CN114435466A - 一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法，包括方向盘，所述方向盘的下方连接有永磁离合器，所述永磁离合器靠近方向盘的方向安装有扭矩角度传感器，所述永磁离合器远离方向盘的方向连接有转向柱侧转向器，所述执行电机上连接有执行电机控制器，所述执行电机控制器连接有电子控制单元。该可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法，自动驾驶模式下，方向盘处于静默状态，消除了方向盘转动对驾驶员的干扰，提高了驾驶员在车辆自动驾驶时的乘坐舒适性，驾驶员接管模式下，能为驾驶员提供最适宜的方向盘力感，并且当路面冲击载荷过大时实现对驾驶员的保护，在执行电机失效下还能实现机械转向的冗余设计安全功能。

Description

一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车智能化转向控制领域，具体为一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法。
背景技术
线控转向系统由于其显著技术优势一直以来都是汽车智能化领域研究的热点，随着技术的不断成熟，国外已经放开线控转向上车的相关法规限制，允许线控转向量产，我国也解除了法规限制，但线控转向量产相关国家标准还是空白。线控转向系统是重要的汽车智能化核心技术，也是自动驾驶汽车的必要执行器。但由于安全设计的要求，需要考虑方向盘和车轮的机械连接，用于线控失效的保护措施。
目前自动驾驶汽车在国内特定区域已经开始示范运行，随着技术的不断成熟，应用场景也会越来越多。自动驾驶汽车的方向盘是随着车轮的转动而转动的，方向盘的转动会吸引驾驶员注意力，给驾驶员带来心理暗示，从而大大降低驾驶员的乘坐舒适性。在自动驾驶技术推广应用的过渡阶段，必然有部分驾驶员仍然习惯亲自驾驶汽车，因此有必要在自动驾驶的线控转向系统上集成自动驾驶和驾驶员接管两种模式的切换功能。
所以需要针对上述问题设计一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法。
发明内容
本发明设计了一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法，用以实现自动驾驶和驾驶员接管两种驾驶模式的切换。消除了自动驾驶过程中方向盘的转动对驾驶员的影响，提供了驾驶员接管模式下方向盘的力感反馈，使线控转向更加安全可靠。其中保留了机械连接，为系统提供机械转向的冗余设计安全功能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可实现模式切换的线控转向系统，包括方向盘，所述方向盘的下方连接有永磁离合器，所述永磁离合器靠近方向盘的方向安装有扭矩角度传感器，所述永磁离合器远离方向盘的方向连接有转向柱侧转向器，所述转向柱侧转向器的外侧设置有电机侧转向器，所述电机侧转向器的外侧连接有执行电机，所述执行电机上连接有执行电机控制器，所述执行电机控制器连接有电子控制单元，所述转向柱侧转向器的两端均安装有车轮。
优选的，所述方向盘为普通车用方向盘，实现静默功能。
优选的，所述扭矩角度传感器用于系统的信号采集。
优选的，所述永磁离合器包括直线电机、磁环固定支架、磁环、主动轴、从动轴和永磁离合器壳体，所述磁环固定支架上安装有磁环，所述磁环套装在主动轴和从动轴上，且能沿轴向移动，所述磁环固定支架、磁环、主动轴和从动轴的外侧套设有永磁离合器壳体，所述永磁离合器壳体与直线电机相互连接。
优选的，所述直线电机包括动子座、底座、滑轨和限位器，所述底座上分别安装有滑轨和限位器，所述滑轨上安装有动子座，所述动子座与磁环固定支架固定连接，所述底座与永磁离合器壳体固定连接。
优选的，所述磁环为钕铁硼材料，所述磁环为轴向充磁。
优选的，所述主动轴和从动轴均为铁质磁性材料，所述主动轴和从动轴贯穿并安装在永磁离合器壳体上，所述主动轴和从动轴的半轴端具有轴向花键用于在方向盘和转向柱侧转向器之间安装。
优选的，所述动子座与滑轨滑动连接。
优选的，所述主动轴和从动轴分别与方向盘和转向柱侧转向器相互连接。
一种可实现模式切换的线控转向系统，该可实现模式切换的线控转向系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：
驾驶员启动自动驾驶模式时，电子控制单元给永磁离合器发送分离指令，控制磁环处于动力分离位置，此时方向盘处于静默状态；
步骤二：
电子控制单元给执行电机控制器发送指令，控制执行电机工作，执行电机通过电机侧转向器驱动车轮转向；
步骤三：
驾驶员启动驾驶员接管模式时，电子控制单元接收车速、侧向加速度、方向盘角度和方向盘角速度等信号，根据力感算法得到当前最适宜的力矩，通过给永磁离合器发送接触指令控制磁环的结合位置，改变主从动轴的扭矩传递关系，为驾驶员提供最适宜的力感；
步骤四：
电子控制单元根据变传动比算法得到执行电机的转角，通过给执行电机控制器发送指令，控制执行电机通过电机侧转向器驱动车轮转向。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.自动驾驶模式下，方向盘处于静默状态，消除了方向盘转动对驾驶员的干扰，提高了驾驶员在车辆自动驾驶时的乘坐舒适性；
2.驾驶员接管模式下，能为驾驶员提供最适宜的方向盘力感，并且当路面冲击载荷过大时实现对驾驶员的保护，在执行电机失效下还能实现机械转向的冗余设计安全功能。
附图说明
图1为本发明所述一种可实现模式切换的线控转向系统的结构示意图；
图2为本发明所述一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法中永磁离合器内部二维结构图；
图3为本发明所述一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法的流程示意图之一；
图4为本发明所述一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法的流程示意图之二；
图5为本发明所述一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法的流程示意图之三。
图6为本发明所述一种可实现模式切换的线控转向系统的永磁离合器外部结构示意图。
图中：1、方向盘；2、扭矩角度传感器；3、永磁离合器；4、转向柱侧转向器；5、电机侧转向器；6、执行电机；7、车轮；8、执行电机控制器；9、电子控制单元；10、直线电机；11、磁环固定支架；12、磁环；13、主动轴；14、从动轴；15、动子座；16、底座；17、滑轨；18、限位器；19、永磁离合器壳体。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种可实现模式切换的线控转向系统，包括方向盘1，方向盘1的下方连接有永磁离合器3，永磁离合器3靠近方向盘1的方向安装有扭矩角度传感器2，永磁离合器3远离方向盘1的方向连接有转向柱侧转向器4，转向柱侧转向器4的外侧设置有电机侧转向器5，电机侧转向器5的外侧连接有执行电机6，转向柱侧转向器4的两端均安装有车轮7，执行电机6上连接有执行电机控制器8，执行电机控制器8连接有电子控制单元9。
方向盘1为普通车用方向盘，实现静默功能，避免吸引驾驶员的注意，同时方便后续驾驶员进行操控。
扭矩角度传感器2用于系统的信号采集，为后续驾驶员进行驾驶时提供计算数据，提升驾驶体验。
永磁离合器3包括直线电机10、磁环固定支架11、磁环12、主动轴13、从动轴14和永磁离合器壳体19，磁环固定支架11上安装有磁环12，磁环12套装在主动轴13和从动轴14上，且能沿轴向移动，磁环固定支架11、磁环12、主动轴13和从动轴14的外侧套设有永磁离合器壳体19，永磁离合器壳体19与直线电机10相互连接，直线电机10包括动子座15、底座16、滑轨17和限位器18，底座16上分别安装有滑轨17和限位器18，滑轨17上安装有动子座15，动子座15与磁环固定支架11固定连接，底座16与永磁离合器壳体19固定连接，直线电机10推动磁环12沿轴向移动，保证主动轴13和从动轴14的分离与接触，磁环12为钕铁硼材料，磁环12为轴向充磁，主动轴13和从动轴14均为铁质磁性材料，主动轴13和从动轴14贯穿并安装在永磁离合器壳体19上，主动轴13和从动轴14裸露在永磁离合器壳体19外的半轴端具有轴向花键用于在方向盘1和转向柱侧转向器4之间安装，动子座15与滑轨17滑动连接，主动轴13和从动轴14分别与方向盘1和转向柱侧转向器4相互连接。
一种可实现模式切换的线控转向系统，该可实现模式切换的线控转向系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：
驾驶员启动自动驾驶模式时，电子控制单元9给永磁离合器3发送分离指令，控制磁环12处于动力分离位置，此时方向盘1处于静默状态；
步骤二：
电子控制单元9给执行电机控制器8发送指令，控制执行电机6工作，执行电机6通过电机侧转向器5驱动车轮7转向；
步骤三：
驾驶员启动驾驶员接管模式时，电子控制单元9接收车速、侧向加速度、方向盘1角度和方向盘1角速度等信号，根据力感算法得到当前最适宜的力矩，通过给永磁离合器3发送接触指令控制磁环12的结合位置，改变主从动轴14的扭矩传递关系，为驾驶员提供最适宜的力感；
步骤四：
电子控制单元9根据变传动比算法得到执行电机6的转角，通过给执行电机控制器8发送指令，控制执行电机6通过电机侧转向器5驱动车轮7转向。
工作原理：本发明提供了一种可实现模式切换的线控转向系统及其控制方法，其中永磁离合器3通过磁化效应可实现主动轴13和从动轴14的扭矩传递的分离与结合。磁环12可产生一个恒定磁场，主动轴13和从动轴14被磁化，通过调节磁环12在主动轴13和从动轴14上位置的变化，实现方向盘1与转向柱侧转向器4之间动力的分离与结合。
本发明可以实现方向盘1的静默功能，实现车辆自动驾驶模式和驾驶员接管模式的安全切换。下面结合附图进一步说明。
图3中驾驶员启动自动驾驶模式时，电子控制单元9给永磁离合器3发送分离指令，控制磁环12处于动力分离位置，此时方向盘1处于静默状态。电子控制单元9给执行电机控制器8发送指令，控制执行电机6工作。执行电机6通过电机侧转向器5驱动车轮7转向。
图4中驾驶员启动驾驶员接管模式时，电子控制单元9接收车速、侧向加速度、方向盘1角度和方向盘1角速度等信号，根据力感算法得到当前最适宜的力矩，通过给永磁离合器3发送接触指令控制磁环12的结合位置，改变主动轴13和从动轴14的扭矩传递关系，实现为驾驶员提供最适宜的力感。同时电子控制单元9根据变传动比算法得到执行电机6的转角，通过给执行电机控制器8发送指令，控制执行电机6通过电机侧转向器5驱动车轮7转向。
图5中当路面冲击载荷过大时，方向盘1的反馈力矩很大，会对驾驶员造成伤害。电子控制单元9根据方向盘1角速度与车速信号得到最佳阻尼力矩，通过控制永磁离合器3中磁环12的位置，调整主动轴13和从动轴14的扭矩传递关系，提供方向盘1阻尼力矩，从而实现路面冲击到方向盘1的有效屏蔽，起到对驾驶员的保护功能。
图5中当执行电机6出现故障时，电子控制单元9接收到故障信号并做出决策，控制永磁离合器3实现转向柱侧转向器4和方向盘1的刚性连接，此时整个转向系统等同于传统的机械转向系统，实现转向系统机械连接的冗余设计功能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种可实现模式切换的线控转向系统，其特征在于：包括方向盘(1)，所述方向盘(1)的下方连接有永磁离合器(3)，所述永磁离合器(3)靠近方向盘(1)的方向安装有扭矩角度传感器(2)，所述永磁离合器(3)远离方向盘(1)的方向连接有转向柱侧转向器(4)，所述转向柱侧转向器(4)的外侧设置有电机侧转向器(5)，所述电机侧转向器(5)的外侧连接有执行电机(6)，所述执行电机(6)上连接有执行电机控制器(8)，所述执行电机控制器(8)连接有电子控制单元(9)，所述转向柱侧转向器(4)的两端均安装有车轮(7)。
2.根据权利要求1所述的一种可实现模式切换的线控转向系统，其特征在于：所述方向盘(1)为普通车用方向盘，实现静默功能。
3.根据权利要求1所述的一种可实现模式切换的线控转向系统，其特征在于：所述扭矩角度传感器(2)用于系统的信号采集。
4.根据权利要求1所述的一种可实现模式切换的线控转向系统，其特征在于：所述永磁离合器(3)包括直线电机(10)、磁环固定支架(11)、磁环(12)、主动轴(13)、从动轴(14)和永磁离合器壳体(19)，所述磁环固定支架(11)上安装有磁环(12)，所述磁环(12)套装在主动轴(13)和从动轴(14)上，且能沿轴向移动，所述磁环固定支架(11)、磁环(12)、主动轴(13)和从动轴(14)的外侧套设有永磁离合器壳体(19)，所述永磁离合器壳体(19)与直线电机(10)相互连接。
5.根据权利要求4所述的一种可实现模式切换的线控转向系统，其特征在于：所述直线电机(10)包括动子座(15)、底座(16)、滑轨(17)和限位器(18)，所述底座(16)上分别安装有滑轨(17)和限位器(18)，所述滑轨(17)上安装有动子座(15)，所述动子座(15)与磁环固定支架(11)固定连接，所述底座(16)与永磁离合器壳体(19)固定连接。
6.根据权利要求4所述的一种可实现模式切换的线控转向系统，其特征在于：所述磁环(12)为钕铁硼材料，所述磁环(12)为轴向充磁。
7.根据权利要求4所述的一种可实现模式切换的线控转向系统，其特征在于：所述主动轴(13)和从动轴(14)均为铁质磁性材料，所述主动轴(13)和从动轴(14)贯穿并安装在永磁离合器壳体(19)上，所述主动轴(13)和从动轴(14)的半轴端具有轴向花键用于在方向盘(1)和转向柱侧转向器(4)之间安装。
8.根据权利要求5所述的一种可实现模式切换的线控转向系统，其特征在于：所述动子座(15)与滑轨(17)滑动连接。
9.根据权利要求4所述的一种可实现模式切换的线控转向系统，其特征在于：所述主动轴(13)和从动轴(14)分别与方向盘(1)和转向柱侧转向器(4)相互连接。
10.根据权利要求1所述的一种可实现模式切换的线控转向系统，该可实现模式切换的线控转向系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：
驾驶员启动自动驾驶模式时，电子控制单元(9)给永磁离合器(3)发送分离指令，控制磁环(12)处于动力分离位置，此时方向盘(1)处于静默状态；
步骤二：
电子控制单元(9)给执行电机控制器(8)发送指令，控制执行电机(6)工作，执行电机(6)通过电机侧转向器(5)驱动车轮(7)转向；
步骤三：
驾驶员启动驾驶员接管模式时，电子控制单元(9)接收车速、侧向加速度、方向盘(1)角度和方向盘(1)角速度等信号，根据力感算法得到当前最适宜的力矩，通过给永磁离合器(3)发送接触指令控制磁环(12)的结合位置，改变主从动轴(14)的扭矩传递关系，为驾驶员提供最适宜的力感；
步骤四：
电子控制单元(9)根据变传动比算法得到执行电机(6)的转角，通过给执行电机控制器(8)发送指令，控制执行电机(6)通过电机侧转向器(5)驱动车轮(7)转向。
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