CN104002861A - 一种智能车辆的转向装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶智能车辆转向装置及控制方法，它包括轮蜗杆减速电机，作为转向驱动机构；支架，用于将蜗轮蜗杆减速电机固定在车辆前车架上，并保持蜗轮蜗杆减速电机输出轴与转向器输入轴平行；编码器，所述编码器与蜗轮蜗杆减速电机后端的输出轴连接；同步带轮传动机构，所述同步带轮传动机构包括主动带轮和从动带轮；所述主动带轮固联在蜗轮蜗杆减速电机的输出轴；电磁离合器，电磁离合器主动端与从动带轮固连，电磁离合器从动端与转向器输入轴固连；以及非接触式零位检测机构与限位装置。本发明可实现控制无人驾驶智能车辆的自动转向，工作中自动转向和手动转向并行执行，可在自动转向模式和手动转向模式之间自由切换互不影响。

Description

一种智能车辆的转向装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能车辆技术领域，尤其一种智能车辆的转向装置及其控制方法。

背景技术

近年来，互联网技术的迅猛发展给汽车工业带来了革命性变化。与此同时，汽车智能化技术正逐步得到广泛应用，这项技术使汽车的操作更简单，行驶安全性也更好，而其中最典型也是最热门的未来应用就是无人驾驶汽车，谷歌无人驾驶汽车已经行驶超过80万km,实现了零事故。在欧洲，德国向宝马发放了许可证，西班牙也允许无人驾驶汽车上路行驶。沃尔沃一直致力于无人驾驶技术以求制造最安全的无人驾驶汽车，日产计划在2020年推出商用版无人驾驶汽车，通用、丰田和大陆集团也计划2020年推出无人驾驶汽车。在中国，无人驾驶汽车也正处于研发试验阶段。目前，各国已将智能车辆作为展示人工智能技术水平、引领汽车工业未来的重要平台，抢占技术先机，纷纷投入大量人力财力开展智能车辆的研究。

车辆控制技术是智能汽车技术的核心技术之一，智能车辆的自动转向性能也是衡量整车性能的重要指标，而智能车辆的转向控制传动装置作为转向动作的最终执行者，其执行效果直接影响智能车辆能否准确且实时地完成上层控制系统的指令，是整个智能车辆感知、规划、推理以及决策等智能能力的基础。然而，目前对于智能车辆的转向控制装置尚没有一套完善的体系结构也没有一套完美的控制方法。

对现有技术文献检索发现，中国专利申请号201010104800.X，公开日：2011年7月27日，名称：一种无人驾驶车辆转向装置及其控制方法，其发明采用一电机与编码器相连，相互啮合的蜗轮蜗杆作为减速器，蜗杆与电机的输出轴直接相连，一电磁离合器，其中涡轮与电磁离合器的主动端固连，电磁离合器的被动端与转向柱管固联，该专利能实现智能车辆的自动转向，但是该方案蜗杆减速器安装易产生误差降低传动效率及精度，且依然改装原有转向机构，并没与避免万向节的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种智能车辆的转向装置及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能车辆的转向装置,包括：

涡轮蜗杆减速电机，作为转向驱动机构；

支架，用于将蜗轮蜗杆减速电机固定在车辆前车架上，并保持蜗轮蜗杆减速电机输出轴与转向器输入轴平行；

编码器，所述编码器与蜗轮蜗杆减速电机后端的输出轴连接；

同步带轮传动机构，所述同步带轮传动机构包括主动带轮和从动带轮；所述主动带轮固联在蜗轮蜗杆减速电机的输出轴；

电磁离合器，电磁离合器主动端与从动带轮固连，电磁离合器从动端与转向器输入轴固连；

非接触式零位检测机构，包括固定安装在左悬架支撑杆上的零位传感器，和固定安装在左侧连接转向直拉杆与转向横拉杆之间的三角臂上的零位固定触动块；当所述零位触动块转动到零位传感器的正上方时，零位传感器能检测到触动块，判断处于零位；

限位装置，包括非接触式左限位检测装置和非接触式右限位检测装置；

所述非接触式左限位检测装置包括固定安装在左悬架支撑杆上的左限位检测器和固定安装在左侧连接转向直拉杆与横拉杆间的三角臂上的左限位固定块；当左前轮转角处于左限位状态时，左限位检测器能感应到左限位固定块；

所述非接触式右限位检测装置包括固定安装在右悬架支撑杆上的右限位检测器和固定安装在右侧梯形臂上的又限位固定块；当右前轮转角处于右限位状态时，右限位检测器能感应到右限位固定块。

按上述方案，所述同步带轮传动机构中的主动带轮与蜗轮蜗杆减速电机的涡轮输出轴采用键槽连接传递动力；所述同步带传动机构中的从动带轮与电磁离合器主动端过盈紧配合传递扭矩。

按上述方案，所述同步带轮传动机构包括同步带，所述同步带为齿形带或链条传动带。

按上述方案，所述电磁离合器为干式电磁离合器。

按上述方案，所述非接触式零位检测机构的零位传感器固定安装在右悬架支撑杆上，所述非接触式零位检测机构的零位固定触动块固定安装在右侧连接转向直拉杆与转向横拉杆之间的三角臂上。

一种使用上述智能车辆的转向装置的控制方法，包括以下步骤：（1）选择自动驾驶模式，电磁离合器通电吸合切入到自主转向模式，然后由零位检测器和零位触动块检测绝对零位，并对绝对零位进行校准标定使车辆处于直线行驶状态；

（2）当安置在无人驾驶车辆上的CCD摄像头检测到车辆中心线偏离车道中心线时，无人驾驶车辆主控制器MCU根据当时的工况包括计算得出的车道线偏离值以及当前的行驶车速插值得出转向盘转动方向以及应转动的角度和响应速度信号，由主控制器MCU发出指令，通过CAN网络通信传输；

（3）电机控制器接收到指令信号驱动蜗轮蜗杆减速电机开始带动转向器输入轴旋转，使转向车轮相应转动，在转向过程中始终判断左右限位传感器是否触发；

（4）若左限位传感器或右限位传感器检测到左限位触动块或右限位触动块的限位信号而被触发，则蜗轮蜗杆减速电机停止运行保持当前状态；

（5）若左限位传感器或右限位传感器没有被触发，且执行电机完成所驱动角度位置，则电机停止运行；

（6）完成一次无人驾驶智能车辆的自动转向任务。

按上述方案，一种用于上述智能车辆的转向装置转向时绝对零位的标定方法， 

车辆保持绝对直线行驶时方向盘所处的位置为绝对零位，零位检测器检测到零位触动块的零位信号时方向盘所处的位置为参考零位，绝对零位与参考零位间为固定的方向盘转角α；

方向盘绝对零位标定方法的具体步骤为：

（1.1）手动将方向盘调整到保持车辆直线行驶的位置状态；

（1.2）通电接合电磁离合器使车辆处于自动驾驶模式，驱动电机的位置控制器开始控制车辆前轮转向；

（1.3）零位检测器开始检测零位触动块感应零位信号；

（1.4）若未检测到零位触动块零位信号，蜗轮蜗杆减速电机开始转动，转向直拉杆拉动三角臂带动零位触动块转动，直至零位检测器到达参考零位，蜗轮蜗杆减速电机从参考零位开始反转并拉动三角臂带动零位触头反向转过α角度时，标定此时方向盘所处的位置为绝对零位；

（1.5）标定结束。

本发明产生的有益效果是：

1.本发明装置结构简单紧凑、成本低、响应快、传动效率高、智能化程度高；

2. 使用本发明装置可使原车已有转向装置和外观均不受到破坏，不占用驾驶室有限的空间，且新增自动转向装置与原有转向系统互不干涉相互适应，并且具有一定通用性。

 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例自动转向动力装置的结构示意图；

图2是本发明自动转向总装置结构示意图；

图3是本发明自动转向动力装置支架结构示意图；

图4是本发明自动转向限位装置零位示意图；

图5是本发明自动转向右转向极限位置示意图；

图6是本发明自动转向装置电气部分示意图；

图7是本发明自动转向装置的前轮转角零位初始化流程图；

图8是本发明自动转向装置的控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1，图2和图3，本发明的无人驾驶智能车辆自动转向装置，包括蜗轮蜗杆减速执行电机3，集成了相互啮合的涡轮蜗杆减速器；同步带轮传动机构5，其主动带轮4固联在蜗轮蜗杆减速电机的涡轮输出轴，另一端的从动带轮6固联在干式电磁离合器8的主动端8-1；干式电磁离合器8，同步从动带轮4与电磁离合器主动端8-1固连，转向器输入轴7与电磁离合器从动端8-2固连；固定支架1，用于将蜗轮蜗杆减速电机3固定在车辆前车架上，并保持蜗轮蜗杆减速电机3输出轴与上述转向器输入轴7平行；编码器2，连接在上述蜗轮蜗杆减速电机3后端的输出轴上。

如图4所示，非接触式零位检测机构由固定安装在左悬架支撑杆16上的零位传感器9，和固定安装在左侧连接转向直拉杆与转向横拉杆之间的三角臂上的零位固定触动块10构成，当所述零位触动块10转动到零位传感器9的正上方时，零位传感器9能检测到零位触动块10零位信号，判断处于零位；

如图5所示，非接触式左限位检测装置由固定安装在左悬架支撑杆16上的左限位检测器11和固定安装在左侧连接转向直拉杆与横拉杆间的三角臂上的左限位固定12构成，当左前轮转角处于左限位状态时，左限位检测器11能感应到左限位固定块12，判断处于左极限位置；非接触式右限位检测装置由固定安装在右悬架支撑杆17上的右限位检测器13和固定安装在右侧梯形臂上的又限位固定块14构成，当右前轮转角处于右限位状态时，右限位检测器13能感应到右限位固定块14，判断处于右极限位置。

如图6所示，电机控制器19一端通过CAN总线与主控制器MCU18进行通讯数据交换，主控制器MCU18采集CCD摄像头传来车道线信息、车速传感器信息进行实时处理，由数据库插值计算得出该工况下的转向响应，将信息传递给电机控制器19驱动执行电机3旋转，电机控制器也随时接受来自编码器2、霍尔传感器20、左限位检测器11和右限位检测器13反馈的信息，实时调整电机运行状态。

车辆保持绝对直线行驶时方向盘所处的位置为绝对零位，零位检测器9检测到零位触动块10的零位信号时方向盘所处的位置为参考零位，绝对零位与参考零位间为固定的方向盘转角,设为α。

如图7所示，方向盘绝对零位标定方法的步骤为：

步骤一，手动将方向盘调整到保持车辆直线行驶的位置状态；

步骤二，通电接合电磁离合器8使车辆处于自动驾驶模式；

步骤三，驱动电机位置控制器19开始控制车辆前轮15转向，零位检测器9开始检测零位触动块10感应零位信号，若未检测到零位触动块10零位信号，蜗轮蜗杆减速电机3开始转动；

步骤四，转向直拉杆拉动三角臂带动零位触动块10转动，直至零位检测器9到达参考零位；

步骤五，蜗轮蜗杆减速电机3从参考零位开始反转，驱动转向器反向转动；

    步骤六，转向器拉动三角臂带动零位触头10反向转过程序预设固定的α转角；

    步骤七，标定此时方向盘所处的位置为绝对零位，标定过程结束。

结合图6、图7和图8实现车辆自主转向的控制过程为：

    步骤一，选择自动驾驶模式，通电结合电磁离合器8；

    步骤二，车载CCD摄像头采集车道线信号，发送给自动驾驶主控制器MCU18，主控制器MCU18判断车辆是否偏离车道中心线，采集此时的车速信息进行实时处理，将处理后的信息传递给电机控制器19；

    步骤三，电机控制器19接收来自主控制器MCU的转向信息，并驱动执行电机3开始转动；

步骤四，电机控制器3检测是否已进行绝对零位标定，若没有进行绝对零位标定则先执行绝对零位标定；

步骤五，进行绝对零位标定，参照以上零位标定执行步骤；

步骤六，执行电机3经由电机控制器19驱动开始执行带动转向器运转；

步骤七，左右轮限位检测器（11、13）实时检测限位信号，若一侧检测到限位信号，则执行电机3停止运转，若左右轮限位检测器（11、13）均未检测到限位信号则执行电机3继续按照指令运行；

步骤八，执行电机3转过指令给定的角度，则执行电机3停止运行，完成一次自动转向过程。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种智能车辆的转向装置，其特征在于，包括：

涡轮蜗杆减速电机，作为转向驱动机构；

支架，用于将蜗轮蜗杆减速电机固定在车辆前车架上，并保持蜗轮蜗杆减速电机输出轴与转向器输入轴平行；

编码器，所述编码器与蜗轮蜗杆减速电机后端的输出轴连接；

同步带轮传动机构，所述同步带轮传动机构包括主动带轮和从动带轮；所述主动带轮固联在蜗轮蜗杆减速电机的输出轴；

电磁离合器，电磁离合器主动端与从动带轮固连，电磁离合器从动端与转向器输入轴固连；

非接触式零位检测机构，包括固定安装在左悬架支撑杆上的零位传感器，和固定安装在左侧连接转向直拉杆与转向横拉杆之间的三角臂上的零位固定触动块；当所述零位触动块转动到零位传感器的正上方时，零位传感器能检测到触动块，判断处于零位；

限位装置，包括非接触式左限位检测装置和非接触式右限位检测装置；

所述非接触式左限位检测装置包括固定安装在左悬架支撑杆上的左限位检测器和固定安装在左侧连接转向直拉杆与横拉杆间的三角臂上的左限位固定块；当左前轮转角处于左限位状态时，左限位检测器能感应到左限位固定块；

所述非接触式右限位检测装置包括固定安装在右悬架支撑杆上的右限位检测器和固定安装在右侧梯形臂上的又限位固定块；当右前轮转角处于右限位状态时，右限位检测器能感应到右限位固定块。

2.根据权利要求1所述的智能车辆的转向装置，其特征在于，所述同步带轮传动机构中的主动带轮与蜗轮蜗杆减速电机的涡轮输出轴采用键槽连接传递动力；所述同步带传动机构中的从动带轮与电磁离合器主动端过盈紧配合传递扭矩。

3.根据权利要求1所述的智能车辆的转向装置，其特征在于，所述同步带轮传动机构包括同步带，所述同步带为齿形带或链条传动带。

4.根据权利要求1所述的智能车辆的转向装置，其特征在于，所述电磁离合器为干式电磁离合器。

5.根据权利要求1所述的智能车辆的转向装置，其特征在于，所述非接触式零位检测机构的零位传感器固定安装在右悬架支撑杆上，所述非接触式零位检测机构的零位固定触动块固定安装在右侧连接转向直拉杆与转向横拉杆之间的三角臂上。

6.使用权利要求1至5所述的任一智能车辆的转向装置的控制方法，包括以下步骤：

（1）选择自动驾驶模式，电磁离合器通电吸合切入到自主转向模式，然后由零位检测器和零位触动块检测绝对零位，并对绝对零位进行校准标定使车辆处于直线行驶状态；

（2）当安置在无人驾驶车辆上的CCD摄像头检测到车辆中心线偏离车道中心线时，无人驾驶车辆主控制器MCU根据当时的工况包括计算得出的车道线偏离值以及当前的行驶车速插值得出转向盘转动方向以及应转动的角度和响应速度信号，由主控制器MCU发出指令，通过CAN网络通信传输；

（3）电机控制器接收到指令信号驱动蜗轮蜗杆减速电机开始带动转向器输入轴旋转，使转向车轮相应转动，在转向过程中始终判断左右限位传感器是否触发；

（4）若左限位传感器或右限位传感器检测到左限位触动块或右限位触动块的限位信号而被触发，则蜗轮蜗杆减速电机停止运行保持当前状态；

（5）若左限位传感器或右限位传感器没有被触发，且执行电机完成所驱动角度位置，则电机停止运行；

（6）完成一次无人驾驶智能车辆的自动转向任务。

7. 根据权利要求6所述的转向装置的控制方法，其特征在于，步骤1）中转向时绝对零位的标定方法为： 

车辆保持绝对直线行驶时方向盘所处的位置为绝对零位，零位检测器检测到零位触动块的零位信号时方向盘所处的位置为参考零位，绝对零位与参考零位间为固定的方向盘转角α；

方向盘绝对零位标定方法的具体步骤为：

（1.1）手动将方向盘调整到保持车辆直线行驶的位置状态；

（1.2）通电接合电磁离合器使车辆处于自动驾驶模式，驱动电机的位置控制器开始控制车辆前轮转向；

（1.3）零位检测器开始检测零位触动块感应零位信号；

（1.4）若未检测到零位触动块零位信号，蜗轮蜗杆减速电机开始转动，转向直拉杆拉动三角臂带动零位触动块转动，直至零位检测器到达参考零位，蜗轮蜗杆减速电机从参考零位开始反转并拉动三角臂带动零位触头反向转过α角度时，标定此时方向盘所处的位置为绝对零位；

（1.5）标定结束。