CN114275035B - 一种电动汽车辅助驾驶改装机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车辅助驾驶改装机构，使用伺服电机直接对车辆的转向轴进行控制，不经过车辆的助力转向系统的扭矩传感器，因此改造的转向系统需要较大的扭矩作用到原车的转向轴上。本实验车的转向电机选用直流伺服电机，经过行星减速器产生扭矩使得转向轴转动。当车辆进入自动驾驶模式时，电子离合器上电并进入工作状态，转向电机的输出轴经过第一锥齿轮和第二锥齿轮将电机扭矩传递到原车转向柱，实现对车身偏航角的控制。当自动驾驶模式解除，进入手动驾驶模式时，电子离合器瞬间断电，伺服电机动力输出断开，使人类驾驶员恢复原车操纵。本发明专利以低成本和可实施性出发，在保证原车驾驶安全的同时，增加了车辆的辅助驾驶功能。

Description

一种电动汽车辅助驾驶改装机构

技术领域

本发明属于辅助驾驶仿真实验领域，涉及一种电动汽车辅助驾驶改装机构。

背景技术

随着近年来计算机算力的提高，集成电路芯片尺寸逐渐向小、微型化转变，加之智能设备功耗的降低，人工智能的发展再一次被推上新潮，各行各业争相发展人工智能，用来替代人工。在这一轮浪潮中，自动驾驶汽车研究成为了社会企业关注的热点，也成为现在汽车行业追逐研究的热点。自动驾驶汽车逐渐进入我们的生活，现在的自动驾驶汽车系统是由逻辑代码组成，同时拥有感知，决策和控制的移动机器人。自动驾驶汽车不同于AGV、扫地机器人等其他工作场景中的单一性机器人，自动驾驶汽车需要在人群密集区，混行道路、交通堵塞区，高速路上等多种复杂的道路交通环境中实现自主导航及定位。

自动驾驶汽车在道路交通场景中，端到端的自动驾驶系统是一通用方法，通过CNN学习驾驶风格数据，得到模型的训练参数，在实际驾驶环境中，将视频信息输入进车辆的决策系统，得到汽车驾驶行为、方向盘转角、油门大小，刹车程度等指令，从而实现自动驾驶。此类操纵方法在自动驾驶发展的前几年中颇为流行，针对此种驾驶方法一部分学者认为此方法将成为自动驾驶的技术发展路线，以后智能汽车的研究方向将沿着此种路线发展。但是随着数据量的增多，以及在实际道路上的测试中出现的问题，我们逐渐发现此类方法存在诸多不足。当车辆面对一项从未遇到过的交通场景或者复杂交通环境时，端到端的自动驾驶系统就缺少足够强的鲁棒性有时甚至失效。

对上述问题，虽已提出部分的解决办法，但其中大部分的算法都是基于仿真环境运行的，使得技术难以应用落地，同时也限制了自动驾驶汽车的发展。

为了脱离仿真运行，需要将算法移植到相应平台上实施。目前已有Windows和Linux平台可以提供使用，其中Windows有大量的参考例程可供使用，界面相对简单，但是其系统相较于Linux而言过于臃肿，安全性不高。而起源于斯坦福大学实验室的ROS平台，部署于Linux系统，得益于分布式的系统特点，以及各个进程间的话题通信等，部分的解决了目前端到端驾驶的问题。此系统由传感器采集车身的环境信息输入进感知系统，由工控机和服务器对数据进行分析和处理得到决策信息，最后由车辆的控制系统根据决策信息输出控制指令。

自动驾驶系统框架发展到今天，目前已有许多公司都设计了自己的辅助驾驶系统并且成功的应用部署，例如百度的Apollo系统，谷歌Waymo公司，特斯拉的辅助驾驶系统等。但商用的自主驾驶系统是一个封闭的工作环境，其开发难度较大，无法进行二次设计算法，使得相应的算法技术难以在实践得到应用。

目前大部分高校中的自动驾驶实验车辆都是对原有车辆底盘控制的重定义，这样不仅使车辆本身就失去了人工驾驶的功能，同时也极大的影响着安全驾驶。除此以外还有不破坏车身结构的改造，例如一种普适的主动驾驶改装(201820359882.4)专利中，此种设计采用的是对车辆制动踏板采用推杆电机直连的连接方式，但是此方法存在着弊端，当自动驾驶车辆遇到紧急情况需要紧急刹车时，由于推杆电机的蜗轮蜗杆机械结构原理，导致推杆电机不能够快速的到达指定位置，无法及时的将车辆停下，存在着极大安全事故隐患。而且安装电动推杆需要一定的安装空间，图中的安装方式会让原本就狭小的驾驶舱的使用空间更为严峻，使得人类驾驶员的脚无法舒适的踩在制动踏板上。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种电动汽车辅助驾驶改装机构，旨在解决现有技术中由于推杆电机的蜗轮蜗杆机械结构原理，导致推杆电机不能够快速的到达指定位置，且安装电动推杆不能节约空间的缺陷性技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提出的一种电动汽车辅助驾驶改装机构，包括转向系统和刹车系统，所述转向系统安装在车辆原方向盘下方，所述转向系统包括伺服电机、行星减速器、第一联轴器、电子离合器和第二联轴器、U型架；所述伺服电机和所述行星减速器连接，所述行星减速器和所述电子离合器的一端通过所述第一联轴器连接，所述电子离合器的另一端固定有第二挡板，所述第二挡板的中心位置设有通孔，所述第二联轴器的一端位于所述通孔内，所述第二联轴器的另一端固连有第二锥齿轮，所述U型架位于所述第二联轴器和所述第二锥齿轮之间，所述U型架的垂直方向还安装有转向柱，所述转向柱上安装有第一锥齿轮；所述伺服电机、行星减速器、第一联轴器、电子离合器和所述第二联轴器均同轴设置；

所述刹车系统安装在副驾驶舱的车辆底板上；所述刹车系统包括步进电机、钢缆、执行机构和动力机构；所述步进电机安装在副驾驶舱的车辆底板上水平放置，所述执行机构安装在原车辆制动踏板上；车体的下方固连有拉簧，所述钢缆位于所述拉簧的下方，所述钢缆的一端与所述拉簧固接，所述执行机构的一侧安装有踏板，所述执行机构的下方安装有定滑轮，所述钢缆的另一端与所述执行机构固连，所述动机机构设置在所述定滑轮的一侧。

优选地，所述转向系统还包括第一挡板和车辆底板；

所述第一挡板位于所述行星减速器和所述第一联轴器的中间，所述第一挡板固定在所述行星减速器的一端；所述第一挡板和所述第二挡板的下方固定有托板，所述托板的下方设置有两个支撑柱，所述支撑柱的下方固连有平板，所述平板安装在车辆底板上。

优选地，所述第二锥齿轮和所述第一锥齿轮的轴心线垂直安装。

优选地，所述动力机构包括卷轴；

所述卷轴的一侧与所述定滑轮相连，所述卷轴的另一端与减速器相连，所述减速器的另一端连接有步进电机；所述步进电机、减速器和卷轴均同轴设置。

优选地，所述执行机构包括U型板和钢缆锁扣；

所述U型板安装在所述钢缆的下方，所述U型板的内侧壁安装有电极片，所述电极片的下方固连有制动踏板，所述钢缆锁扣贯穿所述U型板的外侧壁，所述钢缆锁扣与所述U型板外侧壁设置的螺母固连。

优选地，所述钢缆通过U型板与制动踏板半开放连接。

优选地，还包括电子油门系统，所述电子油门系统用于实现自动驾驶模式和手动驾驶模式的转换；

所述电子油门系统包括电气急停按钮SB1、电极片接触开关SB2、自复位启动按钮SB3、系统软开关KB、急停灯L1、制动踏板状态灯L2、自动驾驶启动灯L3、第一继电器KM和第二继电器KA；

松开电气急停按钮SB1，主电气系统通电，急停灯L1由红色变为绿色，当前的制动踏板回归零位，则电极片接触开关SB2闭合，制动踏板状态灯L2点亮；手动点下触摸屏幕上的系统软开关KB，若车辆自检完毕，则系统软开关KB闭合；人工按下机械自复位启动按钮SB3，第一继电器KM和第二继电器KA线圈吸附，自动驾驶启动灯L3点亮，车辆进入自动驾驶模式；当电气急停按钮SB1被按下或者人工踩下制动踏板使其电极片分离时，第一继电器KM和第二继电器KA均断电，急停灯L1变为红色，车辆进入手动驾驶模式。

优选地，所述制动踏板前进档电压范围为0.69V～4.4V，所述制动踏板倒退档电压范围为0.68V～4.3V。

优选地，所述钢缆与所述拉簧采用挂钩方式连接。

优选地，所述伺服电机与所述行星减速器键连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的一种电动汽车辅助驾驶改装机构，在不破坏原车驾驶功能的前提下，提出一种简单且可实施性强的辅助驾驶改装结构，使用伺服电机直接对车辆的转向轴进行控制，不经过车辆的助力转向系统的扭矩传感器，因此改造的转向系统需要较大的扭矩作用到原车的转向轴上。本发明的转向电机选用直流伺服电机，经过行星减速器产生扭矩使得转向轴转动。当车辆进入自动驾驶模式时，电子离合器上电并进入工作状态，转向电机的输出轴经过第一锥齿轮和第二锥齿轮将电机扭矩传递到原车转向柱，实现对车身偏航角的控制。当自动驾驶模式解除，进入手动驾驶模式时，电子离合器瞬间断电，伺服电机动力输出断开，使人类驾驶员恢复原车操纵。通过在行星减速器的一侧安装伺服电机，能够提供转向系统动力源效果；通过在第一联轴器的一侧安装电子离合器，能够断开和连接动力源效果；通过在步进电机的下方安装弹簧，能够断电时踏板依然可以人工踩下并不受辅助装置影响效果；在钢缆的下方安装动力机构，能够提供制动踏板动力源效果；在定滑轮的一侧安装执行机构，能够改变动力源力传递方向效果；本发明在安全性和可实施性有着较强的优势，可以满足高校中辅助驾驶研究成果的实车实验。

进一步地，第二锥齿轮和第一锥齿轮的轴心线垂直安装，使得电机动力传输到转向轴上。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明电动汽车辅助驾驶改装机构的转向系统结构图。

图2为本发明电动汽车辅助驾驶改装机构的制动系统结构图。

图3为本发明电动汽车辅助驾驶改装机构制动系统执行机构结构图。

图4为本发明电动汽车辅助驾驶改装机构的电子油门系统结构图。

图5为本发明的车辆系统框图。

图6位本发明自动驾驶ROS框架。

其中：1-伺服电机；2-行星减速器；3-第一挡板；4-第一联轴器；5-电子离合器；6-第二联轴器；7-第二挡板；9-U型架；11-第二锥齿轮；12-转向柱；13-托板；14-地板；15-平板；16-支撑柱；17-车体；18-拉簧；19-钢缆；20-执行机构；21-踏板；22-定滑轮；23-步进电机；24-减速器；25-卷轴；30-U型板；31-螺母；32-钢缆锁扣；33-制动踏板；34-电极片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提出的一种电动汽车辅助驾驶改装机构，包括制动系统、转向系统和电子油门系统；转向系统安装在车辆原方向盘下方，刹车系统安装在副驾驶舱的车辆地板上，电子油门系统用于实现自动驾驶模式和手动驾驶模式的转换；本发明的实例改造对象为陆地方舟艾薇车型，选择此车型的目的是因为其体积小，操控性强，车型自身拥有良好电子油门系统，液压制动器以及宽敞的后备箱空间，更适合安装车辆的传感器以及工控机等实验设备。

如图1所示，转向系统包括伺服电机1、伺服控制器、行星减速器2、联轴器4、电子离合器5、与电子离合器5的输出轴连接的第二锥齿轮11、与原车转向轴连接的第一锥齿轮10，第二锥齿轮11和第一锥齿轮10为完全相同的两个齿轮，第二锥齿轮11和第一锥齿轮10的轴心线垂直安装，使得电机动力传输到转向轴上。伺服电机1和行星减速器2连接，行星减速器2通过螺栓与第一挡板3刚性连接，保证电机输出轴不会晃动。行星减速器2和电子离合器5的一端通过第一联轴器连接，电子离合器5的另一端固定有第二挡板7，电子离合器5安装在第二挡板7的端面上，第二挡板7的中心位置设有通孔，第二联轴器6的一端位于通孔内，第二联轴器6的另一端固连有第二锥齿轮11，U型架9位于第二联轴器6和第二锥齿轮11之间，U型架9的垂直方向还安装有转向柱12，转向柱12上安装有第一锥齿轮10；伺服电机1、行星减速器2、第一联轴器4、电子离合器5和第二联轴器6均同轴设置；第二联轴器6安装在U形架9上，第二挡板7和U形架9通过螺栓连接。第一挡板3和第二挡板7的下方固定有托板13，托板13的下方设置有两个支撑柱16，支撑柱16的下方固连有平板15，平板15安装在车辆地板14上。托板13通过可调节高度的2个支撑柱16支撑，使其与汽车的地板14保持平行。

所述的转向控制原理为：使用伺服电机1直接对车辆的转向轴进行控制，不经过车辆的助力转向系统的扭矩传感器，因此改造的转向系统需要较大的扭矩作用到原车的转向轴上。本实验车的转向电机选用直流伺服电机1，经过行星减速器2产生扭矩使得转向轴转动。当车辆进入自动驾驶模式时，电子离合器5上电并进入工作状态，转向电机的输出轴经过第二锥齿轮11和第一锥齿轮10将电机扭矩传递到原车转向柱，实现对车身偏航角的控制。当自动驾驶模式解除，进入手动驾驶模式时，电子离合器5瞬间断电，伺服电机1动力输出断开，使人类驾驶员恢复原车操纵。

为了实现对没有线控刹车车辆的简单改造，本发明没有对车辆的制动液压缸进行改装，也没有使用推杆电机对车辆的制动踏板进行仿人的踩下和抬起。本发明设计了一种更为简单高效的控制方法，不仅不会对原车的驾驶空间造成很大的影响，还不会影响人类驾驶员的正常驾驶，在车辆发生紧急情况，需要采取刹车的操作时，也可以对车辆的驾驶模式做出迅速的切换。

如图2所示，所述的制动系统的包括车体17、拉簧18、钢缆19、执行机构20、踏板21、定滑轮22和动力机构，所述动力机构包括步进电机23、减速器24和卷轴25。步进电机23安装在副驾驶舱的车辆底板上水平放置，执行机构20安装在原车辆制动踏板上；车体17的下方固连有拉簧18，所述钢缆19位于拉簧18的下方，钢缆19的一端与拉簧18固接，执行机构20的一侧安装有踏板21，执行机构20的下方安装有定滑轮22，所述钢缆19的另一端与所述执行机构20固连，动机机构设置在定滑轮22的一侧。其中，动力机构包括步进电机23、减速器24和卷轴25，卷轴25的一侧与定滑轮22相连，卷轴25的另一端与减速器24相连，减速器24的另一端连接有步进电机23；步进电机23、减速器24和卷轴25均同轴设置。执行机构如图3所示，包括电极片34、U型板30、螺母31、钢缆锁扣32和制动踏板33，U型板30安装在钢缆19的下方，U型板30的内侧壁安装有电极片34，电极片34的下方固连有制动踏板33，钢缆锁扣32贯穿所述U型板30的外侧壁，钢缆锁扣32与U型板30外侧壁设置的螺母31固连。制动踏板33是车辆行车安全的保证，要使其在任意时刻都能够人为的踩下刹车，因此设计一种安全高效的连接方式就显得尤为重要。钢缆19由步进电机23提供动力，钢缆19的一端缠绕在与减速器24输出轴连接的卷轴25上，由减速器24带动卷轴25旋转并使钢缆19移动，经过定滑轮22，使其移动方向变为竖直方向。钢缆19的移动使与执行机构20半开放连接的制动踏板33发生位移，车辆执行制动操作。

本发明采用的主要连接方案是钢缆19加弹簧18的收缩拉伸装置，如图2所示的弹簧2与车体1的连接方式，弹簧18的一端固定在车辆制动踏板33正上方的车体挡板上，并在挡板中拧入挂钩，将弹簧18一端挂在其挂钩上。钢缆19与弹簧18的连接采用挂钩的连接方式，此方法操作便捷，更加易于实施，此时钢缆19的另一端缠绕成环形并使用钢缆19扣固定住，使其不会脱落即可，制动踏板33的改造需要不仅仅实现自动驾驶，也需要在特殊时刻人工进行操作。本发明设计了一种机械结构来实现上述的情况，如图3中的U型板30，U型板30与制动踏板33半开放连接。螺母31的U形环穿过钢缆19，U形环的螺栓段穿过U型板30的对应孔位，并通过螺栓进行固定，电极片34的一端粘贴在U型板30底部，另一端粘贴在制动踏板33上，使得制动踏板33在归位时电极片34可以充分接触。刹车踏板被人工踩下时，U型板30与制动踏板33发生位移，但因钢缆19的另一端连接弹簧18，因此仍能够保持张紧状态。车辆进入正常的自动驾驶模式时，U型板30与车辆的制动踏板33紧密贴合，此时电极片34的两极接触，而当车辆发生紧急情况，需要解除自动驾驶模式时，制动踏板被人工踩下，U型板30与制动踏板33脱离，电极片34断路。

本发明的研究对象为拥有电子油门系统的电动汽车，是对油门系统电路结构的改造重组。此方法具有精度高，实时性较强的特点。使用上位机控制时，可以直接将电压信息反映在车辆的运动状态上，因此可作为其他拥有电子油门车辆的改造方案。为了安全及时的切换自动驾驶模式和手动驾驶模式，本发明针对转向系统和制动系统设计了一套电气电路。

如图4所示，电子油门系统包括4个开关，3个状态灯，2组继电器，电子离合器开关和DA电压模块。开关包括电气急停按钮SB1，电极片接触开关SB2，自复位启动按钮SB3，系统软开关KB。状态灯包括急停红绿灯L1，制动踏板状态灯L2，自动驾驶启动灯L3。继电器包括KM和KA。

车辆进入自动驾驶模式时，首先需要松开急停按钮SB1，主电气系统通电，急停灯L1由红色变为绿色。当前的制动踏板33若回归零位，则电极片34接触开关SB2闭合，制动踏板状态灯L2点亮。其次需要手动点下触摸屏幕上的系统软开关KB，若车辆自检完毕，则开关闭合。最后人工按下机械自复位启动按钮SB3，第一继电器KM和第二继电器KA线圈吸附，此时自动驾驶启动灯L3点亮，车辆进入自动驾驶模式。当急停按钮SB1被按下或者人工踩下制动踏板33使其电极片分离时，第一继电器KM和第二继电器KA均断电，急停灯L1变为红色，车辆进入手动驾驶模式。

原车依据制动踏板33踩踏深度输出电压控制车速，因此改变制动踏板33电压就可以实现对车身速度的控制。经试验测得本改装车制动踏板33控制电压信号范围，制动踏板33的前进档电压范围为0.69V～4.4V，制动踏板33的倒退档电压范围为0.68V～4.3V。将车辆踏板的输入电压替换为下位机PLC的数字－模拟口的电压，下位机PLC采集原车踏板的输出电压。车辆进入驾驶模式时，车辆制动踏板33的输出电压不会直接作用在车辆上，但其输出电压仍然可以作为车身加减速的参考。对于高校的试验车而言，速度的把控不仅是试验开始的第一安全要素，也是高效率的保证，因此可以将此输出电压作为车辆加减速的控制。当车辆以自动驾驶模式行驶过程中，如果在当前路段需要提速的过程中，可以在不退出自动驾驶模式的情况下，安全员踩下制动踏板33，下位机PLC采集制动踏板33电压并分析电压变化的幅值是为了加速行驶还是紧急刹车而误踩到制动踏板33。若分析得到电压变化过快且幅值较大，则分析车辆可能需要紧急制动，此时下位机PLC使系统软开关KB断开，第一继电器KM和第二继电器KA均断路，车辆进入手动驾驶模式。

目前在机器人和嵌入式领域，基于Linux平台的机器人操作系统ROS(RobotOperator System)成为主流，其特点为分布式设计和点对点的信息沟通。ROS系统是一个分布式的设计框架，它可以与任意拥有ROS操作系统的平台计算机进行沟通，这在一定程度上缓解了单一计算单元带来的计算压力。在分布式框架中，各个程序功能分解成多个的节点进行运算，每一个节点也可以独立的发布和接收数据，使得节点间的信息交互变得高效。分布式框架主要优点是数据分散处理，将需要大运算量的节点置于服务器中，信息处理完毕之后结果返回给主节点即可。在ROS操作系统中，使用者不需要考虑程序之间的调用问题，每一个程序都作为了一个单一存在的节点，每一个节点都有一个独一无二的节点名，而节点与节点之间数据主要通过话题方式进行沟通和传递。话题是指一个节点需要发布的信息，其中包括消息的类型和内容，每个节点发布和订阅的话题都通过一个Master主节点进行注册分配。在程序运行中，使用者不需要考虑消息的来源，只需要知道需要的话题名称，并向主节点订阅需要的话题就可以获得信息。

本发明在上述改造的机械结构基础上设计了一套基于ROS操作系统的节点框架。如图5所示，本发明主体包括3台主机，包括下位机PLC，上位机和服务器。在图1中，伺服电机1由下位机PLC发送脉冲信号给伺服驱动器，进而控制电机转动。在图2中，步进电机23由下位机PLC发送脉冲信号给步进电机驱动器，控制钢缆卷轴转动。在图3中，电极片34由下位机PLC的数字引脚连接，若电极片34贴合则电源通路产生电平信号。在图4中，制动踏板33的输出电压由下位机PLC的ADC引脚采集，下位机PLC通过485通信协议连接DAC模块并输出加速制动踏板33电压，从而控制车辆的加减速。HMI串口屏幕与下位机PLC通过串口通信的方式进行连接，其屏幕显示下位机PLC与上述模块连接时的实时响应状态，完成对车辆硬件层面的自检操作。

上位机与服务器在Ubuntu系统上安装ROS框架后，下位机与上位机通过串口通信的方式进行信息交互。一辆可以实现自动驾驶功能的汽车，它不仅包括控制部分，还包含采集车辆周边环境信息的传感器。MPU姿态检测模块，GPS定位模块，INS惯性导航单元通过USB与上位机连接。为了获得更快速的并行数据处理，相机与激光雷达模块通过USB与服务器连接。此外设置了一台与上位机通过HDMI连接的LCD液晶屏，用于显示当前所获得的所有传感器数据，并在主界面上设置一个图4系统软开关，用于切换自动驾驶模式。在Ubuntu系统中，每一个模块会单独的分配一个ttyUSB的端口号，通过读取USB数据就可以获得传感器信息。本发明基于设计的ROS框架，为每一个传感器模块设置独立的节点，并将传感器数据按需分配给不同的节点程序。

如图6所示，本发明依据上述传感器间数据交互的过程设计了ROS系统节点框图，各个传感器依据此框图进行节点间的通信与信息交互。此系统节点框图由10个独立的节点组成，每一个节点完成一项单一的功能。由于ROS为分布式操作系统，仅需要将服务器与上位机的IP地址设置为同一地址段内，就可以实现数据交互和信息传递。相机节点以图像数据的话题名称发布图像信息，激光雷达节点将点云信息以雷达数据的话题名称发布。信息融合节点订阅图像数据和雷达数据的话题，得到图像与点云的数据融合信息，并将分析结果以融合数据的话题名称发布。MPU6050节点将根据传感器模块得到车身的姿态，并将数据以姿态信息的话题名称发布。GPS/INS节点可以得到车辆的经纬度信息，并将其以位置信息的话题名称发布。决策节点订阅姿态信息，融合数据和位置信息3个话题，此节点计算得到车辆的全局路径规划并将其作为话题发布。有了全局路径规划，车辆将得到一个全局路径，但是在实际运行环境中，车辆周边的信息是时刻变化的，全局路径规划并不能够满足这些局部的场景，可能与周围的障碍物产生碰撞，因此本发明在车身的周围还添加了超声波模块，这些超声波模块与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机通过USB连接。在ROS系统框图中，超声波模块节点获取各个超声波传感器的数据信息，并将其以超声波数据的话题名称发布。局部路径规划节点订阅全局路径规划话题和超声波数据话题，此节点将得到的全局路径规划再进行细分，并根据车身周围的情况做进一步的局部路径规划。局部路径规划结合车身的硬件情况得到车辆的移动信息，并将其作以话题名称发布。控制系统节点订阅移动信息节点并将反馈信息返回给局部路径规划节点，将移动信息话题解析为车辆的控制信息，包括图1中的方向盘旋转角度，图2中与制动踏板33连接的步进电机23旋转角度，图4中电子油门系统的电压。框架中还应添加一个键盘输入节点用于发布移动信息话题，并被局部路径规划节点订阅，此节点可以使用键盘直接控制车辆的移动，在程序测试中可更直观和直接的控制车辆。上位机与下位机通过USB串口连接，控制系统节点将最终程序得到的控制信息以串口的方式发送出去。

本发明是针对各大高校中自动驾驶系统部署困难、科研成果难以转化而设计的，侧重点是对电动车辆在无破坏情况下安全高效的自动化改造，改造的电动车辆机体型号为陆地方舟艾薇。此车型自身拥有良好电子油门系统，液压制动器以及宽敞的后备箱空间，更适合安装车辆的传感器以及工控机等实验设备。同时，此车符合目前市面上绝大多数电动车辆的配置，也符合《机动车安全运行技术条件》(GB7258--2017)的相关规定，且大部分的此类车辆都有类似的控制系统，其优点在于可以对自动驾驶车辆改装的同时，不会影响车辆的原来驾驶体验，也使得此方法更为普遍适用。目前市面上的大部分自动驾驶实验平台都是基于Windows系统下进行的操作，在此操作平台对可视化以及图形界面分析是非常的实用方便。但是对于自动驾驶系统而言，后台运行的程序可以在一定程度上提高工作效率，同时可以减少不必要应用窗口的显示内存支出。Linux系统有一个天然的优势，系统中所有的内容都以文件形式存储，同时拥有更高的开放度，可以查看和修改后台程序运行，许多自动驾驶公司都开发了适配本公司车辆的平台自动驾驶框架。这些框架必然是十分优秀的，但是对于高等院校，购买一台自动驾驶车辆是不经济的。此外企业研发的框架投放在市场上的资料十分有限，获取的有用信息不多，不利于高校学生的二次研究开发。因此，在一些高校中采用了基于ubuntu系统的ROS框架，它不仅支持二次开发，也有许多功能包可供使用，能让科研工作者不重复造轮子，极大的减少了不必要的工作量，提高了研究效率。

本发明专利根据所设计的辅助驾驶硬件改造方案，在不改变原车驾驶操作的同时，添加了辅助驾驶控制功能，设计了基于ROS框架的软硬件系统，可以将辅助驾驶汽车中的各个硬件以及上位机中程序的运行结果紧密联合起来，满足实现辅助驾驶改装的需要。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动汽车辅助驾驶改装机构，其特征在于，包括转向系统和刹车系统，所述转向系统安装在车辆原方向盘下方，所述转向系统包括伺服电机(1)、行星减速器(2)、第一联轴器(4)、电子离合器(5)和第二联轴器(6)、U型架(9)；所述伺服电机(1)和所述行星减速器(2)连接，所述行星减速器(2)和所述电子离合器(5)的一端通过所述第一联轴器(4)连接，所述电子离合器(5)的另一端固定有第二挡板(7)，所述第二挡板(7)的中心位置设有通孔，所述第二联轴器(6)的一端位于所述通孔内，所述第二联轴器(6)的另一端固连有第二锥齿轮(11)，所述U型架(9)位于所述第二联轴器(6)和所述第二锥齿轮(11)之间，所述U型架(9)的垂直方向还安装有转向柱(12)，所述转向柱(12)上安装有第一锥齿轮(10)；所述伺服电机(1)、行星减速器(2)、第一联轴器(4)、电子离合器(5)和所述第二联轴器(6)均同轴设置；

所述刹车系统安装在副驾驶舱的车辆底板上；所述刹车系统包括步进电机(23)、钢缆(19)、执行机构(20)和动力机构；所述步进电机(23)安装在副驾驶舱的车辆底板上水平放置，所述执行机构(20)安装在原车辆制动踏板上；车体(17)的下方固连有拉簧(18)，所述钢缆(19)位于所述拉簧(18)的下方，所述钢缆(19)的一端与所述拉簧(18)固接，所述执行机构(20)的一侧安装有踏板(21)，所述执行机构(20)的下方安装有定滑轮(22)，所述钢缆(19)的另一端与所述定滑轮(22)固连，所述动力机构设置在所述定滑轮(22)的一侧；

所述动力机构包括卷轴(25)；所述卷轴(25)的一侧与所述定滑轮(22)相连，所述卷轴(25)的另一端与减速器(24)相连，所述减速器(24)的另一端连接有步进电机(23)；所述步进电机(23)、减速器(24)和卷轴(25)均同轴设置；

所述执行机构(20)包括U型板(30)和钢缆锁扣(32)；所述U型板(30)安装在所述钢缆(19)的下方，所述U型板(30)的内侧壁安装有电极片(34)，所述电极片(34)的下方固连有制动踏板(33)，所述钢缆锁扣(32)贯穿所述U型板(30)的外侧壁，所述钢缆锁扣(32)与所述U型板(30)外侧壁设置的螺母(31)固连。

2.根据权利要求1所述的电动汽车辅助驾驶改装机构，其特征在于，所述转向系统还包括第一挡板(3)和车辆底板(14)；

所述第一挡板(3)位于所述行星减速器(2)和所述第一联轴器(4)的中间，所述第一挡板(3)固定在所述行星减速器(2)的一端；所述第一挡板(3)和所述第二挡板(7)的下方固定有托板(13)，所述托板(13)的下方设置有两个支撑柱(16)，所述支撑柱(16)的下方固连有平板(15)，所述平板(15)安装在车辆底板(14)上。

3.根据权利要求1所述的电动汽车辅助驾驶改装机构，其特征在于，所述第二锥齿轮(11)和所述第一锥齿轮(10)的轴心线垂直安装。

4.根据权利要求1所述的电动汽车辅助驾驶改装机构，其特征在于，所述钢缆(19)通过U型板(30)与制动踏板(33)半开放连接。

5.根据权利要求1所述的电动汽车辅助驾驶改装机构，其特征在于，还包括电子油门系统，所述电子油门系统用于实现自动驾驶模式和手动驾驶模式的转换；

所述电子油门系统包括电气急停按钮(SB1)、电极片接触开关(SB2)、自复位启动按钮(SB3)、系统软开关(KB)、急停灯(L1)、制动踏板状态灯(L2)、自动驾驶启动灯(L3)、第一继电器(KM)和第二继电器(KA)；

松开电气急停按钮(SB1)，主电气系统通电，急停灯(L1)由红色变为绿色，当前的制动踏板(33)回归零位，则电极片接触开关(SB2)闭合，制动踏板状态灯(L2)点亮；手动点下触摸屏幕上的系统软开关(KB)，若车辆自检完毕，则系统软开关(KB)闭合；人工按下机械自复位启动按钮(SB3)，第一继电器(KM)和第二继电器(KA)线圈吸附，自动驾驶启动灯(L3)点亮，车辆进入自动驾驶模式；当电气急停按钮(SB1)被按下或者人工踩下制动踏板(33)使其电极片分离时，第一继电器(KM)和第二继电器(KA)均断电，急停灯(L1)变为红色，车辆进入手动驾驶模式。

6.根据权利要求5所述的电动汽车辅助驾驶改装机构，其特征在于，所述制动踏板(33)前进档电压范围为0.69V～4.4V，所述制动踏板(33)倒退档电压范围为0.68V～4.3V。

7.根据权利要求1所述的电动汽车辅助驾驶改装机构，其特征在于，所述钢缆(19)与所述拉簧(18)采用挂钩方式连接。

8.根据权利要求1所述的电动汽车辅助驾驶改装机构，其特征在于，所述伺服电机(1)与所述行星减速器(2)键连接。

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