CN112061224A - 一种自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱，包括方向盘连接螺纹、方向盘俯仰角度调节机构、轴承、伸缩管柱、离合机构、伸缩套筒、转向下轴、与转向下轴铰接于一起的转向下轴铰接接头、伸缩推力电机、伸缩套筒密封螺纹、伸缩套筒下部连接件、轴承固定件、方向盘俯仰角传动齿轮、方向盘俯仰角调节电机、伸缩管柱传动齿轮以及方向盘转角调节电机。本发明自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱电动可伸缩，可以提高安全员或司机上下车的便利性，同时增加了有人驾驶和无人驾驶之间模式切换的灵活性，同时满足有人驾驶和无人驾驶对转向系统的不同要求，更符合自动驾驶发展的需要。

Description

一种自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱
技术领域：
本发明涉及自动驾驶转向系统，具体涉及一种自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱，属于无人驾驶线控转向冗余技术领域。
背景技术：
自动驾驶车辆常见的两种驾驶模式分别为无人驾驶和人工驾驶。虽然有些自动驾驶车辆驾驶舱内已经取消了方向盘，但是这些取消方向盘的自动驾驶车辆，在非规划道路运行、调试或紧急情况下，对采用方向盘的人工接管依然有需求。
目前自动驾驶转向系统主要分为电动助力转向(EPS)和线控转向(SBW，取消方向盘和转向器之间的机械连接)。EPS目前应用较广，由于EPS保留了机械转向管柱，在无人驾驶模式下，保留的方向盘会随车轮转动而转动，且方向盘无法隐藏，给驾驶员带来一定的驾乘焦虑感。线控转向，可实现路感反馈，灵活性和稳定性统一，无人驾驶模式下车轮转向时方向盘可静默，被认为是自动驾驶转向系统未来发展方向。考虑到线控的可靠性和失效模式下的冗余控制等问题，目前线控转向系统应用并未普及。
传统转向系统的伸缩，多数通过电机丝杆螺母实现，收缩状态只能发生在停车状态。由于方向盘不可折叠，转向管柱的收缩行程也有限。传统可伸缩转向系统，无法满足无人驾驶转向时，方向盘静默的需求。
转向系统作为自动驾驶核心技术之一，直接影响汽车的操纵稳定性和行驶安全。目前自动驾驶车辆缺少一种兼备SBW和EPS优点的转向系统，自动驾驶和人工接管之间缺乏有效的转向过度。本发提供的自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱可使转向系统兼顾SBW和EPS的优点，满足自动驾驶和人工驾驶对转向系统的不同需求。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱，结合了EPS和SBW的优点，实现有人驾驶下(EPS状态)具有较好的路感，驾驶可靠性。同时，在无人驾驶时出现误判、故障等紧急情况，可提供机械式冗余转向控制。
本发明采取如下技术方案：一种自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱，包括方向盘连接螺纹、方向盘俯仰角度调节机构、轴承、伸缩管柱、离合机构、伸缩套筒、转向下轴、与转向下轴铰接于一起的转向下轴铰接接头、伸缩推力电机、伸缩套筒密封螺纹、伸缩套筒下部连接件、轴承固定件、方向盘俯仰角传动齿轮、方向盘俯仰角调节电机、伸缩管柱传动齿轮以及方向盘转角调节电机；
所述轴承固定于轴承固定件上，轴承固定件通过螺纹固定于伸缩管柱上，所述伸缩管柱和伸缩套筒通过离合机构相啮合，所述伸缩推力电机通过齿轮齿条和伸缩管柱连接，所述伸缩套筒下部连接件一端通过伸缩套筒密封螺纹和伸缩套筒连接，另一端和转向下轴铰接，所述俯仰角度调节机构通过轴销和伸缩管柱连接，并且方向盘俯仰角传动齿轮和方向盘俯仰角调节电机的作用下，绕轴销做转动，所述轴承外圈和伸缩管柱传动齿轮上的齿条焊接，方向盘俯仰角调节电机和方向盘俯仰角传动齿轮相连接，所述方向盘转角调节电机和伸缩管柱之间通过减速齿轮啮合。
进一步地，所述伸缩管柱下端加工牙嵌式结构，伸缩套管内部上端加工牙嵌式结构，伸缩管柱和伸缩套管通过牙嵌式结构配合，形成离合机构。
进一步地，所述伸缩套筒下部连接件用于和转向下轴相连接，同时提供伸缩套管的密封。
本发明还采取如下技术方案：一种自动驾驶线控可伸缩转向系统，包括自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱、可折叠方向盘、转角扭矩传感器、减速机构、齿轮齿条转向器、电磁离合器、助力电机以及电子控制单元，所述可伸缩机械冗余式转向管柱和可折叠方向盘通过螺纹连接，可伸缩机械冗余式转向管柱和减速机构的转轴通过轴销铰接，所述可伸缩机械冗余式转向管柱接收电子控制单元下发的指令，所述电子控制单元接收整车驾驶模式信号、车速信号、转角转矩传感器信号、助力电机控制信号和可伸缩机械冗余式转向管柱控制信号，根据整车驾驶无人或人工驾驶模式信号，所述电子控制单元发送给可伸缩机械冗余式转向管柱收缩或伸出指令，根据车速信号、转角转矩传感器信号，电子控制单元发送给电磁离合器离合和助力电机助力指令。
进一步地，所述方向盘连接螺纹与可折叠方向盘连接。
进一步地，所述转向下轴铰接接头一端通过轴销和减速机构转轴铰接。
本发明具有如下有益效果：
(1).本发明自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱电动可伸缩，可以提高安全员或司机上下车的便利性；
(2).本发明自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱可电动伸缩，增加了有人驾驶和无人驾驶之间模式切换的灵活性，同时满足有人驾驶和无人驾驶对转向系统的不同要求，更符合自动驾驶发展的需要。
(3).无人驾驶模式下，可折叠方向盘配合转向管柱收缩至仪表台之下，给安全员或司机提供更宽敞的操作空间。有人驾驶模式下，可折叠方向盘配合转向管柱伸展到正常驾驶位置，给安全员或司机提供传统的驾驶体验。
(4).通过电动转向管柱的伸缩，实现线控转向的机械冗余。转向管柱收缩后，方向盘和齿轮齿条转向器之间断开机械连接。转向管柱伸展后，方向盘和齿轮齿条转向器之间通过牙嵌式啮合实现机械连接。
(5).无人驾驶模式下，转向管柱收缩，方向盘和齿轮齿条转向器之间断开机械连接，实现转向的全线控，保证车辆无人驾驶转向时方向盘的静默状态。
(6).在受到剧烈碰撞后，转向管柱可伸缩，通过伸缩电机阻力吸收碰撞能量，可减少驾驶室内部空间挤压，降低驾驶者受到伤害程度。
(7).当无人驾驶线控转向出现故障时，可通过方向盘伸展，实现人工接管并操控机械连接的传统转向系统。
附图说明：
图1为自动驾驶线控可伸缩转向系统示意图。
图2为自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱的主视图。
图3为自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱的侧视图。
图4为自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱工作流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱在自动驾驶线控可伸缩转向系统中的位置。自动驾驶线控可伸缩转向系统包括可折叠方向盘1、转角扭矩传感器2、可伸缩机械冗余式转向管柱3、减速机构4、齿轮齿条转向器5、电磁离合器6、助力电机7、以及电子控制单元8，可伸缩机械冗余式转向管柱3和可折叠方向盘1通过螺纹连接，可伸缩机械冗余式转向管柱3和减速机构4的转轴通过轴销铰接。可伸缩机械冗余式转向管柱3接收电子控制单元8下发的指令。电子控制单元8接收整车驾驶模式信号、车速信号、转角转矩传感器信号、助力电机控制信号和可伸缩机械冗余式转向管柱控制信号。根据整车驾驶无人或人工驾驶模式信号，电子控制单元8发送给可伸缩机械冗余式转向管柱3收缩或伸出指令。根据车速信号、转角转矩传感器信号，电子控制单元8发送给电磁离合器6离合和助力电机7助力指令。助力电机7经过减速机构4的增扭提供转向系统合适的扭转力矩。
其中可折叠方向盘1在无人驾驶时可电动折叠，有人驾驶时可电动伸展。转角扭矩传感器2用于测量可折叠方向盘1转角和转矩，用于有人驾驶时，可折叠方向盘1回正和助力电机7控制。可伸缩机械冗余式转向管柱3主要用于无人驾驶时可折叠方向盘1的收缩和有人驾驶时可折叠方向盘1的伸出，同时可吸收车辆撞击时的冲击，也可电动调节伸出方向盘的俯仰角。减速机构4用于转向助力电机7的减速增扭，齿轮齿条转向器5用于将减速机构4的转轴的扭矩转换成转向横拉杆的拉力。电磁离合器6用于保证助力电机7在预定的车速范围内起作用，同时当助力转向系统发生故障时，电磁离合器6还会自动分离，可利用常规转向系统实现转向。助力电机7用于有人驾驶时提供转向助力，无人驾时提供转向力。电子控制单元8用于控制信号9的接收、处理和发送，控制助力电机7和可伸缩机械冗余式转向管柱3。
可伸缩机械冗余式转向管柱3包括方向盘连接螺纹10、方向盘俯仰角度调节机构11、轴承12、伸缩管柱13、离合机构14、伸缩套筒15、转向下轴(未标示)、与转向下轴铰接于一起的转向下轴铰接接头16、伸缩推力电机17、伸缩套筒密封螺纹18、伸缩套筒下部连接件19、轴承固定件20、方向盘俯仰角传动齿轮21、方向盘俯仰角调节电机22、伸缩管柱传动齿轮23以及方向盘转角调节电机24。其中方向盘连接螺纹10与可折叠方向盘1连接，轴承固定件20通过螺纹固定于伸缩管柱13上，用于固定轴承12内圈，伸缩管柱13和伸缩套筒15通过离合机构14相啮合，有人驾驶时，伸缩管柱13和伸缩套筒15通过离合机构14相啮合，无人驾驶时，伸缩管柱13和伸缩套筒15脱离，车轮转动时，折叠起来的方向盘保持静默状态。转向下轴铰接接头16一端通过轴销和减速机构4转轴铰接。伸缩推力电机17相对驾驶室固定不动，通过齿轮齿条和伸缩管柱13连接，实现伸缩管柱13在伸缩套筒15中的运动。伸缩套筒下部连接件19用于和转向下轴相连接，同时提供伸缩套管15的密封。伸缩套筒下部连接件19一端通过伸缩套筒密封螺纹18和伸缩套筒15连接，另一端和转向下轴铰接。伸缩套筒下部连接件19用于伸缩套筒15内润滑脂的密封，保证伸缩管柱13在伸缩套管15内可靠滑动。
轴承12固定于轴承固定件20上，实现伸缩管柱13转动时，伸缩管柱传动齿轮23上的齿条相对静止。俯仰角度调节机构11通过轴销和伸缩管柱13连接，并且方向盘俯仰角传动齿轮21和方向盘俯仰角调节电机22的作用下，绕轴销做转动。轴承外圈12和伸缩管柱传动齿轮23上的齿条焊接。方向盘俯仰角调节电机22和方向盘俯仰角传动齿轮21相连接，方向盘转角调节电机24和伸缩管柱13之间通过减速齿轮(未标示)啮合。
其中伸缩管柱13下端加工牙嵌式结构，伸缩套管15内部上端加工牙嵌式结构，伸缩管柱13和伸缩套管15通过牙嵌式结构配合，形成离合机构14。有人驾驶时，伸缩管柱13和伸缩套筒15通过牙齿啮合。无人驾驶时，伸缩管柱13和伸缩套筒15脱离。
方向盘俯仰角调节电机22随伸缩管柱13做伸缩和旋转运动，通过减速齿轮驱动方向盘俯仰角度调节机构11绕轴销运动，实现人工驾驶时方向盘俯仰角度的随需变化。方向盘转角调节电机24仅随伸缩管柱13做伸缩运动，通过减速齿轮驱动方向盘的随需转动，减速齿轮中的大齿轮通过过盈配合和伸缩管柱13固定。
本发明自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管的工作流程，步骤如下：
整车由人工驾驶转换为无人驾驶时，电子控制单元8发送指令给可折叠方向盘1、伸缩推力电机17和方向盘转角调节电机24，方向盘折叠后，伸缩推力电机17推动伸缩管柱13和伸缩套筒15脱离，离合机构14脱离后，方向盘转角调节电机24带动方向盘回正，可伸缩机械冗余式转向管柱3收缩完成后，方向盘保持静默状态，不受无人驾驶车轮转动的影响。
整车由无人驾驶转换为人工驾驶时，电子控制单元8发送指令给伸缩推力电机17、可折叠方向盘1、和方向盘转角调节电机24，伸缩推力电机17推动伸缩管柱13从伸缩套筒15中伸出，离合机构14结合方向盘转角调节电机24带动方向盘和车轮转角相匹配，伸缩管柱13和伸缩套筒15啮合，方向盘和转向系统之间机械连接，方向盘电动恢复到常规状态。
本发明自动驾驶线控可伸缩转向系统中采用可折叠方向盘1，展开后可以是常规的圆形方向盘，也可以是赛车形式的把手方向盘。对于普通非折叠方向盘，当转向管柱收缩后，普通方向盘通过电动俯仰角调节后，可紧贴仪表板，实现和整车内饰的匹配。方向盘伸展时，根据转角扭矩传感器2所测方向盘转角和整车车轮转角信号，控制方向盘转角调节电机24，使方向盘转角和车轮转角一致。其中方向盘俯仰角度调节机构11可根据安全员或驾驶人的操控习惯，电动调节方向盘俯仰角，用以满足驾乘舒适性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱，其特征在于：包括方向盘连接螺纹(10)、方向盘俯仰角度调节机构(11)、轴承(12)、伸缩管柱(13)、离合机构(14)、伸缩套筒(15)、转向下轴、与转向下轴铰接于一起的转向下轴铰接接头(16)、伸缩推力电机(17)、伸缩套筒密封螺纹(18)、伸缩套筒下部连接件(19)、轴承固定件(20)、方向盘俯仰角传动齿轮(21)、方向盘俯仰角调节电机(22)、伸缩管柱传动齿轮(23)以及方向盘转角调节电机(24)；
所述轴承(12)固定于轴承固定件(20)上，轴承固定件(20)通过螺纹固定于伸缩管柱(13)上，所述伸缩管柱(13)和伸缩套筒(15)通过离合机构(14)相啮合，所述伸缩推力电机(17)通过齿轮齿条和伸缩管柱(13)连接，所述伸缩套筒下部连接件(19)一端通过伸缩套筒密封螺纹(18)和伸缩套筒(15)连接，另一端和转向下轴铰接，所述俯仰角度调节机构(11)通过轴销和伸缩管柱(13)连接，并且方向盘俯仰角传动齿轮(21)和方向盘俯仰角调节电机(22)的作用下，绕轴销做转动，所述轴承外圈(12)和伸缩管柱传动齿轮(23)上的齿条焊接，方向盘俯仰角调节电机(22)和方向盘俯仰角传动齿轮(21)相连接，所述方向盘转角调节电机(24)和伸缩管柱(13)之间通过减速齿轮啮合。
2.如权利要求1所述的自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱，其特征在于：所述伸缩管柱(13)下端加工牙嵌式结构，伸缩套管(15)内部上端加工牙嵌式结构，伸缩管柱(13)和伸缩套管(15)通过牙嵌式结构配合，形成离合机构(14)。
3.如权利要求2所述的自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱，其特征在于：所述伸缩套筒下部连接件(19)用于和转向下轴相连接，同时提供伸缩套管(15)的密封。
4.一种自动驾驶线控可伸缩转向系统，其特征在于：包括如权利要求1-3中任意一项所述的自动驾驶线控可伸缩机械冗余式转向管柱、可折叠方向盘(1)、转角扭矩传感器(2)、减速机构(4)、齿轮齿条转向器(5)、电磁离合器(6)、助力电机(7)以及电子控制单元(8)，所述可伸缩机械冗余式转向管柱(3)和可折叠方向盘(1)通过螺纹连接，可伸缩机械冗余式转向管柱(3)和减速机构(4)的转轴通过轴销铰接，所述可伸缩机械冗余式转向管柱(3)接收电子控制单元(8)下发的指令，所述电子控制单元(8)接收整车驾驶模式信号、车速信号、转角转矩传感器信号、助力电机控制信号和可伸缩机械冗余式转向管柱控制信号，根据整车驾驶无人或人工驾驶模式信号，所述电子控制单元(8)发送给可伸缩机械冗余式转向管柱(3)收缩或伸出指令，根据车速信号、转角转矩传感器信号，电子控制单元(8)发送给电磁离合器(6)离合和助力电机(7)助力指令。
5.如权利要求4所述的自动驾驶线控可伸缩转向系统，其特征在于：所述方向盘连接螺纹(10)与可折叠方向盘(1)连接。
6.如权利要求5所述的自动驾驶线控可伸缩转向系统，其特征在于：所述转向下轴铰接接头(16)一端通过轴销和减速机构(4)转轴铰接。
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