CN1970369A - 利用车辆偏转角速度和转向位置变化的方向确定 - Google Patents

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Abstract

一种特别适用于改型的自动转向系统的方向确定系统，比较车辆偏转角速度的变化率和方向盘位置的变化率。通过比较方向盘转角变化的符号和偏转角速度变化的符号来做出方向确定。可以在确定方向以对方向变化提供更快速响应之后监测GPS轨迹。当车辆速度变为零并且GPS轨迹大体反向时指示方向变化。即使在已知方向时，也可以监测方向盘转角和偏转角速度变化以确认方向指示是正确的。

Description

利用车辆偏转角速度和转向位置变化的方向确定
技术领域
本发明涉及自动转向系统，更具体地说，涉及通过车辆偏转角速度和方向盘移动确定车辆操作方向。
背景技术
为了准确工作，用于车辆的自动转向系统必须确认车辆是以前进模式还是后退模式操作。为了使车辆转过给定方向，在车辆以前进方式操作的过程中转向装置的移动通常与在车辆后退的操作过程中装置的移动相反。许多现有的集成的自动转向或跟踪系统可以确定所选定的车辆档位和行进方向。但是，一些非集成转向系统缺少转换器或是可以很容易地将实际车辆操作方向传递到控制器的其他连接件。非集成系统的实例是具有连接在转向柱上或接触现有方向盘的驱动机构以实现自动转向控制的可改型的转向控制装置，例如在我共同受让的2004年12月21日提交的名为自动转向控制的美国专利申请No.11/019,482中所披露的。即使在很容易确定选定档位和方向的系统中，也经常需要进一步的方向确认。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种用于确定车辆方向的改进的系统和方法。另一目的是提供一种克服上述大多或全部问题的系统和方法。
另一目的是提供一种用于确定车辆方向的改进的系统和方法，所述系统和方法可以独立于档位选择开关操作并特别适用于改型的转向控制。
根据本发明构造的系统比较偏转角速度的变化率和方向盘或转向控制位置的变化率。如果方向盘向右转动并且车辆处于前进档，则车辆偏转角速度将向右。如果方向盘向右转动并且车辆处于后退档，则车辆偏转角速度将向左。在车辆起动后，方向被设定为未知。一旦车辆速度、方向盘转动和车辆偏转达到预定临界值，则可以通过比较方向盘转角变化的符号和偏转角度速变化的符号来做出车辆方向确定。如果符号一致，则车辆处于前进档。如果符号不一致，则车辆处于后退档。
本方法的另一改进是可以在确定方向以对方向改变提供更快速响应之后监测GPS轨迹。档车辆速度变为零并且GPS轨迹变化接近180度时指示方向变化。即使在方向已知时，也可以监测方向盘转角和偏转角速度变化以确认方向是正确的。
从按照附图的描述中将会清楚地了解到本发明的这些和其他目的、特征和优点。
附图说明
图1是用于将手动转向系统转化为自动系统的转向结构的示意性表示，所述系统包括方向确定机构。
图2是图1所示转向结构的一部分的分解视图。
图3是表示用于确定车辆方向的方法的流程图。
图4是表示用于在已经做出初始方向确定之后连续监测车辆方向的方法的流程图。
具体实施方式
现在参照图1，其中示出了越野车辆10例如拖拉机或公共汽车具有通过转向轮14支承以在地面上移动的操作员站12。轮14连接在常规转向机构或控制装置16上，其包括支承在转向柱22内的可旋转转向轴20，所述转向柱在操作员站12向上突出。具有手握持部分31的方向盘30被支承在轴20的上端以通过操作者执行手动转向操作。
如图所示，方向盘30是总体以32表示的转换结构的一部分，用于向通常仅装有手动转向的车辆提供自动转向功能。备选地，车辆的原始方向盘可以被安装在转换结构32上。所述转换结构在我的上述名为自动转向控制的待审美国专利申请No.11/19,482中得到详尽的描述。
皮带轮结构34被连接在靠近方向盘30与轴20相连的位置以与轴20一起绕轴线旋转。电机40从柱22上得到支承。皮带轮结构44将电机40驱动连接在皮带轮结构44上。如图所示，皮带轮结构34和44是通过链、常规驱动带或同步皮带装置46连接的皮带轮。但是，还可以采用其他类型的驱动件例如齿轮驱动件。例如，电机可以被安装在转向轴20的端部以在偏离手握持部分31的位置处向轴20提供直接驱动。
处理器50定位在车辆10上并包括通过CAN导线与电机40的输入56相连的控制输出52。电机40上的位置反馈输出58与处理器50的输入相连。如图所示，电机40是电动步进电机，并且反馈装置是定位在电机40上且通过表示电机40移动步数的反馈线58提供信号的编码器。电机40保持以手动转向方式和自动转向方式与转向轴20驱动相连，使得编码器能够以两个方式向处理器50提供轴位置信号。
处理器50与图1中总体由60表示的位置传感器结构例如具有从一个或多个远程位置接收信号62的接收器61的常规全球定位系统(GPS)相连。可以由RTK无线电63提供附加修正输入例如RTK地面差动修正输入，并且可以由地形补偿模块(TCM)65提供地形补偿输入。当车辆10在不平地形上移动时TCM 65修正滚动角和偏转的GPS数据并在下文详细所述的方向确定特征中采用偏转角速度信号。
系统60通过CAN 54与处理器50的输入相连。转向系统单元(SSU)70通过CAN导线71和系统连接器72与CAN导电54和系统显示器73相连。SSU 70从处理器50接收控制信息并经由线58从电机50上的编码器接收位置反馈信息。开关和复位开关78与SSU 70相连。
处理器50确定车辆的位置并将该位置与车辆的所需位置和指定路径进行比较。产生误差信号，并且电机40被致动以根据误差信号移动预定的步数。检测装置例如地面速度和横向速度检测器提供处理器50采用的信号以增加自动转向系统的精度。
如果通过电机编码器向处理器50提交的步数超出处理器预计的范围，则系统认定操作者要控制并切断对步进电机40的动力。同样，如果编码器确定当处理器不要求任何位置变化时存在方向盘移动，则中断对电机40的动力。
适配器支架80将电机40连接在转向柱22上或其他靠近转向轴20上端适宜的位置。支架80包括固定在柱22上并具有与一对臂86的端部可旋转连接的臂支承件86的U形夹具82。第二对臂88可旋转地与臂86的相对端相连并制成电机安装件90。步进电机40螺栓连接在安装件90上并包括容纳皮带轮44的驱动轴94。皮带轮结构34通过由螺栓104和扣环106固定的插入件和支承结构100支承以在安装件90上旋转。可置换插入件110容纳在支承结构100内以与轴20的上端和皮带轮34一起旋转。插入件110具有适于容纳在转向轴20带花键或键的端部上的内构造112以用于被转换成自动转向的特种车辆。盖118被固定在安装件90上并大体上封闭皮带轮结构34和44。结构32可以通过选择性地设置夹具82并旋转臂86和88很容易地得到定位。一旦结构32与插入件110准确定位在转向轴20上，则连动装置80可以被锚固在固定表面上以防止电机组件旋转。
GPS系统60提供速度、轨迹和定时信息。处理器50采用速度信息确定车辆10在移动和停止状态之间的转换的时刻。轨迹信息被用于在已经形成初始方向确定之后连续监测方向。备选地，可以采用由图1中虚线60’表示的任何类型的位置传感器系统提供速度、轨迹和定时信息。
电机40上的编码器经由线58提供被用于测量车辆转向角的转向角信号。尽管该信号被示出由电机40上的编码器产生，但也可以采用由40’表示的其他类型的常规信号产生装置测量四轮驱动车辆10的方向盘转角、实际方向盘转角或铰接角以提供转向角信号。
通过TCM 65向处理器50提供偏转角速度信号。备选地，与车辆10相联合的例如由虚线65’示出的偏转角速度传感器或回转仪可以与处理器50相连。可以通过监测GPS轨迹的变化率或通过采用两个GPS接收器测量车辆姿态来产生偏转角速度信号。处理器50如下文所述执行必要的比较和技术。如图1所示，处理器50包括转向控制器。但是，可以采用其他类型的处理器，例如在GPS系统60或在显示器73上的处理器。
在由100表示的流程开始(图3)后，在步骤102处理器50检查通过GPS 60送入的状态信息以确认是否可以利用GPS。如果在102GPS可以利用，则处理器50从GPS获取车辆速度并在104将其与临界值进行比较。还可以从另外的来源例如车轮速度、雷达速度或其他车辆指示速度获取速度。执行步骤104以确认车辆速度足够高从而保证车速读数不仅是噪声并且确认车辆实际在移动。例如，所示系统采用每小时一英里作为临界速度。
如果在104速度比临界值更大，则在106和108处理器在一定时限内获取方向盘转角变化率或转向控制和偏转角速度。例如，所示系统具有临界值大约为3秒的消逝时间。从GPS信号中获取时间，但还可以从处理器50上的内部定时器中获取定时信息。
在步骤108，处理器50将在步骤106时间间隔内的方向盘转角或转向控制变化与临界值进行比较以确定是否存在足够的控制运动促使偏转角速度变化。通过举例的方式，方向盘转角的当前临界值是45°。如果控制转角大于规定临界值，则在110处理器50将所述时间间隔内的路径曲率变化与临界值进行比较以确定是否转向半径已经改变。采用偏转角速度和地面速度计算曲率。在步骤112将路径曲率信号与控制运动的信号进行比较。如果曲率和控制运动信号相同，则在114方向在处理器50中被设定成是向前。如果曲率和车轮运动信号不相同，则在116方向被设定成是向后。
所述过程可以被重复以确认方向是正确的。如果在操作过程中做出的确定与当前存储的方向不一致，则在此重复所述的一系列问题以确认场地条件没有引起瞬时的错误读数。
参照图4，示出了用于在已经做出方向确定之后连续监测方向的方法。直接对上文描述方法的这种扩充提供对方向改变的快速响应。当车辆速度变为零并且GPS轨迹变化大于预定度数时显示方向变化。
流程在200开始，并且当在202已经建立方向后，在204处理器50将车辆10的速度与临界值进行比较以确定是否车辆已经达到停止。当车辆10已经达到停止时，方向可以从向前变为向后，或者从向后变为向前。当在204确定车辆已经达到停止之后，变为零速度时产生的车辆轨迹在206被存储在处理器50内。随后在步骤208车辆速度被监测并与临界值进行比较以确定车辆开始再次移动的时刻。例如，当前系统的临界值是0.5mph。如果速度不大于临界值，则在210计算偏转角速度的积分并且存储的轨迹通过该值被改变。积分是必要的因为车辆在低于速度临界值移动的同时可以转动。例如，这种运动可以发生在履带拖拉机上，其可以在不向前移动的情况下转动。
一旦速度变得大于临界值，则在212从存储的轨迹中减去新的轨迹。如果差值大于预定角度，例如120°，则在214给出方向颠倒的信号，并且在216方向在处理器中被启用。如果差值小于所述临界值，则方向不发生变化，并且系统回到开始并监测另一变为零速度的变化。
已经描述了优选实施方式，显而易见的是在不脱离由附加权利要求限定的本发明范围的前提下可以做出多种改变。

Claims (20)

1.一种用于通过采用具有可移动转向控制机构的自动转向系统的控制算法提供车辆运动方向指示的方法，当车辆在前进方向上移动时，转向控制机构可以在第一和第二控制方向上移动以使车辆分别向左和向右转动，所述方法包括：
提供车辆偏转角速度检测系统；
提供表示车辆向左和向右转动的偏转角速度信号；
提供表示在第一和第二控制方向上转向控制移动的转向控制方向信号；
当转向控制方向信号表示在第一控制方向上的移动时偏转角速度信号表示车辆向左转动或者当转向控制方向信号表示在第二控制方向上的移动时偏转角速度信号表示车辆向右转动，提供前进方向指示；以及
当转向控制方向信号表示在第一控制方向上的移动时偏转角速度信号表示车辆向右转动或者当转向控制方向信号表示在第二控制方向上的移动时偏转角速度信号表示车辆向左转动，提供后退方向指示。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供转向控制方向信号的步骤包括利用具有编码器的转向电机对车辆方向盘柱进行改型，所述编码器根据方向盘的旋转提供输出信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括提供车辆速度信号并在提供前进或后退方向指示之前确认车辆在预定速度之上移动的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在提供前进或后退方向指示之前从转向控制方向信号中确定是否转向控制移动处于临界值之上的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括采用偏转角速度信号确定车辆路径曲率以及仅在曲率处于临界值之上时改变前进或后退方向指示的步骤。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，包括计算偏转角速度和转向控制移动在预定时限内的变化率的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预定的时限大致为3秒。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在提供前进或后退指示之后连续监测车辆方向、检测车辆停止状态以及确定是否车辆在低于预定临界速度下移动的同时进行旋转的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括当检测到车辆停止状态时存储车辆轨迹，并且如果车辆以预定临界速度或在预定临界速度之上移动，则确定存储的车辆轨迹和新的轨迹之间的差值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括如果存储的车辆轨迹和新轨迹之间的差值大于预定角度则启用方向指示的步骤。
11.一种用于通过采用具有可移动转向控制机构的自动转向系统的控制算法提供车辆运动方向指示的方法，转向控制机构可以在第一和第二控制方向上移动以使车辆分别向左和向右转动，所述方法包括：
提供表示车辆向左和向右转动的车辆偏转角速度信号；
提供表示在第一和第二控制方向上转向控制移动的转向控制方向信号；
将转向控制方向信号变化的符号与偏转角速度信号变化的符号进行比较；
当偏转角速度信号变化和转向控制方向信号变化处于同一方向时提供前进方向指示；以及当偏转角速度信号变化和转向控制方向信号变化处于相反方向时提供后退方向指示。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括提供转向控制方向信号的步骤包括提供具有编码器的转向电机。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括提供车辆速度信号并在提供前进或后退方向指示之前确认车辆在预定速度之上移动的步骤。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括在提供前进或后退方向指示之前从转向控制方向信号中确定是否转向控制移动处于临界值之上的步骤。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括采用偏转角速度信号确定车辆路径曲率以及仅在曲率处于临界值之上时改变前进或后退方向指示的步骤。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，包括计算偏转角速度和转向控制移动在预定时限内的变化率的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述预定的时限大致为3秒。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括在提供前进或后退指示之后连续监测车辆方向、检测车辆停止状态以及确定是否车辆在低于预定临界速度下移动的同时进行旋转的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括当检测到车辆停止状态时存储车辆轨迹、并且如果车辆以预定临界速度或在预定临界速度之上移动，则确定存储的车辆轨迹和新的轨迹之间的差值、如果存储的车辆轨迹和新轨迹之间的差值大于预定角度则启用方向指示。
20.一种在做出方向确认时连续监测车辆方向的方法，所述方法包括：
将车辆速度与临界速度进行比较以确定是否车辆已经达到停止；
将车辆轨迹存储在处理器内，车辆轨迹表示在停止时刻的车辆方向；
在确定车辆已经达到停止之后监测车辆速度；
如果被监测的车辆速度低于设定速度则对车辆偏转进行积分并根据被积分的车辆偏转更新存储的车辆轨迹；
在被监测的车辆速度超过设定速度之后，从更新的存储轨迹中减去表示停止之后新的车辆方向的新轨迹以提供轨迹指示变化；以及
如果轨迹指示变化在预定的临界值之上则改变方向确定。
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