CN107284516A - 一种具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置 - Google Patents

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CN107284516A CN201710202118.6A CN201710202118A CN107284516A CN 107284516 A CN107284516 A CN 107284516A CN 201710202118 A CN201710202118 A CN 201710202118A CN 107284516 A CN107284516 A CN 107284516A
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张红彦
倪涛
陈相显
舒礼志
杨艳良
赵丁选
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刘香福
王霜
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张铭溪
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    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user

Abstract

本发明涉及一种具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置，其特征在于：方向盘与可调机械限位及回正装置的丝杠一端连接，可调机械限位及回正装置的丝杠另一端通过第一联轴器与扭矩传感器前端连接，扭矩传感器后端通过第二联轴器与力矩电机上的减速器连接，力矩电机后端布置有增量式光电编码器，力矩电机和减速器底部均与底板固定连接；其不仅可以通过力矩电机来提供驾驶员以触觉引导，而且添加了可调机械限位及回正装置；可调机械限位及回正装置，通过弹簧、丝杠机构可以逼真地模拟实际转向的感觉；限位挡板可以保证两侧的限位螺栓处于同一竖直位置以防丝杠螺母运动时产生侧倾，转向盘通过力觉共享回路中的转角预测模型控制，产生对人手的“牵引”和“示教”效果，从而为驾驶员提供力觉信息提示，实现车辆转向时的触觉辅助功能。

Description

一种具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置
技术领域
本发明涉及一种具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置,属于车辆智能驾驶技术领域。
背景技术
目前传统机械汽车的性能已经相当成熟，为了进一步提高车辆在各种工况下的舒适性和安全性，就需要采用一系列的电子辅助驾驶系统。线控转向系统以电线连接代替机械转向系统中转向盘与转向轮之间的机械连接，通过适当的转向控制，不仅可以改善驾驶性能、提升车辆的操纵性，而且可以提高汽车的主动安全性和驾驶舒适性，因而被认为能更好的应用于下一代汽车转向系统。
传统的车辆，驾驶员能够通过转向盘与车轮的机械连接获得外部信息，如通过转向反作用扭矩获取路面信息、感知车辆运行的路面环境。而线控转向系统没有相应的机械连接，因此其转向角传动比和路感可以自由设计。随着转向技术的发展，通过车辆转向系统提供反馈已经成为可能。
传统上，视觉和听觉反馈是常用的辅助驾驶技术，研究表明，视觉和听觉反馈已被证实是非常有效的驾驶辅助技术。目前各大汽车厂商基于视觉及听觉反馈开发了各种驾驶员辅助系统，如避碰系统、车道偏离预警系统、视野增强/夜视系统、驾驶员状态监视系统等，用以简化驾驶操作，减轻驾驶员疲劳。然而无论是听觉反馈还是视觉反馈，驾驶员均需一定的反应时间和判断处理时间，并且随着驾驶时间的增加，驾驶员的感觉过载可能会发生，这一定程度上延误了突发状况下的最佳操作时机；此外视觉反馈易造成驾驶员视觉疲劳，听觉反馈易受到道路噪声的干扰等问题。
由于线控转向系统结构与遥操作系统之间有许多相似之处，转向盘模块转向盘模块为主操作模块，转向执行模块为操控模块。因此将遥操作领域的力反馈、触觉引导控制技术引入车辆的操纵装置，开发车辆新型的驾驶辅助系统，实现车辆驾驶时方向盘对驾驶员行为的触觉引导，提高车辆操控的智能与安全。
相比传统的视觉与听觉辅助驾驶技术，方向盘处的触觉反馈能够更有效地为驾驶员提供驾驶辅助。方向盘处的触觉反馈有能力通过振动、扭矩及其他的形式提供驾驶员传统车辆的驾驶感觉。通过力反馈增加驾驶员对车辆周围环境信息和驾驶条件的了解，从而减少驾驶员的分心，有助于培养驾驶员更好的驾驶决策意识。有学者研究了车辆转向系统视觉、听觉和触觉反馈的误差反馈和车辆的驾驶性能，研究表明基于触觉反馈的用户在实际的车辆转向过程中相对其他两种反馈的驾驶表现更好。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置，其不仅可以通过力矩电机来提供驾驶员以触觉引导，而且添加了可调机械限位及回正装置；可调机械限位及回正装置，通过弹簧、丝杠机构可以逼真地模拟实际转向的感觉；丝杠螺母处于中间位置时，两端处于压缩位置的弹簧，使丝杠螺母处于平衡状态；当丝杠螺母偏向任何一侧位置，一端弹簧压缩程度加深，另一侧弹簧相对放松，丝杠螺母受力不平衡，由于丝杆螺母只能沿中间槽滑动，从而丝杠带动方向盘回正；可调机械限位及回正装置，可以通过导向槽中的梯形螺母相对平衡位置的距离来调节限位范围；与之配套的螺栓通过拧紧使梯形螺母产生与导向槽之间的预紧力固定限位机构，通过螺柱的阻挡从而限制丝杠螺母的运动范围，此外限位挡板可以保证两侧的限位螺栓处于同一竖直位置以防丝杠螺母运动时产生侧倾。
本发明的技术方案是这样实现的：一种具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置，由转向装置硬件部分和电机控制系统组成，其特征在于：方向盘与可调机械限位及回正装置的丝杠一端连接，可调机械限位及回正装置的丝杠另一端通过第一联轴器与扭矩传感器前端连接，扭矩传感器后端通过第二联轴器与力矩电机上的减速器连接，力矩电机后端布置有增量式光电编码器，力矩电机和减速器底部均与底板固定连接。
电机控制系统包括力矩检测模块、电机控制驱动模块。采用扭矩传感器检测丝杠受到的扭矩，通过串口与上位机采用RS232进行数据传输。BHOS8010 驱动器的供电接口与力矩电机的供电端连接，BHOS8010驱动器上的RS232通信接口与上位机串口连接，BHOS8010驱动器上增量式编码器的输入接口，将增量式光电编码器与驱动器相连，并通过驱动器内部的参数设置，实现对位置的闭环控制。
在上述装置的基础上研究触觉引导力的生成方法、驾驶员人手操纵力和回正力以及触觉引导力融合的人-机共享控制方法，具体步骤如下：
S1、车辆行驶时引导力的构建，分别建立方向盘到力感反馈电机、转向执行电机到转向轮的系统模型，车辆行驶时侧向动力学模型，基于车辆前方障碍物及道路中心线实时规划车辆最佳的避障转向路径，在此基础上基于车辆实际行驶路径与最佳转向路径的偏差及障碍物的距离实时构建引导力。
S1.1、系统建模
S1.1.1、转向操纵机构建模
由S1具有触觉引导辅助的方向盘装置的结构可知，转向操纵机构由转向盘、可调机械限位及回正装置、扭矩传感器，减速器、力矩电机组成。由于扭矩传感器扭矩刚度相对较低，其将转向盘模块分为转向盘组件和转向柱总成两个部分。其中转向盘组件是指方向盘到扭矩传感器的部分；转向柱总成是指力矩电机、减速器及增量式光电编码器。
建立转向操纵系统模型为：
其中：Jh为转向操纵系统的转动惯量，Bh为转向操纵系统的粘性摩擦，τhm为力矩电机提供扭矩，τh为驾驶员施加的扭矩，分别为转向操纵系统转向柱转动的角加速度、角速度及角度。
S1.1.2、转向执行机构建模
将视景中的车辆模型等效为线控转向平台的转向执行机构，视景中的车辆方向盘等效为转向执行电机。
当执行电机通过齿轮齿条操纵转向轮转向时，建立从转向执行电机到转向前轮的转向系统模型。
将视景中的汽车模型，简化成“自行车模型”。汽车两前轮和后轮，分别被中央前轮和中央后轮所代替。中央前轮的转动可视为转向电机的负载，并绕其重心的垂直轴进行转向。
因此，转向执行电机到转向前轮的二阶系统模型为：
其中：分别为前轮转动的角加速度、角速度和角度；Jeq为转向执行系统的转动惯量，Beq为转向执行系统的粘性摩擦，τeq为执行电机提供扭矩，τe为回正力矩，τdis为电机转矩脉动干扰，k为转动比，转向执行系统的库伦摩擦。
S1.1.3、车辆侧向动力学建模
以车辆行驶在水平路面上(不考虑路面坡度的影响)为例，建立2个坐标系，一个坐标系固定在惯性空间上(XYZ)；另一个坐标系固定在车身上(xyz)，定义汽车转向运动时的旋转中心点为O，由车辆侧向动力学可知：
车辆相对路面车道中心线误差的动力学模型：
其中：e1为车辆质心与道路中心线的侧向位移偏差；e2为相对车道的车辆方向误差；m为车辆质量；lf、lr分别为车辆质心到前轴、后轴的纵向距离； Iz为车辆横摆转动惯量；为期望横摆角速度。Caf、Car分别为前、后轮的侧偏刚度；Vx为车辆质心处的纵向速度。
S1.2、基于虚拟势场法构建线控转向触觉引导力
S1.2.1、基于Dijkstra算法的车辆避障转向路径规划
在视景中车辆行驶道路中预先随机设置一些列障碍物点，视景中车辆行驶过程中实时检测到的前方障碍物点，通过Delaunay三角剖分算法将车辆的前方道路用空间表示，取Delaunay三角剖分得到的三角形的中点，并将其两两连接。分别以最小x坐标点、最大x坐标点为车辆的起始点和结束点，利用Dijkstra算法基于起始点和结束点搜寻车辆避障行驶的最短路径。
将获得的车辆行驶的曲线点在车辆坐标系下采用最小平方法进行曲线二次多项式拟合：
y＝ax2+bx+c (4)
计算二次多项式系数：
式中：a、b、c分别为拟合得到的二次项系数、一次项系数和常数项； (pkx，pky)为曲线点上的位置，分别为前一次采样获得的多项式系数；γ0、γ1、γ2分别为设定的正实数。
S1.2.2、基于车辆实际行驶工况信息的虚拟力构建
将S1.2.1中规划的车辆避障转向路径公式(4)与S1.1.3中推出的车辆侧向动力学建模公式(3)进行联立，推导出车辆实际行驶路径与避障转向路径误差的车辆侧向动力学模型：
基于车辆实际行驶与转向路径之间的偏差与障碍物的距离，建立二维高斯势场函数：
其中：
式中：U(X，Y)为势场函数；m、n分别为目标对象点的个数ai，i＝1，2，…，n、障碍物点bi的个数，j＝1，2，…，m；A为幅值；σX和σY分别为高斯函数在X和Y方向的标准方差；
从而可以推出构建的作用在转向轮处的引导力Tassist。
S2、将S1中引导力与车辆行驶时车轮受到的回正力通过S1.1.2中转向轮到转向执行电机的系统模型实时计算出作用在转向电机上力的大小；通过合适的比例系数，将作用在转向电机上的力映射到力矩电机上，从而控制力矩电机给驾驶员以触觉引导。
S2.1、将触觉引导力与人手操纵力融合的共享控制方法
将S1.2.2中构建的车轮处的引导力Tassist和车辆行驶过程中车轮受到的回正力Te采用适当的加权系数进行融合，共同作用到转向轮上，通过S1.1.2中推导的转向执行机构模型，计算出作用在转向电机上力的大小；通过合适的比例系数，将作用在转向电机上的力映射到力矩电机上，从而控制力矩电机输出所需的触觉引导力Thaptic的大小。
在转向操纵机构系统中，将力矩电机输出的触觉引导力Thaptic与驾驶员作用到方向盘上的力Tdriver通过人-机共享控制方法，合理分配驾驶员手动参与和智能辅助参与的权值，实现车辆驾驶时方向盘对驾驶员行为的触觉引导，提高车辆操纵的智能与安全。
所述的可调机械限位及回正装置的丝杠两端分别通过角接触型轴承固定在轴承支座上，两个轴承支座的外侧通过螺栓固定连接轴承端盖，两个轴承支座的内侧通过螺栓固定连接弹簧挡板，丝杠螺母套在丝杠上中部位置，弹簧套在丝杠上丝杠螺母左右两端，丝杠两侧有导向板，导向板两端顶面均开有限位槽，导向板上限位槽的下方开有一条导向槽，丝杠螺母两侧有限位凸起，丝杠螺母通过限位凸起和导向槽配合与两侧导向板滑动连接，导向板两端顶面均开有限位槽，两根移动限位矫正挡板纵向布置在导向板两端对丝杠上方限位，移动限位矫正挡板通过螺栓和梯形螺母配合限位槽固定。
本发明的积极效果是：其能根据视景中车辆行驶过程中实时检测行进方向上的障碍物点，并将其前方道路进行空间划分，使用Dijkstra算法规划车辆避障最佳转向路径；通过建立车辆相对于规划的最佳避障转向路径的车辆行驶的侧向动力学模型，基于车辆实际行驶与转向路径之间的偏差与障碍物的距离，建立二维高斯势场函数，构建车轮处的引导力；将构建的引导力和车辆行驶过程中车轮受到的回正力采用合适加权系数进行融合，共同作用到转向轮上，通过建立的转向执行电机到转向轮的系统模型，计算出作用在转向电机上力的大小；通过合适的比例系数，将作用在转向电机上的力映射到力感电机上，从而控制力矩电机实现对驾驶员的触觉引导。
操纵装置输出的触觉反馈力通过操纵装置为驾驶员提供预见性的触觉提示，在车辆驾驶辅助系统中至关重要。触觉驾驶辅助不仅能为驾驶员做出更好的驾驶决策、提供可靠的转向信息，而且避免了驾驶员依靠视觉和听觉信息指导操纵行为所面临的视觉疲劳、噪声干扰等问题。驾驶员驾驶时，方向盘的驱动信号不仅包括驾驶员的人手力，还包括基于规划车辆最佳避障行驶路径所建立的引导力以及路面实际工况对车轮的反作用扭矩。转向盘通过力觉共享回路中的转角预测模型控制，产生对人手的“牵引”和“示教”效果，从而为驾驶员提供力觉信息提示，实现车辆转向时的触觉辅助功能。
附图说明
图1为具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置整体结构主视图。
图2为具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置整体结构俯视图。
图3为可调机械限位及回正装置整体结构图。
图4为可调机械限位及回正装置导向板结构图。
图5为可调机械限位及回正装置丝杠螺母结构图。
图6为本发明的系统电路布局图。
图7为本发明的控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：如图1-7所示，一种具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置，其不仅可以通过力矩电机来提供驾驶员以触觉引导，而且添加了可调机械限位及回正装置；可调机械限位及回正装置，通过弹簧、丝杠机构可以逼真地模拟实际转向的感觉；丝杠螺母处于中间位置时，两端处于压缩位置的弹簧，使丝杠螺母处于平衡状态；当丝杠螺母偏向任何一侧位置，一端弹簧压缩程度加深，另一侧弹簧相对放松，丝杠螺母受力不平衡，由于丝杆螺母只能沿中间槽滑动，从而丝杠带动方向盘回正；可调机械限位及回正装置，可以通过导向槽中的梯形螺母相对平衡位置的距离来调节限位范围；与之配套的螺栓通过拧紧使梯形螺母产生与导向槽之间的预紧力固定限位机构，通过螺柱的阻挡从而限制丝杠螺母的运动范围，此外限位挡板可以保证两侧的限位螺栓处于同一竖直位置以防丝杠螺母运动时产生侧倾。
本发明由转向装置硬件部分和电机控制系统组成，转向装置硬件部分为：方向盘1与可调机械限位及回正装置2的丝杠一端连接，可调机械限位及回正装置2的丝杠另一端通过第一联轴器3与扭矩传感器4前端连接，扭矩传感器4 后端通过第二联轴器5与力矩电机7上的减速器6连接，力矩电机7后端布置有增量式光电编码器8，力矩电机7和减速器6底部均与底板固定连接。
电机控制系统包括力矩检测模块、电机控制驱动模块。采用扭矩传感器检测丝杠受到的扭矩，通过串口与上位机采用RS232进行数据传输。BHOS8010 驱动器的供电接口与力矩电机的供电端连接，BHOS8010驱动器上的RS232通信接口与上位机串口连接，BHOS8010驱动器上增量式编码器的输入接口，将增量式光电编码器与驱动器相连，并通过驱动器内部的参数设置，实现对位置的闭环控制。
本发明的可调机械限位及回正装置2的丝杠2-1两端分别通过角接触型轴承2-4固定在轴承支座2-3上，两个轴承支座2-3的外侧通过螺栓固定连接轴承端盖2-2，两个轴承支座2-3的内侧通过螺栓固定连接弹簧挡板2-5，丝杠螺母 2-10套在丝杠2-1上中部位置，弹簧2-6套在丝杠2-1上丝杠螺母2-10左右两端，丝杠2-1两侧有导向板2-11，导向板2-11两端顶面均开有限位槽2-12，导向板 2-11上限位槽2-12的下方开有一条导向槽2-13，丝杠螺母2-10两侧有限位凸起 2-14，丝杠螺母2-10通过限位凸起2-14和导向槽2-13配合与两侧导向板2-11 滑动连接，导向板2-11两端顶面均开有限位槽2-12，两根移动限位矫正挡板2-8纵向布置在导向板2-11两端对丝杠2-1上方限位，移动限位矫正挡板2-8通过螺栓2-9和梯形螺母2-7配合限位槽2-12固定。
可调机械限位及回正装置回正功能的实现：通过弹簧、丝杠机构可以逼真地模拟实际转向的感觉；丝杠螺母处于中间位置时，两端处于压缩位置的弹簧，使丝杠螺母处于平衡状态；当丝杠螺母偏向任何一侧位置，一端弹簧压缩程度加深，另一侧弹簧相对放松，丝杠螺母受力不平衡，由于丝杆螺母只能沿中间槽滑动，从而丝杠带动方向盘回正。
可调机械限位及回正装置限位功能的实现：可以通过导向槽中的梯形螺母相对平衡位置的距离来调节限位范围；与之配套的螺栓通过拧紧使梯形螺母产生与导向槽之间的预紧力固定限位机构，通过螺柱的阻挡从而限制丝杠螺母的运动范围，此外限位挡板可以保证两侧的限位螺栓处于同一竖直位置以防丝杠螺母运动时产生侧倾。
在上述装置的基础上研究触觉引导力的生成方法、驾驶员人手操纵力和回正力以及触觉引导力融合的人-机共享控制方法，具体步骤如下：
S1、车辆行驶时引导力的构建，分别建立方向盘到力感反馈电机、转向执行电机到转向轮的系统模型，车辆行驶时侧向动力学模型，基于车辆前方障碍物及道路中心线实时规划车辆最佳的避障转向路径，在此基础上基于车辆实际行驶路径与最佳转向路径的偏差及障碍物的距离实时构建引导力。
S1.1、系统建模
S1.1.1、转向操纵机构建模
由S1具有触觉引导辅助的方向盘装置的结构可知，转向操纵机构由转向盘1、可调机械限位及回正装置2、扭矩传感器4，减速器6、力矩电机7组成。由于扭矩传感器扭矩刚度相对较低，其将转向盘模块分为转向盘组件和转向柱总成两个部分。其中转向盘组件是指方向盘1到扭矩传感器4的部分；转向柱总成是指力矩电机7、减速器6及增量式光电编码器8。
建立转向操纵系统模型为：
其中：Jh为转向操纵系统的转动惯量，Bh为转向操纵系统的粘性摩擦，τhm为力矩电机提供扭矩，τh为驾驶员施加的扭矩，分别为转向操纵系统转向柱转动的角加速度、角速度及角度。
S1.1.2、转向执行机构建模
将视景中的车辆模型等效为线控转向平台的转向执行机构，视景中的车辆方向盘等效为转向执行电机。
当执行电机通过齿轮齿条操纵转向轮转向时，建立从转向执行电机到转向前轮的转向系统模型。
将视景中的汽车模型，简化成“自行车模型”。汽车两前轮和后轮，分别被中央前轮和中央后轮所代替。中央前轮的转动可视为转向电机的负载，并绕其重心的垂直轴进行转向。
因此，转向执行电机到转向前轮的二阶系统模型为：
其中：分别为前轮转动的角加速度、角速度和角度；Jeq为转向执行系统的转动惯量，Beq为转向执行系统的粘性摩擦，τeq为执行电机提供扭矩，τe为回正力矩，τdis为电机转矩脉动干扰，k为转动比，转向执行系统的库伦摩擦。
S1.1.3、车辆侧向动力学建模
以车辆行驶在水平路面上(不考虑路面坡度的影响)为例，建立2个坐标系，一个坐标系固定在惯性空间上(XYZ)；另一个坐标系固定在车身上(xyz)，定义汽车转向运动时的旋转中心点为O，由车辆侧向动力学可知：
车辆相对路面车道中心线误差的动力学模型：
其中：e1为车辆质心与道路中心线的侧向位移偏差；e2为相对车道的车辆方向误差；m为车辆质量；lf、lr分别为车辆质心到前轴、后轴的纵向距离； Iz为车辆横摆转动惯量；为期望横摆角速度。Caf、Car分别为前、后轮的侧偏刚度；为车辆质心处的纵向速度。
S1.2、基于虚拟势场法构建线控转向触觉引导力
S1.2.1、基于Dijkstra算法的车辆避障转向路径规划
在视景中车辆行驶道路中预先随机设置一些列障碍物点，视景中车辆行驶过程中实时检测到的前方障碍物点，通过Delaunay三角剖分算法将车辆的前方道路用空间表示，取Delaunay三角剖分得到的三角形的中点，并将其两两连接。分别以最小x坐标点、最大x坐标点为车辆的起始点和结束点，利用Dijkstra算法基于起始点和结束点搜寻车辆避障行驶的最短路径。
将获得的车辆行驶的曲线点在车辆坐标系下采用最小平方法进行曲线二次多项式拟合：
y＝ax2+bx+c (4)
计算二次多项式系数：
式中：、b、c分别为拟合得到的二次项系数、一次项系数和常数项； (pkx，pky)为曲线点上的位置，分别为前一次采样获得的多项式系数；γ0、γ1、γ2分别为设定的正实数。
S1.2.2、基于车辆实际行驶工况信息的虚拟力构建
将S1.2.1中规划的车辆避障转向路径公式(4)与S1.1.3中推出的车辆侧向动力学建模公式(3)进行联立，推导出车辆实际行驶路径与避障转向路径误差的车辆侧向动力学模型：
基于车辆实际行驶与转向路径之间的偏差与障碍物的距离，建立二维高斯势场函数：
其中：
式中：：U(X，Y)为势场函数；m、n分别为目标对象点的个数ai，i＝1，2，…，n、障碍物点bi的个数，j＝1，2，…，m；A为幅值；σX和σY分别为高斯函数在X和Y方向的标准方差；
从而可以推出构建的作用在转向轮处的引导力Tassist。
S2、将S1中引导力与车辆行驶时车轮受到的回正力通过S1.1.2中转向轮到转向执行电机的系统模型实时计算出作用在转向电机上力的大小；通过合适的比例系数，将作用在转向电机上的力映射到力矩电机上，从而控制力矩电机给驾驶员以触觉引导。
S2.1、将触觉引导力与人手操纵力融合的共享控制方法
将S1.2.2中构建的车轮处的引导力Tassist和车辆行驶过程中车轮受到的回正力Te采用适当的加权系数进行融合，共同作用到转向轮上，通过S1.1.2中推导的转向执行机构模型，计算出作用在转向电机上力的大小；通过合适的比例系数，将作用在转向电机上的力映射到力矩电机上，从而控制力矩电机输出所需的触觉引导力Thaptic的大小。
在转向操纵机构系统中，将力矩电机输出的触觉引导力Thaptic与驾驶员作用到方向盘上的力Tdriver通过人-机共享控制方法，合理分配驾驶员手动参与和智能辅助参与的权值，实现车辆驾驶时方向盘对驾驶员行为的触觉引导，提高车辆操纵的智能与安全。
操纵装置输出的触觉反馈力通过操纵装置为驾驶员提供预见性的触觉提示，在车辆驾驶辅助系统中至关重要。触觉驾驶辅助不仅能为驾驶员做出更好的驾驶决策、提供可靠的转向信息，而且避免了驾驶员依靠视觉和听觉信息指导操纵行为所面临的视觉疲劳、噪声干扰等问题。驾驶员驾驶时，方向盘的驱动信号不仅包括驾驶员的人手力，还包括基于规划车辆最佳避障行驶路径所建立的引导力以及路面实际工况对车轮的反作用扭矩。转向盘通过力觉共享回路中的转角预测模型控制，产生对人手的“牵引”和“示教”效果，从而为驾驶员提供力觉信息提示，实现车辆转向时的触觉辅助功能。

Claims (2)

1.一种具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置，由转向装置硬件部分和电机控制系统组成，其特征在于：方向盘与可调机械限位及回正装置的丝杠一端连接，可调机械限位及回正装置的丝杠另一端通过第一联轴器与扭矩传感器前端连接，扭矩传感器后端通过第二联轴器与力矩电机上的减速器连接，力矩电机后端布置有增量式光电编码器，力矩电机和减速器底部均与底板固定连接；
电机控制系统包括力矩检测模块、电机控制驱动模块；采用扭矩传感器检测丝杠受到的扭矩，通过串口与上位机采用RS232进行数据传输；BHOS8010驱动器的供电接口与力矩电机的供电端连接，BHOS8010驱动器上的RS232通信接口与上位机串口连接，BHOS8010驱动器上增量式编码器的输入接口，将增量式光电编码器与驱动器相连，并通过驱动器内部的参数设置，实现对位置的闭环控制；
在上述装置的基础上研究触觉引导力的生成方法、驾驶员人手操纵力和回正力以及触觉引导力融合的人-机共享控制方法，具体步骤如下：
S1、车辆行驶时引导力的构建，分别建立方向盘到力感反馈电机、转向执行电机到转向轮的系统模型，车辆行驶时侧向动力学模型，基于车辆前方障碍物及道路中心线实时规划车辆最佳的避障转向路径，在此基础上基于车辆实际行驶路径与最佳转向路径的偏差及障碍物的距离实时构建引导力；
S1.1、系统建模
S1.1.1、转向操纵机构建模
由S1具有触觉引导辅助的方向盘装置的结构可知，转向操纵机构由转向盘、可调机械限位及回正装置、扭矩传感器，减速器、力矩电机组成,由于扭矩传感器扭矩刚度相对较低，其将转向盘模块分为转向盘组件和转向柱总成两个部分；其中转向盘组件是指方向盘到扭矩传感器的部分；转向柱总成是指力矩电机、减速器及增量式光电编码器；
建立转向操纵系统模型为：
其中：Jh为转向操纵系统的转动惯量，Bh为转向操纵系统的粘性摩擦，τhm为力矩电机提供扭矩，τh为驾驶员施加的扭矩，θh分别为转向操纵系统转向柱转动的角加速度、角速度及角度；
S1.1.2、转向执行机构建模
将视景中的车辆模型等效为线控转向平台的转向执行机构，视景中的车辆方向盘等效为转向执行电机；当执行电机通过齿轮齿条操纵转向轮转向时，建立从转向执行电机到转向前轮的转向系统模型’将视景中的汽车模型，简化成“自行车模型”；汽车两前轮和后轮，分别被中央前轮和中央后轮所代替；中央前轮的转动可视为转向电机的负载，并绕其重心的垂直轴进行转向；因此，转向执行电机到转向前轮的二阶系统模型为：
其中：δf分别为前轮转动的角加速度、角速度和角度；Jeq为转向执行系统的转动惯量，Beq为转向执行系统的粘性摩擦，τeq为执行电机提供扭矩，τe为回正力矩，τdis为电机转矩脉动干扰，k为转动比，转向执行系统的库伦摩擦；
其中：δf分别为前轮转动的角加速度、角速度和角度；Jeq为转向执行系统的转动惯量，Beq为转向执行系统的粘性摩擦，τeq为执行电机提供扭矩，τe为回正力矩，τdis为电机转矩脉动干扰，k为转动比，转向执行系统的库伦摩擦。
S1.1.3、车辆侧向动力学建模
以车辆行驶在水平路面上(不考虑路面坡度的影响)为例，建立2个坐标系，一个坐标系固定在惯性空间上(XYZ)；另一个坐标系固定在车身上(xyz)，定义汽车转向运动时的旋转中心点为O，由车辆侧向动力学可知：
车辆相对路面车道中心线误差的动力学模型：
其中：e1为车辆质心与道路中心线的侧向位移偏差；e2为相对车道的车辆方向误差；m为车辆质量；lf、lr分别为车辆质心到前轴、后轴的纵向距离；Iz为车辆横摆转动惯量；为期望横摆角速度；Cαf、Cαr分别为前、后轮的侧偏刚度；Vx为车辆质心处的纵向速度；
S1.2、基于虚拟势场法构建线控转向触觉引导力
S1.2.1、基于Dijkstra算法的车辆避障转向路径规划
在视景中车辆行驶道路中预先随机设置一些列障碍物点，视景中车辆行驶过程中实时检测到的前方障碍物点，通过Delaunay三角剖分算法将车辆的前方道路用空间表示，取Delaunay三角剖分得到的三角形的中点，并将其两两连接；分别以最小x坐标点、最大x坐标点为车辆的起始点和结束点，利用Dijkstra算法基于起始点和结束点搜寻车辆避障行驶的最短路径；将获得的车辆行驶的曲线点在车辆坐标系下采用最小平方法进行曲线二次多项式拟合：
y＝ax2+bx+c (4)
计算二次多项式系数：
式中：a、b、c分别为拟合得到的二次项系数、一次项系数和常数项；
(pkx，pky)为曲线点上的位置，分别为前一次采样获得的多项式系数；γ0、γ1、γ2分别为设定的正实数；
S1.2.2、基于车辆实际行驶工况信息的虚拟力构建
将S1.2.1中规划的车辆避障转向路径公式(4)与S1.1.3中推出的车辆侧向动力学建模公式(3)进行联立，推导出车辆实际行驶路径与避障转向路径误差的车辆侧向动力学模型：
基于车辆实际行驶与转向路径之间的偏差与障碍物的距离，建立二维高斯势场函数：
其中：
式中：为势场函数；m、n分别为目标对象点的个数ai，i＝1，2，…，n、障碍物点bi的个数，j＝1，2，…，m；A为幅值；σX和σY分别为高斯函数在X和Y方向的标准方差，
从而可以推出构建的作用在转向轮处的引导力Tassist；
S2、将S1中引导力与车辆行驶时车轮受到的回正力通过S1.1.2中转向轮到转向执行电机的系统模型实时计算出作用在转向电机上力的大小；通过合适的比例系数，将作用在转向电机上的力映射到力矩电机上，从而控制力矩电机给驾驶员以触觉引导；
S2.1、将触觉引导力与人手操纵力融合的共享控制方法
将S1.2.2中构建的车轮处的引导力Tassist和车辆行驶过程中车轮受到的回正力Te采用适当的加权系数进行融合，共同作用到转向轮上，通过S1.1.2中推导的转向执行机构模型，计算出作用在转向电机上力的大小；通过合适的比例系数，将作用在转向电机上的力映射到力矩电机上，从而控制力矩电机输出所需的触觉引导力Thaptic的大小；
在转向操纵机构系统中，将力矩电机输出的触觉引导力Thaptic与驾驶员作用到方向盘上的力Tdriver通过人-机共享控制方法，合理分配驾驶员手动参与和智能辅助参与的权值，实现车辆驾驶时方向盘对驾驶员行为的触觉引导，提高车辆操纵的智能与安全。
2.根据权利要求1中所述的一种具有可调限位及回正的力触觉引导辅助转向装置，其特征在于所述的可调机械限位及回正装置的丝杠两端分别通过角接触型轴承固定在轴承支座上，两个轴承支座的外侧通过螺栓固定连接轴承端盖，两个轴承支座的内侧通过螺栓固定连接弹簧挡板，丝杠螺母套在丝杠上中部位置，弹簧套在丝杠上丝杠螺母左右两端，丝杠两侧有导向板，导向板两端顶面均开有限位槽，导向板上限位槽的下方开有一条导向槽，丝杠螺母两侧有限位凸起，丝杠螺母通过限位凸起和导向槽配合与两侧导向板滑动连接，导向板两端顶面均开有限位槽，两根移动限位矫正挡板纵向布置在导向板两端对丝杠上方限位，移动限位矫正挡板通过螺栓和梯形螺母配合限位槽固定。
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