CN110228365A - 一种用于无人驾驶赛车的加速踏板机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，包括踏板总成底座、踏板臂枢轴、扭转弹簧、传动销、踏板臂支座、位置传感器、加速踏板臂、加速踏板块、舵机和连接装置；所述踏板臂支座固定在踏板总成底座上；所述踏板臂枢轴安装在踏板臂支座上；所述扭转弹簧设置在踏板臂枢轴上，一端抵住踏板臂支座；所述加速踏板臂的一端安装在踏板臂枢轴上；所述传动销一端固定在加速踏板臂上，另一端与扭转弹簧的另一端搭接；所述位置传感器安装在踏板臂枢轴与加速踏板臂之间的连接处；所述舵机与控制器电连接并通过连接装置与加速踏板臂实现传动连接；所述加速踏板块设置在踏板臂枢轴的另一端。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

Description

一种用于无人驾驶赛车的加速踏板机构

技术领域

本发明涉及无人驾驶赛车底层控制机构领域，尤其涉及一种用于无人驾驶赛车的加速踏板机构。

背景技术

大学方程式汽车大赛是由中国汽车工程学会承办，鼓励大学生制造赛车，培养学生的创新能力与团队协作能力，以新颖的方式推动汽车文化传播。大学城方程式汽车大赛可分为油车、电车、无人车三个类别。无人驾驶赛车要求赛车具有无人驾驶模式和人工驾驶模式，赛车驱动系统必须兼备人工加速和无人驾驶模式下的加速两种功能。

目前方程式赛车的无人驾驶模式下的加速功能实现主要是沿用原有的电动赛车技术，即利用线控技术，将加速踏板传感器的踏板位置信号经过A/D转换后传递到电机控制器，再经过不断传递，ECU发送指令驱动至电机控制器，由电机控制器完成对加速踏板的控制。此种方式不利于无人赛车的实时表现，具有较大的时滞性，同时给系统控制带来了更多不确定性因素。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可实现有人及无人驾驶的无人方程式赛车加速踏板总成结构。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，该加速踏板机构主要包括踏板总成底座、踏板臂枢轴、扭转弹簧、传动销、踏板臂支座、位置传感器、加速踏板臂、加速踏板块、舵机、以及连接舵机与加速踏板臂的连接装置。

具体的，所述踏板总成底座固定设置在机架上，或者与机架一体设计。所述踏板臂支座固定设置在踏板总成底座上。所述踏板臂枢轴安装在踏板臂支座上。所述扭转弹簧设置在踏板臂枢轴上，其一端抵住踏板臂支座，另一端向外延伸。所述加速踏板臂的一端安装在踏板臂枢轴上，并可绕踏板臂枢轴转动。所述传动销一端固定在加速踏板臂上，另一端与扭转弹簧的另一端搭接，使扭转弹簧通过传动销驱动加速踏板臂复位。所述位置传感器安装在踏板臂枢轴与加速踏板臂之间的连接处，并与控制器连接以测量加速踏板臂的转动角度。所述舵机固定安装在踏板总成底座上，与控制器电连接并通过连接装置与加速踏板臂实现传动连接。所述加速踏板块通过螺栓固定设置在踏板臂枢轴的另一端。

具体的，所述连接装置主要包括第一连杆、第二连杆、花键轴、轴连接部件、推块、以及用于驱动推块的直线电机。所述轴连接部件采用圆管结构设计，其上设有用于安装推块的缺口，所述缺口贯穿轴连接部件。所述舵机的输出轴和花键轴的一端均插入轴连接部件内，并通过轴连接部件实现传动连接或传动断开。所述花键轴的另一端与第二连杆的一端连接。所述第一连杆的一端与第二连杆的另一端连接，另一端与加速踏板臂连接，驱动加速踏板臂转动。所述推块设置在缺口内，可沿径向移动，在外力作用下可相对轴连接部件向外凸出或向内凹陷，以此实现舵机与花键轴之间的连接或断开。所述舵机的输出轴端部设有与推块配合的连接凹陷，所述推块向内移动后，分别与舵机的输出轴和花键轴配合实现连接。所述直线电机安装在踏板总成底座上，与控制器电连接，其输出端与推块连接并驱动推块在缺口内做径向运动。

具体的，所述连接装置的工作过程和原理是：花键轴一端固定一个轴连接部件，三个推块受到小型电机/直线电机的同时控制，实现两个轴(花键轴和舵机的输出轴)的传动连接与断开。当三个推块被推至轴的法向面时，两个轴实现同步旋转，即舵机的输出轴与花键轴实现了传动的连接。当推块被推移开轴法向面时，两轴的传动将断开，两个轴将各自旋转，互不影响。由于在轴连接部分槽位增设了限位块，因此推块的活动受到了一定的限制。

作为本发明的优选方案，为了使推块在连接时可靠性更高，本发明所述推块采用工字型结构设计。所述轴连接部件的缺口处还设有用于限制推块移动距离的限位块。所述限位块设置在缺口的侧面上，并向外凸出。所述推块卡设在限位板内。

作为本发明的优选方案，为了提高舵机与花键轴之间的连接可靠性，本发明所述推块的数量设为三个，等间距分布在轴连接部件上，对应的，所述直线电机也设为三个。

进一步的，为了便于驾驶员准确找到加速踏板的中心位置，提高加速操作的准确性，本发明所述加速踏板机构还包括便于脚部定位的加速踏板垫片。所述加速踏板垫片横截面采用直角形状设计，并设置在加速踏板臂的另一端上，所述加速踏板块安装在加速踏板垫片上。

作为本发明的优选方案，在使用时为了避免扭转弹簧意外脱离，影响加速效果，本发明所述加速踏板机构还包括用于限定扭转弹簧另一端位置的轴套。所述轴套套入扭转弹簧的另一端上，并与传动销抵接。

进一步的，所述轴套采用两根互相垂直的管连接而成，其中一根套入传动销内，另一根套入扭转弹簧的另一端上，实现扭转弹簧的位置限定。

作为本发明的优选方案，为了减轻整个机构的重量，实现轻量化目标，本发明所述加速踏板臂上还设有用于减轻重量的镂空结构。所述镂空结构采用三角形或多边形设计，镂空结构的位置位于加速踏板臂的侧面，从加速踏板臂的一侧贯穿至另一侧。

作为本发明的优选方案，为了进一步减轻机构的整体重量，实现轻量化，本发明所述踏板总成底座上还设有用于减轻重量的矩形槽。所述矩形槽开设在连接装置的下方。

作为本发明的优选方案，所述加速踏板臂采用直角三角形结构设计，其直角上还设有用于定位的限位块。所述限位块套设在加速踏板臂的直角部位处，并与加速踏板臂固定连接。

本发明的工作过程和原理是：本发明所提供的夹送踏板机构设有两种模式：自动模式和人工模式；在无人驾驶模式(自动模式)时，感知层通过各类传感器收集外界的信息，工控机对环境进行分析，规划系统通过分析所收集到的信息，进行局部的路径规划，得出赛车的目标方向、目标速度，并将数据传至ECU。ECU通过实时转速与转角的数据计算出赛车的实时方向、实时速度，与先前计算的目标方向、目标速度进行比较，判断赛车是否需要进行加速操作。若需要赛车加速，ECU会发出相应的指令至电机控制器，电机控制器控制电机，从而使得赛车加速。正常情况下舵机不产生动力，舵机输出轴与花键连接部分断开，处于监测工控机的信号是否能正常传至ECU的状态。舵机检测到上述信号传递不正常，则规划层将发送相应指令至工控机，工控机控制舵机的旋转，舵机输出轴与花键连接，舵机的动力可带动第二连杆旋转，通过第一连杆的传递使得加速踏板踏板臂完成一定角度的转角，模拟有人驾驶时的踩下加速踏板的操作，加速踏板传感器再将信号传递至ECU，ECU发送相应指令至电机控制器，电机控制器控制电机，最终实现加速。完成一次加速过程后，舵机停止转动，舵机输出轴与花键连接断开，加速踏板臂在扭转弹簧的作用下回到初始位置，连杆机构在踏板臂的带动下运动回初始位置，等待下一次加速过程。在有人驾驶模式(人工模式)下，舵机输出轴花键部分连接断开，连杆机构将跟随踏板臂运动。第二连杆空转。车手踩踏加速踏板进行加速，通过加速踏板位置的不同实现不同的加速度加速。加速踏板位置信号加速踏板位置传感器将加速踏板位置信号传递给ECU，ECU再到电机控制器，控制电机的转速，并通过减速器减速增矩，为赛车加速提供动力。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构增设无人赛车备用加速方案，在赛车无人驾驶模式下信号传递失效时，通过辅助装置舵机实现赛车的加速，提高了无人赛车安全性。

(2)本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构在舵机至踏板臂的控制采用了连杆机构的布置方案，设置和加工工作简单，提高了工作效率。

(3)本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构通过电路和信号传递的合理设计，控制舵机输出轴与花键的连接，实现了赛车无人驾驶模式与有人驾驶模式的互相不干扰。

(4)本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构通过在总成底座开设矩形槽，一方面，配合连杆机构的运动，另一方面，实现赛车轻量化。

附图说明

图1是本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构的结构示意图。

图2是本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构的后视图。

图3是本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构的主视图。

图4是本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构的右视图。

图5是本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构的俯视图。

图6是本发明所提供的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构的立体图。

图7是本发明所提供的轴连接部件处的结构示意图。

图8是本发明所提供的舵机输出轴与花键轴连接后的示意图。

图9是本发明所提供的轴连接部件的局部剖视图。

图10是本发明所提供的轴连接部件的立体图。

图11是本发明所提供的推块安装在轴连接部件内的结构示意图。

图12是本发明所提供的推块安装在轴连接部件内的局部放大示意图。

上述附图中的标号说明：

1-踏板总成底座，2-踏板臂枢轴，3-扭转弹簧，4-踏板臂支座，5-位置传感器，6-加速踏板臂，7-加速踏板块，8-加速踏板垫片，9-舵机，10-第二连杆，11-第一连杆，12-传动销，13-轴套，14-输出轴，15-花键轴，16-轴连接部件，17-推块，18-限位块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图12所示，本实施例公开了一种用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，该加速踏板机构主要包括踏板总成底座1、踏板臂枢轴2、扭转弹簧3、传动销12、踏板臂支座4、位置传感器5、加速踏板臂6、加速踏板块7、舵机9、以及连接舵机9与加速踏板臂6的连接装置。

具体的，所述踏板总成底座1固定设置在机架上，或者与机架一体设计。所述踏板臂支座4固定设置在踏板总成底座1上。所述踏板臂枢轴2安装在踏板臂支座4上。所述扭转弹簧3设置在踏板臂枢轴2上，其一端抵住踏板臂支座4，另一端向外延伸。所述加速踏板臂6的一端安装在踏板臂枢轴2上，并可绕踏板臂枢轴2转动。所述传动销12一端固定在加速踏板臂6上，另一端与扭转弹簧3的另一端搭接，使扭转弹簧3通过传动销12驱动加速踏板臂6复位。所述位置传感器5安装在踏板臂枢轴2与加速踏板臂6之间的连接处，并与控制器连接以测量加速踏板臂6的转动角度。所述舵机9固定安装在踏板总成底座1上，与控制器电连接并通过连接装置与加速踏板臂6实现传动连接。所述加速踏板块7通过螺栓固定设置在踏板臂枢轴2的另一端。

具体的，所述连接装置主要包括第一连杆11、第二连杆10、花键轴15、轴连接部件16、推块17、以及用于驱动推块17的直线电机。所述轴连接部件16采用圆管结构设计，其上设有用于安装推块17的缺口，所述缺口贯穿轴连接部件16。所述舵机9的输出轴14和花键轴15的一端均插入轴连接部件16内，并通过轴连接部件16实现传动连接或传动断开。所述花键轴15的另一端与第二连杆10的一端连接。所述第一连杆11的一端与第二连杆10的另一端连接，另一端与加速踏板臂6连接，驱动加速踏板臂6转动。所述推块17设置在缺口内，可沿径向移动，在外力作用下可相对轴连接部件16向外凸出或向内凹陷，以此实现舵机9与花键轴15之间的连接或断开。所述舵机9的输出轴14端部设有与推块17配合的连接凹陷，所述推块17向内移动后，分别与舵机9的输出轴14和花键轴15配合实现连接。所述直线电机安装在踏板总成底座1上，与控制器电连接，其输出端与推块17连接并驱动推块17在缺口内做径向运动。

具体的，所述连接装置的工作过程和原理是：花键轴15一端固定一个轴连接部件16，三个推块17受到小型电机/直线电机的同时控制，实现两个轴(花键轴15和舵机9的输出轴14)的传动连接与断开。当三个推块17被推至轴的法向面时，两个轴实现同步旋转，即舵机9的输出轴14与花键轴15实现了传动的连接。当推块17被推移开轴法向面时，两轴的传动将断开，两个轴将各自旋转，互不影响。由于在轴连接部分槽位增设了限位块18，因此推块17的活动受到了一定的限制。

作为本发明的优选方案，为了使推块17在连接时可靠性更高，本发明所述推块17采用工字型结构设计。所述轴连接部件16的缺口处还设有用于限制推块17移动距离的限位块18。所述限位块18设置在缺口的侧面上，并向外凸出。所述推块17卡设在限位板内。

作为本发明的优选方案，为了提高舵机9与花键轴15之间的连接可靠性，本发明所述推块17的数量设为三个，等间距分布在轴连接部件16上，对应的，所述直线电机也设为三个。

进一步的，为了便于驾驶员准确找到加速踏板的中心位置，提高加速操作的准确性，本发明所述加速踏板机构还包括便于脚部定位的加速踏板垫片8。所述加速踏板垫片8横截面采用直角形状设计，并设置在加速踏板臂6的另一端上，所述加速踏板块7安装在加速踏板垫片8上。

作为本发明的优选方案，在使用时为了避免扭转弹簧3意外脱离，影响加速效果，本发明所述加速踏板机构还包括用于限定扭转弹簧3另一端位置的轴套13。所述轴套13套入扭转弹簧3的另一端上，并与传动销12抵接。

进一步的，所述轴套13采用两根互相垂直的管连接而成，其中一根套入传动销12内，另一根套入扭转弹簧3的另一端上，实现扭转弹簧3的位置限定。

作为本发明的优选方案，为了减轻整个机构的重量，实现轻量化目标，本发明所述加速踏板臂6上还设有用于减轻重量的镂空结构。所述镂空结构采用三角形或多边形设计，镂空结构的位置位于加速踏板臂6的侧面，从加速踏板臂6的一侧贯穿至另一侧。

作为本发明的优选方案，为了进一步减轻机构的整体重量，实现轻量化，本发明所述踏板总成底座1上还设有用于减轻重量的矩形槽。所述矩形槽开设在连接装置的下方。

作为本发明的优选方案，所述加速踏板臂6采用直角三角形结构设计，其直角上还设有用于定位的限位块18。所述限位块18套设在加速踏板臂6的直角部位处，并与加速踏板臂6固定连接。

本发明的工作过程和原理是：本发明所提供的夹送踏板机构设有两种模式：自动模式和人工模式；在无人驾驶模式(自动模式)时，感知层通过各类传感器收集外界的信息，工控机对环境进行分析，规划系统通过分析所收集到的信息，进行局部的路径规划，得出赛车的目标方向、目标速度，并将数据传至ECU。ECU通过实时转速与转角的数据计算出赛车的实时方向、实时速度，与先前计算的目标方向、目标速度进行比较，判断赛车是否需要进行加速操作。若需要赛车加速，ECU会发出相应的指令至电机控制器，电机控制器控制电机，从而使得赛车加速。正常情况下舵机9不产生动力，舵机9输出轴14与花键连接部分断开，处于监测工控机的信号是否能正常传至ECU的状态。舵机9检测到上述信号传递不正常，则规划层将发送相应指令至工控机，工控机控制舵机9的旋转，舵机9输出轴14与花键连接，舵机9的动力可带动第二连杆10旋转，通过第一连杆11的传递使得加速踏板踏板臂完成一定角度的转角，模拟有人驾驶时的踩下加速踏板的操作，加速踏板传感器再将信号传递至ECU，ECU发送相应指令至电机控制器，电机控制器控制电机，最终实现加速。完成一次加速过程后，舵机9停止转动，舵机9输出轴14与花键连接断开，加速踏板臂6在扭转弹簧3的作用下回到初始位置，连杆机构在踏板臂的带动下运动回初始位置，等待下一次加速过程。在有人驾驶模式(人工模式)下，舵机9输出轴14花键部分连接断开，连杆机构将跟随踏板臂运动。第二连杆10空转。车手踩踏加速踏板进行加速，通过加速踏板位置的不同实现不同的加速度加速。加速踏板位置信号加速踏板位置传感器5将加速踏板位置信号传递给ECU，ECU再到电机控制器，控制电机的转速，并通过减速器减速增矩，为赛车加速提供动力。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，包括踏板总成底座、踏板臂枢轴、扭转弹簧、传动销、踏板臂支座、位置传感器、加速踏板臂、加速踏板块、舵机、以及连接舵机与加速踏板臂的连接装置；

所述踏板总成底座固定设置在机架上，或者与机架一体设计；所述踏板臂支座固定设置在踏板总成底座上；所述踏板臂枢轴安装在踏板臂支座上；所述扭转弹簧设置在踏板臂枢轴上，其一端抵住踏板臂支座，另一端向外延伸；所述加速踏板臂的一端安装在踏板臂枢轴上，并可绕踏板臂枢轴转动；所述传动销一端固定在加速踏板臂上，另一端与扭转弹簧的另一端搭接，使扭转弹簧通过传动销驱动加速踏板臂复位；所述位置传感器安装在踏板臂枢轴与加速踏板臂之间的连接处，并与控制器连接以测量加速踏板臂的转动角度；所述舵机固定安装在踏板总成底座上，与控制器电连接并通过连接装置与加速踏板臂实现传动连接；所述加速踏板块通过螺栓固定设置在踏板臂枢轴的另一端。

2.根据权利要求1所述的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，所述连接装置包括第一连杆、第二连杆、花键轴、轴连接部件、推块、以及用于驱动推块的直线电机；所述轴连接部件采用圆管结构设计，其上设有用于安装推块的缺口，所述缺口贯穿轴连接部件；所述舵机的输出轴和花键轴的一端均插入轴连接部件内，并通过轴连接部件实现传动连接或传动断开；所述花键轴的另一端与第二连杆的一端连接；所述第一连杆的一端与第二连杆的另一端连接，另一端与加速踏板臂连接，驱动加速踏板臂转动；所述推块设置在缺口内，可沿径向移动，在外力作用下可相对轴连接部件向外凸出或向内凹陷，以此实现舵机与花键轴之间的连接或断开；所述舵机的输出轴端部设有与推块配合的连接凹陷，所述推块向内移动后，分别与舵机的输出轴和花键轴配合实现连接；所述直线电机安装在踏板总成底座上，与控制器电连接，其输出端与推块连接并驱动推块在缺口内做径向运动。

3.根据权利要求2所述的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，所述推块采用工字型结构设计；所述轴连接部件的缺口处还设有用于限制推块移动距离的限位块；所述限位块设置在缺口的侧面上，并向外凸出；所述推块卡设在限位板内。

4.根据权利要求2所述的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，所述推块的数量设为三个，等间距分布在轴连接部件上，对应的，所述直线电机也设为三个。

5.根据权利要求1所述的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，所述加速踏板机构还包括便于脚部定位的加速踏板垫片；所述加速踏板垫片横截面采用直角形状设计，并设置在加速踏板臂的另一端上，所述加速踏板块安装在加速踏板垫片上。

6.根据权利要求1所述的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，所述加速踏板机构还包括用于限定扭转弹簧另一端位置的轴套；所述轴套套入扭转弹簧的另一端上，并与传动销抵接。

7.根据权利要求4所述的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，所述轴套采用两根互相垂直的管连接而成，其中一根套入传动销内，另一根套入扭转弹簧的另一端上，实现扭转弹簧的位置限定。

8.根据权利要求1所述的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，所述加速踏板臂上还设有用于减轻重量的镂空结构；所述镂空结构采用三角形或多边形设计，镂空结构的位置位于加速踏板臂的侧面，从加速踏板臂的一侧贯穿至另一侧。

9.根据权利要求1所述的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，所述踏板总成底座上还设有用于减轻重量的矩形槽；所述矩形槽开设在连接装置的下方。

10.根据权利要求1所述的用于无人驾驶赛车的加速踏板机构，其特征在于，所述加速踏板臂采用直角三角形结构设计，其直角上还设有用于定位的限位块；所述限位块套设在加速踏板臂的直角部位处，并与加速踏板臂固定连接。