一种融合视觉识别技术的汽车线控转向系统及其控制方法与流程

本发明属于汽车转向系统技术领域，具体指代一种融合视觉识别技术的汽车线控转向系统及其控制方法。

背景技术：

智能驾驶是当前汽车发展的方向，其核心在于智能感知、智能决策和精准执行。现有的感知手段主要包括：摄像头、毫米波雷达、激光雷达、红外线等，而对于执行机构而言，线控转向完全解除了传统机械连接式转向系统的约束，能够自由改变传动比并进行转向修正，解放了汽车横向控制。但是，现有的视觉识别技术仍处于整车匹配阶段，尚未出现针对线控转向系统的设计和控制方案，少量面向转向系统的研发技术主要有：中国发明专利申请号为cn201610041628.5，名称“一种基于机器视觉的转向助力预警系统及其工作方法”中提出利用机器视觉判断驾驶员失误、车速过高等危险状态，通过控制转向助力电机帮助车轮转向，中国发明专利申请号为cn201710764130.6，名称“一种转向角纠正方法、电子助力转向系统及车辆”中提出根据图像信息判定汽车偏离行驶路线的异常转向状态，控制助力电机输出目标力矩抵制异常转向，避免危险的发生。中国发明专利申请号为cn201610604746.2，名称“一种用于车辆的自动紧急转向系统及其控制方法”中提出根据获取的车辆外部环境信息判断车辆前方出现障碍并规划出合适的避让转向路径，触发执行单元，实现对车辆驾驶员的保护。

综上所述，现有的汽车视觉识别技术主要通过判断危险情况，直接控制执行机构进行修正，没有考虑到转向系统的动力学特性和助力特性，也不能突破转向系统的机械连接。线控转向是智能驾驶汽车执行机构的关键，因此基于线控转向系统，融合视觉识别技术，开发融合视觉识别的线控转向系统，对于车辆安全和转向精准修正具有重大意义。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种融合视觉识别技术的汽车线控转向系统及其控制方法，针对转向工况的视觉识别选择工作模式，进行线控转向执行机构的精准控制，以克服现有技术中存在的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种融合视觉识别技术的汽车线控转向系统，包括：视觉采集模块、视觉处理模块、转向路径规划模块、车辆状态采集模块、转向控制模块、通知与警报模块以及转向执行模块；

所述视觉采集模块包括第一摄像头、第二摄像头、第三摄像头和图像采集卡，所述第一摄像头设置在车身前端的前围板中央，第二摄像头和第三摄像头对称排列在车身后端的后围板两侧，摄像头用于采集车辆前后实时路面信息及障碍物的图像信息，并传输给图像采集卡；所述图像采集卡控制摄像头的快门速度、曝光时间，并将摄像头拍摄的模拟图像信息转化为数字图像信息数据流，传输给视觉处理模块；

所述视觉处理模块包括图像处理卡，专用集成电路以及车载通讯单元；图像处理卡用于获取图像采集卡传输的数字图像信息数据流，并对数据流进行实时压缩处理，存储于专用集成电路中；专用集成电路对上述数据流进行图像识别处理，检测路面及障碍物情况，并通过车载通讯单元与转向路径规划模块进行通讯；

所述车辆状态采集模块用于获取车辆实时状态下的参数，并将参数传递给转向路径规划模块和转向控制模块；

所述转向路径规划模块根据车辆状态采集模块及视觉处理模块传递的信息，进行实时的转向路径规划，并将规划后的转向路径信息传递给转向控制模块；

所述转向控制模块输入端连接车辆状态采集模块、转向路径规划模块以及转向执行模块，输出端连接通知与警报模块以及转向执行模块，用于输出控制汽车转向工作模式信号；

所述转向执行模块根据转向控制模块输入信号，执行汽车转向动作；

所述通知与警报模块与转向控制模块连接，用于语音播报系统转向干预情况及视频显示障碍物位置及汽车转向路径,包括语音播报装置、显示装置。

进一步的，所述车辆状态采集模块包括：角度传感器、位移传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器及激光雷达；所述角度传感器安装在方向盘下方与转向管柱的连接处，用于测量驾驶员输入方向盘的转角；位移传感器安装在转向横拉杆上，通过测量转向横拉杆输出位移获取前轮输出转角；转矩传感器安装在转向管柱上，获取驾驶员得到的反馈转矩；车速传感器安装在汽车变速箱的输出轴上，用于测量车速；横摆角速度传感器安装在汽车中控台下方，用于测量车辆的横摆角速度；激光雷达安装在汽车前保险杠上，用于测量障碍物的三维位置信息。

进一步地，所述转向执行模块采用双电机线控转向装置。

进一步地，所述的转向执行模块包括：方向盘、路感总成、第一电机总成、第二电机总成、转向横拉杆、转向梯形、转向车轮；

方向盘连接路感总成，所述路感总成包括：转向轴、转向管柱、扭杆、路感电机、第三转速传感器及蜗轮蜗杆；驾驶员通过方向盘输入的作用力经过转向轴作用于扭杆上；路感电机输出端通过第三转速传感器与涡轮蜗杆连接，蜗轮蜗杆安装在转向管柱上；路感电机输出的反馈作用力依次经过蜗轮蜗杆、转向管柱，传递至方向盘；

所述第一电机总成包括：第一电机、第一螺母，第一丝杆、第一转速传感器；

所述第二电机总成包括：第二电机、第二螺母、第二丝杆、第二转速传感器；

所述第一电机、第一转速传感器、第一螺母及第一丝杆依次连接，第一丝杆固定安装在转向横拉杆上；所述第二电机、第二转速传感器、第二螺母及第二丝杆依次连接，第二丝杆固定安装在转向横拉杆上；第一电机和第二电机输出的旋转运动分别经第一、第二螺母及第一、第二丝杆转换并进行叠加，输出为转向横拉杆的位移运动；

转向横拉杆两端分别通过转向梯形连接转向车轮，将转向横拉杆的位移转化为转向车轮的转向角，完成车辆转向动作。

本发明的一种融合视觉识别技术的汽车线控转向系统的控制方法，基于上述系统，包括步骤如下：

步骤1：转向路径规划模块分别接收车辆状态采集模块传输的车辆车速信息和障碍物三维位置信息、视觉处理模块获取的的车身前后图像信息，并进行障碍物识别；转向控制模块接收车辆状态采集模块传输的驾驶员方向盘转角信息，并进行驾驶员意图的识别；

步骤2：转向路径规划模块根据驾驶员意图和障碍物识别信息，判断是否需要进行转向干预，若处于正常行驶状态无需进行转向干预，则进入步骤3，否则进入步骤4；

步骤3：转向控制模块控制转向执行模块，执行转向助力工作模式，完成后返回步骤1；

步骤4：转向路径规划模块根据障碍物状态及驾驶员意图，规划转向路径；

步骤5：转向控制模块判断是否接受驾驶员输入的方向盘转角信息的转向方向，若接受则通过转向控制模块控制转向执行模块，执行转向补偿工作模式，完成后返回步骤1，若不接受则进入步骤6；

步骤6：转向控制模块控制转向执行模块，执行转向强制干预工作模式，完成后返回步骤1。

进一步的，所述转向助力工作模式的具体步骤如下：

转向控制模块以驾驶员输入的方向盘转角信号作为预设值，计算转向车轮的转向角度及当前车速下所需的转向助力大小，并判断车速是否大于30km/h；若大于30km/h，转向控制模块输出控制第一电机控制信号，控制第一电机工作，输出所需的转向助力，同时计算模拟转向路感值对应的路感电机转矩，控制路感电机输出相应的反馈转矩，通过方向盘向驾驶员提供转向路感；若车速小于30km/h，则输出第一电机和第二电机控制信号，由第一电机和第二电机同时输出转矩，提供叠加的转向助力，并控制路感电机输出当前车速下的反馈转矩，提供驾驶员转向路感。

进一步的，所述转向补偿工作模式的具体步骤如下：

转向控制模块以驾驶员输入的方向盘转角信号为实际值，以转向路径规划模块计算的方向盘转角为预设值，根据实际值与预测值的误差，计算需要补偿的转向车轮转角大小；第一电机按照驾驶员输入的方向盘转角在当前车速下所需的转向助力，第二电机根据所需的补偿转角大小，输出相应的的转角补偿，路感电机输出相应的反馈转矩；同时语音播报装置提示驾驶员系统正在执行转向补偿。

进一步的，所述转向强制干预工作模式的具体步骤如下：

转向执行模块仅接受转向控制模块的指令，转向控制模块忽略驾驶员输入的方向盘转角信号；转向控制模块控制第一电机按照车速大小提供助力，控制第二电机根据转向路径提供转向车轮转角修正，控制路感电机输出相应的反馈转矩；同时语音播报装置提示驾驶员系统正在执行转向强制干预，显示装置通过摄像头画面显示障碍物位置及汽车转向路径。

本发明的有益效果：

本发明的系统通过融合视觉识别技术，协助驾驶员判断并识别障碍物及危险信息，能够突破传统转向系统的机械连接的限制，提供针对驾驶员转向操作的同向修正及反向紧急干预，提高转向系统智能化水平。

本发明的控制方法，能够结合线控转向执行机构，进行多种工作模式的切换，从而完成不同工况下线控转向执行机构的精准控制，提高车辆转向的精准性和安全性。

附图说明

图1为本发明系统的原理框图；

图2为本发明转向执行模块原理框图；

图3为本发明线控转向系统控制流程图；

图4为本发明方法转向助力工作模式流程图；

图5为本发明方法转向补偿工作模式流程图；

图6为本发明方法转向强制干预工作模式流程图；

图中：1-方向盘，2-转向轴，3-转向管柱，4-蜗轮蜗杆，5-扭杆，6-通知与警报模块，7-转向控制模块，8-车辆状态采集模块，9-视觉采集模块，10-转向路径规划模块，11-视觉处理模块，12-第二电机，13-第二转速传感器，14-第二螺母，15-第二丝杠，16-转向横拉杆，17-第一电机，18-第一转速传感器，19-第一螺母，20-第一丝杠，21-转向梯形，22-转向车轮，23-路感电机，24-第三转速传感器。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1、图2所示，本发明的一种融合视觉识别技术的汽车线控转向系统，包括：视觉采集模块9、视觉处理模块11、转向路径规划模块10、车辆状态采集模块8、转向控制模块7、通知与警报模块以及转向执行模块；

所述视觉采集模块包括第一摄像头、第二摄像头、第三摄像头和图像采集卡，所述第一摄像头设置在车身前端的前围板中央，第二摄像头和第三摄像头对称排列在车身后端的后围板两侧，摄像头用于采集车辆前后实时路面信息及障碍物的图像信息，并传输给图像采集卡；所述图像采集卡控制摄像头的快门速度、曝光时间，并将摄像头拍摄的模拟图像信息转化为数字图像信息数据流，传输给视觉处理模块；

所述视觉处理模块包括图像处理卡，专用集成电路（asic）以及车载通讯单元；图像处理卡用于获取图像采集卡传输的数字图像信息数据流，并对数据流进行实时压缩处理，存储于专用集成电路中；专用集成电路对上述数据流进行图像识别处理，检测路面及障碍物情况，并通过车载通讯单元与转向路径规划模块进行通讯；

所述车辆状态采集模块8用于获取车辆实时状态下的参数，并将参数传递给转向路径规划模块10和转向控制模块7；其包括：角度传感器、位移传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器及激光雷达；所述角度传感器安装在方向盘下方与转向管柱的连接处，用于测量驾驶员输入方向盘的转角；位移传感器安装在转向横拉杆上，通过测量转向横拉杆输出位移获取前轮输出转角；转矩传感器安装在转向管柱上，获取驾驶员得到的反馈转矩，车速传感器安装在汽车变速箱的输出轴上，用于测量车速；横摆角速度传感器安装在汽车中控台下方，用于测量车辆的横摆角速度；激光雷达安装在汽车前保险杠上，用于测量障碍物的三维位置信息。

所述转向路径规划模块10根据车辆状态采集模块8及视觉处理模块11传递的信息，进行实时的转向路径规划，并将规划路径信息传递给转向控制模块；

所述转向控制模块输入端连接车辆状态采集模块、转向路径规划模块以及转向执行模块，输出端连接通知与警报模块以及转向执行模块，用于控制汽车转向工作模式；

所述转向执行模块根据转向控制模块7输入信号，执行汽车转向动作；采用双电机线控转向装置；

所述的转向执行模块包括：方向盘1、路感总成、第一电机总成、第二电机总成、转向横拉杆16、转向梯形21、转向车轮22；

方向盘1连接路感总成，所述路感总成包括：转向轴2、转向管柱3、扭杆5、路感电机23、第三转速传感器24及蜗轮蜗杆4；驾驶员通过方向盘输入的作用力经过转向轴2作用于扭杆5上；路感电机23输出端通过第三转速传感器24与涡轮蜗杆4连接，蜗轮蜗杆4安装在转向管柱3上；路感电机23输出的反馈作用力依次经过蜗轮蜗杆4、转向管柱3，传递至方向盘1；

所述第一电机总成包括：第一电机17、第一螺母19，第一丝杆20、第一转速传感器18；

所述第二电机总成包括：第二电机12、第二螺母14、第二丝杆15、第二转速传感器13；

所述第一电机17、第一转速传感器18、第一螺母19及第一丝杆20依次连接，第一丝杆20固定安装在转向横拉杆16上；所述第二电机12、第二转速传感器13、第二螺母14及第二丝杆15依次连接，第二丝杆15固定安装在转向横拉杆16上；第一电机和第二电机输出的旋转运动分别经第一、第二螺母及第一、第二丝杆转换并进行叠加，输出为转向横拉杆16的位移运动；

转向横拉杆16两端分别通过转向梯形21连接转向车轮22，将转向横拉杆的位移转化为转向车轮的转向角，完成车辆转向动作。

所述通知与警报模块与转向控制模块连接，用于语音播报系统转向干预情况及视频显示障碍物位置及汽车转向路径,包括语音播报装置、显示装置。

参照图3所示，本发明的一种融合视觉识别技术的汽车线控转向系统的控制方法，基于上述系统，包括步骤如下：

步骤1：转向路径规划模块分别接收车辆状态采集模块传输的车辆车速信息和障碍物三维位置信息、视觉处理模块获取的的车身前后图像信息，并进行障碍物识别；转向控制模块接收车辆状态采集模块传输的驾驶员方向盘转角信息，并进行驾驶员意图的识别；

步骤2：转向路径规划模块根据驾驶员意图和障碍物识别信息，判断是否需要进行转向干预，若处于正常行驶状态无需进行转向干预，则进入步骤3，否则进入步骤4；

步骤3：转向控制模块控制转向执行模块，执行转向助力工作模式，完成后返回步骤1；

步骤4：转向路径规划模块根据障碍物状态及驾驶员意图，规划转向路径；

步骤5：转向控制模块判断是否接受驾驶员输入的方向盘转角信息的转向方向，若接受则通过转向控制模块控制转向执行模块，执行转向补偿工作模式，完成后返回步骤1，若不接受则进入步骤6；

步骤6：转向控制模块控制转向执行模块，执行转向强制干预工作模式，完成后返回步骤1。

参照图4所示，所述转向助力工作模式的具体步骤如下：

转向控制模块以驾驶员输入的方向盘转角信号作为预设值，计算转向车轮的转向角度及当前车速下所需的转向助力大小，并判断车速是否大于30km/h；若大于30km/h，转向控制模块输出控制第一电机控制信号，控制第一电机工作，输出所需的转向助力，同时计算模拟转向路感值对应的路感电机转矩，控制路感电机输出相应的反馈转矩，通过方向盘向驾驶员提供转向路感；若车速小于30km/h，则输出第一电机和第二电机控制信号，由第一电机和第二电机同时输出转矩，提供叠加的转向助力，并控制路感电机输出当前车速下的反馈转矩，提供驾驶员转向路感。

参照图5所示，所述转向补偿工作模式的具体步骤如下：

转向控制模块以驾驶员输入的方向盘转角信号为实际值，以转向路径规划模块计算的方向盘转角为预设值，根据实际值与预测值的误差，计算需要补偿的转向车轮转角大小；第一电机按照驾驶员输入的方向盘转角在当前车速下所需的转向助力，第二电机根据所需的补偿转角大小，输出相应的的转角补偿，路感电机输出相应的反馈转矩；同时语音播报装置提示驾驶员系统正在执行转向补偿。

参照图6所示，所述转向强制干预工作模式的具体步骤如下：

转向执行模块仅接受转向控制模块的指令，转向控制模块忽略驾驶员输入的方向盘转角信号；转向控制模块控制第一电机按照车速大小提供助力，控制第二电机根据转向路径提供转向车轮转角修正，控制路感电机输出相应的反馈转矩；同时语音播报装置提示驾驶员系统正在执行转向强制干预，显示装置通过摄像头画面显示障碍物位置及汽车转向路径。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。