挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构的制作方法

本发明属于汽车试验自动驾驶技术领域，涉及一种挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构。

背景技术：

对于自动驾驶汽车来说，换挡操纵机构可以代替驾驶员完成对挡位的切换任务。

一般地，对于手动挡汽车，在整个换挡过程中换挡手柄在挡槽中沿着类似“王”字形的轨迹运动。将换挡过程解耦为选挡与挂挡两个动作，并且分别由两个电机驱动，这样既可以简化挡杆的控制算法，又可以避免两个动作之间的干扰。现有的换挡操纵机构大多都是基于上述方式进行设计。公开号为cn105068595a的发明专利提供了一种基于力/位置混合控制的拖拉机驾驶机器人，选挡动作通过双轴梯形滑台驱动，挂挡动作通过电动推杆驱动，整套机构占用空间较大，而且为了保证换挡有效，需要调整电动推杆末端的高度，通用性差，安装复杂。公开号为cn102435442b的发明专利公开了一种用于车辆道路试验的自动驾驶机器人，其中换挡操纵机构使用滚珠丝杆驱动，但是执行机构与挡把固定连接，并没有考虑挡把在换挡过程中的实际运动情况。不能良好的模拟真实换挡操作。

对于挡位直线排列的自动挡汽车来说，变换挡位时，挡杆始终在汽车纵向平面内运动。因此，设计一种专门安装在挡位直线排列式自动驾驶汽车上的自动换挡操纵机构尤为重要。

技术实现要素：

本发明提供一种挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构，该换挡操纵机构专用于挡位直线排列的自动驾驶汽车。其整体结构紧凑，换挡操作过程与挡把实际运动轨迹拟合度高，闭环控制实现挡把精确定位，可调高度的支架结构可以解决由于车内空间狭小，不方便布置自动驾驶操纵机构的问题。

本发明所采用的具体技术方案为：

挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构，放置于车内副驾驶室中，其特征在于，包括一个可沿竖直方向调节高度的高度调节支架，以车辆行驶方向为前方，高度调节支架上设置有可沿前后方向和左右方向调整位置并固定的直线模组总成，直线模组总成包括一个沿前后方向设置的矩形板状的直线模组总成底座，直线模组总成底座上设置有一个由伺服电机驱动的丝杆螺母机构，丝杆螺母机构中的丝杆下方有一个矩形板状的滑道设置在直线模组总成底座的上表面上，丝杆螺母机构中的螺母为一个矩形块，螺母通过下表面设置的螺母滑槽与滑道配合，螺母的上表面与一个l形安装板的水平板固定连接，l形安装板的竖直板中心处开有一个通孔，位于l形安装板的竖直板左侧的一个螺栓型滚轮滚针轴承的螺栓上套装有一个套筒，螺栓型滚轮滚针轴承的螺栓前端带有外螺纹的螺栓端部穿过l形安装板的竖直板中心处的通孔后与一个位于l形安装板的竖直板右侧的六角螺母螺纹连接固定，一个矩形的挡把支撑块的右侧端面从上至下开有挡把支撑块滑槽，挡把支撑块滑槽与螺栓型滚轮滚针轴承的轴承外圈配合使螺栓型滚轮滚针轴承沿挡把支撑块右侧滑槽往复相对运动，一个挡把上部夹紧块嵌套在车辆的挡把的上部并将挡把固定在挡把支撑块的左侧端面上，挡把上部夹紧块下方有一个挡把下部夹紧块嵌套在挡把的下部并将挡把固定在挡把支撑块的左侧端面上，伺服电机的伺服电机驱动器通过控制器与上位机连接。

进一步的技术方案包括：

丝杆的两端各通过一个带有角接触球轴承的轴承座支撑在直线模组总成底座的两端，伺服电机固定在直线模组总成底座的后端，伺服电机的输出轴通过梅花联轴器与丝杆的后端固定连接。

高度调节支架上设置有一个位于直线模组总成底座右侧并与直线模组总成底座平行的光栅尺，光栅尺可沿前后方向和左右方向调整位置并固定，光栅尺的光栅尺读数头的上表面与一个l形连接板的水平板固定连接，l形连接板的竖直板与丝杆螺母机构中的螺母的右侧端面固定连接，光栅尺读数头通过控制器与上位机连接。

所述的高度调节支架包括一个矩形板状的高度调节支架底座，高度调节支架底座前部的两个角与两个矩形杆状的摆杆的下端铰接，摆杆的中部开有竖直方向的摆杆通槽，摆杆上位于摆杆通槽两侧的摆杆侧壁上均开有水平方向的摆杆侧壁通槽，高度调节支架底座后部的两个角与两个矩形杆状的支撑杆的下端铰接，支撑杆中部开有水平方向的支撑杆通槽，每个支撑杆穿过对应的摆杆的摆杆通槽后，一根双头螺杆的两端分别穿过对应的摆杆的摆杆侧壁通槽和对应的支撑杆的支撑杆通槽后与位于摆杆两侧的两个紧固螺母螺纹连接，一个矩形板状的支架面板左右两侧对称设置有支架面板竖直板，两个支架面板竖直板上均对称设置有水平方向的支架面板竖直板通槽，两个摆杆上端的连接螺栓穿过对应的支架面板竖直板通槽后与一个螺母螺纹连接，两个支撑杆的上端与对应的支架面板竖直板的前部铰接。

支架面板的左右两侧对称设置有竖直方向的支架面板通槽，支架面板通槽从支架面板前部延伸至支架面板后部，两个直线模组总成支撑架的两端均有两个直线模组总成支撑架连接螺栓穿过对应的支架面板通槽后与螺母螺纹连接，使两个直线模组总成支撑架可在支架面板上沿支架面板通槽前后移动并固定，直线模组总成支撑架的中部相对于直线模组总成支撑架的两端向上凸起，直线模组总成支撑架向上凸起的部位设置有直线模组总成支撑架通槽，光栅尺的标尺光栅两端的标尺光栅连接螺栓穿过对应直线模组总成支撑架通槽后与一个螺母螺纹连接，使光栅尺可在两个直线模组总成支撑架之间左右移动并固定。

4个螺栓穿过对应的直线模组总成支撑架通槽后与嵌入直线模组总成底座下表面的螺母螺纹连接，使直线模组总成底座可在两个直线模组总成支撑架之间左右移动并固定。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

本发明提供的一种挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构，将挡把在汽车纵向平面内的圆弧运动轨迹分解为两个直线运动，分别为由伺服电机驱动的丝杆螺母机构传动的沿前后换挡方向的水平直线运动，以及在换挡过程中挡把支撑块右侧滑槽相对于螺栓型滚轮滚针轴承往复运动实现的沿挡把方向的直线运动。换挡操作过程与挡把实际运动轨迹拟合度高，能够稳定有效地推动挡杆完成换挡动作。

挡把通过挡把下部夹紧块、挡把上部夹紧块固定在挡把支撑块左侧端面，挡把下部夹紧块、挡把上部夹紧块开槽的形状尽量贴合挡把，因此在本机构运动过程中挡把与挡把支撑块可实现紧密连接，保证同步运动。

螺栓型滚轮滚针轴承的使用不仅可以减少挡把支撑块右侧滑槽相对其运动时的摩擦能量损失，使运动更加顺滑；而且相比于同尺寸的普通滑轮，其承载能力更高，因此在满足所需承载能力的同时使本机构更加小巧紧凑。

在换挡过程中，挡把的位移量比较细微，需要对挡把的位置精确定位与跟踪。因此，本发明提供了一种挡位位置检测装置。该检测装置主要由适用于直线位移测量的光栅尺、l形连接板构成，光栅尺读数头通过l形连接板与螺母固定连接，同步运动。光栅尺实时采集螺母的实际位移量并反馈给控制器，从而实现挡把位置的闭环精确控制。同时，光栅尺具有很强的抗干扰能力，其测量精度可以保持很久，能够满足换挡机械手频繁换挡的工作特性。

同时，直线模组总成可以沿着直线模组总成支撑架通槽左右移动，在高度调节支架底座固定的情况下，进一步调节换挡操纵机构与挡把的横向相对位置；两个直线模组总成支撑架可以沿着支架面板上表面通槽前后移动，以便调节直线模组总成相对于挡把的前后初始位置，从而大大提高本发明的适用性。

不同车型的换挡行程与换挡力并不一致，本发明可以根据实测换挡行程与换挡力选用合适长度的丝杆以及相适应接触强度的螺栓型滚轮滚针轴承，通用性很强。

除此之外，高度调节支架可以根据驾驶室空间进行调整，以便适应大部分驾驶室，并且在安装过程中不需要对原车结构进行改造。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构的轴测图；

图2是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构的主视图；

图3是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构的俯视图；

图4是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构的左视图；

图5是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构中的挡把下部夹紧块的轴测图；

图6是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构中的螺栓型滚轮滚针轴承与套筒装配轴测图；

图7是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构的运动学简图；

图8是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构中的支架摆杆的主视图；

图9是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构中的支架摆杆的俯视图；

图10是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构中的光栅尺的轴测图；

图11是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构闭环控制原理图。

图12是本发明所述的挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构安装在车辆副驾驶室中并与车辆挡把装配好以后的示意图。

图中：1.伺服电机、2.梅花联轴器、3.角接触球轴承、4.丝杆、5.螺母、6.l形安装板、7.六角螺母、8.挡把支撑块、9.挡把、10.挡把上部夹紧块、11.挡把下部夹紧块、12.滑道、13.l形连接板、14.直线模组总成底座、15.直线模组总成支撑架、16.高度调节支架底座、17.支撑杆、18.摆杆、19.支架面板、20.紧固螺母、21.双头螺杆、22.套筒、23.螺栓型滚轮滚针轴承、24.光栅尺、25.副驾驶座椅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

如图1、图2所示，作为本发明动力输出与中间传动装置的直线模组总成由直线模组总成底座14、伺服电机1、梅花联轴器2、角接触球轴承3、丝杆4、螺母5、滑道12组成。沿前后方向设置的矩形板状的直线模组总成底座14后端固定有一个伺服电机1，进行动力输出。本发明选择丝杆螺母机构作为中间传动装置，丝杆4的两端各通过一个带有角接触球轴承3的轴承座支撑在直线模组总成底座14的两端，伺服电机1的输出轴通过梅花联轴器2与丝杆4的后端固定连接，完成动力传递。丝杆螺母机构中的丝杆4下方有一个矩形板状的滑道12固定在直线模组总成底座14的上表面，丝杆螺母机构中的螺母5为一个矩形块，螺母5通过下表面设置的螺母滑槽与滑道12配合，从而将伺服电机1的输出轴的旋转运动转换为螺母5沿滑道12的直线运动。

参考图1、图3、图4、图6，螺母5的上表面与一个l形安装板6的水平板固定连接，l形安装板6的竖直板中心处开有一个通孔，位于l形安装板6的竖直板左侧的一个螺栓型滚轮滚针轴承23的螺栓上套装有一个套筒22，螺栓型滚轮滚针轴承23的螺栓前端带有外螺纹的螺栓端部穿过l形安装板6的竖直板中心处的通孔后与一个位于l形安装板6的竖直板右侧的六角螺母7螺纹连接固定，从而可以实现螺栓型滚轮滚针轴承23随螺母5同步运动。套筒22可以避免l形安装板6的竖直板左侧端面与挡把支撑块8的右侧端面在运动过程中的干涉。与挡把9紧固连接的结构一共有三个，分别为挡把下部夹紧块11、挡把上部夹紧块10、挡把支撑块8。矩形的挡把支撑块8的右侧端面从上至下开有挡把支撑块滑槽，挡把支撑块滑槽与螺栓型滚轮滚针轴承23的轴承外圈配合使螺栓型滚轮滚针轴承23沿挡把支撑块右侧滑槽往复相对运动，。挡把上部夹紧块10、挡把下部夹紧块11分别嵌套在车辆的挡把9的上部和下部并通过螺栓将挡把9固定在挡把支撑块8的左侧端面上。为了保证挡把9与挡把支撑块8同步运动，如图5所示，挡把下部夹紧块11内侧壁面设计出与挡把9完全贴合的拔模斜度以避免挡把9与挡把支撑块8之间的相对位置窜动。

参考图1、图2、图4，本机构包括一个可沿竖直方向调节高度的高度调节支架。高度调节支架包括支撑杆17、摆杆18、支架面板19、高度调节支架底座16、紧固螺母20、双头螺杆21。如图12，高度调节支架底座16固定于车内副驾驶室中，定义车辆行驶方向为前方，矩形板状的高度调节支架底座16前部的两个角与两个矩形杆状的摆杆18的下端铰接，高度调节支架底座16后部的两个角与两个矩形杆状的支撑杆17的下端铰接。摆杆18的中部开有竖直方向的摆杆通槽，摆杆通槽的宽度恰好为支撑杆17的厚度，摆杆18上位于摆杆通槽两侧的摆杆侧壁上均开有水平方向的摆杆侧壁通槽。支撑杆17中部开有水平方向的支撑杆通槽，摆杆侧壁通槽与支撑杆通槽的槽宽相同。一个矩形板状的支架面板19左右两侧对称设置有支架面板竖直板，两个支架面板竖直板上均设置有水平方向的支架面板竖直板通槽。每个支撑杆17穿过对应的摆杆18的摆杆通槽后与支架面板竖直板的前部两个角铰接。根据驾驶室的空间调整好高度调节支架底座16与支架面板19的竖直距离后，两个摆杆18的上端各通过一个螺栓穿过对应的支架面板竖直板通槽后与一个螺母螺纹连接固定。一根外径与支撑杆通槽槽宽相切的双头螺杆21的两端分别穿过对应摆杆18的摆杆侧壁通槽和对应支撑杆17的支撑杆通槽后，与位于摆杆18两侧的两个紧固螺母20螺纹连接，紧固螺母20分别从摆杆18两侧壁面旋紧。这样支撑杆17、摆杆18、双头螺杆21共同构成剪叉式结构，双头螺杆21可以进一步限制支撑杆17与摆杆18之间的相对运动，增强高度调节支架的支撑能力，使该支撑结构稳定可靠。

支架面板19的左右两侧对称设置有竖直方向的支架面板通槽，支架面板通槽从支架面板19前部延伸至支架面板19后部。两个直线模组总成支撑架15可在支架面板19上沿支架面板通槽前后移动，一方面，两个直线模组总成支撑架15的相对距离可以根据所选用的光栅尺24的长度调整；另一方面，两个直线模组总成支撑架15可以保持固定间距进一步沿支架面板通槽前后移动来调整直线模组总成相对于挡把9的前后方向的初始位置，调整好位置后，两个直线模组总成支撑架15的两端均有两个直线模组总成支撑架连接螺栓穿过对应的支架面板通槽后与螺母固定连接。直线模组总成支撑架15的中部相对于直线模组总成支撑架15的两端向上凸起，直线模组总成支撑架15向上凸起的部位设置有直线模组总成支撑架通槽。直线模组总成底座14可以沿着直线模组总成支撑架通槽左右移动，调节本机构与挡把9的横向相对位置，提高本发明的适用性。4个螺栓穿过对应的直线模组总成支撑架通槽后与嵌入直线模组总成底座14下表面的螺母螺纹固定连接。

参考图1、图3、图10，高度调节支架上设置有一个位于直线模组总成底座14右侧并与直线模组总成底座14平行的光栅尺24，光栅尺24的光栅尺读数头的上表面与一个l形连接板13的水平板固定连接，l形连接板13的竖直板与丝杆螺母机构中的螺母5的右侧端面固定连接。在换挡过程中，光栅尺读数头与螺母5同步运动，光栅尺24实时采集螺母5的实际位置并发出反馈信号，实现挡把9的位置精确定位与跟踪。光栅尺24具有很强的抗干扰能力，其测量精度可以保持很久，能够满足换挡机械手频繁换挡的工作特性。光栅尺24可以随直线模组总成在两个直线模组总成支撑架15的直线模组总成支撑架通槽之间左右移动。当直线模组总成确定横向位置后，光栅尺24的横向位置也随之确定，光栅尺24的标尺光栅两端各通过一个标尺光栅连接螺栓穿过对应直线模组总成支撑架通槽后与一个螺母螺纹连接固定。

本发明提供的一种挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构工作原理如下：

(1)运动原理：

该自动挡汽车的挡把9始终在车辆纵向平面内运动，如图7所示，提取挡把9所在运动平面，将换挡过程中挡把9的运动轨迹近似简化成一个绕固定点o的圆弧运动，假设图中oa为挡把9的初始位置，挡把9的极限位置分别为oa’和oa”。为了使本机构能够在换挡过程中高度拟合挡把的运动轨迹，本发明将换挡过程分解为两个直线运动，分别为沿挡把9的直线运动与沿前后换挡方向的直线运动。沿前后换挡方向的直线运动可以用直线l1来简化，对应于螺母5的水平直线运动。直线l1分别与挡把9两极限位置oa’、oa”的延长线相交于b’、b”，沿挡把9从a’到b’的运动由螺栓型滚轮滚针轴承23与挡把支撑块8配合实现。例如挡把9从oa运动到oa”，螺栓型滚轮滚针轴承23受伺服电机1驱动沿滑道12从a点运动到b”，与此同时，相对于挡把9来说螺栓型滚轮滚针轴承23从初始位置a”(沿挡把9方向，a”与a对于挡把9来说占有相同的的位置)沿着挡把支撑块右侧滑槽运动到b”。

(2)控制原理：

本发明通过螺母5的直线移动带动挡把9实现挡位的切换，挡位能否顺利切换取决于挡把9位置的精确程度。因此在本机构完成安装以后，首先要根据挡把9在不同挡位置时螺母5相对于滑道12起始位置的距离来标定各个挡位的位置，为后续控制奠定基础。为了保证挡把9在换挡过程中正确入位，选择适用于直线位移测量的光栅尺24实时采集螺母5的实际位置，并发出反馈信号。结合图11，上位机向控制器发送一个表示期望位置的输入信号，伺服电机1的伺服电机驱动器接收信号后驱动伺服电机1旋转，本机构驱动挡把9运动，并带动光栅尺24的光栅尺读数头一同运动。动作完成后，光栅尺24会将螺母5的实际位置信息反馈到控制器。控制器将输入信号与光栅尺24测量得到的实际位置的反馈信号进行比较，得到一个偏差信号继续控制伺服电机驱动器驱动伺服电机1，整个过程形成了挡把9位置的精确闭环控制。

本发明提供的一种挡位直线排列式自动驾驶汽车自动换挡操纵机构的运动过程为：

伺服电机1输出转矩通过梅花联轴器2带动丝杆4做旋转运动，螺母5沿直线模组总成底座14上表面固定的滑道12直线运动，进而带动l形安装板6以及其竖直板中心处的螺栓型滚轮滚针轴承23一同水平直线运动。与此同时，螺栓型滚轮滚针轴承23的外圈沿挡把支撑块8右侧的挡把支撑块滑槽往复相对运动，持续输出对挡把支撑块右侧的挡把支撑块滑槽内壁的水平作用力，挡把支撑块8带动与其固定连接的挡把9完成换挡动作。

在螺母5直线运动的同时，通过l形连接板13与其固定连接的光栅尺24的读数头同步往复直线运动，时刻采集与记录螺母5的位置信息，并发送给控制器，作为反馈信号实现挡把9位置的精确闭环控制。