一种应用于驾驶模拟器的踏板感觉模拟及行程计算装置的制作方法

本发明涉及一种踏板感觉模拟及行程计算装置，特别涉及一种应用于驾驶模拟器的踏板感觉模拟及行程计算装置。

背景技术：

当前，随着汽车制造水平的提高，对于应用于驾驶模拟器的踏板感觉模拟器的模拟贴切程度以及踏板行程测量准确程度的要求也日趋提高。踏板感觉的贴切模拟可以有效的保证驾驶人模拟驾驶时体验的真实性，而驾驶数据比如踏板行程的准确采集则保障了数据的有效性，以方便对驾驶数据的进一步处理。

现有的踏板感觉模拟装置以及踏板行程测量装置分别在感觉模拟方面以及测量精度、测量成本方面均有不足之处。

中国专利公开号cn203766732u，公开日为2014.08.13名称为一种被动式踏板感觉模拟装置中采用第一弹簧、第二弹簧来实现踏板感觉的部分模拟，然而仅仅采用两个弹簧时可以模拟的区域比较有限，与真实的踏板感觉相比较为失真。

中国专利公开号cn101545759，公开日为2009.09.30发明名称为一种车辆制动踏板行程的测量装置及其测量方法中采用图像采集装置采集制动踏板的运动图像,通过图像识别得到的不同时刻的制动踏板位置,进而通过计算机计算得到制动踏板的行程等数据。可见，该装置及其复杂，系统各组成成本较高，不便于发明的应用推广。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的相关技术普遍存在的踏板感觉模拟失真、装置结构过于复杂、踏板行程测量不准确等问题而提供的一种应用于驾驶模拟器的踏板感觉模拟及行程计算装置。

本发明提供的应用于驾驶模拟器的踏板感觉模拟及行程计算装置包括有踏板、传动推杆、感觉模拟器和数据采集及控制模块，其中感觉模拟器的内腔中装配有活塞和压套，传动推杆的一端通过轴销枢接在踏板上，传动推杆的另一端与感觉模拟器内的活塞相连接，踏板通过传动推杆带动活塞在感觉模拟器的内腔中滑动，感觉模拟器内腔中的压套上装配有应变片，数据采集及控制模块通过导线与应变片相连接，应变片上产生的应变数据能够被数据采集及控制模块进行采集和接收。

踏板上开设有数排防滑孔。

感觉模拟器的内腔中装配活塞和压套的区间依次设置有第一滑动片、第二滑动片、第三滑动片和压片，其中第一滑动片装配在活塞的后部，活塞与第一滑动片之间的感觉模拟器的内腔中填充有液压油，活塞通过液压油对第一滑动片进行传动压缩，第一滑动片左端的感觉模拟器的内腔壁上设置有第一限位块，压片与压套的左端相连接，第一滑动片和第二滑动片之间固连有第一线性弹簧，第二滑动片和压片之间固连有第二线性弹簧，第三滑动片和压片之间的感觉模拟器的内腔壁上依次设有第二限位块和第三限位块，第二线性弹簧上还套设有第三线性弹簧，第三线性弹簧的左端固连在第三滑动片的后部，第三线性弹簧的后端固连在第三限位块上，活塞在感觉模拟器的内腔中滑动过程中能够驱使第一滑动片、第二滑动片、第三滑动片和压片的滑动，从而带动压套进行应变变形。

压套上装配的应变片设有四片，其中第一应变片延轴向方向布置在压套内表面的上侧，第二应变片延轴向方向布置在压套内表面的下侧，第三应变片垂直于轴向方向布置在压套内表面与第一应变片相隔90度的位置，第四应变片垂直于轴向方向布置在压套内表面与第二应变片相隔90度的位置，即第一应变片与第二应变片构成对臂，第三应变片与第四应变片构成对臂。

数据采集及控制模块中包括有电源、电桥电路、踏板行程模拟控制器、总控开关和保护电阻，其中电源直接为电桥电路供电，电桥电路输出的电压作用在踏板行程模拟控制器上，总控开关设在电源与电桥电路的连接线路上，保护电阻设在电桥电路与踏板行程模拟控制器的连接线路上。

第一应变片连接在电桥电路的a点与b点之间，第二应变片连接在电桥电路的c点与d点之间，第三应变片连接在电桥电路的a点与d点之间，第四应变片连接在电桥电路的b点与c点之间，当压套受到压力进而产生微小的压缩形变时，延轴向方向布置的第一应变片与第二应变片也随之产生微小的压缩形变，垂直于轴向方向布置的第三应变片与第四应变片产生微小的拉伸形变，利用电桥电路邻臂相减，对臂相加的特性，建立压套受压形变与电桥电路输出电压之间的联系，放大电桥电路的输出。

数据采集及控制模块中的电源、电桥电路、踏板行程模拟控制器、总控开关和保护电阻均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明的工作原理：

当驾驶人踩动踏板时，踏板的运动通过轴销带动传动推杆做运动，传动推杆右侧的活塞在感觉模拟器的腔体内做线性位移，它的运动又进一步压缩填充在感觉模拟器腔体内部的液压油，液压油流动并推动第一滑动片运动，进而压缩第一线性弹簧、第二线性弹簧和第三线性弹簧产生形变，产生模拟的踏板感觉。

与此同时，第一线性弹簧、第二线性弹簧和第三线性弹簧的压缩形变产生的压力作用在压片上，压片又将压力传递给压套。对应不同大小的踏板行程，压套会产生不同程度的形变，粘贴在压套内表面的应变片也会随之产生不同程度的形变，通过踏板行程与应变片形变之间的对应关系的确定，即可获得踏板行程的大小。

本发明可以在制动踏板的压缩过程中模拟产生三个阶段的不同刚度的踏板力，与传统的应用真空助力器的制动系统的踏板特性三个阶段，即消除制动系统各个组件之间的初始间隙并且开始建立压力的阶段(第一阶段)、真空助力器助力作用阶段(第二阶段)、助力结束后推杆直接作用于制动主缸的阶段(第三阶段)相对应，具体实现过程如下：

第一阶段：制动踏板行程较小时，传动推杆的线位移也比较小，此时第一滑动片仅向右做较小的位移。这段小位移使得第一线性弹簧、第二线性弹簧都有一定程度的压缩，由于第一线性弹簧、第二线性弹簧串联布置，第一阶段表现的总的弹簧刚度为(k01：第一阶段模拟器内部提供的弹簧刚度；k1：第一线性弹簧的刚度；k2：第二线性弹簧的刚度。)

第二阶段：制动踏板行程进一步变大时，传动推杆的线位移相应增加，此时第二滑动片向右位移的幅度也得以增加。这段位移使得第一线性弹簧、第二线性弹簧都有较大的压缩，使得第二滑动片的右侧与第三滑动片的左侧相接触，第二滑动片带动第三滑动片一起向右运动，此时第三滑动片作用使第三线性弹簧开始压缩，此时，第二线性弹簧与第三线性弹簧并联作用。感觉模拟器表现的总的弹簧刚度为(k02：第二阶段踏板模拟器内部提供的弹簧刚度；k1：第一线性弹簧的刚度；k2：第二线性弹簧的刚度；k3：第三线性弹簧的刚度)

第三阶段：制动踏板行程进一步增加，传动推杆的线位移相应增加，此时第二滑动片、第三滑动片向右位移的幅度也得以增加。这段位移使得第三滑动片的右侧运动到与第二限位块的左侧接触，使得第二滑动片、第三滑动片不再向右运动，此后只有第一线性弹簧继续被压缩形变，感觉模拟器表现的总的弹簧刚度为k03＝k1。(k03：第三阶段踏板模拟器内部提供的弹簧刚度；k1：第一线性弹簧的刚度。)

本发明提供的踏板行程测量方法如下所述：

步骤一：预先进行标定实验，基于bp神经网络确定电桥电路输出电压与踏板行程之间映射关系；

步骤二：将输出电压与踏板行程之间的映射关系预先设置在踏板行程模拟控制器中；

步骤三：驾驶人踩动踏板时，通过预先在踏板行程模拟控制器中设置的映射关系计算出踏板行程。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种应用于驾驶模拟器的踏板感觉模拟及行程计算装置，各组成部分之间连接可靠，检测维修十分方便；踏板面布置有防滑孔，能够有效避免由于打滑造成的误操作；在仅使用机械结构的情况下，有效的提供了制动踏板踩下过程中三个阶段的不同的踏板感觉模拟效果。在不使用位移传感器的情况下实现了踏板行程的准确测量，有效的降低了测量系统的成本。为科研、教学提供了新型的工具手段，在实现制动踏板感觉贴切模拟的同时也降低了实现的成本。

附图说明

图1为本发明所述装置整体结构示意图。

图2为本发明所述的感觉模拟器的内部结构图。

图3为本发明所述的延压套内表面周向展开的应变片布置示意图。

图4为本发明所述数据采集及控制模块结构示意图。

图5为本发明所述电桥电路布置示意图。

1、踏板2、传动推杆3、感觉模拟器4、数据采集及控制模块5、活塞6、压套7、防滑孔8、第一滑动片9、第二滑动片10、第三滑动片11、压片12、第一限位块13、第一线性弹簧14、第二线性弹簧15、第二限位块16、第三限位块17、第三线性弹簧20、第一应变片21、第二应变片22、第三应变片23、第四应变片24、电源25、电桥电路26、踏板行程模拟控制器27、总控开关28、保护电阻。

具体实施方式

请参阅图1至图5所示：

本发明提供的应用于驾驶模拟器的踏板感觉模拟及行程计算装置包括有踏板1、传动推杆2、感觉模拟器3和数据采集及控制模块4，其中感觉模拟器3的内腔中装配有活塞5和压套6，传动推杆2的一端通过轴销枢接在踏板1上，传动推杆2的另一端与感觉模拟器3内的活塞5相连接，踏板1通过传动推杆2带动活塞5在感觉模拟器3的内腔中滑动，感觉模拟器3内腔中的压套6上装配有应变片，数据采集及控制模块4通过导线与应变片相连接，应变片上产生的应变数据能够被数据采集及控制模块4进行采集和接收。

踏板1上开设有数排防滑孔7。

感觉模拟器3的内腔中装配活塞5和压套6的区间依次设置有第一滑动片8、第二滑动片9、第三滑动片10和压片11，其中第一滑动片8装配在活塞5的后部，活塞5与第一滑动片8之间的感觉模拟器3的内腔中填充有液压油，活塞5通过液压油对第一滑动片8进行传动压缩，第一滑动片8左端的感觉模拟器3的内腔壁上设置有第一限位块12，压片11与压套6的左端相连接，第一滑动片8和第二滑动片9之间固连有第一线性弹簧13，第二滑动片9和压片11之间固连有第二线性弹簧14，第三滑动片10和压片11之间的感觉模拟器3的内腔壁上依次设有第二限位块15和第三限位块16，第二线性弹簧14上还套设有第三线性弹簧17，第三线性弹簧17的左端固连在第三滑动片10的后部，第三线性弹簧17的后端固连在第三限位块16上，活塞5在感觉模拟器3的内腔中滑动过程中能够驱使第一滑动片8、第二滑动片9、第三滑动片10和压片11的滑动，从而带动压套6进行应变变形。

压套6上装配的应变片设有四片，其中第一应变片20延轴向方向布置在压套6内表面的上侧，第二应变片21延轴向方向布置在压套6内表面的下侧，第三应变片22垂直于轴向方向布置在压套6内表面与第一应变片20相隔90度的位置，第四应变片23垂直于轴向方向布置在压套6内表面与第二应变片21相隔90度的位置，即第一应变片20与第二应变片21构成对臂，第三应变片22与第四应变片23构成对臂。

数据采集及控制模块4中包括有电源24、电桥电路25、踏板行程模拟控制器26、总控开关27和保护电阻28，其中电源24直接为电桥电路25供电，电桥电路25输出的电压作用在踏板行程模拟控制器26上，总控开关27设在电源24与电桥电路25的连接线路上，保护电阻28设在电桥电路25与踏板行程模拟控制器26的连接线路上。

第一应变片20连接在电桥电路25的a点与b点之间，第二应变片21连接在电桥电路25的c点与d点之间，第三应变片22连接在电桥电路25的a点与d点之间，第四应变片23连接在电桥电路25的b点与c点之间，当压套6受到压力进而产生微小的压缩形变时，延轴向方向布置的第一应变片20与第二应变片21也随之产生微小的压缩形变，垂直于轴向方向布置的第三应变片22与第四应变片23产生微小的拉伸形变，利用电桥电路25邻臂相减，对臂相加的特性，建立压套6受压形变与电桥电路25输出电压之间的联系，放大电桥电路25的输出。

数据采集及控制模块4中的电源24、电桥电路25、踏板行程模拟控制器26、总控开关27和保护电阻28均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明的工作原理：

当驾驶人踩动踏板时，踏板1的运动通过轴销带动传动推杆2做运动，传动推杆2右侧的活塞5在感觉模拟器3的腔体内做线性位移，它的运动又进一步压缩填充在感觉模拟器3腔体内部的液压油，液压油流动并推动第一滑动片8运动，进而压缩第一线性弹簧13、第二线性弹簧14和第三线性弹簧17产生形变，产生模拟的踏板1感觉。

与此同时，第一线性弹簧13、第二线性弹簧14和第三线性弹簧17的压缩形变产生的压力作用在压片11上，压片11又将压力传递给压套6。对应不同大小的踏板1行程，压套6会产生不同程度的形变，粘贴在压套6内表面的应变片也会随之产生不同程度的形变，通过踏板1行程与应变片形变之间的对应关系的确定，即可获得踏板1行程的大小。

本发明可以在制动踏板1的压缩过程中模拟产生三个阶段的不同刚度的踏板力，与传统的应用真空助力器的制动系统的踏板特性三个阶段，即消除制动系统各个组件之间的初始间隙并且开始建立压力的阶段(第一阶段)、真空助力器助力作用阶段(第二阶段)、助力结束后推杆直接作用于制动主缸的阶段(第三阶段)相对应，具体实现过程如下：

第一阶段：制动踏板1行程较小时，传动推杆2的线位移也比较小，此时第一滑动片8仅向右做较小的位移。这段小位移使得第一线性弹簧13、第二线性弹簧14都有一定程度的压缩，由于第一线性弹簧13、第二线性弹簧14串联布置，第一阶段表现的总的弹簧刚度为(k01：第一阶段模拟器内部提供的弹簧刚度；k1：第一线性弹簧13的刚度；k2：第二线性弹簧14的刚度。)

第二阶段：制动踏板1行程进一步变大时，传动推杆2的线位移相应增加，此时第二滑动片9向右位移的幅度也得以增加。这段位移使得第一线性弹簧13、第二线性弹簧14都有较大的压缩，使得第二滑动片9的右侧与第三滑动片10的左侧相接触，第二滑动片9带动第三滑动片10一起向右运动，此时第三滑动片10作用使第三线性弹簧17开始压缩，此时，第二线性弹簧14与第三线性弹簧17并联作用。感觉模拟器3表现的总的弹簧刚度为(k02：第二阶段踏板模拟器内部提供的弹簧刚度；k1：第一线性弹簧13的刚度；k2：第二线性弹簧14的刚度；k3：第三线性弹簧17的刚度)

第三阶段：制动踏板1行程进一步增加，传动推杆2的线位移相应增加，此时第二滑动片9、第三滑动片10向右位移的幅度也得以增加。这段位移使得第三滑动片10的右侧运动到与第二限位块15的左侧接触，使得第二滑动片9、第三滑动片10不再向右运动，此后只有第一线性弹簧13继续被压缩形变，感觉模拟器3表现的总的弹簧刚度为k03＝k1。(k03：第三阶段踏板模拟器内部提供的弹簧刚度；k1：第一线性弹簧13的刚度。)

本发明提供的踏板行程测量方法如下所述：

步骤一：预先进行标定实验，基于bp神经网络确定电桥电路25输出电压与踏板1行程之间映射关系；

步骤二：将输出电压与踏板1行程之间的映射关系预先设置在踏板行程模拟控制器26中；

步骤三：驾驶人踩动踏板1时，通过预先在踏板行程模拟控制器26中设置的映射关系计算出踏板1行程。

本发明测量方法的标定试验中，电桥电路25输出电压y由电压表测量得到。

映射关系获取方法如下所述：

将试验测得的200组输入(电桥电路25输出电压)输出(踏板1行程值)数据储存在data.mat文件中，input是函数输入数据，output是函数输出数据。从输入输出数据中随机选取190组数据作为网络训练数据，10组作为网络测试数据，并对训练数据进行归一化处理。

在matlab下的基于bp神经网络拟合预测的对应某一电桥电路25输出电压下踏板1行程的输出具体实现语言如下所述：

clc

clear

loaddatainputoutput

k＝rand(1,200)；

[m,n]＝sort(k)；

input_train＝input(n(1:190),:)’；

output_train＝output(n(1:190),:)’；

input_test＝input(n(191:200),:)’；

output_test＝output(n(191:200),:)’；

[inputn,inputs]＝mapminmax(input_train)；

[outputn,outputs]＝mapminmax(output_train)；

net＝newff(intputn,output,5)；

net.trainparam.epochs＝100；

net.trainparam.1r＝0.1；

net.trainparam.goal＝0.00004；

net＝train(net,inputn,output)；

％至此，即获得了训练完成的bp神经网络模型。

inputn_test＝mapminmax(‘apply’,input_test,inputs)；

an＝sim(net,inputn_test)；

bpoutput＝mapminmax(‘reverse’,an,outputps)；％输出结果反归一化

％至此，即实现了对应某一电桥电路25输出电压下的基于bp神经网络拟合预测的踏板1行程的输出。

通过标定实验得到电桥电路25输出电压与踏板1行程之间的映射关系之后，将该映射关系预先设置在踏板行程模拟控制器26中。此后，向踏板行程模拟控制器26中送入电桥电路25输出电压后，踏板行程模拟控制器26即可输出对应的踏板1行程信号，即得到了踏板1行程。