CN101807079B - 基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置 - Google Patents

基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置，属于汽车电子转向控制技术领域，该装置包括双刀双掷切换开关，由微处理单元、CAN总线通讯接口、DA转换器、电压跟随器构成的控制单元，以及十位绝对式光电编码器构成的转向测量单元；其中十位绝对式光电编码器的输出端与控制单元的微处理器输入端相连，双刀双掷切换开关使原车电动助力转向系统的电子控制单元与本装置控制单元的电压跟随器的输出端相连；微处理器输出端通过光电隔离器与DA转换模块的输入端相连，DA转换模块的输出端与电压跟随器的输入端相连；该装置充分利用原车资源，具有开发低成本、接口简单、易于安装、低功耗、手动/自动切换方便的特点。

Description

基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置
技术领域
本发明属于汽车电子转向控制技术领域，特别涉及基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置。
背景技术
随着科技的进步与发展，军事和民用两个方面均对车辆的智能性与安全性提出了越来越高的要求，如实现自动泊车、车辆主动安全、无人驾驶车辆导航、辅助残疾人驾驶等功能。为实现上述功能，车辆转向系统的自动控制技术处于核心地位。为实现车辆的转向自动控制，传统技术手段是为车辆转向系统加装额外的动力驱动装置，如美国国防部(DAPRA)组办的国际无人驾驶车大赛和我国在2009年举办的第一届智能车大赛中的无人驾驶车辆均采用在转向柱上外加直流伺服电机与传动机构的转向控制系统，这种控制方式缺点在于机械安装困难、开发周期长且成本高、控制精度易引入机械加工与安装误差、手动/自动切换不便、增加整车功耗等缺点。
汽车的转向助力系统已由机械液压助力转向发展为电动助力转向，典型的电动助力转向系统的结构及工作原理如图1，它由扭矩传感器、电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)、直流助力电机驱动器、直流助力电机、机械转向系统构成。其工作原理为：当驾驶员扭动方向盘，安装在转向柱上的扭矩传感器即可测量驾驶员施加的扭矩，并以电压信号形式送给原车转向助力转向系统的ECU；ECU根据测量的扭矩电压信号和助力特性曲线决定直流助力电机的目标电流，并根据电流反馈构成电流闭环控制；电流控制指令信号发送给直流电机驱动器完成功率放大，进而驱动助力电机运转，输出助力扭矩；电机产生的助力扭矩传给汽车机械转向系统，与驾驶员施加的扭力共同完成车辆的转向。为此，充分利用原车的电动助力转向系统，实现无人驾驶车辆的转向自动控制是可行途径。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置，该装置充分利用原车资源，具有开发低成本、接口简单、易于安装、低功耗、手动/自动切换方便的特点。
本发明提出的基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置，其特征在于：该装置包括双刀双掷切换开关，由微处理单元、CAN总线通讯接口、DA转换器、电压跟随器构成的控制单元，以及十位绝对式光电编码器构成的转向测量单元；所述控制单元的微处理器通过CAN通讯接口与上位计算机通讯，接受转向控制指令：作为转向测量单元的十位绝对式光电编码器的输出端与控制单元的微处理器输入端相连；通过双刀双掷切换开关将原车的电动助力转向系统的扭矩传感器输出与原车电动助力转向系统的电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)切断，使本装置控制单元的输出端接入原车电动助力转向系统的ECU；本装置的控制单元内各部件的连接关系为：微处理器的输出端通过光电隔离器与DA转换模块的输入端相连，DA转换模块的输出端与电压跟随器的输入端相连，电压跟随器的输出端为本装置控制单元的输出端；上述十位绝对式光电编码器安装在原车的转向柱上，双刀双掷切换开关固定在车内适当位置。
本发明的技术特点及有益效果：
本发明充分充分利用车辆原有的电子助力转向系统的直流助力电机、内部电流闭环，并通过本装置的绝对编码器来精确测量转向系统运动参数，形成了转向控制的位置闭环和速度闭环。该发明的实施，不仅实现按照车载巡航系统上位机的控制指令完成精确的转向位置、速度控制，还具有对车辆原有助力转向系统和性能影响小、与原车接口简单、安装方便、人工驾驶/自动驾驶切换方便、成本低等优点。本装置在无人驾驶车辆的转向自动控制、车辆主动安全、自动泊车、残疾人辅助驾驶等技术领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为车辆原有电动助力转向系统结构原理图；
图2为本发明实施例结构原理图；
图3为本发明实施例与车辆原有电动助力转向系统控的连接框图；
图4为本实施例的绝对式光电编码器安装位置图；
图5为本实施例的电压跟随器电路原理图。
具体实施方式
本发明提出的基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置结合附图及实施例详细说明如下：
本发明直接利用车辆电动助力转向系统(包括ECU、直流助力电机及驱动器、机械转向系统)，在无需破解原车电动助力转向系统ECU代码及通讯协议的基础上，采用本装置使得原车电动助力转向系统的ECU能够接收上位主控计算发出的汽车方向盘转动方向、目标速度、目标角位置指令信号，进而驱动助力电机动作，实现汽车转向系统角位移、角速度的精确控制，满足无人驾驶车辆、车辆主动安全及自动泊车对汽车转向自动控制的需要。
为实现上述意图，本发明提供的基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置的实施例结构如图2所示，该实施例包括双刀双掷切换开关，由微处理单元(PIC18F458单片机)、CAN总线通讯接口、DA转换器(MAX506AEWP四通道DA转换器)、电压跟随器(LM258双通道集成运算放大器构成)构成的控制单元，以及十位绝对式光电编码器(Omron公司E6F-AG5B十位绝对光电编码器)构成的转向测量单元；各器件的连接关系为：十位绝对式光电编码器的输出端与控制单元的微处理器输入端相连，双刀双掷切换开关作为本装置的输出端将原车的电动助力转向系统的扭矩传感器与原车电动助力转向系统的ECU切断，使原车电动助力转向系统的ECU与本装置控制单元的电压跟随器的输出端相连，如图3所示；本装置的控制单元的连接关系为：微处理器输出端通过光电隔离器与DA转换模块的输入端相连，DA转换模块的输出端与电压跟随器的输入端相连。
上述微处理器通过CAN通讯接口与上位机进行通讯；并通过CAN总线获取车辆巡航系统上位机的车辆转向、转角、转速指令信息；微控制器根据上位机给定的转向系统期望控制指令和绝对式光电编码器的反馈信息计算控制误差、执行控制算法，得到输出数字控制量；微控制器输出的数字量经过DA转换后生成两路互补模拟电压，模拟原车电动助力转向系统的两路扭矩传感信号，作为原车电动助力转向系统的ECU内部电流环的输入指令；
上述十位绝对式光电编码器安装在原车转向柱上，用以测量方向盘的转向、转角、转速，构成转向自动控制系统的位置、速度反馈闭环；
上述DA转换器生成的两路互补模拟电压信号需经过电压跟随器缓冲后再送入原车转向系统ECU；上述电压跟随器由原车电源供电，与原车电源共地。
上述双刀双掷切换开关固定在车内适当位置。
该装置工作原理结合图3所示说明如下：
装置工作时，由双刀双掷开关将原车电动助力系统的力矩传感器输出与原车ECU的输入端断开，进而将本发明的控制单元输出端接入原车电动助力转向系统的ECU；本装置控制单元的微处理器通过CAN通讯接口接受上位巡航主控计算机的控制命令(包括转向、转角、转速)；十位绝对式光电编码器测量机械转向系的角位移和角速度，微处理单元通过并行IO端口采集绝对编码器读数(经光电隔离)，得到当前转向系统的角位置、角速度，并与上位机发送的理想控制命令比较后得到控制误差信号，运行在微处理器内的控制流程根据控制误差信号计算数字控制信号并输出；数字控制信号经光电隔离后由DA转换器转化为原车电动助力转向系统ECU可接受的两路互补模拟电压，由电压跟随器(由原车电源供电、与原车电源共地)缓冲后输出至原车电动助力转向系统ECU，结合原车电动助力转向系统内部的电流环构成完整的直流电机三环控制系统，并最终由电动助力转向系统内部的直流电机驱动器驱动助力电机动作，实现精确的转向系统位置控制与速度控制。
本实施例的十位绝对式光电编码器的安装位置与结构如图4所示，十位绝对式光电编码器1与方向盘转向输出轴4平行布置，通过减速比1∶3的齿轮减速器减速(小齿轮2、大齿轮6)，可实现方向盘转角测量精度为0.12度。其中：大齿轮固定在方向盘转向输出轴4上；小齿轮2与绝对式光电编码器1的输出轴连接；绝对式光电编码器1通过固定架5和连接件3固定在车体内部；固定架5和方向盘转向输出轴4通过滚珠轴承连接。
本实施例的电压跟随器电路如图5所示，本实施例采用LM258双通道集成运算放大器构成两路电压跟随器。该芯片由经滤波后的原车电动助力转向系统ECU的+12电源单端形式供电，用于缓冲本发明实例产生的两路互补输出电压，实现本发明实施例与原车电动助力转向系统ECU接口的输入输出阻抗匹配。

Claims (1)

1.一种基于电动助力转向系统的无人驾驶车辆转向自动控制装置，其特征在于，该装置包括双刀双掷切换开关，由微处理器、CAN总线通讯接口、DA转换器、电压跟随器构成的控制单元，以及十位绝对式光电编码器构成的转向测量单元；所述控制单元的微处理器通过CAN总线通讯接口与上位计算机通讯，接受转向控制指令：所述的十位绝对式光电编码器的输出端与控制单元的微处理器输入端相连；该双刀双掷切换开关将原车的电动助力转向系统的扭矩传感器输出与原车电动助力转向系统的电子控制单元切断，使本装置控制单元的输出端接入原车电动助力转向系统的电子控制单元；本装置的控制单元内各部件的连接关系为：微处理器的输出端通过光电隔离器与DA转换器的输入端相连，DA转换器的输出端与电压跟随器的输入端相连，电压跟随器的输出端为本装置控制单元的输出端；上述十位绝对式光电编码器安装在原车的转向柱上，双刀双掷切换开关固定在车内适当位置。
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