汽车模拟器体感模拟滤波算法数字化实现

　　1　引言

　　体感模拟算法的目标是在模拟器运动系统上为驾驶员提供线加速度、角速度、角加速度等运动学动态的感觉信息,并传输给动感平台,控制其运动,使驾驶员获得与汽车实际行驶一致的动觉感知,从而实现身体感觉上的模拟。

　　有些关于车辆体感模拟算法的文献中,体感模拟滤波算法常用MATLAB仿真[3]的方法实现,其主要是给出原理、方法并证明其正确性。对于汽车驾驶模拟系统来说,计算实时性要求较高,应尽量减小延时。为满足在线计算编程的要求,算法需要经过数字化过程才能够用软件程序来实现。

　　2　体感模拟滤波算法

　　2.1　体感模拟滤波算法原理

　　体感模拟算法主要是通过适当的滤波方法,将动感平台不可能表现的车辆运动加速度低频信号转变为倾斜动作,用重力分量来模拟车辆运动惯性力的感觉,而高频振动信号则由动感平台复现。通常,体感模拟滤波算法采用经典方法———Washout滤波算法[2]来实现,图1所示为Washout滤波算法整体框架。

　　2.2　滤波传递函数阶数的确定

　　数字滤波器的设计直接决定了算法效果。滤波器阶数越高,效果越好,但考虑到驾驶模拟中信号滤波的实时性要求,使滤波造成的延时限制在允许范围内,并提高计算速度,

　　对于普遍情况,车辆处于匀加速行驶,在纵向直线方向,¨x = ax,ax是较稳定的低频信号,如果要在平台上复现运动信号中的高频信号,信号需要经过滤波处理:

　　式中:ζlx———纵向加速度低通滤波阻尼率;ωlx———纵向加速度低通滤波截止频率。

　　表达式括号中即为低通滤波器的传递函数,即式(6)所示。滤波后的加速度经过加权数值变换,转换为平台运动角度。

　　式(12)是S平面与Z平面之间的单值映射关系,这种变换都是两个线性函数之比,因此称为双线性变换。从S平面映射到S1平面,再从S1平面映射到Z平面,其映射情况如图3所示,由于从S平面到S1平面具有非线性频率压缩的功能,因此不可能产生频率混叠现象,这是双线性变换法比冲激响应不变法最大的优点。

　　4　信号滤波实例

　　本文用程序实现了以上滤波算法。图5为对加速度模拟信号进行高通、低通滤波结果;图6为虚拟车在虚拟场景中行驶时,对其纵向加速度数字信号滤波的结果。

　　由图5和图6中原始信号与滤波后信号的比较可见,通过滤波,将信号分为高频和低频信号,在加速度信号随时间变化平缓处,低频滤波信号与原始信号相似,该频段信号将转化为平台倾斜动作;而在加速度信号突变处,高频滤波信号明显,该频段信号将转化为平台平移动作,通过这样的转化用动感平台对虚拟车辆的姿态进行模拟,从而达到了体感模拟滤波的真正目的。