一种适用于上肢缺陷驾驶员的多功能汽车转向系统的制作方法

本发明属于汽车转向控制技术领域，特别涉及一种适用于上肢缺陷驾驶员的多功能汽车转向系统。

背景技术：

汽车在当今的社会生活中扮演着越来越重要的角色，汽车的运用极大地提高了人们的生活效率，但现有的汽车技术多针对健全的驾驶员进行设计，对于残疾人来说，能够灵便地驾驶汽车还存在着许多问题。残疾人是我们当今社会不可忽视的一个群体，他们拥有利用现有的先进技术提高自己生活质量的权利。汽车的转向系统是驾驶员对汽车进行操控的重要系统，因此，针对残疾人驾驶员的汽车转向技术开发有着极大的必要性。同时，例如转向车轮等转向系统相关部件的设计，对于汽车行驶安全性至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的是发明设计一种适用于上肢缺陷驾驶员的多功能汽车转向系统，实现上肢缺陷驾驶员对汽车的转向操纵控制，针对上肢缺陷程度及缺陷部位不同的驾驶员设计不同的转向系统，同时针对驾驶员的转向意图匹配不同的转向系统参数，实现转向系统智能化。

本发明的另一个目的是发明设计一种变结构车轮，使得汽车在不同的路面上均能够有良好的附着性能，在保证汽车转向操作性能的同时，保证汽车良好的驱动性能与制动性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种适用于上肢缺陷驾驶员的多功能汽车转向系统，可针对上肢缺陷部位及缺陷程度不同的驾驶员，匹配不同类型的方向盘和转向踏板；针对上肢缺陷驾驶员的转向意图不同，采用不同的转向控制参数进行匹配；根据复杂路面改变车轮结构；其中转向踏板总成包括左置左转踏板、左置右转踏板、转向踏板力矩传感器、转向踏板转角传感器和线控转向系统；基于上肢缺陷驾驶员转向意图的主动转向角权值设定模块包括上肢缺陷驾驶员转向意图识别模块和主动转向角权值设定模块；基于bp神经网络的转向踏板误踩辨识模块包括转向踏板误踩预警系统、转向踏板压力传感器、仪表盘转向踏板指示灯；基于复杂路面的变结构车轮机构包括复杂路面识别模块和变结构车轮。

技术方案中所述的转向踏板总成是指在传统手动挡汽车的离合器位置处设置两平行的转向踏板，分别为左置左转向踏板和左置右转向踏板，上肢缺陷驾驶员踩动转向踏板，通过转向踏板力矩传感器、转向踏板转角传感器和线控转向系统对车辆进行转向控制。

技术方案中所述的转向踏板总成可根据上肢缺陷驾驶员不同的缺陷部位及缺陷程度进行不同的转向踏板设计，包括：

1)、当驾驶员为上肢单侧缺陷时，整个汽车转向系统为方向盘和转向踏板总成复合转向系统，转向车轮转角为方向盘转角与转向踏板转角增益叠加，上肢单侧缺陷驾驶员可通过方向盘进行小幅度转向，通过复合转向系统进行大幅度转向，驾驶员可根据驾驶习惯对复合转向系统中的转向踏板的转向传动比i1进行设置；

2)、当驾驶员为上肢双侧缺陷时，整个汽车转向系统为单一转向踏板转向系统，驾驶员可根据驾驶习惯对转向踏板的转向传动比i2进行设置，单一转向踏板转向系统的转向传动比i2的设置区间上限值大于复合转向系统中的转向踏板的转向传动比i1。

技术方案中所述的转向踏板的转向传动比i1和i2为转向车轮转角与转向踏板转角比值，转向踏板转动角度范围为0deg至41.5deg，基于对上肢缺陷驾驶员操控汽车的局限性和行驶的安全性的考虑，汽车最高车速vxmax为78λkm/h，其中λ为驾驶员上肢残缺程度权值，取值范围为0.85至1.23；驾驶员对不同的转向踏板设计形式具有不同的转向踏板转向传动比设置范围，具体根据以下分类进行设计：

1)、若驾驶员为上肢单侧缺陷，则复合转向系统的转向踏板的转向传动比为：

当0km/h≤vx≤35km/h时，

当35km/h≤vx≤60km/h时，

当60km/h≤vx≤vxmax时，

其中，vx为汽车的纵向行驶速度，单位km/h，θi为转向踏板转角，单位deg，0deg≤θi≤41.5deg，θe1为复合转向系统的转向踏板转角增益输出，单位deg，0deg≤θe1≤19deg，β1为基于驾驶员驾驶习惯的复合转向系统的转向踏板传动比权值，0.8≤β1≤1.2；

2)、若驾驶员为上肢双侧缺陷，则单一转向踏板转向系统转向踏板转向传动比为：

当0km/h≤vx≤30km/h时，

当30km/h≤vx≤63km/h时，

当63km/h≤vx≤vxmax时，

其中，θe2为单一转向踏板转向系统的转向踏板转角增益输出，单位deg，0deg≤θe1≤39.5deg，β2为基于驾驶员驾驶习惯的单一转向踏板转向系统的转向踏板传动比权值，0.7≤β1≤1.3。

技术方案中所述的基于bp神经网络的转向踏板误踩辨识模块，可通过bp神经网络算法对上肢缺陷驾驶员应进行的转向操作进行辨识，其中输入层参数包括：与前方车辆距离前方道路左边缘至车辆纵向对称平面距离前方道路右边缘至车辆纵向对称平面距离和车速输出数据为yk。

技术方案中所述的转向踏板误踩预警系统可根据bp神经网络输出数据yk与左转阈值ya、右转阈值yb对比分析做出不同预警措施，包括：

1)、当yk<ya时，驾驶员应当踩动左置左转踏板，进行车辆左转操作；若转向踏板压力传感器探测到驾驶员仅仅踩动左置右转踏板，则线控系统中的路感模拟电机增大左置右转踏板的附加阻力矩，转向踏板将进入半锁止状态，同时语音警示系统提示：误踩转向踏板，请进行左转操作；仪表盘转向踏板指示灯显示红色；

2)、当yk>yb时，驾驶员应当踩动左置右转踏板，进行车辆右转操作；若转向踏板压力传感器探测到驾驶员仅仅踩动左置左转踏板，则线控系统中的路感模拟电机增大左置左转踏板的附加阻力矩，转向踏板将进入半锁止状态，同时语音警示系统提示：误踩转向踏板，请进行右转操作；仪表盘转向踏板指示灯显示红色；

3)、当ya≤yk≤yb时，驾驶员应当保持直线行驶，同时转向踏板预警系统不干预驾驶员进行掉头等非直线行驶操作；若转向踏板力矩传感器与转向踏板转角传感器信号大于设定阈值，语音警示系统提示：正在进行大幅度转向，建议保持直线行驶；仪表盘转向踏板指示灯显示黄色。

技术方案中所述的基于bp神经网络的转向踏板误踩辨识模块可在驾驶员是误踩转向踏板时进入功能转换状态，若驾驶员处于误踩转向踏板状态，同时驾驶员对转向踏板所施加力矩mn大于转向踏板误踩状态设定力矩阈值m0，则左置左转踏板与左置右转踏板进入功能转换状态，及左置左转踏板控制汽车右转操作，左置右转踏板控制汽车左转操作；驾驶员松开转向踏板时，转向踏板退出功能转换状态。

技术方案中所述的上肢缺陷驾驶员转向意图识别模块可通过上肢缺陷驾驶员的转向踏板数据对驾驶员的转向意图进行识别，基于上肢缺陷驾驶员转向意图的主动转向角权值设定模块通过gath-geva聚类算法对两种不用转向踏板布置形式的上肢缺陷驾驶员的转向紧急程度设定两组主动转向角权值：

上肢单侧缺陷驾驶员主动转向角权值：ρ11＝1.030，ρ12＝1.00，ρ13＝1.050，ρ14＝1.124；

上肢双侧缺陷驾驶员主动转向角权值：ρ21＝1.129，ρ22＝1.00，ρ23＝1.147，ρ24＝1.231；

主动转向角权值设定模块确定转向系统在时间ti内数据的聚类点的主动转向角权值为ρi的第一接近点m和主动转向角权值为ρj的第二接近点n，并根据实时数据聚类点与第一接近点和与第二接近点的距离比值dij，计算得到实时主动转向角权值ρ＝(ρjdij+ρi)/(dij+1)。

技术方案中所述的变结构车轮包括两个液压同轴的断面宽度为a的车轮，两车轮中间同轴安置的断面宽度为a/2的常低压轮胎，以及安装在轮辋内侧、可对常低压轮胎充放气的小气泵；复杂路面识别模块对汽车的行驶路面进行识别，变结构车轮根据不同的行驶路面进行结构变化：

1)、当行驶路面为潮湿路面时，变结构车轮两同轴断面宽度为a的车轮通过液压轴增大侧向距离至d，提高整个车轮的排水性能；

2)、当行驶路面为泥、雪路面时，变结构车轮两同轴断面宽度为a的车轮通过液压轴增大侧向距离至1.5d，同时小气泵对常低压轮胎充气，使常低压轮胎与地面接触面积达到s，增大车轮与地面接触面积；

3)、当行驶路面为干燥水泥、沥青路面时，小气泵对常低压轮胎进行放气，变结构车轮两同轴断面宽度为a的车轮通过液压轴缩小侧向距离，减小轮胎行驶阻力。

附图说明：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是左置左转踏板与左置右转踏板布置示意图；

图2是一种适用于上肢缺陷驾驶员的多功能汽车转向系统总体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。

图1为左置左转踏板与左置右转踏板布置示意图，其中左置左转踏板1和左置右转踏板2布置在传统手动挡汽车的离合器位置，相对与制动踏板3和油门踏板4的位置如图1所示。

图2为一种适用于上肢缺陷驾驶员的多功能汽车转向系统总体结构示意图，下面将通过图1和图2对整个系统的控制过程做出以下描述：

一种适用于上肢缺陷驾驶员的多功能汽车转向系统，可针对上肢缺陷部位及缺陷程度不同的驾驶员，匹配不同类型的方向盘和转向踏板；针对上肢缺陷驾驶员的转向意图不同，采用不同的转向控制参数进行匹配；根据复杂路面改变车轮结构；其中转向踏板总成包括左置左转踏板、左置右转踏板、转向踏板力矩传感器、转向踏板转角传感器和线控转向系统；基于上肢缺陷驾驶员转向意图的主动转向角权值设定模块包括上肢缺陷驾驶员转向意图识别模块和主动转向角权值设定模块；基于bp神经网络的转向踏板误踩辨识模块包括转向踏板误踩预警系统、转向踏板压力传感器、仪表盘转向踏板指示灯；基于复杂路面的变结构车轮机构包括复杂路面识别模块和变结构车轮。

其中转向踏板总成是指在传统手动挡汽车的离合器位置处设置两平行的转向踏板，如图1所示，分别为左置左转向踏板1和左置右转向踏板2，上肢缺陷驾驶员踩动转向踏板，通过转向踏板力矩传感器、转向踏板转角传感器和线控转向系统对车辆进行转向控制。

转向踏板总成可根据上肢缺陷驾驶员不同的缺陷部位及缺陷程度进行不同的转向踏板设计，包括：

1)、当驾驶员为上肢单侧缺陷时，整个汽车转向系统为方向盘和转向踏板总成复合转向系统，转向车轮转角为方向盘转角与转向踏板转角增益叠加，上肢单侧缺陷驾驶员可通过方向盘进行小幅度转向，通过复合转向系统进行大幅度转向，驾驶员可根据驾驶习惯对复合转向系统中的转向踏板的转向传动比i1进行设置；

2)、当驾驶员为上肢双侧缺陷时，整个汽车转向系统为单一转向踏板转向系统，驾驶员可根据驾驶习惯对转向踏板的转向传动比i2进行设置，单一转向踏板转向系统的转向传动比i2的设置区间上限值大于复合转向系统中的转向踏板的转向传动比i1。

转向踏板的转向传动比i1和i2为转向车轮转角与转向踏板转角比值，转向踏板转动角度范围为0deg至41.5deg，基于对上肢缺陷驾驶员操控汽车的局限性和行驶的安全性的考虑，汽车最高车速vxmax为78λkm/h，其中λ为驾驶员上肢残缺程度权值，取值范围为0.85至1.23；驾驶员对不同的转向踏板设计形式具有不同的转向踏板转向传动比设置范围，具体根据以下分类进行设计：

1)、若驾驶员为上肢单侧缺陷，则复合转向系统的转向踏板的转向传动比为：

当0km/h≤vx≤35km/h时，

当35km/h≤vx≤60km/h时，

当60km/h≤vx≤vxmax时，

其中，vx为汽车的纵向行驶速度，单位km/h，θi为转向踏板转角，单位deg，0deg≤θi≤41.5deg，θe1为复合转向系统的转向踏板转角增益输出，单位deg，0deg≤θe1≤19deg，β1为基于驾驶员驾驶习惯的复合转向系统的转向踏板传动比权值，0.8≤β1≤1.2；

2)、若驾驶员为上肢双侧缺陷，则单一转向踏板转向系统转向踏板转向传动比为：

当0km/h≤vx≤30km/h时，

当30km/h≤vx≤63km/h时，

当63km/h≤vx≤vxmax时，

其中，θe2为单一转向踏板转向系统的转向踏板转角增益输出，单位deg，0deg≤θe1≤39.5deg，β2为基于驾驶员驾驶习惯的单一转向踏板转向系统的转向踏板传动比权值，0.7≤β1≤1.3。

基于bp神经网络的转向踏板误踩辨识模块，可通过bp神经网络算法对上肢缺陷驾驶员应进行的转向操作进行辨识，其中输入层参数包括：与前方车辆距离前方道路左边缘至车辆纵向对称平面距离前方道路右边缘至车辆纵向对称平面距离和车速输出数据为yk。

转向踏板误踩预警系统可根据bp神经网络输出数据yk与左转阈值ya、右转阈值yb对比分析做出不同预警措施，包括：

1)、当yk<ya时，驾驶员应当踩动左置左转踏板，进行车辆左转操作；若转向踏板压力传感器探测到驾驶员仅仅踩动左置右转踏板，则线控系统中的路感模拟电机增大左置右转踏板的附加阻力矩，转向踏板将进入半锁止状态，同时语音警示系统提示：误踩转向踏板，请进行左转操作；仪表盘转向踏板指示灯显示红色；

2)、当yk>yb时，驾驶员应当踩动左置右转踏板，进行车辆右转操作；若转向踏板压力传感器探测到驾驶员仅仅踩动左置左转踏板，则线控系统中的路感模拟电机增大左置左转踏板的附加阻力矩，转向踏板将进入半锁止状态，同时语音警示系统提示：误踩转向踏板，请进行右转操作；仪表盘转向踏板指示灯显示红色；

3)、当ya≤yk≤yb时，驾驶员应当保持直线行驶，同时转向踏板预警系统不干预驾驶员进行掉头等非直线行驶操作；若转向踏板力矩传感器与转向踏板转角传感器信号大于设定阈值，语音警示系统提示：正在进行大幅度转向，建议保持直线行驶；仪表盘转向踏板指示灯显示黄色；

基于bp神经网络的转向踏板误踩辨识模块可在驾驶员是误踩转向踏板时进入功能转换状态，若驾驶员处于误踩转向踏板状态，同时驾驶员对转向踏板所施加力矩mn大于转向踏板误踩状态设定力矩阈值m0，则左置左转踏板与左置右转踏板进入功能转换状态，及左置左转踏板控制汽车右转操作，左置右转踏板控制汽车左转操作；驾驶员松开转向踏板时，转向踏板退出功能转换状态。

上肢缺陷驾驶员转向意图识别模块可通过上肢缺陷驾驶员的转向踏板数据对驾驶员的转向意图进行识别，基于上肢缺陷驾驶员转向意图的主动转向角权值设定模块通过gath-geva聚类算法对两种不用转向踏板布置形式的上肢缺陷驾驶员的转向紧急程度设定两组主动转向角权值：

上肢单侧缺陷驾驶员主动转向角权值：ρ11＝1.030，ρ12＝1.00，ρ13＝1.050，ρ14＝1.124

上肢双侧缺陷驾驶员主动转向角权值：ρ21＝1.129，ρ22＝1.00，ρ23＝1.147，ρ24＝1.231；

主动转向角权值设定模块确定转向系统在时间ti内数据的聚类点的主动转向角权值为ρi的第一接近点m和主动转向角权值为ρj的第二接近点n，并根据实时数据聚类点与第一接近点和与第二接近点的距离比值dij，计算得到实时主动转向角权值ρ＝(ρjdij+ρi)/(dij+1)。

变结构车轮包括两个液压同轴的断面宽度为a的车轮，两车轮中间同轴安置的断面宽度为a/2的常低压轮胎，以及安装在轮辋内侧、可对常低压轮胎充放气的小气泵；复杂路面识别模块对汽车的行驶路面进行识别，变结构车轮根据不同的行驶路面进行结构变化：

1)、当行驶路面为潮湿路面时，变结构车轮两同轴断面宽度为a的车轮通过液压轴增大侧向距离至d，提高整个车轮的排水性能；

2)、当行驶路面为泥、雪路面时，变结构车轮两同轴断面宽度为a的车轮通过液压轴增大侧向距离至1.5d，同时小气泵对常低压轮胎充气，使常低压轮胎与地面接触面积达到s，增大车轮与地面接触面积；

3)、当行驶路面为干燥水泥、沥青路面时，小气泵对常低压轮胎进行放气，变结构车轮两同轴断面宽度为a的车轮通过液压轴缩小侧向距离，减小轮胎行驶阻力。