方向盘舵机及驱动系统、应用舵机的自动驾驶系统的制作方法

本实用新型涉及自动驾驶技术领域，具体为一种方向盘舵机及驱动系统、应用舵机的自动驾驶系统。

背景技术：

随着农业技术的不断发展，为了节约劳动力，提高土地利用率，和劳动效率，农业自动化的需求已越来越迫切，农业自动化作业主要通过农业机械自动驾驶实现，自动驾驶过程中，农机驾驶员需要全程跟随，到达地头和遇到障碍物时还需手动驾驶，无法实现无人驾驶，仍然需要比较多的劳动力。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种方向盘舵机及驱动系统、应用舵机的自动驾驶系统，以解决上述背景技术中提出的农机驾驶员需要全程跟随，到达地头和遇到障碍物时还需手动驾驶，无法实现无人驾驶，仍然需要比较多的劳动力的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种方向盘舵机，包括外壳、端盖、转子和定子，所述外壳内部固定安装有定子，所述定位中心安装有转子，所述外壳的一端封死且仅在中心设有圆形安装孔，所述外壳的另一端固定有端盖，所述外壳的中心也设有圆形安装孔，所述定子包括安装套和定子绕组，所述安装套的外圆周上设有定子绕组，所述定子通过安装套安装在外壳内，所述转子包括本体，所述本体的一端固定有第一连接套，所述本体的另一端固定有第二连接套，所述本体、所述第一连接套和所述第二连接套的中心设有转轴安装孔，所述本体的外圆周上设有转子绕组，所述转子通过第一连接套和第二连接套安装在外壳内。

进一步的，所述第一连接套上安装有第一轴承，所述第二连接套上安装有第二轴承，所述第一轴承和所述第二轴承的外圈均安装在外壳内。

进一步的，所述转轴安装孔为圆柱孔。

进一步的，所述第二连接套伸出所述外壳封死一端的圆形安装孔。

进一步的，所述第一连接套设置在端盖内。

一种方向盘舵机的驱动系统，所述方向盘舵机自带驱动系统，所述驱动系统控制电源和驱动电源，所述控制电源分别给cpu、pwm、保护电路、调理电路、多圈绝对值解码电路和da输出供电，所述cpu控制pwm，所述cpu还与保护电路和da输出相连接，所述驱动电源分别给驱动电路和电流传感器供电，所述驱动电路与逆变器电连接，所述逆变器与pmsm电性连接，所述逆变器与pmsm之间设置有电流传感器，所述pmsm与多圈绝对值编码器电连接，所述多圈绝对值编码器与多圈绝对值解码电路电性连接，所述电流传感器与调理电路电性连接

一种应用舵机的自动驾驶系统，包括与北斗卫星相连接的北斗卫星基准站接收机和安装在车辆上的总控制器，所述北斗卫星基准站接收机与总控制器通过无线连接，所述总控制器包括转向控制器、刹车控制器、油门控制器、路径对比模块和障碍物检测控制器，所述转向控制器与方向盘舵机电性连接，所述方向盘舵机安装在车辆的方向盘的转轴上，所述转轴上还安装有编码器，所述油门控制器与车辆的电子油门电性连接，所述刹车控制器与车辆的电子刹车电性连接，所述电子油门与所述电子刹车均与速度传感器电性连接，所述路径对比模块与角度计算单元电性连接，所述角度计算单元还与编码器电性连接，所述编码器与转向控制器电性连接，所述障碍物检测控制器包括第一雷达和第二雷达。

进一步的，所述北斗卫星基准站接收机内设有固定信号发射器，所述总控制器内设有移动信号接收器，所述北斗卫星基准站接收机通过固定信号发射器与总控制器内的移动信号接收器进行数据传输。

进一步的，所述编码器与移动信号发射器电性连接，所述移动信号发射器与总控制器和角度计算单元电性连接。

进一步的，所述速度传感器与总控制器电性连接。

进一步的，所述角度计算单元与转向控制器电性连接。

进一步的，所述第一雷达安装在车辆的车轮前端，所述第二雷达安装在车辆的车头前端。

一种应用舵机的自动驾驶方法，

步骤1：通过北斗卫星移动站接收机对接收到的北斗导航信号进行捕获跟踪和定位解算，并获得车辆运动的指定路线，之后与从北斗卫星基准站接收机上通过无线传输过来的数据做差分解算，得到车辆自身的精确位置和姿态信息；

步骤2：将车辆将要行驶的指定路线输入到总控制器中。总控制器获取到来自通过移动信号发射器获得车辆的位置、速度、姿态信息、实际线路，通过这些信息来计算车辆的实时位置，同时通过总控制器中的路径对比模块将该位置与指定线路进行对比；

步骤3：路径对比模块通过对实际线路与指定线路的之间的角度α，该角度即为车辆逼近指定线路时方向盘舵机需要控制车辆转向的最佳角度；

步骤4：转向控制器通过读取编码器的数据会实时获取当前方向盘舵机中转轴的角度值θ，已知实际线路与指定线路的之间的角度α，则方向盘舵机中的转轴还需要转动的角度为α-θ，记为δθ；

步骤5：转向控制器将导向轮还需要转动的角度δθ传给方向盘舵机，方向盘舵机并带动转轴转动δθ，使农机向着指定方向运动；

重复步骤3-5，车辆会逐渐逼近理想路径，之后会按照规划好的理想路径进行行驶，从而实现对车辆的自动驾驶控制。

进一步的，车辆正常工作即车辆保持直线行驶时，总控制器中的车速控制器会通过控制电子油门将车辆的车速控制在小于30km/h，总控制器通过速度传感器对速度进行监控。

进一步的，当总控制器检测到指定路线中需要车辆转弯或调头时，总控制器中的车速控制器会通过控制电子油门将车辆的车速小于10km/h，总控制器通过速度传感器对速度进行监控。

进一步的，当车辆上的第一雷达检测到障碍物信号，第二雷达检测不到障碍物信号时，车辆正常行驶；当第一雷达和第二雷达均检测不到障碍物信号时，车辆正常行驶；当第一雷达和第二雷达均检测到障碍物信号时，障碍物检测控制器将信号反馈给总控制器，总控制器中的刹车控制器通过控制电子刹车使车辆进行制动，并且总控制器通过速度传感器对速度进行监控。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型主要对标精准农业机械，无人驾驶方向盘驱动。方向盘舵机使得农业机械作业实施精确定位、可提高农业生产力，高效利用农业资源，保护生态环境，是实现优质、高产、低耗、环保的可持续发展农业的有效途径，可以实现在大面积耕地上的快速、高效、高精度、自动化作业，可用于平整地、播种、收割、农药喷洒等多个生产环节，极大地提高了生产效率和土地利用率。

附图说明

图1为本实用新型中的舵机的立体结构示意图；

图2为本实用新型图1的主视结构示意图；

图3为本实用新型图1的内部剖视结构示意图；

图4为本实用新型图3中转子的立体结构示意图；

图5为本实用新型图4的主视结构示意图；

图6为本实用新型图5的右视图的剖视结构示意图；

图7为本实用新型图3中的定子的结构示意图；

图8为本实用新型中的自动驾驶系统示意图；

图9为本实用新型α角形成示意图；

图10为本实用新型自动控制系统中的障碍物检测控制器的安装示意图；

图11为本实用新型中方向盘舵机的驱动系统框架图；

图12为本实用新型中驱动系统中的多圈绝对值解码电路的示意图；

图13为本实用新型中驱动系统中的调理电路的示意图；

图14为本实用新型中驱动系统中的保护电路的示意图

图15为本实用新型中驱动系统中的da转换电路的示意图；

图16为本实用新型中驱动系统中的主功率电路的示意图。

图中：1外壳，2端盖，3转子，301本体，302第一连接套，303第二连接套，304第一轴承，305第二轴承，306转子绕组，307转轴安装孔，4定子，401安装套，402定子绕组，403动力线，5北斗卫星基准站接收机，5总控制器，7转向控制器，8刹车控制器，9油门控制器，10路径对比模块，11障碍物检测控制器，12方向盘舵机，13编码器，14移动信号发射器，15固定信号发射器，16移动信号接收器，17电子油门，18电子刹车，19速度传感器，20角度计算单元，21第一雷达，22第二雷达。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-7，一种方向盘舵机12，包括外壳1、端盖2、转子3和定子4，所述外壳1内部固定安装有定子4，所述定位中心安装有转子3，所述外壳1的一端封死且仅在中心设有圆形安装孔，所述外壳1的另一端固定有端盖2，所述外壳1的中心也设有圆形安装孔，所述定子4包括安装套401和定子绕组402，所述安装套401的外圆周上设有定子绕组402，所述定子4通过安装套401安装在外壳1内，所述转子3包括本体301，所述本体301的一端固定有第一连接套302，所述本体301的另一端固定有第二连接套303，所述本体301、所述第一连接套302和所述第二连接套303的中心设有转轴安装孔307，所述本体301的外圆周上设有转子绕组306，所述转子3通过第一连接套302和第二连接套303安装在外壳1内。

实施例2：

请参阅图1-7，一种方向盘舵机12，包括外壳1、端盖2、转子3和定子4，所述外壳1内部固定安装有定子4，所述定位中心安装有转子3，所述外壳1的一端封死且仅在中心设有圆形安装孔，所述外壳1的另一端固定有端盖2，所述外壳1的中心也设有圆形安装孔，所述定子4包括安装套401和定子绕组402，所述安装套401的外圆周上设有定子绕组402，所述定子4通过安装套401安装在外壳1内，所述转子3包括本体301，所述本体301的一端固定有第一连接套302，所述本体301的另一端固定有第二连接套303，所述本体301、所述第一连接套302和所述第二连接套303的中心设有转轴安装孔307，所述本体301的外圆周上设有转子绕组306，所述转子3通过第一连接套302和第二连接套303安装在外壳1内。

所述第一连接套302上安装有第一轴承304，所述第二连接套303上安装有第二轴承305，所述第一轴承304和所述第二轴承305的外圈均安装在外壳1内。所述转轴安装孔307为圆柱孔。所述第二连接套303伸出所述外壳1封死一端的圆形安装孔。所述第一连接套302设置在端盖2内。所述定子4上设有动力线403，所述定子4通过动力线403与总控制器电性连接。所述方向盘舵机的控制端口有rs232、can、模拟电压0-5v三种，所述方向盘舵机的外壳上设置有外部启停控制按钮。

实施例3：

在实施例2的基础上，参照图8，一种应用舵机的自动驾驶系统，包括与北斗卫星相连接的北斗卫星基准站接收机5和安装在车辆上的总控制器6，所述北斗卫星基准站接收机5与总控制器6通过无线连接，所述总控制器6包括转向控制器7、刹车控制器8、油门控制器9、路径对比模块10和障碍物检测控制器11，所述转向控制器7与方向盘舵机12电性连接，所述方向盘舵机12安装在车辆的方向盘的转轴上，所述转轴上还安装有编码器13，所述油门控制器9与车辆的电子油门17电性连接，所述刹车控制器8与车辆的电子刹车18电性连接，所述电子油门17与所述电子刹车18均与速度传感器19电性连接，所述路径对比模块10与角度计算单元20电性连接，所述角度计算单元20还与编码器13电性连接，所述编码器13与转向控制器7电性连接，所述障碍物检测控制器11包括第一雷达21和第二雷达22。

实施例4：

在实施例2的基础上，参照图8，一种应用舵机的自动驾驶系统，包括与北斗卫星相连接的北斗卫星基准站接收机5和安装在车辆上的总控制器6，所述北斗卫星基准站接收机5与总控制器6通过无线连接，所述总控制器6包括转向控制器7、刹车控制器8、油门控制器9、路径对比模块10和障碍物检测控制器11，所述转向控制器7与方向盘舵机12电性连接，所述方向盘舵机12安装在车辆的方向盘的转轴上，所述转轴上还安装有编码器13，所述油门控制器9与车辆的电子油门17电性连接，所述刹车控制器8与车辆的电子刹车18电性连接，所述电子油门17与所述电子刹车18均与速度传感器19电性连接，所述路径对比模块10与角度计算单元20电性连接，所述角度计算单元20还与编码器13电性连接，所述编码器13与转向控制器7电性连接，所述障碍物检测控制器11包括第一雷达21和第二雷达22。

所述北斗卫星基准站接收机5内设有固定信号发射器15，所述总控制器6内设有移动信号接收器16，所述北斗卫星基准站接收机5通过固定信号发射器15与总控制器6内的移动信号接收器16进行数据传输。所述编码器13与移动信号发射器14电性连接，所述移动信号发射器14与总控制器6和角度计算单元20电性连接。所述速度传感器19与总控制器6电性连接。所述角度计算单元20与转向控制器7电性连接。所述第一雷达21安装在车辆的车轮前端，所述第二雷达22安装在车辆的车头前端。所述编码器包括增量式编码器和绝对值传感器，转向控制器控制方向盘舵机的工作模式有速度模式和位置模式两种，同时所述转向控制器通过can总线组网控制，并且通过rs232实现对方向盘舵机转速控制及数据读取。

工作模式配置表：

实施例5：

在实施例4的基础上，参照图8-10，一种应用舵机的自动驾驶方法，

步骤1：通过北斗卫星移动站接收机对接收到的北斗导航信号进行捕获跟踪和定位解算，并获得车辆运动的指定路线，之后与从北斗卫星基准站接收机5上通过无线传输过来的数据做差分解算，得到车辆自身的精确位置和姿态信息；

步骤2：将车辆将要行驶的指定路线输入到总控制器6中。总控制器6获取到来自通过移动信号发射器14获得车辆的位置、速度、姿态信息、实际线路，通过这些信息来计算车辆的实时位置，同时通过总控制器6中的路径对比模块10将该位置与指定线路进行对比；

步骤3：路径对比模块10通过对实际线路与指定线路的之间的角度α，该角度即为车辆逼近指定线路时方向盘舵机12需要控制车辆转向的最佳角度；

步骤4：转向控制器7通过读取编码器13的数据会实时获取当前方向盘舵机12中转轴的角度值θ，已知实际线路与指定线路的之间的角度α，则方向盘舵机12中的转轴还需要转动的角度为α-θ，记为δθ；

步骤5：转向控制器7将导向轮还需要转动的角度δθ传给方向盘舵机12，方向盘舵机12并带动转轴转动δθ，使农机向着指定方向运动；

重复步骤3-5，车辆会逐渐逼近理想路径，之后会按照规划好的理想路径进行行驶，从而实现对车辆的自动驾驶控制。

实施例6：

在实施例4的基础上，参照图8-10，一种应用舵机的自动驾驶方法，

步骤1：通过北斗卫星移动站接收机对接收到的北斗导航信号进行捕获跟踪和定位解算，并获得车辆运动的指定路线，之后与从北斗卫星基准站接收机5上通过无线传输过来的数据做差分解算，得到车辆自身的精确位置和姿态信息；

步骤2：将车辆将要行驶的指定路线输入到总控制器6中。总控制器6获取到来自通过移动信号发射器14获得车辆的位置、速度、姿态信息、实际线路，通过这些信息来计算车辆的实时位置，同时通过总控制器6中的路径对比模块10将该位置与指定线路进行对比；

步骤3：路径对比模块10通过对实际线路与指定线路的之间的角度α，该角度即为车辆逼近指定线路时方向盘舵机12需要控制车辆转向的最佳角度；

步骤4：转向控制器7通过读取编码器13的数据会实时获取当前方向盘舵机12中转轴的角度值θ，已知实际线路与指定线路的之间的角度α，则方向盘舵机12中的转轴还需要转动的角度为α-θ，记为δθ；

步骤5：转向控制器7将导向轮还需要转动的角度δθ传给方向盘舵机12，方向盘舵机12并带动转轴转动δθ，使农机向着指定方向运动；

重复步骤3-5，车辆会逐渐逼近理想路径，之后会按照规划好的理想路径进行行驶，从而实现对车辆的自动驾驶控制。

车辆正常工作即车辆保持直线行驶时，总控制器6中的车速控制器会通过控制电子油门17将车辆的车速控制在小于30km/h，总控制器6通过速度传感器19对速度进行监控。

当总控制器6检测到指定路线中需要车辆转弯或调头时，总控制器6中的车速控制器会通过控制电子油门17将车辆的车速小于10km/h，总控制器6通过速度传感器19对速度进行监控。

当车辆上的第一雷达21检测到障碍物信号，第二雷达22检测不到障碍物信号时，车辆正常行驶；当第一雷达21和第二雷达22均检测不到障碍物信号时，车辆正常行驶；当第一雷达21和第二雷达22均检测到障碍物信号时，障碍物检测控制器11将信号反馈给总控制器6，总控制器6中的刹车控制器8通过控制电子刹车18使车辆进行制动，并且总控制器6通过速度传感器19对速度进行监控。

所述方向盘舵机自带驱动系统，所述驱动系统控制电源和驱动电源，所述控制电源分别给cpu、pwm、保护电路、调理电路、多圈绝对值解码电路和da输出供电，所述cpu控制pwm，所述cpu还与保护电路和da输出相连接，所述驱动电源分别给驱动电路和电流传感器供电，所述驱动电路与逆变器电连接，所述逆变器与pmsm电性连接，所述逆变器与pmsm之间设置有电流传感器，所述pmsm与多圈绝对值编码器电连接，所述多圈绝对值编码器与多圈绝对值解码电路电性连接，所述电流传感器与调理电路电性连接，所述cpu采用数字控制，运算核心为dsptms320f28335，并设计有多圈绝对值解码电路，采样调理电路、保护电路、da输出显示电路等；主功率电路采用mosfet作为逆变器的开关器件。

如图12所示，所述多圈绝对值解码电路中，方向盘舵机的角位移传感器使用了多圈绝对值编码器。相对于光电编码器，多圈绝对值编码器更适用于振动较大的环境中，在机床等特殊场合的直接驱动系统中具有优势。该款多圈绝对值编码器的角度测量最大误差为10±，采用频率为10khz的正弦波差分信号作为激励输入，输出波形幅值随着角度的改变而变化，要实现机械角度和角速度信号的数字量读取须借助多圈绝对值解码芯片进行数字解码。

多圈绝对值解码芯片使用了ⅱ型闭环系统，具有最高16位的角度解码精度和带符号的15位转速解码精度，本系统采用该款芯片来设计多圈绝对值解码电路。该电路主要包含时钟电路、激励信号调理电路以及正余弦信号滤波电路等。本系统采用了一块8.192mhz的无源晶振作为时钟信号，激励信号调理电路需根据解码芯片的发送与接收的电压范围进行设计。可发送3.6vp-p10％±的激励信号，接收3.15vp-p20％±的旋变回馈信号。res0、res1引脚的电平决定了该芯片的解码分辨率，解码分辨率越高所能分辨的角速度范围越低。本系统采用了最高的16位分辨率，故res0和res1引脚均接高电平，该分辨率下解码芯片最高可跟踪7500r/min，大于实验电机的最大转速芯片默认的激励频率为10khz，这与使用的多圈绝对值编码器的激磁频率要求相同。采用轨对轨运算放大器ts922a构建激励信号调理电路调节幅值并做滤波处理，既增强了激励信号驱动能力，又降低了激励信号的噪声。

芯片支持串、并口两种数据通信方式，soe引脚决为串口通信使能引脚，低电平有效，若选择并行方式传输数据，须将soe引脚接入高电平。a0和a1引脚的电平决定该芯片的运行模式，当a0、a1均为低电平时，解码后的角度数字信号将被输出；当a0为低电平、a1为高电平时，输出角速度数字信号。本系统采用串行传输方式，并通过dsp的gpio口控制a1引脚的电平变化切换解码芯片角度和角速度信号的输出模式。

在设计多圈绝对值解码芯片的调理电路时，还需注意正余弦锁相范围，即exc输出与正余弦输入的相位差不能超过±44°。由于对芯片的exc输出和sin、cos输入引脚均进行了滤波处理，所以在设计滤波电路时需将在10khz下的相位偏移考虑在内，以保证整个多圈绝对值解码芯片的调理电路的相位偏移在±44°以内。

tms320f28335提供了双8路12位分辨率的ad转换通道，要求输入电压范围在0～3v之间。调理电路的作用即将电流、电压等传感器的输出信号进行幅值调整和滤波处理以满足dsp的ad转换通道的输入电平要求。本实用新型以a相电流调理电路为例来阐明本系统调理电路的设计思想。图13为a相电流调理电路，该电路由两个运放电路级联而成。前级运放a的作用为调整电流传感器输出信号xia的偏置和幅值，使得输出电平在0～3v之间；后级运放b构建了一个有源二阶滤波电路，降低采样噪声的影响，提高电流采样的可靠性。系统使用的电流传感器输出双极性电流信号xia，须经接地电阻将其转换为双极性电压信号，电压范围为-3v～+3v。因此还需要对双极性电压信号进行处理，使其电平变化范围缩小至0～3v以内。本电路通过增加一个基准电压的方式来调整双极性电压信号的偏置和幅值，调整公式为：其中，xia为电流传感器的输出信号；

vref为稳压芯片tl431构建的3v偏置电压；xia’为运算放大器a的输出。调整后的电压信号xia’的电平范围为0v～3v，恰好满足ad转换通道的输入电压要求。

如图14所示，保护电路包含母线过流保护、母线过压保护、多圈绝对值解码故障保护、软件报错保护等功能，当保护电路接收到上述任意一种保护信号时，系统将立即封锁驱动信号输出。

保护电路的err0信号即为直流母线过流保护信号，本实用新型仅以过流保护为例说明保护电路的工作过程。xidc为经过调理后的直流母线电流所对应的电压量，电压比较器lm393的负输入端为设定的母线过流电压阀值。若xidc超过该电压阀值时，过流保护信号灯将亮起，err0电平将由高变低，d触发器cd4013b受到上升沿触发，输出引脚的电平翻转，系统报错信号灯亮起，同时fault信号变为高电平，从而触发cpld封锁驱动输出信号因为保护电路的触发源信号都是模拟信号，而逻辑电路中使用的与非门与d触发器均为数字芯片，所以需要使用光耦将触发源信号与逻辑电平进行隔离，同时光耦也实现了电平转换的作用。

如图15所示，da转换电路的作用是将数字控制系统中的变量以模拟电压量输出，以便于示波器的显示与分析。具体过程为：先通过并行或串行的方式将程序中的数字变量发送到da转换电路中，然后da转换电路将其转换为模拟电压信号，再通过示波器查看该模拟电压波形。本系统采用了一块美信公司的8通道13位并行da芯片max547来搭建数模转换电路。该款da芯片为双电源供电，借助tl431构建-5v稳压源作为max547的负电压源；da芯片的基准电压由adr4525提供，并使用max494构成跟随电路来提高基准电压芯片的驱动能力；a0-a2引脚与dsp地址引脚xa0-xa2相连接以选择数据输出的通道。

主功率电路采用三相桥式结构来设计电压源型逆变器，开关器件选用了六只型号为ixfh52n300功率场效应管。mosfet具有导通电阻小、驱动电流小、导通速度快等的优点，在开关频率较高的场合可以降低功放电路的热能损耗。主功率电路原理图如图16所示。

mosfet的驱动信号由ir2110芯片产生，功率管输出的三路信号分别接到永磁同步电机的u、v、w三相绕组接线端子上。由于ir2110芯片内部输出阻抗较低，直接用其来驱动功率器件会引起mosfet漏源间的电压振荡，因此ir2110输出端串联了电阻提高驱动的稳定性；同时在串联电阻上反并联了一个二极管以此加快关断速度。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。