CN106143135B - 基于直觉驾驶理念的四轮独立转向独立驱动车辆控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的基于直觉驾驶理念的四轮独立转向独立驱动车辆控制系统，属于车辆控制系统技术领域，包括由整车控制单元、运动学控制单元及动力学控制单元组成的整车控制器，由仪表显示单元及用户指令单元组成的人机交互界面，由路面信息处理系统及车辆信息处理系统组成的次级信息处理系统，由摄像头/激光雷达及加速度计、速度传感器、转向角传感器组成的传感器，由各轮驱动电机控制器、各轮转向电机控制器及力反馈控制器组成的次级控制器，由各轮驱动电机、各轮转向机及方向盘组成的执行器；本系统稳定性高、可控自由度大、结构简单和成本低，通过传感器获得路况和周边环境信息，自动修正驾驶员控制指令，实现基于直觉的轻松驾驶。

Description

基于直觉驾驶理念的四轮独立转向独立驱动车辆控制系统
技术领域
本发明属于车辆控制系统技术领域，尤其涉及一种基于直觉驾驶理念的四轮独立转向独立驱动车辆控制系统的设计。
背景技术
传统车辆采用前轮转向的转向模式，两个前轮的方向一定是相同的，两个后轮的方向也是相同的，只能实现车轮小偏向角、大转向半径的转向操作。而人行走时可以灵活转身，原地改变自己的前进方向，也可以侧向迈步，这使得我们在避让障碍的时候有很好的灵活性。因此，传统车辆驾驶模式与人类行走模式存在差异，即人类不能像控制自己的双腿一样灵活自如地依照直觉驾驶车辆。
现有的汽车转向系统，虽已从简单的纯机械式转向系统、液压动力转向系统、电动液压助力转向系统发展到更为节能及操纵性能更为优越的电动助力转向系统，改善了汽车转向力的控制特性，降低了驾驶员的转向负担，然而仍采用的是机械传动模式，转向传动比固定，转向特性较差。近年来，一些车企采用电子线控转向系统(Steering By WireSystem)，使转向盘与转向轮通过控制信号连接，改善了汽车转向的角传递特性，但仍采用的是传统转向模式，即前轮转向(2WS)或是四轮转向(4WS)，浪费了电子线控转向系统四轮转向角可独立的优势。
发明内容
为了克服已有技术的不足支出，本发明提供一种基于直觉驾驶理念的四轮独立转向独立驱动车辆控制系统，本系统稳定性高、可控自由度大、结构简单和成本低，通过传感器获得路况和周边环境信息，对驾驶员控制指令进行自动修正，在由驾驶员驾驶的模式中，将驾驶员从紧张的对路况和周边环境状况判断决策的任务中解放出来，实现基于直觉的轻松驾驶。
本发明提供的一种基于直觉驾驶理念的四轮独立转向独立驱动车辆控制系统，其特征在于，应用于四轮独立转向且四轮电机独立驱动车辆上的本车辆控制系统包括由整车控制单元、运动学控制单元及动力学控制单元组成的整车控制器，由仪表显示单元及用户指令单元组成的人机交互界面，由路面信息处理系统及车辆信息处理系统组成的次级信息处理系统，由摄像头/激光雷达及加速度计、速度传感器、转向角传感器组成的传感器，由各轮驱动电机控制器、各轮转向电机控制器及力反馈控制器组成的次级控制器，由各轮驱动电机、各轮转向机及方向盘组成的执行器；其中，整车控制器负责所述各单元的管理与协调；摄像头/激光雷达安装在车身上；加速度计、速度传感器、转向角传感器中的加速度计、速度传感器均安装在车架上，转向角传感器安装在车架上靠近车架与转向架相连的位置；各轮驱动电机安装在各轮轮毂内、各轮轮毂侧面或制动底板上，各轮转向电机安装在车架上靠近车架与转向架相连的位置，方向盘安装在驾驶员前方；仪表显示单元、用户指令单元均安装在驾驶员前方面板处；
上述各器件的连接关系为：整车控制器内部，动力学控制单元、运动学控制单元、整车控制单元依次连接；整车控制单元分别与仪表显示单元和用户指令单元连接；摄像头/激光雷达，加速度计、速度传感器、转向角传感器，各轮驱动电机，各轮转向电机，方向盘分别通过路面信息处理系统，车辆信息处理系统，各轮驱动电机控制器，各轮转向电机控制器，反馈控制器与整车控制单元连接。
本发明的特点及有益效果：
本发明由于采用了可实现四轮独立转向的四轮电机独立车轮，不再有驱动轮之间的机械连接，四个轮子可以进行独立的驱动力分配，增加了车辆的运动自由度，因此大大改善了车辆的可操纵性并提高了车辆转向的灵活性，进而实现横向移动、原地转向等与人类行走模式相符的直觉驾驶模式。
附图说明
图1是本发明车辆控制系统的组成结构示意图。
图2是本发明车辆控制系统提供的直觉驾驶(E-Drive或I-Drive)模式的信息传递示意图。
具体实施方式
本发明提供的基于直觉驾驶理念的四轮独立转向独立驱动车辆控制系统结合附图详细说明如下：
本发明所述基于直觉驾驶理念的四轮独立转向独立驱动车辆控制系统需应用在四轮可独立转向的四轮电机独立驱动车辆上，此种车辆具备的特点是每个车轮均可连续大于90度转向，每个车轮的转向角任意变化。
本发明车辆控制系统的结构组成如图1所示，包括由整车控制单元11、运动学控制单元12及动力学控制单元13组成的整车控制器1，由仪表显示单元21及用户指令单元22组成的人机交互界面2，由路面信息处理系统31及车辆信息处理系统32组成的次级信息处理系统3，由摄像头/激光雷达41及加速度计、速度传感器、转向角传感器42组成的传感器4，由各轮驱动电机控制器51、各轮转向电机控制器52及力反馈控制器53组成的次级控制器5，由各轮驱动电机61、各轮转向机62及方向盘63组成的执行器6；其中，整车控制器11负责所述各单元的管理与协调；所述摄像头/激光雷达41安装在车身上；所述加速度计、速度传感器、转向角传感器42中的加速度计、速度传感器均安装在车架上，转向角传感器安装在车架上靠近车架与转向架相连的位置；所述各轮驱动电机61安装在各轮轮毂内、各轮轮毂侧面或制动底板上，所述各轮转向电机62安装在车架上靠近车架与转向架相连的位置，所述方向盘63安装在驾驶员前方；所述仪表显示单元21、用户指令单元22均安装在驾驶员前方面板处；
上述各器件的连接关系为：整车控制器1内部，动力学控制单元13、运动学控制单元12、整车控制单元11依次双向连接；整车控制单元11分别与仪表显示单元21和用户指令单元22单向连接；摄像头/激光雷达41，加速度计、速度传感器、转向角传感器42，各轮驱动电机61，各轮转向电机62，方向盘63分别通过路面信息处理系统31，车辆信息处理系统32，各轮驱动电机控制器51，各轮转向电机控制器52，反馈控制器53与整车控制单元11单向连接。
上述各器件的具体实现方式及功能分别说明如下：
在所述整车控制器1内部，整车控制器单元11与运动学控制单元12连接，进而与动力学控制单元13连接，整车控制单元11将驾驶员所选择的驾驶模式传递给运动学控制单元12，运动学控制单元将计算得到的各车轮合理转向角、整车转向中心与转弯半径传递给动力学控制单元13，动力学控制单元13将计算得到的各车轮合理力矩传递给运动学控制单元12，运动学控制单元12将计算得到的各车轮的转向角、各车轮的角速度与角加速度信息传递给整车控制单元11。
所述整车控制单元11将从传统仪表盘中获得的车辆速度、可行驶里程数等传统仪表信息及从路面信息处理系统31获得的周围地图、周围车辆车距、周围车辆速度等信息传递给仪表显示单元21进行显示，用户指令单元12接受用户输入的驾驶模式指令并传递给整车控制单元11。
所述路面信息处理系统31与摄像头/激光雷达41连接，处理摄像头/激光雷达41得到的图像信息并计算得到包括周围车辆位置、速度信息及路面障碍信息；路面信息处理系统31将周围车辆的位置、速度信息及路面障碍信息反馈给整车控制单元11。
所述车辆信息处理系统32与加速度计、速度传感器、转向角传感器42连接，处理加速度计、速度传感器、转向角传感器42得到的数据进而得到车辆自身的加速度和速度、以及各车轮的转向角信息；车辆信息处理系统32将车辆自身的加速度和速度、以及各车轮的转向角信息反馈给整车控制单元11。
所述各轮驱动电机控制器51与各轮驱动电机61电性连接，并分别控制所述各轮驱动电机转动；各轮驱动电机控制器51将从各轮驱动电机61得到的电机转速信号反馈给整车控制单元11。
所述各轮转向电机控制器52与各轮转向电机62电性连接，并分别控制各轮转向电机62转动；各轮转向电机控制器52将从各轮转向电机62得到的电机转角位置信号反馈给整车控制单元11。
所述力反馈控制器53与方向盘63连接，并控制方向盘63的反馈扭矩；力反馈控制器53将从方向盘63得到的方向盘角度位置信息反馈给整车控制单元11。
本实施例中，根据驾驶员选定的车辆转向模式，车辆可分别工作在原地转向模式，可变转弯中心、转弯半径模式，传统转向模式等转向模式；其中，原地转向模式中，其转向中心为车辆几何中心，车辆的转向半径R＝0；可变转弯中心、转弯半径模式中，转向中心为车辆运动平面内任意点，且转向半径为任意大小的转向模式。所述不同转向模式之间的切换都是由整车控制单元11对各车轮转向角和车轮转速施加不同的约束完成，如原地转向模式中，左前轮和右后轮的转角相同，右前轮和左后轮的转角相同且与左前轮和右后轮的转角反向，全部车轮转速相同。整车控制单元11综合周围环境的位置与速度信息，当预期行驶路线前方存在障碍时，所述仪表显示单元21提示警告信息，整车控制单元11重新规划行驶路径。
路径规划的具体实施方式有多种，如给定路径规划的起始点和终止点，先将激光雷达得到的具有障碍物点云信息的地图分格，变成具有有限离散节点的地图，利用A*算法对选择起始点与终止点之间的较优路径，当车辆沿所规划路径行驶一定时间间隔后，再次指定起始点与终止点，重复上述过程，从而进行路径规划。
本发明以所述各轮驱动电机62作为各轮的动力源，抛弃了传统车辆结构的发动机和复杂的传动机构，极大的简化了底盘的结构，进而减少了整车重量，提高了传动效率，保证了四轮独立转向独立驱动车辆控制系统可靠的转向性能，又由于采用了可实现四轮独立驱动、独立转向的各轮驱动电机61、各轮转向电机62驱动车轮，不再有驱动轮之间的机械连接，四个轮子可以进行独立的驱动力分配，增加了车辆的运动自由度，因此大大改善了车辆的可操纵性并提高了车辆转向的灵活性，进而实现横向移动、原地转向等与人类行走模式相符的直觉驾驶模式。
本发明的车辆控制系统主要提供三种驾驶模式：不需要人工干预的自主驾驶模式(Free Drive，简写为F-Drive)，由本控制系统进行辅助的直觉驾驶模式(IntuitiveDrive，简写为I-Drive)，完全由人来控制的人工驾驶模式(Manual Drive，简写为M-Drive)；直觉驾驶模式也可以称为轻松驾驶模式(Easy Drive，简写为E-Drive)。
本发明控制系统提供的直觉驾驶模式的信息传递过程如图2所示，人(即驾驶员)0通过人机交互界面2向整车控制器1传达行驶、加速、超车、边线、泊车、倒车操作等期望车辆运动的信息(即驾驶员控制指令)，整车控制器1综合传感器4通过次级信息处理系统3传达的周围车辆位置、速度信息及路面障碍信息，对所述驾驶员控制指令进行自动修正，整车控制器1将修正后的控制指令通过次级控制器5传递给执行器6，并由执行器进行驱动电机的驱动、转向电机的的转向和方向盘的力反馈，得到执行器的执行结果7，即车辆运动状态的变化，其中包括车辆行驶速度、横摆角速度与车辆位置与车身方向的变化等，所述执行结果7将可被人0及传感器4感知。
直觉驾驶(E-Drive或I-Drive)模式的作用在于通过增加所述传感器4的反馈压力，从而降低所述人的反馈压力，所述人的反馈压力即指人通过身体的各器官感受到车辆运动状态变化及车辆行驶环境变化后需要对驾驶指令进行调整的压力，如调节方向盘的转向角，调节车速，调节用户指令单元的输入等。增加传感器的反馈压力，降低人的反馈压力即通过整车控制器判断驾驶者的操控意图，通过传感器获取车辆运动状态、车辆行驶环境的信息，进而直接调整控制指令，实现驾驶者的操控意图；即使驾驶员的控制指令不正确，也能保持车辆的正常安全行驶，如前方出现障碍物时，即使人的方向盘转角调整不正确，利用传感器的控制回路也能调整控制指令，保证不出现撞到障碍物的情况。直觉驾驶(E-Drive或I-Drive)模式适用于原地转向模式，可变转弯中心、转弯半径模式和传统转向模式。
自主驾驶模式(F-Drive)只由传感器获取车辆运动状态变化与车辆行驶环境变化，并仅由整车控制器发出控制指令。人工驾驶模式(M-Drive)只由人获取车辆运动状态变化与车辆行驶环境变化，只由驾驶员发出控制指令。所述自主驾驶模式和人工驾驶模式均为公知技术。
本发明所述各控制器或控制单元的功能均可由编程人员通过常规的编程技术予以实现。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定与限定，术语“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，可以是通过中间媒介简介相连，也可以是两个元件内部的连通。

Claims (6)

1.一种基于直觉驾驶理念的四轮独立转向独立驱动车辆控制系统，其特征在于，应用于四轮独立转向且四轮电机独立驱动车辆上的车辆控制系统包括由整车控制单元、运动学控制单元及动力学控制单元组成的整车控制器，由仪表显示单元及用户指令单元组成的人机交互界面，由路面信息处理系统及车辆信息处理系统组成的次级信息处理系统，由摄像头/激光雷达及加速度计、速度传感器、转向角传感器组成的传感器，由各轮驱动电机控制器、各轮转向电机控制器及力反馈控制器组成的次级控制器，由各轮驱动电机、各轮转向电机及方向盘组成的执行器；其中，整车控制器负责所述各单元的管理与协调；摄像头/激光雷达安装在车身上；加速度计、速度传感器、转向角传感器中的加速度计、速度传感器均安装在车架上，转向角传感器安装在车架上靠近车架与转向架相连的位置；各轮驱动电机安装在各轮轮毂内、各轮轮毂侧面或制动底板上，各轮转向电机安装在车架上靠近车架与转向架相连的位置，方向盘安装在驾驶员前方；仪表显示单元、用户指令单元均安装在驾驶员前方面板处；
各器件的连接关系为：整车控制器内部，动力学控制单元、运动学控制单元、整车控制单元依次连接；整车控制单元分别与仪表显示单元和用户指令单元连接；摄像头/激光雷达，加速度计、速度传感器、转向角传感器，各轮驱动电机，各轮转向电机，方向盘分别通过路面信息处理系统，车辆信息处理系统，各轮驱动电机控制器，各轮转向电机控制器，反馈控制器与整车控制单元连接；
在所述整车控制器内部，整车控制器单元与运动学控制单元连接，进而与动力学控制单元连接，整车控制单元将驾驶员所选择的驾驶模式传递给运动学控制单元，运动学控制单元将计算得到的各车轮合理转向角、整车转向中心与转弯半径传递给动力学控制单元，动力学控制单元将计算得到的各车轮合理力矩传递给运动学控制单元，运动学控制单元将计算得到的各车轮的转向角、各车轮的角速度与角加速度信息传递给整车控制单元；
所述整车控制单元将从传统仪表盘中获得的传统仪表信息及从路面信息处理系统获得的周围地图、周围车辆车距、周围车辆速度信息传递给仪表显示单元进行显示，用户指令单元接受用户输入的驾驶模式指令并传递给整车控制单元；
所述路面信息处理系统与摄像头/激光雷达连接，处理摄像头/激光雷达得到的图像信息并计算得到包括周围车辆位置、速度信息及路面障碍信息；路面信息处理系统将周围车辆的位置、速度信息及路面障碍信息反馈给整车控制单元；
所述车辆信息处理系统与加速度计、速度传感器、转向角传感器连接，处理加速度计、速度传感器、转向角传感器得到的数据进而得到车辆自身的加速度和速度、以及各车轮的转向角信息；车辆信息处理系统将车辆自身的加速度和速度、以及各车轮的转向角信息反馈给整车控制单元；
所述各轮驱动电机控制器与各轮驱动电机电性连接，并分别控制所述各轮驱动电机转动；各轮驱动电机控制器将从各轮驱动电机得到的电机转速信号反馈给整车控制单元；
所述各轮转向电机控制器与各轮转向电机电性连接，并分别控制所述各轮转向电机转动；各轮转向电机控制器将从各轮转向电机得到的电机转角位置信号反馈给整车控制单元；
所述力反馈控制器与方向盘连接，并控制方向盘的反馈扭矩；力反馈控制器将从方向盘得到的方向盘角度位置信息反馈给整车控制单元。
2.如权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于，所述车辆控制系统提供三种转向模式：原地转向模式，可变转弯中心、转弯半径模式以及传统转向模式；其中，原地转向模式中转向中心为车辆几何中心，车辆的转向半径R＝0；可变转弯中心、转弯半径模式中转向中心为车辆运动平面内任意点，且转向半径为任意大小的转向模式；所述传统转向模式，即前轮转向或是四轮转向；所述三种转向模式都是由整车控制单元对各车轮转向角和车轮转速施加不同的约束完成。
3.如权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于，所述的四轮独立转向且四轮电机独立驱动车辆，每个车轮均连续大于90度转向，每个车轮的转向角任意变化。
4.如权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于，所述的车辆控制系统提供三种驾驶模式：自主驾驶模式、直觉驾驶模式以及人工驾驶模式。
5.如权利要求4所述的车辆控制系统，其特征在于，所述直觉驾驶模式通过整车控制器判断驾驶者的操控意图，通过传感器获取车辆运动状态、车辆行驶环境的信息，进而直接调整控制指令，实现驾驶者的操控意图。
6.如权利要求5所述的车辆控制系统，其特征在于，所述的直觉驾驶模式适用于原地转向模式，可变转弯中心、转弯半径模式以及传统转向模式；所述传统转向模式，即前轮转向或是四轮转向。
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