线控转向系统末端限位装置、容错方法以及智能驾驶车辆

1.本发明涉及车辆电子控制系统技术领域，更具体地说，特别涉及一种线控转向系统末端限位装置、线控转向系统末端限位容错方法以及智能驾驶车辆。


背景技术：

2.近年来，随着传感器、计算机、人工智能等技术的快速发展，智能驾驶车辆相关技术已经成为开发热点。在车辆智能化发展的进程中，底盘线控化可以实现车辆的高效控制，对车辆技术的发展具有巨大的推动作用。线控转向系统取消了方向盘总成与转向机之间的机械连接，完全用电信号对车辆转向进行控制，降低了转向系统的复杂性，提高了系统的执行能力，同时为车辆的转向特性设计提供了更多的便利，是线控底盘转向系统更合理的选择。
3.线控转向系统作为线控底盘实现转向功能的直接部件，对车辆的安全运行起着至关重要的作用，其自身的可靠性必须得到一定的重视。线控转向系统主要由路感模拟系统(方向盘总成)、转向执行系统(转向机)和电子控制单元组成。方向盘总成和转向机通常安装有转角转矩传感器。由于线控转向系统取消了方向盘总成与转向机之间的机械连接，没有了转向机行程的限位，方向盘可以进行无限制地转动。转角传感器的量程通常是有一定范围的，在系统下电状态下，方向盘无限制转动造成转角传感器超量程，上电后传感器无法复位，对转向系统的正常工作产生影响，也对车辆的安全运行造成一定威胁。因此，需要对方向盘转动范围进行限制，即末端限位。
4.通常采用的末端限位方式有软件限位和机械限位。软件限位是利用方向盘转角传感器信号，在方向盘转动行程的末端，通过路感电机给方向盘总成施加一个力矩来阻止方向盘继续转动。机械限位是通过在方向盘总成安装具有一定行程的机械部件来实现末端限位功能。
5.上述软件限位和机械限位可以在一定程度上实现末端限位功能。但是，对于软件限位来说，力矩较大会造成“打手”现象，路感电机供电不足、方向盘转角传感器信号失效仍会带来方向盘无限制转动的安全隐患。对于机械限位来说，机械部件采用轴向螺杆移动行程限制或者横向齿条行程限制，安装难度大且占用空间大，或者是依托线控转向系统台架进行安装，不适合在实际的车辆上应用。
6.因此，需要一定的技术方案来解决线控转向系统无限制的转动而造成转角传感器超量程的问题，并且考虑到上述现有软件限位的可靠性问题和机械限位的应用性问题。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种线控转向系统末端限位装置、容错方法以及智能驾驶车辆，旨在至少在一定程度上解决相关技术中的问题。技术方案如下：
8.第一方面，本发明提供了一种线控转向系统末端限位装置。
9.本发明提供了一种线控转向系统末端限位装置，该末端限位装置主要包括：太阳
齿轮、行星齿轮、内齿圈、基座、端盖、阻隔板、缓冲垫以及相关安装螺栓。
10.太阳齿轮的中心孔内具有太阳齿轮花键，与方向盘总成转动轴上方向盘总成花键进行配合连接。
11.行星齿轮的中心轴进行突出设计，配合阻隔板可以形成行星齿轮轴末端限位功能，为末端限位装置第二机械限位功能。
12.内齿圈上有三个用于安装定位的通孔。内齿圈上还有用于加注润滑油的通孔。内齿圈具有盲齿，配合行星齿轮的中心轴形成盲齿末端限位功能，为末端限位装置第一机械限位功能。
13.太阳齿轮、行星齿轮和内齿圈构成行星齿轮组。行星齿轮组中的动力输入为太阳齿轮，从动部件为行星齿轮，内齿圈固定不运动。设太阳齿轮的齿数为z1，行星齿轮的齿数为z2，内齿圈齿数为z3，内齿圈盲齿所占齿数为z4，方向盘总成转动角度为θ1，太阳齿轮转动θ2，行星齿轮的中心轴线转过角度为θ3，则有以下计算关系：
14.行星齿轮组的等效传动比为i＝-z3/z1，负号代表相对旋转方向相反。
15.方向盘总成及末端限位装置转动的角度关系为θ1＝θ2＝θ3/(1-i)；
16.行星齿轮的中心轴线转过角度θ3的限制范围为θ3≤(1-z4/z3)*360
°
；
17.方向盘总成转动角度为θ1的限制范围为：
18.θ1＝θ3/(1-i)≤360
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)；
19.方向盘总成的最大旋转范围θ
sw
＝360
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)；
20.方向盘总成单侧方向最大旋转角度为θ
sw_d
＝180
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)；
21.即通过合理的传动比设计，可以使方向盘总成的转角末端在：
22.[-180
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)+180
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)]范围内。
[0023]
基座整体采用阶梯轴设计。基座上包含三个与方向盘总成相配合的，用于安装固定螺栓的通孔。基座上还包含三个用于连接端盖和内齿圈的螺纹孔。基座中心采用通孔形式。通孔直径大于方向盘总成转向轴的直径。基座上设计有能够使得行星齿轮中心轴自由移动的环形槽。环形槽的内设置有第一阻隔板，能够阻挡行星齿轮中心轴通过。第一阻隔板的两面设置有第一缓冲垫。
[0024]
端盖采用半封闭式设计。端盖中心采用圆形凹槽设计，圆形凹槽直径大于方向盘总成转向轴的直径。端盖上设计有能够使得行星齿轮中心轴自由移动的环形槽。环形槽的内部设置有第二阻隔板，能够阻挡行星齿轮中心轴通过。第二阻隔板的两面设置有第二缓冲垫。
[0025]
末端限位装置具有盲齿末端限位功能，为末端限位装置的第一机械限位功能；具有行星齿轮轴末端限位功能，为末端限位装置的第二机械限位功能。
[0026]
末端限位装置属于半封闭式结构。
[0027]
第二方面，本发明还提供了一种线控转向系统末端限位容错方法。
[0028]
本发明还提供了一种线控转向系统末端限位容错方法，具体步骤如下：
[0029]
步骤1：线控转向系统上电。
[0030]
步骤2：电子控制单元判断方向盘总成的转角传感器是否正常工作。如果正常工作，则正常操作转动方向盘，通过方向盘总成的转角传感器采集方向盘总成的转角信号，并转到步骤8；如果工作异常，出现故障，则发出故障警报，并转到步骤3。
[0031]
步骤3：电子控制单元判断转向机的转角传感器是否正常工作。如果正常工作，则转到步骤7；如果工作异常，出现故障，发出故障警报，利用机械末端限位装置进行安全停机，转到步骤4。
[0032]
步骤4：采用末端限位装置中的盲齿限位，即末端限位装置第一机械限位功能进行电气故障停机安全保护。
[0033]
步骤5：判断盲齿限位末端保护，即末端限位装置第一机械限位功能是否有效。如果有效，则转到步骤15；如果无效，则转到步骤6；
[0034]
步骤6：采用行星齿轮轴限位，即末端限位装置第二机械限位功能进行电气故障停机安全保护，并转到步骤15。
[0035]
步骤7：正常操作转动方向盘，通过计算关系式为θ
sw
＝i*θ
rw
，利用转向机的转角θ
rw
计算方向盘转角θ
sw
，其中i为比例系数，与线控转向系统的转向特性有关。
[0036]
步骤8：判断方向盘总成的转角θ
sw
是否大于等于所设置的转角限制值θ
end
。如果没有，则返回步骤2；如果方向盘总成的转角θ
sw
大于等于转角限制值θ
end
，则转到步骤9；
[0037]
步骤9：采用软件限位，利用路感电机输出末端保护力矩te＝k*θ
sw
+δ，其中k为比例系数，δ为调节系数，这两个参数可以根据驾驶人驾驶习惯进行个性化设计。
[0038]
步骤10：判断方向盘总成转角θ
sw
是否继续增大至机械限位末端。如果没有，则转到步骤2；如果方向盘总成转角θ
sw
继续增大至机械限位末端，则转到步骤11。
[0039]
步骤11：采用末端限位装置中的盲齿限位，即末端限位装置第一机械限位功能进行末端保护。
[0040]
步骤12：判断盲齿限位末端保护，即末端限位装置第一机械限位功能是否有效。如果有效，则转到步骤2；如果无效，则转到步骤13；
[0041]
步骤13：采用行星齿轮轴限位，即末端限位装置第二机械限位功能进行末端保护。
[0042]
步骤14：判断线控转向系统是否下电。如果未下电，则转到步骤2，如果下电，则转到步骤15。
[0043]
步骤15：线控转向系统下电。
[0044]
第三方面，本发明还提供了一种智能驾驶车辆。
[0045]
本发明还提供了一种智能驾驶车辆。
[0046]
该智能驾驶车辆装备的线控转向系统包含本发明中提到的末端限位装置和末端限位容错方法。
[0047]
本发明具有的技术效果：
[0048]
(1)本发明所提供的线控转向系统末端限位装置，具有盲齿末端限位第一机械限位功能和行星齿轮轴末端限位第二机械限位功能。该末端限位装置利用盲齿末端限位提供给驾驶人更为舒适的驾驶感觉，同时利用行星齿轮轴末端限位充分保证机械限位装置的可靠性。该末端限位装置采用半封闭式结构设计，保证了相关功能，同时在一定程度上可以防止外界杂物进入和内部润滑物质的流失。相对于传统齿轮齿条限位和螺杆轴线限位，该末端限位装置所占用的轴向空间和横向空间较小，且安装不需要依赖台架机构，直接可以在原有转向系统上进行安装，安装方便快捷，不需要对车辆原有方向盘总成进行改动。同时，该末端限位装置适用于各种需要进行旋转限位的机械部件，可以根据所需旋转限位的机械部件、所需限制的角度范围进行个性化设计，可拓展性强。
[0049]
(2)本发明所提供的线控转向系统末端限位容错方法，具有该发明所提供的末端限位装置和方向盘总成转角传感器信号失效情况下的容错功能。末端限位容错方法可以在方向盘总成转角传感器信号失效的情况下，利用转向机转角传感器进行功能的实现，解决了传统软件限位下，方向盘转角传感器信号失效而造成系统完全失效的问题。同时，路感电机输出的末端保护力矩可以进行个性化调节，减缓不同驾驶人驾驶时因为手力的不同而造成驾驶不适感。采用本发明所提供的末端限位装置，可以使线控转向系统在软件限位不足的情况下，进行可靠的机械限位，或者所有传感器信号失效的情况下能够进行安全停机，保证系统的安全性。
[0050]
(3)本发明所提供的智能驾驶车辆，具有包含本发明中提到的末端限位装置和末端限位容错方法的线控转向系统。该智能驾驶车辆对原有车辆底盘的转向系统结构、安装位置等改动较小，同时，具有本发明所提出的末端限位装置和末端保护容错方法，进一步提高了车辆底盘执行器的可靠性和安全性。
附图说明
[0051]
图1是本发明一实施例中末端限位装置的结构爆炸示意图；
[0052]
1—太阳齿轮；2—行星齿轮；3—内齿圈；4—基座；5—端盖；6—阻隔板；7—缓冲垫；8—安装螺栓
[0053]
图2是本发明一实施例中末端限位装置的太阳齿轮结构示意图；
[0054]
1-1—太阳齿轮花键；
[0055]
图3是本发明一实施例中末端限位装置的行星齿轮结构示意图；
[0056]
2-1—行星齿轮轴
[0057]
图4是本发明一实施例中末端限位装置的内齿圈结构示意图；
[0058]
3-1—内齿圈固定通孔；3-2—内齿圈盲齿；3-3内齿圈注油孔；
[0059]
图5是本发明一实施例中末端限位装置的基座结构示意图；
[0060]
4-1—基座螺纹孔；4-2—基座中心通孔；4-3—基座环形槽；4-4—基座安装孔；6-1—第一阻隔板；7-1—第一缓冲垫；
[0061]
图6是本发明一实施例中末端限位装置的端盖结构示意图；
[0062]
5-1—端盖环形槽；5-2—端盖凹槽；5-3—端盖安装通孔；6-2—第二阻隔板；7-2—第二缓冲垫
[0063]
图7是本发明一实施例中末端限位装置的螺栓固定安装示意图；
[0064]
8-1—安装螺栓；8-2—安装螺栓；
[0065]
图8是本发明一实施例中末端限位装置的工作原理示意图；
[0066]
图9是本发明一实施例中末端限位装置与方向盘总成安装示意图；
[0067]
9—方向盘总成；9-1—方向盘总成花键；9-2—方向盘总成转动轴；
[0068]
图10是本发明一实施例中末端限位装置与方向盘总成安装剖视图；
[0069]
图11是本发明一实施例中末端保护容错方法流程图；
[0070]
图12是本发明一实施例中智能驾驶车辆示意图；
[0071]
9-3—方向盘；9-4—方向盘总成转角传感器；9-5—路感电机；10—电子控制单元；11—转向机；11-1—转向机转角传感器；12—末端限位装置。
具体实施方式
[0072]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0073]
一种线控转向系统末端限位装置：
[0074]
参照图1-图10、图12，本发明提供了一种末端限位装置12，该末端限位装置12主要包括：太阳齿轮1、行星齿轮2、内齿圈3、基座4、端盖5、阻隔板6、缓冲垫7以及相关安装螺栓8。
[0075]
参照图1和图10，本实施例中，末端限位装置12包含太阳齿轮1。太阳齿轮1的中心孔内具有太阳齿轮花键1-1，可与方向盘总成9的转动轴9-2上的方向盘总成花键9-1进行配合连接，可以保证力矩的有效传动，同时对方向盘总成9的原有机械结构不做改动。
[0076]
参照图1、图2和图8，本实施例中，末端限位装置12包含行星齿轮2。行星齿轮2的中心轴2-1进行突出设计，配合基座4和端盖5可以形成行星齿轮轴末端限位功能，为末端限位装置第二机械限位功能。
[0077]
参照图1、图4和图8，本实施例中，末端限位装置12包含内齿圈3。内齿圈3上有三个用于安装定位的通孔3-1。内齿圈3上还有用于加注润滑油的通孔3-3。内齿圈具有盲齿3-2，可以阻止行星齿轮2通过内齿圈3整个圆周，形成盲齿末端限位功能，为末端限位装置第一机械限位功能。
[0078]
参照图7、图8和图10，本实施例中，末端限位装置12包含的部件：太阳齿轮1、行星齿轮2和内齿圈3，三者可以构成行星齿轮组。行星齿轮组中的动力输入为太阳齿轮1，从动部件为行星齿轮2，内齿圈3固定不运动。设太阳齿轮1的齿数为z1，行星齿轮2的齿数为z2，内齿圈齿数3为z3，内齿圈盲齿3-2所占齿数为z4，方向盘总成9转动角度为θ1，太阳齿轮1转动θ2，行星齿轮2的中心轴线转过角度为θ3，则有以下计算关系：
[0079]
行星齿轮组的等效传动比为i＝-z3/z1，负号代表相对旋转方向相反。
[0080]
方向盘总成9及末端限位装置转动的角度关系为θ1＝θ2＝θ3/(1-i)；
[0081]
行星齿轮2的中心轴线转过角度θ3的限制范围为θ3≤(1-z4/z3)*360
°
；
[0082]
方向盘总成9转动角度为θ1的限制范围为：
[0083]
θ1＝θ3/(1-i)≤360
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)；
[0084]
方向盘总成9的最大旋转范围θ
sw
＝360
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)；
[0085]
方向盘总成9单侧方向最大旋转角度为θ
sw_d
＝180
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)；
[0086]
即通过合理的传动比设计，可以使方向盘总成9的转角末端在：
[0087]
[-180
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)+180
°
*(1-z4/z3)/(1+z3/z1)]范围内。
[0088]
在本实施例中，太阳齿轮1的齿数为z1＝20，行星齿轮2的齿数为z2＝20，内齿圈3齿数为z3＝60，内齿圈盲齿3-2所占齿数为z4＝2，则在本实施例中，行星齿轮组的等效传动比i＝-z3/z1＝-3，负号代表相对旋转方向相反。若方向盘总成9转动θ1＝360
°
，则太阳齿轮1转动θ2＝360
°
，行星齿轮2的中心轴线转过θ3＝90
°
。由于存在内齿圈盲齿3-2的限制，行星齿轮2的中心轴线最大转动角度不超过360
°
，根据行星齿轮组的传动比，则方向盘总成9的最大旋转范围不超过1440
°
，该实施例可以限制方向盘总成9单侧方向最大旋转角度为720
°
。按一个内齿圈齿牙所占角度为6
°
进行计算，则该实施例中行星齿轮2的中心轴线转动角度为348
°
，则方向盘总成9的最大旋转范围为1392
°
，方向盘总成9单侧方向最大旋转角度为
696
°
，方向盘总成9的转角末端在[-696
°ꢀ
+696
°
]范围内。
[0089]
参照图5和图10，本实施例中，末端限位装置包含基座4。基座4整体采用阶梯轴设计，尽可能减小末端限位装置的占用空间。基座4上包含三个与方向盘总成9相配合的，用于安装固定螺栓的通孔4-1。基座4上还包含三个用于连接端盖和内齿圈的螺纹孔4-4。基座中心采用通孔形式。通孔4-2直径大于方向盘总成转向轴9-2的直径，以使得转向轴9-2能够通过基座中心通孔4-2、不发生相关干涉，能够绕自身轴线自由转动。基座4上设计有能够使得行星齿轮中心轴2-1自由移动的环形槽4-3。环形槽4-3的内设置有第一阻隔板6-1，能够阻挡行星齿轮中心轴2-1通过，起到行星齿轮末端限位功能，为末端限位装置第一机械限位功能。第一阻隔板6-1的两面设置有第一缓冲垫7-1，使得行星齿轮中心轴2-1撞击第一阻隔板6-1时能够得到一定的缓冲，防止发出噪声或损害设备，提高驾驶人驾驶体验。
[0090]
参照图6和图10，本实施例中，末端限位装置12包含端盖5。端盖5采用半封闭式设计。端盖中心采用圆形凹槽设计，圆形凹槽5-2直径大于方向盘总成转向轴9-2的直径，既可以实现末端限位装置的半封闭结构，也能够实现方向盘总成转向轴9-2突出部分的放置和自由旋转。端盖5上设计有能够使得行星齿轮中心轴2-1自由移动的环形槽5-1。环形槽5-1的内部设置有第二阻隔板6-2，能够阻挡行星齿轮中心轴2-1通过，起到行星齿轮末端限位功能，为末端限位装置第一机械限位功能。第二阻隔板6-2的两面设置有第二缓冲垫7-2，使得行星齿轮中心轴2-1撞击第二阻隔板6-2时能够得到一定的缓冲，防止发出噪声或损害设备，提高驾驶人驾驶体验。
[0091]
参照图8，采用内齿圈3的盲齿3-2进行末端限位，可以提高驾驶人的操作手感，免除传统机械限位方法采用机械撞击所带来的不适感，在大多数情况下能够满足限位要求。在极个别情况下，由于传感器未知故障或者其他电气故障造成路感电机9-5输出极大力矩，出现行星齿轮2通过惯性或损坏齿牙的方式强行内齿圈3的盲齿3-2，造成机械限位失效，因此采用行星齿轮轴2-1进行二次限位，充分保证限位功能的可靠性。
[0092]
参照图8，本发明提供的末端限位装置12，具有盲齿末端限位功能，为末端限位装置12的第一机械限位功能；具有行星齿轮轴末端限位功能，为末端限位装置12第二机械限位功能。
[0093]
参照图9，本发明提供的末端限位装置12，属于半封闭式结构，可以阻挡灰尘、杂物进入机构，同时保证内部润滑物质的外流。
[0094]
参照图1，可选的，该末端限位机构12可以应用于任何需要限制旋转角度限位场合。
[0095]
参照图2、图3和图4，可选的，该末端限位机构12的行星齿轮组中的太阳齿轮1、行星齿轮2、内齿圈3的齿数可以进行设计，具体设计方式以及可实现的限位角度已经给出。
[0096]
参照图2，可选的，太阳齿轮1的安装的方式可以随限位的机构的机械结构的结构改变而改变，并非只有本实施例中提到的太阳齿轮花键1-1，还可以是键槽、轴销等。
[0097]
参照图3，可选的，行星齿轮中心轴的结构可以进行修改，只要能被阻隔板6阻挡即可。
[0098]
参照图4，可选的，内齿圈3的盲齿3-2所包含的齿数可以根据需求进行设计。
[0099]
参照图5，可选的，端盖的安装方式、安装尺寸等可以根据需要限位的机构的机械结构进行设计。
[0100]
一种线控转向系统末端限位容错方法：
[0101]
参照图11和12，本发明还提供了一种末端限位容错方法，以智能驾驶车辆线控转向系统应用为例，具体步骤如下：
[0102]
步骤1：线控转向系统上电。
[0103]
步骤2：电子控制单元10判断方向盘总成9的转角传感器9-4是否正常工作。如果正常工作，则正常操作转动方向盘9-3，通过方向盘总成9的转角传感器9-4采集方向盘总成9的转角信号，并转到步骤8；如果工作异常，出现故障，则发出故障警报，并转到步骤3。
[0104]
步骤3：电子控制单元10判断转向机11的转角传感器11-1是否正常工作。如果正常工作，则转到步骤7；如果工作异常，出现故障，发出故障警报，利用机械末端限位装置12进行安全停机，转到步骤4。
[0105]
步骤4：采用末端限位装置12中的盲齿限位，即末端限位装置第一机械限位功能进行电气故障停机安全保护。
[0106]
步骤5：判断盲齿限位末端保护，即末端限位装置第一机械限位功能是否有效。如果有效，则转到步骤15；如果无效，则转到步骤6；
[0107]
步骤6：采用行星齿轮轴限位，即末端限位装置第二机械限位功能进行电气故障停机安全保护，并转到步骤15。
[0108]
步骤7：正常操作转动方向盘9-3，通过计算关系式为θ
sw
＝i*θ
rw
，利用转向机11的转角θ
rw
计算方向盘转角θ
sw
，其中i为比例系数，与线控转向系统的转向特性有关。
[0109]
步骤8：判断方向盘总成9的转角θ
sw
是否大于等于所设置的转角限制值θ
end
。如果没有，则返回步骤2；如果方向盘总成9的转角θ
sw
大于等于转角限制值θ
end
，则转到步骤9；
[0110]
步骤9：采用软件限位，利用路感电机9-5输出末端保护力矩te＝k*θ
sw
+δ，其中k为比例系数，δ为调节系数，这两个参数可以根据驾驶人驾驶习惯进行个性化设计。
[0111]
步骤10：判断方向盘总成9转角θ
sw
是否继续增大至机械限位末端。如果没有，则转到步骤2；如果方向盘总成9转角θ
sw
继续增大至机械限位末端，则转到步骤11。
[0112]
步骤11：采用末端限位装置12中的盲齿限位，即末端限位装置12第一机械限位功能进行末端保护。
[0113]
步骤12：判断盲齿限位末端保护，即末端限位装置12第一机械限位功能是否有效。如果有效，则转到步骤2；如果无效，则转到步骤13；
[0114]
步骤13：采用行星齿轮轴限位，即末端限位装置12第二机械限位功能进行末端保护。
[0115]
步骤14：判断线控转向系统是否下电。如果未下电，则转到步骤2，如果下电，则转到步骤15。
[0116]
步骤15：线控转向系统下电。
[0117]
一种智能驾驶车辆：
[0118]
参照图12，本发明还提供了一种智能驾驶车辆。线控转向系统包含本发明中提到的末端限位装置12和末端限位容错方法。该线控转向系统装配在车辆上形成本发明所提供的智能驾驶车辆。