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具有二自由度力反饋操縱桿的手動(dòng)變速模擬
作者部分不用翻譯
摘要
二自由度反饋操縱桿用于模擬手動(dòng)擋汽車的力反饋。該控制原則基于一種混合動(dòng)力模型。根據(jù)動(dòng)力模型的模擬和尺寸參數(shù)變化，決定了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在相同的環(huán)境下，此操縱機(jī)械可以進(jìn)行換擋，無(wú)論此操作是否在傳動(dòng)中是否可行。所得結(jié)果與汽車真實(shí)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配。模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果令人滿意，并且該操縱桿可以給人一種真實(shí)的手動(dòng)擋汽車的感覺(jué)。
1 簡(jiǎn)介
用于訓(xùn)練飛行員的汽車模擬器，特別是飛行模擬器可以安裝各種控制裝置，如加速器，減速器和離合器，變速裝置以及方向盤來(lái)提高模擬的真實(shí)性。
在模擬系統(tǒng)內(nèi)部HI的調(diào)整似乎提高了整體價(jià)值，提高了它們的功能性。HI可以使用邏輯性系統(tǒng)，同時(shí)還可以控制它們的機(jī)械反饋。模擬器使用者在測(cè)試中用這種方法通過(guò)改變動(dòng)覺(jué)或觸覺(jué)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)汽車的性能。當(dāng)考慮人類環(huán)境改造學(xué)方面的問(wèn)題時(shí)，這種方法特別有用。
在正常的駕駛條件下，大多數(shù)模擬器當(dāng)中的控制命令被認(rèn)為正傳感系統(tǒng)，用來(lái)細(xì)化相互作用的力變化。
用力控制的HI來(lái)代替方向盤，這種替換基于此種模擬器的一種內(nèi)部數(shù)字模型而來(lái)的。
ATARI公司申請(qǐng)了兩項(xiàng)關(guān)于換擋模擬的專利。此儀器系統(tǒng)是根據(jù)變速桿應(yīng)在至少兩個(gè)齒輪中撥動(dòng)的機(jī)制而研發(fā)出來(lái)的。第一項(xiàng)發(fā)明的機(jī)制是安裝電動(dòng)式離合器可以僅僅限制檔位的移動(dòng)。在檔位桿處安裝的精確的傳感器和應(yīng)變儀可以檢測(cè)到檔位的移動(dòng)和力的大小。
在第二項(xiàng)發(fā)明當(dāng)中，螺線管安裝在選裝裝置中來(lái)控制作用力的大小。
這篇文章敘述了HI系統(tǒng)的控制規(guī)律的設(shè)計(jì),并整合為汽車駕駛模擬器的檔位變換,目的是在虛擬環(huán)境下提升汽車的內(nèi)部的人類環(huán)境改造問(wèn)題.這種經(jīng)濟(jì)適用的力反饋操縱桿被用于評(píng)估控制算法.這種控制規(guī)律將最終被應(yīng)用到當(dāng)前在PERCRO結(jié)構(gòu)下的一種二自由度的觸覺(jué)內(nèi)部模型.
該篇文章內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下.本文第二部分扼要的介紹了手動(dòng)傳動(dòng)變速的工作機(jī)理.第三部分分析和討論了在汽車上測(cè)試單齒輪傳動(dòng)的分析模型并比較了試驗(yàn)結(jié)果,以模擬該系統(tǒng).最后一部分描述了整體手動(dòng)變速的控制規(guī)律.
2 手動(dòng)變速的機(jī)械性描述
在由離合器連接到發(fā)動(dòng)機(jī)上的主軸和持續(xù)連接到不同單元甚至是輪軸的從動(dòng)軸之間，變速桿可以改變齒輪傳動(dòng)率。進(jìn)一步考慮到，離合器踏板總被踩到底。
在手動(dòng)傳動(dòng)中，駕駛員可以橫縱交叉的撥動(dòng)變速桿來(lái)移動(dòng)齒輪改變檔位，那么如圖1所示，我們將這兩種方向假設(shè)為X和Y方向。外部的操控系統(tǒng)將變速桿與齒輪箱連接，通常被安裝在汽車的前部。
在圖1中，外部的檔位變換要求可以通過(guò)改變聯(lián)軸器的連接來(lái)改變檔速的位置。
圖1：從駕駛員位置所看到的在變速箱中檔速位置。使用不同的機(jī)械方法安裝的，但主要的檔位是靈活的（單或雙波頓n），精確的（連接和推變速桿）混合式的。駕駛者感覺(jué)這種被人接受的
方法會(huì)影響整體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。
在齒輪箱中的聯(lián)軸器通常定位的滑動(dòng)到主軸或從動(dòng)軸。例如我們可以假設(shè)，聯(lián)軸器被安裝在從動(dòng)軸上（將第一和第二個(gè)齒輪嚙合在一起是普遍現(xiàn)象）。如圖2所示，在主軸上的兩個(gè)齒輪，長(zhǎng)期與在從動(dòng)軸上的兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的不工作的齒輪相匹配。聯(lián)軸器通過(guò)在傳動(dòng)軸上的滑動(dòng)將其中的一個(gè)齒輪連接到從動(dòng)軸上（相對(duì)應(yīng)于變速桿X方向的撥動(dòng)），因此在主軸與從動(dòng)軸之間還可以進(jìn)行傳動(dòng)。在齒輪沒(méi)有嚙合之前，因齒輪可以通過(guò)主軸驅(qū)動(dòng)，所以聯(lián)軸器與將要嚙合的齒輪之間，會(huì)有一個(gè)相關(guān)的角度移動(dòng)。為能夠無(wú)聲流暢的滑動(dòng)，要嚙合的的兩個(gè)齒輪必須要有相同的角度移動(dòng)速度。在兩個(gè)階段中可以通過(guò)中等同步齒輪實(shí)現(xiàn)：同步前和同步兩個(gè)過(guò)程。在同步階段后，齒輪將完全嚙合。
2.1 齒輪齒嚙合的三個(gè)階段
在輪齒嚙合的三個(gè)不同主要階段，會(huì)有變速的部分作用力最為顯著：同步，嚙合，以及對(duì)機(jī)械制動(dòng)的影響。因?yàn)辇X輪變速是一個(gè)多體動(dòng)力系統(tǒng)，每一階段都有齒輪箱中的不同部分的相互作用。下面簡(jiǎn)單介紹一下在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的力以不同階段的關(guān)系。
如圖2所示，一個(gè)球彈簧系統(tǒng)（被安裝在機(jī)械杠桿的底部）在被選擇的齒輪位置對(duì)杠桿施加壓力。因此原始的提前的加載力必須用于從平衡位置移動(dòng)杠桿。
在杠桿釋放后，另一加載力必須從它的中間位置移動(dòng)傳動(dòng)軸。實(shí)際上，聯(lián)軸器被第二個(gè)球彈簧機(jī)械系統(tǒng)（安裝在變速箱內(nèi)）固定在中間位置，它的作用是用來(lái)完成在同步齒輪和聯(lián)軸器之間的柔性連接。此階段為同步前階段。
在同步階段完成后，同步階段開(kāi)始。與同步齒輪相配合的聯(lián)軸器將其本身推到相關(guān)齒輪處。同步齒輪的內(nèi)部圓錐形表面與惰輪的外部圓錐形表面相接觸，該惰輪的旋轉(zhuǎn)由主軸拖動(dòng)。由于兩個(gè)部分的相關(guān)運(yùn)動(dòng)而改變的切線方向的摩擦力在軸向力中通過(guò)同步齒輪的錐形變形而被轉(zhuǎn)變形式。軸向力會(huì)阻礙聯(lián)軸器的進(jìn)一步滑動(dòng)。
在同步齒輪和惰輪之間，只要有相關(guān)的運(yùn)動(dòng)，就會(huì)存在聯(lián)軸器（及變速桿）均會(huì)被鎖定到固定位置并不會(huì)移動(dòng)。僅僅當(dāng)相對(duì)速度變?yōu)榱銜r(shí)，同步階段才會(huì)開(kāi)始并且聯(lián)軸器能繼續(xù)它的滑動(dòng)。
在同步過(guò)程結(jié)束時(shí)，同步齒輪相嚙合的齒和惰輪會(huì)接觸并最終嚙合。由耦合齒面接觸產(chǎn)生的作用力是任意的，因?yàn)樵撟饔昧κ窃趪Ш蠒r(shí)在齒的相對(duì)位置產(chǎn)生的。完全嚙合后，安裝在球彈簧系統(tǒng)上的變速桿會(huì)到達(dá)機(jī)械止點(diǎn)并停止。
圖3和圖4所示的數(shù)據(jù)是由在實(shí)驗(yàn)汽車上通過(guò)傳感器測(cè)試變速桿所得到的。兩條曲線反映了關(guān)于時(shí)間和嚙合位置的典型的力的特征曲線。
表3：力和位置關(guān)系。時(shí)間為當(dāng)?shù)谝患?jí)檔位變換時(shí)在操縱桿上測(cè)得的。（CRF的courtesy）
表4：力和位置的關(guān)系，當(dāng)中間第一個(gè)齒輪變速時(shí)在操縱桿上測(cè)得的。（CRF的courtesy）
同步個(gè)過(guò)程前的階段僅僅產(chǎn)生一種可忽略的力的峰值并逐漸下降。
在同步階段期間，力和位置的關(guān)系在一定的時(shí)間范圍內(nèi)持續(xù)一段距離，如圖3所示，力達(dá)到了它的最大值。
嚙合階段的顯著特征是被分離的力達(dá)到最大值，通常比同步階段的力的最大值要低。而且這樣的峰值力的大小在每次變速時(shí)不都是迅速的，且變化比較顯著。在嚙合期間位置保持時(shí)間短且迅速，可以通過(guò)在齒輪箱中直接測(cè)量的數(shù)據(jù)反映出來(lái)。
如圖4所示同步階段和嚙合階段的高峰期時(shí)的值較精確。關(guān)于試驗(yàn)車的記錄數(shù)據(jù)表明在大約8牛頓的力時(shí)同步高峰期持續(xù)0.3毫秒。由于輪齒的影響，嚙合高峰期時(shí)間比較長(zhǎng)。力的雙沖擊在嚙合過(guò)程中比較典型，讓駕駛者感覺(jué)到種齒輪嚙合感覺(jué)。
最后一階段會(huì)提高停止點(diǎn)的影響峰值。因?yàn)閬?lái)自外面的命令，變速桿可以通過(guò)彈性阻尼系統(tǒng)而被定位，撥桿的位置會(huì)有一個(gè)超越點(diǎn)，但隨后相對(duì)于平衡點(diǎn)而言會(huì)逐漸的恢復(fù)，如圖3所示。
手動(dòng)變速的駕駛者將力施加在變速桿上，變速主要通過(guò)同步階段，嚙合階段及最后階段的影響來(lái)決定的。因此變速的真實(shí)模擬必須精化三個(gè)階段。
3 變速嚙合模型
齒輪變速的分析模型被應(yīng)用于提升對(duì)操作者的準(zhǔn)確反饋。從實(shí)驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)來(lái)看，我們選擇模型變速的不同階段，這些階段會(huì)適應(yīng)有不同細(xì)化階段（每個(gè)細(xì)化的階段都在變速階段范圍內(nèi)）的動(dòng)力系統(tǒng)，與本身混合模型相關(guān)的變速反應(yīng)通過(guò)MATLAB Simulink/Stateflow module而提高。
變速嚙合模型，如圖5所示，作為輸入—駕駛者施加在操縱桿上的力和操縱桿上的位置輸出，速度輸出。該模型可以分為兩個(gè)部分：
1：在齒輪階段的一時(shí)間持續(xù)變化的動(dòng)力系統(tǒng)（變速動(dòng)力系統(tǒng)）
2：決定變速桿的位置上和操縱者施加力的基礎(chǔ)上齒輪的階段的一細(xì)化狀態(tài)的裝置（變速的狀態(tài)流）。
變速動(dòng)力系統(tǒng)被用作參數(shù)機(jī)械系統(tǒng)，該系統(tǒng)由質(zhì)量m，彈簧勁度系數(shù)k，阻尼系數(shù)c和滑動(dòng)摩擦：
Fdr = mx + cx_ s + k(x ?? x0) + Ffr
表5：變速嚙合模型
Fdr是駕駛者的力，x是位置，摩擦力Fdr如下給出：
Fdr if Fdr-cx-k（x-x0）≤ Fst
Fdr =﹛ （2）
else Fst
Fst 和Fsl相對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的摩擦影響。通過(guò)變速模型，參數(shù)m，k，c，x0，F(xiàn)st，F(xiàn)sl對(duì)每一階段的不同值都有設(shè)定。
變速狀態(tài)流模型將會(huì)接收到有駕駛者操縱桿的位置x和力的輸入。模型的具體狀態(tài)代表以前部分所描訴部分不同的變速狀態(tài)，即同步狀態(tài)，嚙合狀態(tài)和最終的影響。而且自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被加入到這些階段以外的模型操縱桿的動(dòng)作中。
輸入信息被用于在不同階段調(diào)節(jié)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)。例如如果駕駛者在同步階段向前推動(dòng)操縱桿。此傳動(dòng)將會(huì)達(dá)到嚙合階段。廣義地講如果力突然被改變，對(duì)于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)講，傳動(dòng)已經(jīng)起作用了。
在傳動(dòng)可以進(jìn)行的條件下，這些狀態(tài)不僅依據(jù)位置和力，而且還依據(jù)時(shí)間。因此同步階段的延遲可以通過(guò)依據(jù)時(shí)間的外部傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
運(yùn)動(dòng)相關(guān)的條件也與傳動(dòng)和狀態(tài)有關(guān)。特別是一些對(duì)于邏輯變化的命令會(huì)根據(jù)當(dāng)前的階段執(zhí)行。這種邏輯變化，包含關(guān)于當(dāng)前的狀態(tài)信息，然后輸出到變速動(dòng)力模型中，它會(huì)控制模擬參數(shù)的當(dāng)前值。
3.1 模型的模擬
為了測(cè)試這種系統(tǒng)的效率，駕駛模型也可以在Simulink換進(jìn)中應(yīng)用。
被模型化的駕駛者假設(shè)他的力是成比例的，根據(jù)公式，相反的卻與變速桿的速度相關(guān)。
F=Fmax(1-) (3)
Vo是目標(biāo)速度并被假設(shè)與在嚙合時(shí)所測(cè)得最大值相等，而Fmax與操作者用的最大力是相對(duì)應(yīng)的。這樣一種駕駛者力的模型可隨不同駕駛者的動(dòng)作而進(jìn)行調(diào)整。
駕駛者模型可作為閉環(huán)速度（變速嚙合模型的位置輸出在這種模擬中不被使用）中變速嚙合模型的界面。
圖6所示為在模擬中的數(shù)據(jù)結(jié)果。嚙合過(guò)程中的所有主要階段均被該模型細(xì)化。為匹配力，位置，和與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)時(shí)間最大值，模型參數(shù)比較具有規(guī)律性。
表6：通過(guò)數(shù)字模擬，圖為力和位置相對(duì)于時(shí)間的輸出
3.2 實(shí)驗(yàn)根據(jù)
2自由度反饋操縱桿被應(yīng)用于進(jìn)行嚙合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。為達(dá)到目標(biāo)要求，我們用Logitech的羽人力反饋操縱桿，一個(gè)有適宜的驅(qū)動(dòng)器和控制面板的經(jīng)濟(jì)實(shí)用機(jī)器。
該操縱桿安裝有2個(gè)直流發(fā)動(dòng)機(jī)和2個(gè)模擬電位器，通過(guò)一個(gè)2自由度平行旋轉(zhuǎn)機(jī)制將電位器與手柄連接。這種機(jī)制可使操縱桿在2個(gè)同軸面旋轉(zhuǎn)。該馬達(dá)通過(guò)絞盤線傳輸系統(tǒng)傳遞扭矩，該系統(tǒng)提高了馬達(dá)的扭矩，降低了馬達(dá)和電位計(jì)間的相互抵制。
因?yàn)槲覀兊哪康氖菧y(cè)試控制運(yùn)算的效率。排除內(nèi)置的控制處理器，將操縱桿與DSP DS1102 dSPACE面板相連接。通過(guò)預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在操縱桿上有DSP預(yù)置的最大執(zhí)行力約10牛頓，該力是我們需要在裝置中提升性能的目標(biāo)力10Kg的十分之一。工作面積必要求的要小。為了評(píng)估控制運(yùn)算，該模擬結(jié)果被加到圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)論當(dāng)中。希望控制運(yùn)算能夠在PERCRO模型中較好地發(fā)揮功效，根據(jù)力的確認(rèn)，該模型已被定下尺寸。
我們通過(guò)時(shí)間工具欄將操縱桿定為Matlab 環(huán)境的界面。下載該模型直接在DSP面板上運(yùn)行。GUI的界面面板用來(lái)控制和從模擬中獲取數(shù)據(jù)。
在1KHz的頻率下進(jìn)行所有的模擬實(shí)驗(yàn)去解決所有關(guān)于模擬抽樣時(shí)間的問(wèn)題。
內(nèi)部的位置伺服環(huán)用于控制操縱桿和提供對(duì)變速模型的相互作用力。（見(jiàn)圖7）。當(dāng)模擬操縱桿的位置y歸位到零時(shí)，模擬一個(gè)自由度的滑動(dòng)限制。
表7：?jiǎn)屋S控制
表7：?jiǎn)屋S控制
以下的環(huán)節(jié)為得到的結(jié)果。力信號(hào)的錯(cuò)誤是由模擬電位器產(chǎn)生的電噪音決定的。該信號(hào)噪音不能減弱嚙合的磨損。
第八節(jié)講的是被過(guò)濾（低通濾波的巴特沃斯過(guò)濾器和20Hz的切斷頻率）和不被過(guò)濾的力的信號(hào)。該曲線可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。嚙合的過(guò)程的感覺(jué)是真實(shí)的，在駕駛中并伴有緩慢的齒輪嚙合。盡管由于硬件的限制不能提高系統(tǒng)的更多性能，但被分離的控制算法似乎可以更好的運(yùn)行。
表8：從錯(cuò)誤的位置中預(yù)測(cè)的力信號(hào)
表9：中間輪變速時(shí)力與位置環(huán)的關(guān)系表
表8：從錯(cuò)誤的位置中預(yù)測(cè)的力信號(hào)
表9：中間輪變速時(shí)力與位置環(huán)的關(guān)系表
4完整的變速模型
單齒輪嚙合后，我們進(jìn)一步研發(fā)了完整的變速系統(tǒng)。（見(jiàn)圖10）。
被擴(kuò)展的模型可被認(rèn)為力的施加是由每個(gè)齒輪的滑動(dòng)而產(chǎn)生的。y軸是由較低數(shù)字狀態(tài)的參數(shù)模型控制的，與x軸模型有關(guān)。根據(jù)與變速的不同狀態(tài)有關(guān)的數(shù)字領(lǐng)域中的x和y，變速的空間被劃分開(kāi)來(lái)。一種稱為狀態(tài)流管理器的主要的狀態(tài)流模型，能區(qū)分出當(dāng)前區(qū)域，并將這種信息輸入到x和y的控制器當(dāng)中。在這些模型中，用戶的動(dòng)作或是選擇一橫向齒輪或縱向齒輪會(huì)被區(qū)分，且回應(yīng)狀態(tài)動(dòng)作會(huì)被激活。當(dāng)用戶明確的嚙合齒輪時(shí)，單齒輪的變速嚙合模型別激活來(lái)控制x位置?；瑒?dòng)限制作為機(jī)械阻抗被復(fù)制，限制操縱桿進(jìn)入直線軌道。
圖10：變速的完整模型
表11中展示模擬工作場(chǎng)
表11：模擬的工作場(chǎng)（魚鱗狀）。
5 未來(lái)發(fā)展
在PERCRO實(shí)驗(yàn)室中被精細(xì)化的(HI)對(duì)于變速模擬正在創(chuàng)建中?；谟布拗频目刂茊?wèn)題將會(huì)有新的儀器來(lái)解決。事實(shí)上裝有高性能的選擇編碼器和DC少鐵芯伺服馬達(dá)的HI能夠把市價(jià)在操縱桿上的力增加到20Kg。而且運(yùn)行空間對(duì)于儀器的要求和機(jī)械帶寬的大幅度提升是相等的。當(dāng)前的工作結(jié)果將會(huì)被優(yōu)化來(lái)控制HI。
6 總結(jié)
此文章描述了對(duì)于手動(dòng)變速模擬的HI控制運(yùn)算法則。該控制法則是基于帶有持續(xù)和具體狀態(tài)的混合模型?？刂七\(yùn)算法則的性能在2自由度力反饋操縱桿上即可提前預(yù)測(cè)并得到滿意結(jié)果。
7 感謝
作者感謝CRF（菲亞特技術(shù)中心）提供的技術(shù)支持。歐洲GROWTH協(xié)會(huì)所支持的研究項(xiàng)目，項(xiàng)目研究工程“虛擬”(感覺(jué)到的對(duì)駕駛?cè)蝿?wù)和設(shè)計(jì)的人類環(huán)境改造質(zhì)量測(cè)試的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng))在摘要nr.1990-RD.11030中。
參考文獻(xiàn)
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