本實用新型涉及無人駕駛車輛轉向領域，尤其是一種無人駕駛車輛用轉向的系統(tǒng)。

背景技術：

無人駕駛車輛是汽車行業(yè)未來的重要發(fā)展方向之一，近年來在車輛技術領域備受關注。無人駕駛車輛集視覺感知、人工智能、規(guī)劃控制等多學科技術于一體，它不僅在搜救、救援、偵察等危險任務中具有重要的應用價值，而且對于緩解交通擁擠、提高交通安全等方面都有很大的現(xiàn)實意義和發(fā)展?jié)摿?。目前，世界上許多國家都在大力研究無人駕駛技術，極大地推動了無人駕駛技術的發(fā)展。

轉向系統(tǒng)是無人駕駛車輛非常重要的部分，它能夠控制車輛轉向角，使得車輛按照期望軌跡行駛。盡管目前轉向系統(tǒng)已經(jīng)存在多種方案，但是難免都存在一些缺陷。

現(xiàn)有轉向系統(tǒng)存在如下缺點：

一、轉向機構安裝于駕駛室，會對駕駛員的活動空間造成不利的影響；

二、額外加裝方向機，對車輛發(fā)動機艙的安裝空間要求非常高；

三、無人車輛轉向系統(tǒng)不能實現(xiàn)人工駕駛和自動駕駛的順利轉換。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供無人駕駛車輛轉向系統(tǒng)，解決轉向系統(tǒng)占用空間大、結構復雜、人工與自動駕駛不能順利切換的問題。

具體的，本實用新型提供了無人駕駛車輛轉向系統(tǒng)，包括人工轉向部分和自動轉向部分；

所述人工轉向部分包括操縱機構、轉向器(101)和傳動機構；

所述自動轉向部分安裝于操縱機構與轉向器(101)輸入軸之間，轉向器(101)輸出端與傳動機構相連接；

所述自動轉向部分包括電機單元、電磁離合器單元、安裝支架(102)、轉向器輸入軸組件(114)、控制器單元；

安裝支架(102)安裝于轉向器(101)輸入端，電機單元固定于安裝支架(102)上，電磁離合器單元位于安裝支架(102)內部，通過轉向器輸入軸組件(114)分別與操縱機構和轉向器(101)相連；控制器單元分別與電機單元和電磁離合器單元相連。

進一步地，所述轉向器輸入軸組件(114)由從動齒輪(301)、沉頭螺釘(302)和轉向器輸入軸連接體(303)組成，從動齒輪(301)和轉向器輸入軸連接體(303)由沉頭螺釘(302)連接，轉向器輸入軸連接體(303)一端連接轉向器(101)輸入軸，另一端與操縱機構相連接。

進一步地，所述操縱機構包括方向盤、轉向軸；

轉向軸一端與轉向盤固定連接，另一端與轉向器輸入軸連接體(303)相連接。

進一步地，所述電磁離合器單元包括軸承I(104)、離合器軸(105)、主動齒輪(106)、電磁離合器(108)、軸承II(109)、傳動套筒(112)；

電磁離合器(108)主動端通過鍵與離合器軸(105)連接；離合器軸(105)一端與電機(111)通過傳動套筒(112)、兩個鍵(113)相連接，并通過軸承II(109)安裝于安裝支架(102)上，電磁離合器(108)從動端通過螺釘與主動齒輪(106)連接；離合器軸(105)另一端通過軸承I(104)安裝于安裝支架(102)上；主動齒輪(106)與從動齒輪(301)嚙合。

進一步地，所述離合器軸(105)一端伸入傳動套筒(112)內，通過鍵(113)與傳動套筒(112)相連接，同時，電機(111)的輸出軸伸入傳動套筒(112)內，通過鍵(113)與傳動套筒(112)相連接。

進一步地，所述電機單元包括編碼器(115)、電機(111)、電機卡箍組件(110)；

電機(111)前端面通過螺釘固定于安裝支架(102)上，電機卡箍組件(110)安裝于安裝支架(102)上，用以支撐電機(111)后端；編碼器(115)安裝于電機(111)上。

進一步地，所述控制器單元包括轉向控制器和繼電器；

轉向控制器與電磁離合器(108)通過繼電器相連；轉向控制器與電機(111)通過電纜相連；轉向控制器與編碼器(115)通過電纜相連。

進一步地，所述安裝支架(102)上由螺釘固定有上蓋板(107)、左防塵板(201)、右防塵板(202)、端蓋(103)，由安裝支架(102)、上蓋板(107)、左防塵板(201)、右防塵板(202)、端蓋(103)構成一個腔體；

所述電磁離合器單元安裝于所述腔體內。

進一步地，所述傳動機構包括轉向搖臂(1)、轉向直拉桿(2)、轉向節(jié)臂(3)、梯形臂(4)、轉向橫拉桿(5)；

轉向搖臂(1)一端與轉向器(101)相連，另一端連接轉向直拉桿(2)，轉向直拉桿(2)與轉向節(jié)臂(3)相連，其后依次連接梯形臂(4)、轉向橫拉桿(5)。

所述轉向器(101)為循環(huán)球式轉向器。

本實用新型提供了無人駕駛車輛轉向系統(tǒng)，可完成人工駕駛與自動駕駛的切換，采用軟件限位，設置較為靈活，不需要額外安裝限位機構，在保證轉向安全的同時，減少了自動轉向系統(tǒng)的機構復雜度，且占用空間少，不會對駕駛室造成任何影響，提高了平臺的可移植性，裝卸方便，只需要裝卸與轉向器連接的螺釘和轉向器輸入軸組件即可將自動轉向系統(tǒng)整體裝卸，較為便捷。

本實用新型的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。本實用新型的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實施例的目的，而并不認為是對本實用新型的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1是本實用新型的轉向系統(tǒng)傳動機構示意圖；

圖2是本實用新型的轉向系統(tǒng)主視圖；

圖3是本實用新型的轉向系統(tǒng)俯視圖；

圖4是本實用新型的轉向系統(tǒng)右視圖；

圖5是本實用新型的轉向系統(tǒng)轉向器輸入軸組件整體結構圖；

圖6是本實用新型的轉向系統(tǒng)電氣連接示意圖；

圖7是本實用新型的轉向系統(tǒng)控制過程流程圖；

圖8是本實用新型的轉向系統(tǒng)控制過程絕對零位標定流程圖；

圖9是本實用新型的轉向系統(tǒng)控制過程軟件限位標定流程圖。

圖中：

1-轉向搖臂、2-轉向直拉桿、3-轉向節(jié)臂、4-梯形臂、5-轉向橫拉桿；

101-轉向器、102-安裝支架、103-端蓋、104-軸承I、105-離合器軸、106-主動齒輪、107-上蓋板、108-電磁離合器、109-軸承II、110-電機卡箍組件、111-電機、112-傳動套筒、113-鍵、114-轉向器輸入軸組件、115-編碼器；

201-左防塵板、202-右防塵板；

301-從動齒輪、302-沉頭螺釘、303-轉向器輸入軸連接體。

具體實施方式

下面結合附圖來具體描述本實用新型的優(yōu)選實施例，其中，附圖構成本申請的一部分，并與本實用新型的實施例一起用于闡釋本實用新型的原理。本實用新型提供了無人駕駛車輛轉向系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括人工轉向部分和自動轉向部分。

人工轉向部分包括操縱機構、轉向器(101)、傳動機構。

操縱機構包括方向盤、轉向軸；轉向軸將駕駛員作用于轉向盤的轉向操縱力矩傳給轉向器，轉向軸一端與轉向盤固定連接，另一端與自動轉向部分相連接；

轉向器(101)為循環(huán)球式轉向器，其輸入軸與自動轉向部分相連接，輸出端與傳動機構相連接。

如圖1所示，傳動機構包括轉向搖臂(1)、轉向直拉桿(2)、轉向節(jié)臂(3)、梯形臂(4)、轉向橫拉桿(5)。

轉向搖臂(1)一端與轉向器(101)輸出端相連，另一端連接轉向直拉桿(2)，轉向直拉桿(2)與轉向節(jié)臂(3)相連，其后依次連接梯形臂(4)、轉向橫拉桿(5)，轉向橫拉桿(5)是聯(lián)系梯形臂(4)并使其協(xié)調工作的連接桿，在汽車行駛過程中反復承受拉力和壓力，用于驅動轉向輪轉向。

自動轉向部分安裝于操縱機構與轉向器(101)之間。如圖2-4所示，自動轉向部分包括電機單元、電磁離合器單元、安裝支架(102)、轉向器輸入軸組件(114)、控制器單元。

電機單元包括編碼器(115)、電機(111)、電機卡箍組件(110)；

電磁離合器單元包括軸承I(104)、離合器軸(105)、主動齒輪(106)、電磁離合器(108)、軸承II(109)、傳動套筒(112)；

安裝支架(102)上由螺釘固定有上蓋板(107)、左防塵板(201)、右防塵板(202)、端蓋(103)，由安裝支架(102)、上蓋板(107)、左防塵板(201)、右防塵板(202)、端蓋(103)構成一個腔體；

安裝支架(102)安裝于轉向器(101)輸入端，其作用是安裝固定電磁離合器單元和電機單元。

如圖5所示，轉向器輸入軸組件(114)將電機單元的輸出扭矩傳遞至轉向器(101)，主要由從動齒輪(301)、沉頭螺釘(302)和轉向器輸入軸連接體(303)組成，從動齒輪(301)和轉向器輸入軸連接體(303)由沉頭螺釘(302)連接，使得從動齒輪(301)和轉向器輸入軸連接體(303)實現(xiàn)同步運動，能夠保證自動轉向的時候，方向盤與轉向輪的角度保持對應關系，從而讓駕駛員更清晰地感知到當前轉向輪轉角的位置，以便出現(xiàn)緊急情況時迅速掌握情況并接管，由自動駕駛變換為人工駕駛。轉向器輸入軸連接體(303)花鍵端連接轉向器(101)輸入軸，萬向節(jié)叉端與轉向軸相連接。

電機單元固定于安裝支架(102)上，電機(111)前端面通過螺釘固定于安裝支架(102)上，電機卡箍組件(110)安裝于安裝支架(102)上，用以支撐電機(111)后端，減少電機(111)前端面螺釘?shù)妮d荷，提高螺釘使用壽命，且保證電機(111)與傳動套筒(112)的同軸度；編碼器(115)安裝于電機(111)上，用以測量電機(111)的輸出軸實際轉向角，作為閉環(huán)控制的反饋信號，采用電機(111)的輸出軸實際轉向角作為反饋提高了系統(tǒng)的集成度，裝卸方便，同時由于安裝位置在操縱機構和轉向器(101)之間，因此可以消除操縱機構部分間隙引起的誤差。

電磁離合器單元位于安裝支架(102)的腔體內，起到既固定又防塵的作用。電磁離合器(108)主動端通過鍵與離合器軸(105)連接；離合器軸(105)一端與電機(111)通過傳動套筒(112)和兩個鍵(113)相連接，并通過軸承II(109)安裝于安裝支架(102)上，進一步地，離合器軸(105)一端伸入傳動套筒(112)內，通過鍵(113)與傳動套筒(112)相連接，同時，電機(111)的輸出軸伸入傳動套筒(112)內，通過鍵(113)與傳動套筒(112)相連接，實現(xiàn)將電機(111)的輸出轉矩傳遞至電磁離合器單元，該結構可以較好的匹配不同型號電磁離合器(108)和電機(111)的連接尺寸，具備較好的設計通用性；電磁離合器(108)從動端通過螺釘與主動齒輪(106)連接，使得電磁離合器(108)與主動齒輪(106)實現(xiàn)同步運動；離合器軸(105)另一端通過軸承I(104)安裝于安裝支架(102)上；主動齒輪(106)與從動齒輪(301)嚙合，由主動齒輪(106)將傳動形式傳遞至從動齒輪(301)。

如圖6所示，控制器單元包括轉向控制器和繼電器，轉向控制器與電磁離合器(108)通過繼電器相連，轉向控制器通過I/O邏輯值驅動繼電器通斷，進而控制電磁離合器(108)主動端與從動端的吸合與分離。電磁離合器(108)的主動端與從動端結合時，電磁離合器(108)可將電機(111)的動能傳遞至轉向器(101)，此時為自動駕駛模式；當電磁離合器(108)的主動端和從動端分離時，電磁離合器(108)斷開，不能將電機(111)的動能傳遞至轉向器(101)，此時為人工駕駛模式。同時，轉向控制器與電機(111)通過電纜相連，用于控制電機(111)的輸出軸轉向角；轉向控制器與編碼器(115)通過電纜相連，編碼器(115)將測量得到的電機(111)的輸出軸實際轉向角作為閉環(huán)控制的反饋信號傳輸至轉向控制器。

自動轉向部分還包括轉向減振器。轉向減振器一端鉸接至轉向器(101)殼體上，另一端連接至轉向直拉桿(2)上，防止轉向輪發(fā)生自激擺振或受迫擺振。

人工駕駛時，人工轉動方向盤，轉向軸將操縱力矩傳至轉向器輸入軸連接體(303)，轉向器輸入軸連接體(303)將該力矩傳至轉向器(101)，轉向器(101)改變力的傳動方向，將該傳動形式傳至轉向搖臂(1)，轉向搖臂(1)將該傳動依次傳遞至轉向直拉桿(2)、轉向節(jié)臂(3)、梯形臂(4)、轉向橫拉桿(5)，轉向橫拉桿(5)驅動轉向輪轉向。

自動駕駛模式時，電機(118)將輸出扭矩由輸出軸傳輸至傳動套筒(112)，傳動套筒(112)將該扭矩傳至離合器軸(105)，離合器軸(105)帶動電磁離合器(108)和主動齒輪(106)轉動，由主動齒輪(106)帶動從動齒輪(301)和轉向器輸入軸連接體(303)，由轉向器輸入軸連接體(303)將該轉動傳輸至轉向器(101)，轉向器(101)改變力的傳動方向，將該傳動形式傳至轉向搖臂(1)，轉向搖臂(1)將該傳動依次傳遞至轉向直拉桿(2)、轉向節(jié)臂(3)、梯形臂(4)、轉向橫拉桿(5)，轉向橫拉桿(5)驅動轉向輪轉向。

具體地，本實用新型還提供了一種基于該無人駕駛車輛自動轉向系統(tǒng)的自動轉向控制方法，如圖7所示，包括以下步驟：

S301：標定絕對零位。

S302：轉向控制器檢查當前自動駕駛使能標志是否為1，若是，則進入自動駕駛模式，否則進入人工駕駛模式。如果系統(tǒng)當前狀態(tài)為人工駕駛模式，則轉向控制器通過I/O接口控制繼電器變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，切斷電磁離合器(108)的供電，電磁離合器(108)主動端與從動端斷開連接，再次執(zhí)行步驟S302；如果系統(tǒng)當前狀態(tài)為自動駕駛模式，則轉向控制器通過I/O接口控制繼電器變?yōu)殚]合狀態(tài)，接通電磁離合器(108)的供電，進入步驟S303。

自動駕駛使能標志包括0和1，其中0代表人工駕駛，1代表自動駕駛，該標志由上位機發(fā)送至轉向控制器。轉向控制器上的自動駕駛使能標志默認為0，上位機發(fā)送的自動駕駛使能標志若為0，則轉向控制器上的自動駕駛使能標志保持不變，若上位機發(fā)送的自動駕駛使能標志為1，則轉向控制器上的自動駕駛使能標志將變?yōu)?。

S303：轉向控制器接收上位機發(fā)送下來的轉向軸期望轉向角，如果該轉向角超過軟件限位極限值，則將該期望轉向角的值修改為軟件限位極限值，否則，對期望轉向角不做改動。執(zhí)行完畢后，進入步驟S304。

S304：轉向控制器由編碼器(115)獲得當前電機(111)的輸出軸的實際轉向角，進入步驟S305。

S305：轉向控制器計算期望轉向角與實際轉向角的代數(shù)差值，如果該差值在設定閾值范圍內，則認為當前轉向系統(tǒng)已經(jīng)到達期望位置，不對電機(111)進行控制，返回步驟S302，進入下一個循環(huán)；如果該差值超過設定閾值，則認為當前轉向系統(tǒng)尚未到達期望位置，驅動電機(111)輸出軸轉動至期望轉向角，并返回步驟S302，進入下一個循環(huán)。

上述步驟中，上位機和轉向控制器之間的通信可以是串口通信或者CAN通信；轉向控制器通過I/O邏輯值驅動繼電器通斷，進而控制電磁離合器(108)的吸合與分離。

由于采用電磁離合器(108)切換人工/自動駕駛模式，因此每一次進入自動駕駛模式時，都要進行絕對零位的標定工作。如圖8所示，上述步驟S301中標定絕對零位具體包括以下步驟：

S101：電磁離合器(108)斷電。

S102：車輛行駛狀態(tài)下，人工轉動方向盤，使得車輛處于直線行駛狀態(tài)。

S103：轉向控制器上電初始化，電磁離合器(108)通電，設置此時編碼器反饋值為絕對零位。

本實用新型采用軟件限位的方式保護轉向機構，如圖9所示，上述步驟S303中，軟件限位極限值通過以下步驟得到：

S201：標定絕對零位，其標定過程與步驟S301中標定絕對零位的過程相同。

S202：保持電磁離合器(108)吸合，車輛靜止狀態(tài)下，人工轉動方向盤，標定轉向系統(tǒng)處于左右極限時編碼器數(shù)值，作為軟件限位極限值。

綜上所述，本實用新型提供了無人駕駛車輛轉向系統(tǒng)，可完成人工駕駛與自動駕駛的切換，采用軟件限位，設置較為靈活，不需要額外安裝限位機構，在保證轉向安全的同時，減少了自動轉向系統(tǒng)的機構復雜度，且占用空間少，不會對駕駛室造成任何影響，提高了平臺的可移植性，裝卸方便，只需要裝卸與轉向器連接的螺釘和轉向器輸入軸組件即可將自動轉向系統(tǒng)整體裝卸，較為便捷。

以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。