[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】具有二自由度力反馈操纵杆的手动变速模拟 -中文翻译

/ 1 具有二自由度力反馈操纵杆的手动变速模拟 摘要 二自由度反馈操纵杆用于模拟手动挡汽车的力反馈。该控制原则基于一种混合动力模型。根据动力模型的模拟和尺寸参数变化，决定了系统的运行状态。在相同的环境下，此操纵机械可以进行换挡，无论此操作是否在传动中是否可行。所得结果与汽车真实经验数据相匹配。模拟实验数据结果令人满意，并且该操纵杆可以给人一种真实的手动挡汽车的感觉。 1 简介 用于训练飞行员的汽车模拟器，特别是飞行模拟器可以安装各种控制装置，如加速器，减速器和离合器，变速装置以及方向盘来提高模拟的真实性。 在模拟系统内部 HI 的调整似乎提高了整体价值，提高了它们的功能性。 HI 可以使用逻辑性系统，同时还可以控制它们的机械反馈。模拟器使用者在测试中用这种方法通过改变动觉或触觉参数来评价汽车的性能。当考虑人类环境改造学方面的问题时，这种方法特别有用。 在正常的驾驶条件下，大多数模拟器当中的控制命令被认为正传感系统，用来细化相互作用的力变化。 用力控制的 HI 来代替方向盘，这种替换基于此种模拟器的一种内部数字模型而来的。 ATARI 公司申请了两项关于换挡模拟的专利。此仪器系统是根据变速杆应在至少两个齿轮中拨动的机制而研发出来的。第一项发明的机制是安装电动式离合器可以仅仅限制档位的移动。在档位杆处安装的精确的传感器和应变仪可以检测到档位的移动和力的大小。 在第二项发明当中，螺线管安装在选装装置中来控制作用力的大小。 这篇文章叙述了 HI 系统的控制规律的设计 ,并整合为汽车驾驶模拟器的档位变换 ,目的是在虚拟环境下提升汽车的内部的人类环境改造问题 .这种经济适用的力反馈操纵杆被用于评估控制算法 .这种控制规律将最终被应用到当前在PERCRO 结构下的一种二自由度的触觉内部模型 . 该篇文章内容结构如下 .本文第二部分扼要的介绍了手动传动变速的工作机理 .第三部分分析和讨论了在汽车上测试单齿轮传动的分析模型并比较了试验结果 ,以模拟该系统 .最后一部分描述了整体手动变速的控制规律 . 2 手动变速的机械性描述 在由离合器连接到发动机上的主轴和持续连接到不同单元甚至是轮轴的从动轴之间，变速杆可以改变齿轮传动率。进一步考虑到，离合器踏板总被踩到底。 在手动传动中，驾驶员可以横纵交叉的拨动变速杆来移动齿轮改变档位，那么如图 1 所示，我们将这两种方向假设为 X 和 Y 方向。外部的操控系统将变速杆与齿轮箱连接，通常被安装在汽车的前部。 在图 1 中，外部的档位变换要求可以通过改变联轴器的连接来改变档速的位置。 / 2 图 1：从驾驶员位置所看到的在变速箱中档速位置。使用不同的机械方法安装的，但主要的档位是灵活的（单或双波顿 n），精确的（连接和推变速杆）混合式的。驾驶者感觉这种被人接受的 方法会影响整体系统的协调性。 在齿轮箱中的联轴器通常定位的滑动到主轴或从动轴。例如我们可以假设，联轴器被安装在从动轴上（将第一和第二个齿轮啮合在一起是普遍现象）。如图2 所示，在主轴上的两个齿轮，长期与在从动轴上的两个相对应的不工作的齿轮相匹配。联轴器通过在传动轴上的滑动将其中的一个齿轮连接到从动轴上（相对应于变速杆 X 方向的拨动），因此在主轴与从动轴之间还可以进行传动。在齿轮没有啮合之前，因齿轮可以通过主轴驱动，所以联轴器与将要啮合的齿轮之间，会有一个相关的角度移动。为能够无声流畅的滑动，要啮合的的两个齿轮必须要有相同的角度移动速度。在两个阶段中可以通过中等同步齿轮实现：同步前和同步两个过程。在同步阶段后，齿轮将完全啮合。 2.1 齿轮齿啮合的三个阶段 在轮齿啮合的三个不同主要阶段，会有变速的部分作用力最为显著：同步，啮合，以及对机械制动的影响。因为齿轮变速是一个多体动力系统，每一阶段都有齿轮箱中的不同部分的相互作用。下面简单介绍一下在啮合过程中产生的力以不同阶段的关系 。 / 3 如图 2 所示，一个球弹簧系统（被安装在机械杠杆的底部）在被选择的齿轮位置对杠杆施加压力。因此原始的提前的加载力必须用于从平衡位置移动杠杆。 在杠杆释放后，另一加载力必须从它的中间位置移动传动轴。实际上，联轴器被第二个球弹簧机械系统（安装在变速箱内）固定在中间位置，它的作用是用来完成在同步齿轮和联轴器之间的柔性连接。此阶段为同步前阶段。 在同步阶段完成后，同步阶段开始。与同步齿轮相配合的联轴器将其本身推到相关齿轮处。同步齿轮的内部圆锥形表面与惰轮的外部圆锥形表面相接触，该惰轮的旋转由主轴拖动。由于两个部分的相关运动而改变的切线方向的摩擦力在轴向力中通过同步齿轮的锥形变形而被转变形式。轴向力会阻碍联轴器的进一步滑动。 在同步齿轮和惰轮之间，只要有相关的运动，就会存在联轴器（及变速杆）均会被锁定到固定位置并不会移动。仅仅当相对速度变为零时，同步阶段才会开始并且联轴器能继续它的滑动。 在同步过程结束时，同步齿轮相啮合的齿和惰轮会接触并最终啮合。由耦合齿面接触产生的作用力是任意的，因为该作用力是在啮合时在齿的相对位置产生的。完全啮合后，安装在球弹簧系统上的变速杆会到达机械止点并停止。 / 4 图 3 和图 4 所示的数据是由在实验汽车上通过传感器测试变速杆所得到的。两条曲线反映了关于时间和啮合位置的典型的力的特征曲线。 表 3：力和位置关系。时间为当第一级档位变换时在操纵杆上测得的。（ CRF 的 courtesy） 表 4：力和位置的关系，当中间第一个齿轮变速时在操纵杆上测得的。（ CRF的 courtesy） 同步个过程前的阶段仅仅产生一种可忽略的力的峰值并逐渐下降。 在同步阶段期间，力和位置的关系在一定的时间范围内持续一段距离，如图 / 5 3 所示，力达到了它的最大值。 啮合阶段的显著特征是被分离的力达到最大值，通常比同步阶段的力的最大值要低。而且这样的峰值力的大小在每次变速时不都是迅速的，且变化比较显著。在啮合期间位置保持时间短且迅速，可以通过在齿轮箱中直接测量的数据反映出来。 如图 4 所示同步阶段和啮合阶段的高峰期时的值较精确。关于试验车的记录数据表明在大约 8 牛顿的力时同步高峰期持续 0.3 毫秒。由于轮齿的影响，啮合高峰期时间比较长。力的双冲击在啮合过程中比较典型，让驾驶者感觉到种齿轮啮合感觉。 最后一阶段会提高停止点的影响峰值。因为来自外面的命令，变速杆可以通过弹性阻尼系统而被定位，拨杆的位置会有一个超越点，但随后相对于平衡点而言会逐渐的恢复，如图 3 所示。 手动变速的驾驶者将力施加在变速杆上，变速主要通过同步阶段，啮合阶段及最后阶段的影响来决定的。因此变速的真实模拟必须精化三个阶段。 3 变速啮合模型 齿轮变速的分析模型被应用于提升对操作者的准确反馈。从实验分析的数据来看，我们选择模型变速的不同阶段，这些阶段会适应有不同细化阶段（每个细化的阶段都在变速阶段范围内）的动力系统，与本身混合模型相关的变速反应通过 MATLAB Simulink/Stateflow module 而提高。 变速啮合模型，如图 5 所示，作为输入 驾驶者施加在操纵杆上的力和操纵杆上的位置输出，速度输出。该模型可以分为两个部分： 1：在齿轮阶段的一时间持续变化的动力系统（变速动力系统） 2：决定变速杆的位置上和操纵者施加力的基础上齿轮的阶段的一细化状态的装置（变速的状态流）。 变速动力系统被用作参数机械系统，该系统由质量 m，弹簧劲度系数 k，阻尼系数 c 和滑动摩擦： Fdr = mx + cx_ s + k(x x0) + Ffr 表 5：变速啮合模型 / 6 Fdr 是驾驶者的力， x 是位置，摩擦力 Fdr 如下给出： Fdr if Fdr-cx-k（ x-x0） Fst Fdr = （ 2） else Fst Fst 和 Fsl 相对静态和动态的摩擦影响。通过变速模型，参数 m， k， c，x0， Fst， Fsl 对每一阶段的不同值都有设定。 变速状态流模型将会接收到有驾驶者操纵杆的位置 x 和力的输入。模型的具体状态代表以前部分所描诉部分不同的变速状态，即同步状态，啮合状态和最终的影响。而且自由运动状态被加入到这些阶段以外的模型操纵杆的动作中。 输入信息被用于在不同阶段调节传动运动。例如如果驾驶者在同步阶段向前推动操纵杆。此传动将会达到啮合阶段。广义地讲如果力突然被改变，对于自由运动状态来讲，传动已经起作用了。 在传动可以进行的条件下，这些状态不仅依据位置和力，而且还依据时间。因此同步阶段的延迟可以通过依据时间的外部传动来实现。 运动相关的条件也与传动和状态有关。特别是一些对于逻辑变化的命令会根据当前的阶段执行。这种逻辑变化，包含关于当前的状态信息，然后输出到变速动力模型中，它会控制模拟参数的当前值。 3.1 模型的模拟 为了测试这种系统的效率，驾驶模型也可以在 Simulink 换进中应用。 被模型化的驾驶者假设他的力是成比例的，根据公式，相反的却与变速杆的速度相关。 F=Fmax(1- ) (3) 0vxVo是目标速度并被假设与在啮合时所测得最大值相等，而 Fmax与操作者用的最大力是相对应的。这样一种驾驶者力的模型可随不同驾驶者的动作而进行调整。 驾驶者模型可作为闭环速度（变速啮合模型的位置输出在这种模拟中不被使用）中变速啮合模型的界面。 图 6所示为在模拟中的数据结果。啮合过程中的所有主要阶段均被该模型细化。为匹配力，位置，和与实验结果的相关时间最大值，模型参数比较具有规 / 7 律性。 表 6：通过数字模拟，图为力和位置相对于时间的输出 3.2 实验根据 2自由度反馈操纵杆被应用于进行啮合系统的实验根据。为达到目标要求，我们用 Logitech的羽人力反馈操纵杆，一个有适宜的驱动器和控制面板的经济实用机器。 该操纵杆安装有 2个直流发动机和 2个模拟电位器，通过一个 2自由度平行旋转机制将电位器与手柄连接。这种机制可使操纵杆在 2个同轴面旋转。该马达通过绞盘线传输系统传递扭矩，该系统提高了马达的扭矩，降低了马达和电位计间的相互抵制。 因为我们的目的是测试控制运算的效率。排除内置的控制处理器，将操纵杆与 DSP DS1102 dSPACE面板相连接。通过预测，发现在操纵杆上有 DSP预置的最大执行力约 10牛顿，该力是我们需要在装置中提升性能的目标力 10Kg的十分之一。工作面积必要求的要小。为了评估控制运算，该模拟结果被加到图 3的实验结论当中。希望控制运算能够在 PERCRO模型中较好地发挥功效，根据力的确认，该模型已被定下尺寸。 我们通过时间工具栏将操纵杆定为 Matlab 环境的界面。下载该模型直接在DSP面板上运行。 GUI的界面面板用来控制和从模拟中获取数据。 在 1KHz的频率下进行所有的模拟实验去解决所有关于模拟抽样时间的问题。 内部的位置伺服环用于控制操纵杆和提供对变速模型的相互作用力。（见图 7）。当模拟操纵杆的位置 y归位到零时，模拟一个自由度的滑动限制。 表 7：单轴控制 / 8 以下的环节为得到的结果。力信号的错误是由模拟电位器产生的电噪音决定的。该信号噪音不能减弱啮合的磨损。 第八节讲的是被过滤（低通滤波的巴特沃斯过滤器和 20Hz的切断频率）和不被过滤的力的信号。该曲线可以满足实验要求。啮合的过程的感觉是真实的，在驾驶中并伴有缓慢的齿轮啮合。尽管由于硬件的限制不能提高系统的更多性能，但被分离的控制算法似乎可以更好的运行。 表 8：从错误的位置中预测的力信号 / 9 表 9：中间轮变速时力与位置环的关系表 4完整的变速模型 单齿轮啮合后，我们进一步研发了完整的变速系统。（见图 10）。 被扩展的模型可被认为力的施加是由每个齿轮的滑动而产生的。 y轴是由较低数字状态的参数模型控制的，与 x轴模型有关。根据与变速的不同状态有关的数字领域中的 x和 y，变速的空间被划分开来。一种称为状态流管理器的主要的状态流模型，能区分出当前区域，并将这种信息输入到 x和 y的控制器当中。在这些模型中，用户的动作或是选择一横向齿轮或纵向齿轮会被区分，且回应状态动作会被激活。当用户明确的啮合齿轮时，单齿轮的变速啮合模型别激活来控制 x位置。滑动限制作为机械阻抗被复制，限制操纵杆进入直线轨道。 / 10 图 10：变速的完整模型 表 11中展示模拟工作场 / 11 。 5 未来发展 在 PERCRO实验室中被精细化的 (HI)对于变速模拟正在创建中。基于硬件限制的控制问题将会有新的仪器来解决。事实上装有高性能的选择编码器和 DC少铁芯伺服马达的 HI能够把市价在操纵杆上的力增加到20Kg。而且运