本發(fā)明涉及一種具有可調(diào)限位及回正的力觸覺引導(dǎo)輔助轉(zhuǎn)向裝置,屬于車輛智能駕駛技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前傳統(tǒng)機(jī)械汽車的性能已經(jīng)相當(dāng)成熟，為了進(jìn)一步提高車輛在各種工況下的舒適性和安全性，就需要采用一系列的電子輔助駕駛系統(tǒng)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以電線連接代替機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向控制，不僅可以改善駕駛性能、提升車輛的操縱性，而且可以提高汽車的主動(dòng)安全性和駕駛舒適性，因而被認(rèn)為能更好的應(yīng)用于下一代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的車輛，駕駛員能夠通過轉(zhuǎn)向盤與車輪的機(jī)械連接獲得外部信息，如通過轉(zhuǎn)向反作用扭矩獲取路面信息、感知車輛運(yùn)行的路面環(huán)境。而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有相應(yīng)的機(jī)械連接，因此其轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比和路感可以自由設(shè)計(jì)。隨著轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展，通過車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供反饋已經(jīng)成為可能。

傳統(tǒng)上，視覺和聽覺反饋是常用的輔助駕駛技術(shù)，研究表明，視覺和聽覺反饋已被證實(shí)是非常有效的駕駛輔助技術(shù)。目前各大汽車廠商基于視覺及聽覺反饋開發(fā)了各種駕駛員輔助系統(tǒng)，如避碰系統(tǒng)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、視野增強(qiáng)/夜視系統(tǒng)、駕駛員狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)等，用以簡化駕駛操作，減輕駕駛員疲勞。然而無論是聽覺反饋還是視覺反饋，駕駛員均需一定的反應(yīng)時(shí)間和判斷處理時(shí)間，并且隨著駕駛時(shí)間的增加，駕駛員的感覺過載可能會(huì)發(fā)生，這一定程度上延誤了突發(fā)狀況下的最佳操作時(shí)機(jī)；此外視覺反饋易造成駕駛員視覺疲勞，聽覺反饋易受到道路噪聲的干擾等問題。

由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與遙操作系統(tǒng)之間有許多相似之處，轉(zhuǎn)向盤模塊轉(zhuǎn)向盤模塊為主操作模塊，轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊為操控模塊。因此將遙操作領(lǐng)域的力反饋、觸覺引導(dǎo)控制技術(shù)引入車輛的操縱裝置，開發(fā)車輛新型的駕駛輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛駕駛時(shí)方向盤對(duì)駕駛員行為的觸覺引導(dǎo)，提高車輛操控的智能與安全。

相比傳統(tǒng)的視覺與聽覺輔助駕駛技術(shù)，方向盤處的觸覺反饋能夠更有效地為駕駛員提供駕駛輔助。方向盤處的觸覺反饋有能力通過振動(dòng)、扭矩及其他的形式提供駕駛員傳統(tǒng)車輛的駕駛感覺。通過力反饋增加駕駛員對(duì)車輛周圍環(huán)境信息和駕駛條件的了解，從而減少駕駛員的分心，有助于培養(yǎng)駕駛員更好的駕駛決策意識(shí)。有學(xué)者研究了車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)視覺、聽覺和觸覺反饋的誤差反饋和車輛的駕駛性能，研究表明基于觸覺反饋的用戶在實(shí)際的車輛轉(zhuǎn)向過程中相對(duì)其他兩種反饋的駕駛表現(xiàn)更好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有可調(diào)限位及回正的力觸覺引導(dǎo)輔助轉(zhuǎn)向裝置，其不僅可以通過力矩電機(jī)來提供駕駛員以觸覺引導(dǎo)，而且添加了可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置；可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置，通過彈簧、絲杠機(jī)構(gòu)可以逼真地模擬實(shí)際轉(zhuǎn)向的感覺；絲杠螺母處于中間位置時(shí)，兩端處于壓縮位置的彈簧，使絲杠螺母處于平衡狀態(tài)；當(dāng)絲杠螺母偏向任何一側(cè)位置，一端彈簧壓縮程度加深，另一側(cè)彈簧相對(duì)放松，絲杠螺母受力不平衡，由于絲桿螺母只能沿中間槽滑動(dòng)，從而絲杠帶動(dòng)方向盤回正；可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置，可以通過導(dǎo)向槽中的梯形螺母相對(duì)平衡位置的距離來調(diào)節(jié)限位范圍；與之配套的螺栓通過擰緊使梯形螺母產(chǎn)生與導(dǎo)向槽之間的預(yù)緊力固定限位機(jī)構(gòu)，通過螺柱的阻擋從而限制絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)范圍，此外限位擋板可以保證兩側(cè)的限位螺栓處于同一豎直位置以防絲杠螺母運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生側(cè)傾。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種具有可調(diào)限位及回正的力觸覺引導(dǎo)輔助轉(zhuǎn)向裝置，由轉(zhuǎn)向裝置硬件部分和電機(jī)控制系統(tǒng)組成，其特征在于：方向盤與可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置的絲杠一端連接，可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置的絲杠另一端通過第一聯(lián)軸器與扭矩傳感器前端連接，扭矩傳感器后端通過第二聯(lián)軸器與力矩電機(jī)上的減速器連接，力矩電機(jī)后端布置有增量式光電編碼器，力矩電機(jī)和減速器底部均與底板固定連接。

電機(jī)控制系統(tǒng)包括力矩檢測(cè)模塊、電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊。采用扭矩傳感器檢測(cè)絲杠受到的扭矩，通過串口與上位機(jī)采用rs232進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。bhos8010驅(qū)動(dòng)器的供電接口與力矩電機(jī)的供電端連接，bhos8010驅(qū)動(dòng)器上的rs232通信接口與上位機(jī)串口連接，bhos8010驅(qū)動(dòng)器上增量式編碼器的輸入接口，將增量式光電編碼器與驅(qū)動(dòng)器相連，并通過驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。

在上述裝置的基礎(chǔ)上研究觸覺引導(dǎo)力的生成方法、駕駛員人手操縱力和回正力以及觸覺引導(dǎo)力融合的人-機(jī)共享控制方法，具體步驟如下：

s1、車輛行駛時(shí)引導(dǎo)力的構(gòu)建，分別建立方向盤到力感反饋電機(jī)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)到轉(zhuǎn)向輪的系統(tǒng)模型，車輛行駛時(shí)側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型，基于車輛前方障礙物及道路中心線實(shí)時(shí)規(guī)劃車輛最佳的避障轉(zhuǎn)向路徑，在此基礎(chǔ)上基于車輛實(shí)際行駛路徑與最佳轉(zhuǎn)向路徑的偏差及障礙物的距離實(shí)時(shí)構(gòu)建引導(dǎo)力。

s1.1、系統(tǒng)建模

s1.1.1、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)建模

由s1具有觸覺引導(dǎo)輔助的方向盤裝置的結(jié)構(gòu)可知，轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向盤、可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置、扭矩傳感器，減速器、力矩電機(jī)組成。由于扭矩傳感器扭矩剛度相對(duì)較低，其將轉(zhuǎn)向盤模塊分為轉(zhuǎn)向盤組件和轉(zhuǎn)向柱總成兩個(gè)部分。其中轉(zhuǎn)向盤組件是指方向盤到扭矩傳感器的部分；轉(zhuǎn)向柱總成是指力矩電機(jī)、減速器及增量式光電編碼器。

建立轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)模型為：

其中：jh為轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，bh為轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的粘性摩擦，τhm為力矩電機(jī)提供扭矩，τh為駕駛員施加的扭矩，分別為轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度、角速度及角度。

s1.1.2、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模

將視景中的車輛模型等效為線控轉(zhuǎn)向平臺(tái)的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，視景中的車輛方向盤等效為轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)。

當(dāng)執(zhí)行電機(jī)通過齒輪齒條操縱轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)，建立從轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)到轉(zhuǎn)向前輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。

將視景中的汽車模型，簡化成“自行車模型”。汽車兩前輪和后輪，分別被中央前輪和中央后輪所代替。中央前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可視為轉(zhuǎn)向電機(jī)的負(fù)載，并繞其重心的垂直軸進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

因此，轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)到轉(zhuǎn)向前輪的二階系統(tǒng)模型為：

其中：分別為前輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度、角速度和角度；jeq為轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，beq為轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的粘性摩擦，τeq為執(zhí)行電機(jī)提供扭矩，τe為回正力矩，τdis為電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)干擾，k為轉(zhuǎn)動(dòng)比，轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的庫倫摩擦。

s1.1.3、車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)建模

以車輛行駛在水平路面上(不考慮路面坡度的影響)為例，建立2個(gè)坐標(biāo)系，一個(gè)坐標(biāo)系固定在慣性空間上(xyz)；另一個(gè)坐標(biāo)系固定在車身上(xyz)，定義汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)為o，由車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)可知：

車輛相對(duì)路面車道中心線誤差的動(dòng)力學(xué)模型：

其中：e1為車輛質(zhì)心與道路中心線的側(cè)向位移偏差；e2為相對(duì)車道的車輛方向誤差；m為車輛質(zhì)量；lf、lr分別為車輛質(zhì)心到前軸、后軸的縱向距離；iz為車輛橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為期望橫擺角速度。caf、car分別為前、后輪的側(cè)偏剛度；vx為車輛質(zhì)心處的縱向速度。

s1.2、基于虛擬勢(shì)場法構(gòu)建線控轉(zhuǎn)向觸覺引導(dǎo)力

s1.2.1、基于dijkstra算法的車輛避障轉(zhuǎn)向路徑規(guī)劃

在視景中車輛行駛道路中預(yù)先隨機(jī)設(shè)置一些列障礙物點(diǎn)，視景中車輛行駛過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)到的前方障礙物點(diǎn)，通過delaunay三角剖分算法將車輛的前方道路用空間表示，取delaunay三角剖分得到的三角形的中點(diǎn)，并將其兩兩連接。分別以最小x坐標(biāo)點(diǎn)、最大x坐標(biāo)點(diǎn)為車輛的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，利用dijkstra算法基于起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)搜尋車輛避障行駛的最短路徑。

將獲得的車輛行駛的曲線點(diǎn)在車輛坐標(biāo)系下采用最小平方法進(jìn)行曲線二次多項(xiàng)式擬合：

y＝ax²+bx+c(4)

計(jì)算二次多項(xiàng)式系數(shù)：

式中：a、b、c分別為擬合得到的二次項(xiàng)系數(shù)、一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)；(pkx，pky)為曲線點(diǎn)上的位置，分別為前一次采樣獲得的多項(xiàng)式系數(shù)；γ0、γ1、γ2分別為設(shè)定的正實(shí)數(shù)。

s1.2.2、基于車輛實(shí)際行駛工況信息的虛擬力構(gòu)建

將s1.2.1中規(guī)劃的車輛避障轉(zhuǎn)向路徑公式(4)與s1.1.3中推出的車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)建模公式(3)進(jìn)行聯(lián)立，推導(dǎo)出車輛實(shí)際行駛路徑與避障轉(zhuǎn)向路徑誤差的車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型：

基于車輛實(shí)際行駛與轉(zhuǎn)向路徑之間的偏差與障礙物的距離，建立二維高斯勢(shì)場函數(shù)：

其中：

式中：u(x，y)為勢(shì)場函數(shù)；m、n分別為目標(biāo)對(duì)象點(diǎn)的個(gè)數(shù)ai，i＝1，2，…，n、障礙物點(diǎn)bi的個(gè)數(shù)，j＝1，2，…，m；a為幅值；σx和σy分別為高斯函數(shù)在x和y方向的標(biāo)準(zhǔn)方差；

從而可以推出構(gòu)建的作用在轉(zhuǎn)向輪處的引導(dǎo)力tassist。

s2、將s1中引導(dǎo)力與車輛行駛時(shí)車輪受到的回正力通過s1.1.2中轉(zhuǎn)向輪到轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的系統(tǒng)模型實(shí)時(shí)計(jì)算出作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上力的大?。煌ㄟ^合適的比例系數(shù)，將作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上的力映射到力矩電機(jī)上，從而控制力矩電機(jī)給駕駛員以觸覺引導(dǎo)。

s2.1、將觸覺引導(dǎo)力與人手操縱力融合的共享控制方法

將s1.2.2中構(gòu)建的車輪處的引導(dǎo)力tassist和車輛行駛過程中車輪受到的回正力te采用適當(dāng)?shù)募訖?quán)系數(shù)進(jìn)行融合，共同作用到轉(zhuǎn)向輪上，通過s1.1.2中推導(dǎo)的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型，計(jì)算出作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上力的大??；通過合適的比例系數(shù)，將作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上的力映射到力矩電機(jī)上，從而控制力矩電機(jī)輸出所需的觸覺引導(dǎo)力thaptic的大小。

在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中，將力矩電機(jī)輸出的觸覺引導(dǎo)力thaptic與駕駛員作用到方向盤上的力tdriver通過人-機(jī)共享控制方法，合理分配駕駛員手動(dòng)參與和智能輔助參與的權(quán)值，實(shí)現(xiàn)車輛駕駛時(shí)方向盤對(duì)駕駛員行為的觸覺引導(dǎo)，提高車輛操縱的智能與安全。

所述的可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置的絲杠兩端分別通過角接觸型軸承固定在軸承支座上，兩個(gè)軸承支座的外側(cè)通過螺栓固定連接軸承端蓋，兩個(gè)軸承支座的內(nèi)側(cè)通過螺栓固定連接彈簧擋板，絲杠螺母套在絲杠上中部位置，彈簧套在絲杠上絲杠螺母左右兩端，絲杠兩側(cè)有導(dǎo)向板，導(dǎo)向板兩端頂面均開有限位槽，導(dǎo)向板上限位槽的下方開有一條導(dǎo)向槽，絲杠螺母兩側(cè)有限位凸起，絲杠螺母通過限位凸起和導(dǎo)向槽配合與兩側(cè)導(dǎo)向板滑動(dòng)連接，導(dǎo)向板兩端頂面均開有限位槽，兩根移動(dòng)限位矯正擋板縱向布置在導(dǎo)向板兩端對(duì)絲杠上方限位，移動(dòng)限位矯正擋板通過螺栓和梯形螺母配合限位槽固定。

本發(fā)明的積極效果是：其能根據(jù)視景中車輛行駛過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)行進(jìn)方向上的障礙物點(diǎn)，并將其前方道路進(jìn)行空間劃分，使用dijkstra算法規(guī)劃車輛避障最佳轉(zhuǎn)向路徑；通過建立車輛相對(duì)于規(guī)劃的最佳避障轉(zhuǎn)向路徑的車輛行駛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型，基于車輛實(shí)際行駛與轉(zhuǎn)向路徑之間的偏差與障礙物的距離，建立二維高斯勢(shì)場函數(shù)，構(gòu)建車輪處的引導(dǎo)力；將構(gòu)建的引導(dǎo)力和車輛行駛過程中車輪受到的回正力采用合適加權(quán)系數(shù)進(jìn)行融合，共同作用到轉(zhuǎn)向輪上，通過建立的轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)到轉(zhuǎn)向輪的系統(tǒng)模型，計(jì)算出作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上力的大小；通過合適的比例系數(shù)，將作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上的力映射到力感電機(jī)上，從而控制力矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員的觸覺引導(dǎo)。

操縱裝置輸出的觸覺反饋力通過操縱裝置為駕駛員提供預(yù)見性的觸覺提示，在車輛駕駛輔助系統(tǒng)中至關(guān)重要。觸覺駕駛輔助不僅能為駕駛員做出更好的駕駛決策、提供可靠的轉(zhuǎn)向信息，而且避免了駕駛員依靠視覺和聽覺信息指導(dǎo)操縱行為所面臨的視覺疲勞、噪聲干擾等問題。駕駛員駕駛時(shí)，方向盤的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不僅包括駕駛員的人手力，還包括基于規(guī)劃車輛最佳避障行駛路徑所建立的引導(dǎo)力以及路面實(shí)際工況對(duì)車輪的反作用扭矩。轉(zhuǎn)向盤通過力覺共享回路中的轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)模型控制，產(chǎn)生對(duì)人手的“牽引”和“示教”效果，從而為駕駛員提供力覺信息提示，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的觸覺輔助功能。

附圖說明

圖1為具有可調(diào)限位及回正的力觸覺引導(dǎo)輔助轉(zhuǎn)向裝置整體結(jié)構(gòu)主視圖。

圖2為具有可調(diào)限位及回正的力觸覺引導(dǎo)輔助轉(zhuǎn)向裝置整體結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖3為可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置整體結(jié)構(gòu)圖。

圖4為可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)圖。

圖5為可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置絲杠螺母結(jié)構(gòu)圖。

圖6為本發(fā)明的系統(tǒng)電路布局圖。

圖7為本發(fā)明的控制系統(tǒng)框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述：如圖1-7所示，一種具有可調(diào)限位及回正的力觸覺引導(dǎo)輔助轉(zhuǎn)向裝置，其不僅可以通過力矩電機(jī)來提供駕駛員以觸覺引導(dǎo)，而且添加了可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置；可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置，通過彈簧、絲杠機(jī)構(gòu)可以逼真地模擬實(shí)際轉(zhuǎn)向的感覺；絲杠螺母處于中間位置時(shí)，兩端處于壓縮位置的彈簧，使絲杠螺母處于平衡狀態(tài)；當(dāng)絲杠螺母偏向任何一側(cè)位置，一端彈簧壓縮程度加深，另一側(cè)彈簧相對(duì)放松，絲杠螺母受力不平衡，由于絲桿螺母只能沿中間槽滑動(dòng)，從而絲杠帶動(dòng)方向盤回正；可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置，可以通過導(dǎo)向槽中的梯形螺母相對(duì)平衡位置的距離來調(diào)節(jié)限位范圍；與之配套的螺栓通過擰緊使梯形螺母產(chǎn)生與導(dǎo)向槽之間的預(yù)緊力固定限位機(jī)構(gòu)，通過螺柱的阻擋從而限制絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)范圍，此外限位擋板可以保證兩側(cè)的限位螺栓處于同一豎直位置以防絲杠螺母運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生側(cè)傾。

本發(fā)明由轉(zhuǎn)向裝置硬件部分和電機(jī)控制系統(tǒng)組成，轉(zhuǎn)向裝置硬件部分為：方向盤1與可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置2的絲杠一端連接，可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置2的絲杠另一端通過第一聯(lián)軸器3與扭矩傳感器4前端連接，扭矩傳感器4后端通過第二聯(lián)軸器5與力矩電機(jī)7上的減速器6連接，力矩電機(jī)7后端布置有增量式光電編碼器8，力矩電機(jī)7和減速器6底部均與底板固定連接。

電機(jī)控制系統(tǒng)包括力矩檢測(cè)模塊、電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊。采用扭矩傳感器檢測(cè)絲杠受到的扭矩，通過串口與上位機(jī)采用rs232進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。bhos8010驅(qū)動(dòng)器的供電接口與力矩電機(jī)的供電端連接，bhos8010驅(qū)動(dòng)器上的rs232通信接口與上位機(jī)串口連接，bhos8010驅(qū)動(dòng)器上增量式編碼器的輸入接口，將增量式光電編碼器與驅(qū)動(dòng)器相連，并通過驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。

本發(fā)明的可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置2的絲杠2-1兩端分別通過角接觸型軸承2-4固定在軸承支座2-3上，兩個(gè)軸承支座2-3的外側(cè)通過螺栓固定連接軸承端蓋2-2，兩個(gè)軸承支座2-3的內(nèi)側(cè)通過螺栓固定連接彈簧擋板2-5，絲杠螺母2-10套在絲杠2-1上中部位置，彈簧2-6套在絲杠2-1上絲杠螺母2-10左右兩端，絲杠2-1兩側(cè)有導(dǎo)向板2-11，導(dǎo)向板2-11兩端頂面均開有限位槽2-12，導(dǎo)向板2-11上限位槽2-12的下方開有一條導(dǎo)向槽2-13，絲杠螺母2-10兩側(cè)有限位凸起2-14，絲杠螺母2-10通過限位凸起2-14和導(dǎo)向槽2-13配合與兩側(cè)導(dǎo)向板2-11滑動(dòng)連接，導(dǎo)向板2-11兩端頂面均開有限位槽2-12，兩根移動(dòng)限位矯正擋板2-8縱向布置在導(dǎo)向板2-11兩端對(duì)絲杠2-1上方限位，移動(dòng)限位矯正擋板2-8通過螺栓2-9和梯形螺母2-7配合限位槽2-12固定。

可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置回正功能的實(shí)現(xiàn)：通過彈簧、絲杠機(jī)構(gòu)可以逼真地模擬實(shí)際轉(zhuǎn)向的感覺；絲杠螺母處于中間位置時(shí)，兩端處于壓縮位置的彈簧，使絲杠螺母處于平衡狀態(tài)；當(dāng)絲杠螺母偏向任何一側(cè)位置，一端彈簧壓縮程度加深，另一側(cè)彈簧相對(duì)放松，絲杠螺母受力不平衡，由于絲桿螺母只能沿中間槽滑動(dòng)，從而絲杠帶動(dòng)方向盤回正。

可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置限位功能的實(shí)現(xiàn)：可以通過導(dǎo)向槽中的梯形螺母相對(duì)平衡位置的距離來調(diào)節(jié)限位范圍；與之配套的螺栓通過擰緊使梯形螺母產(chǎn)生與導(dǎo)向槽之間的預(yù)緊力固定限位機(jī)構(gòu)，通過螺柱的阻擋從而限制絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)范圍，此外限位擋板可以保證兩側(cè)的限位螺栓處于同一豎直位置以防絲杠螺母運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生側(cè)傾。

在上述裝置的基礎(chǔ)上研究觸覺引導(dǎo)力的生成方法、駕駛員人手操縱力和回正力以及觸覺引導(dǎo)力融合的人-機(jī)共享控制方法，具體步驟如下：

s1、車輛行駛時(shí)引導(dǎo)力的構(gòu)建，分別建立方向盤到力感反饋電機(jī)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)到轉(zhuǎn)向輪的系統(tǒng)模型，車輛行駛時(shí)側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型，基于車輛前方障礙物及道路中心線實(shí)時(shí)規(guī)劃車輛最佳的避障轉(zhuǎn)向路徑，在此基礎(chǔ)上基于車輛實(shí)際行駛路徑與最佳轉(zhuǎn)向路徑的偏差及障礙物的距離實(shí)時(shí)構(gòu)建引導(dǎo)力。

s1.1、系統(tǒng)建模

s1.1.1、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)建模

由s1具有觸覺引導(dǎo)輔助的方向盤裝置的結(jié)構(gòu)可知，轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向盤1、可調(diào)機(jī)械限位及回正裝置2、扭矩傳感器4，減速器6、力矩電機(jī)7組成。由于扭矩傳感器扭矩剛度相對(duì)較低，其將轉(zhuǎn)向盤模塊分為轉(zhuǎn)向盤組件和轉(zhuǎn)向柱總成兩個(gè)部分。其中轉(zhuǎn)向盤組件是指方向盤1到扭矩傳感器4的部分；轉(zhuǎn)向柱總成是指力矩電機(jī)7、減速器6及增量式光電編碼器8。

建立轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)模型為：

其中：jh為轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，bh為轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的粘性摩擦，τhm為力矩電機(jī)提供扭矩，τh為駕駛員施加的扭矩，分別為轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度、角速度及角度。

s1.1.2、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模

將視景中的車輛模型等效為線控轉(zhuǎn)向平臺(tái)的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，視景中的車輛方向盤等效為轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)。

當(dāng)執(zhí)行電機(jī)通過齒輪齒條操縱轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)，建立從轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)到轉(zhuǎn)向前輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。

將視景中的汽車模型，簡化成“自行車模型”。汽車兩前輪和后輪，分別被中央前輪和中央后輪所代替。中央前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可視為轉(zhuǎn)向電機(jī)的負(fù)載，并繞其重心的垂直軸進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

因此，轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)到轉(zhuǎn)向前輪的二階系統(tǒng)模型為：

其中：分別為前輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度、角速度和角度；jeq為轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，beq為轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的粘性摩擦，τeq為執(zhí)行電機(jī)提供扭矩，τe為回正力矩，τdis為電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)干擾，k為轉(zhuǎn)動(dòng)比，轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的庫倫摩擦。

s1.1.3、車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)建模

以車輛行駛在水平路面上(不考慮路面坡度的影響)為例，建立2個(gè)坐標(biāo)系，一個(gè)坐標(biāo)系固定在慣性空間上(xyz)；另一個(gè)坐標(biāo)系固定在車身上(xyz)，定義汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)為o，由車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)可知：

車輛相對(duì)路面車道中心線誤差的動(dòng)力學(xué)模型：

其中：e1為車輛質(zhì)心與道路中心線的側(cè)向位移偏差；e2為相對(duì)車道的車輛方向誤差；m為車輛質(zhì)量；lf、lr分別為車輛質(zhì)心到前軸、后軸的縱向距離；iz為車輛橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為期望橫擺角速度。caf、car分別為前、后輪的側(cè)偏剛度；為車輛質(zhì)心處的縱向速度。

s1.2、基于虛擬勢(shì)場法構(gòu)建線控轉(zhuǎn)向觸覺引導(dǎo)力

s1.2.1、基于dijkstra算法的車輛避障轉(zhuǎn)向路徑規(guī)劃

在視景中車輛行駛道路中預(yù)先隨機(jī)設(shè)置一些列障礙物點(diǎn)，視景中車輛行駛過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)到的前方障礙物點(diǎn)，通過delaunay三角剖分算法將車輛的前方道路用空間表示，取delaunay三角剖分得到的三角形的中點(diǎn)，并將其兩兩連接。分別以最小x坐標(biāo)點(diǎn)、最大x坐標(biāo)點(diǎn)為車輛的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，利用dijkstra算法基于起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)搜尋車輛避障行駛的最短路徑。

將獲得的車輛行駛的曲線點(diǎn)在車輛坐標(biāo)系下采用最小平方法進(jìn)行曲線二次多項(xiàng)式擬合：

y＝ax²+bx+c(4)

計(jì)算二次多項(xiàng)式系數(shù)：

式中：、b、c分別為擬合得到的二次項(xiàng)系數(shù)、一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)；(pkx，pky)為曲線點(diǎn)上的位置，分別為前一次采樣獲得的多項(xiàng)式系數(shù)；γ0、γ1、γ2分別為設(shè)定的正實(shí)數(shù)。

s1.2.2、基于車輛實(shí)際行駛工況信息的虛擬力構(gòu)建

將s1.2.1中規(guī)劃的車輛避障轉(zhuǎn)向路徑公式(4)與s1.1.3中推出的車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)建模公式(3)進(jìn)行聯(lián)立，推導(dǎo)出車輛實(shí)際行駛路徑與避障轉(zhuǎn)向路徑誤差的車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型：

基于車輛實(shí)際行駛與轉(zhuǎn)向路徑之間的偏差與障礙物的距離，建立二維高斯勢(shì)場函數(shù)：

其中：

式中：：u(x，y)為勢(shì)場函數(shù)；m、n分別為目標(biāo)對(duì)象點(diǎn)的個(gè)數(shù)ai，i＝1，2，…，n、障礙物點(diǎn)bi的個(gè)數(shù)，j＝1，2，…，m；a為幅值；σx和σy分別為高斯函數(shù)在x和y方向的標(biāo)準(zhǔn)方差；

從而可以推出構(gòu)建的作用在轉(zhuǎn)向輪處的引導(dǎo)力tassist。

s2、將s1中引導(dǎo)力與車輛行駛時(shí)車輪受到的回正力通過s1.1.2中轉(zhuǎn)向輪到轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的系統(tǒng)模型實(shí)時(shí)計(jì)算出作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上力的大?。煌ㄟ^合適的比例系數(shù)，將作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上的力映射到力矩電機(jī)上，從而控制力矩電機(jī)給駕駛員以觸覺引導(dǎo)。

s2.1、將觸覺引導(dǎo)力與人手操縱力融合的共享控制方法

將s1.2.2中構(gòu)建的車輪處的引導(dǎo)力tassist和車輛行駛過程中車輪受到的回正力te采用適當(dāng)?shù)募訖?quán)系數(shù)進(jìn)行融合，共同作用到轉(zhuǎn)向輪上，通過s1.1.2中推導(dǎo)的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型，計(jì)算出作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上力的大??；通過合適的比例系數(shù)，將作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)上的力映射到力矩電機(jī)上，從而控制力矩電機(jī)輸出所需的觸覺引導(dǎo)力thaptic的大小。

在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中，將力矩電機(jī)輸出的觸覺引導(dǎo)力thaptic與駕駛員作用到方向盤上的力tdriver通過人-機(jī)共享控制方法，合理分配駕駛員手動(dòng)參與和智能輔助參與的權(quán)值，實(shí)現(xiàn)車輛駕駛時(shí)方向盤對(duì)駕駛員行為的觸覺引導(dǎo)，提高車輛操縱的智能與安全。

操縱裝置輸出的觸覺反饋力通過操縱裝置為駕駛員提供預(yù)見性的觸覺提示，在車輛駕駛輔助系統(tǒng)中至關(guān)重要。觸覺駕駛輔助不僅能為駕駛員做出更好的駕駛決策、提供可靠的轉(zhuǎn)向信息，而且避免了駕駛員依靠視覺和聽覺信息指導(dǎo)操縱行為所面臨的視覺疲勞、噪聲干擾等問題。駕駛員駕駛時(shí)，方向盤的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不僅包括駕駛員的人手力，還包括基于規(guī)劃車輛最佳避障行駛路徑所建立的引導(dǎo)力以及路面實(shí)際工況對(duì)車輪的反作用扭矩。轉(zhuǎn)向盤通過力覺共享回路中的轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)模型控制，產(chǎn)生對(duì)人手的“牽引”和“示教”效果，從而為駕駛員提供力覺信息提示，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的觸覺輔助功能。