CN109774782B - 一种转向机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车智能化领域，具体的说是一种转向机器人及其控制方法。该机器人包括PC机、直流伺服电机控制器、直流电机、行星齿轮减速器、电磁离合器、锥齿轮减速器、支撑板、方向盘固定器、汽车方向盘、支撑杆与固定件；本发明机械结构简单、紧凑，机械传动部分只有行星齿轮减速器、锥齿轮减速器即可将动力传递至方向盘；并且采用的均为齿轮传动，齿轮传动的效率高，精度高。由于选用减速器产品无需添加润滑剂并且具有一定的防尘性，系统的后期维护成本低，使用周期长，可以在工作环境恶劣的情况下工作。故本系统的工作寿命更长，工作可靠性更高。本发明易于实现与制动、驱动系统的融合，改装工作量小，控制程序可靠性高。

Description

一种转向机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于汽车智能化领域，具体的说是一种转向机器人及其控制方法。

背景技术

随着科技的进步，技术革新正引领行业变革，整个汽车行业渐渐的被重新定义，主要是被软件重新定义。未来汽车的一重要发展趋势便是智能化，由于L4级以上自动驾驶当前依然存在软硬件技术、成本过高、供需匹配和政策完善等各方面的瓶颈，故要实现L4级以上的自动驾驶仍有较大的困难。以当前的技术来看，实现L3和L2级别的智能驾驶是当前的趋势。

当前汽车高级驾驶辅助系统(ADAS，Advanced Driver Assistance Systems)是业内研究热点领域。2018年通用发布了Super Cruise系统引发行业热议，这是业内首个量产并可真正实现在高速公路上释放双手驾驶的智能驾驶技术。车道保持、自适应巡航等车辆行为都与方向盘息息相关。转向作为智能驾驶/自动驾驶中不可或缺的重要一环，在汽车的智能化控制中扮演着直观重要的作用。目前对于车企、高校和研究院所而言，实现方向盘的控制主要有如下几方面：目前自动驾驶车辆控制转向方法较多,这些方法大致归结为以下几种：1.改造转向系统机械结构,实现单向力矩传动,手动和自动驾驶转向可以随时切换,但单向传矩结构消去了手动驾驶手感,对原车的机械结构改动较大。2.在车辆助力转向系统液压或者电动增加液压驱动装置或者步进电机等，实现自动转向，但在紧急情况下自动驾驶模式若未及时退出，驾驶员难以及时介入转向控制,存在安全隐患,而且增加执行器存在成本和空间问题。3.纯线控转向系统，取消转向盘与转向器之间的机械连接,但线控转向需要系统冗余和离合器机构，成本高于电动助力转向系统，此外，目前线控转向极少出现在量产车辆上，在一般车辆上改装线控转向系统不易实现。专利号为CN207274769U介绍了一种自动驾驶转向控制系统，是在成熟的EPS系统上添加新功能。专利号为CN202057501U 介绍了一种汽车试验用转向机器人，但并未设计具有与其余系统进行交互的功能。

另外，现有方向盘的固定方式为采用固定块实现与方向盘的轴向固定，这一安装方式附属结构复杂或由于支撑板重力导致安装时实现方向盘的困难，并且当出现安装方式不对等情况是会恶化螺栓的受力情况，增大螺栓所受的切应力，并且会降低螺栓的使用寿命。有些产品将电机的安装位置布置成与方向盘轴线平行，电机及其传动部分只有一处与支撑板进行连接，电机的转子处无支撑件，使得电机及其传动部分的力学结构类似于一悬臂梁的结构，这样虽然起到了一定的减小空间的作用，但是一方面，这会影响驾驶员的腿部活动空间，会造成驾驶员操作的不方便，另一方面，由于电机的偏置且电机处无支撑，使得当电机工作时会对方向盘施加有一附加力矩，该附加力矩与电机与方向盘的偏心距、电机及其传动部分质量等成正比。该附加力矩会造成方向盘的振动、降低系统的使用寿命等。有产品采用的是齿形带传动，虽然齿形带有结构简单、防尘性好等优点，但是由于齿形带为橡胶产品，当其安装在汽车上时会面临雨水侵蚀、太阳的暴晒、高温等工况，这些均会造成传动带橡胶的老坏，假以时日，甚至会造成传动带的断裂，当传动带的断裂发生在转向工况时无疑会对驾驶员的人身安全有极大的威胁。

因此综合所述，对现有的机器人而言，有如下的缺点：

1、实现与其余车载系统(例如制动系统、驱动系统等)之间的信息的交互性差，应用范围窄，仅仅能够实现一转向机器人实用，无法利用现有的转向机器人实现完整的整车控制以更好的实现汽车智能化。

2、现有的转向机器人有部分产品结构复杂，产品的附属机构多或复杂，难以在恶劣环境下工作。

3、现有的转向机器人大都改装复杂，需要对汽车的转向柱或汽车的电动助力转向系统

等进行改装，改装的成本高、改装难度大，同时也有会影响无转向机器人时汽车的正常驾驶。

4、有部分转向机器人采用的是齿形带传动，当面临日晒雨淋时该传动的工作寿命不如封闭式齿轮减速器采用的齿轮传动。并且有转向机器人由于电机的布置原因在电机工作时会对方向盘产生振动。

5、在驾驶员的人身安全上，无法以最大的可能性保护汽车及驾驶员的安全；在转向盘位置信息的获取上只有单信号的获取，一旦传感器出现故障，转向机器人整个系统便出于瘫痪状态。

6、转向系统与制动、驱动系统融合时工作量大，如果与其余系统之间的通信方式采用 CAN协议的话，必须对传输的每一个信息在诸如CANoe之类的总线开发环境中编写。

7、多数控制程序只是针对单一厂商生产的电机以及所选择的减速器传动比设计，当二者其中之一改变时，需重新设计控制程序。

发明内容

本发明提供了一种结构简单的转向机器人及其控制方法，能控制方向盘的转动，解决了当前转向机器人结构复杂或无法与整车的融合性差问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种转向机器人，该机器人包括PC机，该机器人还包括直流伺服电机控制器1、直流电机2、行星齿轮减速器3、电磁离合器4、锥齿轮减速器5、支撑板6、方向盘固定器7、汽车方向盘8、支撑杆9与固定件10；所述的直流伺服电机控制器1与直流电机2连接；所述的直流电机2与行星齿轮减速器3的输入轴连接；所述的行星齿轮减速器3的输出轴与电磁离合器4连接；所述的电磁离合器4与锥齿轮减速器5的输入轴连接；所述的锥齿轮减速器5的输出轴与方向盘固定器7连接；所述的汽车方向盘8固定在方向盘固定器7 上；所述的直流伺服电机控制器1、直流电机2、行星齿轮减速器3、电磁离合器4、锥齿轮减速器5均设置在支撑板6上；所述的支撑板6通过支撑杆9固定在汽车车身底板上；所述的支撑杆9的一端通过球铰链与支撑板6配合，另一端通过铰链与固定件10的一端连接；所述的固定件10的另一端通过螺栓与车身底板固定；所述的PC机与直流伺服电机控制器1连接；所述的直流伺服电机控制器1采用CAN线与一系统开关进行通信。

所述的方向盘固定器7内内置有一圆盘；所述的圆盘的一面加工有平面螺纹，周向均匀布置有三个卡爪，卡爪的内侧与平面螺纹配合，卡爪的外侧与方向盘配合。

所述的固定件10包括第一连接件和第二连接件；所述的第一连接件和第二连接件通过螺栓固定；所述的第一连接件的一端为圆柱体，圆柱体上开有4个周向均布的与支撑杆9 通过铰链连接的阶梯孔；所述的第一连接件的另一端为矩体，矩体的端面为圆弧形；所述的第二连接体为矩体，矩体上开有与车身底板通过螺栓固定的光孔。

所述的电磁离合器4与电源开关相连。

所述的直流电机2上安装有增量式编码器。

一种转向机器人的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、安装机器人；旋转平面螺纹使得三个卡爪实现径向进给运动，旋转至三卡爪与汽车方向盘8紧密配合，使卡爪与汽车方向盘8不发生相对滑动即可，之后将支撑杆9处的固定件10与车身底板固定，完成转向机器人的安装；

步骤二、转向机器人通信部分的安装；将所述的PC机通过USB与PeakCAN通信，将所述的PeakCAN与直流伺服电机控制器1连接；再将所述的PC机通过以太网与MicroLabBox 通信，所述的MicroLabBox通过CAN线与直流伺服电机控制器1通信；

步骤三、将直流伺服电机控制器1与直流电机2连接，在系统正常工作时利用直流伺服电机控制器1向直流电机2供电；

步骤四、通过直流电机2上安装的增量式编码器获取汽车方向盘8的转角信息；

步骤五、所述的PC机通过以太网与MicroLabBox通信，所述的MicroLabBox通过CAN线与直流伺服电机控制器1通信；采用MicroLabBox实时接口RTI中CAN接受和发送模块，控制模型在Simulink中搭建，并且采用了Stateflow工具进行搭建，具体方法如下：

51)向转向机器人供电，采用24V蓄电池向直流伺服电机控制器1、电磁离合器4供电，通过220V逆变器向所述的MicroLabBox通电，完成对直流伺服电机控制器1及直流电机2的初始化操作，此处对直流伺服电机控制器1的初始化为将上次实验时的数据完全清除以准备开始下次实验，初始化完毕之后，直流伺服电机控制器1会进入关闭状态；所述的24V蓄电池安装在汽车行李厢处；

52)首先检测有无转向机器人系统开关信号，这一信号是由布置在中控台处的转向机器人系统开关发送，其代表的是驾驶员已经准备就绪后按下系统准备就绪开关；当无这一信号时，系统保持待机，不会进行任何运动，当存在有这一信号后系统准备开始接受外部信号并开始进行工作；

53)当有系统开关信号时，所述的MicroLabBox会并检测有无系统运动信号，系统运动信号指的是系统检测整车系统有无机械上的问题或是系统是否需要换一种运动模式时由上层系统所发送的一种信号，当有系统开关信号时，转向机器人控制系统使能化直流伺服电机控制器1，此时即可向直流伺服电机控制器1写入命令；

54)选择运动模式；运动模式有标准速度模式、标准位置模式、位置模式、速度模式、电流模式、步进模式、插补位置模式；由于汽车转向工况复杂，方向盘转角是一不断连续变化的量，由路况、汽车状况包括汽车当前车速、节气门位置、制动踏板位置、方向盘当前位置、当前作用于转向盘的力矩以及本车与周围汽车的车距决定；由于所述的转向机器人为一底层执行机构，模式的选择依上层控制器即MicroLabBox而定；当所设计的上层控制器控制程序对方向盘的控制为力矩控制时，电机控制器1需选择电流模式，当控制程序对汽车方向盘8的控制为角度控制时，需要选择标准位置模式要利用转向机器人进行，当控制程序采用汽车方向盘8运动速度及其运动时间控制方向盘时应选择标准速度模式；

55)所述的MicroLabBox以基于CANopen协议的报文将直流电机2能够按所需的运动模式以参数的形式输入至直流伺服电机控制器1中；所述的转向机器人实际工作时选择电机运动模式为标准位置模式，对该模式而言，所需要输入的参数有：方向盘运动转角即相对于方向盘零位也就是使得转向轮无转角时的方向盘位置的转角、方向盘转角变化速度即电机运动速度、方向盘运动加速度、电机加速模式即按正弦曲线速度增加速度或按梯形曲线增加速度、急停加速度、方向盘运动减速度；不同的运动模式对所需要输入的控制参数有不同的需求，具体的参数应查找相应的电机说明文档；

56)输入完相关的参数后，直流电机2开始以所需要的运动模式运动，通过检测汽车方向盘8转角，所述的转向机器人控制系统可检测电机是否完成所需的运动；在转向机器人控制系统判断所设定的运动完成之后，会向直流伺服电机控制器1发送一运动完成信号，使直流电机控制器1与电机2处于待机状态；

57)所述的转向机器人的控制器MicroLabBox同时会将该运动完成信号返回至上层控制器即实现对整车而非转向盘进行控制的控制器中，当整车控制系统判断有需要下次运动仍要以该模式运动时，直流电机2仍然会以该模式运动，从而能够在一定程度上提升直流电机2的响应速度，当无该信号时，并且系统判断存在有系统运动信号时，会返还至步骤53)；

步骤六、整车控制系统对汽车转向之后汽车的运动速度、转向盘、路况、转向盘当前转角进行重新估计，向转向机器人控制器重新发送给一转向盘理想位置，使得转向机器人系统按步骤五再度运行；直流电机控制器1内部对直流电机2的控制设置有一套PID算法，对标准位置模式而言，其通过读取电机上增量式编码器获取电机运动转角，以获得电机实际已运动转角即转向盘实际转角与电机理想转角即转向盘理想转角之间的偏差，通过控制该偏差即实现方向盘转角的精确变化变化；同时，由于路况突发等状况导致整车控制系统需要对当前方向盘转角进行变动，应向转向机器人控制器发送一更新的电机控制参数值，此时转向盘控制器会强行停止当前电机运动，并重新完成步骤五所述的内容；

步骤七、故障诊断，当出现采用所述的MicroLabBox无法控制转向盘运动的情况时，利用PCAN转接器也是俗称的CAN卡进行转向机器人的调试，PCAN利用CAN线接入CAN网络中，通过USB与PC机通信，从而将CAN网络中传输的报文传递至PC机中，并且使得PC可对报文进行读写操作，从而实现了以PC机控制直流电机控制器1，从而可以读取在CAN网络中传输的CAN报文信息并根据报文查询电机控制器说明书以判断转向机器人故障情况。

本发明的有益效果为：

1、相较于其余类似的专利或者产品例如英国AB Dynamics公司的转向机器人产品，本发明的机械结构简单、紧凑，机械传动部分只有行星齿轮减速器、锥齿轮减速器即可将动力传递至方向盘。

2、本发明方向盘的固定方案采用了三爪卡盘固定的形式，在固定方向盘时旋转装有平面螺纹的圆盘实现三爪的径向进给运动，使得在固定方向盘能够保证方向的自动定心，并且与方向盘的连接可靠。

3、本发明由于电机装配在支撑板上，不存在电机及其传动系统的偏置，因此也就避免了由于电机及其传动系统的偏置而引起的方向盘振动。对驾驶员腿部空间的侵占小，对驾驶员的正常驾驶影响小。

4、本发明采用的均为齿轮传动，齿轮传动的效率高，精度高。由于选用减速器产品无需添加润滑剂并且具有一定的防尘性，系统的后期维护成本低，使用周期长，可以在工作环境恶劣的情况下工作。故本系统的工作寿命更长，工作可靠性更高。

5、本发明具有比较广的用途，不仅可以用作汽车智能驾驶中转向机器人，帮助检测汽车控制算法在实车上的应用，而且可以用作汽车实验中，来在一些极限工况或者比较危险不能由驾驶员进行操作的工况测试汽车的综合性能。

6、本发明容易实现系统与车身的固定。由于本发明采用的是一个螺栓与车身的连接安装时对汽车车身的破坏小，易于安装和拆卸。将已经装好的转向机器人拆卸下时车辆仍然可以正常行使且不影响车辆的美观性。

7、本发明所设计的系统，安装方便。无需对车辆的转向柱或者是汽车转向系统的其余部分进行改装，相对于某些转向机器人而言，本专利所叙述的转向机器人对汽车改装的难度小，改装的范围小，实现转向机器人的安装难度低。

8、由于各个汽车厂商对自家生产的汽车方向盘有不同的尺寸规划，若是选择单单针对某一车型设计转向机器人则失去了通用性。并且相对于其余的一些转向机器人而言，本发明在安装时对汽车方向盘尺寸无具体要求，安装时对汽车方向盘的适应性好。

9、本发明在行驶安全性方面采用了冗余设计，系统运行的安全性好。当出现决策层运行故障、控制器失效等导致无法通过软件命令停止电机的运动的情况或紧急工况时，可直接关闭电磁离合器的电源，将动力系统同方向盘的机械连接断开。

10、本发明的控制系统与汽车整车控制系统(即转向机器人控制系统的上层决策层) 之间具有良好的兼容性，对整车控制系统而言，只需要输出目标位置与速度至转向机器人控制系统即可控制方向盘的运动。同时由于直流伺服电机控制器对方向盘运动的控制内置有一套PID算法，无需在控制程序中另设算法来保证方向盘运动的跟随性与响应特性。并且对于不同的控制需求，例如保证响应速度或者良好的跟随性，可以改变PID参数来实现，使得软件程序的设计编写可以省去该部分，简化了整车控制系统中软件的编写。

11、本发明在系统控制上用于控制的输入量为方向盘转角，可以选用两种方式获得方向盘转角：一为直流伺服电机控制器上安装有一增量式编码器，二为通过汽车上安装的方向盘位置传感器获得方向盘的实时转角。在应用到实际汽车中，因此可以同时选择两种测量方式，实现冗余设计，防止因增量式编码器或方向盘位置传感器出现故障时转向机器人控制系统无法获取方向盘转角导致其无法实现对汽车方向盘的控制。

12、本发明所述的控制系统的通信方式采用CANopen协议，该协议是一种基于CAN协议发展出的协议，二者在硬件层次的规定相同，而且CAN协议在汽车上应用广泛，因此应用时本发明对车辆通信的硬件方面的改装工作量小，适应性好，易于实现与制动系统、驱动系统之间的融合，

13、由于本发明采用CANopen协议，在完成转向机器人控制程序之后，对凡是采用CANopen协议作为通信方式的电机而言，其控制程序通用性高，控制程序中除却与电机性能参数以及传动比相关的位置及速度信息外无需作较大变化。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中固定件的结构示意图；

图3为本发明中PC机与直流电机的连接示意图；

图4为本发明中PC机控制直流电机的逻辑示意图。

图中：1、直流伺服电机控制器；2、直流电机；3、行星齿轮减速器；4、电磁离合器；5、锥齿轮减速器；6、支撑板；7、方向盘固定器；8、汽车方向盘；9、支撑杆；10、固定件。

具体实施方式

参阅图1、图2，一种转向机器人，该机器人包括PC机，该机器人还包括直流伺服电机控制器1、直流电机2、行星齿轮减速器3、电磁离合器4、锥齿轮减速器5、支撑板6、方向盘固定器7、汽车方向盘8、支撑杆9与固定件10。

所述的直流伺服电机控制器1与直流电机2连接；所述的直流电机2与行星齿轮减速器3的输入轴连接；所述的行星齿轮减速器3的输出轴与电磁离合器4连接；所述的电磁离合器4与锥齿轮减速器5的输入轴连接；所述的锥齿轮减速器5的输出轴与方向盘固定器7连接；所述的汽车方向盘8固定在方向盘固定器7上；所述的直流伺服电机控制器1、直流电机2、行星齿轮减速器3、电磁离合器4、锥齿轮减速器5均设置在支撑板6上；所述的支撑板6通过支撑杆9固定在汽车车身底板上；所述的支撑杆9的一端通过球铰链与支撑板6配合，另一端通过铰链与固定件10的一端连接；所述的固定件10的另一端通过螺栓与车身底板固定；所述的PC机与直流伺服电机控制器1连接。PC机由于硬件原因，大都不支持CAN通信，故在利用PC机控制直流伺服电机控制器1时必须利用一功能上类似于通信行业中转接的机器。而本发明所述的转向机器人其PC机控制直流伺服电机控制器 1均是基于CANopen通信协议，该协议是一种广泛应用于汽车行业的通信方式。本发明可以采用如下方案以实现与直流伺服电机控制器1的通信；

参阅图3，本方案采用美国dSPACE公司的MicroLabBox产品来实现的，具体工作过程为：在PC机利用MATLAB/Simulink工具将用于控制直流伺服电机控制器1的程序编写完毕，之后将该程序编译为dSPACE MicroLabBox所能读写的文件。PC机通过以太网与MicroLabBox 进行通信，该程序通过以太网写入至MicroLabBox，因此使得所编写的程序得以在 MicroLabBox上运行。而MicroLabBox通过CAN线与直流伺服电机控制器1通信，通过将CANopen报文按所设定的逻辑自动发送至直流电机控制器，故实现了PC机的控制功能。

而直流电机控制器1通过CAN线与电机进行基于CANopen协议的通信。通过控制CANopen报文来控制直流电机控制器1可以控制方向盘的运动速度与运动角度，并且还实现电机的：标准速度模式(Profile Velocity Mode，PVM)、标准位置模式(Profile PositionMode，PPM)、位置模式(Position mode)、速度模式(Velocity mode)、电流模式(Currentmode，也称为电机的扭矩控制模式)、步进模式(Step/Direction Mode)、插补位置模式(Interpolated Position Mode)和homing mode(确定电机运动的参考点)，从而可以实现不同工况下对方向盘运动模式的需求。直流电机2处安装有增量式编码器，直流电机控制器1可以通过读取增量式编码器反馈回的方向盘运动位置与速度信息，再将该信息反馈给上层决策层来实现对方向盘的实时控制。

本发明的转向系统为实现更高的安全性，保障驾驶员的人身安全，设置有一系统开关。该系统开关的作用是确定驾驶员已准备就绪，其安装在汽车的中控台处，采用12V供电，与直流伺服电机控制器1采用CAN线进行通信。系统可以开始工作。该系统开关采用的为一按钮形式，内置有一单片机，当系统开关按下时，代表驾驶员准备就绪，系统可以开始工作，此时单片机输出一低电平信号，经芯片转换后将该信号以基于CANopen协议的报文通过CAN线发送至直流伺服电机控制器1。

所述的方向盘固定器7内内置有一圆盘；所述的圆盘的一面加工有平面螺纹，周向均匀布置有三个卡爪，卡爪的内侧与平面螺纹配合，卡爪的外侧与方向盘配合。

参阅图2，所述的固定件10包括第一连接件和第二连接件；所述的第一连接件和第二连接件通过螺栓固定；所述的第一连接件的一端为圆柱体，圆柱体上开有4个周向均布的与支撑杆9通过铰链连接的阶梯孔；所述的第一连接件的另一端为矩体，矩体的端面为圆弧形；所述的第二连接体为矩体，矩体上开有与车身底板通过螺栓固定的光孔。

本发明设置有直流伺服电机控制器1，直流伺服电机控制器1通过电流控制着直流电机 2的运动，本发明采用的是基于CANopen协议的通信方式来实现直流伺服电机控制器1与上层控制器(本发明中的dSPACE公司的MicroLabBox)之间的通信，通过上层控制器按所设定的逻辑发送报文的形式以实现对直流伺服电机控制器1的控制进而实现对直流电机2以及汽车方向盘8的运动的控制。直流电机2输出的扭矩通过行星齿轮减速器3减速、锥齿轮减速器5换向之后输入至方向盘固定器7处，从而带动汽车方向盘8的运动。

在完成各部分的安装之后，给各电气部件供电并打开电磁离合器的开关以及系统开关信号开关，此时系统即可开始运动。当转向机器人实际安装至汽车时有汽车电子控制单元 (ECU，Electronic Control Unit)控制，在本发明中为由dSPACE公司的MicroLabBox控制，因此，此时直流电机2的运动是由其汽车车载ECU或dSPACE MicroLabBox控制并不需要人参与控制，当出现紧急工况、系统故障或是不再需要转向机器人参与测试时，驾驶员断开电磁离合器开关，此时车辆的运动由驾驶员控制，驾驶员仍然可以通过控制汽车方向盘8的运动来控制车辆的运动。测试或仿真完成之后首先将通信部分电源切断，之后将各部分的电源切断即可。

一种转向机器人的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、安装机器人；旋转平面螺纹使得三个卡爪实现径向进给运动，旋转至三卡爪与汽车方向盘8紧密配合，使卡爪与汽车方向盘8不发生相对滑动即可，之后将支撑杆9处的固定件10与车身底板固定，完成转向机器人的安装；

步骤二、转向机器人通信部分的安装；将所述的PC机通过USB与PeakCAN通信，将所述的PeakCAN与直流伺服电机控制器1连接；再将所述的PC机通过以太网与MicroLabBox 通信，所述的MicroLabBox通过CAN线与直流伺服电机控制器1通信；

步骤三、将直流伺服电机控制器1与直流电机2连接，在系统正常工作时利用直流伺服电机控制器1向直流电机2供电；

步骤四、通过直流电机2上安装的增量式编码器获取汽车方向盘8的转角信息；

步骤五、所述的PC机通过以太网与MicroLabBox通信，所述的MicroLabBox通过CAN线与直流伺服电机控制器1通信；采用MicroLabBox实时接口RTI中CAN接受和发送模块，控制模型在Simulink中搭建，并且采用了Stateflow工具进行搭建，具体方法如下：

51)向转向机器人供电，采用24V蓄电池向直流伺服电机控制器1、电磁离合器4供电，通过220V逆变器向所述的MicroLabBox通电，完成对直流伺服电机控制器1及直流电机2的初始化操作，此处对直流伺服电机控制器1的初始化为将上次实验时的数据完全清除以准备开始下次实验，初始化完毕之后，直流伺服电机控制器1会进入关闭状态；所述的24V蓄电池安装在汽车行李厢处；

52)首先检测有无转向机器人系统开关信号，这一信号是由布置在中控台处的转向机器人系统开关发送，其代表的是驾驶员已经准备就绪后按下系统准备就绪开关；当无这一信号时，系统保持待机，不会进行任何运动，当存在有这一信号后系统准备开始接受外部信号并开始进行工作；

53)当有系统开关信号时，所述的MicroLabBox会并检测有无系统运动信号，系统运动信号指的是系统检测整车系统有无机械上的问题或是系统是否需要换一种运动模式时由上层系统所发送的一种信号，当有系统开关信号时，转向机器人控制系统使能化直流伺服电机控制器1，此时即可向直流伺服电机控制器1写入命令；

54)选择运动模式；运动模式有标准速度模式、标准位置模式、位置模式、速度模式、电流模式、步进模式、插补位置模式；由于汽车转向工况复杂，方向盘转角是一不断连续变化的量，由路况、汽车状况包括汽车当前车速、节气门位置、制动踏板位置、方向盘当前位置、当前作用于转向盘的力矩以及本车与周围汽车的车距决定；由于所述的转向机器人为一底层执行机构，模式的选择依上层控制器即MicroLabBox而定；当所设计的上层控制器控制程序对方向盘的控制为力矩控制时，电机控制器1需选择电流模式，当控制程序对汽车方向盘8的控制为角度控制时，需要选择标准位置模式要利用转向机器人进行，当控制程序采用汽车方向盘8运动速度及其运动时间控制方向盘时应选择标准速度模式；

55)所述的MicroLabBox以基于CANopen协议的报文将直流电机2能够按所需的运动模式以参数的形式输入至直流伺服电机控制器1中；所述的转向机器人实际工作时选择电机运动模式为标准位置模式，对该模式而言，所需要输入的参数有：方向盘运动转角即相对于方向盘零位也就是使得转向轮无转角时的方向盘位置的转角、方向盘转角变化速度即电机运动速度、方向盘运动加速度、电机加速模式即按正弦曲线速度增加速度或按梯形曲线增加速度、急停加速度、方向盘运动减速度；不同的运动模式对所需要输入的控制参数有不同的需求，具体的参数应查找相应的电机说明文档；

56)输入完相关的参数后，直流电机2开始以所需要的运动模式运动，通过检测汽车方向盘8转角，所述的转向机器人控制系统可检测电机是否完成所需的运动；在转向机器人控制系统判断所设定的运动完成之后，会向直流伺服电机控制器1发送一运动完成信号，使直流电机控制器1与电机2处于待机状态；

57)所述的转向机器人的控制器MicroLabBox同时会将该运动完成信号返回至上层控制器即实现对整车而非转向盘进行控制的控制器中，当整车控制系统判断有需要下次运动仍要以该模式运动时，直流电机2仍然会以该模式运动，从而能够在一定程度上提升直流电机2的响应速度，当无该信号时，并且系统判断存在有系统运动信号时，会返还至步骤53)；

步骤六、整车控制系统对汽车转向之后汽车的运动速度、转向盘、路况、转向盘当前转角进行重新估计，向转向机器人控制器重新发送给一转向盘理想位置，使得转向机器人系统按步骤五再度运行；直流电机控制器1内部对直流电机2的控制设置有一套PID算法，PID控制算法为Proportion Integration Differentiation控制，即比例、积分、微分控制，是一类应用最为广泛的最优控制算法，该PID算法可以在一定程度上减小汽车整车控制时对于方向盘控制所需要的程序编写量。对标准位置模式而言，其通过读取电机上增量式编码器获取电机运动转角，以获得电机实际已运动转角即转向盘实际转角与电机理想转角即转向盘理想转角之间的偏差，通过控制该偏差即实现方向盘转角的精确变化变化；同时，由于路况突发等状况导致整车控制系统需要对当前方向盘转角进行变动，应向转向机器人控制器发送一更新的电机控制参数值，此时转向盘控制器会强行停止当前电机运动，并重新完成步骤五所述的内容。

步骤七、故障诊断，当出现采用所述的MicroLabBox无法控制转向盘运动的情况时，利用PCAN转接器也是俗称的CAN卡进行转向机器人的调试。PCAN利用CAN线接入CAN网络中，通过USB与PC机通信，从而将CAN网络中传输的报文传递至PC机中，并且使得PC可对报文进行读写操作，从而实现了以PC机控制直流电机控制器1。从而可以读取在CAN网络中传输的CAN报文信息并根据报文查询电机控制器说明书以判断转向机器人故障情况。

Claims (1)

1.一种转向机器人的控制方法，该机器人包括PC机，该机器人还包括直流伺服电机控制器(1)、直流电机(2)、行星齿轮减速器(3)、电磁离合器(4)、锥齿轮减速器(5)、支撑板(6)、方向盘固定器(7)、汽车方向盘(8)、支撑杆(9)与固定件(10)；所述的直流伺服电机控制器(1)与直流电机(2)连接；所述的直流电机(2)与行星齿轮减速器(3)的输入轴连接；所述的行星齿轮减速器(3)的输出轴与电磁离合器(4)连接；所述的电磁离合器(4)与锥齿轮减速器(5)的输入轴连接；所述的锥齿轮减速器(5)的输出轴与方向盘固定器(7)连接；所述的汽车方向盘(8)固定在方向盘固定器(7)上；所述的直流伺服电机控制器(1)、直流电机(2)、行星齿轮减速器(3)、电磁离合器(4)、锥齿轮减速器(5)均设置在支撑板(6)上；所述的支撑板(6)通过支撑杆(9)固定在汽车车身底板上；所述的支撑杆(9)的一端通过球铰链与支撑板(6)配合，另一端通过铰链与固定件(10)的一端连接；所述的固定件(10)的另一端通过螺栓与车身底板固定；所述的PC机与直流伺服电机控制器(1)连接；所述的直流伺服电机控制器(1)采用CAN线与一系统开关进行通信；所述的方向盘固定器(7)内内置有一圆盘；所述的圆盘的一面加工有平面螺纹，周向均匀布置有三个卡爪，卡爪的内侧与平面螺纹配合，卡爪的外侧与方向盘配合；所述的固定件(10)包括第一连接件和第二连接件；所述的第一连接件和第二连接件通过螺栓固定；所述的第一连接件的一端为圆柱体，圆柱体上开有4个周向均布的与支撑杆(9)通过铰链连接的阶梯孔；所述的第一连接件的另一端为矩体，矩体的端面为圆弧形；所述的第二连接件为矩体，矩体上开有与车身底板通过螺栓固定的光孔；所述的电磁离合器(4)与电源开关相连；所述的直流电机(2)上安装有增量式编码器；其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、安装机器人；旋转平面螺纹使得三个卡爪实现径向进给运动，旋转至三卡爪与汽车方向盘(8)紧密配合，使卡爪与汽车方向盘(8)不发生相对滑动即可，之后将支撑杆(9)处的固定件(10)与车身底板固定，完成转向机器人的安装；

步骤二、通信部分的连接；将所述的PC机通过USB与PeakCAN通信，将所述的PeakCAN与直流伺服电机控制器(1)连接；再将所述的PC机通过以太网与MicroLabBox通信，所述的MicroLabBox通过CAN线与直流伺服电机控制器(1)通信；

步骤三、将直流伺服电机控制器(1)与直流电机(2)连接，在系统正常工作时利用直流伺服电机控制器(1)向直流电机(2)供电；

步骤四、通过直流电机(2)上安装的增量式编码器获取汽车方向盘(8)的转角信息；

步骤五、所述的PC机通过以太网与MicroLabBox通信，所述的MicroLabBox通过CAN线与直流伺服电机控制器(1)通信；采用MicroLabBox实时接口RTI中CAN接受和发送模块，控制模型在Simulink中搭建，并且采用了Stateflow工具进行搭建，具体方法如下：

51)向转向机器人供电，采用24V蓄电池向直流伺服电机控制器(1)、电磁离合器(4)供电，通过220V逆变器向所述的MicroLabBox通电，完成对直流伺服电机控制器(1)及直流电机(2)的初始化操作，此处对直流伺服电机控制器(1)的初始化为将上次实验时的数据完全清除以准备开始下次实验，初始化完毕之后，直流伺服电机控制器(1)会进入关闭状态；所述的24V蓄电池安装在汽车行李厢处；

52)首先检测有无转向机器人系统开关信号，这一信号是由布置在中控台处的转向机器人系统开关发送，其代表的是驾驶员已经准备就绪后按下系统准备就绪开关；当无这一信号时，系统保持待机，不会进行任何运动，当存在有这一信号后系统准备开始接受外部信号并开始进行工作；

53)当有系统开关信号时，所述的MicroLabBox会并检测有无系统运动信号，系统运动信号指的是系统检测整车系统有无机械上的问题或是系统是否需要换一种运动模式时由上层系统所发送的一种信号，当有系统开关信号时，转向机器人控制系统使能化直流伺服电机控制器(1)，此时即可向直流伺服电机控制器(1)写入命令；

54)选择运动模式；运动模式有标准速度模式、标准位置模式、位置模式、速度模式、电流模式、步进模式、插补位置模式；由于汽车转向工况复杂，方向盘转角是一不断连续变化的量，由路况、汽车状况包括汽车当前车速、节气门位置、制动踏板位置、方向盘当前位置、当前作用于转向盘的力矩以及本车与周围汽车的车距决定；由于所述的转向机器人为一底层执行机构，模式的选择依上层控制器即MicroLabBox而定；当所设计的上层控制器控制程序对方向盘的控制为力矩控制时，直流伺服电机控制器(1)需选择电流模式，当控制程序对汽车方向盘(8)的控制为角度控制时，需要选择标准位置模式要利用转向机器人进行，当控制程序采用汽车方向盘(8)运动速度及其运动时间控制方向盘时应选择标准速度模式；

55)所述的MicroLabBox以基于CANopen协议的报文将直流电机(2)能够按所需的运动模式以参数的形式输入至直流伺服电机控制器(1)中；所述的转向机器人实际工作时选择电机运动模式为标准位置模式，对该模式而言，所需要输入的参数有：方向盘运动转角即相对于方向盘零位也就是使得转向轮无转角时的方向盘位置的转角、方向盘转角变化速度即电机运动速度、方向盘运动加速度、电机加速模式即按正弦曲线速度增加速度或按梯形曲线增加速度、急停加速度、方向盘运动减速度；不同的运动模式对所需要输入的控制参数有不同的需求，具体的参数应查找相应的电机说明文档；

56)输入完相关的参数后，直流电机(2)开始以所需要的运动模式运动，通过检测汽车方向盘(8)转角，所述的转向机器人控制系统可检测电机是否完成所需的运动；在转向机器人控制系统判断所设定的运动完成之后，会向直流伺服电机控制器(1)发送一运动完成信号，使直流伺服电机控制器(1)与电机(2)处于待机状态；

57)所述的转向机器人的控制器MicroLabBox同时会将该运动完成信号返回至上层控制器即实现对整车而非转向盘进行控制的控制器中，当整车控制系统判断有需要下次运动仍要以该模式运动时，直流电机(2)仍然会以该模式运动，从而能够在一定程度上提升直流电机(2)的响应速度，当无该信号时，并且系统判断存在有系统运动信号时，会返还至步骤53)；

步骤六、整车控制系统对汽车转向之后汽车的运动速度、转向盘、路况、转向盘当前转角进行重新估计，向转向机器人控制器重新发送给一转向盘理想位置，使得转向机器人系统按步骤五再度运行；直流伺服电机控制器(1)内部对直流电机(2)的控制设置有一套PID算法；对标准位置模式而言，其通过读取电机上增量式编码器获取电机运动转角，以获得电机实际已运动转角即转向盘实际转角与电机理想转角即转向盘理想转角之间的偏差，通过控制该偏差即实现方向盘转角的精确变化；同时，由于路况突发等状况导致整车控制系统需要对当前方向盘转角进行变动，应向转向机器人控制器发送一更新的电机控制参数值，此时直流伺服电机控制器(1)会强行停止当前电机运动，并重新完成步骤五的内容；

步骤七、故障诊断，当出现采用所述的MicroLabBox无法控制转向盘运动的情况时，利用PCAN转接器也是俗称的CAN卡进行转向机器人的调试，PCAN利用CAN线接入CAN网络中，通过USB与PC机通信，从而将CAN网络中传输的报文传递至PC机中，并且使得PC可对报文进行读写操作，从而实现了以PC机控制直流伺服电机控制器(1)，从而可以读取在CAN网络中传输的CAN报文信息并根据报文查询电机控制器说明书以判断转向机器人故障情况。