[发明专利]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

权利要求书

1.一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。

2.根据权利要求1所述的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于：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上的第一铰接支点、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。

3.根据权利要求1所述的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于：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。

5.根据权利要求4所述的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于：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。

6.根据权利要求4所述的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于：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。

7.根据权利要求1所述的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于：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。

8.根据权利要求1所述的汽车驾驶模拟器少自由度体感装置，其特征在于：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。

9.根据权利要求8所述的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，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。

10.根据权利要求9所述的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A1-xyz和以第一铰接支点为原点的坐标系B1-x1y1z1；

(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B1-x1y1z1相对于底座固定坐标系A1-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≠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P_i(i＝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≠0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P_i(i＝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，汽车驾驶模拟颠簸位姿的实现，采用与俯仰类似的方式进行伺服电动缸杆长和颠簸幅度的转换，此时两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的长度在50mm以内，在一定频率不断移动颠簸幅度需要两个伺服电动缸推杆伸长或缩短的距离就可实现汽车驾驶模拟的颠簸位姿。