CN203325253U - 基于霍尔和光电编码器的汽车驾驶模拟器信号处理装置 - Google Patents

Abstract

基于霍尔和光电编码器的汽车驾驶模拟器信号处理装置，它涉及汽车驾驶模拟器技术领域。光电编码器(W1)与方向盘相连，线性霍尔一(X1)安装在条形磁钢一(T1)的侧方或上方、条形磁钢一(T1)与离合器踏板相连，线性霍尔二(X2)安装在条形磁钢二(T2)的侧方或上方、条形磁钢二(T2)与脚刹踏板相连，线性霍尔三(X3)安装在条形磁钢三(T3)的侧方或上方、条形磁钢三(T3)与油门踏板相连，线性霍尔四(X4)安装在条形磁钢四(T4)的侧方或上方、条形磁钢四(T4)与手刹拉杆相连，采用6个开关霍尔安装在档位下方，转向灯、近光灯、远光灯、雨刮等采用开关传感器。它成本合理、易于安装且精度较高。

Description

基于霍尔和光电编码器的汽车驾驶模拟器信号处理装置

技术领域：

    本实用新型涉及汽车驾驶模拟器技术领域，尤其涉及一种基于线性霍尔和光电编码器的汽车驾驶模拟器传感器信号处理装置。

背景技术： 

现有汽车驾驶模拟器通常分为简易汽车驾驶模拟器和互动汽车驾驶模拟器。

简易汽车驾驶模拟器通常包含方向盘、离合器、脚刹、油门、手刹、转向灯、雨刮、档位等操作部件，并且在方向盘、离合器、脚刹、油门、手刹和档位等部件上安装有开关元器件（例如光耦开关、开关霍尔等），然后通过信号处理电路将这些操作部件的操作信号以指示灯的形式显示在汽车驾驶模拟器的显示面板上。简易汽车驾驶模拟器对操作部件的信号进行了简单采集并显示，不能输入到计算机内从而与模拟驾驶程序连接。 

现有的互动汽车驾驶模拟器通常在方向盘、离合器、脚刹、油门、手刹、转向灯、雨刮、档位等操作部件上安装有传感器，然后将传感器的信号经过电路板采集处理后送入计算机，与模拟驾驶程序相连，从而实现操作部件与模拟驾驶软件的互动。 

通常可以将汽车驾驶模拟器中的传感器分为开关型传感器和多值型传感器。开关传感器有：示宽灯、近光灯、远光灯、左转灯、右转灯、雨刮慢、雨刮快、车门、安全带、雾灯、倒挡、一档、二档、三档、四档和五档等，这些信号只有通和断两种状态，用开关传感器即可。多值传感器有：方向盘、离合器、脚刹、油门和手刹，为了获得更好的信号精度，这些传感器通常输出连续的模拟信号或多级的数字信号。 

由于汽车前大灯、转向灯、雨刮等通常采用汽车组合开关，而档位通常采用开关霍尔传感器，点火钥匙通常采用真车配件，车门、安全带、雾灯等传感器信号也是采用开关传感器。因此各种互动汽车驾驶模拟器的开关信号处理大体相同，主要区别体现在方向盘、离合器、脚刹、油门和手刹上。 

以下描述现有常用几种互动汽车驾驶模拟器信号处理装置。 

现有方案1：方向盘轴上安装有一个金属圆盘，整个圆盘外圈粘有磁钢（通常为60个），在磁钢上方安装有一块带2个开关霍尔的小电路板。在方向盘旋转的过程中，通过计数开关霍尔的通断次数计算旋转角度，通过判别2个霍尔的通断次序的先后判别旋转方向。这种方法有效的前提是在方向盘旋转的过程中，每个开关霍尔不能全通或全断，必须随着方向盘的旋转有通有断，这样才能进行计数及方向判别。为了保证开关霍尔有通有断，必须采用弱磁磁钢，安装距离不能太近，也不能太远，磁钢与霍尔之间的距离必须保证非常精确。但事实上方向盘在剧烈旋转的过程中，方向盘轴剧烈振动从而使得磁钢与霍尔之间的位置变化，无法保证磁钢与霍尔之间的距离的精确性，出现漏记或错计的情况。虽然也有通过增加一个额外的磁钢及霍尔进行计数矫正，但是效果并不理想。离合器、脚刹和油门采用多个磁钢（通常为8个）排成一列，在这些磁钢的侧边或上方，安装有2个开关霍尔，用于计数及确定踏板运动方向，通常这种方案能够使得离合器、脚刹和油门在整个行程中输出6-8个信号。手刹采用一个开关霍尔，手刹拉起的时候接通，手刹放下断开。这种模拟器信号处理方案的主要优点有：（1）方向、离合器、脚刹和油门等信号的采集由于采用了较少的开关霍尔，其与微控制器的接口较简单；（2）在方向转动较慢时，离合器、脚刹和油门踩动不快时，其信号较稳定；（3）成本较低。但其缺点有：（1）对方向盘轴上磁钢和霍尔的安装精度要求极高，且随着方向盘轴振动，容易出现漏记和错记，从而导致方向盘信号出现错误；（2）离合器、脚刹和油门虽然不会出现错误计数情况，但是在整个行程中只能输出6到8个信号，精度太低；（3）手刹只能区分拉起和放下，无法体现手刹随着拉起行程变化而产生不同的制动力，因此无法用手刹模拟坡道起步。 

现有方案2：方向盘、离合器、脚刹、油门和手刹全部安装位移传感器，由于高精度位移传感器通常价格较贵，为了降低成本，这种模拟器通常采用低价低质的位移传感器。由于方向盘行程极大（通常为-720度到+720度），因此采用这种方案的模拟器方向盘无法满足精度要求；另外，由于低价低质的传感器电流稳定性差，因此很容易导致整个信号的不稳定及电路板发热量过大。 

现有方案3：方向盘采用光电编码器；离合器、脚刹和油门各采用一个线性霍尔和一个柱状磁钢，在踩踏板的过程中，磁钢在线性霍尔的一侧运动，从最贴近线性霍尔到远离线性霍尔，或者从远离线性霍尔，到接近线性霍尔。手刹采用一个开关霍尔和一个柱状磁钢。这个方案的优点就是价格较为低廉，方向盘精度较高。缺点是方向盘上的光电编码器对安装精度要求较高，抵抗方向盘震动的能力较差。离合、脚刹和油门踏板中由于磁钢只在线性霍尔一侧活动，由于行程较短，同样对安装精度要求较高。手刹采用开关霍尔，只能表示拉起和放下两种状态，因此不适合用于模拟坡道起步。 

现有方案4：方向盘、离合器、脚刹、油门和手刹全部采用线性霍尔和条形磁钢，条形磁钢在线性霍尔的上方运动。移动条形磁钢，使得它的一端在线性霍尔的正上方移动到它的另外一端在线性霍尔的正上方。随着条形磁钢的移动，线性霍尔会产生电压变化。这种方案的优点是：由于条形磁钢在线性霍尔的两侧运动，因此测量行程比采用单个磁钢在线性霍尔一侧运动的行程更大，更容易安装。但是该方案中选用的条形磁钢较长，当条形磁钢中部在线性霍尔上方时，线性霍尔产生的电压变化极小且不稳定，因此形成了一个测量盲区。这种方案导致方向盘在中间位置时，条形磁钢正中正好位于线性霍尔正上方，由于处于测量盲区，因此方向盘信号极不稳定。另外离合器、脚刹、油门和手刹在中间位置时也正好处于测量盲区，信号不稳定。 

现有方案5：方向盘、离合器、脚刹、油门和手刹全部采用高精度位移传感器。这种方案能给驾驶模拟器提供一个非常好的信号，且安装方便，但缺点是价格极高。 

现有方案6：方向盘采用高精度位移传感器，离合器、脚刹、油门和手刹采用由10个开关霍尔组成的传感器。这种方案的优点是方向盘精度较高，整个方案成本较低。但是采用10个开关霍尔组成的传感器精度较低，且信号不连续。 

实用新型内容： 

本实用新型的目的是提供一种基于霍尔和光电编码器的汽车驾驶模拟器信号处理装置，它能提高信号的质量和稳定性，且价格低廉，使用方便，方向盘采用光电编码器测量旋转角度，离合、脚刹、油门和手刹采用条形磁钢和线性霍尔测量踏板行程，条形磁钢安装在线性霍尔的侧面或上面，成本合理、易于安装且精度较高。

为了解决背景技术所存在的问题，本实用新型是采用以下技术方案：它包含信号处理电路板E1、光电编码器W1、线性霍尔一X1、条形磁钢一T1、线性霍尔二X2、条形磁钢二T2、线性霍尔三X3、条形磁钢三T3、线性霍尔四X4、条形磁钢四T4、档位柱形磁钢Z1、一档开关霍尔K1、二档开关霍尔K2、三档开关霍尔K3、四档开关霍尔K4、五档开关霍尔K5、倒挡开关霍尔K6、电源开关 G1、点火开关 G2、示宽灯开关 G3、近光灯开关 G4、远光灯开关 G5、左转开关 G6、右转开关 G7、危险报警闪光灯开关 G8、慢速雨刮开关 G9、快速雨刮开关 G10、安全带开关 G11、雾灯开关 G12、车门开关 G13，光电编码器W1与方向盘相连，线性霍尔一X1安装在条形磁钢一T1的侧方或上方、条形磁钢一T1与离合器踏板相连，线性霍尔二X2安装在条形磁钢二T2的侧方或上方、条形磁钢二T2与脚刹踏板相连，线性霍尔三X3安装在条形磁钢三T3的侧方或上方、条形磁钢三T3与油门踏板相连，线性霍尔四X4安装在条形磁钢四T4的侧方或上方、条形磁钢四T4与手刹拉杆相连，档位柱形磁钢Z1、一档开关霍尔K1、二档开关霍尔K2、三档开关霍尔K3、四档开关霍尔K4、五档开关霍尔K5、倒挡开关霍尔K6均安装在档位下方；信号处理电路板E1分别与光电编码器W1、线性霍尔一X1、线性霍尔二X2、线性霍尔三X3、线性霍尔四X4、一档开关霍尔K1、二档开关霍尔K2、三档开关霍尔K3、四档开关霍尔K4、五档开关霍尔K5、倒挡开关霍尔K6、电源开关 G1、点火开关 G2、示宽灯开关 G3、近光灯开关 G4、远光灯开关 G5、左转开关 G6、右转开关 G7、危险报警闪光灯开关 G8、慢速雨刮开关 G9、快速雨刮开关 G10、安全带开关 G11、雾灯开关 G12、车门开关 G13相连。 

所述的离合器、脚刹、油门和手刹分别采用一个线性霍尔和一个条形磁钢。条形磁钢安装在线性霍尔的侧方或上方，不能选择过长的条形磁钢，否则容易出现测量盲区。在使用过程中，条形磁钢的运动长度即为该条形磁钢的长度，该条形磁钢一端在线性霍尔的正侧方（或正上方）运动到另外一端在线性霍尔正侧方（或正上方）。 

本实用新型有如下有益效果： 

一、针对方向盘行程很大，而离合器、脚刹、油门和手刹行程相对较小，因此方向盘采用光电编码器，而离合器、脚刹、油门和手刹采用线性霍尔和条形磁钢组成的位移传感器，从而以一个较为合理的成本前提下，满足了使用要求。

二、由于线性霍尔和条形磁钢为非接触式，在测量的过程中没有磨损，因此使用寿命很长。 

三、选用恰当尺寸的条形磁钢安装在线性霍尔的侧方或上方，解决了条形磁钢与线性霍尔测量盲区的问题。 

附图说明： 

图1为本实用新型的结构示意图，

图2为本实用新型中线性霍尔和条形磁钢的安装结构正视图，

图3为图2的左视图，图4为图2的俯视图。

具体实施方式： 

    参照图1-图4，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含信号处理电路板E1、光电编码器W1、线性霍尔一X1、条形磁钢一T1、线性霍尔二X2、条形磁钢二T2、线性霍尔三X3、条形磁钢三T3、线性霍尔四X4、条形磁钢四T4、档位柱形磁钢Z1、一档开关霍尔K1、二档开关霍尔K2、三档开关霍尔K3、四档开关霍尔K4、五档开关霍尔K5、倒挡开关霍尔K6、电源开关 G1、点火开关 G2、示宽灯开关 G3、近光灯开关 G4、远光灯开关 G5、左转开关 G6、右转开关 G7、危险报警闪光灯开关 G8、慢速雨刮开关 G9、快速雨刮开关 G10、安全带开关 G11、雾灯开关 G12、车门开关 G13，光电编码器W1与方向盘相连，线性霍尔一X1安装在条形磁钢一T1的侧面、条形磁钢一T1安装在与离合器踏板相连的连杆上，线性霍尔二X2安装在条形磁钢二T2的侧面、条形磁钢二T2安装在与脚刹踏板相连的连杆上，线性霍尔三X3安装在条形磁钢三T3的侧面、条形磁钢三T3安装在与油门踏板相连的连杆上，线性霍尔四X4安装在条形磁钢四T4的侧面、条形磁钢四T4安装在与手刹拉杆相连的连杆上，档位柱形磁钢Z1、一档开关霍尔K1、二档开关霍尔K2、三档开关霍尔K3、四档开关霍尔K4、五档开关霍尔K5、倒挡开关霍尔K6均安装在档位下方；信号处理电路板E1分别与光电编码器W1、线性霍尔一X1、线性霍尔二X2、线性霍尔三X3、线性霍尔四X4、一档开关霍尔K1、二档开关霍尔K2、三档开关霍尔K3、四档开关霍尔K4、五档开关霍尔K5、倒挡开关霍尔K6、电源开关 G1、点火开关 G2、示宽灯开关 G3、近光灯开关 G4、远光灯开关 G5、左转开关 G6、右转开关 G7、危险报警闪光灯开关 G8、慢速雨刮开关 G9、快速雨刮开关 G10、安全带开关 G11、雾灯开关 G12、车门开关 G13相连并采集相应的信号。

所述的离合器、脚刹、油门和手刹分别采用一个线性霍尔和一个条形磁钢。条形磁钢一T1、条形磁钢二T2、条形磁钢三T3、条形磁钢四T4分别安装在线性霍尔一X1、线性霍尔二X2、线性霍尔三X3、线性霍尔四X4的侧方，选用恰当尺寸的条形磁钢可以解决线性霍尔测量盲区的问题。在使用过程中，条形磁钢的运动长度即为该条形磁钢的长度，该条形磁钢一端在线性霍尔的正侧方运动到它的另外一端在线性霍尔正侧方。 

本具体实施方式的原理为：将该装置安装在汽车驾驶模拟器上，作为汽车驾驶模拟器的传感信号检测***。在驾驶模拟器方向盘的旋转轴安装光电编码器W1。随着方向盘的转动，光电编码器W1输出脉冲信号，从而计数方向盘的旋转角度。 

离合器、脚刹、油门和手刹这四个操作部件通过连杆机构，将旋转运动转化为直线运动。条形磁钢安装在连杆上，线性霍尔安装在条形磁钢的侧方。操作这些操作部件时，安装在连杆上的条形磁钢位置变化，而线性霍尔的位置是不变的，从而线性霍尔输出不同的电压信号，测量出相应的位移。 

档位采用6个开关霍尔检测档位值，其他开关值如电源、点火、近光灯、远光灯等，可以采用组合开关；安全带可以采用真车安全带，车门也可以采用一个开关传感器；雾灯可以采用雾灯开关。 

将用于测量方向盘的光电编码器W1，用于测量离合器、脚刹、油门和手刹行程的线性霍尔，用于测量档位信号的开关霍尔，还有组合开关等信号与集成电路板相连，通过集成电路板处理后，通过USB线送入计算机。 

本具体实施方式能提高信号的质量和稳定性，且价格低廉，使用方便，方向盘采用光电编码器测量旋转角度，离合、脚刹、油门和手刹采用条形磁钢和线性霍尔测量踏板行程，条形磁钢安装在线性霍尔的侧面或上面，成本合理、易于安装且精度较高。 

Claims (2)

1.基于霍尔和光电编码器的汽车驾驶模拟器信号处理装置，其特征在于它包含信号处理电路板(E1)、光电编码器(W1)、线性霍尔一(X1)、条形磁钢一(T1)、线性霍尔二(X2)、条形磁钢二(T2)、线性霍尔三(X3)、条形磁钢三(T3)、线性霍尔四(X4)、条形磁钢四(T4)、档位柱形磁钢(Z1)、一档开关霍尔(K1)、二档开关霍尔(K2)、三档开关霍尔(K3)、四档开关霍尔(K4)、五档开关霍尔(K5)、倒挡开关霍尔(K6)、电源开关 (G1)、点火开关 (G2)、示宽灯开关 (G3)、近光灯开关 (G4)、远光灯开关 (G5)、左转向灯开关 (G6)、右转向灯开关 (G7)、危险报警闪光灯开关 (G8)、慢速雨刮开关 (G9)、快速雨刮开关 (G10)、安全带开关 (G11)、雾灯开关 (G12)、车门开关 (G13)，光电编码器(W1)与方向盘轴相连，线性霍尔一(X1)安装在条形磁钢一(T1)的侧方、条形磁钢一(T1)与离合器踏板相连，线性霍尔二(X2)安装在条形磁钢二(T2)的侧方、条形磁钢二(T2)与脚刹踏板相连，线性霍尔三(X3) 安装在条形磁钢三(T3)的侧方、条形磁钢三(T3)与油门踏板相连，线性霍尔四(X4)安装在条形磁钢四(T4)的侧方、条形磁钢四(T4)与手刹拉杆相连，档位柱形磁钢(Z1)、一档开关霍尔(K1)、二档开关霍尔(K2)、三档开关霍尔(K3)、四档开关霍尔(K4)、五档开关霍尔(K5)、倒挡开关霍尔(K6)均安装在档位下方；信号处理电路板(E1)分别与光电编码器(W1)、线性霍尔一(X1)、线性霍尔二(X2)、线性霍尔三(X3)、线性霍尔四(X4)、一档开关霍尔(K1)、二档开关霍尔(K2)、三档开关霍尔(K3)、四档开关霍尔(K4)、五档开关霍尔(K5)、倒挡开关霍尔(K6)、电源开关 (G1)、点火开关 (G2)、示宽灯开关 (G3)、近光灯开关 (G4)、远光灯开关 (G5)、左转开关 (G6)、右转开关 (G7)、危险报警闪光灯开关 (G8)、慢速雨刮开关 (G9)、快速雨刮开关 (G10)、安全带开关 (G11)、雾灯开关 (G12)、车门开关 (G13)相连。

2.根据权利要求1所述的基于霍尔和光电编码器的汽车驾驶模拟器信号处理装置，其特征在于条形磁钢一(T1)、条形磁钢二(T2)、条形磁钢三(T3)、条形磁钢四(T4)的安装位置替换为分别安装在线性霍尔一(X1)、线性霍尔二(X2)、线性霍尔三(X3)、线性霍尔四(X4)的上方。

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