本发明专利技术公开了一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置及其位姿调整方法，包括底座固定平台、两个伺服电动缸、支撑杆和顶部模拟驾驶舱，其中：两个伺服电动缸和支撑杆的上端分别通过球铰副与顶部模拟驾驶舱铰接，两个伺服电动缸的下端通过转动副和底座固定平台铰接，支撑杆的下端固连在底座固定平台上。本发明专利技术实现汽车驾驶过程中俯仰、侧倾和颠簸的体感效果，具有结构简单，成本低的特点；本发明专利技术使装置的重心大大降低，安全性和可靠性大大提高；本发明专利技术的汽车驾驶模拟器体感装置位姿调整方法不需要复杂的数学矩阵运算，就可实现汽车驾驶位姿和伺服电动缸杆长之间的换算，完成汽车驾驶位姿的调整。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种汽车驾驶模拟器体感装置，尤其涉及的是一种汽车驾驶模 拟器少自由度体感装置及其位姿调整方法。
技术介绍
近年来，随着机动车保有量的增加，道路里程的延伸，道路交通愈趋复杂，由 于交通设施状况和驾驶员培训存在的问题，发生交通事故的概率很大。研究表明，与有 经验的驾驶员相比，新驾驶员更容易发生交通事故。为减少或避免事故的发生，需要提 高驾驶培训效果，目前在驾驶培训方面越来越多采用汽车驾驶模拟器对新驾驶员进行先 期培训，以获得对汽车驾驶的感性认识和对危险复杂路况的理性处理经验，通过采用汽 车驾驶模拟器进行训练可以减少1/3的实车训练时间，减少交通事故，减少环境污染， 减少汽车的油耗、磨损以及教练的指导时间，既节能又环保。汽车驾驶模拟器能正确 模拟汽车驾驶动作，又称为汽车模拟驾驶仿真系统，它集合了传感器、计算机、数据通 信、多媒体等先进技术，具有安全性高、再现性好、容易设定各种试验条件以及节能环 保等优点，是应用于驾驶员培训的一种重要工具。汽车驾驶模拟器作为汽车驾驶培训 工具在发达国家已普遍应用，我国也正式规定汽车驾驶培训学校必须装备汽车驾驶模拟ο目前现有应用于驾驶培训中的是简易型汽车驾驶模拟器，其根据驾驶者输入的 加速、刹车、转向等信号，得到当前汽车的运动状态，实时生成交通场景，将车辆的响 应动作通过视频和音频设备反馈给驾驶者，驾驶人员根据交通场景做出判断，操纵汽 车；但对于能促进沉浸感的触觉反馈(力反馈)的体感效应大多数汽车驾驶模拟器都无 法有效模拟，比如对于颠簸路面的震动体感、由汽车制动惯性或加速惯性产生的身体俯 仰体感、由汽车转向产生的身体侧倾体感和自动回位的体感模拟问题至今未得到有效解 决，因而影响了汽车驾驶模拟器的实车驾驶感觉。由于在实际驾驶培训中，结构简单、 开发成本低，又能实现驾驶体感的汽车驾驶模拟器具有很大市场需求和广泛的应用前 景。而目前国内外研究者更多地关注具有多自由度复杂空间运动的体感产生运动机构及 其与多自由度复杂空间运动机构对应的体感模拟算法，对能反映汽车驾驶体感、结构简 单、成本较低的少自由度体感产生运动机构考虑较少，而据此所设计的体感产生运动机 构结构复杂、成本较高，无法满足中低端汽车驾驶模拟器培训的需求。鉴于技术、经济 的原因，目前应用在汽车驾驶培训领域的体感装置在推广应用中受到了限制。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种汽车驾驶模拟 器少自由度体感装置及其位姿调整方法。技术方案本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括底座固定平台、两 个伺服电动缸、支撑杆和顶部模拟驾驶舱，其中两个伺服电动缸和支撑杆的上端分别通过球铰副与顶部模拟驾驶舱铰接，两个伺服电动缸的下端通过转动副和底座固定平台 铰接，支撑杆的下端固连在底座固定平台上。所述支撑杆和两个伺服电动缸在底座固定平台的第一固接支点、第二平台支点 和第三平台支点以第二平台支点和第三平台支点的连线为底边的等腰三角形位置分布； 所述支撑杆和两个伺服电动缸在顶部模拟驾驶舱的第一铰接支点、第二铰接支点和第三 铰接支点以第二铰接支点和第三铰接支点的连线为底边的等腰三角形位置分布。 所述两个伺服电动缸和底座固定平台铰接的转动副的转动方向垂直，顶部模拟 驾驶舱以嵌入式布局铰接在伺服电动缸和支撑杆之间。所述伺服电动缸包括伺服电机、伺服驱动器、旋转编码器、上限位传感器、下 限位传感器、零位传感器、滚珠丝杠、推杆和电动缸外部套筒，其中旋转编码器设置 于伺服电机上，伺服驱动器和伺服电机相连，伺服电机和滚珠丝杆相连，上限位传感器 和下限位传感器设置在电动缸外部套筒上，上限位传感器和下限位传感器分别位于推杆 运动的上下极限位置，零位传感器设于电动缸外部套筒的中间位置。所述伺服电动缸工作行程为200mm，滚珠丝杆导程为10mm，伺服电机额定转 速为3000r/min，伺服电机功率为800w。所述支撑杆为空心圆柱形，两端带有机械接 口，长度和伺服电动缸处于中间位置时的伺服电动缸长度相同。所述伺服电动缸具有一个方向的移动自由度，且采用闭环伺服控制。本装置还包括伺服控制系统，所述伺服控制系统包括通讯数据接收模块、位姿 转换模块、运动控制模块、远程控制模块、本机控制模块和参数设置模块，其中参数设置模块分别与本机控制模块和远程控制模块相连，设置体感装置运动的 相关参数；通讯数据接收模块实时接收汽车的运动姿态；位姿转换模块和通讯数据接收模块相连，分析和处理汽车的运动姿态，变换为 伺服电动缸的动作数据；运动控制模块分别与伺服电动缸和位姿转换模块相连，根据伺服电动缸的运动 控制数据，协调控制两个伺服电动缸动作；远程控制模块分别与位姿转换模块和运动控制模块相连，负责体感装置运行期 间的协调和管理；本机控制模块分别与位姿转换模块和运动控制模块相连，用于伺服控制系统的 测试。一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置位姿调整方法，包括以下步骤(1)装置初始化，两个伺服电动缸定位到中间位置；(2)汽车驾驶过程中位姿数据由汽车驾驶模拟视景仿真系统通过PCI总线送入伺 服控制系统，用于位姿数据转换，伺服控制系统接收的位姿数据包括绕X方向旋转的 侧倾角度、绕Y方向旋转的俯仰角度和垂直震动幅度Z向位移；(3)通过位姿转换模块将汽车驾驶过程中位姿数据变换为两个伺服电动缸的移动调整量；(4)根据步骤(3)变换后的两个伺服电动缸移动调整量驱动控制两个伺服电动缸 移动适当距离，实现汽车驾驶模拟器体感装置的姿态调整与实时控制，获得真实的汽车驾驶体感。 一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置位姿调整方法，其特征在于，所述位姿 转换模块包括以下处理过程(1)首先建立底座固定平台和顶部模拟驾驶舱的坐标系，利用底座固定平台的三 个支点和顶部模拟驾驶舱的三个铰接点分别建立以第一固接支点为原点的坐标系Al-xyz 和以第一铰接支点为原点的坐标系Bl-xlylzl ；(2)确定底座固定平台和顶部模拟驾驶舱的支点坐标，根据底座固定平台三个 支点和顶部模拟驾驶舱三个铰接支点构成的等腰三角形，建立顶部模拟驾驶舱坐标系 Bl-xlylzl相对于底座固定坐标系Al-xyz的齐次变换矩阵T，建立的齐次变换矩阵T与 侧倾角度α和俯仰角度β有关，通过建立的齐次变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱各铰接支 点表示为底座固定平台坐标系中的坐标；(3)分析汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的侧倾位姿，将参数α兴0、β =0 代入建立的齐次变换矩阵T中，得到齐次变换矩阵T在侧倾位姿下的表达式，从而可以通 过齐次变换矩阵τ将顶部模拟驾驶舱各铰接支点表示为底座固定平台坐标系中的坐标P1G =1、2、3)，由侧倾前后的顶部模拟驾驶舱各铰接支点的坐标得到两个伺服电动缸推杆 伸长或缩短的长度；(4)分析汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的俯仰位姿，将参数α =0、β ^O 代入齐次变换矩阵T中，得到齐次变换矩阵T在俯仰位姿下的表达式，从而可以通过齐次 变换矩阵T将顶部模拟驾驶舱各铰接支点表示为底座固定平台坐标系中的坐标P1G = 1、 2、3)，由俯仰前后的顶部模拟驾驶舱各铰接支点的坐标得到两个伺服电动缸推杆伸长或 缩短的长度；(5)分析汽车驾驶模拟器少自由度体感装置的颠簸位姿，驾驶模拟颠簸位姿的实 现，采用与俯仰本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于，包括底座固定平台、两个伺服电动缸、支撑杆和顶部模拟驾驶舱，其中：两个伺服电动缸和支撑杆的上端分别通过球铰副与顶部模拟驾驶舱铰接，两个伺服电动缸的下端通过转动副和底座固定平台铰接，支撑杆的下端固连在底座固定平台上。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张臣，
申请(专利权)人：南京多伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：84
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