CN111845923A - 一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统及控制方法 - Google Patents

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CN111845923A CN202010760142.3A CN202010760142A CN111845923A CN 111845923 A CN111845923 A CN 111845923A CN 202010760142 A CN202010760142 A CN 202010760142A CN 111845923 A CN111845923 A CN 111845923A
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steer
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司熙鹏
周海鹰
兰建平
龚家元
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Abstract

本发明属于车辆网联自动驾驶技术领域，公开了一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统及方法，应用于无人驾驶车辆的线控转向系统可实现有人驾驶模式下的转向功能和无人驾驶模式下的转向功能；有人驾驶模式下通过方向盘进行机械转向，包括方向盘、快拆、减速器、角度传感器、固定支架I、电磁离合器、固定支架II、转向舵机、舵机控制器、万向节、转向柱、齿轮齿条转向器，有人驾驶模式下电磁离合器处于断开状态；无人驾驶模式下电磁离合器处于闭合状态。本发明提供的应用于无人驾驶车辆的线控转向系统可在两种模式下运行，可实现有人驾驶模式下的转向功能和无人驾驶模式下的转向功能，能够有效解决某些特定场景下车辆实现线控转向的功能。

Description

一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统及控制方法
技术领域
本发明属于车辆网联自动驾驶技术领域，尤其涉及一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统及控制方法。
背景技术
目前，在车辆技术中越来越多地使用转向支持系统和/或转向辅助系统，在转向支持系统和/或转向辅助系统中，在方向盘与转向传动机构之间不存在连贯的且直接的机械连接，而是在转向支持系统和/或转向辅助系统中，这些部件的联结经由单纯的信号路线来实现，该信号路线作为总线、即线路连结的总线、或无线地实现，这类系统一般被称为线控转向式转向系统。
线控转向系统省去了转向管柱的传动部分，简化为方向盘下带一个驱动电机，转向器上也带一个驱动电机，两个电机信号可以通过线束连接，并与ECU相连，方向盘转动时，把转角信号传递到转向器电机，电机推动齿条移动，齿条的移动信号和路面的冲击信号反馈到方向盘的电机，产生载荷扭矩，产生方向盘路感，使转向感更真实。脱落了机械传动系统后，转向系统的力性能可以更灵活的调整。然而，如果单一的线控传递系统如果失效，转向操作就无法实现，车辆将完全失控，因此以目前的法规，还不能完全实现线控转向，需要对系统做冗余设计，线控和机械传递并存。一旦线控失效，机械传递发挥作用。因此，亟需一种新的能够适应用于无人驾驶车辆的线控转向系统。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有电动助力转向系统中，多是以普通车辆(乘用车、商用车)为应用对象，产品多为标准件，对于一些应用于特殊场合的无人驾驶车辆(如方程式赛车、示范运营车辆等)，难以找到可匹配的转向部件；另现有转向系统中，如果单一的线控传递系统失效，转向操作就无法实现，车辆将完全失控，因此以目前的法规，还不能完全实现线控转向，需要对系统做冗余设计，线控和机械传递并存。一旦线控失效，机械传递发挥作用。
解决以上问题及缺陷的难度为：冗余设计不能对线控和机械传递正常使用产生影响，一旦线控失效，冗余设计必须触发。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明可提供一种线控转向系统的改装设计思路与方法，可实现有人驾驶模式和无人驾驶模式切换，在线控转向系统失效时，及时有效切断舵机与转向机构的联系，保证车辆和他人的安全。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统及控制方法。
本发明是这样实现的，一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法，包括：
无人驾驶模式，电磁离合器处于闭合状态，转向电机提供动力源，通过减速器带动方向盘和车轮转动，整车控制器通过CAN总线与转向电机控制器通信，下发转向控制指令，控制转向系的方向盘转角；
转向电机控制器反馈实际方向盘转角、当前模式、故障信息的数据给整车控制器。
进一步，所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法或采用包括：有人驾驶模式的控制方法控制方向盘向盘转角，所述有人驾驶模式的控制方法包括：
转向舵机通过电磁离合器与减速器输入轴连接，螺栓穿过固定支架I和减速器壳体中间的圆孔将减速器固定在固定支架中间，方向盘与转向柱中间与减速器输出轴连接，转向杆下方安装万向节与齿轮齿条转向器连接，角度传感器直接插入减速器中间轴与进行连接，有人驾驶模式下电磁离合器处于断开状态。
进一步，转向电机控制器控制转向系的方向盘转角中，对于转向系的载荷的计算方法包括：
无人驾驶汽车在行驶过程中最大转角位110°，设转向时间为1.5s；
角度化弧度：
Figure BDA0002612847480000031
角速度为：
Figure BDA0002612847480000032
方向盘转速为：
Figure BDA0002612847480000033
使用原地转向力矩作为转向系的计算载荷，计算公式如下：
Figure BDA0002612847480000034
其中，MR为赛车原地转向阻力矩，f为轮胎与路面之间的滑动摩擦系数，取值1.19，G1转向轮垂直载荷，P为轮胎充气气压；
原地转向力矩：
Figure BDA0002612847480000035
进一步，所述转向系参数的匹配方法包括：
(1)力矩匹配
转向器传动比i3＝3.5，减速器传动比i总＝9，则转向舵机最小扭矩为：
Figure BDA0002612847480000036
转向舵机输出扭矩应满足：M>Mmin；
(2)转角匹配
车轮转角θ1与方向盘转角θ2之间的关系为
Figure BDA0002612847480000037
则车轮转角θ1与转向舵机转角θ3之间的关系为
Figure BDA0002612847480000038
车轮转角θ1与编码器转角θ4之间的关系为
Figure BDA0002612847480000039
本发明的另一目的在于提供一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法在有人驾驶模式下车辆驾驶上的应用。
本发明的另一目的在于提供一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统，所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统包括转向系；所述转向系包括：
转向螺栓，固定于固定支架II，另一端为接线端，与转向舵机控制器连接；
方向盘，用于有人或无人驾驶方向控制；
快拆，用于快速分离方向盘与转向柱；
传力装置，由万向节和转向柱构成，与齿轮齿条转向器连接，将力矩传递给齿轮齿条转向器；
轮齿条转向器，由齿轮、滚动轴承I、滚动轴承II、齿条、转向器壳、转向节臂、转向拉杆构成；通过内部传动副机构将旋转运动转化为转向拉杆的直线运动，转向拉杆与梯形臂作用于转向节，实现车轮转向；
转向电机，采用转向舵机方案，为无人驾驶转向系统提供动力源；
转向电机控制器，接收整车控制器下发的控制指令，控制驾驶模式和方向盘转角，控制转向舵机的转动速度和转动角度；
电磁离合器，有人驾驶与无人驾驶切换，切换有人驾驶时电磁离合器断开，切换无人驾驶时电磁离合器闭合；
减速器，传递力矩，将转向舵机的传动力矩放大；
角度传感器，采用绝对式编码器，与电机控制器相连，测量方向盘当前的实际转角。
进一步，所述减速器的设计方法包括：
(1)传动比的分配
减速器的总传动比：
Figure BDA0002612847480000041
所述减速器为展开式减速器：i1＝1.3i2 i1×i2＝i总；
Figure BDA0002612847480000042
(2)齿轮设计
取1号齿轮齿数Z1＝19，模数m＝1，则分度圆直径d＝m*z＝19mm；
齿顶圆直径：da＝d±2ha＝d±2ha*m＝21；
齿根圆直径：df＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝16.5；
2号齿轮齿数：Z2＝Z1*i1＝19*3042＝64.98，圆整到65，取模数m2＝1；
则分度圆直径：d2＝Z2*m2＝65*1＝65；
齿顶圆直径：da2＝d±2ha＝d±2ha*m＝67；
齿根圆直径：df2＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝62.5；
取3号齿轮齿数：Z3＝25，模数m3＝1，则分度圆直径：d3＝Z3*m3＝25*1＝25；
齿顶圆直径：da3＝d±2ha＝d±2ha*m＝27；
齿根圆直径：df3＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝22.5；
4号齿轮齿数：Z4＝Z3*i2＝25*2.64＝66；
模数：m4＝1则分度圆直径：d4＝Z4*m4＝66*1＝66；
齿顶圆直径：da4＝d±2ha＝d±2ha*m＝68；
齿根圆直径：df4＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝63.5；
(3)轴系设计：
根据公式：
Figure BDA0002612847480000051
得：
4号齿轮功率：
Figure BDA0002612847480000052
η＝η齿轮2*η轴承3*η离合器＝0.972*0.983*0.98＝0.8722；
1轴功率：P1＝P电机*η离合器η轴承＝0.025KW；
2轴功率：P2＝P1*η齿轮η轴承＝0.024KW；
3轴功率：P3＝P2*η齿轮η轴承＝0.023KW；
根据轴的功率和转速求最小轴径：
由
Figure BDA0002612847480000053
得：
dmin1＝5.8mm dmin2＝8.6mm dmin3＝12.3mm；
轴承内径分别取d1＝7mm d2＝10mm d3＝15mm。
进一步，所述根轴承上的轴分别为：
外径D1＝19 内径d1＝7 厚度B1＝6；
外径D2＝26 内径d2＝10 厚度B2＝8；
外径D3＝32 内径d3＝15 厚度B3＝9。
进一步，所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统进一步包括壳体；
所述壳体为减速器箱体，所述减速器箱体的设计方法包括：
减速器箱体的总长度为：
10×2+42+45.5+10.5+34＝152；
箱体的最大宽度为大齿轮齿顶圆直径加间隙和壁厚：
68+10+10＝88mm；
箱体的厚度为49.1mm，不包括轴承凸起部位；在连接件的选择上边选用螺栓连接；螺栓采用塞打螺钉。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的车辆。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的应用于无人驾驶车辆的线控转向系统，包括可实现有人驾驶模式下的转向功能和无人驾驶模式下的转向功能，可在两种模式下运行，即可实现有人驾驶模式下的转向功能和无人驾驶模式下的转向功能，能够有效解决某些特定场景(如方程式赛车、示范运营车辆等)下车辆实现线控转向的功能。
对比的技术效果或者实验效果包括：
图9就是在某一实际道路工况下(柏油路况)得到的期望下发转角与实际执行的转角，DesiredFrontWheelAngle是期望下发转角，ActualFrontWheelAngle是实际执行转角，由图9可以看出实际执行转角并没有超调，转角误差在0.5度的范围内，也能较好的跟踪上期望转角。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的无人线控转向系统的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的线控转向系统机构图。
图3是本发明实施例提供的一号轴工程图。
图4是本发明实施例提供的二号轴工程图。
图5是本发明实施例提供的减速器壳体模型示意图。
图6是本发明实施例提供的角度传感器连接实物图。
图7是本发明实施例提供的减速箱应力图。
图8是本发明实施例提供的减速箱应变图。
图9是本发明实施例提供的线控转向系统无人驾驶执行性能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1-图2所示，本发明提供一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统，所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统包括转向系；所述转向系包括：
转向螺栓，固定于固定支架II，另一端为接线端，与转向舵机控制器连接；
方向盘，用于有人或无人驾驶方向控制；
快拆，用于快速分离方向盘与转向柱；
传力装置，由万向节和转向柱构成，与齿轮齿条转向器连接，将力矩传递给齿轮齿条转向器；
轮齿条转向器，由齿轮、滚动轴承I、滚动轴承II、齿条、转向器壳、转向节臂、转向拉杆构成；通过内部传动副机构将旋转运动转化为转向拉杆的直线运动，转向拉杆与梯形臂作用于转向节，实现车轮转向；
转向电机，采用转向舵机方案，为无人驾驶转向系统提供动力源；
转向电机控制器，接收整车控制器下发的控制指令，控制驾驶模式和方向盘转角，控制转向舵机的转动速度和转动角度；
电磁离合器，有人驾驶与无人驾驶切换，切换有人驾驶时电磁离合器断开，切换无人驾驶时电磁离合器闭合；
减速器，传递力矩，将转向舵机的传动力矩放大；
角度传感器，采用绝对式编码器，与电机控制器相连，测量方向盘当前的实际转角。
本发明提供一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法，包括：
无人驾驶模式，电磁离合器处于闭合状态，转向电机提供动力源，通过减速器带动方向盘和车轮转动，整车控制器通过CAN总线与转向电机控制器通信，下发转向控制指令，控制模式转换及转向系的方向盘转角，转向电机控制器反馈实际方向盘转角、当前模式、故障信息的数据给整车控制器。
所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法或采用包括：有人驾驶模式的控制方法控制方向盘向盘转角，所述有人驾驶模式的控制方法包括：
转向舵机通过电磁离合器与减速器输入轴连接，螺栓穿过固定支架I和减速器壳体中间的圆孔将减速器固定在固定支架中间，方向盘与转向柱中间与减速器输出轴连接，转向杆下方安装万向节与齿轮齿条转向器连接，角度传感器直接插入减速器中间轴与进行连接，有人驾驶模式下电磁离合器处于断开状态。
本发明应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法可在有人驾驶模式下车辆驾驶上的应用。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例
(一)、系统组成
为解决某些特定场景(如方程式赛车等)下车辆实现线控转向的功能。本发明提供的一种无人线控转向机构，可在两种模式下运行，即可实现有人驾驶模式下的转向功能和无人驾驶模式下的转向功能。有人驾驶模式下可通过方向盘进行机械转向，包括方向盘、快拆、减速器、角度传感器、固定支架I、电磁离合器、固定支架II、转向舵机、舵机控制器、万向节、转向柱、齿轮齿条转向器。
转向舵机通过电磁离合器与减速器输入轴连接，螺栓穿过固定支架I和减速器壳体中间的圆孔将减速器固定在固定支架中间，方向盘与转向柱中间与减速器输出轴连接，转向杆下方安装万向节与齿轮齿条转向器连接，角度传感器直接插入减速器中间轴与进行连接，有人驾驶模式下电磁离合器处于断开状态。
无人驾驶模式下电磁离合器处于闭合状态，转向电机提供动力源，通过减速器带动方向盘和车轮转动，整车控制器通过CAN总线与转向电机控制器通信，下发转向控制指令(模式，方向盘转角等)，转向电机控制器反馈实际方向盘转角、当前模式、故障信息等主要数据给整车控制器。本系统以前驱车辆为例，其结构图如图1所示，机构图如图2所示。各部件功能如下：
转向螺栓固定于固定支架II，另一端为接线端，与转向舵机控制器连接。
方向盘：有人驾驶方向控制。
快拆：快速分离方向盘与转向柱。
传力装置：由万向节和转向柱构成，与齿轮齿条转向器连接，将力矩传递给齿轮齿条转向器。
轮齿条转向器：由齿轮、滚动轴承I、滚动轴承II、齿条、转向器壳、转向节臂、转向拉杆构成。通过内部传动副机构将旋转运动转化为转向拉杆的直线运动，转向拉杆与梯形臂作用于转向节，实现车轮转向。
转向电机：采用转向舵机方案，为无人驾驶转向系统提供动力源。
转向电机控制器：接收整车控制器下发的控制指令(驾驶模式，方向盘转角等)，控制转向舵机的转动速度和转动角度。
电磁离合器：有人驾驶与无人驾驶切换，切换有人驾驶时电磁离合器断开，切换无人驾驶时电磁离合器闭合。
减速器：传递力矩，将转向舵机的传动力矩放大。
角度传感器：采用绝对式编码器，与电机控制器相连，测量方向盘当前的实际转角。
(二)、转向系载荷计算
设定的无人驾驶汽车在行驶过程中最大转角位110°，设转向时间为1.5s。
角度化弧度：
Figure BDA0002612847480000101
角速度为：
Figure BDA0002612847480000102
方向盘转速为：
Figure BDA0002612847480000103
一般情况下，车辆原地转向力矩最大，随着车速的提高，转向力矩变小。所以，使用原地转向力矩作为转向系的计算载荷。计算公式如下：
Figure BDA0002612847480000104
其中：MR为赛车原地转向阻力矩，f为轮胎与路面之间的滑动摩擦系数，取值一般1.19，G1转向轮垂直载荷，P为轮胎充气气压。
赛车满载质量358Kg，前轴载荷质量161.1Kg，后轴载荷质量196.9Kg，轮胎气压0.12MPa。
原地转向力矩：
Figure BDA0002612847480000105
(三)、减速器设计
3.1传动比的分配
减速器的总传动比：
Figure BDA0002612847480000106
该减速器设计为展开式减速器则：i1＝1.3i2 i1×i2＝i总；
故：
Figure BDA0002612847480000107
3.2齿轮设计
取1号齿轮齿数Z1＝19，模数m＝1，则分度圆直径d＝m*z＝19mm。
齿顶圆直径：da＝d±2ha＝d±2ha*m＝21
齿根圆直径：df＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝16.5
2号齿轮齿数：Z2＝Z1*i1＝19*3042＝64.98，圆整到65，取模数m2＝1
则分度圆直径：d2＝Z2*m2＝65*1＝65
齿顶圆直径：da2＝d±2ha＝d±2ha*m＝67
齿根圆直径：df2＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝62.5
取3号齿轮齿数：Z3＝25，模数m3＝1，则分度圆直径：d3＝Z3*m3＝25*1＝25齿顶圆直径：da3＝d±2ha＝d±2ha*m＝27
齿根圆直径：df3＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝22.5
4号齿轮齿数：Z4＝Z3*i2＝25*2.64＝66
模数：m4＝1则分度圆直径：d4＝Z4*m4＝66*1＝66
齿顶圆直径：da4＝d±2ha＝d±2ha*m＝68
齿根圆直径：df4＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝63.5
3.3轴系设计
根据公式：
Figure BDA0002612847480000111
得：
4号齿轮功率：
Figure BDA0002612847480000112
η＝η齿轮2*η轴承3*η离合器＝0.972*0.983*0.98＝0.8722
1轴功率：P1＝P电机*η离合器η轴承＝0.025KW
2轴功率：P2＝P1*η齿轮η轴承＝0.024KW
3轴功率：P3＝P2*η齿轮η轴承＝0.023KW
根据轴的功率和转速求最小轴径：
由
Figure BDA0002612847480000113
得：
dmin1＝5.8mm dmin2＝8.6mm dmin3＝12.3mm
查轴承标准表可得：
轴承内径分别取d1＝7mm d2＝10mm d3＝15mm
在本发明中，根轴承上的轴分别为：
外径D1＝19 内径d1＝7 厚度B1＝6
外径D2＝26 内径d2＝10 厚度B2＝8
外径D3＝32 内径d3＝15 厚度B3＝9
一号轴工程图如图3所示，二号轴工程图如图4所示。
(四)、转向系参数匹配
1)、力矩匹配
已知转向最大载荷W＝72N.m，转向器传动比i3＝3.5，减速器传动比i总＝9，则转向舵机最小扭矩为：
Figure BDA0002612847480000121
即转向舵机输出扭矩M>Mmin。
2)、转角匹配
已知车辆设计过程中车轮转角θ1与方向盘转角θ2之间的关系为
Figure BDA0002612847480000122
则车轮转角θ1与转向舵机转角θ3之间的关系为
Figure BDA0002612847480000123
车轮转角θ1与编码器转角θ4之间的关系为
Figure BDA0002612847480000124
(五)、壳体设计
该减速器运转速度较低，在润滑方式上采取脂润滑。齿轮外援轮廓到箱体内壁的距离为5mm，壳体采用的材料为7075铝。齿轮外援轮廓到减速器箱体外壁的总距离为10mm，减速器两轴间距分别为42mm和45.5mm，一号齿轮和四号齿轮的齿顶圆半径分别为10.5mm和34mm，即减速器箱体的总长度为：
10×2+42+45.5+10.5+34＝152；
箱体的最大宽度为大齿轮齿顶圆直径加间隙和壁厚：
68+10+10＝88mm；
箱体的厚度为49.1mm(不包括轴承凸起部位)，在连接件的选择上边选用螺栓连接。螺栓采用塞打螺钉，尺寸为M4。
减速器壳体模型如图5所示，图6是本发明实施例提供的角度传感器连接实物图。
下面结合仿真效果对本发明作进一步描述。
图7是本发明实施例提供的减速箱应力图。
图8是本发明实施例提供的减速箱应变图。
图9就是在某一实际道路工况下(柏油路况)得到的期望下发转角与实际执行的转角，DesiredFrontWheelAngle是期望下发转角，ActualFrontWheelAngle是实际执行转角，由图9可以看出实际执行转角并没有超调，转角误差在0.5度的范围内，也能较好的跟踪上期望转角。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法包括：
无人驾驶模式下，电磁离合器处于闭合状态，转向电机提供动力源，通过减速器带动方向盘和车轮转动，整车控制器通过CAN总线与转向电机控制器通信，下发转向控制指令，控制转换及转向系的方向盘转角；
转向电机控制器反馈实际方向盘转角、当前模式、故障信息的数据给整车控制器。
2.如权利要求1所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法或采用包括：有人驾驶模式的控制方法控制方向盘向盘转角，所述有人驾驶模式的控制方法包括：
转向舵机通过电磁离合器与减速器输入轴连接，螺栓穿过固定支架I和减速器壳体中间的圆孔将减速器固定在固定支架中间，方向盘与转向柱中间与减速器输出轴连接，转向杆下方安装万向节与齿轮齿条转向器连接，角度传感器直接插入减速器中间轴与进行连接，有人驾驶模式下电磁离合器处于断开状态。
3.如权利要求1所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法，其特征在于，转向电机控制器控制转向系的方向盘转角中，对于转向系的载荷的计算方法包括：
无人驾驶汽车在行驶过程中最大转角位110°，设转向时间为1.5s；
角度化弧度：
Figure FDA0002612847470000011
角速度为：
Figure FDA0002612847470000012
方向盘转速为：
Figure FDA0002612847470000013
使用原地转向力矩作为转向系的计算载荷，计算公式如下：
Figure FDA0002612847470000014
其中，MR为赛车原地转向阻力矩，f为轮胎与路面之间的滑动摩擦系数，取值1.19，G1转向轮垂直载荷，P为轮胎充气气压；
原地转向力矩：
Figure FDA0002612847470000021
4.如权利要求1所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述转向系参数的匹配方法包括：
(1)力矩匹配
转向器传动比i3＝3.5，减速器传动比i总＝9，则转向舵机最小扭矩为：
Figure FDA0002612847470000022
在进行转向舵机选型过程中，转向舵机输出扭矩M应满足：M>Mmin；
(2)转角匹配
车轮转角θ1与方向盘转角θ2之间的关系为
Figure FDA0002612847470000023
则车轮转角θ1与转向舵机转角θ3之间的关系为
Figure FDA0002612847470000024
车轮转角θ1与编码器转角θ4之间的关系为
Figure FDA0002612847470000025
5.一种如权利要求1～4所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的控制方法在有人驾驶模式下车辆驾驶上的应用。
6.一种应用于无人驾驶车辆的线控转向系统，其特征在于，所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统包括转向系；所述转向系包括：
转向螺栓，固定于固定支架II，另一端为接线端，与转向舵机控制器连接；
方向盘，用于有人或无人驾驶方向控制；
快拆，用于快速分离方向盘与转向柱；
传力装置，由万向节和转向柱构成，与齿轮齿条转向器连接，将力矩传递给齿轮齿条转向器；
轮齿条转向器，由齿轮、滚动轴承I、滚动轴承II、齿条、转向器壳、转向节臂、转向拉杆构成；通过内部传动副机构将旋转运动转化为转向拉杆的直线运动，转向拉杆与梯形臂作用于转向节，实现车轮转向；
转向电机，采用转向舵机方案，为无人驾驶转向系统提供动力源；
转向电机控制器，接收整车控制器下发的控制指令，控制驾驶模式和方向盘转角，控制转向舵机的转动速度和转动角度。
7.如权利要求6所述的应用于无人驾驶车辆的线控转向系统，其特征在于，所述转向系进一步包括：
电磁离合器，用于有人驾驶与无人驾驶切换，切换有人驾驶时电磁离合器断开，切换无人驾驶时电磁离合器闭合；
减速器，传递力矩，将转向舵机的传动力矩放大；
角度传感器，采用绝对式编码器，与电机控制器相连，测量方向盘当前的实际转角；
减速器箱体，用于装载减速器。
8.如权利要求6所述的应用于无人驾驶车辆的线控转向系统，其特征在于，所述减速器的设计方法包括：
(1)传动比的分配
减速器的总传动比：
Figure FDA0002612847470000031
所述减速器为展开式减速器：i1＝1.3i2 i1×i2＝i总；
Figure FDA0002612847470000032
(2)齿轮设计
取1号齿轮齿数Z1＝19，模数m＝1，则分度圆直径d＝m*z＝19mm；
齿顶圆直径：da＝d±2ha＝d±2ha*m＝21；
齿根圆直径：df＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝16.5；
2号齿轮齿数：Z2＝Z1*i1＝19*3042＝64.98，圆整到65，取模数m2＝1；
则分度圆直径：d2＝Z2*m2＝65*1＝65；
齿顶圆直径：da2＝d±2ha＝d±2ha*m＝67；
齿根圆直径：df2＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝62.5；
取3号齿轮齿数：Z3＝25，模数m3＝1，则分度圆直径：d3＝Z3*m3＝25*1＝25；
齿顶圆直径：da3＝d±2ha＝d±2ha*m＝27；
齿根圆直径：df3＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝22.5；
4号齿轮齿数：Z4＝Z3*i2＝25*2.64＝66；
模数：m4＝1则分度圆直径：d4＝Z4*m4＝66*1＝66；
齿顶圆直径：da4＝d±2ha＝d±2ha*m＝68；
齿根圆直径：df4＝d±2hf＝d±2(ha+c)m＝63.5；
(3)轴系设计：
根据公式：
Figure FDA0002612847470000041
得：
4号齿轮功率：
Figure FDA0002612847470000042
η＝η齿轮2*η轴承3*η离合器＝0.972*0.983*0.98＝0.8722；
1轴功率：P1＝P电机*η离合器η轴承＝0.025KW；
2轴功率：P2＝P1*η齿轮η轴承＝0.024KW；
3轴功率：P3＝P2*η齿轮η轴承＝0.023KW；
根据轴的功率和转速求最小轴径：
Figure FDA0002612847470000043
9.如权利要求8所述的应用于无人驾驶车辆的线控转向系统，其特征在于，所述根轴承上的轴分别为：
外径D1＝19 内径d1＝7 厚度B1＝6；
外径D2＝26 内径d2＝10 厚度B2＝8；
外径D3＝32 内径d3＝15 厚度B3＝9。
10.一种搭载权利要求6～9任意一项所述应用于无人驾驶车辆的线控转向系统的车辆。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112848885A (zh) * 2020-12-31 2021-05-28 清华大学 一种带限位机构的车辆双拉线踏板行程控制系统
CN112977607A (zh) * 2021-04-16 2021-06-18 合肥工业大学 一种适用于无人驾驶方程式赛车的自动转向离合装置
CN113120073A (zh) * 2021-05-19 2021-07-16 潍柴(扬州)亚星新能源商用车有限公司 一种可全解耦自适应的转向器和车轮转角调节方法
CN113348830A (zh) * 2021-06-29 2021-09-07 中国农业大学 基于信息反馈的插秧机无人驾驶控制系统及控制方法
CN113844526A (zh) * 2021-08-18 2021-12-28 盐城同济汽车配件有限公司 一种方向盘可适应性调整结构
CN114560008A (zh) * 2020-11-27 2022-05-31 比亚迪股份有限公司 转向系统和车辆
CN115092244A (zh) * 2022-06-20 2022-09-23 成都中科微信息技术研究院有限公司 一种有人无人双模并联线控底盘系统
CN115140147A (zh) * 2021-03-30 2022-10-04 丰田合成株式会社 方向盘
CN115195850A (zh) * 2022-06-20 2022-10-18 成都中科微信息技术研究院有限公司 一种人工和无人双模并联线控转向系统和方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101758855A (zh) * 2010-02-01 2010-06-30 中国科学院合肥物质科学研究院 一种无人驾驶车辆转向装置及其控制方法
CN107215387A (zh) * 2017-05-11 2017-09-29 江苏保千里视像科技集团股份有限公司 一种基于转向干预的汽车双驾双控方法及系统
CN108749916A (zh) * 2018-07-10 2018-11-06 南京航空航天大学 一种多模式线控转向装置及其控制方法
CN109637261A (zh) * 2019-01-16 2019-04-16 吉林大学 自动-人工驾驶权切换情景下驾驶员反应能力训练系统
CN209795594U (zh) * 2019-05-14 2019-12-17 湖南汽车工程职业学院 无人驾驶汽车线控转向系统的三电机驱动转向执行机构
CN110920747A (zh) * 2019-12-12 2020-03-27 上海衡鲁汽车科技有限公司 一种主动转向系统电机转向装置及转角助力扭矩估算方法
CN110979450A (zh) * 2019-12-23 2020-04-10 广东工业大学 一种可自由切换的无人驾驶方程式赛车转向机构
CN210707598U (zh) * 2019-09-20 2020-06-09 仓擎智能科技(上海)有限公司 一种汽车自动转向机构及包括其的无人驾驶汽车
CN210760114U (zh) * 2019-09-19 2020-06-16 陕西重型汽车有限公司 一种转向切换控制系统及其转向总成

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101758855A (zh) * 2010-02-01 2010-06-30 中国科学院合肥物质科学研究院 一种无人驾驶车辆转向装置及其控制方法
CN107215387A (zh) * 2017-05-11 2017-09-29 江苏保千里视像科技集团股份有限公司 一种基于转向干预的汽车双驾双控方法及系统
CN108749916A (zh) * 2018-07-10 2018-11-06 南京航空航天大学 一种多模式线控转向装置及其控制方法
CN109637261A (zh) * 2019-01-16 2019-04-16 吉林大学 自动-人工驾驶权切换情景下驾驶员反应能力训练系统
CN209795594U (zh) * 2019-05-14 2019-12-17 湖南汽车工程职业学院 无人驾驶汽车线控转向系统的三电机驱动转向执行机构
CN210760114U (zh) * 2019-09-19 2020-06-16 陕西重型汽车有限公司 一种转向切换控制系统及其转向总成
CN210707598U (zh) * 2019-09-20 2020-06-09 仓擎智能科技(上海)有限公司 一种汽车自动转向机构及包括其的无人驾驶汽车
CN110920747A (zh) * 2019-12-12 2020-03-27 上海衡鲁汽车科技有限公司 一种主动转向系统电机转向装置及转角助力扭矩估算方法
CN110979450A (zh) * 2019-12-23 2020-04-10 广东工业大学 一种可自由切换的无人驾驶方程式赛车转向机构

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114560008A (zh) * 2020-11-27 2022-05-31 比亚迪股份有限公司 转向系统和车辆
CN114560008B (zh) * 2020-11-27 2024-03-19 比亚迪股份有限公司 转向系统和车辆
CN112848885A (zh) * 2020-12-31 2021-05-28 清华大学 一种带限位机构的车辆双拉线踏板行程控制系统
CN115140147A (zh) * 2021-03-30 2022-10-04 丰田合成株式会社 方向盘
CN115140147B (zh) * 2021-03-30 2023-07-28 丰田合成株式会社 方向盘
CN112977607A (zh) * 2021-04-16 2021-06-18 合肥工业大学 一种适用于无人驾驶方程式赛车的自动转向离合装置
CN113120073A (zh) * 2021-05-19 2021-07-16 潍柴(扬州)亚星新能源商用车有限公司 一种可全解耦自适应的转向器和车轮转角调节方法
CN113348830A (zh) * 2021-06-29 2021-09-07 中国农业大学 基于信息反馈的插秧机无人驾驶控制系统及控制方法
CN113844526A (zh) * 2021-08-18 2021-12-28 盐城同济汽车配件有限公司 一种方向盘可适应性调整结构
CN115092244A (zh) * 2022-06-20 2022-09-23 成都中科微信息技术研究院有限公司 一种有人无人双模并联线控底盘系统
CN115195850A (zh) * 2022-06-20 2022-10-18 成都中科微信息技术研究院有限公司 一种人工和无人双模并联线控转向系统和方法

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