CN110001752A - 一种可伸缩方向盘及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可伸缩方向盘，包括：路感电机；以及转向轴，其为同轴固联的三个部件，其中第一、二部件分别位于第三部件的两端，第三部件表面具有均匀环形齿条；转向轴套，其为上下具有中心通孔的中空长方体，在其两侧具有通孔滑道，所述转向轴位于其内部；壳体，其为中心内凹的槽型结构，在其一侧的凹槽边缘中心位置外伸出一块支撑板；调节电机，其固联与所述壳体的支撑板上部，在其一侧具有输出轴，在所述输出轴的头部固联有齿轮轴；支撑限位块，其两侧固联于所述壳体的内部凹槽两侧，中间穿过所述转向轴套的两侧滑道。本发明还提供一种可伸缩方向盘的控制方法，能够根据根据手动驾驶状态或者无人驾驶状态控制方向盘的伸缩。

Description

一种可伸缩方向盘及其控制方法

技术领域

本发明涉及线控转向及无人驾驶领域，具体涉及一种可伸缩方向盘及其控制方法。

背景技术

线控转向可以实现车辆的快速转向，从方向盘到转向执行机构采用直接数字信号输入，整个系统中没有转向万向节等可能造成“转向延迟”的机械部件，通过控制单元的信号处理，对驾驶员的驾驶意图快速做出判断，实现更灵活的转向，驾驶的感受更加直接，方向盘可以过滤掉来自地面对前轮的冲击。

无人驾驶汽车是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。线控转向技术可以完美适配于无人驾驶车辆。无人驾驶汽车是通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车。它是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。

无人驾驶汽车不仅可以自动行驶，还可以操控方向盘驾驶，当无需驾驶员驾驶汽车时，方向盘不起作用，还会占据车内空间，影响车内乘客的乘坐感受。因此，随着无人驾驶汽车技术的重要性和必然性，有必要设计一种用于无人驾驶线控转向车辆的可伸缩方向盘。

中国专利文献CN109421783A，公开了一种总成，包括转向柱。所述总成包括一对转向手柄，所述一对转向手柄由所述转向柱枢转地支撑并且可从伸出位置朝向所述转向柱枢转到回缩位置。所述总成包括处理器和存储器，所述存储器存储指令，所述指令可由所述处理器执行以在检测到触发事件时将所述转向手柄枢转到所述回缩位置。本发明只是转向手柄的伸出和缩回，无法做到较大的提高空间范围，而且其所述的转向柱在实际应用中极易损坏，而且其价格高昂，更换比较困难。

中国专利文献CN107963113A,公开了一种可伸缩式汽车方向盘，属于汽车领域。本发明包括方向盘伸缩机构、把手升降结构、方向盘升降机构、控制与测量系统，方向盘伸缩机构包括收纳装置、方向盘把手、滑块、把手升降结构、齿条、齿轮、齿轮槽、齿条槽、滑块槽、双向电机，在车辆熄火时，可将方向盘收纳到仪表板的特定空间内，给驾驶人留出更多的空间；在车辆启动后，能够展开到驾驶位置，便于驾驶。方向盘的伸缩采用齿轮齿条控制，转向轴的伸缩采用柱塞式液压缸控制。此设计可以满足不同体型和年龄段的人群对方向盘位置和大小以及驾驶室空间的不同要求。本发明的结构比较复杂，增加了错误发生的概率，而且在动力源方面采用电力与液压双动力模式，增加了车辆的负担。

通过上述专利文献的描述可知，目前关于可伸缩方向盘的专利虽然有很多，但是大多数都是适用于普通汽车，对于无人驾驶汽车很少涉足，而且基本结构都比较复杂，增加了错误发生率，造价也比较高昂，而且随着科技的发展，无人驾驶汽车的使用会越来越广泛和普及，对于无人驾驶汽车的研究已经刻不容缓。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种可伸缩方向盘，适用于无人驾驶线控转向车辆，通过控制器指令，利用电机控制齿轮，带动方向盘的伸缩，从而实现了无人驾驶线控转向车辆的方向盘的伸缩，通过伸缩可以在无人驾驶时收起方向盘，解决了现有技术中方向盘占据车内空间的问题。

本发明的另一个目的是设计开发了一种可伸缩方向盘的控制方法，能够根据根据手动驾驶状态或者无人驾驶状态控制方向盘的伸缩，并且可以根据伸缩位移控制方向盘的伸缩速度。

本发明提供的技术方案为：

一种可伸缩方向盘，包括：

方向盘；以及

壳体，其为凹槽结构；

支撑限位块，其两端固连在所述凹槽结构内壁；

转向轴套，其具有中心容纳腔，所述转向轴套的两端为具有中心通孔的长方体，并且所述转向轴套的侧壁上具有通孔滑道，其与所述支撑限位块匹配滑动安装；

转向轴，其可旋转的支撑在所述中心容纳腔和所述中心通孔内，并且所述转向轴的一端连接路感电机，另一端连接所述方向盘，所述转向轴中部具有环形齿条；

调节电机，其与所述壳体固定连接；

其中，所述调节电机的输出轴端部设置齿轮，其与所述环形齿条相匹配啮合。

优选的是，所述方向盘内部具有T字型结构，其中心位置下端固连所述转向轴另一端。

优选的是，所述转向轴套还包括：

两个轴承，其分别固连在所述转向轴套的中心通孔内。

优选的是，所述转向轴的两端可转动的设置在所述轴承内部。

优选的是，所述转向轴的一端与所述路感电机的输出轴通过花键连接；

以及

所述转向轴的另一端与所述方向盘的的连接轴通过花键连接。

优选的是，所述调节电机连接有失电制动器。

优选的是，所述调节电机连接在所述壳体一侧的凹槽边缘中心位置外伸出的支撑板上部。

一种可伸缩方向盘的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、通过传感器测量车速、车轮转角和方向盘转角；

步骤二、若车速为0，车轮转角为0，方向盘转角也为0，则能够改变方向盘的伸缩状态；

步骤三、调节电机齿轮转动；

步骤四、方向盘总成沿滑道伸出或者收回；

步骤五、调节电机关闭，总成位置固定；

步骤六、总成在伸出状态时，路感电机开启，模拟路感，带动方向盘转动；

总成在缩回状态时，路感电机关闭，保持方向盘不动。

优选的是，所述步骤二中方向盘总成的伸缩速度能够控制，调节电机的目标转速的计算公式为：

其中：n′为调节电机目标转速，n为调节电机实际转速，a为调节电机控制器解析度，b为调节电机每转的计数。

优选的是，所述调节电机实际转速满足：

其中：n为调节电机实际转速，k为校正系数，f为电源频率，p为电机旋转磁场的极对数，l为方向盘总成在伸缩过程中的最大位移，d为齿轮分度圆直径，m为齿轮模数，p为转向轴的轴距。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明提供的一种可伸缩方向盘，可伸缩方向盘总成装置与传统的机械转向机构断开连接，实现转向盘与转向车辆之间的机械解耦，将线控转向相关的部件与伸缩调节装置集成到一起使得转向的控制灵活性更高，且能够减小方向盘与转向车轮之间占用的空间。

(2)本发明提供的一种可伸缩方向盘的控制方法，能够根据手动驾驶状态或者无人驾驶状态控制方向盘的伸缩，并且可以根据伸缩位移控制方向盘的伸缩速度。

附图说明

图1为本发明所述一种可伸缩方向盘的结构示意图。

图2为本发明所述转向轴的结构示意图。

图3为本发明所述转向盘的结构示意图。

图4为本发明所述可伸缩方向盘的电气连接关系图。

图5为本发明所述一种可伸缩方向盘的的控制器控制流程逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供一种用于无人驾驶线控转向车辆的可伸缩方向盘总成装置，设有路感电机100、转向轴套110、壳体120、调节电机130、转向轴140、支承限位块150和转向盘160。其中路感电机100、转向轴套110、壳体120、调节电机130、转向轴140和支承限位块150均位于汽车仪表盘之内，壳体120为中心内凹的槽型结构，在壳体120一侧的凹槽边缘中心位置外伸出一块支撑板，在壳体凹槽内部两侧固联有支承限位块150；调节电机 130固联在支撑板上部，调节电机130的一侧具有输出轴，在输出轴的头部固联有齿轮轴，在调节电机130的另一侧连接失电制动器，能够随时抱死所述调节电机；在壳体120的中心凹槽内部放置有转向轴套110，转向轴套110 为上下具有中心通孔的中空长方体，在转向轴套110两侧具有通孔滑道，支承限位块150穿过转向轴套110两侧的通孔滑道；在转向轴套的内部为转向轴140，支承限位块150位于转向轴140的下部，支撑限位块150通过与转向轴套110的配合，通过合理设置滑道的长度与支承限位块150的大小，实现对总成的支承与伸缩限位，转向轴140的上部与转向盘160固定连接，转向轴140的下部与路感电机100的输出轴固定连接。

如图2所示，为本发明所述的转向轴140的结构示意图，其为同轴固联的三个部件，其中第一部件141和第二部件142分别位于第三部件143的两端，转向轴140的第一部件141为内部带有花键的平键键槽，转向轴140的第一部件141通过轴承可转动的设置在转向轴套110的下部通孔内部，路感电机100的输出轴与所述第一部件141通过花键啮合传动；转向轴140的第二部件142为平键键槽连有外花键的结构，转向轴140的第二部件142的平键键槽通过轴承可转动的设置在所述转向轴套的上部通孔内部，转向盘的连接轴与所述第二部件142的外花键部分啮合传动；第三部件143表面具有均匀环形齿条，调节电机130的输出轴齿轮轴与第三部件143上部的环形齿条啮合传动。通过转向轴套110上下通孔内部设置的轴承可以实现转向轴140 在转向轴套110中绕轴线自由转动，同时，转向轴套110限制转向轴140的轴向位移，使两者轴向位置固定。

如图3所示，为本发明所述的转向盘160的结构示意图，其中包括：方向盘162、螺钉161和连接轴163，方向盘162内部为T字形结构，连接轴 163固联与方向盘162上的T形结构的中心位置，连接轴163内部具有花键，转向轴140上端的外花键插入到转向盘160的连接轴163的内花键中，实现转向盘160和转向轴140共同转动，螺钉161与转向轴140上端的内螺纹配合，将转向盘160压紧在转向轴140上，实现其轴向固定。

本发明提供的一种可伸缩方向盘，其通过路感电机100提供动力，带动转向轴140的转动，从而带动转向盘160的转动，当转向盘160需要伸出时，由调节电机130带动转向轴140转动，使方向盘总成沿转向轴套110两侧的滑道上升到最高位置，此时滑道下端与支承限位块150接触，使方向盘总成达到最大伸出状态。当转向盘160需要缩回时，使方向盘总成沿转向轴套110 两侧的滑道下降到最低位置，此时滑道上端与支承限位块150接触，使方向盘总成达到最大收缩状态。

如图5所示，具体的，本发明所述可伸缩方向盘的控制方法，即逻辑流程为：

1)由图4所示的车轮转角传感器获得车轮转角信号，方向盘转角传感器获得方向盘转角信号，以及车速传感器获得实时车速，所得信号通过信号线传入系统控制器；

2)当实时车速为0，车轮转角为0，方向盘转角为0时，驾驶员可以切换车辆为手动驾驶模式或者无人驾驶模式；

3)方向盘的伸缩状态能够改变，将改变指令传输到调节电机控制器；

4)调节电机接受控制器指令，电机轴按设定好的圈数旋转；

5)若驾驶员令车辆从手动驾驶模式切换到自动驾驶模式，方向盘总成沿滑道向内收回，并到达极限位置，调节电机停止工作并处于使能状态，方向盘总成轴向位置被锁定，之后路感电机在控制器的作用下，也进入使能状态，将方向盘锁止，不能转动；

若驾驶员令车辆从自动驾驶模式切换到手动驾驶模式，方向盘总成沿滑道向外伸出，并到达极限位置，调节电机停止工作并处于使能状态，方向盘总成轴向位置被锁定，之后路感电机工作，向驾驶员反应模拟的路感，带动方向盘转动；

6)第2)步中，判断实时车速不为0或车轮转角不为0或方向盘转角不为0时，返回第1)步。

上述可伸缩方向盘的控制方法中的第2)步中，方向盘的伸缩状态改变时，方向盘总成伸缩的速度是可以通过控制调节电机的转速来控制的，调节电机的目标伸缩速度满足：

其中：n′为调节电解的目标转速，n为调节电机实际转速，a为调节电机控制器解析度，b为调节电机每转的计数；

调节电机实际转速n满足：

其中：n为调节电机实际转速，k为校正系数，f为电源频率，p为电机旋转磁场的极对数，l为方向盘总成在伸缩过程中的最大位移，d为齿轮分度圆直径，m为齿轮模数，p为转向轴的螺距。

在一种实施例中，电源频率f＝50Hz，电机旋转磁场的极对数p＝4，校正系数k＝2.9，方向盘总成在伸缩过程中的最大位移l＝300mm，分度圆直径d ＝60mm,齿轮模数m＝6，转向轴选取M16x1.5，转向轴的螺距p＝1.5mm,计算出调节电机实际转速并取整，n＝77转/分，调节电机控制器的解析度a＝1，调节电机每转的计数b＝6144counts/rev，调节电机期望转速取整为n′＝100转/分。

结合所述可伸缩方向盘装置结构及所述控制方法，本发明设计具体可伸缩方向盘装置工作方式如下：

1)由图4所示的各传感器实时获取车轮转角、方向盘转角、车速等信号；

2)系统控制器读取第1)步所获得的各信号参数，按照本发明所述可伸缩方向盘控制方法进行控制；

3)通过信号线指令调节电机130及失电制动器进行动作；

4)调节电机130输出轴带动齿轮转动，动力通过齿轮传递至转向轴140，利用齿轮与转向轴140的啮合传动，带动转向轴140的转动；

5)若处于手动操作模式下，方向盘需要处于最大伸出状态，方向盘总成沿转向轴套110两侧的滑道上升到最高位置，此时滑道下端与支承限位块150 接触；

若开启自动驾驶模式，可收起方向盘总成，增加车内空间，方向盘总成沿转向轴套110两侧的滑道下降到最低位置，此时滑道上端与支承限位块150 接触；

6)随后调节电机130在控制器作用下进入使能状态且制动装置工作，方向盘总成位置被锁定；

7)处于手动模式下，路感电机工作，向驾驶员反应模拟的路感，此时方向盘160，与方向盘160固连的转向轴140同时转动，由于齿条是环形的，且与齿轮啮合，可以保证方向盘160的正常操作，同时方向盘总成位置不变；

处于自动模式下，路感电机也进入使能状态，方向盘不能转动。

本发明提供的一种可伸缩方向盘的控制方法，能够根据手动驾驶状态或者无人驾驶状态控制方向盘的伸缩，并且可以根据滑动位移控制方向盘的伸缩速度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种可伸缩方向盘，其特征在于，包括：

方向盘；以及

壳体，其为凹槽结构；

支撑限位块，其两端固连在所述凹槽结构内壁；

转向轴套，其具有中心容纳腔，所述转向轴套的两端为具有中心通孔的长方体，并且所述转向轴套的侧壁上具有通孔滑道，其与所述支撑限位块匹配滑动安装；

转向轴，其可旋转的支撑在所述中心容纳腔和所述中心通孔内，并且所述转向轴的一端连接路感电机，另一端连接所述方向盘，所述转向轴中部具有环形齿条；

调节电机，其与所述壳体固定连接；

其中，所述调节电机的输出轴端部设置齿轮，其与所述环形齿条相匹配啮合。

2.如权利要求1所述的可伸缩方向盘，其特征在于，所述方向盘内部具有T字型结构，其中心位置下端固连所述转向轴另一端。

3.如权利要求1所述的可伸缩方向盘，其特征在于，所述转向轴套还包括：

两个轴承，其分别固连在所述转向轴套的中心通孔内。

4.如权利要求3所述的可伸缩方向盘，其特征在于，所述转向轴的两端可转动的设置在所述轴承内部。

5.如权利要求4所述的可伸缩方向盘，其特征在于，所述转向轴的一端与所述路感电机的输出轴通过花键连接；以及

所述转向轴的另一端与所述方向盘的的连接轴通过花键连接。

6.如权利要求1所述的可伸缩方向盘，其特征在于，所述调节电机连接有失电制动器。

7.如权利要求5所述的可伸缩方向盘，其特征在于，所述调节电机连接在所述壳体一侧的凹槽边缘中心位置外伸出的支撑板上部。

8.一种可伸缩方向盘的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、通过传感器测量车速、车轮转角和方向盘转角；

步骤二、若车速为0，车轮转角为0，方向盘转角也为0，则能够改变方向盘的伸缩状态；

步骤三、调节电机齿轮转动；

步骤四、方向盘总成沿滑道伸出或者收回；

步骤五、调节电机关闭，总成位置固定；

步骤六、总成在伸出状态时，路感电机开启，模拟路感，带动方向盘转动；

总成在缩回状态时，路感电机关闭，保持方向盘不动。

9.如权利要求8所述的可伸缩方向盘的控制方法，其特征在于，所述步骤二中方向盘总成的伸缩速度能够控制，调节电机的目标转速的计算公式为：

其中：n′为调节电机目标转速，n为调节电机实际转速，a为调节电机控制器解析度，b为调节电机每转的计数。

10.如权利要求9所述的可伸缩方向盘的控制方法，其特征在于，所述调节电机实际转速满足：

其中：n为调节电机实际转速，k为校正系数，f为电源频率，p为电机旋转磁场的极对数，l为方向盘总成在伸缩过程中的最大位移，d为齿轮分度圆直径，m为齿轮模数，p为转向轴的轴距。