專利名稱：一種無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛轉(zhuǎn)向裝置。更具體地說是一種無人駕駛車輛的轉(zhuǎn)向裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
無人駕駛車輛是驗(yàn)證機(jī)器感知與認(rèn)知理論、方法與技術(shù)的最佳平臺(tái)之一，尤其是 在非結(jié)構(gòu)化動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中。無人駕駛車輛不僅在軍事、探險(xiǎn)和救援等危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下具 有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)無人駕駛車輛所涉及到的各種汽車傳感器、環(huán)境感知系統(tǒng)、行駛安 全預(yù)警與輔助駕駛智能決策等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于提高有人駕駛汽車的智能化程度和行駛安全 性具有重要意義。因此，世界主要發(fā)達(dá)國家將無人駕駛車輛作為展示人工智能技術(shù)水平、引 領(lǐng)車輛工業(yè)未來的重要平臺(tái)，紛紛開展無人駕駛車輛的研究。 無人駕駛車輛的自動(dòng)轉(zhuǎn)向性能是衡量整車性能的最重要指標(biāo)之一，而無人駕駛車 輛的轉(zhuǎn)向控制裝置則是保證無人駕駛車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向性能的關(guān)鍵。然而，目前對(duì)于無人駕駛 車輛的轉(zhuǎn)向控制裝置尚無完善的方案。檢索現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)，中國專利申請(qǐng)?zhí)枮?12682254. 3，
公開日2002年9月11
日，名稱機(jī)動(dòng)車自動(dòng)駕駛方向控制伺服機(jī)構(gòu)，其伺服機(jī)構(gòu)用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，步進(jìn)電
機(jī)軸與減速器的輸入軸連接，減速器的輸出軸經(jīng)電磁離合器、齒形同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與方向
盤軸連接，從而可以成功地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向。但是，在方向盤軸上增加同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)占用了
駕駛室空間，破壞了原有的車輛外形機(jī)構(gòu)，而且，此方案力矩的傳遞要經(jīng)過原轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方
向盤軸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，最終到達(dá)轉(zhuǎn)向車輪，會(huì)產(chǎn)生較大的傳動(dòng)誤差。 中國專利申請(qǐng)?zhí)枮?00510111220. 2，
公開日2006年7月19日，名稱無人駕駛
車輛的方向控制機(jī)構(gòu)，采用電機(jī)減速器組合經(jīng)電磁離合器與減速箱的輸入軸連接，小齒輪
連接在減速箱的輸出軸上，大齒輪經(jīng)連接法蘭直接與車輛的中央轉(zhuǎn)向搖臂連接，梯形轉(zhuǎn)向
機(jī)構(gòu)拉桿的另一端與中央轉(zhuǎn)向搖臂鉸接，梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)拉桿的另一端與轉(zhuǎn)向車輪鉸接，實(shí)
現(xiàn)無人駕駛車輛的自動(dòng)轉(zhuǎn)向。但是雙級(jí)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用車內(nèi)空間較大，增大了運(yùn)
動(dòng)的傳動(dòng)誤差，增加了安裝的難度，電機(jī)軸、齒輪軸和中央轉(zhuǎn)向搖臂三軸的平行很難得到保
證，不僅如此，這一技術(shù)方案需要在車輛的中央轉(zhuǎn)向搖臂上焊接法蘭，既破壞了車輛的原有
結(jié)構(gòu)，又不便于裝置的裝拆。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置方案的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡 單緊湊、成本低、傳動(dòng)效率高、智能化程度高的無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置及其控制方法，使原
車的結(jié)構(gòu)和外觀皆不受到破壞、易于裝拆，并具有一定的通用性。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置的特點(diǎn)是具有
—電機(jī)，為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
—相互嚙合的蝸輪和蝸桿，所述蝸桿與電機(jī)的輸出軸直接聯(lián)接； —電磁離合器，以所述蝸輪與電磁離合器的主動(dòng)端固聯(lián)；以所述電磁離合器的被 動(dòng)端與方向盤轉(zhuǎn)向柱固聯(lián)； —夾具，與轉(zhuǎn)向柱支架固聯(lián)，作為電機(jī)的固定支架，使電機(jī)與蝸桿為同軸，并使蝸 桿與蝸輪的軸線為垂直； —非接觸式零位檢測(cè)機(jī)構(gòu)，由固定設(shè)置在夾具上、位于電磁離合器側(cè)部的零位傳 感器和固定設(shè)置在電磁離合器外周的零位傳感器觸頭構(gòu)成，所述零位傳感器觸頭能夠在方 向盤轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過零位傳感器上的感應(yīng)凹槽； —限位機(jī)構(gòu)，由固定設(shè)置在車架上的限位傳感器和固聯(lián)在車輪轉(zhuǎn)向節(jié)上的限位傳 感器撥片構(gòu)成，限位狀態(tài)下的限位傳感器撥片能夠觸動(dòng)限位傳感器；
—編碼器，連接于所述電機(jī)后端的輸出軸上。 本發(fā)明無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置的特點(diǎn)也在于是所述夾具是以設(shè)置在其上的"V"形
口夾持在轉(zhuǎn)向柱支架上，以固聯(lián)在夾具上的側(cè)板作為電機(jī)的固定支架。 本發(fā)明無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)向絕對(duì)零位的標(biāo)定方法的特點(diǎn)是 車輛保持絕對(duì)直線行駛時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)向柱所對(duì)應(yīng)的位置為絕對(duì)零位，設(shè)定方向盤
轉(zhuǎn)向柱在絕對(duì)零位下的車輛的前進(jìn)方向?yàn)閅軸； 設(shè)定零位傳感器所在位置為參考零位，零位傳感器與所述方向盤轉(zhuǎn)向柱的中心的 連線為Y'軸；Y軸與Y'軸之間的夾角為定值a ;
方向盤轉(zhuǎn)向柱絕對(duì)零位的標(biāo)定過程為 首先手動(dòng)使方向盤轉(zhuǎn)向柱處于車輛直線行駛狀態(tài)，然后使電磁離合器通電吸合， 并且電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，方向盤轉(zhuǎn)向柱帶動(dòng)零位傳感器觸頭逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至零位傳感器觸頭 到達(dá)參考零位，此時(shí)零位傳感器輸出參考零位檢測(cè)信號(hào)，電機(jī)從參考零位開始反轉(zhuǎn)并帶動(dòng) 方向盤轉(zhuǎn)向柱順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)向柱反向轉(zhuǎn)過a角度時(shí)，標(biāo)定此時(shí)方向盤 轉(zhuǎn)向柱所處的位置為絕對(duì)零位。 本發(fā)明無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法的特點(diǎn)是 首先使電磁離合器通電吸合，車輛處于自動(dòng)駕駛模式，然后進(jìn)行絕對(duì)零位的標(biāo)定 并使車輛處于絕對(duì)零位位置，當(dāng)車輛需要轉(zhuǎn)向時(shí)，給出轉(zhuǎn)向指令，電機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn) 向柱開始轉(zhuǎn)動(dòng)，方向盤轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)到所需要的位置之后，電機(jī)停止，完成無人駕駛車輛的自動(dòng) 轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向過程中，若限位傳感器被觸發(fā)，則電機(jī)停止運(yùn)行。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在 1、本發(fā)明以電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和方向盤轉(zhuǎn)向柱之間僅有一個(gè)蝸輪蝸桿 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證了裝置的緊湊性和傳動(dòng)的有效性。 2、本發(fā)明中的零位檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用非接觸式傳感器，一方面因傳動(dòng)中沒有摩擦，提 高了裝置的傳動(dòng)效率；另一方面能準(zhǔn)確檢測(cè)到當(dāng)前方向盤的轉(zhuǎn)角，為無人駕駛車輛在自動(dòng) 轉(zhuǎn)向時(shí)以及方向盤自動(dòng)回正時(shí)提供了角度基準(zhǔn)，提高了無人駕駛車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向的效率和重 復(fù)定位精度。 3、本發(fā)明設(shè)置限位機(jī)構(gòu)，有效保證車輛的行車安全和轉(zhuǎn)向控制裝置的運(yùn)行安全。
4、本發(fā)明中夾具以其"V"形口夾持在轉(zhuǎn)向柱支架上，有效保證了電機(jī)、蝸桿以及蝸 輪各自的位置狀態(tài)，并且使得整個(gè)轉(zhuǎn)向控制裝置在車上的拆裝非常方便。


圖1為本發(fā)明轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明轉(zhuǎn)向裝置剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明夾具結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明轉(zhuǎn)向絕對(duì)零位標(biāo)定示意圖。
圖5為本發(fā)明轉(zhuǎn)向絕對(duì)零位標(biāo)定流程圖。
圖6為本發(fā)明轉(zhuǎn)向限位結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明左轉(zhuǎn)向極限位置示意圖。
圖8為本發(fā)明自動(dòng)轉(zhuǎn)向流程圖。 圖中標(biāo)號(hào)1夾具，2側(cè)板，3電機(jī)，4編碼器，5蝸桿，6蝸輪，7電磁離合器，7A電磁 離合器主動(dòng)端，7B電磁離合器被動(dòng)端，8零位傳感器，9轉(zhuǎn)向柱支架，10方向盤轉(zhuǎn)向柱，11零 位傳感器觸頭、12螺栓。 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施例方式
參見圖1、圖2，本實(shí)施例是以電機(jī)3為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；以相互嚙合的蝸輪6和蝸桿 5為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，蝸桿5與電機(jī)3的輸出軸直接聯(lián)接；以蝸輪6與電磁離合器的主動(dòng)端7A固 聯(lián)；以電磁離合器的被動(dòng)端7B與方向盤轉(zhuǎn)向柱10固聯(lián)； 為了提高無人駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制精度，在電機(jī)3的后端輸出軸上連接一編碼器 4，利用編碼器對(duì)轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行閉環(huán)控制。 參見圖1、圖2和圖3，夾具1是以其上的"V"形口夾持在轉(zhuǎn)向柱支架9上，以固聯(lián) 在夾具1上的側(cè)板2作為電機(jī)3的固定支架，使電機(jī)3與蝸桿5為同軸，并使蝸桿5與蝸輪 6的軸線保持垂直，夾具1上的"V"形口使其可以很方便地套裝在轉(zhuǎn)向柱支架9上，擰緊螺 栓12即可得到緊固。 如圖1和圖2所示，采用非接觸式零位檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其中，零位傳感器8固定設(shè)置在 夾具1上、位于電磁離合器的側(cè)部，零位傳感器觸頭11固定設(shè)置在電磁離合器的外周，零位 傳感器觸頭11能夠在方向盤轉(zhuǎn)向柱10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)順利通過零位傳感器8上的感應(yīng)凹槽。
參見圖6和圖7，限位機(jī)構(gòu)由固定設(shè)置在車架17上的限位傳感器13和固聯(lián)在車輪 轉(zhuǎn)向節(jié)15上的限位傳感器撥片14構(gòu)成，限位狀態(tài)下的限位傳感器撥片14能夠觸動(dòng)限位傳 感器13。 在車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)，電磁離合器7通電吸合，電機(jī)3經(jīng)蝸桿5、蝸輪6、電磁離合器 7驅(qū)動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)向柱10，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛車輛的自動(dòng)轉(zhuǎn)向。 在車輛人工駕駛時(shí)，電磁離合器7斷電分離，駕駛員通過方向盤驅(qū)動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)向
柱io實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向和人工轉(zhuǎn)向之間為并聯(lián)方式，互不影響。 參見圖4和圖5，車輛保持絕對(duì)直線行駛時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)向柱所對(duì)應(yīng)的位置為絕對(duì)零 位，設(shè)定方向盤轉(zhuǎn)向柱在絕對(duì)零位下的車輛的前進(jìn)方向?yàn)閅軸； 設(shè)定零位傳感器所在位置為參考零位，零位傳感器與方向盤轉(zhuǎn)向柱中心的連線為 Y'軸；Y軸與Y'軸之間的夾角為定值a ;
方向盤轉(zhuǎn)向柱絕對(duì)零位的標(biāo)定過程為 首先手動(dòng)使方向盤轉(zhuǎn)向柱10處于車輛直線行駛狀態(tài)(步驟100)，然后使電磁離合 器7通電吸合(步驟110)，并且電機(jī)3開始正轉(zhuǎn)(步驟120)，方向盤轉(zhuǎn)向柱10帶動(dòng)零位傳 感器觸頭11逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(步驟130)，直至零位傳感器觸頭11到達(dá)參考零位(步驟140)， 此時(shí)零位傳感器8輸出參考零位檢測(cè)信號(hào)，電機(jī)3從參考零位開始反轉(zhuǎn)并帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)向 柱10順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(步驟150)，當(dāng)電機(jī)3帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)向柱反向轉(zhuǎn)過a角度時(shí)(步驟160)， 標(biāo)定此時(shí)方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)所處的位置為絕對(duì)零位(步驟170)。 參見圖6、圖7和圖8，自動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)的過程是首先使電磁離合器7通電吸合(步 驟100)，車輛處于自動(dòng)駕駛模式，然后進(jìn)行絕對(duì)零位的標(biāo)定并使車輛處于絕對(duì)零位位置 (步驟IIO);當(dāng)車輛需要轉(zhuǎn)向時(shí)，給出轉(zhuǎn)向指令(步驟120)，電機(jī)3運(yùn)行(步驟130)，帶動(dòng) 方向盤轉(zhuǎn)向柱10開始轉(zhuǎn)動(dòng)(步驟140)，轉(zhuǎn)向的過程中，若限位傳感器13觸發(fā)(步驟150)， 則電機(jī)3停止運(yùn)行(步驟170)，從而有效的保護(hù)車輛及轉(zhuǎn)向裝置，方向盤轉(zhuǎn)向柱10轉(zhuǎn)到所 需要的位置之后(步驟160)，電機(jī)3停止(步驟170)，完成無人駕駛車輛的自動(dòng)轉(zhuǎn)向。
權(quán)利要求
無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置，其特征是具有一電機(jī)(3)，為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；一相互嚙合的蝸輪(6)和蝸桿(5)，所述蝸桿(5)與電機(jī)(3)的輸出軸直接聯(lián)接；一電磁離合器(7)，以所述蝸輪(6)與電磁離合器的主動(dòng)端(7A)固聯(lián)；以所述電磁離合器的被動(dòng)端(7B)與方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)固聯(lián)；一夾具(1)，與轉(zhuǎn)向柱支架(9)固聯(lián)，作為電機(jī)(3)的固定支架，使電機(jī)(3)與蝸桿(5)為同軸，并使蝸桿(5)與蝸輪(6)的軸線為垂直；一非接觸式零位檢測(cè)機(jī)構(gòu)，由固定設(shè)置在夾具(1)上、位于電磁離合器側(cè)部的零位傳感器(8)和固定設(shè)置在電磁離合器外周的零位傳感器觸頭(11)構(gòu)成，所述零位傳感器觸頭(11)能夠在方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過零位傳感器(8)上的感應(yīng)凹槽；一限位機(jī)構(gòu)，由固定設(shè)置在車架(17)上的限位傳感器(13)和固聯(lián)在車輪轉(zhuǎn)向節(jié)(15)上的限位傳感器撥片(14)構(gòu)成，限位狀態(tài)下的限位傳感器撥片(14)能夠觸動(dòng)限位傳感器(13)；一編碼器(4)，連接于所述電機(jī)(3)后端的輸出軸上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置，其特征是所述夾具(1)是以設(shè)置在 其上的"V"形口夾持在轉(zhuǎn)向柱支架(9)上，以固聯(lián)在夾具(1)上的側(cè)板(2)作為電機(jī)(3) 的固定支架。
3. 權(quán)利要求1所述無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)向絕對(duì)零位的標(biāo)定方法，其特征是 車輛保持絕對(duì)直線行駛時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)所對(duì)應(yīng)的位置為絕對(duì)零位，設(shè)定方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)在絕對(duì)零位下的車輛的前進(jìn)方向?yàn)閅軸；設(shè)定零位傳感器(8)所在位置為參考零位，零位傳感器(8)與所述方向盤轉(zhuǎn)向柱(10) 的中心的連線為Y'軸；Y軸與Y'軸之間的夾角為定值a ;方向盤轉(zhuǎn)向柱絕對(duì)零位的標(biāo)定過程為首先手動(dòng)使方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)處于車輛直線行駛狀態(tài)，然后使電磁離合器(7)通電吸 合，并且電機(jī)(3)開始正轉(zhuǎn)，方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)帶動(dòng)零位傳感器觸頭(11)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直 至零位傳感器觸頭(11)到達(dá)參考零位，此時(shí)零位傳感器(8)輸出參考零位檢測(cè)信號(hào)，電機(jī) (3)從參考零位開始反轉(zhuǎn)并帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)(3)帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn) 向柱反向轉(zhuǎn)過a角度時(shí)，標(biāo)定此時(shí)方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)所處的位置為絕對(duì)零位。
4. 權(quán)利要求1所述無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法，其特征是 首先使電磁離合器(7)通電吸合，車輛處于自動(dòng)駕駛模式，然后進(jìn)行絕對(duì)零位的標(biāo)定并使車輛處于絕對(duì)零位位置，當(dāng)車輛需要轉(zhuǎn)向時(shí)，給出轉(zhuǎn)向指令，電機(jī)(3)運(yùn)行，帶動(dòng)方向 盤轉(zhuǎn)向柱(10)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，方向盤轉(zhuǎn)向柱(10)轉(zhuǎn)到所需要的位置之后，電機(jī)(3)停止，完成 無人駕駛車輛的自動(dòng)轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向過程中，若限位傳感器(13)被觸發(fā)，則電機(jī)(3)停止運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無人駕駛車輛轉(zhuǎn)向裝置及其控制方法，其特征是具有一電機(jī)，為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；一相互嚙合的蝸輪和蝸桿，所述蝸桿與電機(jī)的輸出軸直接聯(lián)接；一電磁離合器，以所述蝸輪與電磁離合器的主動(dòng)端固聯(lián)；以所述電磁離合器的被動(dòng)端與方向盤轉(zhuǎn)向柱固聯(lián)，一編碼器，連接于電機(jī)后端的輸出軸上。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)無人駕駛車輛的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制，并可在無人駕駛和人工駕駛兩種模式下自由切換且互不影響，其結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、傳動(dòng)效率較高、車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向的智能化程度較高、原車的結(jié)構(gòu)和外觀皆不受破壞、易于裝拆，并能應(yīng)用于有自動(dòng)回轉(zhuǎn)要求的其它場(chǎng)合。
文檔編號(hào)B62D5/04GK101758855SQ201010104800
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者張衛(wèi)忠, 李碧春, 梁華為, 梅濤, 祝輝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院