專利名稱：一種智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其控制方法?！?br> 背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)車輛的安全性與智能性要求的不斷提高以及軍事方面的需求，智能車輛正已成為人們的研究熱點(diǎn)。可靠、精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)車輛無人駕駛的重要保障，但是目前尚無定型的智能車輛轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，并且鑒于目前的智能車輛均處于研究調(diào)試階段，車輛行駛過程中不可避免的要進(jìn)行人工干預(yù)，這要求無人駕駛轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)既能工作在無人駕駛自動(dòng)控制模式，又能工作在人工控制模式。為解決智能車輛的轉(zhuǎn)向問題，常見的做法有I、采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒型同步帶傳動(dòng)，控制轉(zhuǎn)向輸入軸；2、在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，加裝額外的控制器，直接接收轉(zhuǎn)向力矩、方向信號(hào)，對(duì)助力電機(jī)進(jìn)行控制；3、直接對(duì)車輛的中央轉(zhuǎn)向搖臂進(jìn)行伺服控制。方法I可以實(shí)現(xiàn)基本的轉(zhuǎn)向控制，但是存在以下問題①在轉(zhuǎn)向輸入軸上增加同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)占用了較大空間，給整車布置帶來了新的挑戰(zhàn)；②由于在無人駕駛過程中，方向盤會(huì)出現(xiàn)隨動(dòng)現(xiàn)象，增大了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角度的精準(zhǔn)控制，同時(shí)影響了乘客體驗(yàn)；③工作在開環(huán)控制模式下的步進(jìn)電機(jī)可能出現(xiàn)失步，影響駕駛安全。方法2對(duì)整車改動(dòng)比較小，只需增加額外的控制器，但存在以下問題①無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向角度控制；②助力電機(jī)的功率一般不足以單獨(dú)完成轉(zhuǎn)向控制普通的助力電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行靜態(tài)轉(zhuǎn)矩輸出，不能實(shí)現(xiàn)巡航控制；④方向盤存在隨動(dòng)問題。方法3能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向角度的精準(zhǔn)控制，但存在普通的伺服電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行靜態(tài)轉(zhuǎn)矩輸出，不能實(shí)現(xiàn)巡航控制的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其控制方法的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)空間占用較大、方向盤隨動(dòng)現(xiàn)象、轉(zhuǎn)向角度不精確的問題?！N智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，包括方向盤(I )、扭矩傳感器(2)、轉(zhuǎn)向輸入軸(3)、模式離合器(4)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(5)、轉(zhuǎn)向輸出軸(6)、旋轉(zhuǎn)編碼器(7)、電動(dòng)機(jī)(8)、安全離合器(9)、轉(zhuǎn)向齒輪(10)、轉(zhuǎn)向齒條(11)、控制器(12)；方向盤(I)經(jīng)扭矩傳感器(2 )與轉(zhuǎn)向輸入軸(3 )相連；轉(zhuǎn)向輸入軸(3 )經(jīng)模式離合器(4 )與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(5 )中的蝸桿相連接，電動(dòng)機(jī)(8)的輸出軸經(jīng)安全離合器(9)與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(5)中的蝸輪相連接；扭矩傳感器(2)、模式離合器(4)、旋轉(zhuǎn)編碼器(7)、電動(dòng)機(jī)(8)及安全離合器(9)均與控制器(12)相連；轉(zhuǎn)向輸出軸(6)與轉(zhuǎn)向齒輪(10)相連，轉(zhuǎn)向齒輪(10)與轉(zhuǎn)向齒條(11)嚙合。所述模式離合器(4)為常合型單片干式電磁離合器。所述安全離合器(9)為常開型剛性電磁離合器。
所述電動(dòng)機(jī)(8)為直流無刷力矩型伺服電機(jī)?！N智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制方法,采用上述的智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過模式選擇開關(guān)設(shè)定模式離合器的工作方式；選擇模式離合器對(duì)應(yīng)工況的控制方法對(duì)控制器進(jìn)行控制，從而完成對(duì)車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制。當(dāng)通過模式選擇開關(guān)將控制模式設(shè)定為無人駕駛自動(dòng)控制模式時(shí)，控制器(12)采用位置伺服控制算法實(shí)施控制；當(dāng)通過模式選擇開關(guān)將控制模式設(shè)定為人工控制模式時(shí)，控制器(12)采用力矩控制算法實(shí)施控制。當(dāng)通過模式選擇開關(guān)將控制模式設(shè)定為無人駕駛自動(dòng)控制模式時(shí)，控制器(12 )根據(jù)從駕駛決策終端接收到的轉(zhuǎn)向指令，根據(jù)轉(zhuǎn)向指令的方向?qū)D(zhuǎn)向信號(hào)燈進(jìn)行控制。還包括系統(tǒng)故障控制，控制器根據(jù)故障的等級(jí)決定是否將安全離合器分離；所述系統(tǒng)故障包括電機(jī)過流、電機(jī)失效、扭矩傳感器失效、車速信號(hào)故障、系統(tǒng)供電電壓故障；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制器將通過工作指示燈和CAN總線輸出相應(yīng)的故障閃碼和故障代碼。 有益效果本發(fā)明一種智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其控制方法，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括方向盤、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向輸入軸、模式離合器、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向輸出軸、旋轉(zhuǎn)編碼器、電動(dòng)機(jī)、安全離合器、轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向齒條、控制器；方向盤經(jīng)扭矩傳感器與轉(zhuǎn)向輸入軸相連；轉(zhuǎn)向輸入軸經(jīng)模式離合器與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)中的蝸桿相連接，電動(dòng)機(jī)的輸出軸經(jīng)安全離合器與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)中的蝸輪相連接；控制器通過對(duì)模式選擇開關(guān)的判斷，在兩種控制模式中選擇相應(yīng)的控制模式，既實(shí)現(xiàn)了無人駕駛自動(dòng)控制模式的精準(zhǔn)角度和角速度控制，又實(shí)現(xiàn)了人工控制模式的良好駕駛體驗(yàn)；高可靠性的安全冗余設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的安全駕駛；能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間巡航控制。


圖I是本發(fā)明涉及的智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中控制器工作于位置伺服模式時(shí)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明中控制器工作于轉(zhuǎn)矩控制模式時(shí)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖例說明I-方向盤；2_扭矩傳感器；3_轉(zhuǎn)向輸入軸；4_模式離合器；5_蝸輪蝸桿；6-轉(zhuǎn)向輸出軸-J-旋轉(zhuǎn)編碼器；8_直流無刷力矩伺服電機(jī)；9_安全離合器；10_轉(zhuǎn)向齒輪；11_轉(zhuǎn)向齒條；12_控制器。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合具體實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括方向盤(I)、扭矩傳感器(2)、轉(zhuǎn)向輸入軸(3)、模式離合器(4)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(5)、轉(zhuǎn)向輸出軸(6)、旋轉(zhuǎn)編碼器(7)、直流無刷力矩型伺服電機(jī)(8)、安全離合器(9)、轉(zhuǎn)向齒輪(10)、轉(zhuǎn)向齒條(11)及控制器(12)。方向盤(I)經(jīng)扭矩傳感器(2)與轉(zhuǎn)向輸入軸(3)相連；轉(zhuǎn)向輸入軸(3 )經(jīng)模式離合器(4 )與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(5 )中的蝸桿相連接，電動(dòng)機(jī)(8)的輸出軸經(jīng)安全離合器(9)與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(5)中的蝸輪相連接；扭矩傳感器(2)、模式離合器(4)、旋轉(zhuǎn)編碼器(7)、電動(dòng)機(jī)(8)及安全離合器(9)均與控制器(12)相連；轉(zhuǎn)向輸出軸(6)與轉(zhuǎn)向齒輪(10)相連，轉(zhuǎn)向齒輪(10)與轉(zhuǎn)向齒條(11)嚙合。如圖2所示，控制器采用TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器，通過GPIO接口采集點(diǎn)火信號(hào)、模式選擇信號(hào)、方向信號(hào)并對(duì)模式離合器、安全離合器、左轉(zhuǎn)向燈、右轉(zhuǎn)向燈、工作指示燈進(jìn)行控制，通過定時(shí)/捕捉接口采集車速信號(hào)和脈沖給定信號(hào)以及旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的轉(zhuǎn)速/位置信號(hào)，通過AD轉(zhuǎn)換接口采集電流信號(hào)和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，通過PWM輸出接口對(duì)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，通過六管MOSFET逆變橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的正弦波脈沖寬度調(diào)制控制，通過 CAN總線實(shí)現(xiàn)與設(shè)置終端和決策終端的通信?？刂破魍ㄟ^檢測(cè)外部模式選擇開關(guān)信號(hào)，判斷工作于無人駕駛自動(dòng)控制模式或是人工控制模式。當(dāng)工作于自動(dòng)駕駛模式時(shí)，模式離合器分離，控制器采用如圖3所示的位置伺服算法，該算法為常用的技術(shù)手段，此時(shí)控制器的位置給定信息由駕駛決策終端經(jīng)過CAN總線發(fā)出，并且控制器根據(jù)CAN總線信號(hào)中包含的轉(zhuǎn)角信息的方向?qū)D(zhuǎn)向燈進(jìn)行控制；如圖3所示的位置伺服算法中，電流閉環(huán)控制可以抑制起動(dòng)、制動(dòng)電流，加速電流的相應(yīng)過程。速度環(huán)負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和調(diào)節(jié)，抑制負(fù)載波動(dòng)。位置環(huán)負(fù)責(zé)位置的伺服控制，位置調(diào)節(jié)器的輸出限幅值決定著伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)工作于人工控制模式時(shí)，模式離合器結(jié)合，控制器采用如圖4所示的力矩控制算法，該算法為常用的技術(shù)手段，此時(shí)控制器的輸入信號(hào)為采集安裝于轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和來自脈沖信號(hào)的車速信息，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和車速信號(hào)，對(duì)電機(jī)的助力特性曲線進(jìn)行查表，得出助力電流的目標(biāo)值，同時(shí)伺服控制器放棄對(duì)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈的控制權(quán)，使操作者進(jìn)行人工控制。例如，某一時(shí)刻扭矩傳感器輸出的扭矩信號(hào)為O. 5Nm，車速為50Km/H，經(jīng)查表得到目標(biāo)電流值2A，那么PI控制器的輸入為實(shí)際電流值與目標(biāo)電流值之差，PI控制器保證輸出的電流值穩(wěn)定在2A，確保電機(jī)輸出恒定的助力轉(zhuǎn)矩。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制器將通過工作指示燈和CAN總線輸出相應(yīng)的故障閃碼和故障代碼，可通過設(shè)置終端進(jìn)行故障診斷?？刂破鲿?huì)根據(jù)故障的等級(jí)決定是否將安全離合器分離。系統(tǒng)故障包括電機(jī)過流、電機(jī)失效、扭矩傳感器失效、車速信號(hào)故障、系統(tǒng)供電電壓故障。當(dāng)控制器檢測(cè)到電機(jī)過流時(shí)，會(huì)通過工作指示燈輸出三長(zhǎng)一短的閃碼指示，并通過CAN總線報(bào)告故障代碼，同時(shí)控制器會(huì)自動(dòng)降低輸出電流，此故障對(duì)行車的安全危害較小，不會(huì)進(jìn)行安全離合器分離；當(dāng)控制器在3秒內(nèi)連續(xù)檢測(cè)到3次電機(jī)過流故障時(shí)，即認(rèn)為電機(jī)失效，會(huì)通過工作指示燈輸出一長(zhǎng)一短的閃碼指示，并通過CAN總線報(bào)告故障代碼，同時(shí)由于電機(jī)失效會(huì)嚴(yán)重影響行車安全，故會(huì)將安全離合器分離。在無人駕駛自動(dòng)控制模式時(shí)將模式離合器分離，可以大大降低系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位置伺服，同時(shí)還避免了方向盤的隨動(dòng)，改善了乘客體驗(yàn)。模式離合器采用常合型單片干式電磁離合器可以在系統(tǒng)掉電或者伺服控制器發(fā)生故障時(shí)保證模式離合器的結(jié)合，保證了人工控制的有效，提高的系統(tǒng)的安全性。采用直流無刷力矩型伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-電流特性具有很高的線性度，使得轉(zhuǎn)矩控制更精確。力矩電機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)轉(zhuǎn)矩輸出，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠進(jìn)行巡航控制。采用空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直流無刷力矩型伺服電機(jī)進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于提高控制精度。由于直流無刷力矩性伺服電機(jī)是永磁電機(jī)，若發(fā)生繞組短路等故障，將會(huì)產(chǎn)生很大的阻尼轉(zhuǎn)矩，嚴(yán)重影響了車輛的安全。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，將安全離合器分離可以有效降低此類故障對(duì)車輛安全的影響。安全離合器采用常開型剛性電磁離合器，可以在伺服控制器發(fā)生故障時(shí)保證安全離合器的分離，提高了系統(tǒng)的安全性。采用剛性電磁離合器，可以避免離合器結(jié)合后兩軸發(fā)生相對(duì)滑轉(zhuǎn)，提聞了系統(tǒng)的控制精度。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括方向盤(I)、扭矩傳感器(2)、轉(zhuǎn)向輸入軸(3)、模式離合器(4)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(5)、轉(zhuǎn)向輸出軸(6)、旋轉(zhuǎn)編碼器(7)、電動(dòng)機(jī)(8)、 安全離合器(9)、轉(zhuǎn)向齒輪(10)、轉(zhuǎn)向齒條(11)、控制器(12)；方向盤(I)經(jīng)扭矩傳感器(2 )與轉(zhuǎn)向輸入軸(3 )相連；轉(zhuǎn)向輸入軸(3)經(jīng)模式離合器(4)與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(5)中的蝸桿相連接，電動(dòng)機(jī) (8)的輸出軸經(jīng)安全離合器(9)與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(5)中的蝸輪相連接；扭矩傳感器(2)、模式離合器(4)、旋轉(zhuǎn)編碼器(7)、電動(dòng)機(jī)(8)及安全離合器(9)均與控制器(12)相連；轉(zhuǎn)向輸出軸(6)與轉(zhuǎn)向齒輪(10)相連，轉(zhuǎn)向齒輪(10)與轉(zhuǎn)向齒條(11)嚙合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述模式離合器(4)為常合型單片干式電磁離合器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述安全離合器(9)為常開型剛性電磁離合器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)(8)為直流無刷力矩型伺服電機(jī)。
5.一種智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制方法，其特征在于，采用基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過模式選擇開關(guān)設(shè)定模式離合器的工作方式；選擇模式離合器對(duì)應(yīng)工況的控制方法對(duì)控制器進(jìn)行控制，從而完成對(duì)車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制方法，其特征在于，當(dāng)通過模式選擇開關(guān)將控制模式設(shè)定為無人駕駛自動(dòng)控制模式時(shí)，控制器(12)采用位置伺服控制算法實(shí)施控制；當(dāng)通過模式選擇開關(guān)將控制模式設(shè)定為人工控制模式時(shí)，控制器(12)采用力矩控制算法實(shí)施控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制方法，其特征在于，當(dāng)通過模式選擇開關(guān)將控制模式設(shè)定為無人駕駛自動(dòng)控制模式時(shí)，控制器(12)根據(jù)從駕駛決策終端接收到的轉(zhuǎn)向指令，根據(jù)轉(zhuǎn)向指令的方向?qū)D(zhuǎn)向信號(hào)燈進(jìn)行控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制方法，其特征在于，還包括系統(tǒng)故障控制，控制器根據(jù)故障的等級(jí)決定是否將安全離合器分離；所述系統(tǒng)故障包括電機(jī)過流、電機(jī)失效、扭矩傳感器失效、車速信號(hào)故障、系統(tǒng)供電電壓故障；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制器將通過工作指示燈和CAN總線輸出相應(yīng)的故障閃碼和故障代碼。
全文摘要
一種智能車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其控制方法，包括方向盤、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向輸入軸、模式離合器、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向輸出軸、旋轉(zhuǎn)編碼器、電動(dòng)機(jī)、安全離合器、轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向齒條、控制器；方向盤經(jīng)扭矩傳感器與轉(zhuǎn)向輸入軸相連；方向盤經(jīng)扭矩傳感器與轉(zhuǎn)向輸入軸相連；轉(zhuǎn)向輸入軸經(jīng)模式離合器與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)中的蝸桿相連接，電動(dòng)機(jī)的輸出軸經(jīng)安全離合器與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)中的蝸輪相連接；無人駕駛時(shí)，控制器選擇位置伺服控制方法，實(shí)現(xiàn)了無人駕駛自動(dòng)控制模式的精準(zhǔn)角度和角速度控制；人工控制時(shí)，控制器選擇力矩控制方法，實(shí)現(xiàn)了人工控制模式的良好駕駛體驗(yàn)；高可靠性的安全冗余設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的安全駕駛；能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間巡航控制。
文檔編號(hào)B62D101/00GK102923183SQ201210415419
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者王耀南, 申永鵬, 袁小芳, 孟步敏, 盧斌, 張小亮, 周翔 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)