CN102923183A - 一种智能车辆转向机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种智能车辆转向机构及其控制方法，包括方向盘、扭矩传感器、转向输入轴、模式离合器、蜗轮蜗杆减速机构、转向输出轴、旋转编码器、电动机、安全离合器、转向齿轮、转向齿条、控制器；方向盘经扭矩传感器与转向输入轴相连；方向盘经扭矩传感器与转向输入轴相连；转向输入轴经模式离合器与蜗轮蜗杆减速机构中的蜗杆相连接，电动机的输出轴经安全离合器与蜗轮蜗杆减速机构中的蜗轮相连接；无人驾驶时，控制器选择位置伺服控制方法，实现了无人驾驶自动控制模式的精准角度和角速度控制；人工控制时，控制器选择力矩控制方法，实现了人工控制模式的良好驾驶体验；高可靠性的安全冗余设计，保证了系统发生故障时的安全驾驶；能够实现长时间巡航控制。

Description

一种智能车辆转向机构及其控制方法

技术领域

本发明主要涉及一种智能车辆转向机构及其控制方法。

背景技术

随着人们对车辆的安全性与智能性要求的不断提高以及军事方面的需求，智能车辆正已成为人们的研究热点。可靠、精准的转向机构是实现车辆无人驾驶的重要保障，但是目前尚无定型的智能车辆转向控制机构，并且鉴于目前的智能车辆均处于研究调试阶段，车辆行驶过程中不可避免的要进行人工干预，这要求无人驾驶转向控制机构既能工作在无人驾驶自动控制模式，又能工作在人工控制模式。

为解决智能车辆的转向问题，常见的做法有1、采用步进电机经齿型同步带传动，控制转向输入轴；2、在电动助力转向的基础上，加装额外的控制器，直接接收转向力矩、方向信号，对助力电机进行控制；3、直接对车辆的中央转向摇臂进行伺服控制。

方法1可以实现基本的转向控制，但是存在以下问题：①在转向输入轴上增加同步带传动机构占用了较大空间，给整车布置带来了新的挑战；②由于在无人驾驶过程中，方向盘会出现随动现象，增大了转动惯量，无法实现转向角度的精准控制，同时影响了乘客体验；③工作在开环控制模式下的步进电机可能出现失步，影响驾驶安全。

方法2对整车改动比较小，只需增加额外的控制器，但存在以下问题：①无法实现精准的转向角度控制；②助力电机的功率一般不足以单独完成转向控制；③普通的助力电机不能长时间进行静态转矩输出，不能实现巡航控制；④方向盘存在随动问题。

方法3能够实现转向角度的精准控制，但存在普通的伺服电机不能长时间进行静态转矩输出，不能实现巡航控制的问题。

发明内容

本发明一种智能车辆转向机构及其控制方法的目的在于解决现有技术中车辆转向机构空间占用较大、方向盘随动现象、转向角度不精确的问题。

一种智能车辆转向机构，包括方向盘（1）、扭矩传感器（2）、转向输入轴（3）、模式离合器（4）、蜗轮蜗杆减速机构（5）、转向输出轴（6）、旋转编码器（7）、电动机（8）、安全离合器（9）、转向齿轮（10）、转向齿条（11）、控制器（12）；

方向盘（1）经扭矩传感器（2）与转向输入轴（3）相连；

转向输入轴（3）经模式离合器（4）与蜗轮蜗杆减速机构（5）中的蜗杆相连接，电动机（8）的输出轴经安全离合器（9）与蜗轮蜗杆减速机构（5）中的蜗轮相连接；

扭矩传感器（2）、模式离合器（4）、旋转编码器（7）、电动机（8）及安全离合器（9）均与控制器（12）相连；

转向输出轴（6）与转向齿轮（10）相连，转向齿轮（10）与转向齿条（11）啮合。

所述模式离合器（4）为常合型单片干式电磁离合器。

所述安全离合器（9）为常开型刚性电磁离合器。

所述电动机（8）为直流无刷力矩型伺服电机。

一种智能车辆转向机构控制方法，采用上述的智能车辆转向机构，通过模式选择开关设定模式离合器的工作方式；选择模式离合器对应工况的控制方法对控制器进行控制，从而完成对车辆转向机构的控制。

当通过模式选择开关将控制模式设定为无人驾驶自动控制模式时，控制器（12）采用位置伺服控制算法实施控制；当通过模式选择开关将控制模式设定为人工控制模式时，控制器（12）采用力矩控制算法实施控制。

当通过模式选择开关将控制模式设定为无人驾驶自动控制模式时，控制器（12）根据从驾驶决策终端接收到的转向指令，根据转向指令的方向对转向信号灯进行控制。

还包括系统故障控制，控制器根据故障的等级决定是否将安全离合器分离；所述系统故障包括电机过流、电机失效、扭矩传感器失效、车速信号故障、系统供电电压故障；当系统发生故障时，控制器将通过工作指示灯和CAN总线输出相应的故障闪码和故障代码。

有益效果

本发明一种智能车辆转向机构及其控制方法，转向机构包括方向盘、扭矩传感器、转向输入轴、模式离合器、蜗轮蜗杆减速机构、转向输出轴、旋转编码器、电动机、安全离合器、转向齿轮、转向齿条、控制器；方向盘经扭矩传感器与转向输入轴相连；转向输入轴经模式离合器与蜗轮蜗杆减速机构中的蜗杆相连接，电动机的输出轴经安全离合器与蜗轮蜗杆减速机构中的蜗轮相连接；控制器通过对模式选择开关的判断，在两种控制模式中选择相应的控制模式，既实现了无人驾驶自动控制模式的精准角度和角速度控制，又实现了人工控制模式的良好驾驶体验；高可靠性的安全冗余设计，保证了系统发生故障时的安全驾驶；能够实现长时间巡航控制。

附图说明

图1是本发明涉及的智能车辆转向机构整体结构示意图；

图2是本发明中控制系统的结构示意图；

图3是本发明中控制器工作于位置伺服模式时的控制系统结构示意图；

图4是本发明中控制器工作于转矩控制模式时的控制系统结构示意图；

图例说明

1-方向盘；2-扭矩传感器；3-转向输入轴；4-模式离合器；5-蜗轮蜗杆；6-转向输出轴；7-旋转编码器；8-直流无刷力矩伺服电机；9-安全离合器；10-转向齿轮；11-转向齿条；12-控制器。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，智能车辆转向机构包括方向盘（1）、扭矩传感器（2）、转向输入轴（3）、模式离合器（4）、蜗轮蜗杆减速机构（5）、转向输出轴（6）、旋转编码器（7）、直流无刷力矩型伺服电机（8）、安全离合器（9）、转向齿轮（10）、转向齿条（11）及控制器（12）。方向盘（1）经扭矩传感器（2）与转向输入轴（3）相连；

转向输入轴（3）经模式离合器（4）与蜗轮蜗杆减速机构（5）中的蜗杆相连接，电动机（8）的输出轴经安全离合器（9）与蜗轮蜗杆减速机构（5）中的蜗轮相连接；

扭矩传感器（2）、模式离合器（4）、旋转编码器（7）、电动机（8）及安全离合器（9）均与控制器（12）相连；

转向输出轴（6）与转向齿轮（10）相连，转向齿轮（10）与转向齿条（11）啮合。

如图2所示，控制器采用TMS320F28335数字信号处理器，通过GPIO接口采集点火信号、模式选择信号、方向信号并对模式离合器、安全离合器、左转向灯、右转向灯、工作指示灯进行控制，通过定时/捕捉接口采集车速信号和脉冲给定信号以及旋转编码器输出的转速/位置信号，通过AD转换接口采集电流信号和转矩信号，通过PWM输出接口对MOSFET驱动电路进行控制，通过六管MOSFET逆变桥实现对电机的正弦波脉冲宽度调制控制，通过CAN总线实现与设置终端和决策终端的通信。

控制器通过检测外部模式选择开关信号，判断工作于无人驾驶自动控制模式或是人工控制模式。

当工作于自动驾驶模式时，模式离合器分离，控制器采用如图3所示的位置伺服算法，该算法为常用的技术手段，此时控制器的位置给定信息由驾驶决策终端经过CAN总线发出，并且控制器根据CAN总线信号中包含的转角信息的方向对转向灯进行控制；如图3所示的位置伺服算法中，电流闭环控制可以抑制起动、制动电流，加速电流的相应过程。速度环负责伺服电机的转速控制和调节，抑制负载波动。位置环负责位置的伺服控制，位置调节器的输出限幅值决定着伺服电机的最高转速。

当工作于人工控制模式时，模式离合器结合，控制器采用如图4所示的力矩控制算法，该算法为常用的技术手段，此时控制器的输入信号为采集安装于转向柱上的扭矩传感器输出的转矩信号和来自脉冲信号的车速信息，根据转矩和车速信号，对电机的助力特性曲线进行查表，得出助力电流的目标值，同时伺服控制器放弃对转向信号灯的控制权，使操作者进行人工控制。例如，某一时刻扭矩传感器输出的扭矩信号为0.5Nm，车速为50Km/H，经查表得到目标电流值2A，那么PI控制器的输入为实际电流值与目标电流值之差，PI控制器保证输出的电流值稳定在2A，确保电机输出恒定的助力转矩。

当系统发生故障时，控制器将通过工作指示灯和CAN总线输出相应的故障闪码和故障代码，可通过设置终端进行故障诊断。控制器会根据故障的等级决定是否将安全离合器分离。系统故障包括电机过流、电机失效、扭矩传感器失效、车速信号故障、系统供电电压故障。当控制器检测到电机过流时，会通过工作指示灯输出三长一短的闪码指示，并通过CAN总线报告故障代码，同时控制器会自动降低输出电流，此故障对行车的安全危害较小，不会进行安全离合器分离；当控制器在3秒内连续检测到3次电机过流故障时，即认为电机失效，会通过工作指示灯输出一长一短的闪码指示，并通过CAN总线报告故障代码，同时由于电机失效会严重影响行车安全，故会将安全离合器分离。

在无人驾驶自动控制模式时将模式离合器分离，可以大大降低系统的转动惯量，有利于实现精准的位置伺服，同时还避免了方向盘的随动，改善了乘客体验。模式离合器采用常合型单片干式电磁离合器可以在系统掉电或者伺服控制器发生故障时保证模式离合器的结合，保证了人工控制的有效，提高的系统的安全性。

采用直流无刷力矩型伺服电机具有结构简单、可靠性高、转矩大等优点，同时力矩电机的转矩-电流特性具有很高的线性度，使得转矩控制更精确。力矩电机能够长时间静态转矩输出，使转向系统能够进行巡航控制。采用空心杯转子结构的直流无刷力矩型伺服电机进一步降低了系统的转动惯量，有利于提高控制精度。

由于直流无刷力矩性伺服电机是永磁电机，若发生绕组短路等故障，将会产生很大的阻尼转矩，严重影响了车辆的安全。当系统发生故障时，将安全离合器分离可以有效降低此类故障对车辆安全的影响。

安全离合器采用常开型刚性电磁离合器，可以在伺服控制器发生故障时保证安全离合器的分离，提高了系统的安全性。采用刚性电磁离合器，可以避免离合器结合后两轴发生相对滑转，提高了系统的控制精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种智能车辆转向机构，其特征在于，包括方向盘（1）、扭矩传感器（2）、转向输入轴（3）、模式离合器（4）、蜗轮蜗杆减速机构（5）、转向输出轴（6）、旋转编码器（7）、电动机（8）、安全离合器（9）、转向齿轮（10）、转向齿条（11）、控制器（12）；

方向盘（1）经扭矩传感器（2）与转向输入轴（3）相连；

转向输入轴（3）经模式离合器（4）与蜗轮蜗杆减速机构（5）中的蜗杆相连接，电动机（8）的输出轴经安全离合器（9）与蜗轮蜗杆减速机构（5）中的蜗轮相连接；

扭矩传感器（2）、模式离合器（4）、旋转编码器（7）、电动机（8）及安全离合器（9）均与控制器（12）相连；

转向输出轴（6）与转向齿轮（10）相连，转向齿轮（10）与转向齿条（11）啮合。

2.根据权利要求1所述的智能车辆转向机构，其特征在于，所述模式离合器（4）为常合型单片干式电磁离合器。

3.根据权利要求2所述的智能车辆转向机构，其特征在于，所述安全离合器（9）为常开型刚性电磁离合器。

4.根据权利要求3所述的智能车辆转向机构，其特征在于，所述电动机（8）为直流无刷力矩型伺服电机。

5.一种智能车辆转向机构控制方法，其特征在于，采用基于权利要求1-4任一项所述的智能车辆转向机构，通过模式选择开关设定模式离合器的工作方式；选择模式离合器对应工况的控制方法对控制器进行控制，从而完成对车辆转向机构的控制。

6.根据权利要求5所述的智能车辆转向机构控制方法，其特征在于，当通过模式选择开关将控制模式设定为无人驾驶自动控制模式时，控制器（12）采用位置伺服控制算法实施控制；当通过模式选择开关将控制模式设定为人工控制模式时，控制器（12）采用力矩控制算法实施控制。

7.根据权利要求6所述的智能车辆转向机构控制方法，其特征在于，当通过模式选择开关将控制模式设定为无人驾驶自动控制模式时，控制器（12）根据从驾驶决策终端接收到的转向指令，根据转向指令的方向对转向信号灯进行控制。

8.根据权利要求7所述的智能车辆转向机构控制方法，其特征在于，还包括系统故障控制，控制器根据故障的等级决定是否将安全离合器分离；所述系统故障包括电机过流、电机失效、扭矩传感器失效、车速信号故障、系统供电电压故障；当系统发生故障时，控制器将通过工作指示灯和CAN总线输出相应的故障闪码和故障代码。

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