专利名称：用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于计量角度或锥度的检测装置，尤其涉及一种用于汽车动 感驾驶模拟器中的计量脚踏板机构或手刹机构角度或档位机构锥度的检测装置。
背景技术：
车辆驾驶状态信号的采集、处理及传输，直接影响到整个汽车驾驶模拟系统的交 互性和实时性，它是衡量汽车驾驶模拟器实用性能的重要指标。在传统的汽车驾驶模拟器中，对于车辆油门踏板、脚刹踏板、离合踏板的倾角变化 信号，主要是采用角度或位移传感器检测机件姿态倾角的变化；对于档位、手刹信号的提 取，多采用霍尔开关或行程开关提取相应信号。由于这些传感器体积较大、成本较高、安装 时需要改动车体操作机构的结构，给生产制造、安装、维修和保养等带来不便。微电子机械系统(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研 究领域。基于MEMS技术的三轴加速度传感器可在X、Y、Z三个轴向上，以极高的灵敏度采集 重力在坠落、倾斜、移动、放置、振动和摇摆的变化信号。现有技术中的汽车驾驶模拟器中，采用上述MEMS三轴传感器替代原有的采集方 式采集车辆脚踏板机构、档位、手刹的姿态变化信号，可采用表面粘贴方式安装，具有安装 方便灵活，避免了传统传感器安装需要改动车体结构的困难；检测装置可采用统一规格，给 使用、维修和调试带来方便；同时采用MEMS三轴传感器的检测装置具有体积小，信号采集 和传输可靠，性能价格比高等优点。但在汽车动感驾驶模拟器中，被测物体(脚踏板、手刹 杆、档位杆)的载体(动感驾驶舱)相对大地参照系是一个运动载体，此时被测物体三轴传 感器检测到的信号，不仅包括被测物体相对载体的姿态变化信号，还包括载体相对大地参 照系的姿态变化及本身的振动等惯性加速度信号，因此，该MEMS传感器检测到的信号不能 正确反映被测物体相对载体的姿态变化，从而限制了其应用场合。

实用新型内容为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾 角检测装置，当动感驾驶舱(被测物体的载体)相对大地参照系是一个运动载体时，将两个 加速度传感器探头分别安装在车辆脚踏板、手刹杆或档位杆(被测物体)和与之相邻的载 体上，两个传感器探头以相同姿态分别安装在被测物体和该被测物体所处的运动载体上， 其安装位置应尽量靠近，使两传感器近似处于一个刚体中。同时提取被测物体和载体上的 三维输出信号，两组信号通过嵌入式微处理器的运算处理，除去其共有的惯性和姿态变化 共模信号，保留被测物体相对载体姿态变化的差模信号，检测数据通过微处理器串行口向 上位机传输并进行相应处理，最终获得检测结果。针对上述技术问题，本实用新型用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置予 以实现的技术方案是包括电源电路、两个加速度传感器探头、信号调理电路、微处理器、通 讯电路及上位机，所述两个加速度传感器探头同时采用模拟量输出的加速度传感器，或同
3时采用数字脉冲量量输出的加速度传感器；所述两个加速度传感器探头分别安装在被测物 体和该被测物体所处的运动载体上，所述两个加速度传感器探头均与所述信号调理电路连 接；所述微处理器包括用于接收所述两个加速度传感器探头模拟量的A/D接口和用于转换 和处理上述输出模拟量的数据处理模块；所述微处理器包括接收所述两个加速度传感器探 头数字脉冲量的SPI接口和用于转换和处理上述数字脉冲量的数据处理模块；所述微处理 器与上位机之间通过所述通讯电路实现数据传输。本实用新型用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置，其中，所述被测物体 是油门脚踏板机构、离合脚踏板机构、刹车脚踏板机构、手刹机构和档位机构，所述运动载 体是汽车动感模拟驾驶舱。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是本实用新型用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置可以使加速度传感器 在计量角度或锥度的检测应用中，不但能在静态时检测被测物体相对大地倾角变化量，而 且适用于载体姿态变化和当载体本身存在振动等惯性加速度信号的场合，检测被测物体相 对动态载体的倾角变化量。利用本实用新型动态倾角检测装置进行检测的方法主要是将两 个传感器探头以相同姿态分别安装在被测物体和该被测物体所处的运动载体上，其安装位 置应尽量靠近，使两传感器近似处于一个刚体中。采用差模方法同时提取两组三维加速度 传感信号并进行数据融合及处理，避开了运动载体相对大地及被测物相对运动载体，两参 照系数据转换的繁琐数学计算，扩展了加速度传感器的应用范围。本实用新型替代原有的 采集方式，具有安装方便灵活，维修调试方便，避免了传统传感器安装需要改动车体结构的 困难，检测装置采用统一规格，给使用、维修和调试带来方便。同时该装置具有体积小，信号 采集和传输可靠，性能价格比高等优点。

图1是本实用新型用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置的构成框图；图2-1是图1所示动态倾角检测装置中电源电路的原理图；图2-2是图1所示动态倾角检测装置中上位机与通讯电路之间的接口示意图；图2-3是图1所示动态倾角检测装置中通讯电路的原理图；图2-4是图1所示动态倾角检测装置中信号调理电路的原理图；图2-5是图1所示动态倾角检测装置中微处理器的电路原理图；图3-1是图1所示动态倾角检测装置中一传感器与信号调理电路连接示意图；图3-2是图1所示动态倾角检测装置中另一传感器与信号调理电路连接示意图；图4是以踏板倾斜角度检测为例的本实用新型动态倾角检测装置安装位置示意 图；图5是以将档杆姿态检测为例的本实用新型动态倾角检测装置安装位置示意图；图6是利用本实用新型检测装置进行检测的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本实用新型作进一步详细地描述。如图1所示，本实用新型用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置包括电源
4电路200、两个加速度传感器探头中用第一加速度传感器102和第二加速度传感器101表 示，信号调理电路103、微处理器300及上位机400，所述微处理器300设置有SPI接口 301 或A/D接口 302，所述微处理器300与上位机400之间通过一通讯电路500实现联系，所述 两个加速度传感器探头分别安装在被测物体和该被测物体所处的运动载体上，所述两个加 速度传感器探头均与所述信号调理电路103连接；所述微处理器300还包括有用于转换 和处理所述两个加速度传感器探头输出的模拟量数据处理模块304，或用于处理所述两个 加速度传感器探头输出的数字量数据处理模块305。当然，本实用新型中的加速度传感器可以是一维输出、二维输出或三维输出的加 速度传感器形式的应用。本实用新型动态倾角检测装置进行检测包含模拟量输出和数字量 输出两种加速度传感器形式的应用。为了进一步减小振动及转动惯量对测量精度的影响，在所述被测物体与一加速度 传感器之间及所述运动载体与另一加速度传感器之间应分别设置有减振装置。本实用新型用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置中涉及到的各独立单 元，诸如电源电路200、第一加速度传感器102和第二加速度传感器101、信号调理电路 103、微处理器300及上位机400和通讯电路500等，其结构均属于本技术领域的成熟产品， 具体到它们的安装，除了对于两个加速度传感器探头的安装位置有特别要求外，其他单元 的安装不受限制。本实用新型采用模拟量输出的加速度传感器，用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾 角检测装置中涉及到的相关电路如下图2-1示出了电源电路的原理图；图2-2示出了与 上位机通讯及加速度传感器接口电路图；图2-3示出了通讯电路的原理图；图2-4示出了 加速度传感器及调理电路的原理图；图2-5示出了微处理器所包含的芯片及电路。利用本实用新型用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置进行检测时，当被 测物体处于初始位置时，两个被分别安装在被测物体和该被测物体所处的运动载体上的加 速度传感器的探头应保持相同姿态位置。两个传感器探头安装位置应尽量靠近，使两传感 器近似处于一个刚体中。此时不论检测载体是否运动，该两个加速度传感器探头输出的检 测信号大小相等，差模信号接近为零。当被测物体相对载体发生相对姿态变化时，如图3-1 和图3-2所示，上述两个加速度传感器采集的输出信号分别为XI、YU Zl和X2、Y2、Z2，并 通过信号调理电路103和对应的SPI接口(或A/D接口)如图1所示，分时输入到微处理 器300，微处理器300进行数字数字滤波及运算处理，屏蔽共有的振动、转动惯量和姿态变 化等共模信号，保留被测物体相对运动载体锥角变化的差模信号，并实现检测信号量对应 倾斜角度量的转换。角度量检测数据依次通过微处理器300的串口和通讯电路500输出至 上位机400中的信号采集处理单元，其通讯方式可采用有线和无线两种方式通讯。如图6所示，本实施例是采用模拟量输出的加速度传感器，用于汽车动感驾驶模 拟器的动态倾角的检测过程如下步骤一、将动态倾角检测装置中的一个加速度传感器表面(探头)粘贴到上述相 应的运动机件(车辆脚踏板机构、手刹机构或档位机构)上，将另一个加速度传感器表面 (探头)粘贴到相对车体是静止状态的一物体表面，两个加速度传感器探头同时提取被测 物体和动态载体上两组三维检测信号；系统启动后，首先进行初始化处理，然后，将采集到 的信号进行A/D转换、数字滤波；若A/D巡回采集还未结束，则重复上述采集信号A/D转换、数字滤波过程；当确定A/D巡回采集结束后，对采集数据进行处理，步骤二、根据所述检测信号是电压模拟信号或是数字脉冲信号有下述两种不同的 数据处理方式(1)若检测信号是电压模拟信号，则所述两组三维电压模拟量的采集信号 经过模拟量数据处理模块，屏蔽共有的振动、转动惯量和姿态变化等共模信号，保留被测物 体相对运动载体锥角变化的差模信号，该检测信号经微处理器的运算处理，实现对所述加 速度传感器输出的检测信号与对应角度量的转换；(2)若检测信号是数字脉冲信号，则所 述两组三维数字信号经过信号调理及微处理器的SPI接口传送到微处理器的数字量数据 处理模块，屏蔽所述两组信号共有的惯性和姿态变化信号，保留被测物体相对载体姿态的 检测信号，得出所述信号转化为对应角度量变化数据；步骤三、将对应角度量数据保存在数组中，等待上位机呼叫；若上位机发出读数据 命令，则通过微处理器串行口和通讯电路将采集数据传输出去，然后，开始下一轮数据采集 过程；若没有接收到上位机读取数据的命令，则直接开始下一轮数据采集过程。综上，本实用新型是将动态倾角检测装置直接应用是在具有动感平台的汽车驾驶 模拟器中，即利用上述动态倾角检测装置与具有动感平台的汽车驾驶模拟器构成一汽车 动感驾驶模拟器动态倾角检测装置，包括脚踏板操作机构的运动机件、手刹机构的运动机 件和档位位置机构的运动机件；将动态倾角检测装置中的一个加速度传感器探头以表面粘 贴方式安装到上述相应的运动机件上，将另一个加速度传感器探头以表面粘贴方式安装到 相对车体是静止状态的一物体表面，两个传感器探头在初始状态相同姿态相同，安装位置 应尽量靠近，使两传感器近似处于一个刚体中。采用差模方法同时提取两组三维加速度传 感信号并进行数据融合及处理，完成对车辆驾驶状态信号的提取。本实用新型避开了运动 载体相对大地，及被测物相对运动载体，两参照系数据转换的繁琐数学计算，扩展了加速度 传感器的应用范围。利用该动态倾角检测装置完成对车辆驾驶状态信号的提取。相对传统 的角度传感器或位移传感器，具有体积小；不需改动车体机械结构，安装方便灵活；采集和 传输可靠；性能价格比高等优点，其开发成本大大低于其他现有的汽车模拟驾驶器材。实际应用中，汽车动感驾驶模拟器需要安装多套动态倾角检测装置，即将每套动 态倾角检测装置中的一个加速度传感器的探头采用表面粘贴安装方式分别连接在汽车脚 踏板操作机构、手刹机构和档位位置，将每套动态倾角检测装置中的另一个加速度传感器 以表面粘贴方式安装到相对车体是静止状态的一物体表面。两传感器的距离应尽可能的 近，以减小载体运动时各处转动惯量不同对测量精度的影响。同理，本实用新型也可以用在汽车驾驶考试中的路考汽车中，采集被考人员驾驶 操作状态信号，应用于评价系统中可以用在汽车驾驶考试中的路考汽车中，采集被考人员 驾驶操作状态信号，应用于评价系统中。其检测方法与上述汽车动感驾驶模拟器应用相同， 只是动态倾角检测装置的封装应考虑防水问题。当然，本实用新型也可以用在静态(不含动感平台)的汽车驾驶模拟器中，即将 动态倾角检测装置中的一个加速度传感器的表面粘贴方式安装到相应运动机件上，完成对 脚踏板操作机构(诸如油门踏板、脚刹踏板和离合踏板)、手刹、档位位置(空档、倒档及 各前进档位)等机构相对大地参照系的重力加速度变化信号的提取。实施例一以汽车驾驶模拟器踏板的单轴倾角信号的提取为例通常踏板信号包括离合踏板、刹车踏板、油门踏板的信号，它们的信号采集方法
6类似，在检测踏板转动角度时，可通过三轴加速度传感器一个轴向的变化，检测踏板变化角 度，一般选X轴或Y轴作为敏感轴。图4示出了以踏板倾斜角度检测为例的动态倾角检测 装置安装示意图。安装中，将两传感器探头以表贴方式固定在踏板传动机构及相邻的车体 静止部位上，两传感器探头的距离应尽可能的近，以减小载体运动时各处转动惯量不同对 测量精度的影响。应确保加速传感器敏感轴与地面垂直(水平点)，此时该传感器输出灵敏 度最高，并在倾斜角士45°范围内具有较好的线性度。当踏板踩下，被测物发生姿态变化时，由于产生相应的角位移，在静态重力加速度 的作用下，相应的三轴加速度传感器敏感轴会有相应变化的输出信号，两信号经各自的信 号调理与微控制器的输入接口相连，微控制器巡回采集两加速度传感器的输出信号，并进 行数字滤波，数据运算处理，从而屏蔽共有的振动、转动惯量和姿态变化等共模信号，保留 被测物体相对运动载体锥角变化的差模信号；并实现三轴加速度传感器敏感轴输出量对 应脚踏板倾斜角度相对变化的转换，得到该加速度变化量对应被测物倾斜角度的变化量数 据。实施例二 以汽车驾驶模拟器档位的三轴锥度信号的提取为例图5示出了将加速度传感器安装在汽车档杆上的位置；对档位信号的检测，与踏 板检测不同，档位的检测需要测出档杆在各个档位时三轴加速度传感器三个轴向的倾角输 出值，并将此数据记录在RAM存储器中，当档位变化时，微处理器采集该档杆上和相对车体 是静止状态的一物体表面上的三轴加速度传感器的两组检测信号XI、Yl、Zl和X2、Y2、Z2， 经信号调理、采集、AD变换、数字滤波及算法处理，屏蔽所述两组信号共有的振动、转动惯量 和姿态变化等共模信号，保留被测物体相对运动载体锥角变化的差模信号，经微处理器的 数据运算模块，实现检测信号量对应倾斜角度量的转换。并与记录在RAM存储器中的档位 姿态数据进行比对，以确定变速器的档位状态。在档杆上安装传感器探头时，尽量将探头水 平地贴在换档杆的低部，以减小换挡动作离心力对加速度传感器的影响，如图5所示。总之，利用本实用新型进行车辆驾驶状态信号采集时，首先，应必须确保所述两个 加速度传感器探头在初始状态的姿态相同，安装位置应尽量靠近，图4和图5所示是安装示 意图。进入工作状态后，首先，上位机对各动态倾角检测装置的初始位置进行归零校准，然 后，上位机按照事先设定好的地址，顺序分时跟各动态倾角检测装置进行联络，读取更新检 测数据。各动态倾角检测装置作为下位机，完成数据的采集、处理、传输。本实用新型主要是应用在针对计量角度(脚踏板机构、手刹机构)或锥度(档位 机构)的检测中，当被测物体的载体(汽车动感驾驶模拟器)相对大地参照系是一个运动 载体时，利用加速度传感器，实现检测物体相对运动载体姿态及倾斜变化的检测。本实用新 型应用于锥度的检测时(两组三维输出量采集)，在被测物体初始位置状态，两个传感器探 头姿态相同，安装位置应尽量靠近，使两传感器近似处于一个刚体中。此时不论检测载体是 否运动，两个加速度传感器探头输出的三维加速度电压信号大小相等，差模信号接近为零。 本实用新型应用于检测角度时，可只检测某一维变换量(敏感轴)，该轴(敏感轴)在初始 态时所承受的加速度分量应接近零(即正弦函数的过零点)，此时加速度传感器检测精度 最高。采用加速度传感器实际检测中，当载体本身的振动等惯性加速度信号> Ig和姿态变 化向相对地面参照系的重力g的分角> 士45°时，会影响检测精度。本实用新型应用于，在动感载体上检测被测物相对载体姿态和倾角变化的场合，
7具有广泛的应用前景。可以用在汽车驾驶考试中的路考汽车中，采集被考人员驾驶操作状 态信号，应用于评价系统中。其检测方法与上述汽车动感驾驶模拟器应用相同，只是动态倾 角检测装置的封装应考虑防水问题。另外也可以利用动态倾角检测装置检测动态载体中被 测物体相对载体姿态及倾斜变化，从而进行对被测物体相对车体绑定状态的判定。将被测 物体固定在一车体内，将动态倾角检测装置中的其中一个加速度传感器的表面粘贴方式安 装到上述被测物体上，将另外一个加速度传感器的表面粘贴方式安装到车体上，从而提取 被测物体相对车体的位移、旋转、倾斜变化的信号。例如在铁路运输中，该装置表贴到重要 物资(被测物)及车厢(载体)上，可实时采集到物资相对车厢的位移、旋转、倾斜等变化， 判定物资绑定状态是否正常。在上述应用中，所述被测物体与一加速度传感器之间及所述 运动载体与另一加速度传感器之间应均分别设置有减振装置(减振材料)。 尽管上面结合图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具 体实施方式，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人 员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些 均属于本实用新型的保护之内。
权利要求一种用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置，包括电源电路、两个加速度传感器、信号调理电路、微处理器、通讯电路及上位机，其特征在于所述两个加速度传感器的探头同时采用模拟量输出的加速度传感器，或同时采用数字脉冲量量输出的加速度传感器；所述两个加速度传感器探头分别安装在被测物体和该被测物体所处的运动载体上，所述两个加速度传感器探头均与所述信号调理电路连接；所述微处理器包括用于接收所述两个加速度传感器探头模拟量的A/D接口和用于转换和处理上述输出模拟量的数据处理模块；所述微处理器包括接收所述两个加速度传感器探头数字脉冲量的SPI接口和用于转换和处理上述数字脉冲量的数据处理模块；所述微处理器与上位机之间通过所述通讯电路实现数据传输。
2.根据权利要求1所述用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置，其特征在于 所述被测物体是油门脚踏板机构、离合脚踏板机构、刹车脚踏板机构、手刹机构和档位机 构，所述运动载体是汽车动感模拟驾驶舱。
3.根据权利要求2所述用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置，其特征在于 所述被测物体与其中一个加速度传感器探头之间及所述运动载体与另一个加速度传感器 探头之间均分别设置有减振装置。
专利摘要本实用新型公开了一种用于汽车动感驾驶模拟器的动态倾角检测装置，包括两个加速度传感器及信号调理电路、微控制器、数据处理模块、通讯电路及上位机，两个传感器同时采用模拟量输出的加速度传感器，或同时采用数字脉冲量量输出的加速度传感器；两个传感器的探头分别安装在被测物体和该被测物体所处的运动载体上，并与信号调理电路连接；微处理器包括A/D接口和SPI接口，及用于转换和处理输出模拟量的数据处理模块和用于转换和处理上述数字脉冲量的数据处理模块；微处理器与上位机之间通过通讯电路实现数据传输。本实用新型用于动感载体中角度或锥度的检测，扩展了加速度传感器的应用范围。
文档编号G01C9/00GK201680834SQ20102015829
公开日2010年12月22日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者付少波, 孙昱, 李志勇, 李长安, 赵玲 申请人:中国人民解放军军事交通学院