CN106864459A - 一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法 - Google Patents

一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，包括以下步骤：标定绝对零位；转向控制器控制无人驾驶车辆进入自动驾驶模式；转向控制器修正电机(111)输出轴的期望转向角；转向控制器由编码器(115)获得当前电机(111)的输出轴的实际转向角；转向控制器控制期望转向角与实际转向角的代数差值，实现转向。本方法控制步骤简单，可完成人工驾驶与自动驾驶的切换，采用软件限位，设置较为灵活，可有效防止转向轮转向过大的现象，实现精确转向。

Description

一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法
技术领域
本发明涉及无人驾驶车辆转向领域，尤其是一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法。
背景技术
无人驾驶车辆是汽车行业未来的重要发展方向之一，近年来在车辆技术领域备受关注。无人驾驶车辆集视觉感知、人工智能、规划控制等多学科技术于一体，它不仅在搜救、救援、侦察等危险任务中具有重要的应用价值，而且对于缓解交通拥挤、提高交通安全等方面都有很大的现实意义和发展潜力。目前，世界上许多国家都在大力研究无人驾驶技术，极大地推动了无人驾驶技术的发展。
自动转向装置是无人驾驶车辆非常重要的部分，它能够自主地控制车辆转向角，使得车辆按照期望轨迹行驶。尽管目前对自动转向的控制方法存在多种方案，但是难免有缺陷。
现有自动控制方法存在如下缺点：
一、机构限位方面，采用机构限位的方法对转向极限位置进行限制和保护，增加了控制的复杂程度，安装调试不够方便。
二、由于机械结构复杂，导致控制过程繁琐。
三、不能实现人工驾驶模式与自动驾驶模式的快速切换。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，解决控制及限位系统复杂、人工与自动模式不能快速切换的问题。
具体的，本发明提供了一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，包括以下步骤：
S301：标定绝对零位；
S302：转向控制器控制无人驾驶车辆进入自动驾驶模式；
S303：转向控制器修正电机(111)输出轴的期望转向角；
S304：转向控制器由编码器(115)获得当前电机(111)的输出轴的实际转向角，进入步骤S305；
S305：转向控制器计算期望转向角与实际转向角的代数差值，如果该差值在设定阈值范围内，则返回步骤S302，进入下一个循环；如果该差值超过设定阈值，则驱动电机(111)的输出轴转动至期望转向角，并返回步骤S302，进入下一个循环。
进一步地，所述步骤S301具体由以下步骤实现：
S101：人工控制电磁离合器(108)断电；
S102：车辆行驶状态下，人工转动方向盘，使得车辆处于直线行驶状态；
S103：转向控制器上电初始化，电磁离合器(108)通电，编码器(115)测量得到电机(111)的输出轴实际转向角，并将该实际转向角反馈至转向控制器，转向控制器将该反馈值作为绝对零位。
进一步地，所述步骤S302中，具体实现过程为：转向控制器检查当前自动驾驶使能标志是否为1；若是，则进入自动驾驶模式，转向控制器通过I/O接口控制继电器变为闭合状态，接通电磁离合器(108)的供电，进入步骤S303；否则进入人工驾驶模式，转向控制器通过I/O接口控制继电器变为断开状态，切断电磁离合器(108)的供电，重复步骤S302。
进一步地，所述自动驾驶使能标志由上位机发送至转向控制器；
所述自动驾驶使能标志包括0和1，其中0代表人工驾驶模式，1代表自动驾驶模式；
转向控制器上的自动驾驶使能标志默认为0，上位机发送的自动驾驶使能标志若为0，则转向控制器上的自动驾驶使能标志保持不变，若上位机发送的自动驾驶使能标志为1，则转向控制器上的自动驾驶使能标志将变为1。
进一步地，所述步骤S303具体实现过程为：转向控制器接收上位机发送下来的电机(111)输出轴期望转向角，如果该期望转向角超过软件限位极限值，则将该期望转向角的值修改为软件限位极限值，否则，对期望转向角不做改动。
进一步地，所述软件限位极限值通过以下步骤得到：
S201：标定绝对零位，其标定过程与步骤S301中标定绝对零位的过程相同；
S202：电磁离合器(108)保持吸合，车辆静止状态下，人工转动方向盘，编码器(115)记录转向系统处于左右极限时电机(111)输出轴转向角的数值，将该数值反馈至转向控制器，转向控制器将该数值作为软件限位极限值。
进一步地，上位机和转向控制器之间的通信是串口通信或者CAN通信，可方便信息的传递和输出。
进一步地，电磁离合器(108)用于切换人工驾驶模式和自动驾驶模式；
电磁离合器(108)的主动端与从动端结合时，电磁离合器(108)可将电机(111)的动能传递至转向器(101)，为自动驾驶模式；
当电磁离合器(108)的主动端和从动端分离时，电磁离合器(108)断开，不能将电机(111)的动能传递至转向器(101)，此时为人工驾驶模式。
进一步地，转向控制器与电机(111)通过电缆相连，控制电机(111)的输出轴转向角；转向控制器与编码器(115)通过电缆相连。
进一步地，该无人驾驶车辆自动转向装置中，电机(111)提供自动转向动力，电磁离合器(108)用于传递电机(111)的动力，编码器(115)安装于电机(111)上，转向控制器通过继电器控制电磁离合器(108)的通电和断电。
本发明提供了一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，控制步骤简单，可完成人工驾驶与自动驾驶的切换，采用软件限位，设置较为灵活，可有效防止转向轮转向过大的现象，实现精确转向。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是本发明的自动转向装置转向控制过程流程图；
图2是本发明的自动转向装置转向控制过程绝对零位标定流程图；
图3是本发明的自动转向装置转向控制过程软件限位标定流程图；
图4是转向装置传动机构示意图；
图5是自动转向装置主视图；
图6是自动转向装置俯视图；
图7是自动转向装置右视图；
图8是自动转向装置转向器输入轴组件整体结构图；
图9是自动转向装置电气连接示意图。
图中：
1-转向摇臂、2-转向直拉杆、3-转向节臂、4-梯形臂、5-转向横拉杆；
101-转向器、102-安装支架、103-端盖、104-轴承I、105-离合器轴、106-主动齿轮、107-上盖板、108-电磁离合器、109-轴承II、110-电机卡箍组件、111-电机、112-传动套筒、113-键、114-转向器输入轴组件、115-编码器；
201-左防尘板、202-右防尘板；
301-从动齿轮、302-沉头螺钉、303-转向器输入轴连接体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种基于该无人驾驶车辆自动转向装置的自动转向控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S301：标定绝对零位。
S302：转向控制器检查当前自动驾驶使能标志是否为1，若是，则进入自动驾驶模式，否则进入人工驾驶模式。如果系统当前状态为人工驾驶模式，则转向控制器通过I/O接口控制继电器变为断开状态，切断电磁离合器(108)的供电，电磁离合器(108)主动端与从动端断开连接，再次执行步骤S302；如果系统当前状态为自动驾驶模式，则转向控制器通过I/O接口控制继电器变为闭合状态，接通电磁离合器(108)的供电，进入步骤S303。
自动驾驶使能标志包括0和1，其中0代表人工驾驶，1代表自动驾驶。该标志由上位机发送至转向控制器，转向控制器上的自动驾驶使能标志默认为0，上位机发送的自动驾驶使能标志若为0，则转向控制器上的自动驾驶使能标志保持不变，若上位机发送的自动驾驶使能标志为1，则转向控制器上的自动驾驶使能标志将变为1。
S303：转向控制器接收上位机发送下来的电机(111)输出轴期望转向角，如果该期望转向角超过软件限位极限值，则将该期望转向角的值修改为软件限位极限值，否则，对期望转向角不做改动。执行完毕后，进入步骤S304。
S304：转向控制器由编码器(115)获得当前电机(111)的输出轴的实际转向角，进入步骤S305。
S305：转向控制器计算期望转向角与实际转向角的代数差值，如果该差值在设定阈值范围内，则认为当前转向系统已经到达期望位置，不对电机(111)进行控制，返回步骤S302，进入下一个循环；如果该差值超过设定阈值，则认为当前转向系统尚未到达期望位置，驱动电机(111)转动至期望转向角，并返回步骤S302，进入下一个循环。
上述步骤中，上位机和转向控制器之间的通信可以是串口通信或者CAN通信；转向控制器通过I/O逻辑值驱动继电器通断，进而控制电磁离合器(108)的吸合与分离。
由于采用电磁离合器(108)切换人工/自动驾驶模式，因此每一次进入自动驾驶模式时，都要进行绝对零位的标定工作。如图2所示，上述步骤S301中标定绝对零位具体包括以下步骤：
S101：人工控制电磁离合器(108)断电。
S102：车辆行驶状态下，人工转动方向盘，使得车辆处于直线行驶状态。
S103：转向控制器上电初始化，电磁离合器(108)通电，编码器(115)测量得到电机(111)的输出轴实际转向角，并将该实际转向角反馈至转向控制器，转向控制器将该反馈值作为绝对零位。
本发明采用软件限位的方式保护转向机构，如图3所示，上述步骤S303中，软件限位极限值通过以下步骤得到：
S201：标定绝对零位，其标定过程与步骤S301中标定绝对零位的过程相同。
S202：电磁离合器(108)保持吸合，车辆静止状态下，人工转动方向盘，编码器(115)记录转向系统处于左右极限时电机(111)输出轴转向角的数值，将该数值反馈至转向控制器，转向控制器将该数值作为软件限位极限值。
本发明中的无人驾驶车辆自动转向装置包括人工转向部分和自动转向部分。
人工转向部分包括操纵机构、转向器(101)、传动机构。
操纵机构包括方向盘、转向轴；转向轴将驾驶员作用于转向盘的转向操纵力矩传给转向器，转向轴一端与转向盘固定连接，另一端与自动转向部分相连接；
转向器(101)为循环球式转向器，其输入轴与自动转向部分相连接，输出端与传动机构相连接。
如图4所示，传动机构包括转向摇臂(1)、转向直拉杆(2)、转向节臂(3)、梯形臂(4)、转向横拉杆(5)。
转向摇臂(1)一端与转向器(101)输出端相连，另一端连接转向直拉杆(2)，转向直拉杆(2)与转向节臂(3)相连，其后依次连接梯形臂(4)、转向横拉杆(5)，转向横拉杆(5)是联系梯形臂(4)并使其协调工作的连接杆，在汽车行驶过程中反复承受拉力和压力，用于驱动转向轮转向。
自动转向部分安装于操纵机构与转向器(101)之间。如图6-7所示，自动转向部分包括电机单元、电磁离合器单元、安装支架(102)、转向器输入轴组件(114)、控制器单元和转向减振器。
电机单元包括编码器(115)、电机(111)、电机卡箍组件(110)；
电磁离合器单元包括轴承I(104)、离合器轴(105)、主动齿轮(106)、电磁离合器(108)、轴承II(109)、传动套筒(112)；
安装支架(102)上由螺钉固定有上盖板(107)、左防尘板(201)、右防尘板(202)、端盖(103)，由安装支架(102)、上盖板(107)、左防尘板(201)、右防尘板(202)、端盖(103)构成一个腔体；
安装支架(102)安装于转向器(101)输入端，其作用是安装固定电磁离合器单元和电机单元。
如图8所示，转向器输入轴组件(114)将电机单元的输出扭矩传递至转向器(101)，主要由从动齿轮(301)、沉头螺钉(302)和转向器输入轴连接体(303)组成，从动齿轮(301)和转向器输入轴连接体(303)由沉头螺钉(302)连接，使得从动齿轮(301)和转向器输入轴连接体(303)实现同步运动，能够保证自动转向的时候，方向盘与转向轮的角度保持对应关系，从而让驾驶员更清晰地感知到当前转向轮转角的位置，以便出现紧急情况时迅速掌握情况并接管，由自动驾驶变换为人工驾驶。转向器输入轴连接体(303)花键端连接转向器(101)输入轴，万向节叉端与转向轴相连接。
电机单元固定于安装支架(102)上，电机(111)前端面通过螺钉固定于安装支架(102)上，电机卡箍组件(110)安装于安装支架(102)上，用以支撑电机(111)后端，减少电机(111)前端面螺钉的载荷，提高螺钉使用寿命，且保证电机(111)与传动套筒(112)的同轴度；编码器(115)安装于电机(111)上，用以测量电机(111)的输出轴实际转向角，作为闭环控制的反馈信号，采用电机(111)的输出轴实际转向角作为反馈提高了系统的集成度，装卸方便，同时由于安装位置在操纵机构和转向器(101)之间，因此可以消除操纵机构部分间隙引起的误差。
电磁离合器单元位于安装支架(102)的腔体内，起到既固定又防尘的作用。电磁离合器(108)主动端通过键与离合器轴(105)连接；离合器轴(105)一端与电机(111)通过传动套筒(112)和两个键(113)相连接，并通过轴承II(109)安装于安装支架(102)上，进一步地，离合器轴(105)一端伸入传动套筒(112)内，通过键(113)与传动套筒(112)相连接，同时，电机(111)的输出轴伸入传动套筒(112)内，通过键(113)与传动套筒(112)相连接，实现将电机(111)的输出转矩传递至电磁离合器单元，该结构可以较好的匹配不同型号电磁离合器(108)和电机(111)的连接尺寸，具备较好的设计通用性；电磁离合器(108)从动端通过螺钉与主动齿轮(106)连接，使得电磁离合器(108)与主动齿轮(106)实现同步运动；离合器轴(105)另一端通过轴承I(104)安装于安装支架(102)上；主动齿轮(106)与从动齿轮(301)啮合，由主动齿轮(106)将传动形式传递至从动齿轮(301)。
如图9所示，控制器单元包括转向控制器和继电器，转向控制器与电磁离合器(108)通过继电器相连，转向控制器通过I/O逻辑值驱动继电器通断，进而控制电磁离合器(108)主动端与从动端的吸合与分离。电磁离合器(108)的主动端与从动端结合时，电磁离合器(108)可将电机(111)的动能传递至转向器(101)，此时为自动驾驶模式；当电磁离合器(108)的主动端和从动端分离时，电磁离合器(108)断开，不能将电机(111)的动能传递至转向器(101)，此时为人工驾驶模式。同时，转向控制器与电机(111)通过电缆相连，用于控制电机(111)的输出轴转向角；转向控制器与编码器(115)通过电缆相连，编码器(115)将测量得到的电机(111)的输出轴实际转向角作为闭环控制的反馈信号传输至转向控制器。
转向减振器一端铰接至转向器(101)壳体上，另一端连接至转向直拉杆(2)上，防止转向轮发生自激摆振或受迫摆振。
人工驾驶时，人工转动方向盘，转向轴将操纵力矩传至转向器输入轴连接体(303)，转向器输入轴连接体(303)将该力矩传至转向器(101)，转向器(101)改变力的传动方向，将该传动形式传至转向摇臂(1)，转向摇臂(1)将该传动依次传递至转向直拉杆(2)、转向节臂(3)、梯形臂(4)、转向横拉杆(5)，转向横拉杆(5)驱动转向轮转向。
自动驾驶模式时，电机(118)将输出扭矩由输出轴传输至传动套筒(112)，传动套筒(112)将该扭矩传至离合器轴(105)，离合器轴(105)带动电磁离合器(108)和主动齿轮(106)转动，由主动齿轮(106)带动从动齿轮(301)和转向器输入轴连接体(303)，由转向器输入轴连接体(303)将该转动传输至转向器(101)，转向器(101)改变力的传动方向，将该传动形式传至转向摇臂(1)，转向摇臂(1)将该传动依次传递至转向直拉杆(2)、转向节臂(3)、梯形臂(4)、转向横拉杆(5)，转向横拉杆(5)驱动转向轮转向。
综上所述，本发明提供了一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，控制步骤简单，可完成人工驾驶与自动驾驶的切换，采用软件限位，设置较为灵活，可有效防止转向轮转向过大的现象，实现精确转向。
尽管已经结合优选的实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解的是在不违背本发明精神和实质的情况下，各种修正都是允许的，它们都落入本发明的权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S301：标定绝对零位；
S302：转向控制器控制无人驾驶车辆进入自动驾驶模式；
S303：转向控制器修正电机(111)输出轴的期望转向角；
S304：转向控制器由编码器(115)获得当前电机(111)的输出轴的实际转向角，进入步骤S305；
S305：转向控制器计算期望转向角与实际转向角的代数差值，如果该差值在设定阈值范围内，则返回步骤S302，进入下一个循环；如果该差值超过设定阈值，则驱动电机(111)输出轴转动至期望转向角，并返回步骤S302，进入下一个循环。
2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，所述步骤S301具体由以下步骤实现：
S101：人工控制电磁离合器(108)断电；
S102：车辆行驶状态下，人工转动方向盘，使得车辆处于直线行驶状态；
S103：转向控制器上电初始化，电磁离合器(108)通电，编码器(115)测量得到电机(111)的输出轴实际转向角，并将该实际转向角反馈至转向控制器，转向控制器将该反馈值作为绝对零位。
3.根据权利要求1或2所述的一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，所述步骤S302中，具体实现过程为：转向控制器检查当前自动驾驶使能标志是否为1；若是，则进入自动驾驶模式，转向控制器通过I/O接口控制继电器变为闭合状态，接通电磁离合器(108)的供电，进入步骤S303；否则进入人工驾驶模式，转向控制器通过I/O接口控制继电器变为断开状态，切断电磁离合器(108)的供电，重复步骤S302。
4.根据权利要求3所述的一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，所述自动驾驶使能标志由上位机发送至转向控制器；
所述自动驾驶使能标志包括0和1，其中0代表人工驾驶模式，1代表自动驾驶模式；
转向控制器上的自动驾驶使能标志默认为0，上位机发送的自动驾驶使能标志若为0，则转向控制器上的自动驾驶使能标志保持不变，若上位机发送的自动驾驶使能标志为1，则转向控制器上的自动驾驶使能标志将变为1。
5.根据权利要求4所述的一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，所述步骤S303具体实现过程为：转向控制器接收上位机发送下来的电机(111)输出轴期望转向角，如果该期望转向角超过软件限位极限值，则将该期望转向角的值修改为软件限位极限值，否则，对期望转向角不做改动。
6.根据权利要求5所述的一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，所述软件限位极限值通过以下步骤得到：
S201：标定绝对零位，其标定过程与步骤S301中标定绝对零位的过程相同；
S202：电磁离合器(108)保持吸合，车辆静止状态下，人工转动方向盘，编码器(115)记录转向系统处于左右极限时电机(111)输出轴转向角的数值，将该数值反馈至转向控制器，转向控制器将该数值作为软件限位极限值。
7.根据权利要求4-6任一所述的一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，上位机和转向控制器之间的通信是串口通信或者CAN通信。
8.根据权利要求7所述的一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，电磁离合器(108)用于切换人工驾驶模式和自动驾驶模式；
电磁离合器(108)的主动端与从动端结合时，电磁离合器(108)可将电机(111)的动能传递至转向器(101)，为自动驾驶模式；
当电磁离合器(108)的主动端和从动端分离时，电磁离合器(108)断开，不能将电机(111)的动能传递至转向器(101)，此时为人工驾驶模式。
9.根据权利要求8所述的一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，转向控制器与电机(111)通过电缆相连，控制电机(111)的输出轴转向角，转向控制器与编码器(115)通过电缆相连。
10.根据权利要求9所述的一种无人驾驶车辆自动转向装置的转向控制方法，其特征在于，该无人驾驶车辆自动转向装置中，电机(111)提供自动转向动力，电磁离合器(108)用于传递电机(111)的动力，编码器(115)安装于电机(111)上，转向控制器通过继电器控制电磁离合器(108)的通电和断电。
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Application publication date: 20170620

Assignee: Shaanxi Huoman Supply Chain Management Co.,Ltd.

Assignor: BIT INTELLIGENT VEHICLE TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022980009256

Denomination of invention: A steering control method for automatic steering device of driverless vehicle

Granted publication date: 20181214

License type: Common License

Record date: 20220628