用于虚拟驾驶的机电系统及其控制方法与流程

本发明涉及机电技术领域，特别是涉及一种用于虚拟驾驶的机电系统及其控制方法。

背景技术：

虚拟驾驶的系统可以应用在驾驶教学或者游戏等方面。现有技术中的虚拟驾驶系统中主要有方向盘、油门踏板、刹车踏板、座椅、多自由度平台、控制系统、以及执行系统。图1是根据现有技术中的一种虚拟驾驶系统的主要组成部分的示意图。如图1所示，座椅11安装在多自由度平台12上；方向盘13、油门踏板14以及刹车踏板15与控制系统16连接；控制系统16与执行系统17连接，用于根据方向盘13、油门踏板14以及刹车踏板15发来的信号对执行系统17进行控制；执行系统17与多自由度平台12连接，用于在控制系统16的控制下改变多自由度平台12的姿态。

控制系统16包括计算处理装置和多个模/数转换装置。这些模/数转换装置分别与上述方向盘13、油门踏板14、以及刹车踏板15连接，并且与计算处理装置连接。模/数转换装置对方向盘13、油门踏板14、以及刹车踏板15发来的模拟量进行例如每秒50次的采样，然后转换为数字量再发送给计算处理装置。计算处理装置用于根据这些模/数转换装置发来的数字量，向执行系统发送控制信号，可采用通常的个人计算机和控制器来组成计算处理装置。

穿戴式显示设备在近年来得到了越来越多的应用，VR(虚拟现实)头盔或VR眼镜是其中常见的品种。穿戴式显示设备具有显示元件即屏幕，并且还具有陀螺仪等装置，能够检测穿戴者的一些运动。目前的穿戴式显示设备通常应用于提供虚拟现实中的视觉场景。如何扩展穿戴式显示设备的应用范围，成为目前研究和应用关心的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的是要提供一种用于虚拟驾驶的机电系统及其控制方法，能够实现用户应用穿戴式显示设备时进行虚拟驾驶，有助于提高用户体验。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于虚拟驾驶的机电系统。

本发明的用于虚拟驾驶的机电系统，所述机电系统包括方向盘、油门踏板、刹车踏板、座椅、多自由度平台、控制系统、以及执行系统，其中：所述座椅安装在所述多自由度平台上；所述方向盘、油门踏板以及刹车踏板与所述控制系统连接；所述控制系统与所述执行系统连接，用于根据所述方向盘、油门踏板以及刹车踏板发来的信号对所述执行系统进行控制；所述执行系统与所述多自由度平台连接，用于在所述控制系统的控制下改变所述多自由度平台的姿态；所述机电系统还包括带有陀螺仪的穿戴式显示设备以及水平转盘，其中：所述穿戴式显示设备与所述控制系统连接，用于将该穿戴式显示设备的水平偏转角度的信息发送给所述控制系统；所述水平转盘连接在所述多自由度平台下方，并且与所述控制系统连接；所述控制系统还用于根据所述穿戴式显示设备的水平偏转角度的信息以及所述方向盘输出的信息对所述穿戴式显示设备显示的场景的视角进行控制。

可选地，所述水平转盘包括伺服电机、蜗杆、以及齿盘，其中：所述伺服电机与所述控制系统连接，并与所述蜗杆连接；所述蜗杆与所述齿盘啮合；所述齿盘与所述多自由度平台连接。

可选地，所述多自由度平台为2自由度，分别是横滚和俯仰。

可选地，所述控制系统包括计算处理装置和多个模/数转换装置；所述多个模/数转换装置分别与所述方向盘、油门踏板、以及刹车踏板连接，并且与所述计算处理装置连接；所述计算处理装置用于根据所述多个模/数转换装置输出的信号，向所述执行系统或水平转盘发送控制信号。

可选地，所述执行系统包括互相连接的伺服电机和电缸；所述伺服电机与所述计算处理装置连接；所述电缸和所述多自由度动运平台连接。

可选地，所述执行系统包括互相连接的伺服电磁阀和液压缸；所述伺服电磁阀与所述计算处理装置连接；所述液压缸和所述多自由度动运平台连接。

可选地，所述执行系统包括互相连接的伺服电机和摆臂连杆机构，所述摆臂连杆机构用于将旋转输入转换为直线输出；所述伺服电机与所述计算处理装置连接；所述摆臂连杆机构和所述多自由度动运平台连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于虚拟驾驶的机电系统的控制方法。

本发明的用于虚拟驾驶的机电系统的控制方法，所述机电系统为本发明中的机电系统，该控制方法包括：所述控制系统同时接收所述方向盘发来的行进方向偏转角度的信息和所述穿戴式显示设备发来的视线方向偏转角度的信息；所述控制系统将所述行进方向偏转角度和所述视线方向偏转角度分别乘以各自的预设权重之后相加，得到合成角度；所述控制系统控制所述穿戴式显示设备显示的场景的视角转过所述合成角度。

可选地，所述行进方向偏转角度的预设权重范围是[0,1]；所述视线方向偏转角度的预设权重范围是[0,1]。

可选地，过滤所述方向盘产生的大于5Hz的行进方向偏转角度振动，以及过滤所述穿戴式显示设备产生的大于5Hz的视线方向偏转角度振动。

根据本发明的技术方案，实现了用户应用穿戴式显示设备时进行虚拟驾驶，并且在转弯时并不锁定而是继续接收穿戴式显示设备的输入，使驾驶员在操作方向盘时能够通过转动头部来获得更广的视野，并且更加符合实际驾驶状态。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据现有技术中的一种虚拟驾驶系统的主要组成部分的示意图；

图2是根据本发明实施方式的用于虚拟驾驶的机电系统的基本组成部分的示意图；

图3是根据本发明实施方式的采用摆臂连杆机构实现的执行系统的示意图。

具体实施方式

图2是根据本发明实施方式的用于虚拟驾驶的机电系统的基本组成部分的示意图。如图2所示，用于虚拟驾驶的机电系统20在图1所示的虚拟驾驶系统的基础上，增加了穿戴式显示设备21和水平转盘22。

水平转盘22连接在多自由度平台12的下方，并且与控制系统16连接。因其盘面与水平面平行，旋转时的转轴与水平面垂直(即旋转时盘面仍保持在水平面内)，因此叫做水平转盘。

本实施方式的多自由度平台选用2自由度，分别是横滚和俯仰，未采用更多的自由度，以降低系统复杂度。横滚时的转轴前后方向延伸，俯仰时的转轴则是左右方向延伸。该2自由度再结合水平转盘的旋转，足够模拟虚拟驾驶时的各种姿态。

穿戴式显示设备21可以是VR头盔或VR眼镜，以无线的方式例如红外、蓝牙等近距离通信方式与控制系统16连接，从而将该穿戴式显示设备21的水平偏转角度的信息发送给控制系统16。这里的水平偏转角度，一般是使用者头部左右转动时产生。该偏转角度可以是用户的视线方向与座椅初始位置的正前方的夹角。这里的视线是用户两眼向面部朝向的正前方的视线。

控制系统16在收到上述的水平偏转角度的信息后，根据该信息并结合方向盘的输出，控制穿戴式显示设备21所呈现的视野。具体控制方式将在下文中加以说明。

本实施方式中，为了提高转盘的安全性并且降低成本，采用了齿盘-蜗杆的结构。具体而言，水平转盘包括伺服电机、蜗杆、以及齿盘。齿盘水平方向布置，其边缘具有齿；蜗杆竖直方向布置，其螺旋齿与齿盘的齿相配合，使蜗杆在绕其轴心旋转时带动齿盘旋转；另有伺服电机与蜗杆同轴连接。这种方式与电机通过减速装置连接到转盘轴心这一通常控制转盘的方式相比，需要的减速装置的齿轮更少或不需减速装置，降低了成本；而且在外力不合理地施加到齿盘，试图使其转动时，由于齿盘无法带动蜗杆，从而形成自锁以避免齿盘的转动，提高了转盘的安全性。

执行系统的一种可选结构是互相连接的伺服电机和电缸，伺服电机与计算处理装置连接，根据计算处理装置输出的控制信号启示或停止。执行系统也可以采用伺服电磁阀和液压缸等元件组成，由计算处理装置控制伺服电磁阀，从而控制液压缸的行程。

执行系统的另一种可选结构是采用摆臂连杆机构，如图3所示，图3是根据本发明实施方式的采用摆臂连杆机构实现的执行系统的示意图。

在实际驾驶时，方向盘的转动会改变驾驶员的视野；驾驶员头部左右转动也会改变其视野。因此在实现虚拟驾驶时，需要综合考虑上述两种影响视野的因素。本发明实施方式中，控制系统同时接收方向盘发来的行进方向偏转角度的信息和穿戴式显示设备发来的视线方向偏转角度的信息。具体仍由模/数转换装置进行采样和模数转换。这里的偏转角度是行进方向或视线方向与正前方之间的夹角，并且赋予正负值，例如从正前方起顺时针转过的角度为正值，逆时针转过的角度为负值。然后控制系统计算上述两个偏转角度的加权和，即根据公式X＝W1×A+W2×B计算，其中X表示合成角度，W1表示设定的行进方向偏转角度的权重，W2表示设定的视线方向偏转角度的权重，A和B分别表示方向盘发来的行进方向偏转角度以及穿戴式显示设备发来的视线方向偏转角度。最后控制系统控制穿戴式显示设备显示的场景的视角转过该合成角度。

根据上述的控制方式，在转弯时并不锁定而是继续接收穿戴式显示设备的输入，使驾驶员在操作方向盘时能够通过转动头部来获得更广的视野，并且更加符合实际驾驶状态。

上述的W1和W2之和应保持为1，W1的范围可取为[0,1]，W2的范围可取为[0,1]。为了避免穿戴式显示设备的视野的变动过快，在本发明实施方式中，可以对方向盘和穿戴式显示设备的高频振动进行过滤。对于方向盘来说，可以对于大于5Hz的行进方向偏转角度的振动不作响应。对于穿戴式显示设备来说，可以对于大于5Hz的视线方向的偏转角度的振动不作响应。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。