專利名稱：無人駕駛車輛轉向系統及其控制方法
技術領域：
本發明屬于車輛轉向技術，特別是一種無人駕駛車輛轉向系統及其控制方法。
背景技術：
無人駕駛車輛是汽車未來發展方向之一，預計將來無人駕駛車輛會成為人們生活中安全的交通工具。因此，智能化車輛駕駛系統在車輛技術領域也倍受關注。無人駕駛車輛集自動控制、體系結構、人工智能、視覺計算等眾多技術于一體，是計算機科學、模式識別和智能控制技術高度發展的產物，是衡量一個國家科研實力和工業水平的一個重要標志。在軍事、探索和救援等危險、惡劣環境下，無人駕駛車輛具有廣闊的應用前景，如目前在美國在火星上面火星車的探索；在民用方面，其也有廣闊的應用前景和巨大的市場，由于其具有發揮可靠、安全、便利及高效的性能優勢，對于提高人為駕駛的智能化和安全性具有重大的現實意義，而且未來無人駕駛汽車可和城市交通指揮中心聯網，選擇最好的路線，有效 避免堵車，盡最大可能保證交通的流暢。如目前美國已經有無人駕駛車輛開始投入民用市場，例如前不久谷哥公司推出的自主駕駛車輛在加州的法律中已經通過，即將投入到市場。2010年上海世博會，游客只需在公園的入口處按下一個按鈕，一輛沒有司機的四座敞篷汽車就會從遠處開過來緩緩停下，然后搭載著乘客前往他們想去的景點。因此，目前世界許多國家都在大力研究無人駕駛技術，將無人駕駛作為展示其人工智能水平、引領車輛未來發展的重要平臺。車輛控制技術是無人駕駛汽車技術的核心技術之一，其中主要包括速度控制和方向控制。而無人駕駛車輛的轉向裝置控制性能是衡量無人車系統性能最關鍵、最重要指標之一，方向控制性能包括自動轉向的正確性、穩定性、實時性、及時性等。而無人駕駛車輛的轉向控制裝置是保證無人駕駛車輛方向控制性能的關鍵，然而目前無人駕駛車輛的轉向控制裝置還沒有一個完整的體系結構和一個完美的控制方法。經過對現有技術文獻的檢索發現，中國專利申請號為200510111220. 2，
公開日2006年7月19日，名稱無人駕駛車輛的方向控制機構，采用電機減速器組合經電磁離合器與減速器的輸入軸連接，小齒輪連接在減速箱的輸出軸上，大齒輪經連接法蘭直接與車輛的中央轉向搖臂連接，梯形轉向機構拉桿的另一端與中央轉向搖臂鉸接，梯形轉向機構拉桿的另一端與轉向車輪鉸接，實現無人駕駛車輛的自動轉向。但是此專利雙級齒輪傳動結構復雜，占用車內駕駛空間較大，增加了運動中的傳動誤差，增加了安裝的難度，電機軸、齒輪軸和中央轉向搖臂三軸的平行很難得到保證，不僅如此，這一技術方案需要在車輛的中央轉向搖臂上焊接法蘭，既破壞了車輛的原有機構，同時不便于轉向裝置的裝拆與維護。中國專利申請號為201010104800. X，
公開日2011年7月27日，名稱一種無人駕駛車輛轉向裝置及其控制方法，其發明米用一電機與一編碼器相連，一相互哨合的潤輪和蝸桿，蝸桿與電機的輸出軸直接聯接，一電磁離合器，其中渦輪與電磁離合器的主動端固連，電磁離合器的被動端與方向盤轉向柱固聯，構成無人車的駕駛轉向裝置，從而實現無人駕駛車輛的自動轉向。但是此專利依然改裝原有轉向機構，所以并沒有避免萬向節的誤差。
發明內容
本發明的目的在于提供一種結構簡單、智能化程度高、易操作、精度高的轉向裝置及其轉向控制方法，使原車已有轉向裝置和外觀均不受到破壞，且新增轉向裝置和已有轉向裝置能夠緊密配合 ，互不干擾工作，并具有一定的通用性。實現本發明目的的技術解決方案為一種無人駕駛車輛轉向系統，包括執行電機、方向機、電機編碼器、非接觸式零位檢測機構、非接觸式左限位檢測機構、非接觸式右限位檢測機構、前輪絕對轉角機構、前輪轉角雙閉環控制系統，執行電機為轉向驅動機構，執行電機的輸入端與方向機的輸出端相連；電機編碼器連接在執行電機后端輸出軸上；
非接觸式零位檢測機構由固定安裝在右轉動擺臂上面的零位固定塊和固定安裝在固定懸架上的零位檢測器構成，當所述零位固定塊轉動到零位檢測器正下方時，零位檢測器能夠感應零位固定塊；
非接觸式左限位檢測機構由固定安裝在左轉動擺臂上面的左限位固定塊和固定安裝在左固定懸架上的左限位檢測器構成，當左前輪轉角處于左限位狀態下，左限位檢測器能夠感應左限位固定塊；非接觸式右限位檢測機構由固定安裝在右轉動擺臂上面的右限位固定塊和固定安裝在右固定懸架上的右限位檢測器構成，當右前輪轉角處于右限位狀態下，右限位檢測器能夠感應右限位固定塊；
前輪絕對轉角機構，由前輪轉角傳感器和前輪轉角傳感器旋轉軸組成，前輪轉角傳感器本體固定安裝在車底固定懸架上，前輪轉角傳感器旋轉軸一端與前輪轉角傳感器想連接，另一端通過關節臂與車輛梯形轉向機構拉桿的左右擺動桿連接；
位置控制器一端通過CAN電纜與工控機連接；執行電機、電機編碼器以及前輪轉角傳感器分別通過電纜與位置控制器的相應接口電氣連接；左、右限位檢測器和零位檢測器分別與位置控制器的相應數字輸入端電氣連接；
所述前輪轉角雙閉環控制系統由電機編碼器和前輪轉角傳感器構成，電機編碼器反饋執行電機當前位置給位置控制器，前輪轉角傳感器直接檢測前輪的轉向角度，將轉角角度閉環反饋給位置控制器，同時電機編碼器不再作為環反饋，而是作為速度閉環反饋，從而控制執行電機的轉速，最終位置控制器控制前輪轉向角度精確達到命令期望值。本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)本發明在執行電機尾部安電機編碼器和在車底固定懸架上安裝前輪轉角傳感器，利用編碼器對轉向裝置進行雙閉環控制，直接精確控制前輪的轉角，有利于提高無人駕駛車輛的轉向控制精確度。(2)本發明零位檢測機構采用非接觸式零位傳感器，轉動中不存在摩擦力，提高了裝置的傳動效率及精確度；另外本發明采用左、右限位機構，能夠充分保證車輛在運動中的平穩狀態和行駛安全。(3 )本發明不破壞原有轉向機構，且新增轉向機構與原有轉向機構對稱、并行聯接到梯形轉向機構拉桿，避免了車輛原有轉向裝置萬向節的間隙誤差，精度更高，比已有發明更容易操作、維護與拆裝。(4)本發明采用切換開關切換人為駕駛/自主駕駛控制過程，方便程序調試及保證緊急情況下的車輛和人員身體安全。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
圖I是本發明轉向裝置結構示意圖。圖2是本發明總裝置結構示意圖。圖3是本發明系統電氣化示意圖。圖4是本發明限位結構零位示意圖。圖5是本發明右轉向極限位置示意圖。圖6是本發明前輪轉角雙閉環控制系統示意圖。圖7是本發明前輪轉角零位初始化流程圖。圖8是本發明自主轉向控制流程圖。
具體實施例方式結合圖I、圖2和圖3,本發明無人駕駛車輛轉向系統,包括執行電機I、方向機2、電機編碼器3、非接觸式零位檢測機構、非接觸式左限位檢測機構、非接觸式右限位檢測機構、前輪絕對轉角機構、前輪轉角雙閉環控制系統，執行電機I為轉向驅動機構，執行電機I的輸入端與方向機2的輸出端相連；電機編碼器3連接在執行電機I后端輸出軸上。結合圖4，非接觸式零位檢測機構由固定安裝在右轉動擺臂12上面的零位固定塊7和固定安裝在固定懸架18上的零位檢測器4構成，當所述零位固定塊7轉動到零位檢測器4正下方時，零位檢測器4能夠感應零位固定塊7。非接觸式左限位檢測機構由固定安裝在左轉動擺臂15上面的左限位固定塊9和固定安裝在左固定懸架19上的左限位檢測器6構成，當左前輪轉角處于左限位狀態下，左限位檢測器6能夠感應左限位固定塊9 ;非接觸式右限位檢測機構由固定安裝在右轉動擺臂12上面的右限位固定塊8和固定安裝在右固定懸架18上的右限位檢測器5構成，當右前輪轉角處于右限位狀態下，右限位檢測器5能夠感應右限位固定塊8，如圖5。前輪絕對轉角機構，由前輪轉角傳感器10和前輪轉角傳感器旋轉軸16組成，前輪轉角傳感器10本體固定安裝在車底固定懸架上17，前輪轉角傳感器旋轉軸16 —端與前輪轉角傳感器10想連接，另一端通過關節臂20與車輛梯形轉向機構拉桿13的左右擺動桿連接。位置控制器33 —端通過CAN電纜32與工控機30 (運行常規的控制軟件)連接；執行電機I、電機編碼器3以及前輪轉角傳感器10分別通過電纜與位置控制器33的相應接口電氣連接；左、右限位檢測器5、6和零位檢測器4分別與位置控制器33的相應數字輸入端電氣連接；CAN總線卡31安裝在工控機30的擴展槽中。所述前輪轉角雙閉環控制系統由電機編碼器3和前輪轉角傳感器10構成，電機編碼器3反饋執行電機I當前位置給位置控制器33，前輪轉角傳感器10直接檢測前輪的轉向角度，將轉角角度閉環反饋給位置控制器33，同時電機編碼器3不再作為環反饋，而是作為速度閉環反饋，從而控制執行電機I的轉速，最終位置控制器33控制前輪轉向角度精確達到命令期望值。參見圖6，前輪轉角雙閉環控制系統工作原理前輪轉角傳感器10直接檢測前輪的轉向角度，將轉角位置閉環反饋給位置控制器33，從而組成外層循環，參與前輪轉角角度閉環反饋控制；電機編碼器3反饋執行電機I當前轉動位置，但電機編碼器3不再作為角度環反饋，此時參與速度閉環反饋控制，作為速度閉環控制執行電機的轉速；霍爾傳感器反饋執行電機I當前轉動速度，輔助作為電機的速度閉環反饋，電流反饋作為內環，參與電流閉環控制執行電機的電流。位置控制器33接收到前輪規劃轉角，與前輪轉角傳感器10通過PID控制計算給出電機轉角速度命令值，該轉角速度命令值再基于電機編碼器3的速度反饋PID控制計算轉換為電流命令值，此時執行電機I在電流驅動作用下轉動，執行電機I驅動方向機2，方向機2通過梯形轉向拉桿13驅動前輪轉向，實現前輪轉角的雙閉環控制過程。由于前輪轉角傳感器10直接傳感檢測前輪的轉角作為外環反饋，克服了執行電機、方向機以及其它執行機構的傳遞誤差，保證了前輪轉角的精準控制。本發明的執行電機I與方向機2固定安裝在安裝支架11上，使執行電機I與方向機2的軸在水平平面上。結合圖7和圖8，通過上述無人駕駛車輛轉向系統實現的控制方法，包括前輪轉角絕對零位初始化的控制和車輛自主轉向控制實現的控制，控制過程步驟如下。其中自主駕駛模式即應用上述的無人駕駛車輛轉向系統工作時車輛處于的狀態模式。人工駕駛模式即是駕駛員轉動方向盤，方向盤驅動原有轉向機構從而實現車輛的轉向。人/機共享控制開關是一個伺服開關，通過它的切換可以決定車輛所處模式。當人/機控制切換開關處于人工控制狀態下，轉向控制系統伺服使能將被切斷，此時自主轉向控制裝置不再工作，且對人工駕駛毫無影響，但仍可以獲取當前車輪轉角參數。新增轉向機構與原有轉向機構并聯聯接，保證車輛實現人工轉向與自主轉向兩者互不影響，同時可自由切換，方便調試情況下緊急狀態下的切換，保證人員及車輛安全。首先，前輪轉角絕對零位初始化的控制過程為
步驟1，首先打開人/機共享控制開關，并撥向自主模式，轉向控制系統伺服使能打開，車輛處于自主駕駛模式；
步驟2，工控機30執行油門放大器、剎車放大器、方向放大器、換擋放大器初始化程序，位置控制器33開始自動控制前輪轉向；
步驟3，方向機2帶動安裝在固定懸架12上的零位固定塊7轉動；
步驟4，若零位檢測器4檢測到零位信號，則根據零位檢測器反饋的零位偏置數值驅動前車輪轉動到絕對零位；
步驟5，若零位檢測器4未檢測到零位信號，位置控制器33繼續控制前輪轉向，直到接收到左限位傳感器檢測器9或者右限位傳感器檢測器8發出的限位信號；
步驟6，位置控制器33控制前輪向相反方向轉向，直到零位檢測器4檢測到零位信號，根據零位檢測器反饋的零位偏置數值驅動前輪轉動到絕對零位；
步驟7，前輪轉角絕對零位初始化步驟完成；
然后，車輛自主轉向實現的控制過程為
步驟8，首先打開人/機共享控制開關，并撥向自主駕駛模式，轉向控制系統伺服使能打開，車輛處于自主駕駛模式；
步驟9，工控機30通過網絡接收放置在車輛里另一臺規劃工控機所發送的即時規劃路徑及其它信息，它的作用主要是根據傳感器信息規劃車輛下一個時刻的路徑；根據路徑信息獲取路徑某處的曲率，由此可算出車輛的瞬時曲率半徑R，根據阿克曼運動學模型，從而計算得到前輪轉角θ，θ =arctan (L/R),其中L是車輛軸距；
步驟10，將所得規劃前輪轉角角度發送至CAN控制卡31，緊接通過CAN電纜32發出角度至位置控制器33 ；步驟11，位置控制器33開始控制轉向系統，若系統沒有執行車輪絕對零位初始化，則首先進行方向電機絕對零位的標定，并使車輛前輪處于絕對零位方向，否則直接發送轉向命令和轉角角度；
步驟12，位置控制器33判斷轉向命令，若轉向命令為不轉向，則返回且保持當前狀態；步驟13，若位置控制器33判斷轉向命令為轉向時，進行前輪轉角雙閉環控制，執行電機I開始運行，并驅動方向機2 ；
步驟14，方向機2通過右轉動擺臂12驅動梯形轉向機構拉桿13，從而實現車輪轉向；步驟15，判斷右限位檢測器5或左限位檢測器6是否觸發，轉向過程中，若右限位檢測器5或左限位檢測器6被觸發，執行電機I則停止運行保持當前狀態；
步驟16，若右限位檢測器5或左限位檢測器6未被觸發，且執行電機I完成所驅動角度位置，電機停止轉動；
步驟17，無人駕駛車輛的自主轉向任務完成，轉至步驟9，直到停止自主轉向控制或者切換到人工模式。
權利要求
1.一種無人駕駛車輛轉向系統，其特征是包括執行電機(I)、方向機(2)、電機編碼器(3)、非接觸式零位檢測機構、非接觸式左限位檢測機構、非接觸式右限位檢測機構、前輪絕對轉角機構、前輪轉角雙閉環控制系統，執行電機(I)為轉向驅動機構，執行電機(I)的輸入端與方向機(2)的輸出端相連；電機編碼器(3)連接在執行電機(I)后端輸出軸上；非接觸式零位檢測機構由固定安裝在右轉動擺臂(12)上面的零位固定塊(7)和固定安裝在固定懸架(18)上的零位檢測器(4)構成，當所述零位固定塊(7)轉動到零位檢測器(4)正下方時，零位檢測器(4)能夠感應零位固定塊(7)； 非接觸式左限位檢測機構由固定安裝在左轉動擺臂(15)上面的左限位固定塊(9)和固定安裝在左固定懸架(19)上的左限位檢測器(6)構成，當左前輪轉角處于左限位狀態下，左限位檢測器(6)能夠感應左限位固定塊(9);非接觸式右限位檢測機構由固定安裝在右轉動擺臂(12)上面的右限位固定塊(8)和固定安裝在右固定懸架(18)上的右限位檢測器(5)構成，當右前輪轉角處于右限位狀態下，右限位檢測器(5)能夠感應右限位固定塊(8)； 前輪絕對轉角機構，由前輪轉角傳感器(10)和前輪轉角傳感器旋轉軸(16)組成，前輪轉角傳感器(10)本體固定安裝在車底固定懸架上(17)，前輪轉角傳感器旋轉軸(16) 一端與前輪轉角傳感器(10)想連接，另一端通過關節臂(20)與車輛梯形轉向機構拉桿(13)的左右擺動桿連接； 位置控制器(33 ) 一端通過CAN電纜(32 )與工控機(30 )連接；執行電機(I)、電機編碼器(3)以及前輪轉角傳感器(10)分別通過電纜與位置控制器(33)的相應接口電氣連接；左、右限位檢測器(5、6)和零位檢測器(4)分別與位置控制器(33)的相應數字輸入端電氣連接； 所述前輪轉角雙閉環控制系統由電機編碼器(3)和前輪轉角傳感器(10)構成，電機編碼器(3 )反饋執行電機(I)當前位置給位置控制器(33 )，前輪轉角傳感器(10 )直接檢測前輪的轉向角度，將轉角角度閉環反饋給位置控制器(33)，同時電機編碼器(3)不再作為環反饋，而是作為速度閉環反饋，從而控制執行電機(I)的轉速，最終位置控制器(33)控制前輪轉向角度精確達到命令期望值。
2.根據權利要求I所述的無人駕駛車輛轉向系統，其特征是執行電機(I)與方向機(2)固定安裝在安裝支架(11)上，使執行電機(I)與方向機(2)的軸在水平平面上。
3.—種通過權利要求I所述的無人駕駛車輛轉向系統實現的控制方法，其特征是包括前輪轉角絕對零位初始化的控制和車輛自主轉向控制實現的控制，控制過程步驟如下 首先，前輪轉角絕對零位初始化的控制過程為 步驟1，首先打開人/機共享控制開關，并撥向自主模式，轉向控制系統伺服使能打開，車輛處于自主駕駛模式； 步驟2，工控機(30)執行油門放大器、剎車放大器、方向放大器、換擋放大器初始化程序，位置控制器(33)開始自動控制前輪轉向； 步驟3，方向機(2 )帶動安裝在固定懸架(12 )上的零位固定塊(7 )轉動； 步驟4，若零位檢測器(4)檢測到零位信號，則根據零位檢測器反饋的零位偏置數值驅動前車輪轉動到絕對零位； 步驟5，若零位檢測器(4 )未檢測到零位信號，位置控制器(33 )繼續控制前輪轉向，直到接收到左限位傳感器檢測器(9)或者右限位傳感器檢測器(8)發出的限位信號； 步驟6，位置控制器(33)控制前輪向相反方向轉向，直到零位檢測器(4)檢測到零位信號，根據零位檢測器反饋的零位偏置數值驅動前輪轉動到絕對零位； 步驟7，前輪轉角絕對零位初始化步驟完成； 然后，車輛自主轉向實現的控制過程為 步驟8，首先打開人/機共享控制開關，并撥向自主駕駛模式，轉向控制系統伺服使能打開，車輛處于自主駕駛模式； 步驟9，工控機(30)通過網絡接收放置在車輛里另一臺規劃工控機所發送的即時規劃路徑及其它信息，它的作用主要是根據傳感器信息規劃車輛下一個時刻的路徑；根據路徑信息獲取路徑某處的曲率，由此可算出車輛的瞬時曲率半徑R，根據阿克曼運動學模型，從而計算得到前輪轉角θ，θ =arctan (L/R),其中L是車輛軸距； 步驟10，將所得規劃前輪轉角角度發送至CAN控制卡(31)，緊接通過CAN電纜(32)發出角度至位置控制器(33); 步驟11，位置控制器(33)開始控制轉向系統，若系統沒有執行車輪絕對零位初始化，則首先進行方向電機絕對零位的標定，并使車輛前輪處于絕對零位方向，否則直接發送轉向命令和轉角角度； 步驟12，位置控制器(33)判斷轉向命令，若轉向命令為不轉向，則返回且保持當前狀態； 步驟13，若位置控制器(33)判斷轉向命令為轉向時，進行前輪轉角雙閉環控制，執行電機(I)開始運行，并驅動方向機(2)； 步驟14，方向機(2)通過右轉動擺臂(12)驅動梯形轉向機構拉桿(13)，從而實現車輪轉向； 步驟15，判斷右限位檢測器(5)或左限位檢測器(6)是否觸發，轉向過程中，若右限位檢測器(5)或左限位檢測器(6)被觸發，執行電機(I)則停止運行保持當前狀態； 步驟16，若右限位檢測器(5 )或左限位檢測器(6 )未被觸發，且執行電機(I)完成所驅動角度位置，電機停止轉動； 步驟17，無人駕駛車輛的自主轉向任務完成，轉至步驟9，直到停止自主轉向控制或者切換到人工模式。
4.根據權利要求3所述的無人駕駛車輛轉向控制方法，其特征是前輪轉角雙閉環控制的過程為前輪轉角傳感器(10)直接檢測前輪的轉向角度，將轉角位置閉環反饋給位置控制器(33)，從而組成外層循環，參與前輪轉角角度閉環反饋控制；電機編碼器(3)反饋執行電機(I)當前轉動位置，但電機編碼器(3)不再作為角度環反饋，此時參與速度閉環反饋控制，作為速度閉環控制執行電機的轉速；霍爾傳感器反饋執行電機(I)當前轉動速度，輔助作為電機的速度閉環反饋，電流反饋作為內環，參與電流閉環控制執行電機的電流。
5.位置控制器(33)接收到前輪規劃轉角，與前輪轉角傳感器(10)通過PID控制計算給出電機轉角速度命令值，該轉角速度命令值再基于電機編碼器(3)的速度反饋PID控制計算轉換為電流命令值，此時執行電機(I)在電流驅動作用下轉動，執行電機(I)驅動方向機(2)，方向機(2)通過梯形轉向拉桿(13)驅動前輪轉向，實現前輪轉角的雙閉環控制過程。
6.由于前輪轉角傳感器(10)直接傳感檢測前輪的轉角作為外環反饋，克服了執行電機、方向機以 及其它執行機構的傳遞誤差，保證了前輪轉角的精準控制。
全文摘要
本發明公開了一種無人駕駛車輛轉向系統及其方法，包括執行電機、方向機、電機編碼器、非接觸式零位檢測機構、非接觸式左限位檢測機構、非接觸式右限位檢測機構、前輪絕對轉角機構、前輪轉角雙閉環控制系統，執行電機為轉向驅動機構，執行電機的輸入端與方向機的輸出端相連；電機編碼器連接在執行電機后端輸出軸上。本發明有利于提高無人駕駛車輛的轉向控制精確度，并采用切換開關切換人為駕駛/自主駕駛控制過程，方便程序調試及保證緊急情況下的車輛和人員身體安全。
文檔編號B62D113/00GK102941876SQ20121048115
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者劉永, 唐振民, 龔毅 申請人:南京理工大學