CN113002616A - 一种应用于自动驾驶的多模式转向系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种应用于自动驾驶的多模式转向系统及方法，包括：前轮转向单元，后轮转向单元和转向ECU单元，在所述前轮转向单元与后轮转向单元之间连接转向ECU单元，所述转向ECU单元根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号和前轮转角信号进行判定，工作在前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式或蟹行转向模式。本发明的优点是：结构简单，基于四轮转向平台，在四种转向系统的基础上，提高了车辆的转向灵活性及安全冗余性；通过可以适应多种工况的多种转向模式，提高了车辆的操纵稳定性；考虑了多模式转向机构及控制系统的简化，降低成本，利于产品的推广和应用。

Description

一种应用于自动驾驶的多模式转向系统及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于自动驾驶的多模式转向系统及方法。

背景技术

随着我国车辆的增加，城市间的交通问题日益严峻，车辆行驶环境日益复杂，如狭小空间的转向与泊车，高速路上的变道超车等。然而，目前常见的前轮转向车辆转向半径大，高速下车辆的侧向加速度较大，复杂工况下行驶时的操作复杂，容易引起车祸。

现在有研究人员提出多模式的四轮转向系统来解决这个问题，如CN201410843095.3中提出的一种360度四轮转向农用车的转向机构，该机构通过蜗轮蜗杆等机械结构对车辆前后轮的转向进行约束，保证车辆前后车轮能够360度旋转，从而使得农用车能够适应复杂多变的农业环境。但该机构的驱动由机械机构完成，无法适应现在自动驾驶及线控技术的应用。

为了使四轮转向系统能够适应现在自动驾驶技术的发展，在CN201610540112.5中公布了一种多模式的四轮转向系统及转向模式控制方法。该机构融合了电动助力转向、主动前轮转向、线控转向三种转向系统。该发明中的系统可以协调三种转向系统，使车辆能够实现多种转向操作。但是，该机构及系统过于复杂，多个转向系统融合会造成机械环节过多，成本过高，可靠性降低，实用价值低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种应用于自动驾驶的多模式转向系统，其解决现有技术中结构复杂，控制系统庞大，成本过高以及与自动驾驶技术匹配度低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种应用于自动驾驶的多模式转向系统，其特征在于，包括：

前轮转向单元，后轮转向单元和转向ECU单元，在所述前轮转向单元与后轮转向单元之间连接转向ECU单元，所述转向ECU单元根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号和前轮转角信号进行判定，工作在前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式或蟹行转向模式，其中，

前轮转向模式：前轮转向电机满载提供大扭矩，后轮转向电机不工作；

后轮转向模式：前轮转向电机提供助力扭矩，后轮转向电机满载工作；

四轮转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；

蟹行转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相同。

进一步地，所述前轮转向单元包括：方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、转向输入轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向电机、前轮转向横拉杆、前轮轮胎，所述方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、转向输入轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向横拉杆、前轮轮胎依次相连。

进一步地，所述转矩传感器通过扭杆连接在转向输入轴。

进一步地，所述后轮转向单元包括：后轮转向电机、后轮转角传感器、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎，所述后轮转向电机、后轮转角传感器、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎依次相连。。

进一步地，所述转矩传感器通过柔性联轴器与转向输入轴连接。

进一步地，所述转向输入轴与前轮转向电机通过蜗轮蜗杆机构连接。

进一步地，所述转向ECU单元包括：转向ECU、前轮转角传感器、后轮转角传感器，组合传感器；

所述前轮转角传感器与后轮转角传感器，用于将前、后轮的转角传递到转向传感器形成闭环；

所述组合传感器，用于将测量的横摆角速度信号和侧向加速度信号传递给转向ECU。

本发明的另一目的在于提供一种应用于自动驾驶的多模式转向方法，其特征在于，包括：

首先，提供一前轮转向单元，后轮转向单元和转向ECU单元，在所述前轮转向单元与后轮转向单元之间连接转向ECU单元；

然后，所述转向ECU单元根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号和前轮转角信号进行判定，工作在前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式或蟹行转向模式，其中，

前轮转向模式：前轮转向电机满载提供大扭矩，后轮转向电机不工作；

后轮转向模式：前轮转向电机提供助力扭矩，后轮转向电机满载工作；

四轮转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；

蟹行转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相同。

进一步地，所述转向ECU根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号、前轮转角信号决定前轮转向电机的电压信号和后轮转向电机的电压信号。

进一步地，前轮转向电机的电压信号使前轮转向电机产生转矩，并与方向盘输入的转角经过前轮转向器融合后，再经过前轮横拉杆，前轮轮胎，得到前轮转角；

后轮转向电机的电压信号使后轮转向电机产生转矩，通过后轮转向器，再经过后轮横拉杆，到后轮轮胎，得到后轮转角。

本发明的有益效果为：

结构简单，包括：前轮转向单元，后轮转向单元和转向ECU单元，在所述前轮转向单元与后轮转向单元之间连接转向ECU单元，所述转向ECU单元根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号和前轮转角信号进行判定，工作在前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式或蟹行转向模式，其中，前轮转向模式：前轮转向电机满载提供大扭矩，后轮转向电机不工作；后轮转向模式：前轮转向电机提供助力扭矩，后轮转向电机满载工作；四轮转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；蟹行转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相同。融合了前轮转向单元，后轮转向单元，四轮转向系统及蟹行转向系统四种转向模式，可以根据车辆运行工况，发挥出四种转向系统各自的优势；

基于四轮转向平台，在四种转向系统的基础上，提高了车辆的转向灵活性及安全冗余性；

通过可以适应多种工况的多种转向模式，提高了车辆的操纵稳定性；

考虑了多模式转向机构及控制系统的简化，降低成本，利于产品的推广和应用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明的应用于自动驾驶的多模式转向系统的示意图；

图2为本发明的应用于自动驾驶的多模式转向方法的实施例流程图。

附图标记示意

1.前轮转向电机，2.前轮转向电机，3.前轮横拉杆，4.前轮，5.转矩传感器，6.转向输入轴，7.方向盘转角传感器，8.方向盘，9.转向ECU，10.后轮，11.后轮转向器，12.后轮转向电机，13.后轮横拉杆，14.后轮转角信号，15.前轮转角信号，16.前轮转向电机电压信号，17.转矩传感器信号，18.方向盘转角信号，19.车速信号，20横摆角速度信号，21.侧向加速度信号，22.后轮转向电机电压信号，23.组合传感器。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

请参照图1至图2，本发明的一种应用于自动驾驶的多模式转向系统，包括：

前轮转向单元，后轮转向单元和转向ECU单元，在所述前轮转向单元与后轮转向单元之间连接转向ECU单元，所述转向ECU单元根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号和前轮转角信号进行判定，工作在前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式或蟹行转向模式，其中，

前轮转向模式：前轮转向电机满载提供大扭矩，后轮转向电机不工作；

后轮转向模式：前轮转向电机提供助力扭矩，后轮转向电机满载工作；

四轮转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；

蟹行转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相同。

在一个实施例中，所述前轮转向单元包括：方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、转向输入轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向电机、前轮转向横拉杆、前轮轮胎，所述方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、转向输入轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向横拉杆、前轮轮胎依次相连。

在一个实施例中，所述转矩传感器通过扭杆连接在转向输入轴。

在一个实施例中，所述后轮转向单元包括：后轮转向电机、后轮转角传感器、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎，所述后轮转向电机、后轮转角传感器、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎依次相连。。

在一个实施例中，所述转矩传感器通过柔性联轴器与转向输入轴连接。

在一个实施例中，所述转向输入轴与前轮转向电机通过蜗轮蜗杆机构连接。

在一个实施例中，所述转向ECU单元包括：转向ECU、前轮转角传感器、后轮转角传感器，组合传感器；

所述前轮转角传感器与后轮转角传感器，用于将前、后轮的转角传递到转向传感器形成闭环；

所述组合传感器，用于将测量的横摆角速度信号和侧向加速度信号传递给转向ECU。

本发明的另一目的在于提供一种应用于自动驾驶的多模式转向方法，包括：

首先，提供一前轮转向单元，后轮转向单元和转向ECU单元，在所述前轮转向单元与后轮转向单元之间连接转向ECU单元；

然后，所述转向ECU单元根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号和前轮转角信号进行判定，工作在前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式或蟹行转向模式，其中，

前轮转向模式：前轮转向电机满载提供大扭矩，后轮转向电机不工作；

后轮转向模式：前轮转向电机提供助力扭矩，后轮转向电机满载工作；

四轮转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；

蟹行转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相同。

在一个实施例中，所述转向ECU根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号、前轮转角信号决定前轮转向电机的电压信号和后轮转向电机的电压信号。

在一个实施例中，前轮转向电机的电压信号使前轮转向电机产生转矩，并与方向盘输入的转角经过前轮转向器融合后，再经过前轮横拉杆，前轮轮胎，得到前轮转角；

后轮转向电机的电压信号使后轮转向电机产生转矩，通过后轮转向器，再经过后轮横拉杆，到后轮轮胎，得到后轮转角。

作为具体的实施例，本发明的一种应用于自动驾驶的多模式转向系统，包括：前轮转向单元、后轮转向单元和转向控制器。以及还包括：方向盘转角传感器，前轮转角传感器，后轮转角传感器，组合传感器及通过CAN总线相连的转向ECU；方向盘转角传感器和前后轮转角传感器基本呈线性关系，可以一起判断车轮转角大小，互为冗余，以防传感器故障。前、后轮转角传感器将前后轮转角传递到转向ECU，形成闭环控制；组合传感器将车辆的状态信息传递到转向ECU，转向ECU根据CAN总线传来的车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、方向盘转角信号、前轮转角信号决定前后转向电机的电压信号，前轮转向电机的电压信号通过前轮转向电机产生转矩，经过转向器减速，并与方向盘传递的转角叠加经由转向器的齿轮齿条机构，带动前轮横拉杆，得到前轮转角；后轮转向电机的电压信号通过后轮转向电机产生转矩，再经过转向器的齿轮齿条机构，带动后轮横拉杆，得到后轮转角。

上述的前轮转向单元包括：方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、转向输入轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向电机、前轮转向横拉杆、前轮轮胎；方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、转向输入轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向横拉杆、前轮轮胎依次相连，转矩传感器通过扭杆连接在转向输入轴。后轮转向单元包括：后轮转向电机、后轮转角传感器、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎；

本发明的一种多模式转向系统可提供的转向模式如下：

前轮转向模式：前轮转向电机满载提供大扭矩，后轮转向电机不工作；

后轮转向模式：前轮转向电机提供较小的助力扭矩，后轮转向电机满载工作；

四轮转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；

蟹行转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相同；

多模式转向系统的控制方法如下：

当车速V<V₀，横摆角速度ω₀<ω<ω₁，方向盘转角δ_sw<δ_sw0，系统的转向模式为(1)；转向模式(2)为转向模式(1)的冗余，当模式(1)失效时δ_f＝δ₀，转向系统进入转向模式(2)；当车速V<V₀，横摆角速度ω<ω₀，方向盘转角δ_sw0<δ_sw，系统的转向模式为(3)；当车速V>V₀，横摆角速度ω>ω₁，方向盘转角δ_sw<δ_sw0，系统的转向模式为(4)。

作为具体的实施例，本发明提出的一种结构简洁的多模式转向系统包括：前轮转向单元、后轮转向单元和转向ECU单元。前轮转向单元包括：方向盘4,、转向输入轴6、方向盘转角传感器7、转矩传感器5、前轮转向电机1、前轮转向电机2、前轮横拉杆3、前轮4依次相连，其中转矩传感器5通过柔性联轴器与转向输入轴连接，转向输入轴与前轮转向电机通过蜗轮蜗杆机构连接，前轮转向电机与前轮转向单元通过蜗轮蜗杆机构连接；后轮转向单元包括：后轮转向电机12、后轮转向器11、后轮横拉杆13、后轮10依次相连。

转向ECU单元包括转向ECU9、前轮转角传感器、后轮转角传感器，组合传感器23；前、后轮转角传感器将前、后轮的转角传递到转向传感器形成闭环；组合传感器将测量的横摆角速度信号20和侧向加速度信号21传递给转向ECU9；转向ECU根据CAN总线传递过来的车速信号19、横摆角速度信号20、方向盘转角信号18、前轮转角信号14决定前轮转向电机的电压信号16和后轮转向电机的电压信号22。前轮转向电机的电压信号16使前轮转向电机1产生转矩，并与方向盘4输入的转角经过前轮转向电机2融合后，再经过前轮横拉杆3，前轮轮胎4，得到前轮转角；后轮转向电机的电压信号22使后轮转向电机12产生转矩，通过后轮转向器11，再经过后轮横拉杆13，到后轮轮胎10，得到后轮转角。

参照图1、图2所示，本发明提出的一种结构简洁的多模式转向系统转向模式控制方法，转向ECU根据CAN总线传递过来的车速信号19、横摆角速度信号20、方向盘转角信号18、前轮转角信号14决定系统的转向模式，具备包括：

当车速V<V₀，横摆角速度ω₀<ω<ω₁，方向盘转角δ_sw<δ_sw0，系统的转向模式为(1)；转向模式(2)为转向模式(1)的冗余，当模式(1)失效时δ_f＝δ₀，转向系统进入转向模式(2)；当车速V<V₀，横摆角速度ω<ω₀，方向盘转角δ_sw0<δ_sw，系统的转向模式为(3)；当车速V>V₀，横摆角速度ω>ω₁，方向盘转角δ_sw<δ_sw0，系统的转向模式为(4)；

前轮转向模式：前轮转向电机1满载工作，后轮转向电机12不工作；

后轮转向模式：前轮转向电机1提供较小的助力扭矩，后轮转向电机12满载工作；

四轮转向模式：前后轮转向电机1、12均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；

蟹行转向模式：前后轮转向电机1、12均满载工作，但是前后电机旋转方向相同。

本发明的有益效果为：

结构简单，包括：前轮转向单元，后轮转向单元和转向ECU单元，在所述前轮转向单元与后轮转向单元之间连接转向ECU单元，所述转向ECU单元根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号和前轮转角信号进行判定，工作在前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式或蟹行转向模式，其中，前轮转向模式：前轮转向电机满载提供大扭矩，后轮转向电机不工作；后轮转向模式：前轮转向电机提供助力扭矩，后轮转向电机满载工作；四轮转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；蟹行转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相同。融合了前轮转向单元，后轮转向单元，四轮转向系统及蟹行转向系统四种转向模式，可以根据车辆运行工况，发挥出四种转向系统各自的优势；

基于四轮转向平台，在四种转向系统的基础上，提高了车辆的转向灵活性及安全冗余性；

通过可以适应多种工况的多种转向模式，提高了车辆的操纵稳定性；

考虑了多模式转向机构及控制系统的简化，降低成本，利于产品的推广和应用。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于自动驾驶的多模式转向系统，其特征在于，包括：

前轮转向单元，后轮转向单元和转向ECU单元，在所述前轮转向单元与后轮转向单元之间连接转向ECU单元，所述转向ECU单元根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号和前轮转角信号进行判定，工作在前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式或蟹行转向模式，其中，

前轮转向模式：前轮转向电机满载提供大扭矩，后轮转向电机不工作；

后轮转向模式：前轮转向电机提供助力扭矩，后轮转向电机满载工作；

四轮转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；

蟹行转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相同。

2.根据权利要求1所述的应用于自动驾驶的多模式转向系统，其特征在于，所述前轮转向单元包括：方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、转向输入轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向电机、前轮转向横拉杆、前轮轮胎，所述方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、转向输入轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向横拉杆、前轮轮胎依次相连。

3.根据权利要求1所述的应用于自动驾驶的多模式转向系统，其特征在于，所述转矩传感器通过扭杆连接在转向输入轴。

4.根据权利要求3所述的应用于自动驾驶的多模式转向系统，其特征在于，所述后轮转向单元包括：后轮转向电机、后轮转角传感器、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎，所述后轮转向电机、后轮转角传感器、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎依次相连。

5.根据权利要求2所述的应用于自动驾驶的多模式转向系统，其特征在于，所述转矩传感器通过柔性联轴器与转向输入轴连接。

6.根据权利要求2所述的应用于自动驾驶的多模式转向系统，其特征在于，所述转向输入轴与前轮转向电机通过蜗轮蜗杆机构连接。

7.根据权利要求1所述的应用于自动驾驶的多模式转向系统，其特征在于，所述转向ECU单元包括：转向ECU、前轮转角传感器、后轮转角传感器，组合传感器；

所述前轮转角传感器与后轮转角传感器，用于将前、后轮的转角传递到转向传感器形成闭环；

所述组合传感器，用于将测量的横摆角速度信号和侧向加速度信号传递给转向ECU。

8.一种应用于自动驾驶的多模式转向方法，其特征在于，包括：

首先，提供一前轮转向单元，后轮转向单元和转向ECU单元，在所述前轮转向单元与后轮转向单元之间连接转向ECU单元；

然后，所述转向ECU单元根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号和前轮转角信号进行判定，工作在前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式或蟹行转向模式，其中，

前轮转向模式：前轮转向电机满载提供大扭矩，后轮转向电机不工作；

后轮转向模式：前轮转向电机提供助力扭矩，后轮转向电机满载工作；

四轮转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相反；

蟹行转向模式：前后轮转向电机均满载工作，但是前后电机旋转方向相同。

9.根据权利要求8所述的应用于自动驾驶的多模式转向方法，其特征在于，所述转向ECU根据CAN总线传递过来的车速信号、横摆角速度信号、方向盘转角信号、前轮转角信号决定前轮转向电机的电压信号和后轮转向电机的电压信号。

10.根据权利要求8所述的应用于自动驾驶的多模式转向方法，其特征在于，

前轮转向电机的电压信号使前轮转向电机产生转矩，并与方向盘输入的转角经过前轮转向器融合后，再经过前轮横拉杆，前轮轮胎，得到前轮转角；

后轮转向电机的电压信号使后轮转向电机产生转矩，通过后轮转向器，再经过后轮横拉杆，到后轮轮胎，得到后轮转角。

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