CN115366979A - 一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，包括方向盘、折叠机构、转向管柱、力矩及角度传感器、伸缩机构、配合使用的路感电机和路感电机减速机、以及控制器。本申请技术方案在非自动驾驶状态下可使线控转向系统模拟路感，辅助驾驶人驾驶车辆；在自动驾驶状态下，驾驶人不需要操控方向盘，方向盘可静默并折叠及收缩至仪表板下方，可以增加驾驶室活动空间，提高舒适性及避免误操作。

Description

一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置

技术领域

本发明涉及涉车辆的转向控制技术领域，尤其涉及一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置及其控制方法。

背景技术

现有带有自动驾驶功能的车辆在自动驾驶状态下，如果装备的是常规转向系统，方向盘会随车轮进行转动，这对驾驶员来说舒适性和安全性都受到一定的影响，带来不好的乘车体验；如果装备的是线控转向系统，方向盘可以控制为不动(静默)状态，但对于驾驶员来说，舒适性仍待改善。同时也很容易出现误触而导致自动驾驶模式退出等问题。针对这些问题，本发明设计了一种用于线控转向系统中拥有伸缩折叠功能的方向盘，极大地提高了驾驶人的驾乘体验。

通过专利检索，存在以下已知的技术方案：

专利1:

申请号：202011620188.1，申请日：2020.12.31，授权公告日：2021.06.01，该发明提出了一种收放式方向盘及方向盘的折叠方法，该方向盘包括方向盘本体、可收缩的盘圈机构和驱动机构；盘圈机构可沿方向盘本体升降且在下降的过程中可完成自动收缩折叠；盘圈机构包括首尾连接的左侧盘圈、左上盘圈、右上盘圈、右侧盘圈、右下盘圈和左下盘圈；驱动机构固定千方向盘本体。该发明只需启动两侧的驱动机构，即可实现右上盘圈滑进左上盘圈、右下盘圈滑进左下盘圈，由此完成收缩折叠。在该申请中，只涉及了方向盘的折叠，不涉及向驾驶舱内部折叠，也不涉及路感模拟。

专利2:

申请号：202210138435.7，申请日：2022.02.15，授权公告日：2022.04.26，该发明提供的一种折叠方向盘，包括本体，本体的左右两端分别连接有固定部件，固定部件的上下两端分别与折叠部件连接，本体内安装有动力机构，动力机构通过动力部件使折叠部件转动并向本体靠拢，所述固定部件的主体与本体连接,其末端垂直连接在固定盘缘中部,固定盘缘的两端与折叠部件连接后分别形成左盘缘和右盘缘。该发明在汽车自动驾驶时，方向盘能够在其所在的圆周平面进行收缩，在不影响方向盘其他空间的基础上，最小程度地减小了方形盘所占用的空间面积。在该申请中，只涉及了方向盘的折叠，不涉及方向盘向驾驶舱内部折叠，也不涉及路感模拟。

专利3:

申请号：202010069514.8，申请日：2020.01.21，授权公告日：2020.05.29，该发明公开了一种汽车线控转向路感模拟装置及其控制方法，涉及车辆转向实验技术领域，路感模拟装置包括机械传动机构和信息采集与控制机构，路感模拟装置包括路感模拟机构和方向盘回正机构。该发明为车辆线控转向系统提供了一种控制精确、反应迅速的“路感”反馈装置，采用的磁流变阻尼器在不同的励磁电流的激励下，可以实现针对不同路况和工况实时提供“路感”反馈力矩，为驾驶人员提供“路感”反馈信息；在为线控转向系统系统路感反馈力矩的同时，能够在自动回正时准确断开与磁流变阻尼器的连接，避免磁流变阻尼器自身摩擦和粘滞阻力矩对自动回正的影响；避免了控制系统故障时反馈电机驱动方向盘乱转导致的安全问题，保障驾乘人员的安全。在该申请中，为驾驶人员提供“路感”反馈的是由上位机控制的磁流变阻尼器，该方法解决了线控系统没有“路感”的问题，但是该套路感模拟装置在汽车上占用空间较大，在车辆上不宜安装，且没有方向盘可伸缩功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置及其控制方法，以解决线控转向系统路感模拟装置方向盘折叠可收缩的问题，使得线控转向系统的汽车，在非自动驾驶工况使用路感模拟装置辅助驾驶人驾驶车辆，在自动驾驶工况使用，驾驶人不需要操控方向盘，方向盘可以折叠并收缩入仪表板下方，大大增加了驾驶室的活动空间。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本申请第一个方面提供了一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，包括：方向盘、折叠机构、转向管柱、力矩及角度传感器、伸缩机构、配合使用的路感电机和路感电机减速机、以及控制器；

所述方向盘连接所述折叠机构，所述折叠机构带动所述方向盘在打开状态和折叠装置之间进行切换；所述折叠机构包括折叠电机、折叠电机减速机12、梯形丝杆、丝杆螺母、连杆及横向转轴，所述梯形丝杆竖向布置，所述丝杆螺母套装于梯形丝杆上，所述折叠电机通过折叠电机减速机12驱动梯形丝杆旋转，所述梯形丝杆将折叠电机的旋转运动转变成丝杆螺母的直线运动，所述丝杆螺母通过连杆与一横向转轴固定连接，所述横向转轴的两端与方向盘固接；

所述转向管柱的一端与折叠机构螺纹连接，所述转向管柱的另一端的外侧套设有伸缩套筒，所述伸缩套筒固定连接于路感电机减速机上，所述伸缩套筒上设置有伸缩机构，所述伸缩机构包括安装于伸缩套筒上的伸缩电机、和连接于伸缩电机驱动端的伸缩杆，所述伸缩杆的另一端与转向管柱的一端固定连接，所述伸缩电机通过驱动伸缩杆伸缩，进而带动转向管柱沿其轴向方向收纳于所述伸缩套筒内；

所述力矩及角度传感器，其一端套装于转向管柱内，其另一端与路感电机减速机花键连接；

所述控制器，安装于所述路感电机上，并分别与所述路感电机、所述伸缩电机、所述折叠电机和所述力矩及角度传感器信号连接；所述控制器根据第一指令接收所述力矩及角度传感器检测的方向盘的力矩信号和转角信号，并控制所述路感电机的制动力矩，制动力矩通过所述路感电机减速机减速增扭后经由所述力矩及角度传感器反馈至所述转向管柱和方向盘上；所述控制器根据第二指令控制所述伸缩电机输出端的伸出和缩回运动，实现方向盘的伸缩动作；所述控制器根据第三指令控制所述折叠电机，实现方向盘的折叠动作。

上述内容中，所述转向管柱包括输入轴、输出轴以及用于连接输入轴和输出轴的扭杆，扭杆的一端与输入轴固定连接，扭杆的另一端与输出轴固定连接；当方向盘转动时，方向盘会在转向管柱的输入轴施加转向力矩而使转向管柱的输入轴发生转动；由于扭杆的另一端是与输出轴固定连接的，并且扭杆是弹性的，因此，扭杆会因受到转向力矩而发生变形，输入轴与输出轴之间会在旋转方向上产生角位移，所述力矩及角度传感器将该角位移转化为电信号输出给所述控制器，所述控制器根据角位移及扭杆刚度即可计算出方向盘所施加的扭矩。

优选地，当所述折叠电机沿第一方向转动并带动所述梯形丝杆转动时，所述丝杆螺母在所述梯形丝杆的轴线方向朝远离所述折叠电机的一端运动，所述丝杆螺母带动所述连杆做顺时针转动，所述连杆带动所述横向转轴、进而带动所述方向盘从打开状态向折叠状态切换；

当所述折叠电机沿与第一方向反向的第二方向转动并带动所述梯形丝杆转动时，所述丝杆螺母在所述梯形丝杆的轴线方向朝靠近所述折叠电机的一端运动，所述丝杆螺母带动所述连杆做逆时针转动，所述连杆带动所述横向转轴、进而带动所述方向盘从折叠状态向打开状态切换。

优选地，所述力矩及角度传感器，采用非接触式扭矩转角一体式传感器(TAS)，至少包括四路扭矩信号输出和两路绝对转角信号输出，扭矩及转角的输出等级为ASIL D，冗余设计。

优选地，所述路感电机采用无刷电机。

优选地，所述伸缩电机、所述折叠电机均采用有刷电机。

优选地，所述路感电机减速机采用涡轮蜗杆式减速机构。

优选地，所述控制器包括：

供电电路，用于输出不同大小的电压为控制器内所有电路提供工作电源；

两个通信电路，分别通过CAN FD和CAN通信协议与外部系统进行通信；

主控单元，与所述通信电路、力矩及角度传感器信号连接，并通过第一驱动电路与路感电机信号连接，用于对接收的信号进行处理、计算，以及控制路感电机产生路感；所述主控单元和所述第一驱动电路之间设有第一电流传感器，所述第一电流传感器实时对第一驱动电路的MOSFET进行电流采样，实现路感电机的反馈控制；所述主控单元和所述路感电机之间设有第一位置传感器，用于实时检测所述路感电机的转子位置；

控制单元一，与主控单元之间采用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)通信协议进行通信，并通过第二驱动电路与伸缩电机信号连接，用于控制伸缩电机完成方向盘的伸缩运动；所述控制单元一和所述第二驱动电路之间设有第二电流传感器，所述第二电流传感器实时对第二驱动电路的MOSFET进行电流采样，实现伸缩电机的反馈控制；所述控制单元一和所述伸缩电机之间设有第二位置传感器，用于实时检测所述伸缩电机的转子位置；

控制单元二，与主控单元之间采用SPI通信协议进行通信，并通过第三驱动电路与折叠电机信号连接，用于控制折叠电机完成方向盘的折叠运动；所述控制单元二和所述第三驱动电路之间设有第三电流传感器，所述第三电流传感器实时对第三驱动电路的MOSFET进行电流采样，实现折叠电机的反馈控制；所述控制单元二和所述折叠电机之间设有第三位置传感器，用于实时检测所述折叠电机的转子位置。

更优选地，所述第一位置传感器采用各向异性磁阻AMR传感器，保证路感电机转子位置测量精度。

更优选地，所述第二位置传感器、第三位置传感器采用体积小、精度高的光电编码器。

本申请第二个方面提供了一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的控制方法，包括：

步骤一：驾驶员决策是否开启自动驾驶功能；

步骤二：关闭自动驾驶功能，则线控转向路感模拟装置工作产生路感，辅助驾驶人驾驶车辆；

步骤三：开启自动驾驶功能，车辆进入自动驾驶工况，同时继续判断驾驶员是否选择开启伸缩方向盘功能；

步骤四：如驾驶人选择开启伸缩方向盘，则控制器会对方向盘转角、转速进行判断，先控制方向盘转回至中间位置；

步骤五：控制器控制折叠电机进行方向盘折叠动作；

步骤六：控制器控制伸缩电机对方向盘收缩位置和方向盘收缩速度进行控制，从而将方向盘收缩至驾驶仪表盘的下方；

步骤七：如驾驶员关闭方向盘伸缩功能，伸缩电机控制方向盘伸缩至正常驾驶位置，折叠电机控制方向盘恢复到折叠前位置；

步骤八：驾驶员关闭自动驾驶功能；

步骤九：车辆进入驾驶员操纵模式。

优选地，所述控制方法还包括：

线控转向路感模拟装置通过对整车车速、转角信号、转向机电流数据的动态监控，通过控制器控制路感电机制动力矩，制动力矩通过路感电机减速机的减速增扭后经由力矩及角度传感器反馈至转向管柱，最终反馈到方向盘上。

优选地，所述控制方法还包括：

在接收到应用层的折叠控制指令后，控制器根据预先标定好的方向盘折叠位置，采用PID控制算法使方向盘达到折叠位置，完成折叠动作。

优选地，所述控制方法还包括：

在接收到应用层的伸缩控制指令后，控制器根据预先标定好的方向盘伸缩位置，采用PID控制算法使方向盘达到伸缩位置，完成伸缩动作。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本申请技术方案，在非自动驾驶状态下可使线控转向系统模拟路感，辅助驾驶人驾驶车辆；在自动驾驶状态下，驾驶人不需要操控方向盘，方向盘可静默并折叠及收缩至仪表板下方，可以增加驾驶室活动空间，提高舒适性及避免误操作。

本申请技术方案采用三电机设计，一个电机产生路感，一个电机实现对方向盘的折叠控制，一个电机实现对方向盘的伸缩控制。同时，本申请采用一个控制器，集成三个控制单元实现对三个电机的控制，控制单元直接采用高速SPI通讯，减少了成本，降低了控制器的安装空间。

附图说明

构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，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是本发明一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的结构示意图；

图2是本发明一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置收缩折叠后的结构示意图；

图3是收缩折叠后的折叠机构和方向盘的主视图；

图4是折叠机构带动方向盘作折叠动作过程中的立体结构示意图；

图5是本发明一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的爆炸图；

图6是本发明一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的控制系统架构图；

图7是本发明一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的控制策略流程图；

图8是路感电机的PID控制方式示意图；

图9是折叠电机的PID控制方式示意图；

图10是伸缩电机的PID控制方式示意图。

图例说明：

1、折叠机构；11、折叠电机；12、折叠电机减速机；13、梯形丝杆；14、丝杆螺母；15、连杆；16、横向转轴；

2、方向盘；

3、转向管柱；

4、伸缩套筒；

5、伸缩机构；51、伸缩电机；52、伸缩杆；

6、路感电机减速机；

7、路感电机；

8、控制器；

9、力矩及角度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一：

图1～图5示出了一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置。

参阅图1～图5所示，一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，包括：方向盘2、折叠机构1、转向管柱3、力矩及角度传感器9、伸缩机构5、配合使用的路感电机7和路感电机减速机6、以及控制器8。

所述方向盘2连接所述折叠机构1，所述折叠机构1带动所述方向盘2在打开状态和折叠装置之间进行切换。具体地，所述折叠机构1包括折叠电机11、折叠电机减速机12、梯形丝杆13、丝杆螺母14、连杆15及横向转轴16，所述梯形丝杆13竖向布置，所述丝杆螺母14套装于梯形丝杆13上，所述折叠电机11通过折叠电机减速机12驱动梯形丝杆13旋转，所述梯形丝杆13将折叠电机11的旋转运动转变成丝杆螺母14的直线运动，所述丝杆螺母14通过连杆15与一横向转轴16固定连接，所述横向转轴16的两端与方向盘2固接。当所述折叠电机11沿第一方向转动并带动所述梯形丝杆13转动时，所述丝杆螺母14在所述梯形丝杆13的轴线方向朝远离所述折叠电机11的一端运动，所述丝杆螺母14带动所述连杆15做顺时针转动，所述连杆15带动所述横向转轴16、进而带动所述方向盘2从打开状态向折叠状态切换。当所述折叠电机11沿与第一方向反向的第二方向转动并带动所述梯形丝杆13转动时，所述丝杆螺母14在所述梯形丝杆13的轴线方向朝靠近所述折叠电机11的一端运动，所述丝杆螺母14带动所述连杆15做逆时针转动，所述连杆15带动所述横向转轴16、进而带动所述方向盘2从折叠状态向打开状态切换。

所述转向管柱3的一端与折叠机构1螺纹连接，所述转向管柱3的另一端的外侧套设有伸缩套筒4，所述伸缩套筒4固定连接于路感电机减速机6上，所述伸缩套筒4上设置有伸缩机构5，所述伸缩机构5包括安装于伸缩套筒4上的伸缩电机51、和连接于伸缩电机51驱动端的伸缩杆52，所述伸缩杆52的另一端与转向管柱3的一端固定连接，所述伸缩电机51通过驱动伸缩杆52伸缩，进而带动转向管柱3沿其轴向方向收纳于所述伸缩套筒4内。

所述力矩及角度传感器9，其一端套装于转向管柱3内，其另一端与路感电机减速机6花键连接。

所述控制器8，安装于所述路感电机7上，并分别与所述路感电机7、所述伸缩电机51、所述折叠电机11和所述力矩及角度传感器9信号连接；所述控制器8根据第一指令接收所述力矩及角度传感器9检测的方向盘2的力矩信号和转角信号，并控制所述路感电机7的制动力矩，制动力矩通过所述路感电机减速机6减速增扭后经由所述力矩及角度传感器9反馈至所述转向管柱3和方向盘2上；所述控制器8根据第二指令控制所述伸缩电机51输出端的伸出和缩回运动，实现方向盘2的伸缩动作；所述控制器8根据第三指令控制所述折叠电机11，实现方向盘2的折叠动作。

上述内容中，所述转向管柱3包括输入轴、输出轴以及用于连接输入轴和输出轴的扭杆，扭杆的一端与输入轴固定连接，扭杆的另一端与输出轴固定连接；当方向盘2转动时，方向盘2会在转向管柱3的输入轴施加转向力矩而使转向管柱3的输入轴发生转动；由于扭杆的另一端是与输出轴固定连接的，并且扭杆是弹性的，因此，扭杆会因受到转向力矩而发生变形，输入轴与输出轴之间会在旋转方向上产生角位移，所述力矩及角度传感器9将该角位移转化为电信号输出给所述控制器8，所述控制器8根据角位移及扭杆刚度即可计算出方向盘2所施加的扭矩。

参阅图6所述，所述控制器8包括：

供电电路，用于输出不同大小的电压为控制器8内所有电路提供工作电源；

两个通信电路，分别通过CAN FD和CAN通信协议与外部系统进行通信；

主控单元，与所述通信电路、力矩及角度传感器9信号连接，并通过驱动桥A与路感电机7信号连接，用于对接收的信号进行处理、计算，以及控制路感电机7产生路感；所述主控单元和所述驱动桥A之间设有电流传感器A，所述电流传感器实时对驱动桥A的MOSFET进行电流采样，实现路感电机7的反馈控制；所述主控单元和所述路感电机7之间设有位置传感器A，用于实时检测所述路感电机7的转子位置；

控制单元一，与主控单元之间采用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)通信协议进行通信，并通过驱动桥B与伸缩电机51信号连接，用于控制伸缩电机51完成方向盘2的伸缩运动；所述控制单元一和所述驱动桥B之间设有电流传感器B，所述电流传感器B实时对驱动桥B的MOSFET进行电流采样，实现伸缩电机51的反馈控制；所述控制单元一和所述伸缩电机51之间设有位置传感器B，用于实时检测所述伸缩电机51的转子位置；

控制单元二，与主控单元之间采用SPI通信协议进行通信，并通过驱动桥C与折叠电机11信号连接，用于控制折叠电机11完成方向盘2的折叠运动；所述控制单元二和所述驱动桥C之间设有电流传感器C，所述电流传感器C实时对驱动桥C的MOSFET进行电流采样，实现折叠电机11的反馈控制；所述控制单元二和所述折叠电机11之间设有位置传感器C，用于实时检测所述折叠电机11的转子位置。

在一种优选实施例中，所述力矩及角度传感器9，采用非接触式扭矩转角一体式传感器(TAS)，至少包括四路扭矩信号输出和两路绝对转角信号输出，扭矩及转角的输出等级为ASIL D，冗余设计。

在一种优选实施例中，所述路感电机7采用无刷电机，效率高，低能耗，低噪音，寿命长，无极变频调速输出扭矩，提高了驾驶者车辆行驶“路感”。

在一种优选实施例中，所述伸缩电机51、所述折叠电机11采用有刷电机，启动快，制动及时，位置控制精确，控制系统可靠性高。

在一种优选实施例中，所述路感电机减速机6采用涡轮蜗杆式减速机构，体积小、传动平稳、速比大、效率高，承载能力大。

在一种优选实施例中，所述位置传感器A采用各向异性磁阻AMR传感器，保证路感电机7转子位置测量精度。

在一种优选实施例中，所述位置传感器B、位置传感器C采用体积小、精度高的光电编码器。

上述的带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的工作原理如下：

在非自动驾驶工况下，当驾驶员通过方向盘2对转向管柱3施加转向力，进行转向操纵时，方向盘2的转角/转矩信号通过力矩及角度传感器9实时采集并传递给控制器8，结合当前车速信息，控制器8经过分析处理后将控制信号传递给路感电机7，产生反馈力矩通过路感电机减速机6减速后作用在方向盘2上，让驾驶员及时地感受到路面信息。

在自动驾驶工况下，当驾驶员开启方向盘2折叠伸缩功能按钮时，控制器8通过力矩及角度传感器9读取数据，达到对当前方向盘2转速角度的监控。同时控制方向盘2回正。接着，控制器8根据驾驶员的方向盘2折叠收缩控制意图，控制折叠电机11和伸缩电机51依据所设计的PID控制算法完成对方向盘2的折叠伸缩。

实施例二：

本申请的线控转向路感模拟装置在非自动驾驶工况，由路感电机7及控制器8对路感进行模拟；在自动驾驶工况，可根据驾驶员实际需求将方向盘2进行折叠并收缩到仪表板下方。

具体地，参阅图7所示，一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的控制方法，包括：

步骤一：驾驶员决策是否开启自动驾驶功能；

步骤二：关闭自动驾驶功能，则线控转向路感模拟装置工作产生路感，辅助驾驶人驾驶车辆；

步骤三：开启自动驾驶功能，车辆进入自动驾驶工况，同时继续判断驾驶员是否选择开启伸缩方向盘功能；

步骤四：如驾驶人选择开启伸缩方向盘，则控制器8会对方向盘2转角、转速进行判断，先控制方向盘2转回至中间位置；

步骤五：控制器8控制折叠电机11进行方向盘2折叠动作；

步骤六：控制器8控制伸缩电机51对方向盘2收缩位置和方向盘2收缩速度进行控制，从而将方向盘2收缩至驾驶仪表盘的下方；

步骤七：如驾驶员关闭方向盘伸缩功能，伸缩电机51控制方向盘2伸缩至正常驾驶位置，折叠电机11控制方向盘2恢复到折叠前位置；

步骤八：驾驶员关闭自动驾驶功能；

步骤九：车辆进入驾驶员操纵模式。

其中，路感模拟控制方式包括：

路感模拟装置通过对整车车速、转角信号、转向机电流等数据的动态监控，通过控制器8控制路感电机7的制动力矩，制动力矩通过路感电机减速机6的减速增扭后经由力矩及角度传感器9反馈至转向管柱3，最终反馈到方向盘2上。具体路感模拟无刷电机的控制方式参阅图8所示。

其中，方向盘折叠位置控制方式包括：

在接收到应用层的折叠控制指令后，控制器8根据预先标定好的方向盘折叠位置，采用PID控制算法使方向盘2达到折叠位置，完成折叠动作。具体PID控制过程参阅图9所示。

其中，方向盘伸缩位置控制方式包括：

在接收到应用层的伸缩控制指令后，控制器8根据预先标定好的方向盘伸缩位置，采用PID控制算法使方向盘2达到伸缩位置，完成伸缩动作。具体PID收缩控制算法参阅图10所示。

综上所述，本申请技术方案，在非自动驾驶状态下可使线控转向系统模拟路感，辅助驾驶人驾驶车辆；在自动驾驶状态下，驾驶人不需要操控方向盘，方向盘可静默并折叠及收缩至仪表板下方，可以增加驾驶室活动空间，提高舒适性及避免误操作。本申请技术方案采用三电机设计，一个电机产生路感，一个电机实现对方向盘的折叠控制，一个电机实现对方向盘的伸缩控制。同时，本申请采用一个控制器8，集成三个控制单元实现对三个电机的控制，控制单元直接采用高速SPI通讯，减少了成本，降低了控制器的安装空间。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，其特征在于，包括：方向盘、折叠机构、转向管柱、力矩及角度传感器、伸缩机构、配合使用的路感电机和路感电机减速机、以及控制器；

所述方向盘连接所述折叠机构，所述折叠机构带动所述方向盘在打开状态和折叠装置之间进行切换；所述折叠机构包括折叠电机、折叠电机减速机、梯形丝杆、丝杆螺母、连杆及横向转轴，所述梯形丝杆竖向布置，所述丝杆螺母套装于梯形丝杆上，所述折叠电机通过折叠电机减速机驱动梯形丝杆旋转，所述梯形丝杆将折叠电机的旋转运动转变成丝杆螺母的直线运动，所述丝杆螺母通过连杆与一横向转轴固定连接，所述横向转轴的两端与方向盘固接；

所述转向管柱的一端与折叠机构螺纹连接，所述转向管柱的另一端的外侧套设有伸缩套筒，所述伸缩套筒固定连接于路感电机减速机上，所述伸缩套筒上设置有伸缩机构，所述伸缩机构包括安装于伸缩套筒上的伸缩电机、和连接于伸缩电机驱动端的伸缩杆，所述伸缩杆的另一端与转向管柱的一端固定连接，所述伸缩电机通过驱动伸缩杆伸缩，进而带动转向管柱沿其轴向方向收纳于所述伸缩套筒内；

所述力矩及角度传感器，其一端套装于转向管柱内，其另一端与路感电机减速机花键连接；

所述控制器，安装于所述路感电机上，并分别与所述路感电机、所述伸缩电机、所述折叠电机和所述力矩及角度传感器信号连接；所述控制器根据第一指令接收所述力矩及角度传感器检测的方向盘的力矩信号和转角信号，并控制所述路感电机的制动力矩，制动力矩通过所述路感电机减速机减速增扭后经由所述力矩及角度传感器反馈至所述转向管柱和方向盘上；所述控制器根据第二指令控制所述伸缩电机输出端的伸出和缩回运动，实现方向盘的伸缩动作；所述控制器根据第三指令控制所述折叠电机，实现方向盘的折叠动作。

2.根据权利要求1所述的一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，其特征在于，当所述折叠电机沿第一方向转动并带动所述梯形丝杆转动时，所述丝杆螺母在所述梯形丝杆的轴线方向朝远离所述折叠电机的一端运动，所述丝杆螺母带动所述连杆做顺时针转动，所述连杆带动所述横向转轴、进而带动所述方向盘从打开状态向折叠状态切换；

当所述折叠电机沿与第一方向反向的第二方向转动并带动所述梯形丝杆转动时，所述丝杆螺母在所述梯形丝杆的轴线方向朝靠近所述折叠电机的一端运动，所述丝杆螺母带动所述连杆做逆时针转动，所述连杆带动所述横向转轴、进而带动所述方向盘从折叠状态向打开状态切换。

3.根据权利要求1所述的一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，其特征在于，所述力矩及角度传感器，采用非接触式扭矩转角一体式传感器，至少包括四路扭矩信号输出和两路绝对转角信号输出，扭矩及转角的输出等级为ASIL D，冗余设计。

4.根据权利要求1所述的一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，其特征在于，所述路感电机采用无刷电机，所述伸缩电机、所述折叠电机均采用有刷电机。

5.根据权利要求1所述的一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，其特征在于，所述路感电机减速机采用涡轮蜗杆式减速机构。

6.根据权利要求1所述的一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，其特征在于，所述控制器包括：

供电电路，用于输出不同大小的电压为控制器内所有电路提供工作电源；

两个通信电路，分别通过CAN FD和CAN通信协议与外部系统进行通信；

主控单元，与所述通信电路、力矩及角度传感器信号连接，并通过第一驱动电路与路感电机信号连接，用于对接收的信号进行处理、计算，以及控制路感电机产生路感；所述主控单元和所述第一驱动电路之间设有第一电流传感器，所述第一电流传感器实时对第一驱动电路的MOSFET进行电流采样，实现路感电机的反馈控制；所述主控单元和所述路感电机之间设有第一位置传感器，用于实时检测所述路感电机的转子位置；

控制单元一，与主控单元之间采用SPI通信协议进行通信，并通过第二驱动电路与伸缩电机信号连接，用于控制伸缩电机完成方向盘的伸缩运动；所述控制单元一和所述第二驱动电路之间设有第二电流传感器，所述第二电流传感器实时对第二驱动电路的MOSFET进行电流采样，实现伸缩电机的反馈控制；所述控制单元一和所述伸缩电机之间设有第二位置传感器，用于实时检测所述伸缩电机的转子位置；

控制单元二，与主控单元之间采用SPI通信协议进行通信，并通过第三驱动电路与折叠电机信号连接，用于控制折叠电机完成方向盘的折叠运动；所述控制单元二和所述第三驱动电路之间设有第三电流传感器，所述第三电流传感器实时对第三驱动电路的MOSFET进行电流采样，实现折叠电机的反馈控制；所述控制单元二和所述折叠电机之间设有第三位置传感器，用于实时检测所述折叠电机的转子位置。

7.根据权利要求6所述的一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置，其特征在于，所述第一位置传感器采用各向异性磁阻AMR传感器；所述第二位置传感器、第三位置传感器采用体积小、精度高的光电编码器。

8.一种根据权利要求1～7任一项所述的带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：驾驶员决策是否开启自动驾驶功能；

步骤二：关闭自动驾驶功能，则线控转向路感模拟装置工作产生路感，辅助驾驶人驾驶车辆；

步骤三：开启自动驾驶功能，车辆进入自动驾驶工况，同时继续判断驾驶员是否选择开启伸缩方向盘功能；

步骤四：如驾驶人选择开启伸缩方向盘，则控制器会对方向盘转角、转速进行判断，先控制方向盘转回至中间位置；

步骤五：控制器控制折叠电机进行方向盘折叠动作；

步骤六：控制器控制伸缩电机对方向盘收缩位置和方向盘收缩速度进行控制，从而将方向盘收缩至驾驶仪表盘的下方；

步骤七：如驾驶员关闭方向盘伸缩功能，伸缩电机控制方向盘伸缩至正常驾驶位置，折叠电机控制方向盘恢复到折叠前位置；

步骤八：驾驶员关闭自动驾驶功能；

步骤九：车辆进入驾驶员操纵模式。

9.根据权利要求8所述的一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的控制方法，其特征在于，还包括：

线控转向路感模拟装置通过对整车车速、转角信号、转向机电流数据的动态监控，通过控制器控制路感电机制动力矩，制动力矩通过路感电机减速机的减速增扭后经由力矩及角度传感器反馈至转向管柱，最终反馈到方向盘上。

10.根据权利要求8所述的一种带有方向盘伸缩折叠机构的线控转向路感模拟装置的控制方法，其特征在于，还包括：

在接收到应用层的折叠控制指令后，控制器根据预先标定好的方向盘折叠位置，采用PID控制算法使方向盘达到折叠位置，完成折叠动作；以及

在接收到应用层的伸缩控制指令后，控制器根据预先标定好的方向盘伸缩位置，采用PID控制算法使方向盘达到伸缩位置，完成伸缩动作。

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