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具有二自由度力反饋操縱桿的手動變速模擬
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擋汽車的力反饋。該控制原則基于一種混合動力模型。根據(jù)動力模型的模擬和尺寸參數(shù)變化，決定了系統(tǒng)的運行狀態(tài)。在相同的環(huán)境下，此操縱機械可以進行換擋，無論此操作是否在傳動中是否可行。所得結果與汽車真實經驗數(shù)據(jù)相匹配。模擬實驗數(shù)據(jù)結果令人滿意，并且該操縱桿可以給人一種真實的手動擋汽車的感覺。
1 簡介
用于訓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提高模擬的真實性。
在模擬系統(tǒng)內部HI的調整似乎提高了整體價值，提高了它們的功能性。HI可以使用邏輯性系統(tǒng)，同時還可以控制它們的機械反饋。模擬器使用者在測試中用這種方法通過改變動覺或觸覺參數(shù)來評價汽車的性能。當考慮人類環(huán)境改造學方面的問題時，這種方法特別有用。
在正常的駕駛條件下，大多數(shù)模擬器當中的控制命令被認為正傳感系統(tǒng)，用來細化相互作用的力變化。
用力控制的HI來代替方向盤，這種替換基于此種模擬器的一種內部數(shù)字模型而來的。
ATARI公司申請了兩項關于換擋模擬的專利。此儀器系統(tǒng)是根據(jù)變速桿應在至少兩個齒輪中撥動的機制而研發(fā)出來的。第一項發(fā)明的機制是安裝電動式離合器可以僅僅限制檔位的移動。在檔位桿處安裝的精確的傳感器和應變儀可以檢測到檔位的移動和力的大小。
在第二項發(fā)明當中，螺線管安裝在選裝裝置中來控制作用力的大小。
這篇文章敘述了HI系統(tǒng)的控制規(guī)律的設計,并整合為汽車駕駛模擬器的檔位變換,目的是在虛擬環(huán)境下提升汽車的內部的人類環(huán)境改造問題.這種經濟適用的力反饋操縱桿被用于評估控制算法.這種控制規(guī)律將最終被應用到當前在PERCRO結構下的一種二自由度的觸覺內部模型.
該篇文章內容結構如下.本文第二部分扼要的介紹了手動傳動變速的工作機理.第三部分分析和討論了在汽車上測試單齒輪傳動的分析模型并比較了試驗結果,以模擬該系統(tǒng).最后一部分描述了整體手動變速的控制規(guī)律.
2 手動變速的機械性描述
在由離合器連接到發(fā)動機上的主軸和持續(xù)連接到不同單元甚至是輪軸的從動軸之間，變速桿可以改變齒輪傳動率。進一步考慮到，離合器踏板總被踩到底。
在手動傳動中，駕駛員可以橫縱交叉的撥動變速桿來移動齒輪改變檔位，那么如圖1所示，我們將這兩種方向假設為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改變聯(lián)軸器的連接來改變檔速的位置。
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。駕駛者感覺這種被人接受的
方法會影響整體系統(tǒng)的協(xié)調性。
在齒輪箱中的聯(lián)軸器通常定位的滑動到主軸或從動軸。例如我們可以假設，聯(lián)軸器被安裝在從動軸上（將第一和第二個齒輪嚙合在一起是普遍現(xiàn)象）。如圖2所示，在主軸上的兩個齒輪，長期與在從動軸上的兩個相對應的不工作的齒輪相匹配。聯(lián)軸器通過在傳動軸上的滑動將其中的一個齒輪連接到從動軸上（相對應于變速桿X方向的撥動），因此在主軸與從動軸之間還可以進行傳動。在齒輪沒有嚙合之前，因齒輪可以通過主軸驅動，所以聯(lián)軸器與將要嚙合的齒輪之間，會有一個相關的角度移動。為能夠無聲流暢的滑動，要嚙合的的兩個齒輪必須要有相同的角度移動速度。在兩個階段中可以通過中等同步齒輪實現(xiàn)：同步前和同步兩個過程。在同步階段后，齒輪將完全嚙合。
2.1 齒輪齒嚙合的三個階段
在輪齒嚙合的三個不同主要階段，會有變速的部分作用力最為顯著：同步，嚙合，以及對機械制動的影響。因為齒輪變速是一個多體動力系統(tǒng)，每一階段都有齒輪箱中的不同部分的相互作用。下面簡單介紹一下在嚙合過程中產生的力以不同階段的關系。
如圖2所示，一個球彈簧系統(tǒng)（被安裝在機械杠桿的底部）在被選擇的齒輪位置對杠桿施加壓力。因此原始的提前的加載力必須用于從平衡位置移動杠桿。
在杠桿釋放后，另一加載力必須從它的中間位置移動傳動軸。實際上，聯(lián)軸器被第二個球彈簧機械系統(tǒng)（安裝在變速箱內）固定在中間位置，它的作用是用來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，同步階段開始。與同步齒輪相配合的聯(lián)軸器將其本身推到相關齒輪處。同步齒輪的內部圓錐形表面與惰輪的外部圓錐形表面相接觸，該惰輪的旋轉由主軸拖動。由于兩個部分的相關運動而改變的切線方向的摩擦力在軸向力中通過同步齒輪的錐形變形而被轉變形式。軸向力會阻礙聯(lián)軸器的進一步滑動。
在同步齒輪和惰輪之間，只要有相關的運動，就會存在聯(lián)軸器（及變速桿）均會被鎖定到固定位置并不會移動。僅僅當相對速度變?yōu)榱銜r，同步階段才會開始并且聯(lián)軸器能繼續(xù)它的滑動。
在同步過程結束時，同步齒輪相嚙合的齒和惰輪會接觸并最終嚙合。由耦合齒面接觸產生的作用力是任意的，因為該作用力是在嚙合時在齒的相對位置產生的。完全嚙合后，安裝在球彈簧系統(tǒng)上的變速桿會到達機械止點并停止。
圖3和圖4所示的數(shù)據(jù)是由在實驗汽車上通過傳感器測試變速桿所得到的。兩條曲線反映了關于時間和嚙合位置的典型的力的特征曲線。
表3：力和位置關系。時間為當?shù)谝患墮n位變換時在操縱桿上測得的。（CRF的courtesy）
表4：力和位置的關系，當中間第一個齒輪變速時在操縱桿上測得的。（CRF的courtesy）
同步個過程前的階段僅僅產生一種可忽略的力的峰值并逐漸下降。
在同步階段期間，力和位置的關系在一定的時間范圍內持續(xù)一段距離，如圖3所示，力達到了它的最大值。
嚙合階段的顯著特征是被分離的力達到最大值，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不都是迅速的，且變化比較顯著。在嚙合期間位置保持時間短且迅速，可以通過在齒輪箱中直接測量的數(shù)據(jù)反映出來。
如圖4所示同步階段和嚙合階段的高峰期時的值較精確。關于試驗車的記錄數(shù)據(jù)表明在大約8牛頓的力時同步高峰期持續(xù)0.3毫秒。由于輪齒的影響，嚙合高峰期時間比較長。力的雙沖擊在嚙合過程中比較典型，讓駕駛者感覺到種齒輪嚙合感覺。
最后一階段會提高停止點的影響峰值。因為來自外面的命令，變速桿可以通過彈性阻尼系統(tǒng)而被定位，撥桿的位置會有一個超越點，但隨后相對于平衡點而言會逐漸的恢復，如圖3所示。
手動變速的駕駛者將力施加在變速桿上，變速主要通過同步階段，嚙合階段及最后階段的影響來決定的。因此變速的真實模擬必須精化三個階段。
3 變速嚙合模型
齒輪變速的分析模型被應用于提升對操作者的準確反饋。從實驗分析的數(shù)據(jù)來看，我們選擇模型變速的不同階段，這些階段會適應有不同細化階段（每個細化的階段都在變速階段范圍內）的動力系統(tǒng)，與本身混合模型相關的變速反應通過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部分：
1：在齒輪階段的一時間持續(xù)變化的動力系統(tǒng)（變速動力系統(tǒng)）
2：決定變速桿的位置上和操縱者施加力的基礎上齒輪的階段的一細化狀態(tài)的裝置（變速的狀態(tài)流）。
變速動力系統(tǒng)被用作參數(shù)機械系統(tǒng)，該系統(tǒng)由質量m，彈簧勁度系數(shù)k，阻尼系數(shù)c和滑動摩擦：
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相對靜態(tài)和動態(tài)的摩擦影響。通過變速模型，參數(shù)m，k，c，x0，F(xiàn)st，F(xiàn)sl對每一階段的不同值都有設定。
變速狀態(tài)流模型將會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。而且自由運動狀態(tài)被加入到這些階段以外的模型操縱桿的動作中。
輸入信息被用于在不同階段調節(jié)傳動運動。例如如果駕駛者在同步階段向前推動操縱桿。此傳動將會達到嚙合階段。廣義地講如果力突然被改變，對于自由運動狀態(tài)來講，傳動已經起作用了。
在傳動可以進行的條件下，這些狀態(tài)不僅依據(jù)位置和力，而且還依據(jù)時間。因此同步階段的延遲可以通過依據(jù)時間的外部傳動來實現(xiàn)。
運動相關的條件也與傳動和狀態(tài)有關。特別是一些對于邏輯變化的命令會根據(jù)當前的階段執(zhí)行。這種邏輯變化，包含關于當前的狀態(tài)信息，然后輸出到變速動力模型中，它會控制模擬參數(shù)的當前值。
3.1 模型的模擬
為了測試這種系統(tǒng)的效率，駕駛模型也可以在Simulink換進中應用。
被模型化的駕駛者假設他的力是成比例的，根據(jù)公式，相反的卻與變速桿的速度相關。
F=Fmax(1-) (3)
Vo是目標速度并被假設與在嚙合時所測得最大值相等，而Fmax與操作者用的最大力是相對應的。這樣一種駕駛者力的模型可隨不同駕駛者的動作而進行調整。
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)結果。嚙合過程中的所有主要階段均被該模型細化。為匹配力，位置，和與實驗結果的相關時間最大值，模型參數(shù)比較具有規(guī)律性。
表6：通過數(shù)字模擬，圖為力和位置相對于時間的輸出
3.2 實驗根據(jù)
2自由度反饋操縱桿被應用于進行嚙合系統(tǒng)的實驗根據(jù)。為達到目標要求，我們用Logitech的羽人力反饋操縱桿，一個有適宜的驅動器和控制面板的經濟實用機器。
該操縱桿安裝有2個直流發(fā)動機和2個模擬電位器，通過一個2自由度平行旋轉機制將電位器與手柄連接。這種機制可使操縱桿在2個同軸面旋轉。該馬達通過絞盤線傳輸系統(tǒng)傳遞扭矩，該系統(tǒng)提高了馬達的扭矩，降低了馬達和電位計間的相互抵制。
因為我們的目的是測試控制運算的效率。排除內置的控制處理器，將操縱桿與DSP DS1102 dSPACE面板相連接。通過預測，發(fā)現(xiàn)在操縱桿上有DSP預置的最大執(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力10Kg的十分之一。工作面積必要求的要小。為了評估控制運算，該模擬結果被加到圖3的實驗結論當中。希望控制運算能夠在PERCRO模型中較好地發(fā)揮功效，根據(jù)力的確認，該模型已被定下尺寸。
我們通過時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面板上運行。GUI的界面面板用來控制和從模擬中獲取數(shù)據(jù)。
在1KHz的頻率下進行所有的模擬實驗去解決所有關于模擬抽樣時間的問題。
內部的位置伺服環(huán)用于控制操縱桿和提供對變速模型的相互作用力。（見圖7）。當模擬操縱桿的位置y歸位到零時，模擬一個自由度的滑動限制。
表7：單軸控制
表7：單軸控制
以下的環(huán)節(jié)為得到的結果。力信號的錯誤是由模擬電位器產生的電噪音決定的。該信號噪音不能減弱嚙合的磨損。
第八節(jié)講的是被過濾（低通濾波的巴特沃斯過濾器和20Hz的切斷頻率）和不被過濾的力的信號。該曲線可以滿足實驗要求。嚙合的過程的感覺是真實的，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行。
表8：從錯誤的位置中預測的力信號
表9：中間輪變速時力與位置環(huán)的關系表
表8：從錯誤的位置中預測的力信號
表9：中間輪變速時力與位置環(huán)的關系表
4完整的變速模型
單齒輪嚙合后，我們進一步研發(fā)了完整的變速系統(tǒng)。（見圖10）。
被擴展的模型可被認為力的施加是由每個齒輪的滑動而產生的。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。根據(jù)與變速的不同狀態(tài)有關的數(shù)字領域中的x和y，變速的空間被劃分開來。一種稱為狀態(tài)流管理器的主要的狀態(tài)流模型，能區(qū)分出當前區(qū)域，并將這種信息輸入到x和y的控制器當中。在這些模型中，用戶的動作或是選擇一橫向齒輪或縱向齒輪會被區(qū)分，且回應狀態(tài)動作會被激活。當用戶明確的嚙合齒輪時，單齒輪的變速嚙合模型別激活來控制x位置?；瑒酉拗谱鳛闄C械阻抗被復制，限制操縱桿進入直線軌道。
圖10：變速的完整模型
表11中展示模擬工作場
表11：模擬的工作場（魚鱗狀）。
5 未來發(fā)展
在PERCRO實驗室中被精細化的(HI)對于變速模擬正在創(chuàng)建中?；谟布拗频目刂茊栴}將會有新的儀器來解決。事實上裝有高性能的選擇編碼器和DC少鐵芯伺服馬達的HI能夠把市價在操縱桿上的力增加到20Kg。而且運行空間對于儀器的要求和機械帶寬的大幅度提升是相等的。當前的工作結果將會被優(yōu)化來控制HI。
6 總結
此文章描述了對于手動變速模擬的HI控制運算法則。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\算法則的性能在2自由度力反饋操縱桿上即可提前預測并得到滿意結果。
7 感謝
作者感謝CRF（菲亞特技術中心）提供的技術支持。歐洲GROWTH協(xié)會所支持的研究項目，項目研究工程“虛擬”(感覺到的對駕駛任務和設計的人類環(huán)境改造質量測試的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng))在摘要nr.1990-RD.11030中。
參考文獻
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