專利名稱：一種智能車輛轉向機構及其控制方法
技術領域：
本發明主要涉及一種智能車輛轉向機構及其控制方法。·
背景技術：
隨著人們對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。可靠、精準的轉向機構是實現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向控制機構，并且鑒于目前的智能車輛均處于研究調試階段，車輛行駛過程中不可避免的要進行人工干預，這要求無人駕駛轉向控制機構既能工作在無人駕駛自動控制模式，又能工作在人工控制模式。為解決智能車輛的轉向問題，常見的做法有I、采用步進電機經齒型同步帶傳動，控制轉向輸入軸；2、在電動助力轉向的基礎上，加裝額外的控制器，直接接收轉向力矩、方向信號，對助力電機進行控制；3、直接對車輛的中央轉向搖臂進行伺服控制。方法I可以實現基本的轉向控制，但是存在以下問題①在轉向輸入軸上增加同步帶傳動機構占用了較大空間，給整車布置帶來了新的挑戰；②由于在無人駕駛過程中，方向盤會出現隨動現象，增大了轉動慣量，無法實現轉向角度的精準控制，同時影響了乘客體驗；③工作在開環控制模式下的步進電機可能出現失步，影響駕駛安全。方法2對整車改動比較小，只需增加額外的控制器，但存在以下問題①無法實現精準的轉向角度控制；②助力電機的功率一般不足以單獨完成轉向控制普通的助力電機不能長時間進行靜態轉矩輸出，不能實現巡航控制；④方向盤存在隨動問題。方法3能夠實現轉向角度的精準控制，但存在普通的伺服電機不能長時間進行靜態轉矩輸出，不能實現巡航控制的問題。
發明內容
本發明一種智能車輛轉向機構及其控制方法的目的在于解決現有技術中車輛轉向機構空間占用較大、方向盤隨動現象、轉向角度不精確的問題。—種智能車輛轉向機構，包括方向盤(I )、扭矩傳感器(2)、轉向輸入軸(3)、模式離合器(4)、蝸輪蝸桿減速機構(5)、轉向輸出軸(6)、旋轉編碼器(7)、電動機(8)、安全離合器(9)、轉向齒輪(10)、轉向齒條(11)、控制器(12)；方向盤(I)經扭矩傳感器(2 )與轉向輸入軸(3 )相連；轉向輸入軸(3 )經模式離合器(4 )與蝸輪蝸桿減速機構(5 )中的蝸桿相連接，電動機(8)的輸出軸經安全離合器(9)與蝸輪蝸桿減速機構(5)中的蝸輪相連接；扭矩傳感器(2)、模式離合器(4)、旋轉編碼器(7)、電動機(8)及安全離合器(9)均與控制器(12)相連；轉向輸出軸(6)與轉向齒輪(10)相連，轉向齒輪(10)與轉向齒條(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。
所述電動機(8)為直流無刷力矩型伺服電機。—種智能車輛轉向機構控制方法,采用上述的智能車輛轉向機構，通過模式選擇開關設定模式離合器的工作方式；選擇模式離合器對應工況的控制方法對控制器進行控制，從而完成對車輛轉向機構的控制。當通過模式選擇開關將控制模式設定為無人駕駛自動控制模式時，控制器(12)采用位置伺服控制算法實施控制；當通過模式選擇開關將控制模式設定為人工控制模式時，控制器(12)采用力矩控制算法實施控制。當通過模式選擇開關將控制模式設定為無人駕駛自動控制模式時，控制器(12 )根據從駕駛決策終端接收到的轉向指令，根據轉向指令的方向對轉向信號燈進行控制。還包括系統故障控制，控制器根據故障的等級決定是否將安全離合器分離；所述系統故障包括電機過流、電機失效、扭矩傳感器失效、車速信號故障、系統供電電壓故障；當系統發生故障時，控制器將通過工作指示燈和CAN總線輸出相應的故障閃碼和故障代碼。 有益效果本發明一種智能車輛轉向機構及其控制方法，轉向機構包括方向盤、扭矩傳感器、轉向輸入軸、模式離合器、蝸輪蝸桿減速機構、轉向輸出軸、旋轉編碼器、電動機、安全離合器、轉向齒輪、轉向齒條、控制器；方向盤經扭矩傳感器與轉向輸入軸相連；轉向輸入軸經模式離合器與蝸輪蝸桿減速機構中的蝸桿相連接，電動機的輸出軸經安全離合器與蝸輪蝸桿減速機構中的蝸輪相連接；控制器通過對模式選擇開關的判斷，在兩種控制模式中選擇相應的控制模式，既實現了無人駕駛自動控制模式的精準角度和角速度控制，又實現了人工控制模式的良好駕駛體驗；高可靠性的安全冗余設計，保證了系統發生故障時的安全駕駛；能夠實現長時間巡航控制。
圖I是本發明涉及的智能車輛轉向機構整體結構示意圖；圖2是本發明中控制系統的結構示意圖；圖3是本發明中控制器工作于位置伺服模式時的控制系統結構示意圖；圖4是本發明中控制器工作于轉矩控制模式時的控制系統結構示意圖；圖例說明I-方向盤；2_扭矩傳感器；3_轉向輸入軸；4_模式離合器；5_蝸輪蝸桿；6-轉向輸出軸-J-旋轉編碼器；8_直流無刷力矩伺服電機；9_安全離合器；10_轉向齒輪；11_轉向齒條；12_控制器。
具體實施例方式以下將結合具體實施例和說明書附圖對本發明做進一步詳細說明。參見圖1，智能車輛轉向機構包括方向盤(I)、扭矩傳感器(2)、轉向輸入軸(3)、模式離合器(4)、蝸輪蝸桿減速機構(5)、轉向輸出軸(6)、旋轉編碼器(7)、直流無刷力矩型伺服電機(8)、安全離合器(9)、轉向齒輪(10)、轉向齒條(11)及控制器(12)。方向盤(I)經扭矩傳感器(2)與轉向輸入軸(3)相連；轉向輸入軸(3 )經模式離合器(4 )與蝸輪蝸桿減速機構(5 )中的蝸桿相連接，電動機(8)的輸出軸經安全離合器(9)與蝸輪蝸桿減速機構(5)中的蝸輪相連接；扭矩傳感器(2)、模式離合器(4)、旋轉編碼器(7)、電動機(8)及安全離合器(9)均與控制器(12)相連；轉向輸出軸(6)與轉向齒輪(10)相連，轉向齒輪(10)與轉向齒條(11)嚙合。如圖2所示，控制器采用TMS320F28335數字信號處理器，通過GPIO接口采集點火信號、模式選擇信號、方向信號并對模式離合器、安全離合器、左轉向燈、右轉向燈、工作指示燈進行控制，通過定時/捕捉接口采集車速信號和脈沖給定信號以及旋轉編碼器輸出的轉速/位置信號，通過AD轉換接口采集電流信號和轉矩信號，通過PWM輸出接口對MOSFET驅動電路進行控制，通過六管MOSFET逆變橋實現對電機的正弦波脈沖寬度調制控制，通過 CAN總線實現與設置終端和決策終端的通信。控制器通過檢測外部模式選擇開關信號，判斷工作于無人駕駛自動控制模式或是人工控制模式。當工作于自動駕駛模式時，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手段，此時控制器的位置給定信息由駕駛決策終端經過CAN總線發出，并且控制器根據CAN總線信號中包含的轉角信息的方向對轉向燈進行控制；如圖3所示的位置伺服算法中，電流閉環控制可以抑制起動、制動電流，加速電流的相應過程。速度環負責伺服電機的轉速控制和調節，抑制負載波動。位置環負責位置的伺服控制，位置調節器的輸出限幅值決定著伺服電機的最高轉速。當工作于人工控制模式時，模式離合器結合，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手段，此時控制器的輸入信號為采集安裝于轉向柱上的扭矩傳感器輸出的轉矩信號和來自脈沖信號的車速信息，根據轉矩和車速信號，對電機的助力特性曲線進行查表，得出助力電流的目標值，同時伺服控制器放棄對轉向信號燈的控制權，使操作者進行人工控制。例如，某一時刻扭矩傳感器輸出的扭矩信號為O. 5Nm，車速為50Km/H，經查表得到目標電流值2A，那么PI控制器的輸入為實際電流值與目標電流值之差，PI控制器保證輸出的電流值穩定在2A，確保電機輸出恒定的助力轉矩。當系統發生故障時，控制器將通過工作指示燈和CAN總線輸出相應的故障閃碼和故障代碼，可通過設置終端進行故障診斷。控制器會根據故障的等級決定是否將安全離合器分離。系統故障包括電機過流、電機失效、扭矩傳感器失效、車速信號故障、系統供電電壓故障。當控制器檢測到電機過流時，會通過工作指示燈輸出三長一短的閃碼指示，并通過CAN總線報告故障代碼，同時控制器會自動降低輸出電流，此故障對行車的安全危害較小，不會進行安全離合器分離；當控制器在3秒內連續檢測到3次電機過流故障時，即認為電機失效，會通過工作指示燈輸出一長一短的閃碼指示，并通過CAN總線報告故障代碼，同時由于電機失效會嚴重影響行車安全，故會將安全離合器分離。在無人駕駛自動控制模式時將模式離合器分離，可以大大降低系統的轉動慣量，有利于實現精準的位置伺服，同時還避免了方向盤的隨動，改善了乘客體驗。模式離合器采用常合型單片干式電磁離合器可以在系統掉電或者伺服控制器發生故障時保證模式離合器的結合，保證了人工控制的有效，提高的系統的安全性。采用直流無刷力矩型伺服電機具有結構簡單、可靠性高、轉矩大等優點，同時力矩電機的轉矩-電流特性具有很高的線性度，使得轉矩控制更精確。力矩電機能夠長時間靜態轉矩輸出，使轉向系統能夠進行巡航控制。采用空心杯轉子結構的直流無刷力矩型伺服電機進一步降低了系統的轉動慣量，有利于提高控制精度。由于直流無刷力矩性伺服電機是永磁電機，若發生繞組短路等故障，將會產生很大的阻尼轉矩，嚴重影響了車輛的安全。當系統發生故障時，將安全離合器分離可以有效降低此類故障對車輛安全的影響。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生故障時保證安全離合器的分離，提高了系統的安全性。采用剛性電磁離合器，可以避免離合器結合后兩軸發生相對滑轉，提聞了系統的控制精度。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種智能車輛轉向機構，其特征在于，包括方向盤(I)、扭矩傳感器(2)、轉向輸入軸(3)、模式離合器(4)、蝸輪蝸桿減速機構(5)、轉向輸出軸(6)、旋轉編碼器(7)、電動機(8)、 安全離合器(9)、轉向齒輪(10)、轉向齒條(11)、控制器(12)；方向盤(I)經扭矩傳感器(2 )與轉向輸入軸(3 )相連；轉向輸入軸(3)經模式離合器(4)與蝸輪蝸桿減速機構(5)中的蝸桿相連接，電動機 (8)的輸出軸經安全離合器(9)與蝸輪蝸桿減速機構(5)中的蝸輪相連接；扭矩傳感器(2)、模式離合器(4)、旋轉編碼器(7)、電動機(8)及安全離合器(9)均與控制器(12)相連；轉向輸出軸(6)與轉向齒輪(10)相連，轉向齒輪(10)與轉向齒條(11)嚙合。
2.根據權利要求I所述的智能車輛轉向機構，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.根據權利要求2所述的智能車輛轉向機構，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.根據權利要求3所述的智能車輛轉向機構，其特征在于，所述電動機(8)為直流無刷力矩型伺服電機。
5.一種智能車輛轉向機構控制方法，其特征在于，采用基于權利要求1-4任一項所述的智能車輛轉向機構，通過模式選擇開關設定模式離合器的工作方式；選擇模式離合器對應工況的控制方法對控制器進行控制，從而完成對車輛轉向機構的控制。
6.根據權利要求5所述的智能車輛轉向機構控制方法，其特征在于，當通過模式選擇開關將控制模式設定為無人駕駛自動控制模式時，控制器(12)采用位置伺服控制算法實施控制；當通過模式選擇開關將控制模式設定為人工控制模式時，控制器(12)采用力矩控制算法實施控制。
7.根據權利要求6所述的智能車輛轉向機構控制方法，其特征在于，當通過模式選擇開關將控制模式設定為無人駕駛自動控制模式時，控制器(12)根據從駕駛決策終端接收到的轉向指令，根據轉向指令的方向對轉向信號燈進行控制。
8.根據權利要求7所述的智能車輛轉向機構控制方法，其特征在于，還包括系統故障控制，控制器根據故障的等級決定是否將安全離合器分離；所述系統故障包括電機過流、電機失效、扭矩傳感器失效、車速信號故障、系統供電電壓故障；當系統發生故障時，控制器將通過工作指示燈和CAN總線輸出相應的故障閃碼和故障代碼。
全文摘要
一種智能車輛轉向機構及其控制方法，包括方向盤、扭矩傳感器、轉向輸入軸、模式離合器、蝸輪蝸桿減速機構、轉向輸出軸、旋轉編碼器、電動機、安全離合器、轉向齒輪、轉向齒條、控制器；方向盤經扭矩傳感器與轉向輸入軸相連；方向盤經扭矩傳感器與轉向輸入軸相連；轉向輸入軸經模式離合器與蝸輪蝸桿減速機構中的蝸桿相連接，電動機的輸出軸經安全離合器與蝸輪蝸桿減速機構中的蝸輪相連接；無人駕駛時，控制器選擇位置伺服控制方法，實現了無人駕駛自動控制模式的精準角度和角速度控制；人工控制時，控制器選擇力矩控制方法，實現了人工控制模式的良好駕駛體驗；高可靠性的安全冗余設計，保證了系統發生故障時的安全駕駛；能夠實現長時間巡航控制。
文檔編號B62D101/00GK102923183SQ201210415419
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者王耀南, 申永鵬, 袁小芳, 孟步敏, 盧斌, 張小亮, 周翔 申請人:湖南大學