CN211055232U - 一种集成式手自一体化方向盘 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集成式手自一体化方向盘，涉及车辆自动驾驶领域。该方向盘包括转向盘轴系、步进电机驱动轴系和转向盘转角测量轴系；本实用新型通过控制器接收上位机传输的方向盘目标转角与转向信号，并采集角度传感器的信号，按本实用新型分析方向盘的当前操作状态，控制器可自动判断3种异常情况：人工抱持方向盘不动、人工与步进电机同向转动方向盘和人工与步进电机反向转动方向盘，此时控制器将方向盘切换为手动驾驶模式。当方向盘处于自动驾驶时，采用速度位置双闭环PID控制原理，使转向轴按给定方向与速度实时跟踪方向盘的目标转角，方向盘转角更加精确。

Description

一种集成式手自一体化方向盘

技术领域

本实用新型涉及到车辆自动驾驶领域，尤其涉及到一种集成式手自一体化方向盘

背景技术

自动转向系统是自动驾驶车辆的重要组成部分，该系统的性能会直接影响导航的可靠性和平稳性，因此设计合适的用于自动转向系统的方向盘对自动转向系统至关重要。现有技术中一般去掉车辆原有的方向盘，加装一个电动方向盘装置，且电动方向盘装置由电机作为动力源直接驱动或者通过传动机构间接驱动方向盘转动，从而实现旋转方向盘转向轴的目的。但是，由于电机转动的角度存在偏差以及机械传动误差，会导致电动方向盘转向不精确。另外，在车辆自动驾驶过程中，电机带动方向盘转向轴转动，若车辆遇到突发情况，方向盘应能被操作人员手工操控，避免发生安全事故。但目前的电动方向盘存在自动与手动强制切换损坏电机的问题，或者无法人工操控方向盘，存在安全隐患。

实用新型内容

本实用新型针对目前市场上电动方向盘存在的技术缺陷，设计了一种集成式手自一体化方向盘，使其能够对电机的转角转速与方向进行反馈与调整，并且能够在自动驾驶与手动驾驶之间自由切换，实现安全驾驶且保护方向盘的电机，从而提高了自动转向系统的精确性和安全性。

本实用新型是通过如下技术方案得以实现的：

一种集成式手自一体化方向盘，包括转向盘轴系Ⅰ、步进电机驱动轴系Ⅱ和转向盘转角测量轴系Ⅲ；

所述转向盘轴系Ⅰ包括转向盘、转向轴；转向盘安装在转向轴的一端，转向轴上同轴设置有第一齿轮和第三齿轮转向轴的另一端通过花键套与车辆转向柱连接；

所述步进电机驱动轴系Ⅱ包括步进电机和第二齿轮，步进电机的输出端与减速器连接，减速器的输出端上安装有第二齿轮；

所述转向盘转角测量轴系Ⅲ包括第四齿轮、套筒轴和角度传感器，套筒轴的输入端安装有第四齿轮，输出端与角度传感器的输入端连接；

所述第一齿轮与第二齿轮可啮合，第三齿轮与第四齿轮啮合。

进一步的，所述第一齿轮与转向轴之间设置有扭矩限制器，所述扭矩限制器内圈与转向轴键连接，第一齿轮与扭矩限制器外圈同轴滑套连接。

进一步的，还包括状态切换开关，所述状态切换开关设置在转向盘上，当状态切换开关为“关”状态时，步进电机失能，可手动转向盘。

进一步的，当状态切换开关为“开”状态时，手动转向盘，扭矩限制器与第一齿轮之间打滑，方向盘处于手动驾驶模式，步进电机驱动轴系(Ⅱ)不工作。

进一步的，当状态切换开关为“开”状态时，步进电机使能，控制器通过航空插头接收来自上位机的方向盘目标转角、转速与转向信号，将目标转角与角度传感器提供的方向盘当前位置作比较，控制器发出指令给步进电机驱动器使步进电机转动，按给定方向与速度实时跟踪方向盘的目标转角。

进一步的，所述第四齿轮与第三齿轮传动比为3，角度传感器感知转向轴正转与反转各1.5圈的转角。

集成式手自一体化方向盘的控制方法，包括如下模式：

集成式手自一体化方向盘的控制方法可自动判断3种异常情况：

人工抱持方向盘不动、人工与步进电机同向转动方向盘、人工与步进电机反向转动方向盘；

控制器采集上位机传输的方向盘目标转角θ、转向信号和角度传感器的信号θ₀，通过θ₀计算转向轴实际转角θ₁，在n个采样间隔时间内将转向轴实际转角θ₁与目标转角θ作差得到角度偏差e(t)以及角度偏差变化率EC(t)，通过PID算法实时解算步进电机的目标速度ω，再将步进电机目标速度ω作为PID控制器的输入量，脉冲频率为输出变量，控制步进电机通过步进电机驱动轴系Ⅱ带动转向盘轴系Ⅰ转动，使转向轴实际转角θ₁实时跟踪上位机发送的目标转角θ，此时e(t₁)＜e(t₂)＜……＜e(t_n)，且|EC(t)-ω|＜ε₁，当角度偏差e(t_n)＜ε₂时，控制器将方向盘当前位置反馈给上位机，步进电机停止转动，其中ε₁与ε₂为设定精度值；

在此控制过程中，若出现下述3种情况，控制器发送信号给步进电机驱动器使步进电机失能，给上位机发出警报信号，将转向盘切换为手动驾驶模式；

若e(t₁)＝e(t₂)＝……＝e(t_n)，则判断方向盘属于人工抱持方向盘不动的情况；

若θ₁≤θ，且e(t₁)＜e(t₂)＜……＜e(t_n)，|EC(t)-ω|＞ε₁，则判断方向盘属于人工与步进电机同向转动的情况；若θ₁＞θ，目标速度ω＜0，也判断方向盘属于人工与步进电机同向转动的情况；

若e(t₁)＞e(t₂)＞……＞e(t_n)，则判断方向盘属于人工与步进电机反向转动的情况。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的技术方案可使方向盘在转向过程中能够对转向轴的转角、转速与方向进行反馈与调整，使得方向盘的转角更加精确，本实用新型能够使方向盘在自动驾驶与手动驾驶之间自由切换，允许操作人员强制干预方向盘，提高了自动转向系统的安全性，同时保护了方向盘的电机。

2、本实用新型的技术方案能够使方向盘在自动驾驶与手动驾驶之间自由切换，允许操作人员强制干预方向盘，提高自动转向系统的安全性，同时保护了方向盘的电机。

3、本实用新型所述的集成式手自一体化方向盘，采用带减速器的五七两相混合式步进电机作为方向盘的驱动源，满足方向盘快速响应上位机指令的同时保持大扭矩输出的要求。

4、第一齿轮与转向轴之间设置有扭矩限制器，扭矩限制器内圈与转向轴键连接，第一齿轮与扭矩限制器外圈同轴滑套连接，该种结构设计起到防错或者防呆的目的，在手动模式下，如果步进电机工作，当第二齿轮要带动第一齿轮转动时，扭矩限制器将与第一齿轮滑开，从而转向轴不会被第二齿轮带动，从而起到防呆的效果。

附图说明

图1是本实用新型涉及到的方向盘的结构组成图；

图2是本实用新型涉及到的方向盘的结构示意图；

图3是本实用新型图1涉及到的控制系统的流程图；

图4是本实用新型涉及到的速度位置双闭环PID控制原理图。

附图标记如下：

Ⅰ-转向盘轴系、Ⅱ-步进电机驱动轴系、Ⅲ-转向盘转角测量轴系、1-转向盘、2-转向轴、3-扭矩限制器、4-第一齿轮、5-第二齿轮、6-减速器支撑板、7-减速器、8-电机支撑板、9-步进电机、10-轴承端盖、11-第三齿轮、12-第四齿轮、13-U型架、14-套筒轴、15-传感器支撑板、16-角度传感器、17-花键套、18-车辆转向柱、19-法兰盘、20-轴承座、21-步进电机驱动器、22-控制器、23-电压转换器、24-电路板、25-航空插头、26-上箱盖、27-箱体、28-下箱盖、29-状态切换开关。

具体实施方式

为对本实用新型做进一步的了解，现结合附图进行如下说明：

结合附图1和2，集成式手自一体化方向盘包括转向盘轴系Ⅰ、步进电机驱动轴系Ⅱ、转向盘转角测量轴系Ⅲ、步进电机驱动器21、控制器22、电压转换器23、电路板24、航空插头25、上箱盖26、箱体27、下箱盖28和状态切换开关29。其中，转向盘轴系Ⅰ包括转向盘1、转向轴2、扭矩限制器3、第一齿轮4、第三齿轮11、花键套17、车辆的转向柱18、法兰盘19、轴承座20；步进电机驱动轴系Ⅱ包括第二齿轮5、减速器支撑板6、电机减速器7、电机支撑板8、步进电机9；转向盘转角测量轴系Ⅲ包括轴承端盖10、第四齿轮12、U型架13、套筒轴14、传感器支撑板15、角度传感器16。

第一齿轮4套在扭矩限制器3上，然后扭矩限制器3上下板把第一齿轮4压紧，当发生过载，传递扭矩超过设定值，便使扭矩限制器3的上下板和第一齿轮4打滑，从而起到防呆的目的。

其中，转向盘1与转向轴2上端采用键连接并用螺母进行轴端固定，转向轴2下端开有花键齿，在此处连接有一个花键套17；转向轴2通过键连接扭矩限制器3，扭矩限制器3同轴滑套安装有第一齿轮4，从而保证手动干预转向盘1时扭矩限制器3与第一齿轮4之间打滑，步进电机驱动轴系Ⅱ不起作用，方向盘处于手动驾驶模式；减速器7通过螺栓安装于减速器支撑板6，减速器7的输出轴和第二齿轮5通过键连接并用螺钉进行轴端固定；步进电机9通过螺栓安装于电机支撑板8，步进电机9的输出轴与电机减速器7采用键连接；第一齿轮4与第二齿轮5相啮合，从而步进电机驱动轴系Ⅱ转动能同步带动转向盘轴系Ⅰ转动；第三齿轮11焊死在转向轴2上，第四齿轮12与第三齿轮11相啮合；U型架13与传感器支撑板15上下端面通过螺钉连接；传感器支撑板15下端面加工有轴承座，上端面开有通孔并通过螺钉与轴承端盖10连接；套筒轴14与第四齿轮12通过键连接，套筒轴14通过传感器支撑板15上下端面的轴承传感器支撑板15连接，这样可以实现套筒轴14与传感器支撑板15的相对转动；角度传感器16与传感器支撑板15通过螺钉连接，套筒轴14空套在角度传感器16输入轴上并采用键连接，使得套筒轴14能够带动角度传感器16的输入轴转动且能够限制套筒轴14与角度传感器16输入轴之间的相对位移，从而转向盘轴系Ⅰ转动能同步带动转向盘转角测量轴系Ⅲ转动；减速器支撑板6、电机支撑板8、传感器支撑板15通过螺栓螺母固定在箱体27上；上箱盖26、下箱盖28套在箱体27上并通过紧固螺栓固定；下箱盖28的正中央开有圆形孔，车辆的转向柱18由此处穿过并通过花键套17与转向轴2连接，下箱盖28下方有法兰盘19，用于将箱体27固定在车辆上，上箱盖26开有一个放轴承座20的槽，轴承座20焊死在槽内，转向轴2通过轴承和上箱盖26连接，这样可以实现转向轴2带动车辆的转向柱18和箱体27相对转动；步进电机驱动器21通过螺钉固定在下箱盖28上；控制器22、电压转换器23通过螺钉固定在电路板24上，电路板24通过螺钉固定在箱体27上；航空插头25安装在箱体27上；状态切换开关29安装在转向盘1上。

步进电机驱动器21分别与步进电机9与控制器22电连接，控制器22还与角度传感器16电连接，航空插头25电源线通过电压转换器23与控制器22电连接，航空插头25信号线连接控制器22的232接口。

结合附图3、图4所示一种集成式手自一体化方向盘控制方法，包括如下步骤：

步骤一：控制器22检测转向盘1上状态切换开关29为“开”或“关”状态，若状态切换开关29为“开”状态，方向盘处于自动驾驶模式，控制器22发送信号给步进电机驱动器21使步进电机9使能；若状态切换开关29为“关”状态，方向盘处于手动驾驶模式，控制器22发送信号给步进电机驱动器21使步进电机9失能；

步骤二：在方向盘处于自动驾驶模式下，控制器22通过232串口与上位机进行信号传输，控制器22采集上位机传输的方向盘目标转角θ与转向信号，同时控制器22根据角度传感器16发送的角度检测信息计算转向轴2实际转角θ₁，角度传感器16由于采用的是霍尔传感器，反馈信号为电压，需将电压模拟信号转化为角度值数字信号，控制器22在n个采样间隔时间内将转向轴2实际转角θ₁与目标转角θ作差得到角度偏差e(t)以及角度偏差变化率EC(t)，若角度偏差e(t_n)小于稳态偏差ε₂时，控制器22控制步进电机9自锁，将方向盘当前位置反馈给上位机；若角度偏差e(t_n)大于稳态偏差ε₂时，控制器22进入位置控制环，位置控制环的PID控制器输出量转换成步进电机9目标速度ω输入给速度环，速度环的控制输出量作为控制步进电机9运行速度的脉冲频率，使步进电机9通过步进电机驱动轴系Ⅱ带动转向盘轴系Ⅰ转动，从而使转向轴实际转角θ₁实时跟踪上位机发送的目标转角θ，此时e(t₁)＜e(t₂)＜……＜e(t_n)，且|EC(t)-ω|＜ε₁，ε₁为设定精度值。

步骤三：在步骤二进行的过程中，控制器22判断角度偏差e(t)、角度偏差变化率EC(t)和步进电机9目标速度ω之间的关系，若出现下述3种情况，控制器22发送信号给步进电机驱动器21使步进电机9失能，给上位机发出警报信号，将方向盘切换为手动驾驶模式。

第1种情况：若e(t₁)＝e(t₂)＝……＝e(t_n)，则判断方向盘属于人工抱持方向盘不动的情况。

第2种情况：若θ₁≤θ，且e(t₁)＜e(t₂)＜……＜e(t_n)，|EC(t)-ω|＞ε₁，则判断方向盘属于人工与步进电机同向转动的情况；若θ₁＞θ，目标速度ω＜0，也判断方向盘属于人工与步进电机同向转动的情况。

第3种情况：若e(t₁)＞e(t₂)＞……＞e(t_n)，则判断方向盘属于人工与步进电机反向转动的情况。

上述技术方案中，步骤2中所述的采样间隔为20ms，为优选过后的采样间隔。包括控制器运算以及电机启动时间。

所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种集成式手自一体化方向盘，其特征在于，包括转向盘轴系Ⅰ、步进电机驱动轴系Ⅱ和转向盘转角测量轴系Ⅲ；

所述转向盘轴系Ⅰ包括转向盘(1)、转向轴(2)；转向盘(1)安装在转向轴(2)的一端，转向轴(2)上同轴设置有第一齿轮(4)和第三齿轮(11)转向轴(2)的另一端通过花键套(17)与车辆转向柱(18)连接；

所述步进电机驱动轴系Ⅱ包括步进电机(9)和第二齿轮(5)，步进电机(9)的输出端与减速器(7)连接，减速器(7)的输出端上安装有第二齿轮(5)；

所述转向盘转角测量轴系Ⅲ包括第四齿轮(12)、套筒轴(14)和角度传感器(16)，套筒轴(14)的输入端安装有第四齿轮(12)，输出端与角度传感器(16)的输入端连接；

所述第一齿轮(4)与第二齿轮(5)可啮合，第三齿轮(11)与第四齿轮(12)啮合；所述第一齿轮(4)与转向轴(2)之间设置有扭矩限制器(3)，所述扭矩限制器(3)内圈与转向轴(2)键连接，第一齿轮(4)与扭矩限制器(3)外圈同轴滑套连接。

2.根据权利要求1所述的集成式手自一体化方向盘，其特征在于，还包括状态切换开关(29)，所述状态切换开关(29)设置在转向盘(1)上，当状态切换开关(29)为“关”状态时，步进电机(9)失能，可手动转向盘(1)。

3.根据权利要求1所述的集成式手自一体化方向盘，其特征在于，当状态切换开关(29)为“开”状态时，手动转向盘(1)，扭矩限制器(3)与第一齿轮(4)之间打滑，方向盘处于手动驾驶模式，步进电机驱动轴系(Ⅱ)不工作。

4.根据权利要求1所述的集成式手自一体化方向盘，其特征在于，当状态切换开关(29)为“开”状态时，步进电机(9)使能，控制器(22)通过航空插头(25)接收来自上位机的方向盘目标转角、转速与转向信号，将目标转角与角度传感器(16)提供的方向盘当前位置作比较，控制器(22)发出指令给步进电机驱动器(21)使步进电机(9)转动，按给定方向与速度实时跟踪方向盘的目标转角。

5.根据权利要求1所述的集成式手自一体化方向盘，其特征在于，所述第四齿轮(12)与第三齿轮(11)传动比为3，角度传感器(16)感知转向轴(2)正转与反转各1.5圈的转角。

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