專利名稱：基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的無(wú)人駕駛車輛轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽車電子轉(zhuǎn)向控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的無(wú)人 駕駛車輛轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制裝置。
背景技術(shù)：
隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，軍事和民用兩個(gè)方面均對(duì)車輛的智能性與安全性提出了 越來(lái)越高的要求，如實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車、車輛主動(dòng)安全、無(wú)人駕駛車輛導(dǎo)航、輔助殘疾人駕駛等 功能。為實(shí)現(xiàn)上述功能，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)處于核心地位。為實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向自 動(dòng)控制，傳統(tǒng)技術(shù)手段是為車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)加裝額外的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，如美國(guó)國(guó)防部(DAPRA) 組辦的國(guó)際無(wú)人駕駛車大賽和我國(guó)在2009年舉辦的第一屆智能車大賽中的無(wú)人駕駛車輛 均采用在轉(zhuǎn)向柱上外加直流伺服電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，這種控制方式缺點(diǎn)在于 機(jī)械安裝困難、開發(fā)周期長(zhǎng)且成本高、控制精度易引入機(jī)械加工與安裝誤差、手動(dòng)/自動(dòng)切 換不便、增加整車功耗等缺點(diǎn)。汽車的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)已由機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向發(fā)展為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，典型的電動(dòng) 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1，它由扭矩傳感器、電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)、直流助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流助力電機(jī)、機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成。其工作原理 為當(dāng)駕駛員扭動(dòng)方向盤，安裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器即可測(cè)量駕駛員施加的扭矩，并以 電壓信號(hào)形式送給原車轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU ;ECU根據(jù)測(cè)量的扭矩電壓信號(hào)和助力特 性曲線決定直流助力電機(jī)的目標(biāo)電流，并根據(jù)電流反饋構(gòu)成電流閉環(huán)控制；電流控制指令 信號(hào)發(fā)送給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成功率放大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)助力電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出助力扭矩；電機(jī)產(chǎn) 生的助力扭矩傳給汽車機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，與駕駛員施加的扭力共同完成車輛的轉(zhuǎn)向。為此，充 分利用原車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛車輛的轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制是可行途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 無(wú)人駕駛車輛轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制裝置，該裝置充分利用原車資源，具有開發(fā)低成本、接口簡(jiǎn)單、 易于安裝、低功耗、手動(dòng)/自動(dòng)切換方便的特點(diǎn)。本發(fā)明提出的基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的無(wú)人駕駛車輛轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制裝置，其特征 在于該裝置包括雙刀雙擲切換開關(guān)，由微處理單元、CAN總線通訊接口、DA轉(zhuǎn)換器、電壓跟 隨器構(gòu)成的控制單元，以及十位絕對(duì)式光電編碼器構(gòu)成的轉(zhuǎn)向測(cè)量單元；所述控制單元的 微處理器通過CAN通訊接口與上位計(jì)算機(jī)通訊，接受轉(zhuǎn)向控制指令作為轉(zhuǎn)向測(cè)量單元的 十位絕對(duì)式光電編碼器的輸出端與控制單元的微處理器輸入端相連；通過雙刀雙擲切換開 關(guān)將原車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器輸出與原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制單 元(Electronic Control Unit, E⑶)切斷，使本裝置控制單元的輸出端接入原車電動(dòng)助力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU;本裝置的控制單元內(nèi)各部件的連接關(guān)系為微處理器的輸出端通過光電 隔離器與DA轉(zhuǎn)換模塊的輸入端相連，DA轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與電壓跟隨器的輸入端相連，電壓跟隨器的輸出端為本裝置控制單元的輸出端；上述十位絕對(duì)式光電編碼器安裝在原車的 轉(zhuǎn)向柱上，雙刀雙擲切換開關(guān)固定在車內(nèi)適當(dāng)位置。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及有益效果本發(fā)明充分充分利用車輛原有的電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的直流助力電機(jī)、內(nèi)部電流閉環(huán)，并通過本裝置的絕對(duì)編碼器來(lái)精確測(cè)量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，形成了轉(zhuǎn)向控制的位置閉 環(huán)和速度閉環(huán)。該發(fā)明的實(shí)施，不僅實(shí)現(xiàn)按照車載巡航系統(tǒng)上位機(jī)的控制指令完成精確的 轉(zhuǎn)向位置、速度控制，還具有對(duì)車輛原有助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和性能影響小、與原車接口簡(jiǎn)單、安 裝方便、人工駕駛/自動(dòng)駕駛切換方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本裝置在無(wú)人駕駛車輛的轉(zhuǎn)向自動(dòng) 控制、車輛主動(dòng)安全、自動(dòng)泊車、殘疾人輔助駕駛等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為車輛原有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例與車輛原有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控的連接框圖；圖4為本實(shí)施例的絕對(duì)式光電編碼器安裝位置圖；圖5為本實(shí)施例的電壓跟隨器電路原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的無(wú)人駕駛車輛轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制裝置結(jié)合附 圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明直接利用車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(包括ECU、直流助力電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械 轉(zhuǎn)向系統(tǒng))，在無(wú)需破解原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU代碼及通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用本裝置 使得原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU能夠接收上位主控計(jì)算發(fā)出的汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向、目 標(biāo)速度、目標(biāo)角位置指令信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)助力電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角位移、角速度 的精確控制，滿足無(wú)人駕駛車輛、車輛主動(dòng)安全及自動(dòng)泊車對(duì)汽車轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制的需要。為實(shí)現(xiàn)上述意圖，本發(fā)明提供的基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的無(wú)人駕駛車輛轉(zhuǎn)向自 動(dòng)控制裝置的實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖2所示，該實(shí)施例包括雙刀雙擲切換開關(guān)，由微處理單元 (PIC18F458單片機(jī))、CAN總線通訊接口、DA轉(zhuǎn)換器(MAX506AEWP四通道DA轉(zhuǎn)換器)、電壓 跟隨器(LM258雙通道集成運(yùn)算放大器構(gòu)成)構(gòu)成的控制單元，以及十位絕對(duì)式光電編碼器 (Omron公司E6F-AG5B十位絕對(duì)光電編碼器)構(gòu)成的轉(zhuǎn)向測(cè)量單元；各器件的連接關(guān)系為 十位絕對(duì)式光電編碼器的輸出端與控制單元的微處理器輸入端相連，雙刀雙擲切換開關(guān)作 為本裝置的輸出端將原車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器與原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 ECU切斷，使原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU與本裝置控制單元的電壓跟隨器的輸出端相連， 如圖3所示；本裝置的控制單元的連接關(guān)系為微處理器輸出端通過光電隔離器與DA轉(zhuǎn)換 模塊的輸入端相連，DA轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與電壓跟隨器的輸入端相連。上述微處理器通過CAN通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊；并通過CAN總線獲取車輛巡 航系統(tǒng)上位機(jī)的車輛轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速指令信息；微控制器根據(jù)上位機(jī)給定的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)期望 控制指令和絕對(duì)式光電編碼器的反饋信息計(jì)算控制誤差、執(zhí)行控制算法，得到輸出數(shù)字控 制量；微控制器輸出的數(shù)字量經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換后生成兩路互補(bǔ)模擬電壓，模擬原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的兩路扭矩傳感信號(hào)，作為原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU內(nèi)部電流環(huán)的輸入指令；上述十位絕對(duì)式光電編碼器安裝在原車轉(zhuǎn)向柱上，用以測(cè)量方向盤的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)角、 轉(zhuǎn)速，構(gòu)成轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)的位置、速度反饋閉環(huán)；上述DA轉(zhuǎn)換器生成的兩路互補(bǔ)模擬電壓信號(hào)需經(jīng)過電壓跟隨器緩沖后再送入原車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU;上述電壓跟隨器由原車電源供電，與原車電源共地。上述雙刀雙擲切換開關(guān)固定在車內(nèi)適當(dāng)位置。該裝置工作原理結(jié)合圖3所示說(shuō)明如下裝置工作時(shí)，由雙刀雙擲開關(guān)將原車電動(dòng)助力系統(tǒng)的力矩傳感器輸出與原車ECU 的輸入端斷開，進(jìn)而將本發(fā)明的控制單元輸出端接入原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU;本裝 置控制單元的微處理器通過CAN通訊接口接受上位巡航主控計(jì)算機(jī)的控制命令(包括轉(zhuǎn) 向、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速)；十位絕對(duì)式光電編碼器測(cè)量機(jī)械轉(zhuǎn)向系的角位移和角速度，微處理單元 通過并行IO端口采集絕對(duì)編碼器讀數(shù)(經(jīng)光電隔離)，得到當(dāng)前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角位置、角速 度，并與上位機(jī)發(fā)送的理想控制命令比較后得到控制誤差信號(hào)，運(yùn)行在微處理器內(nèi)的控制 流程根據(jù)控制誤差信號(hào)計(jì)算數(shù)字控制信號(hào)并輸出；數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)光電隔離后由DA轉(zhuǎn)換 器轉(zhuǎn)化為原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU可接受的兩路互補(bǔ)模擬電壓，由電壓跟隨器(由原車 電源供電、與原車電源共地)緩沖后輸出至原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU，結(jié)合原車電動(dòng)助力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的電流環(huán)構(gòu)成完整的直流電機(jī)三環(huán)控制系統(tǒng)，并最終由電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi) 部的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)助力電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位置控制與速度控制。本實(shí)施例的十位絕對(duì)式光電編碼器的安裝位置與結(jié)構(gòu)如圖4所示，十位絕對(duì)式光 電編碼器1與方向盤轉(zhuǎn)向輸出軸4平行布置，通過減速比1 3的齒輪減速器減速(小齒 輪2、大齒輪6)，可實(shí)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角測(cè)量精度為0. 12度。其中大齒輪固定在方向盤轉(zhuǎn)向輸 出軸4上；小齒輪2與絕對(duì)式光電編碼器1的輸出軸連接；絕對(duì)式光電編碼器1通過固定架 5和連接件3固定在車體內(nèi)部；固定架5和方向盤轉(zhuǎn)向輸出軸4通過滾珠軸承連接。本實(shí)施例的電壓跟隨器電路如圖5所示，本實(shí)施例采用LM258雙通道集成運(yùn)算放 大器構(gòu)成兩路電壓跟隨器。該芯片由經(jīng)濾波后的原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU的+12電源單 端形式供電，用于緩沖本發(fā)明實(shí)例產(chǎn)生的兩路互補(bǔ)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例與原車電 動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU接口的輸入輸出阻抗匹配。
權(quán)利要求
一種基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的無(wú)人駕駛車輛轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制裝置，其特征在于，該裝置包括雙刀雙擲切換開關(guān)，由微處理單元、CAN總線通訊接口、DA轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨器構(gòu)成的控制單元，以及十位絕對(duì)式光電編碼器構(gòu)成的轉(zhuǎn)向測(cè)量單元；所述控制單元的微處理器通過CAN通訊接口與上位計(jì)算機(jī)通訊，接受轉(zhuǎn)向控制指令所述的十位絕對(duì)式光電編碼器的輸出端與控制單元的微處理器輸入端相連；該雙刀雙擲切換開關(guān)將原車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器輸出與原車電子控制單元切斷，使本裝置控制單元的輸出端接入原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制單元；本裝置的控制單元內(nèi)各部件的連接關(guān)系為微處理器的輸出端通過光電隔離器與DA轉(zhuǎn)換模塊的輸入端相連，DA轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與電壓跟隨器的輸入端相連，電壓跟隨器的輸出端為本裝置控制單元的輸出端；上述十位絕對(duì)式光電編碼器安裝在原車的轉(zhuǎn)向柱上，雙刀雙擲切換開關(guān)固定在車內(nèi)適當(dāng)位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的無(wú)人駕駛車輛轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制裝置，屬于汽車電子轉(zhuǎn)向控制技術(shù)領(lǐng)域，該裝置包括雙刀雙擲切換開關(guān)，由微處理單元、CAN總線通訊接口、DA轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨器構(gòu)成的控制單元，以及十位絕對(duì)式光電編碼器構(gòu)成的轉(zhuǎn)向測(cè)量單元；其中十位絕對(duì)式光電編碼器的輸出端與控制單元的微處理器輸入端相連，雙刀雙擲切換開關(guān)使原車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制單元與本裝置控制單元的電壓跟隨器的輸出端相連；微處理器輸出端通過光電隔離器與DA轉(zhuǎn)換模塊的輸入端相連，DA轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與電壓跟隨器的輸入端相連；該裝置充分利用原車資源，具有開發(fā)低成本、接口簡(jiǎn)單、易于安裝、低功耗、手動(dòng)/自動(dòng)切換方便的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B62D5/04GK101807079SQ201010117658
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者何克忠, 孫富春, 宋宇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)