[发明专利]方向盘回正及驱动装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于汽车驾驶仿真技术领域，具体涉及一种方向盘仿真平台中的方向盘回正及驱动装置和方法。

背景技术

在汽车驾驶训练时，受到场地、天气等因素的限制，影响了人们实地驾驶汽车对驾驶技能的学习，汽车模拟驾驶室避免了上述影响，使得学习汽车驾驶技能的过程能够在室内进行。

就汽车模拟器的方向控制而言，方向盘模拟器应实现人工驾驶模式和自动驾驶模式，在人工驾驶模式下方向盘模拟器实现方向盘回正，在自动驾驶模式下方向盘模拟器实现方向盘驱动，以及自动驾驶模式到人工驾驶模式切换。

目前，方向盘模拟器一般由控制器、驱动类电机、摩擦副、转角传感器等构成，控制驱动类电机和摩擦副实现方向盘回正，但驱动类电机在模拟方向盘回正过程中存在以下缺点：

1)由于驱动类电机旋转速度与力矩相关，需要借助摩擦副实现方向盘各种旋转速度和适应各种力矩工况，结构复杂；

2)现有方向盘模拟器的旋转角度必须采用闭环方式控制，而方向盘回正过程中存在较大动态误差，控制精度低；

3)由于驱动类电机转速较高，需要增加减速机构，进一步增加了结构的复杂性，而且由于转速高，不能模拟方向盘的力矩保持在一个值而静止自锁；

4、现有方向盘模拟器在正转和反转过程中，容易损坏元件，使用寿命短，使用成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺陷，提供一种旋转力矩和旋转角度采用数字化开环控制，控制精度高，可靠性高，结构简单，成本低廉的方向盘回正及驱动装置和方法，其装置包括方向盘、与方向盘固定连接的轴以及单片机，所述方向盘底部的轴上安装有力矩传感器，所述轴的端部连接有步进电机和编码器，所述力矩传感器和编码器均与单片机连接，所述步进电机通过驱动芯片与单片机连接，所述单片机连接通信芯片，所述通信芯片通过通信接口与上位机连接。

其方法包括以下步骤：编码器测量方向盘转角，当上位机发出回正或驱动或复位的指令时，单片机接收并解析指令，同时向上位机返回方向盘转角，单片机根据车速和方向盘转角控制步进电机的旋转方向、旋转力矩、旋转速度和旋转角度，步进电机驱动方向盘实现回正或驱动或复位的动作。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1)、方向盘具备回正、驱动及切换，可模拟人工驾驶和自动驾驶中各种状态，实现汽车模拟器的高度仿真；

2)、采用驱动步进电机的旋转方向、旋转速度、旋转力矩和旋转角度，分别控制方向盘的转动方向、转动角度、转动速度，方向盘的控制变量互不相关，独立控制，控制精度高；

3)、方向盘控制采用全数字化：单片机与上位机的通信，方向盘转角的测量，单片机对步进电机方向、力矩、速度、旋转角度的控制均为数字化控制，控制精度高、稳定性好；

4)、方向盘模拟器在正转和反转过程中，单片机容易控制步进电机停在任一个角度，能够保持较大静力矩，具有自锁功能；

5)、本发明结构简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明方向盘回正及驱动结构示意图；

图2是本发明方向盘回正及驱动电路原理图；

图3是本发明方向盘回正及驱动方法流程图；

图中：1、通信接口；2、通讯芯片；3、单片机；4、滤波电容；5、滤波电阻；6、驱动芯片；7、步进电机；8、力矩传感器；9、编码器；10、限流电阻；11、方向盘；12、轴；13、上位机；14、电容。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示的方向盘回正及驱动装置，包括方向盘11、与方向盘11固定连接的轴12以及单片机3，方向盘11底部的轴12上安装有力矩传感器8，轴12的端部连接有步进电机7和编码器9，力矩传感器8和编码器9均与单片机3连接，步进电机7通过驱动芯片6与单片机3连接，单片机3连接通信芯片2，通信芯片2通过通信接口1与上位机13连接。

参阅图2所示的电路原理图，通信芯片2通过通信接口1与方向盘模拟器的上位机13连接，通讯芯片2与单片机3连接。

本实施例中，电子元器件型号如下：

通信接口1为9针串口型的RS232接口，通讯芯片2为MAX232，单片机3为C8051F221单片机，滤波电容4大小为0.1μF，滤波电阻5大小为10KΩ，驱动芯片6的型号为TA8435H，步进电机7使用型号为86BYG250-80的步进电机，力矩传感器8的型号为RK064，编码器9的型号为ZSP4006，限流电阻10大小为1Ω。