CN108163042A - 具有基于用户体验的自动驾驶至手动驾驶转换系统和方法的车辆转向系统 - Google Patents

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Abstract

一种线控转向转向系统，包括：方向盘，选择性地耦接至转向轴，方向盘和转向轴能够在展开位置与缩回位置之间轴向移动；高级驾驶员辅助系统，被配置为转向与方向盘和转向轴通信的车辆的可转向车轮，ADAS被配置为选择性地在自主驾驶模式下和在手动驾驶模式下控制可转向车轮的转向；以及与ADAS通信的转向系统控制器，转向系统控制器被编程为在方向盘处于缩回位置时，响应于停用ADAS的一部分以及从自主驾驶模式转换到手动驾驶模式的车辆操作者请求，将方向盘移动到展开位置，并且将方向盘操作性地耦接到转向轴。

Description

具有基于用户体验的自动驾驶至手动驾驶转换系统和方法的 车辆转向系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2016年12月7日提交的序列号为62/431,391的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的转向系统，并且更具体地，涉及一种具有可收起的方向盘并被配置用于自主驾驶和手动驾驶的转向系统，并且更具体地，涉及一种具有基于用户体验的自动驾驶到手动驾驶转换系统和方法的转向系统。
背景技术
目前，正在开发具有手动驾驶(MD)模式和自主驾驶(AD)模式驾驶能力的车辆。在AD模式中的一些自主驾驶事件期间，选择性自主车辆的方向盘不必控制选择性自主车辆而被存储在收起位置。在某些状况(包括车辆处于运动中的状况)下，需要从AD模式转换回MD模式。
用于AD模式到MD模式转换的当前方法依赖于来自若干驾驶员监测设备(例如，跟踪驾驶员的眼睛注视的摄像机)的数据的融合，并且还提供手在方向盘上的检测。为了使汽车安全完整性等级(ASIL)D达到100％的预期准确度，通常有必要用附加信息补充上述监测设备提供的信息。虽然这样的设备是有用的，基于摄像机的驾驶员监测系统构成潜在的驾驶员隐私问题。而且，尽管使用这些系统的AD模式到MD模式转换被认为是安全的，但驾驶员未必控制转换，因为驾驶员和驾驶自动转向系统之间没有明确的反馈。
因此，非常希望提供一种转向系统和合并这种转向系统的车辆，该转向系统被配置为安全地从AD模式转换到MD模式，包括在车辆正在移动的状况下，并且在转换期间提供驾驶员和使用转向系统的自动化系统之间的反馈。
发明内容
根据本发明的一个实施例，公开了一种用于车辆的线控转向转向系统。该系统包括：方向盘，选择性地耦接至转向轴，方向盘和转向轴能够在展开位置与缩回位置之间轴向移动；高级驾驶员辅助系统，被配置为转向与方向盘和转向轴通信的车辆的可转向车轮，高级驾驶员辅助系统被配置为选择性地在自主驾驶模式下和在手动驾驶模式下控制可转向车轮的转向，自主驾驶模式不需要车辆操作者的转向输入，手动驾驶模式需要车辆操作者的转向输入；以及与高级驾驶员辅助系统通信的转向系统控制器，转向系统控制器被编程为在方向盘处于缩回位置时，响应于停用高级驾驶员辅助系统的一部分以及从自主驾驶模式转换到手动驾驶模式的车辆操作者请求，将方向盘移动到展开位置，并且将方向盘操作性地耦接到转向轴。
根据本发明的另一实施例，公开了一种包括线控转向转向系统的选择性自主可控车辆。该车辆包括：可在展开位置和缩回位置之间轴向移动的转向轴；高级驾驶员辅助系统，被配置为转向与转向轴和转向轴通信的车辆的可转向车轮，高级驾驶员辅助系统被配置为选择性地在自主驾驶模式下和在手动驾驶模式下控制可转向车轮的转向，自主驾驶模式不需要车辆操作者的转向输入，手动驾驶模式需要车辆操作者的转向输入；以及与高级驾驶员辅助系统通信的转向系统控制器，转向系统控制器被编程为在转向轴处于缩回位置时，响应于停用高级驾驶员辅助系统的一部分以及从自主驾驶模式转换到手动驾驶模式的车辆操作者请求，将转向轴移动到展开位置。
根据本发明的又一个实施例，公开了一种用于转向系统的力传感器组件。该组件包括：轴向延伸的转向轴；以及力传感器，其操作性地耦接到转向轴并且被配置为感测施加到转向轴或方向盘的大致轴向的力。
根据本发明的又一实施例，公开了一种用于车辆的转向系统的方向盘收起辅助系统(SWSAS)。该系统包括：方向盘，选择性地耦接至转向轴，方向盘和转向轴能够在展开位置与缩回位置之间轴向移动；高级驾驶员辅助系统，被配置为转向与方向盘和转向轴通信的车辆的可转向车轮，高级驾驶员辅助系统被配置为选择性地在自主驾驶模式下和在手动驾驶模式下控制可转向车轮的转向，自主驾驶模式不需要车辆操作者的转向输入，手动驾驶模式需要车辆操作者的转向输入；轴向力传感器，操作性地耦接到转向轴；以及与高级驾驶员辅助系统和轴向力传感器通信的转向系统控制器，转向系统控制器被编程为在方向盘处于缩回位置时，响应于停用高级驾驶员辅助系统的一部分以及从自主驾驶模式转换到手动驾驶模式的车辆操作者请求，将方向盘移动到展开位置，并且将方向盘操作性地耦接到转向轴。
从以下结合附图的描述中，这些和其它优点和特征将变得更加明显。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书的结尾处的权利要求中被特别指出并清楚地要求保护。从以下结合附图的详细描述中，本发明的前述和其它特征以及优点是显而易见的，其中：
图1是转向系统的实施例的示意图；
图2是转向系统的控制架构的实施例的框图；
图3是包括基于用户体验的自动驾驶到手动驾驶转换(UX-AD2MD)系统的转向系统的实施例的示意图；
图4是具有处于缩回位置的转向系统的车厢的实施例的示意性侧视图；
图5是具有处于展开位置的图4的转向系统的车厢的示意性侧视图；
图6是处于缩回位置的转向系统的实施例的示意性侧视图；
图7是处于展开位置的图6的转向系统的实施例的示意性侧视图；
图8是用于转向系统的转矩位移力传感器的实施例的元件的示意图；
图9是磁通量/位移力传感器的透视组装图；
图10是图9的磁通量/位移力传感器的透视截面图；
图11是图9的磁通量/位移力传感器的未组装部件的透视分解图；
图12是包括图9的磁通量/位移力传感器的转向柱的透视图；
图13是包括图9的磁通量/位移力传感器的转向系统的实施例的透视图；
图14是根据本公开的另一方面的磁通量/位移力传感器的透视组装图；
图15是图14的磁通量/位移力传感器的透视截面图；
图16是图14的磁通量/位移力传感器的未组装部件的透视图；
图17是包括负荷传感器力传感器的实施例的转向系统的实施例的透视图；
图18是图17的负荷传感器力传感器的实施例的透视截面图；
图19是管理程序算法及其元件的示意图；
图20是在自主驾驶(AD)模式到手动驾驶(MD)模式的转换被系统允许的时间间隔期间，在转向系统的操作期间作为时间的函数的方向盘和车轮角位置的曲线图；
图21是SWSAS及其使用方法的流程图；
图22是具有包括多个电开关的手在方向盘上传感器的方向盘的后视示意图；
图23是具有包括外围阵列中的多个电容式开关的手在方向盘上传感器的方向盘的后视示意图；
图24是具有包括外围阵列中的多个压电开关的手在方向盘上传感器的方向盘的后视示意图；
图25是具有包括光学传感器的手在方向盘上传感器的方向盘的后视示意图，所述光学传感器包括外围阵列中的多个红外开关；
图26是SWSAS和转向系统的实施例的透视图；
图27是如本文所公开的柱倾斜传感器的实施例；
图28是SASS控制架构的示意图，其中SWSAS控制器可以被包括在CEPS中；
图29和图30是SASS控制架构的实施例的示意图，其中SWSAS控制器可以是独立的控制器并且直接连接到CEPS(图29)或与CAN网络相关联并利用CAN网络的独立控制器(图30)；
图31是按需转向-用户体验事件序列，描述作为时间的函数提供的从AD模式到MD模式的转换，；
图32是AD模式到MD模式转换期间的SOD SbW转向系统的状态图；以及
图33是SOD SbW转向系统的详细流程图的实施例。
具体实施方式
现在参照附图，其中将参考具体实施例描述本发明，但不限于此，应该理解，所公开的实施例仅仅是对本发明的说明，其可以以各种和替代的形式来实施。附图不一定是按比例的；一些特征可能被夸大或最小化以显示特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。
参照图1-4，公开了用于诸如机动车辆的车辆1的按需转向(Steering On Demand，SOD)转向系统2的实施例。车辆1可以是任何合适的车辆，包括汽车、越野车、多用途车、轻型卡车或重型卡车。车辆1是被配置用于在不需要驾驶员转向输入的自主驾驶(AD)模式12或需要驾驶员转向输入的手动驾驶(MD)模式14中进行选择性操作的自主或半自主驾驶车辆。SOD系统2包括线控转向(SbW)转向系统，其特征是在柱式电动助力转向(CEPS)系统与齿条式电动助力转向(REPS)系统之间不存在机械链接。SbW转向系统3包括包含SbW控制器4的系统架构，SbW控制器4被配置为与系统的其它元件通信以接收信号输入并提供信号输出以影响对车辆1的可转向车轮5的转向的控制。SbW控制器4与包括一个或多个雷达、摄像机、激光雷达和全球定位系统(GPS)的车辆1的对象和事件检测传感器(OEDS)6进行信号通信，以在AD模式操作下控制车辆1运动的路径规划。SbW控制器4还与控制车轮转矩和位置的齿条式电动助力转向(REPS)系统7进行信号通信并对其进行控制。SbW控制器4还与柱式电动助力转向(CEPS)系统8进行信号通信并且对其进行控制，柱式电动助力转向(CEPS)系统8用于在AD模式操作下当方向盘处于移动模式时复制车轮位置，并且用于在MD模式操作下(通过REPS系统7)转向车辆。SbW控制器4还与方向盘收起辅助系统(SWSAS)9进行信号通信并对其进行控制，方向盘收起辅助系统(SWSAS)9用作AD模式10到MD模式12转换的启用器或提供器。SWSAS9与CEPS 8进行信号通信，以启用包括本文描述的驾驶员意图分析(DIA)和驾驶员准备情况分析(DRA)的特征。
参考图2，示出了SOD转向系统2的控制架构。SOD转向系统2控制架构包括SbW控制器4。
参考图3，在一个实施例中，包括SOD SbW转向系统2，其包括基于用户体验的自动驾驶到手动驾驶转换(UX-AD2MD)系统14。UX-AD2MD系统14被配置为在被配置用于自主驾驶(特别是根据SAE J3016自动化等级3和4驾驶应用)的车辆1的SOD SbW转向系统2中使用。具体而言，本发明包括车辆1和SOD SbW转向系统2，其包括UX-AD2MD系统架构14，UX-AD2MD系统架构14被配置为提供并实现从自动驾驶(AD)模式10到手动驾驶(MD)模式12的安全转换，该安全转换由通过车辆方向盘(以下称为智能方向盘(SHW)或方向盘30)和可缩回/可展开的电动辅助柱式转向系统(以下称为方向盘收起辅助系统(SWSAS))9检测和追踪的所识别的驾驶员干预或动作来触发。SWSAS 9在按需转向(SOD)的情况下操作，由此方向盘30可以在自主驾驶(AD)模式10期间收起在缩回或收起位置，并且随后在车辆的操作期间选择性地重新展开以提供手动驾驶(MD)模式12，由此操作者采取对车辆1的控制，尤其是对SOD SbW转向系统3的控制。UX-AD2MD系统14相比之前的转向系统(包括那些包括基于摄像机的AD/MD系统和上述转换方法的转向系统)提供了改进的冗余度和安全裕度，由此允许操作者/驾驶员控制AD/MD转换并在驾驶员和自动化系统之间提供明显的反馈，从而在转换期间提供增强的用户体验。
UX-AD2MD系统14通过从转向柱(SC)和方向盘或手持方向盘(HW)30收集的数据跟踪驾驶员与车辆转向系统(VSS)的交互。而且，UX-AD2MD系统14包括以与车辆驾驶员的触觉握手的形式(例如，通过HW振动和/或听觉或视觉指示器)实现的反馈以及驾驶员的输入与SOD SbW转向系统2输入之间的转向角比较。此外，SWSAS 9单元在整个AD模式10到MD模式12的转换期间，利用了从方向盘收起操作开始到完全向驾驶员提供协助的全部用户体验(并且从而提供持续的反馈以建立和保证驾驶员的信任和信心)。UX-AD2MD系统14由在自动驾驶(AD)模式10和手动驾驶(MD)模式12之间提供安全转换的多个传感器和算法组成。
如图4所示，在一个实施例中，UX-AD2MD系统14由多个传感器、设备和/或算法组成。在另一个实施例中，UX-AD2MD系统14系统包括以下设备和/或传感器和/或算法。UX-AD2MD系统14包括收起位置传感器(SPS)15，收起位置传感器15感测SOD SbW转向系统2和HW30是否处于收起位置，包括系统和方向盘是否被展开。UX-AD2MD系统14还包括收起力感测设备(SFSD)16，其被配置为感测特别是沿着柱和柱轴轴线施加的轴向压缩力(向内朝向收起或缩回位置)或拉伸力(向外朝向展开位置)。UX-AD2MD系统14还包括倾斜角度传感器(TAS)17，倾斜角度传感器(TAS)17被配置为利用基本水平的车辆参考平面(例如，车辆地板)来感测柱和柱轴轴线的角度。UX-AD2MD系统14还包括倾斜力感测设备(TFSD)18，倾斜力感测设备18被配置成感测角压缩(向下朝向车辆地板，倾向于减小倾斜角)或拉伸(向上朝向车顶以，倾向于增加倾斜角)力或围绕倾斜轴的转矩。UX-AD2MD系统14还包括收起致动器(SA)19，收起致动器(SA)19被配置为致动并影响SOD SbW转向系统3的方向盘30、柱轴和其它可展开/可缩回部分的基本上轴向的收起/缩回和展开移动。UX-AD2MD系统14还包括倾斜致动器(TA)21，倾斜致动器(TA)21被配置成致动并影响SOD SbW转向系统3的方向盘30、柱轴和其它可展开/可缩回部分的基本成角度的收起/缩回以及展开移动。UX-AD2MD系统14还包括包含SWSAS 9的线控转向(SbW)管理程序25。UX-AD2MD系统14还包括手在/不在检测系统(HOODS)23。UX-AD2MD系统14与其它高级驾驶员辅助系统(ADAS)传感器和系统(例如，雷达、激光雷达等)、全球定位系统(GPS)、齿条式电动助力转向系统(REPS)和柱式电动助力转向系统(CEPS)一起并入车辆1中。
SWSAS系统9包括SPS 15、SFSD 16、TAS 17、TFSD 18、SA 19和TA 21，以与HOODS系统23一起提供转向柱位置的状态和操作者关于SOD SbW转向系统2和HW 30的展开和/或缩回的意图的输入。
通过使用传感器、致动器和/或算法，SWSAS 9允许UX-AD2MD系统14确定用户和系统是否准备好将驾驶的责任从AD模式10中的自动化系统转移给MD模式12中驾驶员操作车辆1，或相反。HOODS系统23为车辆操作者或驾驶员提供这样的能力，即，通过接触HW 30发起MD模式12中车辆1的驾驶功能的手动接管的请求来与UX-AD2MD系统14交互，同样也可以用于发起驾驶员请求以启用自动驾驶系统用于在AD模式10中操作车辆1。
SbW管理程序25通过融合多个传感器输入和授权以允许驾驶责任的转移来为驾驶员提供进一步的保护等级。
参考图4-7，示出了可包括自主车辆、自主驾驶车辆或选择性自主车辆的车辆1的车厢100的侧视图。选择性自主车辆设置有SOD SbW转向系统2的转向组件20和高级驾驶员辅助系统(ADAS)22，使得自主车辆、自主驾驶车辆或选择性自主车辆能够执行操作而无需来自驾驶员的连续输入(例如，转向、加速、制动、操纵等)。ADAS 22允许使用感测、转向和/或制动技术至少部分地自主控制选择性自主车辆。选择性自主车辆的驾驶员能够经由开关或其它机构选择性地启用或停用ADAS 22。当ADAS 22被启用时，选择性自主车辆的驾驶员能够操作选择性自主车辆1而不向驾驶组件20的部件提供驾驶员输入。
转向组件20包括HW或方向盘30、调节组件32、转矩位移传感器36和控制器38。方向盘30操作性地连接到转向柱，转向柱沿着转向柱轴线50延伸。方向盘30选择性地耦接到沿转向柱轴线50延伸通过转向柱的转向轴52。方向盘30可以通过耦接机构54直接或间接地耦接到转向轴52。耦接机构54可以包括分离式离合器。当耦接机构54的分离式离合器被至少部分地接合并且ADAS 22被停用时，方向盘30耦接到转向轴52。当耦接机构54的分离式离合器被去接合并且ADAS 22被启用时，方向盘30与转向轴52解耦接。
在至少一个实施例中，耦接机构54被配置为将方向盘30电耦接到转向轴52的线控转向系统的部件。耦接机构54可以包括诸如旋转编码器的设备，其解读方向盘30的旋转并将信息提供给旋转转向轴52的致动器，转向轴52转动一对车轮。当ADAS 22被停用时，该设备向致动器提供信号。当ADAS22被启用时，该设备不提供信号或者被致动器忽略。
方向盘30能够在旋转状态/可旋转状态和非旋转状态之间切换。当ADAS22被停用时，方向盘30能够旋转。当ADAS 22被停用时，选择性自主车辆的驾驶员能够通过方向盘30提供选择性自主车辆的方向控制。当ADAS 22被启用时，方向盘30处于非旋转状态。方向盘30在非旋转状态下被禁止旋转。当方向盘30与转向轴52操作性地解耦接时，方向盘30处于非旋转状态。在至少一个实施例中，当ADAS 22被启用时，转向轴52反向旋转，使得由ADAS22控制的转向操纵器的执行不会引起方向盘30的旋转。应当理解的是，将方向盘30与转向轴52“解耦接”可以机械地、电气地或者其组合地完成。
参考图4-7，方向盘30包括可包括径向隔开的辐条的芯部60、至少部分地围绕芯部60设置的边缘62、从芯部60延伸的转向构件64以及便利特征66。便利特征66设置在方向盘30上，更具体地，设置在芯部60内或芯部60上。
参考图4-7，HW或方向盘30可在缩回位置(图4和图6)与展开位置(图5和图7)之间由调节组件32移动。缩回或收起位置对应于当车辆1处于AD模式10时方向盘30远离驾驶员并且朝向/进入选择性自主车辆的仪表板110位移的位置。缩回位置在车厢10内提供增加的空间，以供选择性自主车辆的驾驶员进行非驾驶活动。在至少一个实施例中，方向盘30设置在选择性自主车辆仪表板眉部的下方。
展开位置对应于方向盘30的驾驶位置，其中方向盘30能够旋转，并且选择性自主车辆的驾驶员能够向方向盘30提供转向输入，以在MD模式中驾驶选择性自主车辆12。
调节组件32与控制器38通信。调节组件32包括致动器120和延伸构件122。致动器120靠近转向柱设置。在至少一个实施例中，致动器120设置在选择性自主车辆仪表板110内。致动器120是电子致动器、液压致动器、气动致动器等中的至少一个。
延伸构件122操作性地耦接到致动器120以及方向盘30和转向轴52中的至少一个。延伸构件122是导螺杆、滑动轴等中的至少一个。致动器120和延伸构件122被设置成使方向盘30在展开位置和缩回位置之间移动。
在没有启用ADAS 22的请求的情况下，方向盘30和转向组件20处在展开位置。调节组件32被配置成响应于停用ADAS 22的请求，将方向盘30从缩回位置朝向展开位置移动。当方向盘30朝展开位置移动时或者在方向盘30移动到达展开位置后，耦接机构54操作性地将方向盘30耦接到转向轴52。
调节组件32被配置成响应于启用ADAS 22的请求，将方向盘30从展开位置朝向缩回位置移动。当方向盘30朝向缩回位置移动时或在方向盘30朝向缩回位置移动前，耦接机构54操作性地将方向盘30与转向轴52解耦接。
当ADAS 22被停用并且方向盘30操作性地耦接到转向轴52时，调节组件32被控制器38命令，以基于指示方向盘行进的清晰路径的舱室环境信号而将方向盘30从展开位置朝向缩回位置移动，所述舱室环境信号不指示上述识别状况中的至少一个。在至少一个实施例中，调整组件32被控制器38命令，以基于与ADAS 22相关联的传感器不指示车厢10外部的不安全状况而将方向盘30从展开位置朝向缩回位置移动。
SFSD 16可以是能够感测施加到HW 30和柱组件20的轴向力的任何合适的力传感器。在一个实施例中，SFSD 16包括转矩位移传感器36(图8)。SFSD 16与控制器38进行信号通信。转矩位移传感器36靠近方向盘30和转向轴52中的至少一个设置。转矩位移传感器36被配置为将指示围绕转向柱轴线施加到方向盘30的转矩的信号输出到控制器38。转矩位移传感器36被配置为向控制器38输出指示方向盘30沿着转向柱轴线的位移的信号。当ADAS22被启用时，调节组件32被控制器38命令以响应于施加大于转矩阈值的转矩和大于位移阈值的位移中的至少一个而将方向盘30从展开位置朝向缩回位置移动，方向盘30处于缩回位置，并且方向盘与转向轴52操作性地解耦接。响应于方向盘30从展开位置朝向缩回位置的移动，耦接机构54被配置为将方向盘30操作性地耦接到转向轴52。
包括图8的转矩位移传感器36的SFSD 16经由齿轮65和齿条66转换柱组件20(诸如转向柱轴构件64或转向轴52)的轴向位移，以将转矩施加到可由编码器67编码的轴67以提供转矩信号，转矩信号可以在控制器38中例如使用查找表与施加到HW 30和柱组件20的力和轴向位移相关联。
在图9-12所示的另一个实施例中，SFSD 16包括磁通量/位移传感器70。磁通量/位移传感器70通过使用一个或更多个偏置弹簧71实现转向轴的弹簧偏置轴向位移来操作，使得磁通量部分72可以位移，允许磁通量的改变由被配置为感测磁通量变化的磁通量传感器73(例如，霍尔效应传感器)感测。磁通量/位移传感器70附接到转向柱的护套74的上端，例如，转向构件64。磁通量/位移传感器70包括壳体75。壳体75或者在外表面上或者通过包围设置在转向轴52上的传感器部件来容纳磁通量/位移传感器70的部件，所述外表面包括用于通过紧固件附接磁通量传感器73的突出接片76。这些传感器部件包括磁体衬套77，磁体衬套77具有被压配到转向轴52上的内径，并且外径上设置有(例如，压配有)一个或更多个永磁体78(例如，陶瓷环形磁体)。弹簧71设置成在转向轴的外表面上在成形凸缘79和盖螺母80之间可压缩，成形凸缘79向内突出到壳体空腔中，盖螺母80封闭壳体75的另外开放端。弹簧71可以包括任何合适的弹簧类型，包括各种螺旋弹簧，并且在一个实施例中，包括多个波形弹簧81或蝶形垫圈82，或者如图所示的其组合。壳体75还包括压紧衬套83，压紧衬套83具有压入其内径的轴承84。衬套83和轴承84以施加的预定量的压缩偏置被设置在弹簧71之间。由操作者沿着转向轴52朝向上部护套74所施加的轴向压缩力(F)压缩另外在凸缘79与螺母80之间的弹簧71，由此移动永磁体78并且在靠近磁通量传感器73处产生与位移成比例的磁通量变化，使得磁通量传感器将指示磁通量/位移变化的信号传送给控制器(诸如控制器38)。同样地，由操作者沿着转向轴52朝向HW 30施加的轴向拉伸力(F)去压缩在凸缘79与螺母80之间的预偏置弹簧71，由此使永磁体78沿相反方向移动，并且也在靠近磁通量传感器73处产生与位移成比例的磁通量变化，使得磁通量传感器将指示磁通量/位移的变化的信号传送给控制器(诸如控制器38)。通过使用具有预先确定的弹簧刚度的弹簧71，可以用已知方法使用磁通量/位移的变化来确定轴向力。转向轴52的压缩/拉伸(大范围)位移可以通过设置在轴下端的轴向挠性联轴器85(诸如波纹管86)来容纳。
在图14-16所示的另一个实施例中，SFSD 16还包括磁通量/位移传感器70'。磁通量/位移传感器70'通过使用一个或更多个偏置弹簧71'实现转向轴52'的弹簧偏置的轴向位移而操作，使得磁通量部分72'可以被移位，从而允许磁通量的变化被被配置为感测磁通量变化的磁通量传感器73'(例如，霍尔效应传感器)感测到。磁通量/位移传感器70附接到转向柱的外护套74的上端，例如，转向构件64。磁通量/位移传感器70'包括壳体75'。壳体75'或者在外表面上或者通过包围设置在转向轴52'上或周围的传感器部件来容纳磁通量/位移传感器70'的部件，所述外表面包括用于通过紧固件附接磁通量传感器73'的突出接片76'。这些传感器部件包括具有被压配到转向轴52'上的内径的磁体衬套77'，在磁体衬套77'的外径上，一个或更多个永磁体78'(诸如陶瓷磁体)被设置(例如，压配)在磁体容槽86中。弹簧71'被设置成在衬套弹簧容槽87'和壳体弹簧容槽89'内可压缩(根据情况向内或向外)，衬套弹簧容槽87'形成在衬套77'的外表面中，壳体弹簧容槽89'形成在圆柱形壳体75'的内表面中，弹簧71'利用彼此同轴对应的对应成对的容槽而围绕转向轴52'的外表面径向间隔开。弹簧71'可以包括任何合适的弹簧类型，包括具有预定弹簧刚度的各种螺旋弹簧、弹性体弹簧等，其被配置为在相应的容槽内压缩。衬套77'还容纳压缩轴承84'，压缩轴承84'的外径被压入衬套的内径中。轴承84'的内径被压到轴延伸部90'上，轴延伸部90'又被压入转向轴52'的相应的下部部分91'和上部部分92'(位于轴的上端或最外端附近)的内径中。转向轴52'在内护套93'的上花键端内可滑动地设置有防旋转特征(例如，花键接头)，内护套93'又同心地设置在外护套74内。轴延伸部90'便于组装磁通量/位移传感器70'的各种部件。轴承84'设置在相对成组的弹簧71'之间，这些弹簧被设置成在轴承84'的相对侧上以轴向延伸、径向隔开的并且在一个实施例中等距径向隔开的阵列，通过插入和拧紧螺母80'施加预定量的压缩偏置。由操作者沿转向轴52'朝向上部护套74施加的轴向压缩力(F)压缩设置在轴承84'和上部护套74之间(在衬套77'和护套74之间)的弹簧71'，从而移动永磁体78'并且在磁通量传感器73'附近产生与位移成比例的磁通量的变化，使得磁通量传感器将指示磁通量/位移的变化的信号传送给诸如控制器38的控制器。同样地，操作者沿着转向轴52'朝向HW 30施加的轴向张力(F)压缩设置在衬套77'与螺母80'之间的预偏置弹簧71'，由此使永磁体78'在相反方向上移动并且也在靠近磁通量传感器73'处产生与位移成比例的磁通量变化，使得磁通量传感器将指示磁通量/位移的变化的信号传送给诸如控制器38的控制器。通过使用具有预定弹簧刚度的弹簧71'，可以用已知方法使用磁通量/位移的变化确定轴向力。在该实施例中，在施加压缩力或张力时，通过可滑动转向轴52'在内护套93'内的移动来提供产生信号输出所需的轴向位移。如结合之前的实施例所描述的，不需要设置在轴的下端处的轴向挠性联轴器85，例如，波纹管86。
在图17和图18所示的又一个实施例中，SFSD 16包括传统结构的负荷传感器力传感器(load cell force sensor)94，其在一个实施例中可以包括内部应变仪，该内部应变仪被配置为通过线束96提供信号输出，负荷传感器力传感器94靠近转向轴52的上端而轴向地设置在转向轴52中。在一个实施例中，转向轴52的一部分110被移除，留下截短转向轴52和轴端部分97。截短转向轴52的截头端的内径是带螺纹的，并被配置为接纳具有配合螺纹的下部适配器98，下部适配器98包括凸缘99和螺纹负荷传感器附接部分(threaded loadcell attachment portion)101。下部适配器98被拧入截短转向轴52的截头端，并且在一个实施例中，凸缘99抵接截头端。轴端部分97的截头端的内径也是带螺纹的，并被配置为接纳包括凸缘103和螺纹负荷传感器附接部分104的具有配套螺纹的上部适配器102。上部适配器102被拧入轴端部分97的截头端中，并且在一个实施例中，凸缘103抵接截头端。负荷传感器力传感器94具有下螺纹孔105，该下螺纹孔105被配置为配合地接纳螺纹负荷传感器附接部分101。负荷传感器力传感器94具有上螺纹孔111，该上螺纹孔111被配置为配合地接纳螺纹负荷传感器附接部分104。在该实施例中，如在所有实施例中那样，方向盘30可以通过毂106和花键毂孔107附接到转向轴的上端(在该实施例中，为轴端部分97的端部)，该花键毂孔107被配置为接纳花键轴部分108并且相对于转向轴52和毂106提供防旋转特征。上护套轴承109被压配到转向轴52的外表面上并且进入上护套74的内表面中。
再次参考图4-7，控制器38可以被提供为ADAS 22的一部分。在至少一个实施例中，控制器38实现ADAS 22。在至少一个实施例中，控制器38被提供为与ADAS 22分离的部件，并与自主车辆、自主驾驶车辆或选择性自主车辆通信。控制器38与包括环境检测系统34的舱室环境传感器130的多个车辆传感器以及与ADAS 22通信的其它车辆传感器(例如，乘客检测传感器、前向物体检测传感器、后向物体检测传感器、超声波传感器等)通信。
控制器38解读由转向组件20、ADAS 22和多个车辆传感器提供的各种信号，以确定是启用还是停用ADAS 22并输出各种警告或警报。控制器38向方向盘30、调节组件32、诸如转矩位移传感器36的SFSD 16以及转向轴52发出命令并从其接收信号。这些命令和信号可以使方向盘30与转向轴52操作性地耦接或操作性地解耦接，使方向盘30处于缩回位置或展开位置，使方向盘30处于旋转状态或非旋转状态或安静状态，并且使指示器的输出发送给选择性自主车辆的驾驶员。
在一个实施例中，控制器38和SOD SbW控制器4可以是相同的控制器。在其它实施例中，控制器38和SOD SbW控制器4可以是彼此通信的单独的控制器。
控制器38包括与各种类型的计算机可读存储设备或介质通信的微处理器或中央处理单元(CPU)。例如，计算机可读存储设备或介质可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(keep-alive memory，KAM)中的易失性和非易失性存储器。KAM是一种持久性或非易失性存储器，其可用于在CPU断电时存储各种操作变量。计算机可读存储设备或介质可以使用诸如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、闪存或能够存储数据(其中一些数据代表由控制器38在控制转向组件20和ADAS 22中使用的可执行软件指令)的任何其它电、磁、光或组合存储器设备的若干已知存储器设备中的任何存储器设备来实现。
本文描述的车辆1、SOD SbW转向系统2和UX-AD2MD系统14有利地被配置为使用本文描述的硬件和软件控制算法从收起位置重新展开或从展开位置收起，而不需要摄像机和生物识别感测算法。车辆1、SOD SbW转向系统2和UX-AD2MD系统14有利地实现本文所述的SWSAS系统9以影响如本文所述的展开/缩回。本文描述的车辆1、SOD SbW转向系统2和UX-AD2MD系统14以及SWSAS系统9提供安全可靠的交互式驾驶体验，其包括手在/不在检测、触觉握手以确认发起从AD模式到MD模式的转换、以及从MD模式到AD模式的转换。车辆1、SODSbW转向系统2和UX-AD2MD系统14以及SWSAS系统9被配置为通过确保HW 30位置和位置变化随着时间跟随车轮9位置和位置变化来确认驾驶员能够安全地继续在MD模式中驾驶。
参照图19和图20，SbW管理程序算法120通过融合多个传感器的输入和控制授权来为驾驶员提供进一步的保护水平，以允许将驾驶责任从AD模式中驾驶的自主驾驶系统传递给驾驶员。例如，管理程序算法将作为时间的函数的来自相应的角位置传感器的方向盘角度与作为时间的函数的来自相应的车轮角位置传感器的车轮角度进行融合和比较，以确定是否已经实现这些值的收敛阈值，这对于转向系统将SOD SbW转向系统的控制返回给驾驶员是合适的，特别是安全的。在一个实施例中，通过确定方向盘30和车轮5之间的角位置的差小于被确定为在时间T1处的角度差的安全极限的阈值来确定收敛，使得控制向MD模式的转换在T≥T1的时间处受到影响。
在机器人决定放弃车辆1的控制给驾驶员的方面，驾驶员的参与的准确确定是基本的。如上所述，在大多数情况下，这种活动是通过各种基于摄像头的系统和/或个人隐私侵入式生物识别技术来执行的。本发明避免了在驾驶员发起的AD模式到MD模式转换期间产生的用户体验(UX)中涉及的所有步骤的利用中存在的不便。这通过方向盘收起辅助系统(SWSAS)9来实现。除了由辅助系统赋予的舒适性之外，方向盘上的连续抓握提供了在本文描述的驾驶模式之间的转换的成功的信心，无论是AD模式到MD模式还是MD模式到AD模式。
图21示出了使用SWSAS 9以及包括ADAS 22和SOD SbW 2的其它车辆1系统进行转换的方法。图21提供了从AD转换到MD的方法的简要概述。关键阶段是使用包括驾驶员意图分析(DIA)116的方法和包括驾驶员准备情况分析(DRA)118的方法的控制器的执行。
参考图21-25，DIA将联合位于以下位置处的防呆冗余传感设备(fool-proofredundant sensing device)来执行：1)方向盘(HW)30，其将配备有至少两个以下传感器：a)位于HW的背面的两个开关120(图22)；b)在一个实施例中包括的位于HW背面的隔开的电容式传感器122的外围延伸阵列(图23)的多个；c)在一个实施例中包括的位于HW背面的间隔开的压电薄膜传感器124的外围延伸阵列(图24)的多个；以及d)光学感测系统，在一个实施例中包括多个的沿着方向盘毂的外周定位的间隔开的红外发射器126的外围延伸阵列(图25)和沿着方向盘轮缘62的内周边分布的IR接收器128的对应阵列；2)产生手在方向盘上检测(HODWD)信号的CEPS；3)方向盘收起辅助系统(SWSAS)包括：a)借助于纵向力传感器(LFS)信号的方向盘拉拔检测(HWPD)；b)柱位置传感器(CPS)信号；和c)柱倾角传感器(CTS)信号；以及4)请求ADAS 22的手动超控(manual override)的语音命令。联合DIA的防呆冗余感应设备还可以可选地包括：1)通过驾驶员与系统之间的相互作用通过以下方式进行的确认：a)由CEPS生成的触觉信号VHW(即，方向盘30将振动以向驾驶员提供反馈)；b)驾驶员将他/她的双手保持在方向盘上进行的确认；和/或c)确认驾驶责任转移的语音命令。
DRA将在以下情况下执行：1)达到角位置和方向盘的角位置之间的收敛。即：
|θRW-θHW|≤阈值(等式1)
2)借助于由CEPS产生的触觉信号VHW的通过驾驶员与系统之间的交互进行的确认(即，方向盘将振动以向驾驶员提供反馈)；3)驾驶员将他/她的双手保持在方向盘上进行的确认；和/或3)确认责任转移的语音命令。
SWSAS 9(图26)利用配备有两个电动马达的电动柱的特性来确保柱和方向盘的纵向运动(收入和展出)以及倾斜位置。辅助功能类似于电动助力转向系统的功能，从而转矩感测由纵向或轴向力感测原理代替。转向柱可以被配置为预定的刚度要求和运动范围，诸如顾客刚度要求和运动范围。在一个实施例中，转向柱应具有50N或更小的伸缩力，收起和展开时间从0.15s至10s可调节，并且倾斜或不倾斜的时间为从0.15s至5s。为了增强SWSAS对驾驶员操作风格的适应性，在一个实施例中，SWSAS将配备有以下传感器：1)如本文所述的纵向或轴向力传感器(LFS)，以捕捉驾驶员的伸缩力；2)用于测量方向盘深度(收入和展开)的柱位置传感器(CPS)；以及用于测量方向盘相对于参考位置(例如，驾驶员座位，参见图27)的角度或高度的柱倾斜传感器(CTS)。在一个实施例中，CTS可以包括角传感器，并且可以根据柱长度来计算柱相对于车辆地板的位置。
参考图28，在一个实施例中，SWSAS控制器可以被包括在CEPS中。
参考图29和30，在一个实施例中，SWSAS控制器可以是独立的控制器。利用独立的控制器，控制器可以直接连接到CEPS(图29)或与CAN网络相关联并利用CAN网络的控制器(图30)。
参考图31，提供了作为从T0到TT或T4的时间的函数的按需转向-用户体验事件序列，其描述了从AD模式到MD模式的转换。图32提供了所述系统的状态图。图33提供了本文描述的SOD SbW转向系统2的详细流程图。
尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改为包含直到此时尚未描述的任何数量的变化、变更、替代或等同布置，它们与本发明的精神和范围相一致。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为受前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种用于车辆的线控转向转向系统，包括：
方向盘，选择性地耦接至转向轴，方向盘和转向轴能够在展开位置与缩回位置之间轴向移动；
高级驾驶员辅助系统，被配置为转向与方向盘和转向轴通信的车辆的可转向车轮，高级驾驶员辅助系统被配置为选择性地在自主驾驶模式下和在手动驾驶模式下控制可转向车轮的转向，自主驾驶模式不需要车辆操作者的转向输入，手动驾驶模式需要车辆操作者的转向输入；以及
与高级驾驶员辅助系统通信的转向系统控制器，转向系统控制器被编程为在方向盘处于缩回位置时，响应于停用高级驾驶员辅助系统的一部分以及从自主驾驶模式转换到手动驾驶模式的车辆操作者请求，将方向盘移动到展开位置，并且将方向盘操作性地耦接到转向轴。
2.根据权利要求1所述的转向系统，还包括：用于接收操作者请求的输入设备。
3.根据权利要求2所述的转向系统，其中，输入设备包括与控制器通信的开关，并且操作者请求包括致动所述开关。
4.根据权利要求2所述的转向系统，其中，输入设备包括力传感器，力传感器耦接到转向轴或方向盘并且与控制器通信，并且操作者请求包括由操作者向方向盘施加轴向力。
5.根据权利要求2所述的转向系统，其中，控制器被编程为：当方向盘处于缩回位置时，响应于来自输入设备的操作者请求，响应于车辆操作者请求将方向盘移动到展开位置，并且操作性地将方向盘耦接到转向轴。
6.根据权利要求1所述的转向系统，还包括：设置在方向盘上的手在方向盘上传感器，所述手在方向盘上传感器被配置为当操作者的至少一只手抓握方向盘时提供输出信号。
7.根据权利要求6所述的转向系统，其中，所述手在方向盘上传感器包括设置在方向盘的大致相对的辐条上的两个开关。
8.根据权利要求6所述的转向系统，其中，所述手在方向盘上传感器包括围绕方向盘的轮缘周边设置的传感器阵列。
9.根据权利要求8所述的转向系统，其中，传感器阵列包括电容传感器、压电传感器或红外传感器或其组合。
10.根据权利要求6所述的转向系统，其中，控制器还被编程为：响应于输出信号而启用车辆的视觉、触觉或听觉指示器中的至少一个。
11.根据权利要求6所述的转向系统，其中，输出信号包括停用高级驾驶员辅助系统的一部分以及从自主驾驶模式转换到手动驾驶模式以影响控制器的转换的车辆操作者请求。
12.根据权利要求6所述的转向系统，其中，输出信号还包括启用或重新启用高级驾驶员辅助系统的一部分以及从手动驾驶模式转换到自主驾驶模式的第二车辆操作者请求。
13.一种用于转向系统的力传感器，包括：
轴向延伸的转向轴；以及
力传感器，操作性地耦接到转向轴，用于感测施加到转向轴或方向盘的大致轴向的力。
14.根据权利要求13所述的力传感器，其中，力传感器包括位移/磁通量传感器、转矩/位移传感器或负荷传感器。
15.一种用于车辆的转向系统的方向盘收起辅助系统SWSAS，包括：
方向盘，选择性地耦接至转向轴，方向盘和转向轴能够在展开位置与缩回位置之间轴向移动；
高级驾驶员辅助系统，被配置为转向与方向盘和转向轴通信的车辆的可转向车轮，高级驾驶员辅助系统被配置为选择性地在自主驾驶模式下和在手动驾驶模式下控制可转向车轮的转向，自主驾驶模式不需要车辆操作者的转向输入，手动驾驶模式需要车辆操作者的转向输入；
轴向力传感器，操作性地耦接到转向轴；以及
与高级驾驶员辅助系统和轴向力传感器通信的转向系统控制器，转向系统控制器被编程为在方向盘处于缩回位置时，响应于停用高级驾驶员辅助系统的一部分以及从自主驾驶模式转换到手动驾驶模式的车辆操作者请求，将方向盘移动到展开位置，并且将方向盘操作性地耦接到转向轴。
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