CN109291990A - 一种无人驾驶纯电动卡车及其车辆转向系统 - Google Patents

一种无人驾驶纯电动卡车及其车辆转向系统 Download PDF

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CN109291990A CN201811428823.9A CN201811428823A CN109291990A CN 109291990 A CN109291990 A CN 109291990A CN 201811428823 A CN201811428823 A CN 201811428823A CN 109291990 A CN109291990 A CN 109291990A
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唐国平
程劲劲
彭金平
刘奇峰
王强
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Abstract

本申请公开了一种车辆转向系统，包括驱动电机、齿轮箱、用于控制车辆方向的方向机、方向盘、扭力传感器、角度传感器和自动转向控制器；齿轮箱内设有驱动轴和从动轴；从动轴与驱动轴啮合，从动轴的一端与方向机连接，另一端与扭力传感器的端部连接，扭力传感器远离从动轴的一端与方向盘连接；自动转向控制器用于实时切换自动驾驶模式与人工驾驶模式，还用于控制驱动电机转动。本申请所提供的车辆转向系统，可以实现自动驾驶模式与人工驾驶模式自动切换，无需增加额外操作，结构简单，可直接在现有非无人驾驶的车辆上加装，改装成本低。本申请还公开了一种包括上述车辆转向系统的无人驾驶纯电动卡车。

Description

一种无人驾驶纯电动卡车及其车辆转向系统
技术领域
本申请涉及无人驾驶车辆领域，特别是涉及一种车辆转向系统。此外，本申请还涉及一种包括上述车辆转向系统的无人驾驶纯电动卡车。
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。现有技术中的自动转向装置结构复杂，在自动驾驶模式与人工驾驶模式切换时，需要额外给系统输入指令才能实现切换，并且，大部分采用带传动或链条传统，传动效率低，转角误差大，采用齿轮传动的装置中，一般齿轮箱结构复杂，控制繁琐。另外，现有技术需要在转向轮上增加角度传感器，对需要改制的工作量大。
因此，如何提高车辆转向系统的自动化程度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
申请内容
本申请的目的是提供一种车辆转向系统，该车辆转向系统高度集成化，结构简单，机械体积小。本申请的另一目的是提供一种包括上述车辆转向系统的无人驾驶纯电动卡车。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
一种车辆转向系统，包括驱动电机、齿轮箱、用于控制车辆方向的方向机、方向盘、用于获取所述方向盘与所述齿轮箱之间扭力的扭力传感器、用于获取车辆转向角度的角度传感器和自动转向控制器；所述齿轮箱内设有驱动轴和从动轴，所述驱动轴的一端与所述驱动电机连接，另一端与所述角度传感器连接；所述从动轴与所述驱动轴啮合，所述从动轴的一端与所述方向机连接，另一端与所述扭力传感器的端部连接，所述扭力传感器远离所述从动轴的一端与所述方向盘连接；所述自动转向控制器用于根据所述扭力传感器获取的扭力变化实时切换自动驾驶模式与人工驾驶模式，还用于根据车辆外部环境信息以及所述角度传感器的获取信息控制所述驱动电机转动。
优选的，还包括扭力过渡轴、转向管柱和转向管柱套筒；所述扭力过渡轴的一端与所述从动轴连接，另一端与所述扭力传感器的端部连接；所述扭力传感器远离所述扭力过渡轴的一端与所述转向管柱套筒连接，所述转向管柱位于所述转向管柱套筒内部，所述转向管柱远离所述扭力传感器的一端与所述方向盘连接。
优选的，所述扭力过渡轴与所述从动轴之间还设有电滑环。
优选的，还包括安装板、用于安装所述驱动电机的电机安装支架、用于安装所述角度传感器的角度传感器安装支架，以及用于安装所述电滑环的电滑环安装支架，所述齿轮箱、所述电机安装支架、所述角度传感器安装支架和所述电滑环安装支架均通过螺栓安装在所述安装板上。
优选的，所述扭力过渡轴的上下两端分别设有扭力传感器上部安装法兰和扭力传感器下部安装法兰，所述扭力传感器上部安装法兰与所述转向管柱套筒的法兰盘螺栓连接，所述扭力传感器下部安装法兰与所述扭力过渡轴的法兰盘螺栓连接。
优选的，所述转向管柱与所述方向盘之间设有第一万向节，所述从动轴与所述方向机之间设有第二万向节。
优选的，所述齿轮箱还包括齿轮箱上壳体、齿轮箱下壳体、与所述驱动轴套接的驱动齿轮以及与所述从动轴套接的从动齿轮，所述驱动齿轮与所述从动齿轮啮合；所述齿轮箱上壳体与所述齿轮箱下壳体之间可拆卸连接。
优选的，所述齿轮箱内还设有位于所述驱动轴与所述从动轴之间的箱体过渡轴，所述箱体过渡轴上还套设有过渡齿轮，所述过渡齿轮的周向一侧与所述驱动齿轮啮合，另一侧与所述从动齿轮啮合。
优选的，所述齿轮箱上壳体内与所述驱动轴、所述箱体过渡轴、所述从动轴对应的位置安装有驱动齿轮上部轴承、过渡齿轮上部轴承和从动齿轮上部轴承，所述齿轮箱下壳体内与所述驱动轴、所述箱体过渡轴、所述从动轴对应的位置安装有驱动齿轮下部轴承、过渡齿轮下部轴承和从动齿轮下部轴承。
本申请还提供一种无人驾驶纯电动卡车，包括上述任意一项所述的车辆转向系统。
本申请所提供的车辆转向系统，包括驱动电机、齿轮箱、用于控制车辆方向的方向机、方向盘、用于获取所述方向盘与所述齿轮箱之间扭力的扭力传感器、用于获取车辆转向角度的角度传感器和自动转向控制器；所述齿轮箱内设有驱动轴和从动轴，所述驱动轴的一端与所述驱动电机连接，另一端与所述角度传感器连接；所述从动轴与所述驱动轴啮合，所述从动轴的一端与所述方向机连接，另一端与所述扭力传感器的端部连接，所述扭力传感器远离所述从动轴的一端与所述方向盘连接；所述自动转向控制器用于根据所述扭力传感器获取的扭力变化实时切换自动驾驶模式与人工驾驶模式，还用于根据车辆外部环境信息以及所述角度传感器的获取信息控制所述驱动电机转动。该车辆转向系统，利用所述扭力传感器和所述自动转向控制器的设置，可以实现自动驾驶模式与人工驾驶模式自动切换，无需增加额外操作，并且，该系统结构简单，可直接在现有非无人驾驶的车辆上加装，改装成本低。
本申请所提供的无人驾驶纯电动卡车设有上述车辆转向系统，由于所述车辆转向系统具有上述技术效果，因此，设有该车辆转向系统的无人驾驶纯电动卡车也应当具有相应的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请所提供的车辆转向系统一种具体实施方式的结构示意图；
图2为图1所示车辆转向系统的爆炸结构示意图；
图3为图1所示车辆转向系统中齿轮箱的结构示意图；
图4为图3所示齿轮箱的爆炸结构示意图；
其中：1、驱动电机；2、电机安装支架；3、齿轮箱；4、角度过渡轴键；5、角度过渡轴；6、角度传感器；7、角度传感器安装支架；8、第一万向节；9、转向管柱；10、转向管柱套筒；11、扭力传感器上安装法兰；12、扭力传感器；13、扭力传感器下安装法兰；14、扭力过渡轴；15、电滑环安装支架；16、扭力过渡轴键；17、安装板；18、电滑环；19、第二万向节；20、第二万向节键；
301、齿轮箱上壳体；302、驱动齿轮上部轴承；303、过渡齿轮上部轴承；304、从动齿轮上部轴承；305、从动轴；306、从动齿轮键；307、过渡齿轮键；308、箱体过渡轴；309、从动齿轮；310、齿轮箱下壳体；311、从动齿轮下部轴承；312、过渡齿轮下部轴承；313、过渡齿轮；314、驱动齿轮下部轴承；315、驱动齿轮；316、驱动齿轮键；317、驱动轴。
具体实施方式
本申请的核心是提供一种车辆转向系统，该车辆转向系统自动化程度高，自动驾驶模式与人工驾驶模式可自动切换。本申请的另一核心是提供一种包括上述车辆转向系统的无人驾驶纯电动卡车。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参考图1至图4，图1为本申请所提供的车辆转向系统一种具体实施方式的结构示意图；图2为图1所示车辆转向系统的爆炸结构示意图；图3为图1所示车辆转向系统中齿轮箱的结构示意图；图4为图3所示齿轮箱的爆炸结构示意图。
在该实施方式中，车辆转向系统包括驱动电机1、齿轮箱3、方向机、方向盘、扭力传感器12、角度传感器6和自动转向控制器；
其中，方向机用于控制车辆行驶方向，即方向机可控制车轮转动角度，扭力传感器12用于获取方向盘与齿轮箱3之间的扭力，角度传感器6用于获取车辆的实际转向角度，并反馈给自动转向控制器，自动转向控制器与驱动电机1、扭力传感器12以及角度传感器6均连接；
具体的，齿轮箱3内设有驱动轴317和从动轴305，驱动轴317的一端与驱动电机1连接，另一端与角度传感器6连接；从动轴305与驱动轴317啮合，从动轴305的一端与方向机连接，另一端与扭力传感器12的端部连接，扭力传感器12远离从动轴305的一端与方向盘连接；
自动转向控制器用于根据扭力传感器12获取的扭力变化实时切换自动驾驶模式与人工驾驶模式，还用于根据车辆外部环境信息以及角度传感器6的获取信息控制驱动电机1转动。
进一步，还包括扭力过渡轴14、转向管柱9和转向管柱套筒10；扭力过渡轴14的一端与从动轴305连接，另一端与扭力传感器12的端部连接；扭力传感器12远离扭力过渡轴14的一端与转向管柱套筒10连接，转向管柱9位于转向管柱套筒10内部，转向管柱9远离扭力传感器12的一端与方向盘连接。更进一步，扭力过渡轴14上安装有用于与齿轮箱3中从动轴305的上端连接的扭力过渡轴键16。
在上述各实施方式的基础上，扭力过渡轴14与从动轴305之间还设有电滑环18，电滑环18套设在扭力过渡轴14上。扭力传感器12需要随从动轴305一起旋转，为防止扭力传感器12上的线束随从动轴305一起旋转，故增加电滑环18，将扭力传感器12上的线束与电滑环18连接，从而能达到扭力传感器12上的线束不会随从动轴305旋转的目的。
在上述各实施方式的基础上，还包括安装板17、用于安装驱动电机1的电机安装支架2、用于安装角度传感器6的角度传感器安装支架7，以及用于安装电滑环18的电滑环安装支架15，齿轮箱3、电机安装支架2、角度传感器安装支架7和电滑环安装支架15均通过螺栓安装在安装板17上。
在上述各实施方式的基础上，扭力过渡轴14的上下两端分别设有扭力传感器12上部安装法兰和扭力传感器12下部安装法兰，扭力传感器12上部安装法兰与转向管柱套筒10的法兰盘螺栓连接，扭力传感器12下部安装法兰与扭力过渡轴14的法兰盘螺栓连接。
在上述各实施方式的基础上，转向管柱9与方向盘之间设有第一万向节8，从动轴305与方向机之间设有第二万向节19，第二万向节19上安装有用于与齿轮箱3中从动轴305的下端连接的第二万向节键20。
在上述各实施方式的基础上，驱动轴317与角度传感器6之间设有角度过渡轴5，角度过渡轴5上设有用于齿轮箱3内驱动轴317的上端连接的角度过渡轴键4。
在上述各实施方式的基础上，齿轮箱3还包括齿轮箱上壳体301、齿轮箱下壳体310、与驱动轴317套接的驱动齿轮315以及与从动轴305套接的从动齿轮309，驱动齿轮315与从动齿轮309啮合；齿轮箱上壳体301与齿轮箱下壳体310之间可拆卸连接。
在上述各实施方式的基础上，齿轮箱3内还设有位于驱动轴317与从动轴305之间的箱体过渡轴308，箱体过渡轴308上还套设有过渡齿轮313，过渡齿轮313的周向一侧与驱动齿轮315啮合，另一侧与从动齿轮309啮合。
在上述各实施方式的基础上，齿轮箱上壳体301内与驱动轴317、箱体过渡轴308、从动轴305对应的位置安装有驱动齿轮上部轴承302、过渡齿轮上部轴承303和从动齿轮上部轴承304，齿轮箱下壳体310内与驱动轴317、箱体过渡轴308、从动轴305对应的位置安装有驱动齿轮下部轴承314、过渡齿轮下部轴承312和从动齿轮下部轴承311。
在上述各实施方式的基础上，驱动齿轮315与驱动轴317之间设有驱动齿轮键316，以限制驱动齿轮315与驱动轴317的周向转动；过渡齿轮313与箱体过渡轴308之间设有过渡齿轮键307，以限制过渡齿轮313与过渡轴的周向转动；从动齿轮309与从动轴305之间设有从动齿轮键306，以限制从动齿轮309与从动轴305的周向转动。
具体的，本实施例所提供转向系统，驱动电机1由4个螺栓固定在驱动电机1安装支架上，驱动电机1安装支架由4个螺栓固定在安装板17上；驱动电机1的轴与驱动轴317的下端连接；齿轮箱3由4个螺栓固定在安装板17上；角度过渡轴5的下端通过角度过渡轴键4与驱动轴317的上端连接；角度传感器6由3个螺栓固定在角度传感器安装支架7上；角度传感器安装支架7由2个螺栓固定在安装板17上；角度传感器6的轴通过顶丝与角度过渡轴5的上端连接；第二万向节19的轴通过第二万向节键20与从动轴305的下端连接；电滑环18通过两个螺栓与电滑环安装支架15固定；电滑环安装支架15由2个螺栓固定在安装板17上；扭力过渡轴14的下端穿过电滑环18并通过扭力过渡轴键16与从动轴305的上端连接；扭力传感器下安装法兰13由6个螺栓固定在扭力过渡轴14上端面的法兰面上；扭力传感器12的上下端面由6个螺栓分别固定在扭力传感器上安装法兰11和扭力传感器下安装法兰13上；转向管柱套筒10下端面法兰由6个螺栓固定在扭力传感器上安装法兰11上；转向管柱9下端插进转向管柱套筒10内；转向管柱9上端由1个螺栓与第一万向节8固定；第一万向节8上端连接方向盘；第二万向节19下端连接方向机。
该转向系统的无人驾驶实现过程为：
驱动电机1通过驱动轴317带动驱动齿轮315旋转；驱动齿轮315与过渡齿轮313啮合，过渡齿轮313与从动齿轮309啮合，通过从动轴305带动第二万向节19旋转；第二万向节19的旋转使控制车辆方向的方向机工作，从而实现车辆自动转向；驱动电机1的旋转带动角度传感器6旋转，从而实现车辆转向角度的精确控制；无人驾驶车辆外部的传感器通过环境感知，发送指令给自动转向系统的自动转向控制器，自动转向控制器发送指令给驱动电机1和角度传感器6，从而实现车辆自动转向控制。
该转向系统的人工驾驶实现过程为：
由于扭力传感器12的下端连接的是驱动系统，上端连接的是方向盘。自动转向时，扭力传感器12的上下端均是从动，此时上下端的扭力值会实时发送给自动转向控制器；当人工转向时，扭力传感器12的上端为驱动，下端为从动，上下端的扭力值不同；此时上下端的扭力值会实时发送给自动转向控制器，自动转向控制器根据扭力传感器12发送的扭力值的变化，以此判断转向系统有人工介入，然后自动转向控制器发送指令给驱动电机1，使驱动电机1停止工作，从而自动实现人工驾驶。当人工介入移除，又经上述步骤，实现自动驾驶的切换。
本实施例所提供转向系统，具有以下有益效果：
1、当在突发情况下，无人驾驶车辆的环境感知系统来不及做出判断时，由于本方案的自动驾驶系统中，通过扭力传感器12的设置，扭力传感器12获取到的扭力值发送给自动转向控制器，自动转向控制器通过扭力值的变化判断出有人工介入，可以实现自动驾驶和人工驾驶的实时切换，降低行车安全风险。而现有技术自动驾驶和人工驾驶的切换需要机械结构的动作去保证，而在紧急情况下，人的本能反应是去控制方向盘，来不及进行驾驶模式的机械性切换，没有及时性，突发性，安全系数低。
2、本方案的自动转向系统高度集成化，结构简单，机械体积小，在现有非无人驾驶的车辆上加装更便捷，只需将现有非无人驾驶车辆的转向管柱9拆除，装上本套系统即可，无需在其他地方加以改动，使用成本低，适用性强。
3、本套系统采用齿轮箱3传动，传动效率高，角度误差小，自动控制精度高。
除了上述车辆转向系统以外，本申请还提供了一种包括上述车辆转向系统的无人驾驶纯电动卡车，该无人驾驶纯电动卡车的其他各部分结构请参考现有技术，本文不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本申请所提供的车辆转向系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种车辆转向系统，其特征在于，包括驱动电机(1)、齿轮箱(3)、用于控制车辆方向的方向机、方向盘、用于获取所述方向盘与所述齿轮箱(3)之间扭力的扭力传感器(12)、用于获取车辆转向角度的角度传感器(6)和自动转向控制器；所述齿轮箱(3)内设有驱动轴(317)和从动轴(305)，所述驱动轴(317)的一端与所述驱动电机(1)连接，另一端与所述角度传感器(6)连接；所述从动轴(305)与所述驱动轴(317)啮合，所述从动轴(305)的一端与所述方向机连接，另一端与所述扭力传感器(12)的端部连接，所述扭力传感器(12)远离所述从动轴(305)的一端与所述方向盘连接；所述自动转向控制器用于根据所述扭力传感器(12)获取的扭力变化实时切换自动驾驶模式与人工驾驶模式，还用于根据车辆外部环境信息以及所述角度传感器(6)的获取信息控制所述驱动电机(1)转动。
2.根据权利要求1所述的车辆转向系统，其特征在于，还包括扭力过渡轴(14)、转向管柱(9)和转向管柱套筒(10)；所述扭力过渡轴(14)的一端与所述从动轴(305)连接，另一端与所述扭力传感器(12)的端部连接；所述扭力传感器(12)远离所述扭力过渡轴(14)的一端与所述转向管柱套筒(10)连接，所述转向管柱(9)位于所述转向管柱套筒(10)内部，所述转向管柱(9)远离所述扭力传感器(12)的一端与所述方向盘连接。
3.根据权利要求2所述的车辆转向系统，其特征在于，所述扭力过渡轴(14)与所述从动轴(305)之间还设有电滑环(18)。
4.根据权利要求3所述的车辆转向系统，其特征在于，还包括安装板(17)、用于安装所述驱动电机(1)的电机安装支架(2)、用于安装所述角度传感器(6)的角度传感器安装支架(7)，以及用于安装所述电滑环(18)的电滑环安装支架(15)，所述齿轮箱(3)、所述电机安装支架(2)、所述角度传感器安装支架(7)和所述电滑环安装支架(15)均通过螺栓安装在所述安装板(17)上。
5.根据权利要求2所述的车辆转向系统，其特征在于，所述扭力过渡轴(14)的上下两端分别设有扭力传感器(12)上部安装法兰和扭力传感器(12)下部安装法兰，所述扭力传感器(12)上部安装法兰与所述转向管柱套筒(10)的法兰盘螺栓连接，所述扭力传感器(12)下部安装法兰与所述扭力过渡轴(14)的法兰盘螺栓连接。
6.根据权利要求2所述的车辆转向系统，其特征在于，所述转向管柱(9)与所述方向盘之间设有第一万向节(8)，所述从动轴(305)与所述方向机之间设有第二万向节(19)。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的车辆转向系统，其特征在于，所述齿轮箱(3)还包括齿轮箱上壳体(301)、齿轮箱下壳体(310)、与所述驱动轴(317)套接的驱动齿轮(315)以及与所述从动轴(305)套接的从动齿轮(309)，所述驱动齿轮(315)与所述从动齿轮(309)啮合；所述齿轮箱上壳体(301)与所述齿轮箱下壳体(310)之间可拆卸连接。
8.根据权利要求7所述的车辆转向系统，其特征在于，所述齿轮箱(3)内还设有位于所述驱动轴(317)与所述从动轴(305)之间的箱体过渡轴(308)，所述箱体过渡轴(308)上还套设有过渡齿轮(313)，所述过渡齿轮(313)的周向一侧与所述驱动齿轮(315)啮合，另一侧与所述从动齿轮(309)啮合。
9.根据权利要求8所述的车辆转向系统，其特征在于，所述齿轮箱上壳体(301)内与所述驱动轴(317)、所述箱体过渡轴(308)、所述从动轴(305)对应的位置安装有驱动齿轮上部轴承(302)、过渡齿轮上部轴承(303)和从动齿轮上部轴承(304)，所述齿轮箱下壳体(310)内与所述驱动轴(317)、所述箱体过渡轴(308)、所述从动轴(305)对应的位置安装有驱动齿轮下部轴承(314)、过渡齿轮下部轴承(312)和从动齿轮下部轴承(311)。
10.一种无人驾驶纯电动卡车，包括车辆转向系统，其特征在于，所述车辆转向系统为权利要求1至9任意一项所述的车辆转向系统。
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