专利名称：无人驾驶车辆转向系统及其控制方法
技术领域：
本发明属于车辆转向技术，特别是一种无人驾驶车辆转向系统及其控制方法。
背景技术：
无人驾驶车辆是汽车未来发展方向之一，预计将来无人驾驶车辆会成为人们生活中安全的交通工具。因此，智能化车辆驾驶系统在车辆技术领域也倍受关注。无人驾驶车辆集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志。在军事、探索和救援等危险、恶劣环境下，无人驾驶车辆具有广阔的应用前景，如目前在美国在火星上面火星车的探索；在民用方面，其也有广阔的应用前景和巨大的市场，由于其具有发挥可靠、安全、便利及高效的性能优势，对于提高人为驾驶的智能化和安全性具有重大的现实意义，而且未来无人驾驶汽车可和城市交通指挥中心联网，选择最好的路线，有效 避免堵车，尽最大可能保证交通的流畅。如目前美国已经有无人驾驶车辆开始投入民用市场，例如前不久谷哥公司推出的自主驾驶车辆在加州的法律中已经通过，即将投入到市场。2010年上海世博会，游客只需在公园的入口处按下一个按钮，一辆没有司机的四座敞篷汽车就会从远处开过来缓缓停下，然后搭载着乘客前往他们想去的景点。因此，目前世界许多国家都在大力研究无人驾驶技术，将无人驾驶作为展示其人工智能水平、引领车辆未来发展的重要平台。车辆控制技术是无人驾驶汽车技术的核心技术之一，其中主要包括速度控制和方向控制。而无人驾驶车辆的转向装置控制性能是衡量无人车系统性能最关键、最重要指标之一，方向控制性能包括自动转向的正确性、稳定性、实时性、及时性等。而无人驾驶车辆的转向控制装置是保证无人驾驶车辆方向控制性能的关键，然而目前无人驾驶车辆的转向控制装置还没有一个完整的体系结构和一个完美的控制方法。经过对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号为200510111220. 2，
公开日2006年7月19日，名称无人驾驶车辆的方向控制机构，采用电机减速器组合经电磁离合器与减速器的输入轴连接，小齿轮连接在减速箱的输出轴上，大齿轮经连接法兰直接与车辆的中央转向摇臂连接，梯形转向机构拉杆的另一端与中央转向摇臂铰接，梯形转向机构拉杆的另一端与转向车轮铰接，实现无人驾驶车辆的自动转向。但是此专利双级齿轮传动结构复杂，占用车内驾驶空间较大，增加了运动中的传动误差，增加了安装的难度，电机轴、齿轮轴和中央转向摇臂三轴的平行很难得到保证，不仅如此，这一技术方案需要在车辆的中央转向摇臂上焊接法兰，既破坏了车辆的原有机构，同时不便于转向装置的装拆与维护。中国专利申请号为201010104800. X，
公开日2011年7月27日，名称一种无人驾驶车辆转向装置及其控制方法，其发明米用一电机与一编码器相连，一相互哨合的润轮和蜗杆，蜗杆与电机的输出轴直接联接，一电磁离合器，其中涡轮与电磁离合器的主动端固连，电磁离合器的被动端与方向盘转向柱固联，构成无人车的驾驶转向装置，从而实现无人驾驶车辆的自动转向。但是此专利依然改装原有转向机构，所以并没有避免万向节的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、智能化程度高、易操作、精度高的转向装置及其转向控制方法，使原车已有转向装置和外观均不受到破坏，且新增转向装置和已有转向装置能够紧密配合 ，互不干扰工作，并具有一定的通用性。实现本发明目的的技术解决方案为一种无人驾驶车辆转向系统，包括执行电机、方向机、电机编码器、非接触式零位检测机构、非接触式左限位检测机构、非接触式右限位检测机构、前轮绝对转角机构、前轮转角双闭环控制系统，执行电机为转向驱动机构，执行电机的输入端与方向机的输出端相连；电机编码器连接在执行电机后端输出轴上；
非接触式零位检测机构由固定安装在右转动摆臂上面的零位固定块和固定安装在固定悬架上的零位检测器构成，当所述零位固定块转动到零位检测器正下方时，零位检测器能够感应零位固定块；
非接触式左限位检测机构由固定安装在左转动摆臂上面的左限位固定块和固定安装在左固定悬架上的左限位检测器构成，当左前轮转角处于左限位状态下，左限位检测器能够感应左限位固定块；非接触式右限位检测机构由固定安装在右转动摆臂上面的右限位固定块和固定安装在右固定悬架上的右限位检测器构成，当右前轮转角处于右限位状态下，右限位检测器能够感应右限位固定块；
前轮绝对转角机构，由前轮转角传感器和前轮转角传感器旋转轴组成，前轮转角传感器本体固定安装在车底固定悬架上，前轮转角传感器旋转轴一端与前轮转角传感器想连接，另一端通过关节臂与车辆梯形转向机构拉杆的左右摆动杆连接；
位置控制器一端通过CAN电缆与工控机连接；执行电机、电机编码器以及前轮转角传感器分别通过电缆与位置控制器的相应接口电气连接；左、右限位检测器和零位检测器分别与位置控制器的相应数字输入端电气连接；
所述前轮转角双闭环控制系统由电机编码器和前轮转角传感器构成，电机编码器反馈执行电机当前位置给位置控制器，前轮转角传感器直接检测前轮的转向角度，将转角角度闭环反馈给位置控制器，同时电机编码器不再作为环反馈，而是作为速度闭环反馈，从而控制执行电机的转速，最终位置控制器控制前轮转向角度精确达到命令期望值。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)本发明在执行电机尾部安电机编码器和在车底固定悬架上安装前轮转角传感器，利用编码器对转向装置进行双闭环控制，直接精确控制前轮的转角，有利于提高无人驾驶车辆的转向控制精确度。(2)本发明零位检测机构采用非接触式零位传感器，转动中不存在摩擦力，提高了装置的传动效率及精确度；另外本发明采用左、右限位机构，能够充分保证车辆在运动中的平稳状态和行驶安全。(3 )本发明不破坏原有转向机构，且新增转向机构与原有转向机构对称、并行联接到梯形转向机构拉杆，避免了车辆原有转向装置万向节的间隙误差，精度更高，比已有发明更容易操作、维护与拆装。(4)本发明采用切换开关切换人为驾驶/自主驾驶控制过程，方便程序调试及保证紧急情况下的车辆和人员身体安全。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图I是本发明转向装置结构示意图。图2是本发明总装置结构示意图。图3是本发明系统电气化示意图。图4是本发明限位结构零位示意图。图5是本发明右转向极限位置示意图。图6是本发明前轮转角双闭环控制系统示意图。图7是本发明前轮转角零位初始化流程图。图8是本发明自主转向控制流程图。
具体实施例方式结合图I、图2和图3,本发明无人驾驶车辆转向系统,包括执行电机I、方向机2、电机编码器3、非接触式零位检测机构、非接触式左限位检测机构、非接触式右限位检测机构、前轮绝对转角机构、前轮转角双闭环控制系统，执行电机I为转向驱动机构，执行电机I的输入端与方向机2的输出端相连；电机编码器3连接在执行电机I后端输出轴上。结合图4，非接触式零位检测机构由固定安装在右转动摆臂12上面的零位固定块7和固定安装在固定悬架18上的零位检测器4构成，当所述零位固定块7转动到零位检测器4正下方时，零位检测器4能够感应零位固定块7。非接触式左限位检测机构由固定安装在左转动摆臂15上面的左限位固定块9和固定安装在左固定悬架19上的左限位检测器6构成，当左前轮转角处于左限位状态下，左限位检测器6能够感应左限位固定块9 ;非接触式右限位检测机构由固定安装在右转动摆臂12上面的右限位固定块8和固定安装在右固定悬架18上的右限位检测器5构成，当右前轮转角处于右限位状态下，右限位检测器5能够感应右限位固定块8，如图5。前轮绝对转角机构，由前轮转角传感器10和前轮转角传感器旋转轴16组成，前轮转角传感器10本体固定安装在车底固定悬架上17，前轮转角传感器旋转轴16 —端与前轮转角传感器10想连接，另一端通过关节臂20与车辆梯形转向机构拉杆13的左右摆动杆连接。位置控制器33 —端通过CAN电缆32与工控机30 (运行常规的控制软件)连接；执行电机I、电机编码器3以及前轮转角传感器10分别通过电缆与位置控制器33的相应接口电气连接；左、右限位检测器5、6和零位检测器4分别与位置控制器33的相应数字输入端电气连接；CAN总线卡31安装在工控机30的扩展槽中。所述前轮转角双闭环控制系统由电机编码器3和前轮转角传感器10构成，电机编码器3反馈执行电机I当前位置给位置控制器33，前轮转角传感器10直接检测前轮的转向角度，将转角角度闭环反馈给位置控制器33，同时电机编码器3不再作为环反馈，而是作为速度闭环反馈，从而控制执行电机I的转速，最终位置控制器33控制前轮转向角度精确达到命令期望值。参见图6，前轮转角双闭环控制系统工作原理前轮转角传感器10直接检测前轮的转向角度，将转角位置闭环反馈给位置控制器33，从而组成外层循环，参与前轮转角角度闭环反馈控制；电机编码器3反馈执行电机I当前转动位置，但电机编码器3不再作为角度环反馈，此时参与速度闭环反馈控制，作为速度闭环控制执行电机的转速；霍尔传感器反馈执行电机I当前转动速度，辅助作为电机的速度闭环反馈，电流反馈作为内环，参与电流闭环控制执行电机的电流。位置控制器33接收到前轮规划转角，与前轮转角传感器10通过PID控制计算给出电机转角速度命令值，该转角速度命令值再基于电机编码器3的速度反馈PID控制计算转换为电流命令值，此时执行电机I在电流驱动作用下转动，执行电机I驱动方向机2，方向机2通过梯形转向拉杆13驱动前轮转向，实现前轮转角的双闭环控制过程。由于前轮转角传感器10直接传感检测前轮的转角作为外环反馈，克服了执行电机、方向机以及其它执行机构的传递误差，保证了前轮转角的精准控制。本发明的执行电机I与方向机2固定安装在安装支架11上，使执行电机I与方向机2的轴在水平平面上。结合图7和图8，通过上述无人驾驶车辆转向系统实现的控制方法，包括前轮转角绝对零位初始化的控制和车辆自主转向控制实现的控制，控制过程步骤如下。其中自主驾驶模式即应用上述的无人驾驶车辆转向系统工作时车辆处于的状态模式。人工驾驶模式即是驾驶员转动方向盘，方向盘驱动原有转向机构从而实现车辆的转向。人/机共享控制开关是一个伺服开关，通过它的切换可以决定车辆所处模式。当人/机控制切换开关处于人工控制状态下，转向控制系统伺服使能将被切断，此时自主转向控制装置不再工作，且对人工驾驶毫无影响，但仍可以获取当前车轮转角参数。新增转向机构与原有转向机构并联联接，保证车辆实现人工转向与自主转向两者互不影响，同时可自由切换，方便调试情况下紧急状态下的切换，保证人员及车辆安全。首先，前轮转角绝对零位初始化的控制过程为
步骤1，首先打开人/机共享控制开关，并拨向自主模式，转向控制系统伺服使能打开，车辆处于自主驾驶模式；
步骤2，工控机30执行油门放大器、刹车放大器、方向放大器、换挡放大器初始化程序，位置控制器33开始自动控制前轮转向；
步骤3，方向机2带动安装在固定悬架12上的零位固定块7转动；
步骤4，若零位检测器4检测到零位信号，则根据零位检测器反馈的零位偏置数值驱动前车轮转动到绝对零位；
步骤5，若零位检测器4未检测到零位信号，位置控制器33继续控制前轮转向，直到接收到左限位传感器检测器9或者右限位传感器检测器8发出的限位信号；
步骤6，位置控制器33控制前轮向相反方向转向，直到零位检测器4检测到零位信号，根据零位检测器反馈的零位偏置数值驱动前轮转动到绝对零位；
步骤7，前轮转角绝对零位初始化步骤完成；
然后，车辆自主转向实现的控制过程为
步骤8，首先打开人/机共享控制开关，并拨向自主驾驶模式，转向控制系统伺服使能打开，车辆处于自主驾驶模式；
步骤9，工控机30通过网络接收放置在车辆里另一台规划工控机所发送的即时规划路径及其它信息，它的作用主要是根据传感器信息规划车辆下一个时刻的路径；根据路径信息获取路径某处的曲率，由此可算出车辆的瞬时曲率半径R，根据阿克曼运动学模型，从而计算得到前轮转角θ，θ =arctan (L/R),其中L是车辆轴距；
步骤10，将所得规划前轮转角角度发送至CAN控制卡31，紧接通过CAN电缆32发出角度至位置控制器33 ；步骤11，位置控制器33开始控制转向系统，若系统没有执行车轮绝对零位初始化，则首先进行方向电机绝对零位的标定，并使车辆前轮处于绝对零位方向，否则直接发送转向命令和转角角度；
步骤12，位置控制器33判断转向命令，若转向命令为不转向，则返回且保持当前状态；步骤13，若位置控制器33判断转向命令为转向时，进行前轮转角双闭环控制，执行电机I开始运行，并驱动方向机2 ；
步骤14，方向机2通过右转动摆臂12驱动梯形转向机构拉杆13，从而实现车轮转向；步骤15，判断右限位检测器5或左限位检测器6是否触发，转向过程中，若右限位检测器5或左限位检测器6被触发，执行电机I则停止运行保持当前状态；
步骤16，若右限位检测器5或左限位检测器6未被触发，且执行电机I完成所驱动角度位置，电机停止转动；
步骤17，无人驾驶车辆的自主转向任务完成，转至步骤9，直到停止自主转向控制或者切换到人工模式。
权利要求
1.一种无人驾驶车辆转向系统，其特征是包括执行电机(I)、方向机(2)、电机编码器(3)、非接触式零位检测机构、非接触式左限位检测机构、非接触式右限位检测机构、前轮绝对转角机构、前轮转角双闭环控制系统，执行电机(I)为转向驱动机构，执行电机(I)的输入端与方向机(2)的输出端相连；电机编码器(3)连接在执行电机(I)后端输出轴上；非接触式零位检测机构由固定安装在右转动摆臂(12)上面的零位固定块(7)和固定安装在固定悬架(18)上的零位检测器(4)构成，当所述零位固定块(7)转动到零位检测器(4)正下方时，零位检测器(4)能够感应零位固定块(7)； 非接触式左限位检测机构由固定安装在左转动摆臂(15)上面的左限位固定块(9)和固定安装在左固定悬架(19)上的左限位检测器(6)构成，当左前轮转角处于左限位状态下，左限位检测器(6)能够感应左限位固定块(9);非接触式右限位检测机构由固定安装在右转动摆臂(12)上面的右限位固定块(8)和固定安装在右固定悬架(18)上的右限位检测器(5)构成，当右前轮转角处于右限位状态下，右限位检测器(5)能够感应右限位固定块(8)； 前轮绝对转角机构，由前轮转角传感器(10)和前轮转角传感器旋转轴(16)组成，前轮转角传感器(10)本体固定安装在车底固定悬架上(17)，前轮转角传感器旋转轴(16) 一端与前轮转角传感器(10)想连接，另一端通过关节臂(20)与车辆梯形转向机构拉杆(13)的左右摆动杆连接； 位置控制器(33 ) 一端通过CAN电缆(32 )与工控机(30 )连接；执行电机(I)、电机编码器(3)以及前轮转角传感器(10)分别通过电缆与位置控制器(33)的相应接口电气连接；左、右限位检测器(5、6)和零位检测器(4)分别与位置控制器(33)的相应数字输入端电气连接； 所述前轮转角双闭环控制系统由电机编码器(3)和前轮转角传感器(10)构成，电机编码器(3 )反馈执行电机(I)当前位置给位置控制器(33 )，前轮转角传感器(10 )直接检测前轮的转向角度，将转角角度闭环反馈给位置控制器(33)，同时电机编码器(3)不再作为环反馈，而是作为速度闭环反馈，从而控制执行电机(I)的转速，最终位置控制器(33)控制前轮转向角度精确达到命令期望值。
2.根据权利要求I所述的无人驾驶车辆转向系统，其特征是执行电机(I)与方向机(2)固定安装在安装支架(11)上，使执行电机(I)与方向机(2)的轴在水平平面上。
3.—种通过权利要求I所述的无人驾驶车辆转向系统实现的控制方法，其特征是包括前轮转角绝对零位初始化的控制和车辆自主转向控制实现的控制，控制过程步骤如下 首先，前轮转角绝对零位初始化的控制过程为 步骤1，首先打开人/机共享控制开关，并拨向自主模式，转向控制系统伺服使能打开，车辆处于自主驾驶模式； 步骤2，工控机(30)执行油门放大器、刹车放大器、方向放大器、换挡放大器初始化程序，位置控制器(33)开始自动控制前轮转向； 步骤3，方向机(2 )带动安装在固定悬架(12 )上的零位固定块(7 )转动； 步骤4，若零位检测器(4)检测到零位信号，则根据零位检测器反馈的零位偏置数值驱动前车轮转动到绝对零位； 步骤5，若零位检测器(4 )未检测到零位信号，位置控制器(33 )继续控制前轮转向，直到接收到左限位传感器检测器(9)或者右限位传感器检测器(8)发出的限位信号； 步骤6，位置控制器(33)控制前轮向相反方向转向，直到零位检测器(4)检测到零位信号，根据零位检测器反馈的零位偏置数值驱动前轮转动到绝对零位； 步骤7，前轮转角绝对零位初始化步骤完成； 然后，车辆自主转向实现的控制过程为 步骤8，首先打开人/机共享控制开关，并拨向自主驾驶模式，转向控制系统伺服使能打开，车辆处于自主驾驶模式； 步骤9，工控机(30)通过网络接收放置在车辆里另一台规划工控机所发送的即时规划路径及其它信息，它的作用主要是根据传感器信息规划车辆下一个时刻的路径；根据路径信息获取路径某处的曲率，由此可算出车辆的瞬时曲率半径R，根据阿克曼运动学模型，从而计算得到前轮转角θ，θ =arctan (L/R),其中L是车辆轴距； 步骤10，将所得规划前轮转角角度发送至CAN控制卡(31)，紧接通过CAN电缆(32)发出角度至位置控制器(33); 步骤11，位置控制器(33)开始控制转向系统，若系统没有执行车轮绝对零位初始化，则首先进行方向电机绝对零位的标定，并使车辆前轮处于绝对零位方向，否则直接发送转向命令和转角角度； 步骤12，位置控制器(33)判断转向命令，若转向命令为不转向，则返回且保持当前状态； 步骤13，若位置控制器(33)判断转向命令为转向时，进行前轮转角双闭环控制，执行电机(I)开始运行，并驱动方向机(2)； 步骤14，方向机(2)通过右转动摆臂(12)驱动梯形转向机构拉杆(13)，从而实现车轮转向； 步骤15，判断右限位检测器(5)或左限位检测器(6)是否触发，转向过程中，若右限位检测器(5)或左限位检测器(6)被触发，执行电机(I)则停止运行保持当前状态； 步骤16，若右限位检测器(5 )或左限位检测器(6 )未被触发，且执行电机(I)完成所驱动角度位置，电机停止转动； 步骤17，无人驾驶车辆的自主转向任务完成，转至步骤9，直到停止自主转向控制或者切换到人工模式。
4.根据权利要求3所述的无人驾驶车辆转向控制方法，其特征是前轮转角双闭环控制的过程为前轮转角传感器(10)直接检测前轮的转向角度，将转角位置闭环反馈给位置控制器(33)，从而组成外层循环，参与前轮转角角度闭环反馈控制；电机编码器(3)反馈执行电机(I)当前转动位置，但电机编码器(3)不再作为角度环反馈，此时参与速度闭环反馈控制，作为速度闭环控制执行电机的转速；霍尔传感器反馈执行电机(I)当前转动速度，辅助作为电机的速度闭环反馈，电流反馈作为内环，参与电流闭环控制执行电机的电流。
5.位置控制器(33)接收到前轮规划转角，与前轮转角传感器(10)通过PID控制计算给出电机转角速度命令值，该转角速度命令值再基于电机编码器(3)的速度反馈PID控制计算转换为电流命令值，此时执行电机(I)在电流驱动作用下转动，执行电机(I)驱动方向机(2)，方向机(2)通过梯形转向拉杆(13)驱动前轮转向，实现前轮转角的双闭环控制过程。
6.由于前轮转角传感器(10)直接传感检测前轮的转角作为外环反馈，克服了执行电机、方向机以 及其它执行机构的传递误差，保证了前轮转角的精准控制。
全文摘要
本发明公开了一种无人驾驶车辆转向系统及其方法，包括执行电机、方向机、电机编码器、非接触式零位检测机构、非接触式左限位检测机构、非接触式右限位检测机构、前轮绝对转角机构、前轮转角双闭环控制系统，执行电机为转向驱动机构，执行电机的输入端与方向机的输出端相连；电机编码器连接在执行电机后端输出轴上。本发明有利于提高无人驾驶车辆的转向控制精确度，并采用切换开关切换人为驾驶/自主驾驶控制过程，方便程序调试及保证紧急情况下的车辆和人员身体安全。
文档编号B62D113/00GK102941876SQ20121048115
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者刘永, 唐振民, 龚毅 申请人:南京理工大学