CN107628108A - 一种车辆全电传操纵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种车辆全电传操纵系统，属于地面车辆控制系统技术领域。包括：由电子模式杆、电子油门和刹车踏板、电子方向盘以及图形显示器构成的人机交互操纵界面，人机交互操纵界面反馈接口，上位机，传感器和执行机构；电子模式杆用于驾驶模式的选择，电子方向盘与踏板的机械信号通过人机操纵界面转化为电信号，并通过驾驶模式的选择在上位机内依据设定的规律被解析为相应目标控制量，该控制量传输至执行机构并转换为机械输出，并依次通过人机交互操纵界面反馈接口及其界面将相应操纵体验反馈给驾驶员。本发明将普通车辆的操纵界面到执行机构之间的一套机械传动设备以电信号处理替代，提高了操纵灵活性和安全性，同时降低了整车重量和复杂度。
Description
技术领域
本发明属于地面车辆控制系统技术领域，尤其涉及一种车辆全电传操纵系统。
背景技术
地面车辆泛指各种不依赖于轨道的在地面运行的载人设备，按运动自由度受限情况分类，可分为非全向车辆和全向车辆。非全向车辆以日常道路上常见的汽车为例，只有前轮具备转向能力，后轮平面与车身侧面保持平行，因而转弯时后轴始终处于转弯轨迹的曲率半径的延长线上。全向车辆的车身指向和车辆质心运动速度矢量方向之间完全独立，在任意时刻可以独立地控制车身指向和车辆质心的运动速度矢量。
现有的非全向车辆的操纵自由度只有两个：线速度和运动轨迹的曲率半径，因而操纵界面也相对简单，主要包含方向盘、踏板、换挡杆。通过常规的机械设计即可形成传统的四连杆转向系统，使方向盘转动时带动一个四连杆机构使车轮绕车轮纵轴偏转一个角度，进而车辆的前轮符合转向时的运动学规律，即车辆前轮速度矢量合成满足车身作曲率圆心在后轴延长线上的道路平面内的二维刚体转动。踏板对应的油门和刹车系统也可以由一系列机械传动装置完成操作。目前的自动驾驶系统均基于这种传统的机械传动方式，作动机构如电动机、电动推杆等，以并联的方式与传统的机械传动系统连接并带动机械传动系统的运动。然而大量的刚性机械结构及其附加设备如助力器增加了整车系统的复杂度和重量，同时可拓展性和灵活性较差。
现有的全向地面车辆以其灵活性，目前在特殊工程领域有广泛应用，如挖掘机等工程作业车辆和坦克等军用车辆。该全向车辆的车身指向和车辆质心运动速度矢量方向之间完全独立，在任何时刻可以指定车身指向和车辆质心的运动速度矢量，或其微分量即车身指向的角速度和车辆质心运动的加速度，并且由执行机构实现所指定的运动。常见执行机构的具体机械实现方式为：车身与底盘通过一个纵向轴承连接的方式；车轮采用万向轮的形式，或四轮独立驱动、独立转向的形式，但不限于此。然而由于全向地面车辆的控制量众多，如四轮独立驱动、独立转向的全向地面车辆，其每个车轮至少需要两个控制量：绕其纵轴偏转的角度和绕轮轴的转速，因此往往需要特殊设计的操纵界面，比如额外的操纵杆等。由于全向地面车辆操纵界面并不友好，因而控制难度较高，阻碍了全向地面车辆在日常民用车辆中的应用，例如：使得电动汽车不具备横向错车等更加灵活的功能，同时具有转弯过程中驾驶员存在视野盲区等不可避免的缺点。控制量的不同和控制车辆转向的机械结构不同也使自动驾驶系统难以在全向地面车辆与传统民用车辆如传统汽车之间通用。
发明内容
本发明针对地面车辆的操纵方式提出了一种车辆全电传操纵系统。本发明借助于计算机的运算能力，将人输入的机械操纵信号转化为电信号，进行处理之后再发送至执行机构并转换为机械输出，中间不经过任何机械传动过程。本发明适用于各种地面车辆，包括全向车辆和非全向车辆。
本发明采用如下技术方案：
一种车辆全电传操纵系统，其特征在于，包括：人机交互操纵界面、人机交互操纵界面反馈接口、上位机、传感器和执行机构；人机交互操纵界面包括电子模式杆、电子油门和刹车踏板、电子方向盘以及图形显示器；其中，
所述电子模式杆接收驾驶员的模式选择操作，并将该模式选择操作转化为模式选择电信号传输至上位机；
所述电子油门和刹车踏板接收驾驶员的踏板踩入深度操作，并将油门踏板踩入深度操作转化为速度控制电信号、将刹车踏板踩入深度转化为制动力控制信号传输至上位机；
所述电子方向盘接收驾驶员的转向操作，并将该转向操作转化为方向盘的转动角度电信号；该电子方向盘上还设有多个功能按钮，将各按钮所对应的操作转化为相应功能的电信号；电子方向盘将所述转动角度电信号和功能电信号均传输至上位机；
所述图形显示器通过人机交互操纵界面反馈接口接收上位机根据对车辆的实际控制情况反馈给驾驶员感知车辆运动状态的视觉信息；
所述传感器包括运动传感器和周围环境传感器；其中，所述运动传感器通过采集车辆质心的运动信息来感知车辆真实运动状态信息，并与通过执行机构反解得到的车辆真实运动状态信息进行数据融合以提高测量精度；所述周围环境传感器通过采集辅助驾驶决策和与人机交互操纵界面反馈接口间进行传输的环境信息来感知车辆周围环境信息；
所述人机交互操纵界面反馈接口包括力反馈接口和多媒体反馈接口；其中，所述力反馈接口用于接收由上位机给出的力反馈信号，该信号由上位机通过执行机构的控制误差反馈计算得到，力反馈信号在人机交互操纵界面转化为机械操纵体验并通过电子方向盘反馈给驾驶员；所述多媒体反馈接口用于接收通过传感器获取的车辆周围环境信息和车辆真实运动状态信息后转化为图形影像，并通过图形显示器反馈给驾驶员；
所述上位机用于将接受到的各个信号解析为所述执行机构的控制信号，各执行机构根据该控制信号执行相应动作，并依次通过人机交互操纵界面反馈接口和人机交互操纵界面向驾驶员提供相应反馈；
所述执行机构根据所述上位机生成的控制电信号驱动车辆运动，并将执行机构的控制误差反馈传送至上位机中形成闭环控制。
可选地，所述上位机内设有模式选择模块、基于模式的控制量解析模块以及控制模式对应的控制算法模块；其中，
所述模式选择模块根据所述电子模式杆传输的模式选择电信号选择驾驶模式，并将该驾驶模式信息分别传输至所述基于模式的控制量解析模块和所述控制模式对应的控制算法模块；
所述基于模式的控制量解析模块根据驾驶模式信息、电子方向盘的转动角度电信号以及电子油门和刹车踏板的速度控制电信号解析出人工控制车辆目标运动量，并将该人工控制车辆目标运动量传输至控制模式对应的控制算法模块；
所述控制模式对应的控制算法模块根据所述驾驶模式信息、人工控制车辆目标运动量、传感器对车辆周围环境的感知以及执行机构对车辆真实运动状态的控制误差反馈，生成控制电信号并传输至执行机构；该控制模式对应的控制算法模块还根据执行机构的实际反馈以及传感器对车辆运动状态和环境的感知，不断更新控制电信号；该控制模式对应的控制算法模块根据执行机构的实际反馈，解算出力反馈信号，传递给人机交互操纵界面反馈接口。
本发明的特点及有益效果：
本发明提出的车辆全电传操纵系统的操纵界面到执行机构之间采用电信号连接方式，极大地提高了操纵的灵活性和安全性，与此同时降低了整车的重量和复杂度。同时，由于电信号便于被上位机处理，各控制信号通过基于模式的数据定义和融合，实现控制自由度的拓展，进而使全向车辆和非全向车辆具有共用一套操纵界面的潜力，统一并简化了地面车辆的操纵方式，同时使地面车辆的操纵更安全、直观且更富有乐趣。
附图说明
图1为本发明实施例全电传操纵系统的结构框图；
图2为本发明确定车辆运动的目标量的原理图。
具体实施方式
本发明提出的一种基于传统车辆操纵界面的车辆全电传操纵系统，以下结合附图及实施例详细说明如下。
本发明提出的一种车辆全电传操纵系统，其整体结构如图1所示，该系统包括：人机交互操纵界面1-2、人机交互操纵界面反馈接口1-12、上位机1-8、传感器1-11和执行机构1-13；人机交互操纵界面(该人机交互操纵界面与传统车辆操作界面的外观相同，区别在于：传统车辆操作界面与车辆的运动执行机构通过机械部件直接相连，驾驶员的对车辆的操控指令以及车辆运动状态对驾驶员的反馈，直接通过机械部件传递；而人机交互操纵界面与车辆的运动执行机构通过电路与上位机相连，控制信号与反馈信号均通过电缆传递)包括电子模式杆1-3、电子油门和刹车踏板1-4、电子方向盘1-5、图形显示器1-7；其中，
电子模式杆1-3接收驾驶员1-1的模式选择操作，并将该模式选择操作转化为模式选择电信号传输至上位机1-8；
电子油门和刹车踏板1-4接收驾驶员1-1的踏板踩入深度操作，并将油门踏板踩入深度操作转化为速度控制电信号、将刹车踏板踩入深度转化为制动力控制信号传输至上位机1-8；
电子方向盘1-5接收驾驶员1-1的转向操作，并将该转向操作转化为方向盘的转动角度电信号；该电子方向盘1-5上还设有多个功能按钮，将各按钮所对应的操作转化为相应功能的电信号；电子方向盘将所述转动角度电信号和功能电信号均传输至上位机1-8；本实例所选电子方向盘/电子油门和刹车踏板型号为Logitech G29套件，然而实际上任何一款能被识别为标准游戏杆并具有数量足够的自由度的设备都能被本车系统适用；
所述图形显示器1-7通过人机交互操纵界面反馈接口接收上位机1-8根据对车辆的实际控制情况反馈给驾驶员感知车辆运动状态的视觉信息；本实施例的图形显示器采用广东远骏电子生产的15.6吋电容触摸屏显示器实现。为优化驾驶体验，本操纵系统还可以配备增强现实图形显示设备如平视显示仪等；为方便与驾驶人员之间进行交互，图形显示器可带有触控功能。
传感器1-11包括运动传感器和周围环境传感器；其中，运动传感器通过采集车辆质心的运动信息来感知车辆真实运动状态信息，并与通过执行机构反解得到的车辆真实运动状态信息进行数据融合以提高测量精度，本实施例的运动传感器采用惯性导航单元和GPS等实现；周围环境传感器通过采集辅助驾驶决策和与人机交互操纵界面反馈接口间进行传输的环境信息来感知车辆周围环境信息，本实施例的周围环境传感器采用摄像头和激光雷达等实现。
人机交互操纵界面反馈接口1-12包括力反馈接口和多媒体反馈接口；其中，力反馈接口用于接收由上位机1-8给出的力反馈信号，该信号由上位机通过执行机构的控制误差反馈计算得到，力反馈信号在人机交互操纵界面由相关硬件(如连接到电子方向盘的力矩电机等)转化为与传统机械传动车辆相似的机械操纵体验(如振动、反作用力等)并通过电子方向盘1-5反馈给驾驶员1-1；多媒体反馈接口用于接收通过传感器1-11获取的车辆周围环境信息和车辆真实运动状态信息后转化为图形影像，并通过图形显示器1-7反馈给驾驶员1-1。本实施例人机交互操纵界面反馈接口1-12的具体实现方式为：通过上位机逆向解算得到等效的反作用力，并由力反馈的执行机构(如力矩电机等)作用于电子方向盘的物理实体；针对车辆执行机构发力和执行机构的滞后，本实施例分别采用动力学逆向计算和线性弹簧模型的叠加，能有效增强驾驶员的现场感，且避免幅度过大和变化过快的激烈操作。人机交互操纵界面反馈接口与上位机之间的接口使用Simple DirectMedia Layer(SDL)和Qt库搭建，SDL包含可以读取电子方向盘和踏板的输入信号的函数，并提供力反馈的驱动接口函数；Qt用于搭建图形界面。
上位机将接受到的各个信号解析为执行机构1-13的控制信号(如每个车轮的目标转向角和目标滚动角速度等)，各执行机构根据该控制信号执行相应动作，并依次通过人机交互操纵界面反馈接口和人机交互操纵界面向驾驶员提供相应反馈。
所述上位机1-8内设有模式选择模块1-14、基于模式的控制量解析模块1-9以及控制模式对应的控制算法模块1-10；其中，模式选择模块1-14根据电子模式杆1-3传输的模式选择电信号选择驾驶模式，并将该驾驶模式信息分别传输至基于模式的控制量解析模块1-9和控制模式对应的控制算法模块1-10；基于模式的控制量解析模块1-9根据驾驶模式信息、电子方向盘1-5的转动角度电信号以及电子油门和刹车踏板1-4的速度控制电信号解析出人工控制车辆目标运动量，并将该人工控制车辆目标运动量传输至控制模式对应的控制算法模块1-10，所述人工控制车辆目标运动量包括驾驶员1-1预期的车辆速度、加速度、角速度以及质心轨迹的曲率中心；控制模式对应的控制算法模块1-10根据所述驾驶模式信息、人工控制车辆目标运动量、传感器1-11对车辆周围环境的感知以及执行机构1-13对车辆真实运动状态的控制误差反馈，生成控制电信号(如每个车轮的目标转向角和目标滚动角速度等)并传输至执行机构1-13，该控制模式对应的控制算法模块1-10还根据执行机构1-13的实际反馈以及传感器对车辆运动状态和环境的感知，不断更新控制电信号。另外，控制算法模块1-10根据执行机构1-13的实际反馈，解算出力反馈信号，传递给人机交互界面反馈接口1-12。本发明上位机中的各模块可采用本领域常规的编程技术予以实现。
执行机构1-13根据上位机中控制模式对应的控制算法模块1-10生成的控制电信号驱动车辆运动，并将执行机构的控制误差反馈(反映车辆真实运动状态)传送至上位机中的控制算法模块1-10形成闭环控制。
现以众多驾驶模式中的两种，即指定车辆的转向中心的转弯模式(即使车辆以任意朝向进行转弯)和偏航运动模式(即使车辆朝向与其行驶速度方向形成一个角度以进行侧向平移和蛇形机动)为例，分别描述本发明基于模式的控制量解析模块的具体实现方式。该模块的核心为建立人机交互操纵界面输入量(即模式选择、踏板踩入深度、方向盘的转向角度)与车辆运动目标量之间的对映射关系。
为方便描述，现作如下定义：a)定义车身坐标系如图2所示，车身坐标系为与车身固连的坐标系，该坐标系的坐标轴x指向车身正前方、坐标轴y指向车身正左方、坐标轴z垂直于xy平面向上、原点位于车身几何中心在车辆底盘平面的竖直投影处；b)定义车辆的转向中心为车身作刚体转动运动时的瞬心，其位置表达为该车辆的转向中心在车身坐标系中的相对坐标(xC,yC)；c)定义车辆的偏航角为车身指向(+x方向)与速度矢量方向(航向)之间的夹角θ，车身指向矢量方向在航向的逆时针方向则偏航角为负，车身指向矢量在航向顺时针方向则偏航角为正。在下文中，变量带下标d表示该变量的控制目标量；d)定义第i个车轮在车身坐标系中的坐标为(xi,yi)，定义第i个车轮的转向角，即车身坐标系x轴与z轴所在平面与车轮轮毂所在平面的夹角为θi。
一、对于指定车辆的转向中心的转弯模式，具体步骤如下：
1)建立方向盘转动角度p与车辆质心轨迹的曲率半径σ的映射关系：该该指定车辆的转向中心的转弯模式下，映射关系可以采用如下两种公式之一(前者的转向控制响应更温和，后者更猛烈)：。
其中，p为方向盘输入值，即方向盘转动角度，当方向盘从左极限旋转到右极限时，p线性地从-pm变化到pm，pm为方向盘转动限位，根据车辆机械结构确定；1/σd为车辆质心轨迹的目标曲率半径，即转向中心在与车身固连的坐标系中的矢径(当σd→0时，对应车辆的目标轨迹为直线)，k1为比例系数，由驾驶员的驾驶习惯和方向盘的转动限位pm进行确定。
2)建立人机界面输入量与车辆的目标偏航角θd的映射关系：该指定车辆的转向中心的转弯模式下，车辆的目标偏航角θd固定，或由驾驶员经人机交互操纵界面手动设定(如方向盘1-5的按钮或图形显示器1-7的输入)，或由自动驾驶系统自行设定。
3)建立油门踏板的踩入深度与车辆运动的目标线速度vd的映射关系：该指定车辆的转向中心的转弯模式下，车辆运动的目标线速度vd与油门踏板的踩入深度存在线性映射关系。
4)分别对步骤1)～步骤3)中确定的σd、θd、vd(以及这些变量的微分量)与相应
人机交互操纵界面输入量进行常规的数学计算，即获得车辆的目标转向中心(xCd,yCd)、车辆转向角速度等运动目标量(及其微分量)。对于传统车辆的转向系统，只需将车辆的转向中心限定在车辆后轴的延长线上即可；对于四轮独立转向的车辆，车辆的转向中心可以选在四轮转向的共同可达区域内的任意一点；对于车身整体与底盘通过一个转向轴承连接的工程车辆，这种操作可以等效为常规的底盘转向加上车身的偏航来实现。
二、对于偏航运动模式，本实施例采用一种线性的对应方法，即当方向盘从左极限旋转到右极限时，目标偏航角与方向盘转角之间呈简单的比例关系θd＝k2p，其中车辆目标偏航角为θd，方向盘转动角度为p；k2为比例系数，由驾驶员的驾驶习惯和方向盘的转动限位pm进行确定，在常见的情况下，设定比例系数k2使车辆偏航角的范围在-90°到+90°之间。在需要偏航角回归零点时，通过电子方向盘1-5的按钮或图形显示器的相关控件可以实现方向盘和车轮的快速归中。该模式下的每一时刻，车辆质心轨迹的瞬时曲率σ都为零。车辆运动的目标线速度vd与油门踏板的踩入深度存在线性映射关系。
需要指出，传统前轴转向车辆的基于方向盘与踏板的操纵系统，仅能控制车辆线速度和运动轨迹的曲率半径这两个自由度；另一方面，具备全向运动能力的车辆(如挖掘机、坦克等)通常需要在传统操纵系统的基础上额外设置操纵杆。本发明所述的电传操纵系统，在不同的驾驶模式下，(驾驶员手动控制的)方向盘与踏板均对应不同的控制自由度，而车辆若存在其他控制自由度，则交由上位机自行设定并执行。亦即，电传操纵系统对于驾驶员而言，可实现控制自由度的拓展，全向车辆和非全向车辆具有共用一套操纵界面的能力。
人工控制车辆运动目标量与执行机构1-13的控制电信号(如每个车轮的目标转向角和目标滚动角速度等)之间，可由车轮在车身坐标系的坐标值，通过简单的几何变换，建立基础对应关系。控制模式对应的控制算法1-10另引入传感器获得的环境信息与执行机构的反馈信息，对这一基础对应关系作加权修正，获得最终的控制电信号。
本发明的控制模式对应的控制算法(1-10)因对象车辆的架构不同而有各自对应的控制算法，包括各执行机构力、力矩、位移、转速的分配。但其核心在于通过人工控制车辆运动目标量和传感器(1-11)传入的车辆真实运动状态，以及其它车辆控制决策如自动驾驶系统的决策，综合车辆的动力学模型，对各个控制目标量进行加权，得到车辆性能可达范围内的且能量最优的控制策略，并根据执行机构的类别生成所需要的转向、驱动控制目标量，交由执行机构完成并收集反馈信号以完成控制闭环。
Claims (4)
1.一种车辆全电传操纵系统，其特征在于，包括：人机交互操纵界面、人机交互操纵界面反馈接口、上位机、传感器和执行机构；人机交互操纵界面包括电子模式杆、电子油门和刹车踏板、电子方向盘以及图形显示器；其中，
所述电子模式杆接收驾驶员的模式选择操作，并将该模式选择操作转化为模式选择电信号传输至上位机；
所述电子油门和刹车踏板接收驾驶员的踏板踩入深度操作，并将油门踏板踩入深度操作转化为速度控制电信号、将刹车踏板踩入深度转化为制动力控制信号传输至上位机；
所述电子方向盘接收驾驶员的转向操作，并将该转向操作转化为方向盘的转动角度电信号；该电子方向盘上还设有多个功能按钮，将各按钮所对应的操作转化为相应功能的电信号；电子方向盘将所述转动角度电信号和功能电信号均传输至上位机；
所述图形显示器通过人机交互操纵界面反馈接口接收上位机根据对车辆的实际控制情况反馈给驾驶员感知车辆运动状态的视觉信息；
所述传感器包括运动传感器和周围环境传感器；其中，所述运动传感器通过采集车辆质心的运动信息来感知车辆真实运动状态信息，并与通过执行机构反解得到的车辆真实运动状态信息进行数据融合以提高测量精度；所述周围环境传感器通过采集辅助驾驶决策和与人机交互操纵界面反馈接口间进行传输的环境信息来感知车辆周围环境信息；
所述人机交互操纵界面反馈接口包括力反馈接口和多媒体反馈接口；其中，所述力反馈接口用于接收由上位机给出的力反馈信号，该信号由上位机通过执行机构的控制误差反馈计算得到，力反馈信号在人机交互操纵界面转化为机械操纵体验并通过电子方向盘反馈给驾驶员；所述多媒体反馈接口用于接收通过传感器获取的车辆周围环境信息和车辆真实运动状态信息后转化为图形影像，并通过图形显示器反馈给驾驶员；
所述上位机用于将接受到的各个信号解析为所述执行机构的控制信号，各执行机构根据该控制信号执行相应动作，并依次通过人机交互操纵界面反馈接口和人机交互操纵界面向驾驶员提供相应反馈；
所述执行机构根据所述上位机生成的控制电信号驱动车辆运动，并将执行机构的控制误差反馈传送至上位机中形成闭环控制。
2.根据权利要求1所述的车辆全电传操纵系统，其特征在于，所述上位机内设有模式选择模块、基于模式的控制量解析模块以及控制模式对应的控制算法模块；其中，
所述模式选择模块根据所述电子模式杆传输的模式选择电信号选择驾驶模式，并将该驾驶模式信息分别传输至所述基于模式的控制量解析模块和所述控制模式对应的控制算法模块；
所述基于模式的控制量解析模块根据驾驶模式信息、电子方向盘的转动角度电信号以及电子油门和刹车踏板的速度控制电信号解析出人工控制车辆目标运动量，并将该人工控制车辆目标运动量传输至控制模式对应的控制算法模块；
所述控制模式对应的控制算法模块根据所述驾驶模式信息、人工控制车辆目标运动量、传感器对车辆周围环境的感知以及执行机构对车辆真实运动状态的控制误差反馈，生成控制电信号并传输至执行机构；该控制模式对应的控制算法模块还根据执行机构的实际反馈以及传感器对车辆运动状态和环境的感知，不断更新控制电信号；该控制模式对应的控制算法模块根据执行机构的实际反馈，解算出力反馈信号，传递给人机交互操纵界面反馈接口。
3.根据权利要求2所述的车辆全电传操纵系统，其特征在于，所述人工控制车辆目标运动量包括驾驶员预期的车辆速度、加速度、角速度以及质心轨迹的曲率中心。
4.根据权利要求1所述的车辆全电传操纵系统，其特征在于，所述图形显示器包括触摸屏显示器和/或用于增强现实图形显示的平视显示仪。
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