双冗余电动转向装置的制作方法

本发明涉及一种智能驾驶车辆技术领域，具体涉及一种双冗余电动助力转向装置。

背景技术：

从20世纪70年代开始，美国、英国、德国等发达国家开始进行智能驾驶的研究，在可行性和实用化方面都取得了突破性的进展。

无人驾驶作为智能驾驶领域的终极目标，通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标。它利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。无人驾驶是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。

电动助力转向技术作为汽车转向系统中的新贵，经过几十年的发展，已经较为成熟。而其具有的主动转向能力，也可满足无人驾驶车辆转向控制的要求。“安全”是无人驾驶技术普及的一个重要前提，但传统电动助力转向系统失效后会丧失主动转向的能力，可能会给无人驾驶汽车及车内乘员带来无法估计的伤害。因此，为电动助力转向装置增加冗余，使其在故障失效时仍能保持主动转向能力，可以有效的提高系统的可靠性和安全性，为无人驾驶技术的发展提供保障。

目前，在已知技术中，有一种汽车电动转向机构(cn1426920a)和线控转向系统(cn105916748a)，二者均是对线控转向系统结构进行创新，以多倍增加转向系统的安全性为前提；还有一种汽车电动转向机构(cn104015781a)，具有柔性传动部分、c-eps和peps，但其本质还是不同于传统带机械转向器的电动转向系统，而是一种用柔性传动增加冗余的线控转向。已有专利多为对线控转向系统增加冗余以提高其安全性，但由于线控转向对安全极高的要求，且政府法规在短时间内还不会允许带完全线控转向系统的车辆上路行驶，因此，对传统电动助力转向进行冗余安全改进，使其适应智能驾驶的需求，也是转向机构适应智能驾驶发展的一条可行道路。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决当前传统电动助力转向系统应用于无人驾驶的过程中，在发生故障后会失去主动转向的能力的问题，提供一种具有双冗余的新型电动转向装置，以提高可靠性和安全性为目标，实现系统双冗余控制的高效配合，使得电动转向系统在故障时仍有冗余主动转向的能力；在电源故障等极端条件下，装置还具有机械转向机构，驾驶员可接管对汽车转向的控制，得到更好的保护。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种双冗余电动转向装置，其包括方向盘、转向输入轴、管柱式电动转向机构、齿条式电动转向机构和齿条；

所述方向盘与转向输入轴连接；所述转向输入轴下端设置有齿轮，所述齿轮与齿条啮合；

所述管柱式电动转向机构用于对所述转向输入轴施加力矩；

所述齿条式电动转向结构用于驱动所述齿条直线运动。

可选的，所述齿条式电动转向结构包括第一执行电机、第一电磁离合器和滚珠丝杠机构，所述第一执行电机通过第一电磁离合器与滚珠丝杠机构的滚珠丝杠连接，所述滚珠丝杠机的滚珠丝母与所述齿条相固定，当滚珠丝杠转动并带动所述滚珠丝母移动时，所述滚珠丝母带动所述齿条移动。

可选的，所述管柱式电动转向机构包括蜗轮蜗杆机构、第二电磁离合器和第二执行电机，所述蜗轮蜗杆机构的蜗轮同轴设置于所述转向输入轴上，所述蜗轮蜗杆机构的蜗杆通过第二电磁离合器与第二执行电机连接。

可选的，所述第一执行电机为永磁同步电机，和/或，所述第二执行电机为永磁同步电机。

可选的，所述双冗余电动转向装置还包括方向盘扭矩传感器、左前轮转角传感器、右前轮转角传感器、主控制器、副控制器和底盘域控制器；

所述方向盘扭矩传感器、左前轮转角传感器和右前轮转角传感器均与底盘域控制器连接，并且所述方向盘扭矩传感器用于检测驾驶员通过方向盘所输入的扭矩，并将该扭矩信号发送至所述底盘域控制器；所述左前轮转角传感器用于检测左前轮转角，并将该左前轮转角信号发送至所述底盘域控制器；所述右前轮转角传感器用于检测右前轮转角，并将该右前轮转角信号发送至所述底盘域控制器；

所述底盘域控制器与主控制器和副控制器之间通过车载总线通信；

所述底盘域控制器根据无人驾驶轨迹跟踪需求，计算出轨迹跟踪横向控制目标，并通过总线将轨迹跟踪横向控制目标发送给主控制器和副控制器执行。

可选的，所述底盘域控制器监控齿条式电动转向机构和管柱式电动转向机构的状态，若齿条式电动转向机构和管柱式电动转向机构的状态均正常，则第一电磁离合器闭合，第二电磁离合器断开，齿条式电动转向机构对无人车前轮进行转角控制，管柱式电动转向机构待命；若齿条式电动转向机构故障，底盘域控制器断开第一电磁离合器，闭合第二电磁离合器，由管柱式电动转向机构进行前轮转角控制，并将通过人机交互界面通知乘员车辆转向单元故障，并请求车辆乘员尽快接管对车辆的转向控制；

所述主控制器用于对齿条式电动转向机构进行驱动控制，接收来自于底盘域控制器的车辆前轮目标转角需求，计算出齿条式电动转向机构的第一执行电机所需输出力矩，并驱动其输出合适转向力矩，使得无人汽车前轮转角满足轨迹跟踪需求；主控制器还将自身状态通过车载总线传递给底盘域控制器和副控制器，由底盘域控制器判断主控制器是否故障，若故障则会断开齿条式电动转向机构中的第一电磁离合器；

所述副控制器在齿条式电动转向机构正常工作时，将协助底盘域控制器对主控制器状态进行监控，并将监控结果通过车载总线发送给底盘域控制器进行判断；期间，副控制器也在对无人驾驶车辆前轮转向控制需求进行计算，并不对第二执行电机进行驱动控制；在主控制器或齿条电动转向机构故障时，副控制器负责对管柱式电动转向机构进行控制，接收来自于底盘域控制器的车辆前轮目标转角需求，计算出管柱式电动转向机构的第二执行电机所需输出力矩，并驱动其输出合适转向力矩，替代齿条式电动转向机构对无人驾驶汽车前轮进行转向控制。

本发明具有如下有益效果：

1、集成度高：将管柱式电动转向机构与齿条式电动机构转向集成到一套机械转向器，可在传统电动助力转向系统基础上进行改造，易于实现。

2、安全性、可靠性强：双冗余电动转向装置包含齿条式电动转向机构和管柱式电动转向机构两个转向执行单元，当其中之一发生故障时，另一个转向机构仍有能力对车辆进行主动转向控制，有效保障了无人驾驶车辆内乘员的人身安全。

3、智能化：通过电动转向装置实现自动转向功能，无需驾驶员操纵，在底盘域控制器的协调控制下，实现无人智能驾驶。

4、人机交互程度高：无人驾驶车辆乘员可通过人机交互界面获悉电动转向装置状态，并可随时接管其对车辆转向的控制。

附图说明

图1为本发明的双冗余电动转向装置的结构示意图；

图2为本发明的底盘域控制器的连接关系示意图；

图中标记示意为：1-方向盘；2-转向输入轴；3-扭矩转角传感器；4-蜗轮蜗杆机构；5-第二电磁离合器；6-第一执行电机；7-第一电磁离合器；9-滚珠丝杠机构；10-齿条；11-转向横拉杆；12-左前轮转角传感器；13-右前轮转角传感器；14-第二执行电机；15-管柱式电动转向机构；16-齿条式电动转向机构；17-底盘域控制器；18-主控制器；19-副控制器；20-人机交互界面；21-车载总线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种双冗余电动转向装置，其包括方向盘1、转向输入轴2、管柱式电动转向机构15、齿条式电动转向机构16和齿条10。

方向盘1与转向输入轴2连接，所述管柱式电动转向机构15用于对所述转向输入轴2施加力矩，所述转向输入轴2下端设置有齿轮，所述齿轮与齿条10啮合，从而将转向输入轴的动力通过齿条输出至车轮，进而实现车辆的转向。

所述齿条式电动转向结构16用于驱动所述齿条10直线运动，优选地，所述齿条式电动转向结构16包括第一执行电机6、第一电磁离合器7和滚珠丝杠机构9，所述第一执行电机6通过第一电磁离合器与滚珠丝杠机构9连接，即，与所述滚珠丝杠机构9的滚珠丝杠连接，以通过所述第一执行电机6带动所述滚珠丝杠转动，所述滚珠丝杠机构与所述齿条10连接，例如所述滚珠丝杠机构9的滚珠丝母与所述齿条相固定，从而在滚珠丝杠转动并带动所述滚珠丝母移动时，所述滚珠丝母带动所述齿条10移动。

更优选地，所述第一执行电机6选用永磁同步电机，电机功率及输出扭矩由无人驾驶车辆转向力需求及滚珠丝杠9传动比确定。

所述管柱式电动转向机构15包括蜗轮蜗杆机构4、第二电磁离合器5和第二执行电机14，所述第二执行电机14通过第二电磁离合器5传动连接所述蜗轮蜗杆机构4，本实施例中，所述蜗轮蜗杆机构的蜗轮同轴设置于所述转向输入轴2上，所述蜗轮蜗杆机构4的蜗杆与第二执行电机14连接，第二执行电机14选用永磁同步电机，电机功率及输出扭矩由无人驾驶车辆转向力需求及蜗轮蜗杆4传动比确定。

本实施例中，所述双冗余电动转向装置还包括方向盘扭矩传感器3、左前轮转角传感器12、右前轮转角传感器13、主控制器18、副控制器19和底盘域控制器17。

所述方向盘扭矩传感器3、左前轮转角传感器12和右前轮转角传感器13均与底盘域控制器17连接，并且所述方向盘扭矩传感器3用于检测驾驶员通过方向盘1所输入的扭矩，并将该扭矩信号发送至所述底盘域控制器17；所述左前轮转角传感器12用于检测左前轮转角，并将该左前轮转角信号发送至所述底盘域控制器17；所述右前轮转角传感器13用于检测右前轮转角，并将该右前轮转角信号发送至所述底盘域控制器17。

所述底盘域控制器17与电动转向机构的主控制器18和副控制器19之间通过车载总线21通信。

所述底盘域控制器17根据无人驾驶轨迹跟踪需求，以合适的逻辑计算出轨迹跟踪横向控制目标，并通过总线将控制目标发送给主控制器18和副控制器19执行。

所述底盘域控制器17监控齿条式电动转向机构16和管柱式电动转向机构15的状态，若齿条式电动转向机构16和管柱式电动转向机构15的状态均正常，则第一电磁离合器7闭合，第二电磁离合器5断开，由齿条式电动转向机构16负责对无人车前轮进行转角控制，管柱式电动转向机构15待命；若齿条式电动转向机构16故障，底盘域控制器17将断开第一电磁离合器7，闭合第二电磁离合器5，由管柱式电动转向机构15进行前轮转角控制，与此同时还将通过人机交互界面20通知乘员车辆转向单元故障，并请求车辆乘员尽快接管对车辆的转向控制。

所述主控制器18用于对齿条式电动转向机构16进行驱动控制，接收来自于底盘域控制器17的车辆前轮目标转角需求，计算出齿条式电动转向机构16的第一执行电机6所需输出力矩，并驱动其输出合适转向力矩，使得无人汽车前轮转角满足轨迹跟踪需求。与此同时，主控制器18还将自身状态通过车载总线21传递给底盘域控制器17和副控制器19，由底盘域控制器17判断主控制器18是否故障，若故障则会断开齿条式电动转向机构16中的第一电磁离合器7。

所述副控制器19在齿条式电动转向机构16正常工作时，将协助底盘域控制器17对主控制器18状态进行监控，并将监控结果通过车载总线发送给底盘域控制器17进行判断；期间，副控制器19也在对无人驾驶车辆前轮转向控制需求进行计算，但并不对第二执行电机14进行驱动控制；在主控制器18或齿条电动转向机构16故障时，副控制器19负责对管柱式电动转向机构15进行控制，接收来自于底盘域控制器17的车辆前轮目标转角需求，计算出管柱式电动转向机构15的第二执行电机14所需输出力矩，并驱动其输出合适转向力矩，替代齿条式电动转向机构16对无人驾驶汽车前轮进行转向控制。

所述双冗余电动转向装置具有助力转向工作模式。因具有输入轴2、齿条10和转向横拉杆11(所述转向横拉杆11固定于齿条10上)等机械转向机构，当车辆在无人驾驶行驶过程中通过方向盘扭矩传感器3信号检测到驾驶员有介入方向盘操作的意图或车内乘员通过人机交互界面20向系统发出退出无人驾驶指令时，所述双冗余电动转向装置可切换为电动助力转向工作模式，底盘域控制器17根据方向盘扭矩传感器3所检测的驾驶员手力信号、车载总线21上的车速、发动机转速等信号向主控制器18发出扭矩请求，由第一执行电机6为驾驶员提供转向助力，协助驾驶员进行转向操作。

本发明的双冗余电动转向装置，其应用于智能驾驶车辆，工作过程为：

底盘域控制器17接收来自于无人驾驶车辆的轨迹行驶需求，并计算无人驾驶车辆由当前位置运动到目标轨迹位置所需要的前轮转角；

底盘域控制器17判断主控制器18和副控制器19的状态，若主控制器18及第一执行电机6没有故障，则底盘域控制器17将会向主控制器18发出执行命令，同时闭合第一电磁离合器7，断开第二电磁离合器5；

主控制器18将根据底盘域控制器17发出的前轮转角目标与左前轮转角传感器12、右前轮转角传感器13所检测到的当前前轮转角实时计算出第一执行电机6所需输出的转向执行力，并驱动第一执行电机6对无人驾驶汽车进行前轮转角控制，使得无人驾驶汽车能正常寻迹行驶。

整个过程中，副控制器19与管柱式电动转向机构15处于待命状态，副控制器19仍接收底盘域控制器17发出的前轮转角目标，并同时计算出第二执行电机14所需输出的转向执行力，但并不对第二执行电机14进行驱动；副控制器19还将通过车载总线21与主控制器18进行状态信息的交换，作为验证主控制器18是否发生故障的另一道保险。

当主控制器18或齿条式电动转向机构16发生故障时，底盘域控制器17将对主控制器18及副控制器19进行校验通信，确认是否发生故障，若故障确认，底盘域控制器17将断开第一电磁离合器7，切断齿条式电动转向机构16对无人驾驶汽车的转向控制。同时，第二电磁离合器5闭合，副控制器19将驱动第二执行电机14由管柱式电动转向机构15对无人驾驶车辆进行转向控制。

当齿条式电动转向机构16故障以后，双冗余电动转向装置会降低自身安全等级，并通过人机交互界面21告知车内乘员系统转向机构由于故障造成安全等级下降，请求乘员尽快接管对车辆的转向控制。

在乘员没有接管对车辆的控制之前，无人驾驶车辆将在管柱式电动转向机构15的控制下继续行驶，同时，底盘域控制器17将通知无人车辆规划出安全路径，并尽快控制车辆选择安全地点靠边停车。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。