一种用于线控转向的方向盘路感模拟装置及路感模拟方法

摘要

本发明涉及一种用于线控转向的方向盘路感模拟装置，包括方向盘、与所述方向盘相连接的电机、与所述电机同步转动的编码器、用于加速的油门踏板、用于减速的制动踏板以及用于控制电机的转矩输出的计算模块。相应的，本发明还提供用于线控转向的方向盘的路感模拟方法。本发明提供的用于线控转向的方向盘路感模拟装置，通过电机、编码器、油门踏板、制动踏板以及计算模块的设置，可以准确的实时采集方向盘转角信号和转速信号，计算车速，匹配不同的方向盘转矩信号，实现了线控转向的方向盘路感的模拟，真实可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车配件技术领域，尤其涉及一种用于线控转向的方向盘路感模拟装置，相应的，还提供用于线控转向的方向盘的路感模拟方法。

背景技术

汽车线控转向技术断开了传统的汽车方向盘与转向器的机械连接，通过电信号控制助力电机的运动进而控制转向器的齿条行程，实现汽车的转向功能。线控转向技术可以提高汽车转向的响应速度，消除路面激励引起的方向盘振动，并为自动驾驶提供了控制基础。

由于线控转向断开了方向盘和转向器的机械连接，路面的真实路感就无法通过方向盘反馈给驾驶员，方向盘负载力矩无法随车速、方向盘转角、方向盘转速进行变化。因此需要在方向盘连接负载电机进行汽车方向盘的实时路感模拟。

然而，现有的用于线控转向的方向盘路感模拟台架，存在以下不足之处：

1、无法准确的实施采集方向盘转角和转速信号，系统误差较大，只适用于粗略的台架模拟，无法实现试车运用级别的信号系统。

2、无法在台架上实施模拟汽车的加速、制动过程，台阶没有加速踏板、制动踏板以及驾驶员座椅等模拟元件，线控转向模拟过程过于抽象，与实际装车及实车运用存在较大的差距。

3、现有的线控转向的路感模拟台阶并没有给出适用于实车安装的路感模拟电机的安装结构和控制方法，也无法达到实车线控转向的台架模拟的验证工作的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于线控转向的方向盘路感模拟装置，可以准确的实施采集方向盘转角信号和转速信号，计算车速，匹配不同的方向盘转矩大小，实现线控转向的方向盘的路感模拟。

本发明要解决的技术问题还在于，提供一种用于线控转向的方向盘的路感模拟方法，实现了线控转向的方向盘路感的模拟，模拟过程及结果真实可靠。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于线控转向的方向盘路感模拟装置，包括方向盘、与所述方向盘相连接的电机、与所述电机同步转动的编码器、用于加速的油门踏板、用于减速的制动踏板以及用于控制所述电机的转矩输出的计算模块：其中，

所述计算模块采集油门踏板的加速信号和制动踏板的减速信号，并根据加速信号和减速信号计算实际车速信号；

所述方向盘驱动电机的电机轴转动，所述电机轴与编码器同步转动，所述编码器实时采集方向盘的转角信号和转速信号，将转角信号和转速信号反馈至计算模块；

所述计算模块根据方向盘的转角信号、转速信号以及实际车速信号计算电机的转矩输出信号，并反馈至伺服放大器；

所述伺服放大器根据转矩输出信号控制电机，电机作用于所述方向盘。

优选地，所述方向盘与所述电机通过连接机构相连接，所述连接机构包括与所述方向盘相连接的电调管柱和与所述电调管柱相连接的联轴器。

优选地，所述电调管柱包括管轴、位于所述管轴内部的芯轴和位于所述管轴上的管柱安装孔；

所述方向盘通过花键套接在所述芯轴上，所述芯轴通过联轴器与所述电机的电机轴固定连接。

优选地，通过同步带组实现所述电机和所述编码器之间的同步转动；

所述电机包括本体和与所述本体相连接的电机轴；

所述同步带组包括固定于所述电机轴上的主动轮、固定于所述编码器上的惰轮、以及同步带。

优选地，通过电机支架实现所述电机和所述编码器的安装，其中：

所述电机支架呈U型结构，其包括支架本体、位于所述支架本体上的电机安装孔、位于所述支架本体上的编码器安装孔以及位于所述支架本体上的连接孔；

所述电机位于所述电机安装孔内部，所述编码器安装于所述编码器安装孔内部，所述连接孔与所述管轴相连接。

优选地，还包括固定机构和座椅，所述固定机构包括底部支撑架、安装于所述底部支撑架上的支架、安装于所述支架上的安装盖、安装于所述底部支撑架上的盖板、安装于所述盖板上的踏板座以及安装于所述底部支撑架上的座椅安装座；

所述管柱安装孔与所述安装盖相连接，所述油门踏板和所述制动踏板安装于所述踏板座上。

优选地，所述底部支撑架包括前纵向杆、后纵向杆以及连接相邻所述前纵向杆或相邻后纵向杆的横向杆；

所述盖板固定于所述前纵向杆上，所述盖板位于固定于所述前纵向杆上，所述安装盖通过所述支架固定于所述盖板上；

所述座椅安装座固定于所述后纵向杆上，能够沿所述后纵向杆滑动，所述座椅固定于所述座椅安装座上。

优选地，所述编码器为增量式编码器。

一种用于线控转向的方向盘的路感模拟方法，包括以下步骤：

计算模块采集油门踏板的加速信号和制动踏板的减速信号，并根据加速信号和减速信号计算实际车速信号；

计算模块接收编码器的采集方向盘的转角信号和转速信号；

所述计算模块根据方向盘的转角信号、转速信号以及实际车速信号计算电机的转矩输出信号，并反馈至伺服放大器，所述伺服放大器根据转矩输出信号控制电机。

优选地，所述计算模块计算转矩输出信号的方法包括:

根据转角信号和实际车速信号计算基础转向力矩信号；

根据转速信号和实际车速信号计算转向阻尼信号；

根据转速信号和实际车速信号计算转向过程中的摩擦信号；

所述基础转向力矩信号、转向阻尼信号以及摩擦信号之和为转矩输出信号T。

优选地，所述计算模块根据转矩输出信号控制电机的步骤包括:

所述计算模块将转矩输出信号T转换为模拟量电压信号u,并发送至伺服放大器，所述伺服放大器将模拟量电压信号u输送至电机，所述电机在模拟量电压信号u的控制下完成所需的转矩输出。

优选地，所述转矩输出信号T和模拟量电压信号u之间满足：

T＝u/u

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的用于线控转向的方向盘路感模拟装置，通过电机、编码器、油门踏板、制动踏板以及计算模块的设置，可以准确的实时采集方向盘转角信号和转速信号，计算车速，匹配不同的方向盘转矩信号，实现了线控转向的方向盘路感的模拟，真实可靠。

2、本发明提供的用于线控转向的方向盘的路感模拟方法，通过加速信号、减速信号、转角信号以及转速信号的采集，并根据采集到的信号计算实际车速，匹配相应的转矩输出信号，实现了线控转向的方向盘路感的模拟，模拟过程及结果真实可靠。

3、本发明提供的用于线控转向的方向盘路感模拟装置，通过同步带组和电机支架的设置，保证所述编码器与所述电机的同步转动，便于所述编码器实时获取方向盘的转角信号和转速信号。

附图说明

图1为本发明用于线控转向的方向盘路感模拟装置的结构示意图；

图2为本发明用于线控转向的方向盘路感模拟装置的原理结构示意图；

图3为本发明用于线控转向的方向盘路感模拟装置的电机及编码器同步转动的结构示意图；

图4为本发明用于线控转向的方向盘路感模拟装置的方向盘转角及转速的传动结构示意图；

图5为本发明用于线控转向的方向盘路感模拟装置的电机支架的结构示意图；

图6为本发明用于线控转向的方向盘路感模拟装置的固定机构的结构示意图；

图7为本发明用于线控转向的方向盘路感模拟装置的安装盖的结构示意图；

图8为本发明用于线控转向的方向盘的路感模拟方法的流程图；

图9为本发明在(100kph，±25°，0.2Hz)模拟工况下，根据分段函数计算的基础转向力矩信号和转角信号关系图；

图10为(100kph，±25°，0.2Hz)模拟工况下，转向阻尼信号的simulink模型图；

图11为转向阻尼信号随转角信号变化关系图；

图12为转向阻尼信号随转速信号变化关系图；

图13为(100kph，±25°，0.2Hz)模拟工况下，摩擦信号的simulink模型图；

图14为摩擦信号随转角信号变化关系图；

图15为摩擦信号随转速信号变化关系图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-2所示，一种用于线控转向的方向盘路感模拟装置，包括方向盘1、与所述方向盘1相连接的电机2、与所述电机2同步转动的编码器3、用于加速的油门踏板4、用于减速的制动踏板5、用于计算电机2的转矩输出的计算模块10以及用于控制电机2的伺服放大器20：其中，

计算模块采集油门踏板4的加速信号和制动踏板5的减速信号，并根据加速信号和减速信号计算实际车速信号；

所述方向盘1驱动电机2的电机轴转动，所述编码器3与电机轴同步转动，并实时采集方向盘1的转角信号和转速信号，将转角信号和转速信号反馈至计算模块10；

所述计算模块10根据方向盘1的转角信号、转速信号以及实际车速信号计算电机2的转矩输出信号，并反馈至伺服放大器20；

所述伺服放大器20根据转矩输出信号控制电机2，电机2作用于所述方向盘1。

具体的，所述方向盘1用于模拟实际车辆的方向盘，其与所述电机2相连接，便于驱动所述电机2的电机轴转动。

如图3所示，所述电机2包括本体21和与所述本体21相连接的电机轴22，所述电机轴22与所述方向盘1相连接，故所述方向盘1转动时，所述电机2的电机轴22一起转动，实时传递方向盘1的转角信号和转速信号，并输出相应的转矩作用于方向盘1，实现方向盘1的路感模拟。

所述油门踏板4用于模拟汽车的加速过程，并产生加速信号；制动踏板5用于模拟汽车的减速过程，并产生减速信号，计算机采集所述油门踏板的加速信号和制动踏板的减速信号，计算实际的车速信号。

所述计算模块10用于采集油门踏板4的加速信号和制动踏板5的减速信号，并根据加速信号和减速信号计算实际车速信号；

与此同时，所述方向盘1驱动电机2的电机轴转动，所述编码器3与电机轴同步转动，并实时采集方向盘1的转角信号和转速信号，将转角信号和转速信号反馈至计算模块10；所述计算模块10根据方向盘1的转角信号、转速信号以及实际车速信号计算电机2的转矩输出信号，并反馈至伺服放大器20。因此，本发明通过电机、编码器、油门踏板、制动踏板以及计算模块的设置，可以准确的实时采集方向盘转角信号和转速信号，计算车速，匹配不同的方向盘转矩信号，实现了线控转向的方向盘路感的模拟，真实可靠。

作为本发明一优选的实施方式，所述计算模块10包括采集端101和PC端102(personal computer私人电脑)，通过所述采集端101采集所述油门踏板4的加速信号和制动踏板5的减速信号，其中该加速信号和减速信号均为电压模拟量信号，所述采集端101将采集到的电压模拟量信号转换为数字信号，并传递给PC端102，PC端102内设有与采集端101配套使用的Dspace的Contral Desk软件将编译完成的simulink模型进行在线实时运行，并根据采集端101传递过来的数字信号计算模拟出汽车实际车速信号。

其中，所述采集端101可以为AUTOBOX等设备，但不限于此。

需要说明的是，由于实际汽车运行过程中，当油门踏板工作时，制动踏板不工作，故实际车速信号由油门踏板控制，即只需根据油门踏板的加速信号即可得到实际车速信号；同理，制动踏板工作时，油门踏板不工作，只需根据制动踏板的减速信号即可得到实际车速信号。

下面以油门踏板模拟实际汽车的加速过程和减速过程为例，做进一步阐述：

(一)油门踏板模拟实际汽车的加速过程，具体如下：

采集端采集了加速信号，包括模拟量电压信号u，信号作用时间△t，以及油门踏板转角

公式(1)：

其中，P为输出功率，C

公式(2)：F＝P/v；

其中，F为汽车牵引力，v为实际车速信号，P为输出功率。

公式(3)：F

其中，F

加速过程有以下两种状态：

状态一：汽车受力平衡状态时：F＜F

公式(4)：F＝F

公式(5)：F

公式(6)：F

公式(7)：F

另外，F

公式(8)：实际车速信号的计算公式为；v＝v

将式(1)、(2)、(5)、(6)、(7)及(8)分别代入式(4)中，即可得到含有单一未知量v的计算公式，从而得到实际车速信号v。

状态二：当牵引力大于车轮最大附着力时，车轮打滑，F＝Fmax。

将式(1)及(3)分别代入式(2)中，即可得到含有单一未知量v的计算公式，从而得到实际车速信号v。

注明：根据所需要模拟的车型进行参数选取，A、B、C级轿车和SUV车型数据存在一定差异，需分别进行输入。

(二)所述制动踏板模拟实际汽车的减速过程，具体如下：

采集端采集了减速信号，包括模拟量电压信号u’，信号作用时间△t’，以及制动踏板转角

公式(1’)：a

公式(2’)：v’＝v

减速过程分为三个阶段：

一阶段：当0

二阶段：当u

将式(1’)和(3’)代入式(2’)，即可得到该阶段的实际车速信号v’。

三阶段：当u’>u

公式(4’)：T’＝K

将式(1’)和(4’)代入式(2’)，即可得到该阶段的实际车速信号v’。

其中，K

需要说明的是，制动力矩T’应满足轮胎附着极限，即

所述伺服放大器20根据转矩输出信号控制电机2，电机2作用于所述方向盘1。

下面对各部件的结构细节进行具体描述：

如图1和4所示，通过连接机构6实现所述方向盘1与所述电机2之间的连接，所述连接机构6包括与所述方向盘1相连接的电调管柱61和与所述电调管柱相连接的联轴器62。

具体的，所述电调管柱61包括管轴611、位于所述管轴611内部的芯轴612和位于所述管轴611上的管柱安装孔613，其中所述管轴611用于实现所述电调管柱61的固定安装，所述芯轴用于实现方向盘1的转角及转速的传动。

所述方向盘1通过花键套接在所述芯轴上，所述芯轴通过联轴器62与所述电机2的电机轴22固定连接，通过花键的设置，实现方向盘1转动的传递；通过联轴器62的设置，用于保证传递电机最大扭矩时不出现滑脱现象。

所述编码器3与所述电机2同步转动，便于实时采集方向盘的转角信号和转速信号，并将采集到的转角信号及转速信号反馈至计算模块，其可以为增量式编码器或其他能够实现该功能的编码器，不限于本实施例。

如图3-5所示，本实施例中，通过同步带组7a实现所述编码器3与所述电机2的同步转动，通过电机支架7b固定所述电机2和编码器3,，其中，所述同步带组7a包括固定于所述电机轴22上的主动轮71a、固定于所述编码器3上的惰轮72a、以及同步带73a，故通过所述同步带组7a的作用，实现了所述编码器3与所述电机2的同步转动，便于所述编码器3实时获取方向盘1的转角信号和转速信号，并将该信号反馈至计算模块，实现方向盘1的路感模拟。

所述电机支架7b呈U型结构，其包括支架本体71b、位于所述支架本体71b上的电机安装孔72b、位于所述支架本体71b上的编码器安装孔73b以及位于所述支架本体71b上的连接孔74b，所述电机2位于所述电机安装孔72b内部，所述编码器3安装于所述编码器安装孔73b内部，所述连接孔74b与所述管轴相连接，通过所述电机支架7b的设置，用于保证所述电机2和编码器3能够随电调管柱61一起转动调节。

为了保证所述电机支架7b有足够的强度支撑电机2和编码器3，所述电机支架7b上还设有支架加强筋75b。

如图1和6所示，为了实现对真实汽车的模拟，保证模拟过程的真实性，本发明用于线控转向的方向盘路感模拟装置还包括固定机构8和座椅9，所述固定机构8用于安装方向盘1、电机2、编码器3、油门踏板4、制动踏板5以及座椅9。

具体的，所述固定机构8包括底部支撑架81、安装于所述底部支撑架81上的支架82、安装于所述支架82上的安装盖83、安装于所述底部支撑架81上的盖板84、安装于所述盖板84上的踏板座85以及安装于所述底部支撑架81上的座椅安装座86，其中所述电调管柱61的管柱安装孔613与所述安装盖83相连接，所述油门踏板4和所述制动踏板5安装于所述踏板座85上。

为了增加所述安装盖83的强度，其上设有安装盖加强筋，保证其有足够的强度制成电调管柱61。

所述底部支撑架81包括前纵向杆811、后纵向杆812以及连接相邻所述前纵向杆811或相邻后纵向杆812的横向杆813，其中，所述盖板84固定于所述前纵向杆811上，所述盖板84位于固定于所述前纵向杆811上，所述安装盖83通过所述支架82固定于所述盖板84上。其中，所述盖板84与所述前纵向杆811可拆卸连接，便于实现固定机构8上前半部分的安装及拆卸，便于安装及运输。

所述座椅安装座86固定于所述后纵向杆812上，其中所述座椅安装座86能够沿所述后纵向杆812滑动，用于实现座椅9位置的调节。

通过前纵向杆811和后纵向杆812的设置，实现了台架前半部分和后半部分的可拆卸安装，便于运输及拆卸。

如图7所示，安装盖83上设有加强筋831、上安装孔832、下安装孔833及垫块834，电调管柱61通过上安装孔832和下安装孔833进行安装，其中由于电调管柱61上安装位置结构存在下凹，所以通过垫块834进行填充，其中垫块834与安装盖83采用焊接方式成为一体结构。

所述座椅9固定于所述座椅安装座86上，其通过座椅安装座86的前后滑动，实现座椅9位置的调节，用以匹配不同实验人员进行操作，达到对真实汽车的模拟。

本发明提供的用于线控转向的方向盘路感模拟装置，通过电机2、编码器3、油门踏板4、制动踏板5以及计算模块的设置，可以准确的实时采集方向盘转角信号和转速信号，计算车速，匹配不同的方向盘转矩信号，实现了线控转向的方向盘路感的模拟，真实可靠。

相应的，如图2和8所示，本发明还提供用于线控转向的方向盘的路感模拟方法，包括以下步骤：

计算模块10采集油门踏板4的加速信号和制动踏板的减速信号，并根据加速信号和减速信号计算实际车速信号；

所述计算模块包括采集端101和PC端102(personal computer私人电脑)，通过所述采集端101采集所述油门踏板4的加速信号和制动踏板5的减速信号，并记录各信号的作用时间，其中该加速信号和减速信号均为电压模拟量信号，所述采集端101将采集到的电压模拟量信号转换为数字信号，并传递给PC端102，PC端102内设有与采集端配套使用的Dspace的Contral Desk软件将编译完成的simulink模型进行在线实时运行，并根据采集端传递过来的数字信号计算模拟出汽车实际车速信号。

需要说明的是，由于实际汽车运行过程中，当油门踏板工作时，制动踏板不工作，故实际车速信号由油门踏板控制，即只需根据油门踏板的加速信号即可得到实际车速信号；同理，制动踏板工作时，油门踏板不工作，只需根据制动踏板的减速信号即可得到实际车速信号。

下面以油门踏板模拟实际汽车的加速过程和减速过程为例，做进一步阐述：

(一)油门踏板模拟实际汽车的加速过程，具体如下：

采集端采集了加速信号，包括模拟量电压信号u，信号作用时间△t，以及油门踏板转角

公式(1)：

其中，P为输出功率，C

公式(2)：F＝P/v；

其中，F为汽车牵引力，v为实际车速信号，P为输出功率。

公式(3)：F

其中，F

加速过程有以下两种状态：

状态一：汽车受力平衡状态时：F＜F

公式(4)：F＝F

公式(5)：F

公式(6)：F

公式(7)：F

另外，F

公式(8)：实际车速信号的计算公式为；v＝v

将式(1)、(2)、(5)、(6)、(7)及(8)分别代入式(4)中，即可得到含有单一未知量v的计算公式，从而得到实际车速信号v。

状态二：当牵引力大于车轮最大附着力时，车轮打滑，F＝Fmax。

将式(1)及(3)分别代入式(2)中，即可得到含有单一未知量v的计算公式，从而得到实际车速信号v。

注明：根据所需要模拟的车型进行参数选取，A、B、C级轿车和SUV车型数据存在一定差异，需分别进行输入。

(二)所述制动踏板模拟实际汽车的减速过程，具体如下：

采集端采集了减速信号，包括模拟量电压信号u’，信号作用时间△t’，以及制动踏板转角

公式(1’)：a

公式(2’)：v’＝v

减速过程分为三个阶段：

一阶段：当0

二阶段：当u

将式(1’)和(3’)代入式(2’)，即可得到该阶段的实际车速信号v’。

三阶段：当u’>u

公式(4’)：T’＝K

将式(1’)和(4’)代入式(2’)，即可得到该阶段的实际车速信号v’。

其中，K

需要说明的是，制动力矩T’应满足轮胎附着极限，即

所述方向盘1驱动电机2的电机轴转动，所述编码器3与电机轴同步转动，并实时采集方向盘1的转角信号和转速信号，将转角信号和转速信号反馈至计算模块10；

所述计算模块10根据方向盘1的转角信号、转速信号以及实际车速信号计算电机2的转矩输出信号，并反馈至伺服放大器20。

具体的，根据转角信号和实际车速信号计算基础转向力矩信号；

根据转速信号和实际车速信号计算转向阻尼信号；

根据转速信号和实际车速信号计算转向过程中的摩擦信号；

所述基础转向力矩信号、转向阻尼信号以及摩擦信号之和为转矩输出信号T。

其中，转矩输出信号T和模拟量电压信号u满足以下关系式：

T＝u/u

下面以100km/h的模拟车速，±25°转角信号和0.2Hz转速信号，模拟具体计算过程：

1)基础转向力矩信号:

方向盘路感模拟的力矩主要由基础转向力矩信号提供。

如图9所示，在(100kph，±25°，0.2Hz)模拟工况下，根据分段函数计算计算的基础转向力矩信号和转角信号的关系。

2)转向阻尼信号：

如图10为(100kph，±25°，0.2Hz)模拟工况下，转向阻尼信号的simulink模型图。其中转向阻尼信号和转角信号、转速信号有关，如图11-12所示，转向阻尼信号随转角信号的增大而减小，但随转速信号增大而增大。此外转向阻尼信号需要根据力矩目标查表得到阻尼增益，乘以原始阻尼，得到最终输出。

3)摩擦信号：

如图13为(100kph，±25°，0.2Hz)模拟工况下，摩擦信号的simulink模型图。根据转速信号输入，计算LuGre摩擦力，作为摩擦信号模拟量。还需要根据力矩目标查表得到摩擦模拟增益，乘以摩擦模拟量，得到最终输出。

图14为摩擦信号随转角信号变化关系图；图15为摩擦信号随转速信号变化关系图。

最后，转矩输出信号T为所述基础转向力矩信号、转向阻尼信号以及摩擦信号之和。

根据式T＝u/u

所述电机在模拟量电压信号u的控制下完成所需的转矩输出，从而实现方向盘路感的模拟。

通过计算该力矩目标对应的模拟电压量大小发给电机，从而控制电机的输出扭矩大小。

所述伺服放大器20根据转矩输出信号控制电机2，电机2作用于所述方向盘1。

本发明提供的用于线控转向的方向盘路感模拟装置的模拟方法，通过加速信号、减速信号、转角信号以及转速信号的采集，并根据采集到的信号计算实际车速信号，匹配相应的转矩输出信号，实现了线控转向的方向盘路感的模拟，模拟过程及结果真实可靠。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。