一種具有可調限位及回正的力觸覺引導輔助轉向裝置的制作方法
本發明涉及一種具有可調限位及回正的力觸覺引導輔助轉向裝置,屬于車輛智能駕駛技術領域。
背景技術：
目前傳統機械汽車的性能已經相當成熟，為了進一步提高車輛在各種工況下的舒適性和安全性，就需要采用一系列的電子輔助駕駛系統。線控轉向系統以電線連接代替機械轉向系統中轉向盤與轉向輪之間的機械連接，通過適當的轉向控制，不僅可以改善駕駛性能、提升車輛的操縱性，而且可以提高汽車的主動安全性和駕駛舒適性，因而被認為能更好的應用于下一代汽車轉向系統。
傳統的車輛，駕駛員能夠通過轉向盤與車輪的機械連接獲得外部信息，如通過轉向反作用扭矩獲取路面信息、感知車輛運行的路面環境。而線控轉向系統沒有相應的機械連接，因此其轉向角傳動比和路感可以自由設計。隨著轉向技術的發展，通過車輛轉向系統提供反饋已經成為可能。
傳統上，視覺和聽覺反饋是常用的輔助駕駛技術，研究表明，視覺和聽覺反饋已被證實是非常有效的駕駛輔助技術。目前各大汽車廠商基于視覺及聽覺反饋開發了各種駕駛員輔助系統，如避碰系統、車道偏離預警系統、視野增強/夜視系統、駕駛員狀態監視系統等，用以簡化駕駛操作，減輕駕駛員疲勞。然而無論是聽覺反饋還是視覺反饋，駕駛員均需一定的反應時間和判斷處理時間，并且隨著駕駛時間的增加，駕駛員的感覺過載可能會發生，這一定程度上延誤了突發狀況下的最佳操作時機；此外視覺反饋易造成駕駛員視覺疲勞，聽覺反饋易受到道路噪聲的干擾等問題。
由于線控轉向系統結構與遙操作系統之間有許多相似之處，轉向盤模塊轉向盤模塊為主操作模塊，轉向執行模塊為操控模塊。因此將遙操作領域的力反饋、觸覺引導控制技術引入車輛的操縱裝置，開發車輛新型的駕駛輔助系統，實現車輛駕駛時方向盤對駕駛員行為的觸覺引導，提高車輛操控的智能與安全。
相比傳統的視覺與聽覺輔助駕駛技術，方向盤處的觸覺反饋能夠更有效地為駕駛員提供駕駛輔助。方向盤處的觸覺反饋有能力通過振動、扭矩及其他的形式提供駕駛員傳統車輛的駕駛感覺。通過力反饋增加駕駛員對車輛周圍環境信息和駕駛條件的了解，從而減少駕駛員的分心，有助于培養駕駛員更好的駕駛決策意識。有學者研究了車輛轉向系統視覺、聽覺和觸覺反饋的誤差反饋和車輛的駕駛性能，研究表明基于觸覺反饋的用戶在實際的車輛轉向過程中相對其他兩種反饋的駕駛表現更好。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種具有可調限位及回正的力觸覺引導輔助轉向裝置，其不僅可以通過力矩電機來提供駕駛員以觸覺引導，而且添加了可調機械限位及回正裝置；可調機械限位及回正裝置，通過彈簧、絲杠機構可以逼真地模擬實際轉向的感覺；絲杠螺母處于中間位置時，兩端處于壓縮位置的彈簧，使絲杠螺母處于平衡狀態；當絲杠螺母偏向任何一側位置，一端彈簧壓縮程度加深，另一側彈簧相對放松，絲杠螺母受力不平衡，由于絲桿螺母只能沿中間槽滑動，從而絲杠帶動方向盤回正；可調機械限位及回正裝置，可以通過導向槽中的梯形螺母相對平衡位置的距離來調節限位范圍；與之配套的螺栓通過擰緊使梯形螺母產生與導向槽之間的預緊力固定限位機構，通過螺柱的阻擋從而限制絲杠螺母的運動范圍，此外限位擋板可以保證兩側的限位螺栓處于同一豎直位置以防絲杠螺母運動時產生側傾。
本發明的技術方案是這樣實現的：一種具有可調限位及回正的力觸覺引導輔助轉向裝置，由轉向裝置硬件部分和電機控制系統組成，其特征在于：方向盤與可調機械限位及回正裝置的絲杠一端連接，可調機械限位及回正裝置的絲杠另一端通過第一聯軸器與扭矩傳感器前端連接，扭矩傳感器后端通過第二聯軸器與力矩電機上的減速器連接，力矩電機后端布置有增量式光電編碼器，力矩電機和減速器底部均與底板固定連接。
電機控制系統包括力矩檢測模塊、電機控制驅動模塊。采用扭矩傳感器檢測絲杠受到的扭矩，通過串口與上位機采用rs232進行數據傳輸。bhos8010驅動器的供電接口與力矩電機的供電端連接，bhos8010驅動器上的rs232通信接口與上位機串口連接，bhos8010驅動器上增量式編碼器的輸入接口，將增量式光電編碼器與驅動器相連，并通過驅動器內部的參數設置，實現對位置的閉環控制。
在上述裝置的基礎上研究觸覺引導力的生成方法、駕駛員人手操縱力和回正力以及觸覺引導力融合的人-機共享控制方法，具體步驟如下：
s1、車輛行駛時引導力的構建，分別建立方向盤到力感反饋電機、轉向執行電機到轉向輪的系統模型，車輛行駛時側向動力學模型，基于車輛前方障礙物及道路中心線實時規劃車輛最佳的避障轉向路徑，在此基礎上基于車輛實際行駛路徑與最佳轉向路徑的偏差及障礙物的距離實時構建引導力。
s1.1、系統建模
s1.1.1、轉向操縱機構建模
由s1具有觸覺引導輔助的方向盤裝置的結構可知，轉向操縱機構由轉向盤、可調機械限位及回正裝置、扭矩傳感器，減速器、力矩電機組成。由于扭矩傳感器扭矩剛度相對較低，其將轉向盤模塊分為轉向盤組件和轉向柱總成兩個部分。其中轉向盤組件是指方向盤到扭矩傳感器的部分；轉向柱總成是指力矩電機、減速器及增量式光電編碼器。
建立轉向操縱系統模型為：
其中：jh為轉向操縱系統的轉動慣量，bh為轉向操縱系統的粘性摩擦，τhm為力矩電機提供扭矩，τh為駕駛員施加的扭矩，
s1.1.2、轉向執行機構建模
將視景中的車輛模型等效為線控轉向平臺的轉向執行機構，視景中的車輛方向盤等效為轉向執行電機。
當執行電機通過齒輪齒條操縱轉向輪轉向時，建立從轉向執行電機到轉向前輪的轉向系統模型。
將視景中的汽車模型，簡化成“自行車模型”。汽車兩前輪和后輪，分別被中央前輪和中央后輪所代替。中央前輪的轉動可視為轉向電機的負載，并繞其重心的垂直軸進行轉向。
因此，轉向執行電機到轉向前輪的二階系統模型為：
其中：
s1.1.3、車輛側向動力學建模
以車輛行駛在水平路面上(不考慮路面坡度的影響)為例，建立2個坐標系，一個坐標系固定在慣性空間上(xyz)；另一個坐標系固定在車身上(xyz)，定義汽車轉向運動時的旋轉中心點為o，由車輛側向動力學可知：
車輛相對路面車道中心線誤差的動力學模型：
其中：e1為車輛質心與道路中心線的側向位移偏差；e2為相對車道的車輛方向誤差；m為車輛質量；lf、lr分別為車輛質心到前軸、后軸的縱向距離；iz為車輛橫擺轉動慣量；
s1.2、基于虛擬勢場法構建線控轉向觸覺引導力
s1.2.1、基于dijkstra算法的車輛避障轉向路徑規劃
在視景中車輛行駛道路中預先隨機設置一些列障礙物點，視景中車輛行駛過程中實時檢測到的前方障礙物點，通過delaunay三角剖分算法將車輛的前方道路用空間表示，取delaunay三角剖分得到的三角形的中點，并將其兩兩連接。分別以最小x坐標點、最大x坐標點為車輛的起始點和結束點，利用dijkstra算法基于起始點和結束點搜尋車輛避障行駛的最短路徑。
將獲得的車輛行駛的曲線點在車輛坐標系下采用最小平方法進行曲線二次多項式擬合：
y＝ax2+bx+c(4)
計算二次多項式系數：
式中：a、b、c分別為擬合得到的二次項系數、一次項系數和常數項；(pkx，pky)為曲線點上的位置，
s1.2.2、基于車輛實際行駛工況信息的虛擬力構建
將s1.2.1中規劃的車輛避障轉向路徑公式(4)與s1.1.3中推出的車輛側向動力學建模公式(3)進行聯立，推導出車輛實際行駛路徑與避障轉向路徑誤差的車輛側向動力學模型：
基于車輛實際行駛與轉向路徑之間的偏差與障礙物的距離，建立二維高斯勢場函數：
其中：
式中：u(x，y)為勢場函數；m、n分別為目標對象點的個數ai，i＝1，2，…，n、障礙物點bi的個數，j＝1，2，…，m；a為幅值；σx和σy分別為高斯函數在x和y方向的標準方差；
從而可以推出構建的作用在轉向輪處的引導力tassist。
s2、將s1中引導力與車輛行駛時車輪受到的回正力通過s1.1.2中轉向輪到轉向執行電機的系統模型實時計算出作用在轉向電機上力的大小；通過合適的比例系數，將作用在轉向電機上的力映射到力矩電機上，從而控制力矩電機給駕駛員以觸覺引導。
s2.1、將觸覺引導力與人手操縱力融合的共享控制方法
將s1.2.2中構建的車輪處的引導力tassist和車輛行駛過程中車輪受到的回正力te采用適當的加權系數進行融合，共同作用到轉向輪上，通過s1.1.2中推導的轉向執行機構模型，計算出作用在轉向電機上力的大小；通過合適的比例系數，將作用在轉向電機上的力映射到力矩電機上，從而控制力矩電機輸出所需的觸覺引導力thaptic的大小。
在轉向操縱機構系統中，將力矩電機輸出的觸覺引導力thaptic與駕駛員作用到方向盤上的力tdriver通過人-機共享控制方法，合理分配駕駛員手動參與和智能輔助參與的權值，實現車輛駕駛時方向盤對駕駛員行為的觸覺引導，提高車輛操縱的智能與安全。
所述的可調機械限位及回正裝置的絲杠兩端分別通過角接觸型軸承固定在軸承支座上，兩個軸承支座的外側通過螺栓固定連接軸承端蓋，兩個軸承支座的內側通過螺栓固定連接彈簧擋板，絲杠螺母套在絲杠上中部位置，彈簧套在絲杠上絲杠螺母左右兩端，絲杠兩側有導向板，導向板兩端頂面均開有限位槽，導向板上限位槽的下方開有一條導向槽，絲杠螺母兩側有限位凸起，絲杠螺母通過限位凸起和導向槽配合與兩側導向板滑動連接，導向板兩端頂面均開有限位槽，兩根移動限位矯正擋板縱向布置在導向板兩端對絲杠上方限位，移動限位矯正擋板通過螺栓和梯形螺母配合限位槽固定。
本發明的積極效果是：其能根據視景中車輛行駛過程中實時檢測行進方向上的障礙物點，并將其前方道路進行空間劃分，使用dijkstra算法規劃車輛避障最佳轉向路徑；通過建立車輛相對于規劃的最佳避障轉向路徑的車輛行駛的側向動力學模型，基于車輛實際行駛與轉向路徑之間的偏差與障礙物的距離，建立二維高斯勢場函數，構建車輪處的引導力；將構建的引導力和車輛行駛過程中車輪受到的回正力采用合適加權系數進行融合，共同作用到轉向輪上，通過建立的轉向執行電機到轉向輪的系統模型，計算出作用在轉向電機上力的大小；通過合適的比例系數，將作用在轉向電機上的力映射到力感電機上，從而控制力矩電機實現對駕駛員的觸覺引導。
操縱裝置輸出的觸覺反饋力通過操縱裝置為駕駛員提供預見性的觸覺提示，在車輛駕駛輔助系統中至關重要。觸覺駕駛輔助不僅能為駕駛員做出更好的駕駛決策、提供可靠的轉向信息，而且避免了駕駛員依靠視覺和聽覺信息指導操縱行為所面臨的視覺疲勞、噪聲干擾等問題。駕駛員駕駛時，方向盤的驅動信號不僅包括駕駛員的人手力，還包括基于規劃車輛最佳避障行駛路徑所建立的引導力以及路面實際工況對車輪的反作用扭矩。轉向盤通過力覺共享回路中的轉角預測模型控制，產生對人手的“牽引”和“示教”效果，從而為駕駛員提供力覺信息提示，實現車輛轉向時的觸覺輔助功能。
附圖說明
圖1為具有可調限位及回正的力觸覺引導輔助轉向裝置整體結構主視圖。
圖2為具有可調限位及回正的力觸覺引導輔助轉向裝置整體結構俯視圖。
圖3為可調機械限位及回正裝置整體結構圖。
圖4為可調機械限位及回正裝置導向板結構圖。
圖5為可調機械限位及回正裝置絲杠螺母結構圖。
圖6為本發明的系統電路布局圖。
圖7為本發明的控制系統框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的描述：如圖1-7所示，一種具有可調限位及回正的力觸覺引導輔助轉向裝置，其不僅可以通過力矩電機來提供駕駛員以觸覺引導，而且添加了可調機械限位及回正裝置；可調機械限位及回正裝置，通過彈簧、絲杠機構可以逼真地模擬實際轉向的感覺；絲杠螺母處于中間位置時，兩端處于壓縮位置的彈簧，使絲杠螺母處于平衡狀態；當絲杠螺母偏向任何一側位置，一端彈簧壓縮程度加深，另一側彈簧相對放松，絲杠螺母受力不平衡，由于絲桿螺母只能沿中間槽滑動，從而絲杠帶動方向盤回正；可調機械限位及回正裝置，可以通過導向槽中的梯形螺母相對平衡位置的距離來調節限位范圍；與之配套的螺栓通過擰緊使梯形螺母產生與導向槽之間的預緊力固定限位機構，通過螺柱的阻擋從而限制絲杠螺母的運動范圍，此外限位擋板可以保證兩側的限位螺栓處于同一豎直位置以防絲杠螺母運動時產生側傾。
本發明由轉向裝置硬件部分和電機控制系統組成，轉向裝置硬件部分為：方向盤1與可調機械限位及回正裝置2的絲杠一端連接，可調機械限位及回正裝置2的絲杠另一端通過第一聯軸器3與扭矩傳感器4前端連接，扭矩傳感器4后端通過第二聯軸器5與力矩電機7上的減速器6連接，力矩電機7后端布置有增量式光電編碼器8，力矩電機7和減速器6底部均與底板固定連接。
電機控制系統包括力矩檢測模塊、電機控制驅動模塊。采用扭矩傳感器檢測絲杠受到的扭矩，通過串口與上位機采用rs232進行數據傳輸。bhos8010驅動器的供電接口與力矩電機的供電端連接，bhos8010驅動器上的rs232通信接口與上位機串口連接，bhos8010驅動器上增量式編碼器的輸入接口，將增量式光電編碼器與驅動器相連，并通過驅動器內部的參數設置，實現對位置的閉環控制。
本發明的可調機械限位及回正裝置2的絲杠2-1兩端分別通過角接觸型軸承2-4固定在軸承支座2-3上，兩個軸承支座2-3的外側通過螺栓固定連接軸承端蓋2-2，兩個軸承支座2-3的內側通過螺栓固定連接彈簧擋板2-5，絲杠螺母2-10套在絲杠2-1上中部位置，彈簧2-6套在絲杠2-1上絲杠螺母2-10左右兩端，絲杠2-1兩側有導向板2-11，導向板2-11兩端頂面均開有限位槽2-12，導向板2-11上限位槽2-12的下方開有一條導向槽2-13，絲杠螺母2-10兩側有限位凸起2-14，絲杠螺母2-10通過限位凸起2-14和導向槽2-13配合與兩側導向板2-11滑動連接，導向板2-11兩端頂面均開有限位槽2-12，兩根移動限位矯正擋板2-8縱向布置在導向板2-11兩端對絲杠2-1上方限位，移動限位矯正擋板2-8通過螺栓2-9和梯形螺母2-7配合限位槽2-12固定。
可調機械限位及回正裝置回正功能的實現：通過彈簧、絲杠機構可以逼真地模擬實際轉向的感覺；絲杠螺母處于中間位置時，兩端處于壓縮位置的彈簧，使絲杠螺母處于平衡狀態；當絲杠螺母偏向任何一側位置，一端彈簧壓縮程度加深，另一側彈簧相對放松，絲杠螺母受力不平衡，由于絲桿螺母只能沿中間槽滑動，從而絲杠帶動方向盤回正。
可調機械限位及回正裝置限位功能的實現：可以通過導向槽中的梯形螺母相對平衡位置的距離來調節限位范圍；與之配套的螺栓通過擰緊使梯形螺母產生與導向槽之間的預緊力固定限位機構，通過螺柱的阻擋從而限制絲杠螺母的運動范圍，此外限位擋板可以保證兩側的限位螺栓處于同一豎直位置以防絲杠螺母運動時產生側傾。
在上述裝置的基礎上研究觸覺引導力的生成方法、駕駛員人手操縱力和回正力以及觸覺引導力融合的人-機共享控制方法，具體步驟如下：
s1、車輛行駛時引導力的構建，分別建立方向盤到力感反饋電機、轉向執行電機到轉向輪的系統模型，車輛行駛時側向動力學模型，基于車輛前方障礙物及道路中心線實時規劃車輛最佳的避障轉向路徑，在此基礎上基于車輛實際行駛路徑與最佳轉向路徑的偏差及障礙物的距離實時構建引導力。
s1.1、系統建模
s1.1.1、轉向操縱機構建模
由s1具有觸覺引導輔助的方向盤裝置的結構可知，轉向操縱機構由轉向盤1、可調機械限位及回正裝置2、扭矩傳感器4，減速器6、力矩電機7組成。由于扭矩傳感器扭矩剛度相對較低，其將轉向盤模塊分為轉向盤組件和轉向柱總成兩個部分。其中轉向盤組件是指方向盤1到扭矩傳感器4的部分；轉向柱總成是指力矩電機7、減速器6及增量式光電編碼器8。
建立轉向操縱系統模型為：
其中：jh為轉向操縱系統的轉動慣量，bh為轉向操縱系統的粘性摩擦，τhm為力矩電機提供扭矩，τh為駕駛員施加的扭矩，
s1.1.2、轉向執行機構建模
將視景中的車輛模型等效為線控轉向平臺的轉向執行機構，視景中的車輛方向盤等效為轉向執行電機。
當執行電機通過齒輪齒條操縱轉向輪轉向時，建立從轉向執行電機到轉向前輪的轉向系統模型。
將視景中的汽車模型，簡化成“自行車模型”。汽車兩前輪和后輪，分別被中央前輪和中央后輪所代替。中央前輪的轉動可視為轉向電機的負載，并繞其重心的垂直軸進行轉向。
因此，轉向執行電機到轉向前輪的二階系統模型為：
其中：
s1.1.3、車輛側向動力學建模
以車輛行駛在水平路面上(不考慮路面坡度的影響)為例，建立2個坐標系，一個坐標系固定在慣性空間上(xyz)；另一個坐標系固定在車身上(xyz)，定義汽車轉向運動時的旋轉中心點為o，由車輛側向動力學可知：
車輛相對路面車道中心線誤差的動力學模型：
其中：e1為車輛質心與道路中心線的側向位移偏差；e2為相對車道的車輛方向誤差；m為車輛質量；lf、lr分別為車輛質心到前軸、后軸的縱向距離；iz為車輛橫擺轉動慣量；
s1.2、基于虛擬勢場法構建線控轉向觸覺引導力
s1.2.1、基于dijkstra算法的車輛避障轉向路徑規劃
在視景中車輛行駛道路中預先隨機設置一些列障礙物點，視景中車輛行駛過程中實時檢測到的前方障礙物點，通過delaunay三角剖分算法將車輛的前方道路用空間表示，取delaunay三角剖分得到的三角形的中點，并將其兩兩連接。分別以最小x坐標點、最大x坐標點為車輛的起始點和結束點，利用dijkstra算法基于起始點和結束點搜尋車輛避障行駛的最短路徑。
將獲得的車輛行駛的曲線點在車輛坐標系下采用最小平方法進行曲線二次多項式擬合：
y＝ax2+bx+c(4)
計算二次多項式系數：
式中：、b、c分別為擬合得到的二次項系數、一次項系數和常數項；(pkx，pky)為曲線點上的位置，
s1.2.2、基于車輛實際行駛工況信息的虛擬力構建
將s1.2.1中規劃的車輛避障轉向路徑公式(4)與s1.1.3中推出的車輛側向動力學建模公式(3)進行聯立，推導出車輛實際行駛路徑與避障轉向路徑誤差的車輛側向動力學模型：
基于車輛實際行駛與轉向路徑之間的偏差與障礙物的距離，建立二維高斯勢場函數：
其中：
式中：：u(x，y)為勢場函數；m、n分別為目標對象點的個數ai，i＝1，2，…，n、障礙物點bi的個數，j＝1，2，…，m；a為幅值；σx和σy分別為高斯函數在x和y方向的標準方差；
從而可以推出構建的作用在轉向輪處的引導力tassist。
s2、將s1中引導力與車輛行駛時車輪受到的回正力通過s1.1.2中轉向輪到轉向執行電機的系統模型實時計算出作用在轉向電機上力的大小；通過合適的比例系數，將作用在轉向電機上的力映射到力矩電機上，從而控制力矩電機給駕駛員以觸覺引導。
s2.1、將觸覺引導力與人手操縱力融合的共享控制方法
將s1.2.2中構建的車輪處的引導力tassist和車輛行駛過程中車輪受到的回正力te采用適當的加權系數進行融合，共同作用到轉向輪上，通過s1.1.2中推導的轉向執行機構模型，計算出作用在轉向電機上力的大小；通過合適的比例系數，將作用在轉向電機上的力映射到力矩電機上，從而控制力矩電機輸出所需的觸覺引導力thaptic的大小。
在轉向操縱機構系統中，將力矩電機輸出的觸覺引導力thaptic與駕駛員作用到方向盤上的力tdriver通過人-機共享控制方法，合理分配駕駛員手動參與和智能輔助參與的權值，實現車輛駕駛時方向盤對駕駛員行為的觸覺引導，提高車輛操縱的智能與安全。
操縱裝置輸出的觸覺反饋力通過操縱裝置為駕駛員提供預見性的觸覺提示，在車輛駕駛輔助系統中至關重要。觸覺駕駛輔助不僅能為駕駛員做出更好的駕駛決策、提供可靠的轉向信息，而且避免了駕駛員依靠視覺和聽覺信息指導操縱行為所面臨的視覺疲勞、噪聲干擾等問題。駕駛員駕駛時，方向盤的驅動信號不僅包括駕駛員的人手力，還包括基于規劃車輛最佳避障行駛路徑所建立的引導力以及路面實際工況對車輪的反作用扭矩。轉向盤通過力覺共享回路中的轉角預測模型控制，產生對人手的“牽引”和“示教”效果，從而為駕駛員提供力覺信息提示，實現車輛轉向時的觸覺輔助功能。
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