一种转向系统及方法和车辆与流程

本发明属于转向系统研究领域，具体涉及一种转向系统及方法和车辆。

背景技术：

自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操作机动车辆。自动驾驶汽车对社会、驾驶员和行人均有益处，自动驾驶汽车的交通事故发生率几乎可以下降至零。自动驾驶汽车的行驶模式可以更加节能高效，因此交通拥堵及对空气的污染将得以减弱。目前自动驾驶技术还不够成熟，还不能完全实现自动驾驶，所以人机共驾汽车是目前发展的方向，既可以让人享受驾驶的乐趣，又可以利用自动驾驶技术实现自动驾驶，缓解驾驶疲劳，增加驾驶安全性，减少事故的发生。线控转向取消了方向盘与前转向轮的机械连接，为人机共驾汽车的发展提供良好的条件。在人工驾驶模式下通过驾驶员方向盘的信号，利用转向电机使前轮转过一定角度实现转向，也可以在自动驾驶模式下，切断驾驶员方向盘的信息，完全由路面信息作用转向电机实现转向。

现有专利利用路感电机实现路感的模拟，为驾驶员在人工驾驶模式下提供合适的路感，使驾驶员完成精准的转向；现有技术中公开了一种用于汽车线控转向系统的模拟驾驶员路感装置。它包括转向盘、谐波减速器、同步电动机、电子控制单元(ecu)，转向盘转轴上设有一个转矩传感器和一个角位移传感器，可以将信号传递到电子控制单元。同时，转向盘的转矩通过谐波减速将转矩传递到同步电动机，同步电动机的线圈电流信息通过一个霍尔电流传感器传递给电子控制单元。电子控制单元接收这些信息后，结合车速信号和负载转矩信号，经过相位补偿、阻尼补偿、惯量补偿和摩擦补偿等，控制同步电动机的转动，得到一个反馈转矩，并通过减速器传递给转向盘。

在自动驾驶模式下，还可以通过方向盘的伸缩，增加驾驶舱的空间度，现有技术中，利用伺服电机，借助涡轮和蜗杆，直接带动螺纹主轴旋转，使与转向柱管连接的带螺纹的螺纹轴通过旋转进入螺纹主轴内部，实现转向柱管的收缩。该装置结构复杂，零部件繁多，难以应用到现有线控转向系统。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种转向系统及其方法，该转向系统具有转向柱管，所述转向柱管通过套筒电机实现路感模拟和转向柱管伸缩的装置，既能提供路感，又能实现方向盘收缩的装置，该系统可以实现人工操纵与自动驾驶模式的随意切换。利用第一套筒电机实现人工驾驶模式下的转向路感，使驾驶员低速时转向轻便，高速时路感清晰；利用第二套筒电机实现自动驾驶模式下的方向盘的收缩，从而增加驾驶舱的空间，使驾驶员在自动驾驶模式下尽情的放松或娱乐，本发明能更好地促进线控转向系统在人机共驾汽车的应用与发展。

本发明还提出一种具有上述转向系统的车辆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种转向柱管，包括

转向柱管主轴，所述转向柱管主轴的上端用于与方向盘连接；

第一套筒电机，所述第一套筒电机的第一套筒电机转子与转向柱管主轴的下端啮合；

和第二套筒电机，所述第二套筒电机的第二套筒电机转子与转向柱管主轴的下端螺纹连接。

上述方案中，还包括

固定装置；

和滚珠轴承，所述滚珠轴承的外圈与固定装置连接，内圈与电磁锁止装置连接，所述电磁锁止装置使转向柱管主轴与固定装置结合或者分离。

上述方案中，所述第一套筒电机包括第一套筒电机定子线圈、第一套筒电机转子和直齿圈；

所述第一套筒电机转子上设有直齿圈，所述直齿圈与转向柱管主轴上的直齿啮合。

上述方案中，所述第二套筒电机包括第二套筒电机定子线圈、第二套筒电机转子和螺纹；

所述第二套筒电机转子上设有螺纹，所述螺纹与转向柱管主轴螺纹连接。

一种转向系统，包括所述的转向柱管、检测机构、转向电机和电子控制单元；

所述检测机构用于检测信号，所述信号包括模式选择信号、前轮转角信号、车速信号和方向盘力矩信号；

所述转向电机的输出轴与齿轮齿条转向器连接，所述齿轮齿条转向器用于驱动车轮转向；

所述电子控制单元分别与检测机构、转向电机、电磁锁止装置、第一套筒电机和所述第二套筒电机连接。

一种车辆，包括所述的转向系统。

一种根据所述转向系统的控制方法，包括以下步骤：

所述电子控制单元根据检测机构检测到的信号包括模式选择信号、前轮转角信号、车速信号和方向盘力矩信号，判断转向系统需要执行的模式是人工操作模式或者自动驾驶模式，控制转向电机、电磁锁止装置、第一套筒电机和所述第二套筒电机的工作。

上述方案中，所述人工操纵模式的控制具体为：

当所述电子控制单元检测到模式选择信号为人工操作模式，控制电磁锁止装置的线圈通电，所述转向柱管主轴跟随滚珠轴承旋转；

所述电子控制单元根据检测机构检测到的方向盘力矩、车速以及前轮转角信号，控制第一套筒电机定子线圈通电，线圈周围产生磁场，第一套筒电机转子受到磁场力而旋转，与转子结合的直齿圈绕转向柱管主轴轴线旋转，并带动与转向柱管主轴结合的直齿，把第一套筒电机的力矩传递到转向柱管主轴，提供路感。

上述方案中，所述自动驾驶模式的控制具体为：

当所述电子控制单元检测到模式选择信号为自动驾驶操作模式，控制电磁锁止装置的线圈断电，所述转向柱管主轴与固定装置分离；

所述电子控制单元控制第二套筒电机的定子线圈通电，线圈周围产生磁场，第二套筒电机转子受到磁场力而旋转，带动转向柱管主轴旋转，因此转向柱管主轴受到轴向力而往下运动，带动方向盘收缩。

上述方案中，当所述电子控制单元检测到模式选择信号为自动驾驶模式切换为人工操纵模式时，所述电子控制单元首先控制第二套筒电机的定子线圈通电，转向柱管主轴受到轴向力而往上运动，带动方向盘，带动方向盘上升至指定高度，再控制电磁锁止装置通电，转向柱管主轴与固定装置结合，所述电子控制单元控制第一套筒电机通电，把第一套筒电机的力矩传递到转向柱管主轴。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述转向柱管利用第一套筒电机直接把转矩传递给方向盘，提供路感，结构简单，控制精准；利用第二套筒电机将方向盘收缩，增加驾驶舱的空间，为自动驾驶提供良好的条件，体积小，集成度高。本发明所述转向系统的控制方法能够实现人工操纵与自动驾驶模式的自由切换，为人机共驾汽车的发展提供良好的基础。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明线控转向系统结构简图。

图2为本发明路感模拟与方向盘收缩装置。

图3为本发明人工操纵模式控制结构图。

图4为本发明自动驾驶模式控制结构图。

图中，1-方向盘，2-固定装置，3-滚珠轴承，4-第一套筒电机，5-第二套筒电机，6-齿轮齿条转向器，7-转向电机，8-前轮转角传感器，9-车速传感器，10-方向盘力矩传感器，11-电子控制单元，12-转向柱管，13-电磁锁止装置，41-第一套筒电机定子线圈，42-第一套筒电机转子，43-直齿圈，51-第二套筒电机定子线圈，52-第二套筒电机转子，53-螺纹。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图1所示为本发明所述转向柱管的一种实施方式，所述转向柱管包括转向柱管主轴12、第一套筒电机4、第二套筒电机5、固定装置2、滚珠轴承3和电磁锁止装置13；所述转向柱管主轴12的上端用于与方向盘1连接；所述第一套筒电机4位于所述第二套筒电机5的上方；所述第一套筒电机4的第一套筒电机转子42与转向柱管主轴12的下端直齿啮合；所述第二套筒电机5的第二套筒电机转子52与转向柱管主轴12的下端螺纹连接。

如图2所示，优选的，所述第一套筒电机4包括第一套筒电机定子线圈41、第一套筒电机转子42和直齿圈43；所述第一套筒电机转子42上设有直齿圈43，所述直齿圈43与转向柱管主轴12上的直齿啮合。所述第二套筒电机5包括第二套筒电机定子线圈51、第二套筒电机转子52和螺纹53；所述第二套筒电机转子52上设有螺纹53，所述螺纹53与转向柱管主轴12螺纹连接。所述第一套筒电机4是为了给驾驶员提供合适的路感，与第一套筒电机转子42相连接的内齿圈为直齿圈43，当第一套筒电机4的第一套筒电机定子线圈41通电时，第一套筒电机转子42上的直齿圈43与转向柱管主轴12相连接的直齿啮合，把第一套筒电机4的转矩传递给转向柱管主轴12，因此能提供一定的驾驶路感。第一套筒电机4提供的阻尼力矩的大小一般为车速v与前轮转角δ的函数，mh＝f(v,δ)。第二套筒电机5是为了收缩与伸展方向盘1，与第二套筒电机转子52相连接的内齿圈为螺纹53，当第二套筒电机5的第二套筒电机定子线圈51通电时，第二套筒电机转子52上的螺纹53与转向柱管主轴12相连接的螺纹53啮合，第二套筒电机转子52的转动带动转向柱管主轴12的上下移动，从而实现方向盘1的收缩与伸展。第一套筒电机4与第二套筒电机5要留有一定的距离，此距离根据方向盘1与仪表盘之间的距离而定。

所述固定装置2用于连接于车架上，从而保证转向柱管主轴12得以旋转式固定于车架上。所述滚珠轴承13的外圈与固定装置2连接，内圈与电磁锁止装置13连接，所述电磁锁止装置13使转向柱管主轴12与固定装置2结合或者分离。

所述电磁锁止装置13的工作原理与电磁制动器的工作原理类似，带有弹簧的锁止环在断电的情况下处于伸展状态，通电后，锁止环往内圈收缩，与转向柱管贴合进行锁止。该电磁锁止装置13中的电磁离合器为固定线圈式离合器，电磁线圈固定于与滚珠轴承内圈焊接的部分，电磁线圈通电时，产生较强的磁场，使得转向柱管主轴12能够固定于固定装置2上并能绕其轴线旋转，电磁线圈断电时，磁场消失，此时靠弹簧的作用把锁止装置分开，使转向柱管主轴12与固定装置2分离。

当电磁锁止装置13处于锁止状态时，转向柱管主轴12得以上下固定并且能绕其自身轴线旋转。在人工操纵模式下，电子控制单元11控制电磁锁止装置13锁止，给第一套筒电机4一定电流，驾驶员可以获取一定的路感；在自动驾驶模式下，电子控制单元11控制电磁锁止装置13分离，给第二套筒电机5一定大小与方向的电流，使方向盘1收缩至仪表盘。

实施例2

一种转向系统，包括实施例1所述的转向柱管、检测机构、转向电机7和电子控制单元11；所述检测机构用于检测信号，所述信号包括模式选择信号、前轮转角信号、车速信号和方向盘力矩信号，并将检测的信号传送到电子控制单元11；所述转向电机7的输出轴与齿轮齿条转向器6连接，所述齿轮齿条转向器6用于驱动车轮转向；所述齿轮齿条6的齿轮齿条两端分别通过转向横拉杆、转向节臂和转向节与车轮相连，通过齿轮齿条的左右移动，使车轮旋转。所述电子控制单元11分别与检测机构、转向电机7、电磁锁止装置13、第一套筒电机4和所述第二套筒电机5连接。

优选地，所述检测机构包括模式选择按钮、前轮转角传感器8、车速传感器9和方向盘力矩传感器10。所述模式选择按钮，用于选择人工操作模式或自动驾驶模式；所述前轮转角传感器8用于检测前轮转角信号；所述车速传感器9用于检测车速；所述方向盘力矩传感器10用于检测方向盘力矩。

所述第一套筒电机4安装于转向柱管主轴12的上部，电子控制单元11综合方向盘角度传感器、方向盘转矩传感器10以及车速传感器9、前轮转角传感器8等信号，给驾驶员一定的路感反馈；第二套筒电机5安装于转向柱管主轴12的下部，与第一套筒电机4有一定的间隔，具体数值根据方向盘1与仪表盘的距离而定，驾驶员发出自动驾驶模式的信号，电子控制单元11控制第二套筒电机5实现转向柱管主轴12的移动，使方向盘1能够收缩至仪表盘，控制转向电机带动齿轮齿条转向器6左右移动，实现前轮的转向。

具体控制过程如下：

当驾驶员发出人工操纵模式的信号后，电子控制单元11给电磁锁止装置13的线圈通电，使转向柱管12得以固定并能跟随滚珠轴承13旋转。电子控制单元11根据方向盘力矩传感器10、车速传感器9以及前轮转角传感器8等信号，给第一套筒电机定子线圈41通电，线圈周围产生磁场，第一套筒电机转子42受到磁场力而旋转，因此与转子结合的直齿圈43绕转向柱管轴线旋转，并带动与转向柱管结合的直齿，因此把第一套筒电机4的力矩传递到转向柱管12，使驾驶员在低速时转向轻便，高速时有清晰的路感。

当驾驶员由人工操纵模式切换为自动驾驶模式时，电子控制单元11给电磁锁止装置13的线圈断电，使转向柱管12与固定装置2分离，能够独立地运动。电子控制单元11根据方向盘到仪表盘的距离，给第二套筒电机的定子线圈51通电，线圈周围产生磁场，第二套筒电机转子52到磁场力而旋转，因此与转子结合的螺纹53绕转向柱管轴线旋转，并带动与转向柱管结合的螺纹，因此转向柱管12受到一定的轴向力而往下运动，方向盘收缩至仪表盘，为自动驾驶模式下的驾驶员提供良好的空间条件。

当驾驶员由自动驾驶模式切换为人工操纵模式时，电子控制单元11首先给第二套筒电机的定子线圈51通电，此时与自动驾驶模式时的电流方向相反，使方向盘上升至指定高度，然后给电磁锁止装置13通电，完成转向柱管12的固定。此时电子控制单元11给第一套筒电机4通电，为人工操纵模式下的驾驶员提供合适的路感，恢复人工驾驶模式。

实施例3

一种根据实施例2所述转向系统的控制方法，包括以下步骤：

所述电子控制单元11根据检测机构检测到的信号包括模式选择信号、前轮转角信号、

车速信号和方向盘力矩信号，判断转向系统需要执行的模式是人工操作模式或者自动驾驶模式，控制转向电机7、电磁锁止装置13、第一套筒电机4和所述第二套筒电机5的工作。

如图3所示，所述人工操纵模式的控制具体为：

当所述电子控制单元11检测到模式选择信号为人工操作模式，控制电磁锁止装置13的线圈通电，所述转向柱管主轴12跟随滚珠轴承13旋转；

所述电子控制单元11根据检测机构检测到的方向盘力矩、车速以及前轮转角信号，控制第一套筒电机定子线圈41通电，线圈周围产生磁场，第一套筒电机转子42受到磁场力而旋转，与转子结合的直齿圈43绕转向柱管主轴12轴线旋转，并带动与转向柱管主轴12结合的直齿，把第一套筒电机4的力矩传递到转向柱管主轴12，提供路感，使驾驶员在低速时转向轻便，高速时有清晰的路感。

如图4所示，所述自动驾驶模式的控制具体为：

当所述电子控制单元11检测到模式选择信号为自动驾驶操作模式，控制电磁锁止装置13的线圈断电，所述转向柱管主轴12与固定装置2分离；

所述电子控制单元11根据方向盘到仪表盘的距离，控制第二套筒电机的定子线圈51通电，线圈周围产生磁场，第二套筒电机转子52受到磁场力而旋转，与转子结合的螺纹53绕转向柱管主轴12轴线旋转，并带动转向柱管主轴12旋转，因此转向柱管主轴12受到轴向力而往下运动，带动方向盘1收缩至离仪表盘指定的距离，为自动驾驶模式下的驾驶员提供良好的空间条件。

当所述电子控制单元11检测到模式选择信号为自动驾驶模式切换为人工操纵模式时，所述电子控制单元11首先控制第二套筒电机的定子线圈51通电，转向柱管主轴12受到轴向力而往上运动，带动方向盘1，带动方向盘1上升至指定高度，再控制电磁锁止装置13通电，转向柱管主轴12与固定装置2结合，所述电子控制单元11控制第一套筒电机4通电，把第一套筒电机4的力矩传递到转向柱管主轴12，为人工操纵模式下的驾驶员提供合适的路感，恢复人工操作模式。

实施例4

一种车辆，包括实施例1所述的转向柱管、实施例2所述的转向系统和实施例3所述的转向系统控制方法，因而具有实施例1、2和3所述的一切有益效果，此处不再赘述。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。