一种具有重载宽频带响应的车辆驾驶模拟器

摘要

本发明公开了一种具有重载宽频带响应的车辆驾驶模拟器。模拟舱安装于六自由度液压驱动运动平台的动平台上，位于模拟舱内的三自由度电动驱动运动座椅：包括座椅，座椅动平台，连接座椅动平台和动平台的三套结构完全相同的座椅驱动机构；三个下铰链分别均匀安装在动平台上，三个上球铰链分别通过电动缸、减速器与下铰链连接，电机与减速器输入轴连接，上球铰链同时均匀固定于座椅动平台的下面。本发明中的运动平台提供车辆驾驶模拟器进行重载条件下的运动，三自由度电动驱动运动座椅提供座椅的高频率宽频带的运动，驾驶员感受到的是这两部分运动叠加后的复合运动，避免传统车辆驾驶模拟器重载运动时只能在低频带工作的缺点，提高车辆驾驶的真实感。

权利要求

1.一种具有重载宽频带响应的车辆驾驶模拟器，包括六自由度液压驱动运动平台；其特征在于：模拟舱（9）安装于六自由度液压驱动运动平台的动平台（10）的上表面上，位于模拟舱（9）内部的三自由度电动驱动运动座椅：包括座椅（2），座椅动平台（3），连接座椅动平台（3）和动平台（10）的三套结构完全相同的座椅驱动机构；每套座椅驱动机构均包括上球铰链（4）、电动缸（5）、下铰链（6）、电机（15）和减速器（16）；三个下铰链（6）分别均匀分布地安装在动平台（10）上，三个上球铰链（4）分别通过电动缸（5）、减速器（16）与下铰链（6）连接，电机（15）与减速器（16）输入轴连接，上球铰链（4）同时均匀地固定于座椅动平台（3）的下表面，座椅（2）安装在座椅动平台（3）上表面；

运动控制系统（8）解算出当前的车辆状态后，将其中的发动机转速、加速度等高频运动信号，通过计算转换为三个电机（15）所需的转速并驱动电机运动，然后通过减速器（16）带动三个电动缸伸长至相应长度，实现了座椅动平台（3）的高频率宽频带运动，从而使得驾驶员在座椅（2）上感受到的是动平台（10）重载条件下的连续运动与座椅动平台（3）的高频率宽频带运动叠加后的复合运动。

说明书

一种具有重载宽频带响应的车辆驾驶模拟器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种车辆驾驶模拟器，尤其是涉及一种具有重载宽频带响应的车辆驾驶模拟器。

背景技术

[0002] 车辆驾驶模拟器是一种能正确模拟驾驶操纵车辆的动作、获得实车驾驶感觉的仿真系统。车辆驾驶模拟器集合了传感器技术、计算机技术、三维实时动画技术、网络技术等多种先进技术。借助车辆驾驶模拟器，能对“驾驶员-汽车-道路”相互关系进行研究并对驾驶员进行训练。车辆驾驶模拟器的特性决定了它具有以下优点：1）安全性好；2）复现性好；3）经济性高；4）有利于相关设备的研发。因此，车辆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，它的应用已经越来越普遍。

[0003] 国外早在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。国内北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等都对驾驶模拟器进行了相关研究，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等。先进的驾驶模拟器主要由一个高仿真的驾驶舱、虚拟视景系统和一个六自由度运动模拟平台等组成。驾驶舱内布置的方向盘、油门、刹车、挡位、仪表等与被模拟对象在布局上和功能性能上几乎一致，操作人员根据虚拟视景系统产生的画面操纵驾驶舱的操作部件从而驱动运动模拟平台运动，获取身临其境的真实感觉。六自由度运动模拟平台都是基于经典的Stewart结构，它包括动平台、静平台、并分别通过铰链或万向节与六个液压缸连接，通过对六个油缸的独立控制，可以实现动平台在X、Y、Z三个方向的移动与转动，达到与真实设备里驾驶产生类似感觉的目的。

[0004] 按照用途分类，车辆驾驶模拟器可分为训练型驾驶模拟器和开发型驾驶模拟器。训练型驾驶模拟器主要用于驾驶员训练，也可以对微观交通系统进行仿真，并对驾驶员的控制特性进行研究。开发型驾驶模拟器是在电子、液压、控制等技术支持下，从“人-车-环境”闭环系统的整体性能出发，利用计算机对汽车动力性、操纵稳定性、制动性能等进行仿真研究和开发的实验装备。

[0005] 基于开发型驾驶模拟器的特性，使其成为工程研究的理想平台，尤其是对于大型设备的研究，例如装甲车辆。由于装甲车辆自身质量大，要求模拟器提供较大的载荷，这类模拟器一般采用液压缸驱动，但液压系统自身的非线性特性结合并联机构的强耦合性给控制带来较大的难度，特别是使机构控制很难满足动态响应要求，现在大载荷的模拟器控制带宽均较小、频率响应很低。据文献报道，美国国家航空航天局设计的六自由度动力学试验系统，由液压缸驱动的Stewart并联平台作为运动模拟器，负载能力为2000磅，液压系统带宽为0－8赫兹，国内六自由度运动模拟器频率带宽一般为0～3赫兹。

[0006] 电动缸主要采用电机、丝杠等驱动，具有高速度和高响应的特性，但提供的推力比液压缸小。例如美国Exlar公司的GSX系列伺服电动缸，最高直线速度可达1000mm/s，最高转速可达5000rpm，响应频率可达几十赫兹。

[0007] 驾驶员在真实车辆座椅上驾驶时，往往能感受到发动机振动、车体结构振动等高频振动，如果车辆驾驶模拟器只提供如此低频且窄带宽的运动，将严重影响系统的整体性能，特别是驾驶员在座椅上的真实感将与真实设备中相差甚远。

发明内容

[0008] 针对现有的车辆驾驶模拟器频率带宽都较窄的缺点，特别是影响驾驶员在座椅上的真实感的缺点，本发明的目的在于提供一种具有重载宽频带响应的车辆驾驶模拟器。

[0009] 本发明采用的技术方案是：

[0010] 本发明包括六自由度液压驱动运动平台；模拟舱安装于六自由度液压驱动运动平台的动平台的上表面上，位于模拟舱内部的三自由度电动驱动运动座椅：包括座椅，座椅动平台，连接座椅动平台和动平台的三套结构完全相同的座椅驱动机构；每套座椅驱动机构均包括上球铰链、电动缸、下铰链、电机和减速器；三个下铰链分别均匀分布地安装在动平台上，三个上球铰链分别通过电动缸、减速器与下铰链连接，电机与减速器输入轴连接，上球铰链同时均匀地固定于座椅动平台的下表面，座椅安装在座椅动平台上表面。

[0011] 本发明具有的有益效果是：

[0012] 六自由度液压驱动运动平台能提供大推力，使得模拟舱进行重载条件下的运动，三自由度电动驱动运动座椅能提供模拟舱内座椅高频率宽频带的运动，驾驶员坐在模拟舱内座椅上驾驶时，感受到的是以上两种运动的复合运动，有效地提高了驾驶员在重载条件下对发动机振动、路面激励产生车体结构振动等高频振动的体验，使得车辆驾驶模拟器的模拟效果更加逼真。本发明可以用于大型工程机械车辆或装甲车辆驾驶模拟器。

附图说明

[0013] 图1是本发明的总体结构示意图。

[0014] 图2是本发明三自由度电动驱动运动座椅剖视图。

[0015] 图中：1、方向盘，2、座椅，3、座椅动平台，4、上球铰链，5、电动缸，6、下铰链，7、虚拟视景系统，8、运动控制系统，9、模拟舱，10、动平台，11、液压缸上底座，12、液压缸，13、液压缸下底座，14、静平台基础，15、电机，16、减速器。

具体实施方式

[0016] 以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。

[0017] 如图1所示，六自由度液压驱动运动平台包括静平台基础14、动平台10和支撑静平台基础14、动平台10的六套结构完全相同的支撑机构，每套支撑机构包括液压缸上底座11、液压缸12和液压缸下底座13，静平台基础14固定在地基上，每两个液压缸12的下端分别连接于同一个液压缸下底座13上，三个液压缸下底座13分别均匀地分布固定于静平台基础14上，每两个液压缸12的上端分别与液压缸上底座11连接，三个液压缸上底座11分别均匀地分布固定于动平台10的下表面。液压缸12能提供大推力，通过控制六个液压缸12的伸长量，可以实现动平台10分别按X、Y、Z轴方向移动，绕X、Y、Z轴转动，共六个自由度的运动，实现模拟器在重载条件下运动。模拟舱9安装于动平台10的上表面，模拟舱
9内布置有与真实车辆相同的方向盘1，为驾驶员提供真实的操作感受。虚拟视景系统7和运动控制系统8分别固定于模拟舱9后部，虚拟视景系统7用于生成驾驶模拟的驾驶画面，并显示在模拟舱9前部的显示器上，运动控制系统8用于采集操作信号和控制液压缸12和电动缸5的伸缩运动。

[0018] 如图2所示，位于模拟舱9内部的三自由度电动驱动运动座椅包括座椅2、座椅动平台3、连接座椅动平台3和动平台10的三套结构完全相同的座椅驱动机构，每套座椅驱动机构包括上球铰链4、电动缸5和下铰链6，根据座椅2在动平台10上的安装位置，三个下铰链6分别均匀分布地固定在动平台10上，三个上球铰链4分别与三个电动缸5上端相连，电动缸5下端与减速器16输出轴连接，电机15连接减速器16输入轴，下铰链6通过减速器16与电动缸5连接，上球铰链4同时均匀地固定于座椅动平台3的下表面，座椅2根据适当的驾驶高度安装在座椅动平台3上表面。电机15提供高转速驱动，控制3个电动缸5的伸长量，可以实现座椅动平台3进行两个自由度转动和一个自由度移动，共三个自由度的运动，由此来模拟在座椅2上感受到的发动机高速旋转和路面激励产生的车体结构振动等高频运动。

[0019] 六自由度液压驱动运动平台能提供大推力，使得模拟舱进行重载条件下的运动，三自由度电动驱动运动座椅能提供模拟舱内座椅高频率宽频带的运动，驾驶员坐在模拟舱座椅上驾驶时，感受到的是以上两种运动的复合运动，这样就实现了车辆驾驶模拟器具有重载兼顾宽频带响应的特性。

[0020] 整个系统的工作流程如下：

[0021] 1.车辆驾驶模拟器初始化完成后，动平台10与座椅动平台3均处于水平复位状态，虚拟视景系统7生成驾驶画面，运动控制系统8开始采集操作信号。

[0022] 2.车辆驾驶模拟器开始运行后，驾驶员根据驾驶画面，操作相应的操作部件，如方向盘1等开始驾驶车辆。在一个步长中，运动控制系统8将采集的操作信号输入至运动控制系统8内的车辆动力学模型，车辆动力学模型根据采集的操作信号解算出当前的车辆状态，包括位置、姿态、发动机转速、车速、加速度等，然后将当前的车辆状态分别用于更新虚拟视景系统7驾驶画面、驱动动平台10和座椅动平台3运动。在下个步长中重复以上步骤。

[0023] 3.运动控制系统8解算出当前的车辆状态后，然后经过洗出滤波算法得到当前的车辆状态的低频运动信号，再经过运动学反解求出六个液压缸12的伸长量，最后控制六个液压缸12伸长至相应长度，从而驱动动平台10运动至相应的位置，由于以上过程的重复进行，使得驾驶员产生连续横向平移、纵向平移、垂直平移、俯仰、翻滚和偏航的真实感觉，液压缸12的使用实现了车辆驾驶模拟器在重载条件下的连续运动。与此同时，运动控制系统8解算出当前的车辆状态后，将其中的发动机转速、加速度等高频运动信号，通过计算转换为三个电机15所需的转速并驱动电机15运动，然后通过减速器16带动三个电动缸5伸长至相应长度，实现了座椅动平台3的高频率宽频带运动，从而使得驾驶员在座椅2上感受到的是动平台10重载条件下的连续运动与座椅动平台3的高频率宽频带运动叠加后的复合运动，这种复合运动具有重载宽频带响应的特性，因此实现了车辆驾驶模拟器具有重载宽频带响应的特性，再现了真实车辆中的驾驶感觉，提高了车辆驾驶模拟器的真实感。