CN106515852B - 一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统。该转角测量系统使用的转角传感器是一种无导线连接的、无接触的传感器，利用光学介质进行角度检测，不受温度、磁场的影响。这一转角测量系统结构简单，容易集成，可实现与操纵杆控制的全线控四轮转向的操纵杆、车轮总成的有效匹配，操纵杆匹配有一个转角测量系统，四个车轮总成匹配有四个转角测量系统。转角测量系统测量精度高，信号传输时间迟滞小，可对车轮角度进行初始位置校正和电子限位，多重转向容错能力提高了车辆安全性，变量程变精度测量使其节约了制造成本。

Description

一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统

技术领域

本发明涉及一种转角测量系统的应用，更具体的说，本发明涉及一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统的应用。

背景技术

线控转向作为线控技术在汽车产品上的一种应用，用电子执行器，传感器，控制器代替了传统机械和液压系统的的转向、加速、制动等功能，驾驶方便，提高了整车安全性。线控命令的实现使得人机接口如操纵杆控制成为可能，用操纵杆代替方向盘转向，增大了驾驶室空间利用率，减小了二次碰撞伤害，更利于整车集成和一侧肢体有残疾的驾驶员使用；线控技术的发展也使得四轮转向越来越成为趋势，相比于两轮转向，四轮转向减小了泊车时的转弯半径，提高了高速行驶时的操纵性稳定性。使用操纵杆控制车辆全线控四轮转向时，由于操纵杆相比于方向盘，转角范围显著减小，因此对操纵杆转角进行准确测量就显得尤为重要，车轮总成由于集成了多个电机，工作时产生的温度较高，对传感器耐热性要求也较高。目前通用的转角传感器是采用齿轮的机械结构，由于机械摩擦，迟滞时间长，测量准确性差，还有使用电磁感应式转角传感器，这种传感器需要各种电子线路将传感器原始信号转换为适合应用的信号形式，由于传感器内部有比较多的电子部件,因此它们对于温度比较敏感,同时,由于永磁体的存在,容易受到外部磁场的干扰。

鉴于这些转角传感器用于操纵杆控制的全线控四轮转向时的局限性，本发明即是一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统，该转角测量系统安装方便，测量精度高，不受磁场、高温影响，应用于全线控四轮转向时，除了克服了上述传统转角传感器的不足，还增加了转向容错等功能。

发明内容

本发明涉及一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统，其特征在于：该转角测量系统所使用的转角传感器是一种无导线连接的，无接触的传感器，利用光学介质进行角度检测，不受温度和磁场的影响，包括光电探测器，激光反射盘，电子控制单元；基于操纵杆控制的全线控四轮转向汽车匹配有五个转角测量系统，一个用于测量操纵杆转动角度，四个用于全线控车轮总成中各个车轮转动角度测量，五个转角测量系统使用相同类型的转角传感器；全线控四轮转向转角测量系统也可用于每个车轮转向角度初始位置校正和电子限位，并且为转向系统的转角信号增加容错功能；除此之外，该转角测量系统还可对不同车速下操纵杆和车轮不同的转动角度范围进行变量程变精度测量。

全线控四轮转向转角测量系统所使用的转角传感器无导线连接，使得该转角测量系统结构简单，易于安装和集成；用于操纵杆转动角度测量时，转角测量系统可直接安装在操纵杆结构中；用于车轮总成的车轮转动角度测量时，可集成在车轮轮毂内；该转角测量系统实现了与操纵杆控制的全线控四轮转向车辆的操纵杆、车轮总成的有效匹配。

四个转角测量系统用于四个全线控车轮总成，车轮总成包括轮毂电机、转向电机、悬架电机、制动电机；轮毂电机用于驱动，转向电机用于转向，悬架电机用于减振，制动电机用于刹车，转角测量系统和四个电机均整合到车轮轮毂内，转角测量系统用于测量车轮转角信号。

该转角测量系统用于车轮总成测量车轮转角时，由于转角测量系统中的转角传感器利用光学介质进行测量，因此在测量过程中可以不受轮毂电机、转向电机、悬架电机、制动电机工作时产生的电磁干扰，同时，车轮总成中尤其是轮毂电机和制动电机，在工作过程中会产生大量的热量，该转角测量系统利用光学介质测量的特性使其耐高温，测量精度在电机工作产生的高温环境中不会受到影响。

该转角测量系统用于车轮总成测量车轮转角时，由于转角测量系统采用无线传输，因此在转角信号传输过程中可以不受轮毂电机、转向电机、悬架电机、制动电机工作时产生的电磁干扰和热干扰，四个车轮总成转角信号同步传给电子控制单元，时间迟滞小，信号传输速度快。

用于车轮总成测量车轮转角的四个转角测量系统，每个转角测量系统的转角传感器在1个基础光学触点的基础上，另外布置2个冗余光学触点，当基础光学触点出现故障时，转角测量系统的报警灯闪烁，2个冗余光学触点进行转角测量，实现转角测量的冗余功能，提供安全保障；当四个车轮总成中的某一转角测量系统彻底出现故障时，转角测量系统的报警灯常亮，此时这一车轮总成参考同轴或同侧车轮总成转角测量系统的转角信号，由转角测量系统无故障的车轮总成控制进行两轮转向，实现了转向系统转角信号的容错功能。

在车辆的仪表盘上为五个转角测量系统设置报警灯，当转角测量系统所用转角传感器的基础光学触点出现故障时，报警灯闪烁，当转角测量系统彻底出现故障丧失测量能力时，报警灯常亮提醒，将五个转角测量系统的报警灯分别设置为操纵杆报警灯、左前轮报警灯、右前轮报警灯、左后轮报警灯、右后轮报警灯，便于区分哪一个转角测量系统出现故障。

全线控四轮转向车轮的转角范围为0度到±90度，在车轮的±90度极限位置分别安装一个霍尔限位开关，用于判断车轮总成是否转动到极限位置，转角测量系统通过光学触点获取车轮转动的相对角度和转向方向，当车轮转到±90度的极限位置时，电子控制单元根据霍尔限位开关信号而中断继续转向，实现对车轮进行90度的电子限位，从而减小车辆移位、泊车时车轮受过度扭矩的磨损，避免线束遭到破坏。

在车轮的±90度极限位置分别布置一个霍尔限位开关拨片，当霍尔限位开关输出数字信号为“1”时，说明霍尔限位开关拨片工作，拨片旋转到霍尔元件两极光束之间使霍尔限位开关闭合，此时车轮在±90度位置，电子控制单元控制转向电机输出力矩使车轮回到零点位置；当霍尔限位开关输出数字信号为“0”时，说明霍尔限位开关拨片不工作，霍尔限位开关处于开启状态，此时车轮不在±90度位置，电子控制单元控制转向电机输出力矩使车轮转动，当霍尔限位开关输出数字信号又为“1”时，车轮到达±90度位置，此时同样使转向电机输出力矩控制车轮回到零点位置，实现了车辆每次启动时，转角测量系统对车轮初始位置的校正。

该转角测量系统的测量范围为0度到±90度，车辆转向时，车轮常用转角范围和操纵杆转角工作范围均为0度到±40度，因此，要求转角测量系统0度到±40度比±40度到±90度范围的测量精度高，将转角测量系统使用的转角传感器通过激光反射盘分为0度到±40度小量程高精度部分和±40度到±90度大量程低精度部分，当车轮和操纵杆转角在常用工作范围时，转角测量系统通过小量程高精度部分进行精确测量，当车辆在低速、大转角转向时，车轮转角可能超出±40度，此时转角测量系统通过大量程低精度部分进行测量，实现了转角测量系统的变量程变精度测量，减少传感器成本。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统利用光学介质进行角度测量，应用于车轮总成时，不受电机工作产生的高温、磁场干扰，测量准确，转角信号传输给电子控制单元的时间迟滞小。

2.本发明所述的适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统可对车轮初始位置进行校正和电子限位，多重容错功能提高了全线控四轮转向的安全性。

2.本发明所述的适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统结构简单，安装方便，用于操纵杆和车轮转角测量时可实现变量程变精度测量，既提高了测量精度，又节约了成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统中所涉及的操纵杆、四轮位置示意图；

图2是本发明所述的一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统中所涉及的车轮总成示意图；

图3是本发明所述的一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统所涉及的操纵杆总成结构示意图；

图4是本发明所述的一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统所涉及的转角测量系统控制逻辑流程图；

图5是本发明所述的一种适用于分布式全线控汽车的转角测量系统所涉及的霍尔限位开关总成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参照附图所示，本发明意在实现转角测量系统与操纵杆控制的汽车全线控四轮转向系统的有效匹配，通过应用于操纵杆和车轮总成的转角测量系统精确测量、传输，为驾驶员提供准确的转向信号，提高车辆的操纵稳定性和安全性。

参照附图1所示，由操纵杆控制的全线控四轮转向车辆中，共匹配了五个转角测量系统，转角测量系统5安装在操纵杆6中，用于测量操纵杆转角，转角测量系统1、2、3、4分别安装在左前轮、左后轮、右前轮、右后轮四个车轮总成中，用于测量车轮转角。操纵杆6置于主驾驶位置、副驾驶位置、座椅处均可，便于一侧肢体有残疾的驾驶员使用，它安装方便，节省空间，提高了驾驶室的空间利用率，同时，在车辆发生事故时，驾驶员也不会受到二次撞击伤害。

参照附图2所示，全线控四轮转向的车轮总成包括轮毂电机、制动电机、转向电机、悬架电机、转角测量系统，四个电机在车轮轮毂内紧凑分布，转角测量系统安装在转向电机输出轴一端用于测量车轮转角信号。转角测量系统通过光学介质便可测量转角信号且是无线传输，因此在测量过程中和转角信号传输过程中不会受到四个电机工作产生的高温、电磁影响，因此转角测量系统测量精确，能迅速将转角信号传送给电子控制单元，时间迟滞极小。

参照附图3所示，转角测量系统的转角传感器包括激光反射盘7，光学触点8(基础)，光学触点9(冗余)，光学触点10(冗余)，光学触点通过两组激光二极管将两束光投射到激光反射盘7上，两个光电探测器从激光反射盘7上获得这两束光，两套准直物镜系统来将这些光束聚焦，第一束光被用来获得相对角度，第二束光获得转向方向。角度读取的分辨率为1度或更小，1度分为同等数量的凹坑和非凹坑，非凹坑映射到逻辑“1”，而凹坑映射到逻辑“0”。

参照附图1、3所示，为了提供冗余，转角测量系统的转角传感器上2个冗余光学触点9、10，可实现2重转向容错功能。车辆的仪表盘上为转角测量系统1、2、3、4、5设置报警灯，分别为左前轮报警灯、左后轮报警灯、右前轮报警灯、右后轮报警灯，操纵杆报警灯。当基础光学触点8出现故障时，转角测量系统对应的报警灯闪烁，2个冗余光学触点进行转角测量，实现转角测量的冗余功能；当四个车轮总成中的某一转角测量系统彻底出现故障时，转角测量系统对应的报警灯常亮，此时这一车轮总成参考同轴或同侧车轮总成转角测量系统的转角信号，由转角测量系统无故障的车轮总成控制进行两轮转向，实现了转向系统转角信号的容错功能，提高了车辆的稳定性和转向安全性。

参照附图4所示，光学触点包括相对角度点和转向方向点，相对角度点和转向方向点同时读取数据，在任何给定点，转向方向点应在相对角度点后3/4度。当相对角度点发现一个下降沿过渡，即从逻辑“1”变为逻辑“0”，电子控制单元中断，转向方向点进行数据读取，如果转向方向点读取为逻辑“0”，转向方向是顺时针且相对角度递增；如果转向方向点读取为逻辑“1”，转向方向是逆时针且相对角度递减。因此，转角测量系统可在顺时针和逆时针方向进行角度测量。

全线控四轮转向车轮的转角范围为0度到±90度，在车轮的±90度极限位置分别安装一个霍尔限位开关。用于车轮总成的转角测量系统通过光学触点获取车轮转动的相对角度和转向方向，当车轮转到±90度的极限位置时，转角测量系统将极限转角信号传给电子控制单元，电子控制单元发出警告并中断车轮超出极限位置继续转向，同时霍尔限位开关闭合，对车轮进行90度的电子限位，减小车辆移位、泊车时车轮受过度扭矩的磨损，避免线束遭到破坏。

参照附图5所示，转角测量系统的霍尔限位开关总成包括霍尔元件11，拨片12，霍尔元件两极间光束13，霍尔元件A点14，霍尔元件B点15。车辆在启动时，各个车轮转角不一致，需要对车轮进行初始位置的校正。在车轮的±90度极限位置分别布置一个霍尔限位开关拨片12，当霍尔限位开关输出数字信号为“1”时，说明霍尔限位开关拨片12工作，拨片12旋转到霍尔元件11两极的A、B点光束13之间时霍尔限位开关闭合，此时车轮在±90度位置，电子控制单元控制转向电机输出力矩使车轮回到零点位置；当霍尔限位开关输出数字信号为“0”时，说明霍尔限位开关拨片12不工作，霍尔限位开关处于开启状态，此时车轮不在±90度位置，电子控制单元控制转向电机输出力矩使车轮转动，当霍尔限位开关输出数字信号又为“1”时，车轮到达±90度位置，此时同样使转向电机输出力矩控制车轮回到零点位置，实现了车辆每次启动时，转角测量系统对车轮初始位置的校正，在此过程中，不需要必须使用绝对位置传感器来测量校正，该转角测量系统相比绝对位置传感器，成本减少至少一倍，经济实用性更强。

该转角测量系统的测量范围为0度到±90度，根据不同车速范围的操纵杆转角和车轮转角不同，在转角测量系统中，将转角传感器的整个激光反射盘分为0度到±40度的小量程高精度部分和±40度到±90度的大量程低精度部分，大量程低精度部分的角度分辨率为0.3度，小量程高精度部分的角度分辨率为0.05度。车辆转向时，车轮常用转角范围和操纵杆转角工作范围均为0度到±40度，转角较小，测量精度要求偏高，转角测量系统通过小量程高精度部分进行精确测量；当车辆在低速、大转角转向时，车轮转角可能超出±40度，此时转角较大，测量精度要求偏低，转角测量系统通过大量程低精度部分进行测量，实现了转角测量系统的变量程变精度测量。将转角测量系统分为大量程低精度和小量程高精度两部分，能同时满足操纵杆和车轮转角测量精度的要求，因此操纵杆和车轮总成可用相同类型的转角测量系统。变量程变精度便可满足测量精度要求，也使得转角测量系统不必全部制成高精度来测量，降低了制造成本。

Claims (5)

1.一种适用于操纵杆控制的全线控四轮转向转角测量系统，其特征在于：该转角测量系统所使用的转角传感器是一种无导线连接的，无接触的传感器，利用光学介质进行角度检测，包括光电探测器，激光反射盘(7)，1个基础光学触点(8)和2个冗余光学触点(9、10)，电子控制单元；基于操纵杆控制的全线控四轮转向汽车匹配有五个转角测量系统，一个用于测量操纵杆转动角度，四个用于全线控车轮总成中各个车轮转动角度测量，五个转角测量系统使用相同类型的转角传感器；车辆的仪表盘上为转角测量系统(1、2、3、4、5)设置报警灯；全线控四轮转向转角测量系统通过在车轮的±90度极限位置安装霍尔限位开关用于每个车轮转向角度初始位置校正，并且通过2个冗余光学触点和4个车轮转角测量系统为转向系统的转角信号增加容错功能；除此之外，该全线控四轮转向转角测量系统还可对不同车速下操纵杆和车轮不同的转动角度范围进行变量程变精度测量。

2.按照权利要求1所述的全线控四轮转向转角测量系统，其特征在于：用于车轮总成测量车轮转角的四个车轮转角测量系统，每个车轮转角测量系统的转角传感器在1个基础光学触点(8)的基础上，另外布置2个冗余光学触点(9、10)，可实现2重转向容错功能，当基础光学触点出现故障时，车轮转角测量系统的报警灯闪烁，2个冗余光学触点进行转角测量，实现转角测量的冗余功能，提供安全保障；当四个车轮总成中的某一车轮转角测量系统彻底出现故障时，车轮转角测量系统的报警灯常亮，此时这一车轮总成参考同轴或同侧车轮总成转角测量系统的转角信号，由车轮转角测量系统无故障的车轮总成控制进行两轮转向，实现了转向系统转角信号的容错功能。

3.按照权利要求2所述的全线控四轮转向转角测量系统，其特征在于：在车辆的仪表盘上为五个转角测量系统设置报警灯，当五个转角测量系统所用转角传感器的基础光学触点(8)出现故障时，五个转角测量系统对应的报警灯闪烁，当五个转角测量系统彻底出现故障丧失测量能力时，报警灯常亮提醒，将五个转角测量系统的报警灯分别设置为操纵杆报警灯、左前轮报警灯、右前轮报警灯、左后轮报警灯、右后轮报警灯，便于区分哪一个转角测量系统出现故障。

4.按照权利要求1所述的全线控四轮转向转角测量系统，其特征在于：全线控四轮转向车轮的转角范围为0度到±90度，在车轮的±90度极限位置分别安装一个霍尔限位开关，霍尔限位开关总成包括霍尔元件(11)，拨片(12)，霍尔元件两极间光束(13)，霍尔元件A点(14)，霍尔元件B点(15)，当霍尔限位开关输出数字信号为“1”时，说明霍尔限位开关拨片(12)工作，拨片(12)旋转到霍尔元件(11)两极的A、B点光束(13)之间使霍尔限位开关闭合，此时车轮在±90度位置，电子控制单元控制转向电机输出力矩使车轮回到零点位置；当霍尔限位开关输出数字信号为“0”时，说明霍尔限位开关拨片(12)不工作，霍尔限位开关处于开启状态，此时车轮不在±90度位置，电子控制单元控制转向电机输出力矩使车轮转动，当霍尔限位开关输出数字信号又为“1”时，车轮到达±90度位置，此时同样使转向电机输出力矩控制车轮回到零点位置，实现了车辆每次启动时，车轮转角测量系统对车轮初始位置的校正。

5.按照权利要求1所述的全线控四轮转向转角测量系统，其特征在于：该全线控四轮转向转角测量系统的测量范围为0度到±90度，车辆转向时，车轮常用转角范围和操纵杆转角工作范围均为0度到±40度，因此，要求全线控四轮转向转角测量系统0度到±40度比±40度到±90度范围的测量精度高，将全线控四轮转向转角测量系统使用的转角传感器通过激光反射盘分为0度到±40度小量程高精度部分和±40度到±90度大量程低精度部分，大量程低精度部分的角度分辨率为0.3度，小量程高精度部分的角度分辨率为0.05度，当车轮和操纵杆转角在常用工作范围时，通过小量程高精度部分进行精确测量，当车辆在低速、大转角转向时，车轮转角可能超出±40度，此时通过大量程低精度部分进行测量，实现了全线控四轮转向转角测量系统的变量程变精度测量；将全线控四轮转向转角测量系统分为大量程低精度和小量程高精度两部分，能同时满足操纵杆和车轮转角测量精度的要求，因此操纵杆和车轮总成可用相同类型的全线控四轮转向转角测量系统；变量程变精度便可满足测量精度要求，也使得全线控四轮转向转角测量系统不必全部制成高精度来测量，减少了传感器制造成本。