CN106023713A - 一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器 - Google Patents

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陈彪彪
尹念东
袁焕
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Abstract

本发明涉及驾驶模拟器技术领域，尤其涉及一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器。包括回旋装置、伺服电机、减速器和齿轮，上平台上固定模拟器座舱；上平台通过铰接球与伸缩杆连接，伸缩杆下端通过铰接球与下平台连接；下平台底部居中位置设置有回转装置；伺服电机通过减速器与齿轮连接；齿轮与回转装置啮合；伺服电机、减速器和回转装置均设置于地基内部；本装置可实现大型车辆运动驾驶模拟器360度回转的功能，达到更加逼真地模拟运动的目的，且控制算法也较简单。

Description

一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器
技术领域
本发明涉及驾驶模拟器技术领域，尤其涉及一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器。
背景技术
驾驶模拟器是模拟驾驶体验的机械装置，尽可能的模拟在真实设备中的感觉(如车辆的振动、上下坡、转弯等)，用于在室内训练驾驶员，驾驶员不会因模拟驾驶中的事故而受伤。驾驶模拟器的特性决定了它具有以下优点：1)安全性好，使用驾驶模拟装置可以安全地进行高速、极限行驶以及非常危险的安全性实验，可大幅提高训练的安全性；2)复现性好，由于车辆状态和实验条件等因素很难控制，实车试验再现性较差，使用驾驶模拟器则可以方便地进行数据采集、车辆模型的选择和模拟环境的设定，复现性好；3)经济性高，与真车试验相比，驾驶模拟器可以软件环境中设定各种实验条件和参数，大幅提高训练效率、各种环境及参数的可变性，而成本不会增加；4)驾驶模拟器有利于相关设备的研发，帮助设计者迅速发现设计缺陷、错误，从而降低研发成本，缩短开发周期。
因此，驾驶模拟器常常用来代替真实设备，以训练操作者对真实设备的操纵能力以及研发相关设备作模拟，驾驶模拟器在飞机、车辆及船舶等驾驶员高级培训中的应用越来越普遍；在分析国内外驾驶模拟器发展现状的基础之上，针对传统Stewart平台不能围绕Z轴360°旋转的特点，当车辆连续加速回转时，由于没有足够的转角，而不能提供持续的偏航角速度，降低了驾驶的逼真度。
目前应用的比较普遍的Stewart平台一般是由上、下两个平台(负载平台和基台)和铰副连接的六个移动副构成。根据使用相应的铰副，常见的Stewart平台可以分为SPS型和UPS型两种。SPS型Stewart平台是指基台和支腿间、负载平台和支腿间都是由球铰连接，上、下支腿间通过柱铰连接构成。根据上、中平台和支腿间连接点数不同，Stewart平台分为x-y型平台(x代表负载平台和支腿的连接点数，y代表基台和支腿的连接点数)。常见的有3-3型Stewart平台、3-6型Stewart平台和6-6型Stewart平台。其中应用于各种飞机和舰船模拟器的主要是6-6型Stewart平台。
国外方面早在1929年美国的埃德文·林克就设计了第一台飞行驾驶模拟器，并逐渐应用到车辆驾驶模拟器及航海驾驶模拟器，在驾驶模拟及工程开发中得到广泛的应用。国内方面：北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等都对驾驶模拟器进行了相关研究，北京蓝天航空科技有限公司也研制了飞行驾驶模拟器；吉林大学、南京大学、也开发了汽车驾驶模拟器，装甲兵工程学院研制了水陆坦克驾驶训练模拟器；浙江大学与大连海事大学联合开发了航海驾驶模拟器等。
ZL201110008598.5、ZL201110008624.4、ZL201110008646.0、ZL201110008651.1等专利均公布可无限旋转的车辆驾驶模拟器，但结构和控制算法均比较复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供了一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器，研究的汽车驾驶模拟器平台可用于提供大型车辆(卡车、坦克等)模拟器的运动，可提供连续转弯或掉头的模拟感觉。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括上平台、下平台、回旋装置、伺服电机、减速器和第一齿轮；其特征在于：模拟器座舱固定于上平台上；上平台下部的外圈均匀分布六个第一铰接球，伸缩杆的一端连接于第一铰接球中，伸缩杆的另一端连接于第二铰接球中，六个第二铰接球均匀分布固定于下平台上；下平台底部居中位置设置有回转装置；伺服电机通过减速器与第一齿轮连接；第一齿轮与回转装置啮合；伺服电机、减速器和回转装置均设置于地基内部。
进一步优化本技术方案，所述的回转装置包括回转支承、基座、地脚螺栓；下平台底部通过螺栓和第一螺母连接在第二齿轮上，第二齿轮通过回转支承嵌套于基座的外圈；基座通过地脚螺栓嵌入地基内部，地脚螺栓与基座上表面的第二螺母螺纹配合。
进一步优化本技术方案，所述的减速器为谐波减速器。
进一步优化本技术方案，所述的伸缩杆可以是液压缸或电动推杆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、将回转装置安装在下平台的下部，与地基相连，下平台加装回转装置后，在绕Z轴转动的方向上形成了一个冗余自由度，通过对六自由度运动指令的控制方式进行研究，采用谐波减速器设计了低通和高通滤波器，对控制信号进行滤波处理，使频率高、运动幅度小的信号控制六自由度平台的运动，使频率低、运动范围大的信号控制回转装置的转动，从而解决了冗余自由度的协调控制问题。
2、下平台底部装一套回转装置，实现大型车辆运动驾驶模拟器360度回转的功能，达到更加逼真地模拟运动的目的。
附图说明
图1为一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器的主视图。
图2为一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器的剖视图。
图3为图2的B处局部放大图。
图中：1、模拟器座舱，2、上平台，3、第一铰接球，4、伸缩杆，5、第一螺母，6、下平台，7、螺栓，8、第二齿轮，9、回转支承，10、第二铰接球，11、第二螺母，12、基座，13、地脚螺栓，14、地基，15、伺服电机，16、减速器，17、第一齿轮，18、回转装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1、图2和图3所示，包括上平台2、下平台6、回旋装置18、伺服电机15、减速器16和第一齿轮17；其特征在于：模拟器座舱1固定于上平台2上，因此上平台2的运动可带动模拟器座舱1运动；上平台2下部的外圈均匀分布六个第一铰接球3，伸缩杆4的一端连接于第一铰接球3中，伸缩杆4的另一端连接于第二铰接球10中，六个第二铰接球10均匀分布固定于下平台6上，因此上平台2可通过六根伸缩杆4在下平台6上作X、Y、Z方向移动和转动；下平台6底部居中位置设置有回转装置18；伺服电机15通过减速器16与第一齿轮17连接；第一齿轮17与回转装置18啮合，伺服电机15可通过减速器16及第一齿轮17带动回转装置18及下平台6转动；伺服电机15、减速器16和回转装置18均设置于地基12内部。
回转装置18包括回转支承9、基座12、地脚螺栓13；下平台6底部通过螺栓7和第一螺母5连接在第二齿轮8上，第二齿轮8通过回转支承9嵌套于基座12的外圈；基座12通过地脚螺栓13嵌入地基14内部，地脚螺栓13与基座12上表面的第二螺母11螺纹配合，因此，基座12固定在地基14上，伺服电机在带动回转装置18及下平台6转动时，第二齿轮8围绕基座12的中心转动。
减速器16为谐波减速器；减速器16采用谐波减速器设计了低通和高通滤波器，对控制信号进行滤波处理，使频率高、运动幅度小的信号控制六自由度平台的运动，使频率低、运动范围大的信号控制回转装置18的转动，从而解决了冗余自由度的协调控制问题。
伸缩杆4可以是液压缸或电动推杆；当伸缩杆4为液压缸时，需配套液压***；当伸缩杆4为电动推杆时，需要电机及减速器或直线电机提供动力。
将回转装置18安装在下平台6的下部，与地基12相连，下平台6加装回转装置18后，在绕Z轴转动的方向上形成了一个冗余自由度；下平台6底部装一套回转装置18，实现大型车辆运动驾驶模拟器360度回转的功能，达到更加逼真地模拟运动的目的。
如图所示，伸缩杆4与上平台2和下平台6连接，当上平台2需要延X、Y、Z轴运动时，只需要通过调节六个伸缩杆4的伸长量就可以实现其运动，若需要绕X、Y轴转动时，下平台6依然不动，此时还是改变伸缩杆4的伸长量来实现，当需要绕Z轴旋转时，此时就要使用伺服电机15，伺服电机15转动，将扭矩传到减速器16，再通过轴传到第一齿轮17上，这样就可以带动第二齿轮8运动，从而驱动下平台6及其以上物体的运动。
本方案的实施方式流程如下：
1.计算机根据车辆在路面上行驶的状态确定模拟器座舱1在模拟器平台上应该处于的位置、姿态，并通过位姿反解得到各个伸缩杆4伸长的长度或伺服电机15旋转的角度或者是两者的组合；此时，如果伺服电机15不旋转，只有伸缩杆4伸缩，就是相当于一个Stewart平台；如果伸缩杆4不运动，只有伺服电机15旋转，也可实现平台六个自由度的运动。
2.当模拟器座舱1需要转弯时，将真实设备需要转弯的半径计算转变为模拟器座舱1及上平台2在下平台6基础旋转的角度，因此，伺服电机15应旋转相应的角度；此时，伸缩杆4仍然保持不断的伸缩状态，保证转弯时其它的感觉(如：上下坡即俯仰、路面侧倾)与真实设备类似；
3.当模拟器座舱1运动至不同的位置时，即模拟器座舱1在上平台2上的位置与姿态处于不同的状态，只需要伸缩杆4伸长或缩短至相应的长度或伺服电机15带动下平台6旋转相应的角度即可。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器，包括上平台(2)、下平台(6)、回旋装置(18)、伺服电机(15)、减速器(16)和第一齿轮(17)；其特征在于：模拟器座舱(1)固定于上平台(2)上；上平台(2)下部的外圈均匀分布六个第一铰接球(3)，伸缩杆(4)的一端连接于第一铰接球(3)中，伸缩杆(4)的另一端连接于第二铰接球(10)中，六个第二铰接球(10)均匀分布固定于下平台(6)上；下平台(6)底部居中位置设置有回转装置(18)；伺服电机(15)通过减速器(16)与第一齿轮(17)连接；第一齿轮(17)与回转装置(18)啮合；伺服电机(15)、减速器(16)和回转装置(18)均设置于地基(12)内部。
2.根据权利要求1所述的一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器，其特征在于：回转装置(18)包括回转支承(9)、基座(12)、地脚螺栓(13)；下平台(6)底部通过螺栓(7)和第一螺母(5)连接在第二齿轮(8)上，第二齿轮(8)通过回转支承(9)嵌套于基座(12)的外圈；基座(12)通过地脚螺栓(13)嵌入地基(14)内部，地脚螺栓(13)与基座(12)上表面的第二螺母(11)螺纹配合。
3.根据权利要求1所述的一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器，其特征在于：减速器(16)为谐波减速器。
4.根据权利要求1所述的一种可连续转弯或掉头车辆的驾驶模拟器，其特征在于：伸缩杆(4)可以是液压缸或电动推杆。
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