CN100497062C - 自动转向系统 - Google Patents

Abstract

一种用于将越野车辆的常规手动转向系统转换为使用远程信号的自动转向系统。步进马达通过带或链传动装置连接安装在转向轴上端部的传动装置。步进马达连接微处理器，在手动转向模式和自动转向模式中都与转向轴一起移动。编码器为微处理器提供信号，如果编码器报告的步进数目不同于期望数目，则微处理器将操作改变到手动模式。包括可替换的转向盘、轴带轮、适配器插入件和步进电机的组件很容易连接转向柱。传动马达也可直接连接转向轴。

Description

自动转向系统

技术领域

[0001]本发明总体涉及用于车辆的自动转向系统，尤其是适应于多种具有不同转向机构的越野车辆的自动系统。

背景技术

[0002]目前用于越野车辆的自动转向系统，例如可从市场中购买得到的用于牵引车的John Deere GreenStarTM自动牵引辅助转向系统(Auto Trac assisted steering system)，典型地要求辅助电动液压转向控制系统与车辆上的转向系统互相作用。GPS系统信号和来自车载传感器的信号的组合被处理以便提供车辆的自动导向。电动液压阀、转向轮角度传感器、以及用于操作过载的转向盘运动传感器被要求控制手动系统和自动系统的互相作用。这种自动系统需花费很多小时来安装，要求了解车辆上的转向、液压和电子系统。自动系统必须特定地适应于车辆上独特的转向系统。系统的使用在某些车辆上受到限制，例如具有双路静液压转向的车辆。一些类型的自动转向系统，例如美国专利文献5,234,070中所示，要求特殊的离合器，其在一种转向模式中被分离。许多系统要求单独的转向轮角度传感器。

[0003]在另一种类型的系统中，具有接合转向盘的摩擦传动装置的电马达从转向柱被支撑。这种附加类型部件经常与系统不能很好地结合，开放式的摩擦传动装置展示出收缩点，易于在摩擦传动装置和转向盘处磨损。传动中的任何滑动会导致转向系统的不稳定，不利地影响转向精确性。该系统也缺乏惯性测量和实时运动(real timckinematics，RTK)特征，以满足自动转向应用中经常要求的精确性。

[0004]需要一种更简单、成本更低和更易于安装的自动转向系统，其最小化或者消除重要的转向系统修改和特殊离合器。还需要这样一种系统，其比至少大部分之前可获得的改进型系统更为精确和可靠，从功能和审美学上能更好地与大部分已有的转向机构结合。

发明内容

[0005]一种用于将越野车辆的常规手动转向系统转换为使用远程信号的自动转向系统。步进马达通过带或链传动装置连接安装在转向轴上端部的传动链轮齿或带轮。步进马达连接微处理器，在手动转向模式和自动转向模式中都与转向轴一起移动。编码器为微处理器提供信号，如果编码器报告的步进数目不同于期望数目，则微处理器将操作改变到手动模式。包括可替换的转向盘、轴带轮和步进电机的组件很容易连接转向柱，从功能和审美学上能更好地与许多越野车辆结合。将传动结构放置在转向轴最上端部附近有助于方便安装结构。组件设置有插入件，用于使特殊的转向轴结构适应传动链轮齿或带轮。在另一个实施例中，传动马达也可直接安装在轴端部，没有额外的传动装置。

[0006]转向结构可安装在许多车辆上，其具有各种液压或者机械辅助转向系统。转向轮角度传感器和致力于确定是否操作者已经手动移动转向盘的传感器不被要求。来自编码器的转向盘位置信号提供转向角度反馈，而不需要额外的传感器，该反馈用于控制算法以便改善车辆的性能、可靠性和稳定性。在实施例中，地形补偿信号提供给处理器以便进一步提高转向性能。进一步提高包括提供直接在马达上的带编码器的转向系统电子部件，以便允许系统能很容易地用最小数量的硬件连接车辆的控制器区域网络(CAN)线束。

具体而言，本发明的一个方面提供一种转向系统，其具有用于选择性转向越野车辆转向轮的手动和自动转向模式，所述越野车辆使用来自远离车辆的位置处的导向信号，所述转向系统包括：手动转向输入端，其用于手动模式中转向轮的操作者运动，包括手握部分的手动转向输入端连接可旋转的轴，用于在手动和自动转向模式中都与所述轴一起运动；马达；带轮结构，其在与手握部分偏置的位置处连接所述轴；传动装置，其连接马达和带轮结构；以及处理器，其连接马达，响应于用于致动马达的信号以便在自动转向模式中转向车辆；其中，所述处理器在自动转向模式中向马达提供转向信号，以便使轴旋转预定量，处理器响应于预定量和实际轴旋转之间的偏差将转向模式从自动模式改变到手动模式。

[0007]参考附图阅读下面详细的说明书后，本发明的这些和其它目的、特征和优势将变得清晰。

附图说明

[0008]图1是用于将手动转向系统转变为自动系统的转向结构的示意性展示。

[0009]图2是转向结构和安装组件的侧视图。

[0010]图3是图2中转向结构的分解图。

[0011]图4是备用实施例的侧面透视图，其显示与转向轴直接连接的转向马达。

具体实施方式

[0012]现在参考图1，其中所示的越野车辆10例如牵引车或者工业车辆具有操作台12，其由转向轮14支撑用于在地面上运动。轮14连接常规转向机构16，其包括支撑在转向柱22内部可旋转的转向轴20，所述转向柱在操作台12处向上突出。具有手握部分31的转向盘30支撑在轴20的上端部，用于操作者的手动转向操作。

[0013]如图所示，转向盘30是总体以32指示的转换结构的一部分，用于在通常仅装配手动转向的车辆上提供自动转向功能。可作为选择的，车辆的原始转向盘可安装在转换结构32上。带轮结构34被连接，用于与轴20一起相对于邻近转向盘30和轴20连接的位置处的轴线旋转。马达40从柱22被支撑。带轮结构44传动连接马达40和带轮结构34。如图所示，带轮结构34和44是由链、常规传动带或者定时带装置46连接的带轮。但是，也可使用其它类型的传动装置，例如齿轮传动。同样，如图4所示的实施例中所示，马达40’安装在转向轴20的端部，以便在与手握部分31偏置的位置处提供到轴20的直接传动。

[0014]移动处理器50放置在车辆10上，包括通过CAN线束54连接马达40的输入56的控制输出52。马达40上的位置反馈输出58连接处理器50的输入。如图所示，马达40是电动步进马达，反馈装置是放置在马达40上的编码器，其通过反馈线58提供指示马达40已移动的步进数目的信号。马达40在手动转向模式和自动转向模式中都保持传动连接转向轴20，以致编码器在两种模式下能为处理器50提供轴位置信号。

[0015]处理器50连接图1中总体以60指示的位置传感器结构，例如带有接收器61的常规全球定位系统(GPS)，其接收来自一个或多个远程位置的信号62。另外的修正输入可由RTK无线电设备63提供，例如基于微分修正输入的地面RTK，地形补偿输入可由地形补偿模块(TCM)65提供。当车辆10在不平整的地形上运动时，TCM65修正用于滚动角度和横摆的GPS数据。

[0016]系统60通过CAN54连接处理器50的输入。转向系统部件(SSU)70通过CAN线束71和系统连接器72连接CAN线束54。SSU70接收来自移动处理器50的控制信息，通过线58接收来自马达50上的编码器的位置反馈信息。通断和恢复开关78连接SSU70。

[0017]处理器50确定车辆位置，将该位置与车辆的理想位置和计划路径作比较。错误信号产生，依赖于该错误信号马达40被致动以便移动预先选择数目的步进。检测装置，例如地面速度检测器和侧向速度检测器，提供处理器50要使用的信号，以便增加自动转向系统的精确性。

[0018]如果由马达编码器报告给处理器50的步进数目超过了处理器期望的范围，则系统假定操作者想控制，系统切断步进马达40的电源。同样，如果编码器确定当处理器请求位置没有变化时存在转向盘运动，则中断马达40的电源。

[0019]适配器支架80(图4中的80’)将马达40连接到转向柱22或者其它邻近转向轴20上端部的常规位置。支架80包括U形夹82，所述U形夹与柱22固定，具有与一对臂86的端部可枢转连接的臂支撑84。第二对臂88可枢转连接臂86的另一端部，支撑马达安装件90。步进马达40通过螺栓连接安装件90，包括传动轴94，其接收带轮44。带轮结构34通过插入由螺栓104和卡环106固定的轴承结构100而被支撑，用于在安装件90上旋转。可代替的插入件110被约束在轴承结构100内部，用于与轴20的上端部和带轮34一起旋转。插入件110具有内部结构112，其适应于被转向轴20的花键或者键端部接收，用于被转换为自动转向的特殊车辆。罩118与安装件90固定，大体封闭带轮结构34和44。结构32通过选择性定位夹82和枢转臂86和88而很容易放置。当结构32与转向轴20上的插入件110正确放置时，连接机构80可锚固在固定表面上，以防止马达组件的旋转。

[0020]在图4所示的实施例中，转向轴20突出穿过马达40’。马达传动装置可包括通常如图3中以110所示类型的可替代的插入件，以容纳不同的轴结构。可使用包括扁平、轴向紧凑马达的不同类型和结构的马达40’。如图4所示，SSU70’可直接并入到马达中，所述马达具有编码器和在72’处与CAN线束54连接的CAN线束71’，因而最小化转换所需的硬件数量。

[0021]已经描述了优选实施例，显而易见，在不脱离所附权利要求书限定的本发明范围的情况下可做出各种修改。

Claims (18)

1、一种转向系统，其具有用于选择性转向越野车辆转向轮的手动和自动转向模式，所述越野车辆使用来自远离车辆的位置处的导向信号，所述转向系统包括：

手动转向输入端，其用于手动模式中转向轮的操作者运动，包括手握部分的手动转向输入端连接可旋转的轴，用于在手动和自动转向模式中都与所述轴一起运动；

马达；

带轮结构，其在与手握部分偏置的位置处连接所述轴；

传动装置，其连接马达和带轮结构；以及

处理器，其连接马达，响应于用于致动马达的信号以便在自动转向模式中转向车辆；

其中，所述处理器在自动转向模式中向马达提供转向信号，以便使轴旋转预定量，处理器响应于预定量和实际轴旋转之间的偏差将转向模式从自动模式改变到手动模式。

2、如权利要求1所述的转向系统，包括反馈传感器，该传感器连接马达，响应于操作者引起的轴旋转，以便在自动转向模式中向处理器提供手动过载指示。

3、如权利要求2所述的转向系统，其特征在于，马达包括步进马达，反馈传感器包括马达上的轴编码器。

4、如权利要求1所述的转向系统，其特征在于，手动转向输入端包括与轴固定的转向盘。

5、如权利要求1所述的转向系统，其特征在于，马达、带轮结构和传动装置支撑在选择性连接和拆卸的转向柱支架上。

6、如权利要求5所述的转向系统，其特征在于，手握部分可旋转地安装在可拆卸的转向柱支架上。

7、如权利要求1所述的转向系统，其特征在于，带轮结构包括插入元件，插入元件可替换，用于在不同的可旋转轴结构上安装带轮结构。

8、如权利要求1所述的转向系统，其特征在于，带轮结构包括下列之一：带传动装置和链传动装置。

9、一种转换结构，其用于将越野车辆从手动转向模式转换到自动转向模式，所述车辆具有带转向盘的转向柱，所述转向盘支撑在可旋转的转向轴上，所述转换结构包括：

传动带轮，其在与转向盘偏置的位置处连接转向轴，用于与轴一起旋转；

马达；

传动轴，其用于传动连接传动带轮和马达，以便在自动转向模式和手动转向模式中马达都能与转向轴一起运动；以及

处理器，其连接马达，响应于来自远离车辆的位置处的导向信号以便在自动模式中转向车辆。

10、如权利要求9所述的结构，其特征在于，传动带轮被支架结构支撑。

11、如权利要求9所述的结构，其特征在于，转向轴具有连接转向盘的最上端部，其中传动带轮连接最上端部，以便于安装转换结构。

12、一种转向系统，具有用于选择性转向越野车辆转向轮的手动转向模式和具有使用来自远离车辆的位置处的导向信号的自动转向模式，其中，越野车辆包括手动转向输入端，该输入端连接到一连接机构，用于在手动模式中操作者移动转向轮，包括手握部分的手动转向输入端连接该连接机构，用于在手动转向模式中与连接机构一起运动，一组件，用于在自动转向模式中帮助车辆的自动转向，所述组件包括：

转向传动马达；

传动装置，其连接马达以及与手握部分偏置的位置处的连接机构；

传动带轮，其在与转向盘偏置的位置处连接转向轴，用于与轴一起旋转；处理器，其连接马达，用于致动马达以便在自动转向模式中移动手握部分和转向车辆；

其中，转向传动马达包括转向输入位置传感器，其为处理器提供转向角度反馈信号；以及

其中，处理器响应于转向角度反馈信号和导向信号以转向车辆；

所述的转向系统还包括地形补偿传感器，其连接处理器，提供指示车辆行驶地形的地形信号，处理器响应于地形信号，以便在自动转向模式中转向车辆。

13、如权利要求12所述的转向系统，还包括实时运动结构，其连接处理器，实时运动结构提供实时运动信号，处理器响应于实时运动信号，以便在自动转向模式中转向车辆。

14、如权利要求12所述的转向系统，其特征在于，该组件在与连接机构的传动关系中放置在连接机构的一部分上。

15、如权利要求14所述的转向系统，其特征在于，连接机构包括可旋转的转向轴，其具有连接手握部分的最上端部，其中传动装置连接最上端部，以便于连接该组件和连接机构。

16、如权利要求15所述的转向系统，其特征在于，连接机构包括支架。

17、如权利要求12所述的转向系统，其特征在于，处理器连接GPS系统。

18、如权利要求12所述的转向系统，其特征在于，提供转向角度反馈的转向输入位置传感器放置在马达中，还包括放置在马达中的转向系统部件，其选择性地连接车辆上的控制器区域网络(CAN)线束。

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