均采用IO模式，實時監(jiān)測開關(guān)量 變化情況。其中，儀表控制電路模塊，儀表驅(qū)動電路包括LED背光控制電路和轉(zhuǎn)動儀表控制 電路。LED背光燈由IO控制MOS管開關(guān)電流，實現(xiàn)LED燈的實時控制。轉(zhuǎn)動儀表包括轉(zhuǎn)速 表、里程表、水溫表、油壓表、油量表。其中轉(zhuǎn)速表、里程表采用可編程頻率控制。水溫表、油 壓表、油量表采用PWM控制。力反饋板功能包括方向盤角度信號采集模塊、電機轉(zhuǎn)向驅(qū)動模塊、溫度信號采集， 電流檢測等模塊。方向盤角度信號采集采用10位A/D采樣，實現(xiàn)電壓值實時采樣。從而確定方向盤 旋轉(zhuǎn)角度及當(dāng)前位置。如圖11所示，為編碼器角度信號采集電路，編碼器角度傳感器和力矩傳感器采用 A/D采樣，用運放LM358放大信號，其中連接器SENSOR連接到力反饋轉(zhuǎn)向機，Degreekns0L Main為傳感器角度輸出信號，直接連接到單片機A/D輸入口，TorqueSensorU TorqueSensor2為傳感器力矩輸出信號，通過運放U4放大及電容C18/C19濾波后輸入到單 片機A/D輸入口，Q1、Q2實現(xiàn)相關(guān)電平控制。電機力反饋控制采用N溝道增強型場效應(yīng)管構(gòu)建H橋，實現(xiàn)大功率直流電機驅(qū)動 控制。驅(qū)動電路能夠滿足各種類型直流電機需求，并具有快速、精確、高效等特點，直接與8 位AVR微處理器接口，應(yīng)用PWM技術(shù)實現(xiàn)直流電機調(diào)速控制。方向盤數(shù)據(jù)采集及力反饋控 制功能由力反饋板實現(xiàn)，方向盤采集模塊采用編碼器采集方向盤角度信號，H橋電路控制電 機力反饋。角度信號采集精度達到0.5度。力反饋板和主控板接口采用RS232通信方式。如圖12所示，為電機驅(qū)動-H橋電路，電機驅(qū)動采用PWM技術(shù)控制，外部輸入系統(tǒng) 電源為12v，電機驅(qū)動采用采用N溝道增強型場效應(yīng)管構(gòu)建H橋，實現(xiàn)大功率直流電機驅(qū)動 控制，帶電流檢測保護功能。直流電機驅(qū)動控制電路分為光電隔離電路、電機驅(qū)動邏輯電路、驅(qū)動信號放大電路、H橋功率驅(qū)動電路等三部分。其中P麗、LH_EN、LL_EN、RH_EN、RL_ EN直接由單片機相應(yīng)的控制輸出腳，PWM為脈沖信號，用于電機電壓輸出幅度控制、LH_EN/ LL_EN/RH_EN/RL_EN為場效應(yīng)管Q5/Q12/Q11/Q7的開關(guān)信號，用于電機電壓輸出方向控制， U16/U17為場效應(yīng)管驅(qū)動芯片，提供場效應(yīng)管開關(guān)所需要的電壓信號，L15/C47/C48串聯(lián) 后再并聯(lián)到電機輸入電源兩端，用來提高低電壓時電機的輸出力矩，D13/D14用來提供對 C47/C48的正反向電壓隔離保護，U11/U12為光耦電路，實現(xiàn)5V/12V的電壓隔離。電機驅(qū)動控制電路的外圍接口簡單。其主要控制信號有電機運轉(zhuǎn)方向信號、電機 調(diào)速信號PWM，將驅(qū)動回路與控制回路電氣隔離，減少驅(qū)動控制電路對外部控制電路的干 擾。H橋驅(qū)動器采用美國頂公司生產(chǎn)的頂2110驅(qū)動器。頂2110體積小、集成度高、響應(yīng)快、 偏值電壓高、驅(qū)動能力強、內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，易于調(diào)試。采用2片頂2110驅(qū)動兩個橋臂，上管 驅(qū)動采用外部自舉電容上電。隔離后的控制信號經(jīng)電機驅(qū)動邏輯電路產(chǎn)生電機邏輯控制信 號，分別控制H橋的上下臂控制驅(qū)動直流電機。在軟件系統(tǒng)設(shè)計方面汽車駕駛模擬器單片機軟件系統(tǒng)需要完成模擬量和開關(guān)量的采集和處理、串行數(shù) 據(jù)的發(fā)送與接收、控制信號的輸出與顯示、故障的監(jiān)控與保護等功能。軟件采用模塊化設(shè)計 思想，通過匯編語言編制而成，主要由主程序、定時器中斷服務(wù)程序、串行口中斷服務(wù)程序、 數(shù)據(jù)采集和處理程序、信號的輸出與顯示程序等幾部分構(gòu)成。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化工作；定時器中斷服務(wù)程序主要完成看門狗功能， 在單片機發(fā)生異常情況時，能使程序及時復(fù)位，保證單片機系統(tǒng)能夠正常工作；串行口中斷 服務(wù)程序主要實現(xiàn)單片機與主控計算機之間的通訊；數(shù)據(jù)采集和處理程序主要完成模擬量 和開關(guān)量的采集，獲取駕駛員的操控數(shù)據(jù)；信號的輸出與顯示程序?qū)⒅骺赜嬎銠C的控制信 息傳送給單片機，用于控制指示燈和儀表的顯示輸出。力反饋板采用μ C/0S實時多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件，設(shè)置溫度采集任務(wù)、力矩采集任 務(wù)、角度采集任務(wù)、電流采集任務(wù)、電機控制任務(wù)、通訊中斷任務(wù)；可實時交替地進行任務(wù)管 理，從而迅速地進行各種信號采集與控制響應(yīng)。互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計詳細說明互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)檔位采集、角度采集、組合開關(guān)及點 火開關(guān)采集、三踏板采集，手制動采集，儀表驅(qū)動。并將這些采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā) 送到電腦之中。性能可靠，兼容性強，生產(chǎn)維護簡單，價格便宜，經(jīng)久耐用。其中，主控板是整機系統(tǒng)中的核心板卡，其功能涵蓋了腳踏板A/D采樣、變速器檔 位信號采樣、組合開關(guān)信號檢測、點火開關(guān)信號檢測、手剎安全帶信號檢測、儀表控制、LED 指示燈。與此同時，本發(fā)明的實施例還提供互動型汽車駕駛模擬器的電子控制方法，應(yīng)用 于互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括主控板和力反饋板，所述方法包 括所述主控板獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信 號；所述主控板通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控 計算機根據(jù)所述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；
所述力反饋板獲取方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號及電機控制信號；所述力反饋板通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所述主控板再傳送 給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機 進行控制。需要說明的是上述系統(tǒng)中的技術(shù)特征均適應(yīng)用于該方法實施例中，也能達到相 同的技術(shù)效果，在此不再贅述。以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控板，用于獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并 通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控計算機根據(jù)所述控制 信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；力反饋板，通過第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力 矩的模擬信號及電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所述主 控板再傳送給所述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方 向盤及電機進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 主控板包括三踏板電路，用于采集駕駛員的剎車踏板、油門踏板、離合踏板操縱數(shù)據(jù)； 可編程控制器CPLD，用于采集駕駛員的點火、組合開關(guān)、變速器、安全帶及手制動的操 縱數(shù)據(jù)，并進行儀表顯示控制；主控處理器，與所述三踏板電路和CPLD連接，用于獲取所述操縱數(shù)據(jù)，并對所述操縱 數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并通過所述主控處理器上的所述第一接口電路將所述控制 信號傳送給主控計算機。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 主控板還包括電源管理電路，分別與所述CPLD和所述主控處理器連接，用于提供電壓和電流； 檔位變速器電路，與所述CPLD連接，用于實時采集換檔位置數(shù)據(jù)，并將所述換檔位置 數(shù)據(jù)傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；組合開關(guān)電路，與所述CPLD連接，用于采集實車組合開關(guān)以及點火開關(guān)的操作數(shù)據(jù)， 并傳送至所述CPLD，由所述CPLD再傳送至所述主控處理器；儀表驅(qū)動電路，與所述CPLD連接，用于對LED背光燈和儀表進行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 三踏板電路采用非接觸式直線位移傳感器；所述檔位變速器電路采用紅外對射管傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 檔位變速器電路采用8對紅外對射管確定檔位位置，其中，在變速箱中每個檔位上變速桿 位置兩側(cè)設(shè)置一對紅外對射管，其中一只紅外對射管負責(zé)紅外線發(fā)射，另一只負責(zé)紅外線 接收。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 第一接口電路為RS422接口電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 力反饋板包括編碼器信號采集電路，用于采集方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號； 電機驅(qū)動-H橋電路，用于輸出電機控制信號；力反饋處理器，分別與所述編碼器信號采集電路和所述電機驅(qū)動-H橋電路連接，并通 過所述第二接口電路與所述主控板連接，用于獲取所述編碼器信號采集電路采集的方向盤 的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號和所述電機驅(qū)動-H橋電路采集的電機控制信號，并通過所述第二接口電路傳送給所述主控板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 力反饋板還包括電源模塊，與所述力反饋處理器連接，用于提供電壓和電流；電流檢測電路，與所述力反饋處理器連接，用于對所述力反饋處理器進行電流檢測，將 電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 編碼器信號采集電路采用A/D采樣，用運算放大器LM358放大信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 第二接口電路為RS232接口電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 三踏板電路包括連接器，連接到傳感器；所述連接器具有第一引腳、第二引腳和第三引腳，其中，第一引 腳與第一電容器連接，所述第一電容器的另一端接地并與一集成運算放大器的端連接；所 述連接器的第二引腳與第一電阻連接；所述連接器的第三引腳接地；第二電容器的一端接電源，另一端接地；所述第一電容器對傳感器電源進行濾波，所述 第二電容器對所述連接器傳輸過來的信號進行濾波； 二極管的一端接地，另一端接電源；所述第一電阻的另一端與運算放大器的正極連接，該運算放大器的負極與該運算放大 器的輸出端連接，該運算放大器的輸出端與第二電阻連接；所述第一電阻、所述二極管限制 電壓輸入范圍；第三電容器與運算放大器連接，為所述運算放大器的電源進行濾波； 第二電阻還與第三電阻連接、第三電阻的另一端接地；所述第二電阻和所述第三電阻組成分壓電路，對輸入到ADC器器件的電壓降幅；所述第二電阻還與所述ADC器件連接；第四電容器與所述ADC器件連接，對ADC輸入信號進行濾波。
12.—種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制方法，應(yīng)用于互動型汽車駕駛模擬器的電 子控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括主控板和力反饋板，其特征在于，所述方法包括所述主控板獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對所述操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號； 所述主控板通過第一接口電路將所述控制信號傳送給主控計算機，并由所述主控計算 機根據(jù)所述控制信號，對所述模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制； 所述力反饋板獲取方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號及電機控制信號； 所述力反饋板通過所述第二接口電路傳送給所述主控板，并由所述主控板再傳送給所 述主控計算機，由所述主控計算機根據(jù)所述模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機進行 控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種互動型汽車駕駛模擬器的電子控制系統(tǒng)及方法，其中系統(tǒng)包括主控板，用于獲取駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，并對操作數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并通過第一接口電路將控制信號傳送給主控計算機，并由主控計算機根據(jù)控制信號，對模擬器視景系統(tǒng)中汽車的動態(tài)狀態(tài)和位置進行控制；力反饋板，通過第二接口電路與主控板連接，用于獲取方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力矩的模擬信號及電機控制信號，并通過第二接口電路傳送給主控板，并由主控板再傳送給主控計算機，由主控計算機根據(jù)模擬信號和電機控制信號對方向盤及電機進行控制。本發(fā)明的方案可以使模擬器的模擬功能更強大。
文檔編號G05B17/02GK102087507SQ201110041768
公開日2011年6月8日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者于曉輝 申請人:北京宣愛智能模擬技術(shù)有限公司