CN114954645B - 具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统及模式切换方法 - Google Patents

Abstract

具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统及模式切换方法，涉及汽车线控转向系统领域，为解决现有技术中，驾驶员操纵方向盘控制游戏操作时，转向车轮会随动，使得轮胎磨损严重且影响驾驶安全；并且无法实现正常驾驶与模拟驾驶的有效切换等问题，包括方向盘总成、线控转向控制器和转向执行总成，还包括模拟驾驶主机和模式切换开关。具体模式切换包括正常驾驶模式和模拟驾驶模式，若为正常驾驶模式，则线控转向控制器仅控制路感电机，并将驾驶员经方向盘总成输入转角信息传输至模拟驾驶主机，为驾驶员提供模拟驾驶虚拟场景画面；若为正常驾驶模式，则线控转向控制器控制路感电机和转向执行总成，为驾驶员提供正常转向操纵的路感模拟和控制车辆运动。

Description

具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统及模式切换方法

技术领域

本发明涉及汽车线控转向系统领域，具体涉及一种可实现在正常行驶模式与模拟驾驶模式间安全切换的线控转向控制系统及模式切换方法。

背景技术

随着汽车各项性能和智能化、网联化程度的提高，对汽车的使用需求呈现多元化是未来汽车发展的一种必然趋势。近几年，国内外互联网科技公司跨界进入汽车制造领域也在推动汽车产品的属性升级、拓展和跃迁。汽车被赋予了更多的属性，用户对汽车的使用要求也不仅仅局限于作为出行交通工具的便捷性与安全性，还包括了如提供能够生活、社交，甚至娱乐的“移动家”的新的需求范畴。如国内的蔚来汽车不仅提供了汽车产品作为代步工具，而且其便利的管家式的维修保养和换电服务提高了汽车使用的便利性和友好性；再譬如理想汽车，其丰富的车内多媒体人机交互影音系统也大大提高了汽车作为家属性的生活娱乐功能，使得汽车的驾乘者能从汽车上获得更多惬意服务。再比如，国外的特斯拉公司已经基于线控转向系统甚至推出了可进行休闲娱乐模式的特斯拉Model 3。

目前线控转向技术较为成熟，传统的线控转向系统将方向盘转动状态信息传递到转向电机控制器，由转向执行机构完成转向操作，再由路感电机控制器根据转向状态控制路感电机运行，为驾驶员模拟路感，能够有效的提高驾驶员对路面状况和车辆状态的监控和感知。但目前线控转向技术针对智能座舱领域功能需求尚未发挥明显的赋能作用。虽然如特斯拉Model 3为代表的现今存在的娱乐性智能座舱技术可以实现停车时模拟驾驶游戏的功能但该技术由于依旧是基于传统电动助力转向系统开发的附属功能，因此在驾驶员操纵方向盘控制游戏操作过程中，转向车轮也会随动，使得轮胎磨损加剧，久而久之会严重影响驾驶安全。而且现有公开技术在正常驾驶与模拟驾驶的切换电路设计和切换方法方面尚没有公开报道的安全且有效地切换方法。

本发明针对现有技术存在的技术缺陷，提出了具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统及其模式切换方法，实现在驾驶舱内模拟驾驶模式与正常行驶模式的安全可靠相互切换。

发明内容

本发明为解决现有技术中，驾驶员操纵方向盘控制游戏操作时，转向车轮会随动，使得轮胎磨损严重且影响驾驶安全；并且无法实现正常驾驶与模拟驾驶的有效切换等问题，提供一种具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统及模式切换方法。

具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统，该转向系统包括方向盘总成、线控转向控制器和转向执行总成，还包括模拟驾驶主机和模式切换开关；

所述线控转向控制器根据方向盘总成传输的转矩信号以及模式切换开关的状态信号，控制转向执行总成或模拟驾驶主机实现正常驾驶模式或模拟驾驶模式；

当所述线控转向控制器接收所述模式切换开关的状态信号S＝0时，启动正常驾驶模式；

当所述线控转向控制器接收所述模式切换开关的状态信号S＝1时，启动模拟驾驶模式。

本发明中，还包括具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统的模式切换方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、判断车辆是否为驻车状态，如果是，执行步骤二；否而，继续判断；

步骤二、CPU读取模式切换开关状态信号S是否为1，如果是，则启动模拟驾驶模式；否则，则启动正常驾驶模式。

本发明的有益效果：本发明所述的具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统，设计了其正常驾驶与模拟驾驶的转换电路，且设计开发了一种基于单片机的模拟驾驶与真实驾驶切换的控制方法，通过准确判断汽车所处状态，安全可靠地实现正常驾驶与模拟驾驶系统的切换。具体优点如下：

1、在现有的线控转向控制系统基础上扩展出模拟驾驶功能。汽车可在停驶时提供给驾驶员方便快捷的实车模拟驾驶体验，另外在控制系统内储存的开关锁止程序能够保证行车安全。此功能可应用于休闲时的娱乐驾驶和汽车初学者的模拟驾驶训练等场合。

2、与机械助力转向系统相比，本发明所述的具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统有效避免了模拟驾驶时的车轮随动，减弱了车轮磨损，提高了车轮使用寿命与驾驶安全性。

附图说明

图1为本发明所述的具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统的原理框图。

图2为本发明所述的具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统中线控制转向控制器的原理框图。

图3为正常驾驶模式下，线控转向控制系统控制转向执行总成的电路图。

图4为正常驾驶模式下，线控转向控制系统控制方向盘总成的电路图。

图5为模拟驾驶模式下，线控转向控制系统控制方向盘总成的电路图。

图6为防止误触的开关锁止模块的流程图。

图7为模式切换的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统，该控制系统由方向盘总成、线控转向控制器、转向执行总成、模拟驾驶主机、模式切换开关及转向车轮等组成。方向盘总成，负责传递转矩信号并反馈路感；所述转向执行总成包括转向执行电机和转向器及其他组件，输出转矩给转向车轮。所述控制系统由两种工作模式，即：正常行驶模式和模拟驾驶模式。

当模式切换开关状态信号S＝0时，启动正常行驶模式，转向柱上的转角传感器采集方向盘传来的力矩及转角信号并输出信号给线控转向控制器，线控转向控制器控制转向执行总成完成正常转向。转向执行电机上的电流传感器向线控转向控制器传回路况信息，并由路感电机控制器分析并输出电压控制路感电机工作进而模拟路感；

当模式切换开关状态信号S＝1时，启动模拟驾驶模式，线控转向控制器仅控制路感电机，此时转向执行总成不工作，线控转向控制器与模拟驾驶主机进行数据传输，转向柱上的转角传感器输出信号先传入线控转向控制器，经分析后再传入模拟驾驶主机，由模拟驾驶主机中存储的模拟驾驶程序设定所需的路感力矩大小，将模拟驾驶画面信息输出至数字液晶仪表，同时将此模拟路感信号传回路感电机控制器，进而输出控制电压，控制并驱动路感电机工作，实现模拟驾驶。

如图1所示，所述方向盘总成主要包括方向盘、转向柱、方向盘转角和转矩传感器、减速器以及路感电机组成。当驾驶员转动方向盘进行转向时，路感电机根据路感电机控制器输入的电压信号指令输出阻力矩，经过减速器和转向柱传回至方向盘，从而让驾驶员经双手感知模拟的路感大小。路感电机的电压控制指令按照下述方程计算得到：

首先，对方向盘以及路感电机输出端列动力学平衡方程

式中T_sw为驾驶员手施加在方向盘上的转矩；T_h为转向柱上扭矩传感器测得的力矩；J_sw、B_sw为方向盘的转动惯量、方向盘的阻尼系数，二者为机械转动固有参数，大小由方向盘结构决定；θ_sw为方向盘转角。

对于方向盘转角与电机输出端转角有如下关系式

其中K_sw为转向柱的扭转刚度；θ_F为路感电机输出端转角；k为减速器减速比。

所述路感电机控制器负责接收传向它的各种与路感模拟有关的测量信号，从而分配给路感电机电压使之输出力矩，反向控制转向柱回馈给驾驶员驾驶感觉。路感电机输出力矩的动力学模型为

其中T_F为路感电机输出力矩，J_F、B_F为路感电机等效转动惯量、路感电机阻尼，二者为路感电机固有参数，大小由所选用的路感电机决定。

对于路感电机，根据使用要求及工作环境选用130SZ02型号直流电机参与计算。对于该直流电机，具有以下机械特性函数

n＝(U_d-I_dR_a)/C_e (4)

其中n为路感电机转速；U_d为路感电机电枢电压；I_d为路感电机电枢电流；R_a为路感电机电枢电阻；C_e为额定磁通下的电动势系数。电枢电流与电磁转矩的关系以及电机的电学平衡方程为：

T_F＝C_mI_d (5)

其中C_m为电磁转矩系数；L_a为路感电机电枢电感；E为执行部分两端电动势；K_a为路感电机反电动势系数。根据上式，只需给定机械连接时路面反馈传递给转向柱管的阻力矩，便可以通过公式(5)，(6)，(7)计算得到路感电机的控制电压，从而控制路感电机输出模拟力矩。

如图2所示，本实施方式中，所述线控转向控制器包括存储器(ROM、RAM)、CPU、路感电机控制器、转向电机控制器等元件组成，通过12V车载电源向其供电。其具体工作信号传递路径如下：

当模式切换开关信号输入低电平时，即S＝0，汽车处于正常行驶模式。方向盘转角、角速度、转矩等信号经处理后输入CPU，CPU将信号分析处理后输入转向电机控制器，转向电机控制器向转向执行电机输送信号，驱动转向电机完成正常转向；同时转向执行电机上的电流传感器将有关路况的电流信号反馈至CPU，经处理后输入路感电机控制器，进而控制路感电机，实现路感模拟。

当开关信号输入高电平时，即S＝1，汽车处于模拟驾驶模式。模拟驾驶主机向数字液晶仪表输出模拟信号，使数字液晶仪表显示当前模拟画面，同时通过数字通信接口将模拟信号输出给CPU，该信号经处理后输入路感电机控制器，进而控制路感电机，实现路感模拟；同时驾驶员通过路感反馈对方向盘进行操纵，操纵产生的方向盘转角、转矩信号经CPU处理后输出给模拟驾驶主机，由模拟驾驶主机将显示信号传输给数字液晶仪表，实现当前模拟驾驶的状态显示。

本实施方式所述的转向电机控制器以PIC16F877A型单片机作为处理器，路感电机控制器以STC89C52型单片机作为处理器，同类不同型号的其他单片机不认定为与本实施方式不同的结构方案，具有与本实施方式相同控制方法或实现相同控制功能的所有单片机均为本发明权力保护范围。

如图3所示，正常驾驶模式下，线控转向控制系统控制转向执行总成的电路图；转向盘传感器VDD接口与电源模块12V相连，方向盘转角传感器GND接口接地，方向盘转角传感器OUT接口为信号输出接口，与单片机PIC16F877A的RA0接口连接。单片机PIC16F877A的VDD与电源模块5V相连，单片机PIC16F877A的VSS接口接地。

本实施方式选择型号为MD2272A的电机驱动器。单片机RC0端口与步进电机驱动器步进脉冲信号输入正端PUL+端口电线连接，单片机RC1端口与步进电机驱动器步进脉冲信号输入负端PUL-端口电线连接，单片机RC0、RC1两端口负责发送脉冲给转向电机驱动器用于控制转向电机的转角。单片机RC2端口与转向电机驱动器输入正端DIR+端口电线连接，单片RC3端口与转向电机驱动器负端DIR-端口电线连接，单片机RC2、RC3两端口负责发送开关量给转向电机驱动器用于控制转向电机的转向。单片机端口ENA+与电源模块5V电线连接，ENA-端口悬空。转向电机驱动器的A+、A-、B+、B-四个端口与转向电机供电端口电线连接。

如图4所示，电流传感器IP+与IP-端口与转向电机驱动器相连，信号通过电流传感器的OUT端口输出至STC89C52单片机的P1.0端口，STC89C52单片机VCC接口与5V电源连接。

路感电机驱动器同样选择型号为MD2272A的电机驱动器。STC89C52单片机的P0.1端口与路感电机驱动器步进脉冲信号输入正端PUL+端口电线连接，单片机P0.2端口与路感电机驱动器步进脉冲信号输入负端PUL-端口电线连接，单片机P0.1、P0.2两端口负责发送脉冲给路感电机驱动器用于控制路感电机的转角。单片机P0.3端口与步进电机驱动器步进方向信号输入正端DIR+端口电线连接，单片机P0.4端口与步进电机驱动器步进方向信号输入负端DIR-端口电线连接，单片机P0.3、P0.4两端口负责发送开关量给路感电机驱动器用于控制路感电机。

由于所选电机电枢电阻与电枢电感已知，单片机可通过公式T_F＝C_mI_d和计算路感电机所需电压并分配电压给路感电机驱动器进而驱动路感电机输出合适扭矩。单片机端口ENA+与电源模块5V电线连接，ENA-端口悬空。路感电机驱动器的A+、A-、B+、B-四个端口与路感电机供电端口电线连接。

如图5所示，模拟驾驶主机模拟路况后将信号通过OUT端口输出至STC89C52单片机的P2.0端口，单片机P0.1端口与路感电机驱动器步进脉冲信号输入正端PUL+端口电线连接，单片机P0.2端口与路感电机驱动器步进脉冲信号输入负端PUL-端口电线连接，单片机P0.1、P0.2两端口负责发送脉冲给路感电机驱动器用于控制路感电机的转角。单片机P0.3端口与步进电机驱动器步进方向信号输入正端DIR+端口电线连接，单片P0.4端口与步进电机驱动器步进方向信号输入负端DIR-端口电线连接，单片机P0.3、P0.4两端口负责发送开关量给路感电机驱动器用于控制路感电机，同理单片机可通过公式求出不同扭矩需求下输出的电压值并输出电压，进而控制路感电机工作。

本实施方式中，所述模式切换开关包括两个，开关一用于实现模式切换，由按钮开关SB1、指示灯以及直流接触器KM1组成，当汽车处于正常行驶模式时，SB1断开，开关状态输出信号S等于0；按下按钮，汽车进入模拟驾驶模式，SB1闭合，指示灯亮，直流接触器KM1接通，同时KM1的常闭触点断开，此时S等于1。

开关二用于实现模拟驾驶模式下转向电机控制器与转向电机驱动器之间的信号切断，由常闭按钮开关SB2实现此功能。汽车进入模拟驾驶模式时，按下开关使SB2断开，切断转向电机驱动器的电源输入，实现信号中断。

本实施方式所述的具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统，可实现在正常行驶模式与模拟驾驶模式间安全切换，其控制工作原理如下：

线控转向控制器中的CPU读取由方向盘转角传感器传来的方向盘转动状态信息，并根据开关状态选择性地将信息整合并传递到转向执行机构或者模拟主机中，此过程由单片机内设定好的程序完成。当开关切换到正常行驶状态时，线控转向控制器中的CPU读取此状态并控制转向执行总成运作，此时线控转向控制器不与模拟驾驶主机进行信息传递，同时路感电机控制器接收来自转向执行电机上电流传感器传来的路况信息并输出电压控制路感电机运作模拟路感，实现正常驾驶；

当开关切换到模拟驾驶状态时，此时线控转向控制器不控制转向执行总成，CPU会读取此开关状态并使线控转向控制器与模拟驾驶主机交互信息，同时线控转向控制器接收并分析来自模拟驾驶主机的模拟路况信号，并由路感电机控制器输出电压控制路感电机运作，实现模拟驾驶。

此外，本实施方式中，为实现安全的模式切换，防止误触，单片机内集成有防止误触的开关锁止模块。当判定单片机读取轮速传感器信息并判定车辆正在行驶状态时，会通过检测循环锁止开关，使开关只能处于正常行驶模式的位置，保证了行驶安全并防止了驻车时自启动模拟模式。

具体实施方式二、结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统的模式切换方法，该方法具体步骤如下：

第一步，判断汽车是否为驻车状态；根据轮速传感器的信号以及车辆发动机状态判断汽车是否处于安全的可以执行模式切换的状态，如果判定不为驻车状态，则返回前项继续执行判断汽车状态的步骤。因此如果车辆不处于安全的驻车状态，此程序无法跳出检测循环并无法运行步骤二。如果判定车辆处于安全的驻车状态，则跳出检测循环执行步骤二。

第二步，读取并判断传输的模式选择开关状态输出信号S(若开关电路输出S＝1，则为模拟模式，S＝0则为正常行驶模式)。

第三步，汽车模式的切换操作。当CPU接收到的开关状态信号为S＝1，则判断为驾驶员选择启动模拟驾驶模式，此时，线控转向控制器仅控制路感电机，并将驾驶员经方向盘总成输入的转角、转矩等信息传输至模拟驾驶主机，并结合数字液晶仪表为驾驶员提供模拟驾驶虚拟场景画面，此时整车进入模拟驾驶模式；当CPU接收到的开关状态信号为S＝0，则判断驾驶员选择启动正常行驶模式，此时线控转向控制器同时控制路感电机和转向执行总成，为驾驶员提供正常转向操纵的路感模拟和控制车辆运动的前轮转动，数字液晶仪表为驾驶员显示车辆状态信息，此时整车进入正常行驶模式。

如图7所示，本实施方式中，还包括防止误触的开关锁止模块，如果驾驶时驾驶员误触开关使开关处于模拟模式，则当驻车时车辆会自动运行程序进行模式切换。为使车辆在行驶过程中开关一直处于正常行驶模式，本发明设计了实现开关锁止的防误触程序如图7所示。其执行步骤如下：

第一步，判断汽车是否为行驶状态。根据轮速传感器的信号以及车辆发动机状态判断汽车是否处于行驶状态，若不为行驶状态，则返回初始项继续循环检测，若为行驶状态，则执行第二步。

第二步，读取开关状态S。若开关电路输出S＝0，即开关处于正常行驶模式，此时无操作直接返回第一步继续循环检测；若开关电路输出S＝1，即因误触或其他原因开关处于模拟模式的位置，此时程序控制开关调整为正常行驶模式的位置并锁止开关，并返回第一步继续循环检测。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统，该转向系统包括方向盘总成、线控转向控制器和转向执行总成，其特征是：还包括模拟驾驶主机和模式切换开关；

所述线控转向控制器根据方向盘总成传输的转矩信号以及模式切换开关的状态信号，控制转向执行总成或模拟驾驶主机实现正常驾驶模式或模拟驾驶模式；

当所述线控转向控制器接收所述模式切换开关的状态信号S＝0时，启动正常驾驶模式；

当所述线控转向控制器接收所述模式切换开关的状态信号S＝1时，启动模拟驾驶模式；

所述线控转向控制器包括CPU、路感电机控制器和转向电机控制器；

在正常驾驶模式下，所述CPU读取模式切换开关的状态信号并将接收的方向盘总成的转矩信号传送至转向电机控制器，所述转向电机控制器控制转向执行电机完成正常转向；同时，所述转向执行电机上的电流传感器将采集的路况信号经CPU传送至路感电机控制器，进而控制路感电机实现路感模拟；

在模拟驾驶模式下，所述CPU读取模式切换开关的状态信号并接收模拟驾驶主机传送的模拟路感信号，并将所述模拟路感信号传送至所述路感电机控制器，进而控制路感电机，实现路感模拟；同时，驾驶员根据路感反馈信息控制方向盘，方向盘的转矩信号经CPU处理后传送至模拟驾驶主机，所述模拟驾驶主机将显示信号传送至数字液晶仪表，实现当前模拟驾驶的状态显示；

还包括与CPU集成的防止误触的开关锁止模块；所述防止误触的开关锁止模块用于在车辆正常驾驶模式下，误触模式切换开关导致车辆处于模拟驾驶模式而进行模式切换开关锁止；

所述防止误触的开关锁止模块的具体应用方法为：

步骤A、所述CPU判断车辆是否为行驶状态，如果是，执行步骤B，否则，继续判断；

步骤B、判断车辆所处的驾驶模式，若CPU读取开关状态信号S＝0，则车辆处于正常驾驶模式，返回步骤A；若CPU读取开关状态信号S＝1，则车辆处于因误触所述防止误触的开关锁止模块使模式切换开关处于模拟驾驶模式，所述CPU控制模式切换开关调整为正常驾驶模式并锁止开关，并返回步骤A。

2.根据权利要求1所述的具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统，其特征在于：所述模式切换开关包括第一开关和第二开关，所述第一开关用于实现正常驾驶模式和模拟驾驶模式的切换；

所述第一开关由按钮开关SB1、指示灯以及直流接触器KM1组成；

当车辆处于正常驾驶模式时，按钮开关SB1断开，开关状态信号S＝0；按下按钮开关SB1，车辆进入模拟驾驶模式，SB1闭合，指示灯亮，直流接触器KM1接通，同时直流接触器KM1的常闭触点断开，此时S＝1；

所述第二开关为常闭按钮开关SB2，用于实现模拟驾驶模式下，转向电机控制器与转向电机驱动器之间的信号切断，车辆进入模拟驾驶模式时，按下常闭按钮开关SB2断开，切断转向电机驱动器的电源输入，实现信号中断。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的具有模拟驾驶功能的线控转向控制系统的模式切换方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、判断车辆是否为驻车状态，如果是，执行步骤二；否则，继续判断；

步骤二、所述CPU读取模式切换开关状态信号S是否为1，如果是，则启动模拟驾驶模式；否则，则启动正常驾驶模式。