CN101758855B - 一种无人驾驶车辆转向装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶车辆转向装置及其控制方法，其特征是具有：一电机，为转向驱动机构；一相互啮合的蜗轮和蜗杆，所述蜗杆与电机的输出轴直接联接；一电磁离合器，以所述蜗轮与电磁离合器的主动端固联；以所述电磁离合器的被动端与方向盘转向柱固联，一编码器，连接于电机后端的输出轴上。本发明可实现无人驾驶车辆的自动转向控制，并可在无人驾驶和人工驾驶两种模式下自由切换且互不影响，其结构紧凑、成本低、传动效率较高、车辆自动转向的智能化程度较高、原车的结构和外观皆不受破坏、易于装拆，并能应用于有自动回转要求的其它场合。

Description

一种无人驾驶车辆转向装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及车辆转向装置。更具体地说是一种无人驾驶车辆的转向装置及控制方法。

背景技术

无人驾驶车辆是验证机器感知与认知理论、方法与技术的最佳平台之一，尤其是在非结构化动态变化环境中。无人驾驶车辆不仅在军事、探险和救援等危险、恶劣环境下具有广阔的应用前景，同时无人驾驶车辆所涉及到的各种汽车传感器、环境感知***、行驶安全预警与辅助驾驶智能决策等关键技术对于提高有人驾驶汽车的智能化程度和行驶安全性具有重要意义。因此，世界主要发达国家将无人驾驶车辆作为展示人工智能技术水平、引领车辆工业未来的重要平台，纷纷开展无人驾驶车辆的研究。

无人驾驶车辆的自动转向性能是衡量整车性能的最重要指标之一，而无人驾驶车辆的转向控制装置则是保证无人驾驶车辆自动转向性能的关键。然而，目前对于无人驾驶车辆的转向控制装置尚无完善的方案。

检索现有的技术文献，中国专利申请号为012682254.3，公开日：2002年9月11日，名称：机动车自动驾驶方向控制伺服机构，其伺服机构用步进电机作为动力源，步进电机轴与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴经电磁离合器、齿形同步带传动机构与方向盘轴连接，从而可以成功地实现自动转向。但是，在方向盘轴上增加同步带传动机构占用了驾驶室空间，破坏了原有的车辆外形机构，而且，此方案力矩的传递要经过原转向机构的方向盘轴、齿轮齿条机构和转向梯形机构，最终到达转向车轮，会产生较大的传动误差。

中国专利申请号为200510111220.2，公开日：2006年7月19日，名称：无人驾驶车辆的方向控制机构，采用电机减速器组合经电磁离合器与减速箱的输入轴连接，小齿轮连接在减速箱的输出轴上，大齿轮经连接法兰直接与车辆的中央转向摇臂连接，梯形转向机构拉杆的另一端与中央转向摇臂铰接，梯形转向机构拉杆的另一端与转向车轮铰接，实现无人驾驶车辆的自动转向。但是双级齿轮传动结构复杂，占用车内空间较大，增大了运动的传动误差，增加了安装的难度，电机轴、齿轮轴和中央转向摇臂三轴的平行很难得到保证，不仅如此，这一技术方案需要在车辆的中央转向摇臂上焊接法兰，既破坏了车辆的原有结构，又不便于装置的装拆。

发明内容

本发明是为了克服现有无人驾驶车辆转向装置方案的不足之处，提供一种结构简单紧凑、成本低、传动效率高、智能化程度高的无人驾驶车辆转向装置及其控制方法，使原车的 结构和外观皆不受到破坏、易于装拆，并具有一定的通用性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明无人驾驶车辆转向装置的特点是具有：

一电机，为转向驱动机构；

一相互啮合的蜗轮和蜗杆，所述蜗杆与电机的输出轴直接联接；

一电磁离合器，以所述蜗轮与电磁离合器的主动端固联；以所述电磁离合器的被动端与方向盘转向柱固联；

一夹具，与转向柱支架固联，作为电机的固定支架，使电机与蜗杆为同轴，并使蜗杆与蜗轮的轴线为垂直；

一非接触式零位检测机构，由固定设置在夹具上、位于电磁离合器侧部的零位传感器和固定设置在电磁离合器外周的零位传感器触头构成，所述零位传感器触头能够在方向盘转向柱转动时通过零位传感器上的感应凹槽；

一限位机构，由固定设置在车架上的限位传感器和固联在车轮转向节上的限位传感器拨片构成，限位状态下的限位传感器拨片能够触动限位传感器；

一编码器，连接于所述电机后端的输出轴上。

本发明无人驾驶车辆转向装置的特点也在于是所述夹具是以设置在其上的“V”形口夹持在转向柱支架上，以固联在夹具上的侧板作为电机的固定支架。

本发明无人驾驶车辆转向装置的转向绝对零位的标定方法的特点是：

车辆保持绝对直线行驶时，方向盘转向柱所对应的位置为绝对零位，设定方向盘转向柱在绝对零位下的车辆的前进方向为Y轴；

设定零位传感器所在位置为参考零位，零位传感器与所述方向盘转向柱的中心的连线为Y’轴；Y轴与Y’轴之间的夹角为定值α；

方向盘转向柱绝对零位的标定过程为：

首先手动使方向盘转向柱处于车辆直线行驶状态，然后使电磁离合器通电吸合，并且电机开始正转，方向盘转向柱带动零位传感器触头逆时针转动，直至零位传感器触头到达参考零位，此时零位传感器输出参考零位检测信号，电机从参考零位开始反转并带动方向盘转向柱顺时针转动，当电机带动方向盘转向柱反向转过α角度时，标定此时方向盘转向柱所处的位置为绝对零位。

本发明无人驾驶车辆转向装置的自动转向控制方法的特点是：

首先使电磁离合器通电吸合，车辆处于自动驾驶模式，然后进行绝对零位的标定并使车 辆处于绝对零位位置，当车辆需要转向时，给出转向指令，电机运行，带动方向盘转向柱开始转动，方向盘转向柱转到所需要的位置之后，电机停止，完成无人驾驶车辆的自动转向；转向过程中，若限位传感器被触发，则电机停止运行。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明以电机为驱动机构，在驱动电机和方向盘转向柱之间仅有一个蜗轮蜗杆传动机构，保证了装置的紧凑性和传动的有效性。

2、本发明中的零位检测机构采用非接触式传感器，一方面因传动中没有摩擦，提高了装置的传动效率；另一方面能准确检测到当前方向盘的转角，为无人驾驶车辆在自动转向时以及方向盘自动回正时提供了角度基准，提高了无人驾驶车辆自动转向的效率和重复定位精度。

3、本发明设置限位机构，有效保证车辆的行车安全和转向控制装置的运行安全。

4、本发明中夹具以其“V”形口夹持在转向柱支架上，有效保证了电机、蜗杆以及蜗轮各自的位置状态，并且使得整个转向控制装置在车上的拆装非常方便。

附图说明

图1为本发明转向装置结构示意图。

图2为本发明转向装置剖视结构示意图。

图3为本发明夹具结构示意图。

图4为本发明转向绝对零位标定示意图。

图5为本发明转向绝对零位标定流程图。

图6为本发明转向限位结构示意图。

图7为本发明左转向极限位置示意图。

图8为本发明自动转向流程图。

图中标号：1夹具，2侧板，3电机，4编码器，5蜗杆，6蜗轮，7电磁离合器，7A电磁离合器主动端，7B电磁离合器被动端，8零位传感器，9转向柱支架，10方向盘转向柱，11零位传感器触头、12螺栓。

下面结合附图对本发明的实施作进一步说明。

具体实施方式

参见图1、图2，本实施例是以电机3为转向驱动机构；以相互啮合的蜗轮6和蜗杆5为传动机构，蜗杆5与电机3的输出轴直接联接；以蜗轮6与电磁离合器的主动端7A固联；以电磁离合器的被动端7B与方向盘转向柱10固联；

为了提高无人驾驶车辆的转向控制精度，在电机3的后端输出轴上连接一编码器4，利用编码器对转向装置进行闭环控制。

参见图1、图2和图3，夹具1是以其上的“V”形口夹持在转向柱支架9上，以固联在夹具1上的侧板2作为电机3的固定支架，使电机3与蜗杆5为同轴，并使蜗杆5与蜗轮6的轴线保持垂直，夹具1上的“V”形口使其可以很方便地套装在转向柱支架9上，拧紧螺栓12即可得到紧固。

如图1和图2所示，采用非接触式零位检测机构，其中，零位传感器8固定设置在夹具1上、位于电磁离合器的侧部，零位传感器触头11固定设置在电磁离合器的外周，零位传感器触头11能够在方向盘转向柱10转动时顺利通过零位传感器8上的感应凹槽。

参见图6和图7，限位机构由固定设置在车架17上的限位传感器13和固联在车轮转向节15上的限位传感器拨片14构成，限位状态下的限位传感器拨片14能够触动限位传感器13。

在车辆自动转向时，电磁离合器7通电吸合，电机3经蜗杆5、蜗轮6、电磁离合器7驱动方向盘转向柱10，从而实现无人驾驶车辆的自动转向。

在车辆人工驾驶时，电磁离合器7断电分离，驾驶员通过方向盘驱动方向盘转向柱10实现转向，车辆自动转向和人工转向之间为并联方式，互不影响。

参见图4和图5，车辆保持绝对直线行驶时，方向盘转向柱所对应的位置为绝对零位，设定方向盘转向柱在绝对零位下的车辆的前进方向为Y轴；

设定零位传感器所在位置为参考零位，零位传感器与方向盘转向柱中心的连线为Y’轴；Y轴与Y’轴之间的夹角为定值α；

方向盘转向柱绝对零位的标定过程为：

首先手动使方向盘转向柱10处于车辆直线行驶状态(步骤100)，然后使电磁离合器7通电吸合(步骤110)，并且电机3开始正转(步骤120)，方向盘转向柱10带动零位传感器触头11逆时针转动(步骤130)，直至零位传感器触头11到达参考零位(步骤140)，此时零位传感器8输出参考零位检测信号，电机3从参考零位开始反转并带动方向盘转向柱10顺时针转动(步骤150)，当电机3带动方向盘转向柱反向转过α角度时(步骤160)，标定此时方向盘转向柱(10)所处的位置为绝对零位(步骤170)。

参见图6、图7和图8，自动转向实现的过程是：首先使电磁离合器7通电吸合(步骤100)，车辆处于自动驾驶模式，然后进行绝对零位的标定并使车辆处于绝对零位位置(步骤110)；当车辆需要转向时，给出转向指令(步骤120)，电机3运行(步骤130)，带动方向 盘转向柱10开始转动(步骤140)，转向的过程中，若限位传感器13触发(步骤150)，则电机3停止运行(步骤170)，从而有效的保护车辆及转向装置，方向盘转向柱10转到所需要的位置之后(步骤160)，电机3停止(步骤170)，完成无人驾驶车辆的自动转向。

Claims (4)

1.无人驾驶车辆转向装置，其特征是具有：

一电机(3)，为转向驱动机构；

一相互啮合的蜗轮(6)和蜗杆(5)，所述蜗杆(5)与电机(3)的输出轴直接联接；

一电磁离合器(7)，以所述蜗轮(6)与电磁离合器的主动端(7A)固联；以所述电磁离合器的被动端(7B)与方向盘转向柱(10)固联；

一夹具(1)，与转向柱支架(9)固联，作为电机(3)的固定支架，使电机(3)与蜗杆(5)为同轴，并使蜗杆(5)与蜗轮(6)的轴线为垂直；

一非接触式零位检测机构，由固定设置在夹具(1)上、位于电磁离合器侧部的零位传感器(8)和固定设置在电磁离合器外周的零位传感器触头(11)构成，所述零位传感器触头(11)能够在方向盘转向柱(10)转动时通过零位传感器(8)上的感应凹槽；

一限位机构，由固定设置在车架(17)上的限位传感器(13)和固联在车轮转向节(15)上的限位传感器拨片(14)构成，限位状态下的限位传感器拨片(14)能够触动限位传感器(13)；

一编码器(4)，连接于所述电机(3)后端的输出轴上。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶车辆转向装置，其特征是所述夹具(1)是以设置在其上的“V”形口夹持在转向柱支架(9)上，以固联在夹具(1)上的侧板(2)作为电机(3)的固定支架。

3.权利要求1所述无人驾驶车辆转向装置的转向绝对零位的标定方法，其特征是：

车辆保持绝对直线行驶时，方向盘转向柱(10)所对应的位置为绝对零位，设定方向盘转向柱(10)在绝对零位下的车辆的前进方向为Y轴；

设定零位传感器(8)所在位置为参考零位，零位传感器(8)与所述方向盘转向柱(10)的中心的连线为Y’轴；Y轴与Y’轴之间的夹角为定值α；

方向盘转向柱绝对零位的标定过程为：

首先手动使方向盘转向柱(10)处于车辆直线行驶状态，然后使电磁离合器(7)通电吸合，并且电机(3)开始正转，方向盘转向柱(10)带动零位传感器触头(11)逆时针转动，直至零位传感器触头(11)到达参考零位，此时零位传感器(8)输出参考零位检测信号，电机(3)从参考零位开始反转并带动方向盘转向柱(10)顺时针转动，当电机(3)带动方向盘转向柱反向转过α角度时，标定此时方向盘转向柱(10)所处的位置为绝对零位。

4.权利要求1所述无人驾驶车辆转向装置的自动转向控制方法，其特征是：

首先使电磁离合器(7)通电吸合，车辆处于自动驾驶模式，然后进行转向绝对零位的标定并使车辆处于绝对零位位置，当车辆需要转向时，给出转向指令，电机(3)运行，带动方向盘转向柱(10)开始转动，方向盘转向柱(10)转到所需要的位置之后，电机(3)停止，完成无人驾驶车辆的自动转向；转向过程中，若限位传感器(13)被触发，则电机(3)停止运行；

所述转向绝对零位的标定方法是：

车辆保持绝对直线行驶时，方向盘转向柱(10)所对应的位置为绝对零位，设定方向盘转向柱(10)在绝对零位下的车辆的前进方向为Y轴；

设定零位传感器(8)所在位置为参考零位，零位传感器(8)与所述方向盘转向柱(10)的中心的连线为Y’轴；Y轴与Y’轴之间的夹角为定值α；

方向盘转向柱绝对零位的标定过程为：

首先手动使方向盘转向柱(10)处于车辆直线行驶状态，然后使电磁离合器(7)通电吸合，并且电机(3)开始正转，方向盘转向柱(10)带动零位传感器触头(11)逆时针转动，直至零位传感器触头(11)到达参考零位，此时零位传感器(8)输出参考零位检测信号，电机(3)从参考零位开始反转并带动方向盘转向柱(10)顺时针转动，当电机(3)带动方向盘转向柱反向转过α角度时，标定此时方向盘转向柱(10)所处的位置为绝对零位。

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