一种智能汽车的人机共驾转向控制方法及其转向系统

1.本发明属于智能驾驶车辆领域，涉及一种智能汽车的人机共驾转向控制方法及其转向系统。


背景技术：

2.近年来，随着智能化技术的发展，汽车的驾驶安全性，操控的稳定性及司乘人员的舒适性都有了一定的提高。各大汽车厂商及研究机构也结合智能技术，开发出高等级自动化驾驶汽车。完全的自动化驾驶系统综合了环境感知、决策与规划、轨迹跟踪控制及多功能驾驶等多项复杂技术。理想情况下，其可在任何驾驶工况下代替驾驶员完成驾驶任务，并且不需要驾驶员的干预和监督，可减轻驾驶员的工作负荷，降低由于人为因素引起的交通事故，提高交通安全性。但是，自动化无人驾驶技术在面对复杂场景时，其技术还有一定局限性，不能完全应对。
3.而人机共驾技术为智能汽车的驾驶提供了一种可行的方案。人机协同控制中，驾驶员与自动化系统同时控制汽车运行，可以保持两者交互的状态，提高了驾驶员及自动化系统的环境感知力及车辆控制能力；同时可以让驾驶员体验驾驶乐趣。然而，由于人机同时操作车辆，在不同驾驶工况下，当驾驶权分配不合理就可能造成人机冲突，降低驾驶员的操控感，甚至出现危险的驾驶情况。因此很有必要设计合适的人机共驾转向系统，适应不同驾驶工况及满足驾驶员的不同需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于实现驾驶员与自动化系统间的合适的权重分配，减少人机冲突，改善由于自动化系统介入引起驾驶员操纵的不适感，提供一种智能汽车的人机共驾转向控制方法及其转向系统。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种智能汽车的人机共驾型转向系统，包括方向盘、无级变速器、自动转向电机、转角传感器、控制系统；所述方向盘通过第一级转向轴与所述无级变速器的输入轴连接；所述自动转向电机通过电机减速器与所述无级变速器的输出轴的一端连接，所述无级变速器的输出轴的另一端通过第二级转向轴与轮胎转向机构连接，从而驱动轮胎转向；
7.所述第一级转向轴、第二级转向轴与所述无级变速器之间均设有所述转角传感器，所述转角传感器、无级变速器、电机减速器均与所述控制系统连接；所述控制系统根据转角传感器的信号反馈调节所述无级变速器、电机减速器的传动比，使方向盘与自动转向电机的转角及力矩自动耦合，从而实现人机共驾。
8.进一步，所述轮胎转向机构包括齿轮齿条机构、转向球头；所述第二级转向轴通过转向万向节与齿轮齿条机构连接，所述齿轮齿条机构通过转向球头与轮胎连接；所述第二级转向轴通过齿轮齿条机构驱动轮胎转向。
9.进一步，所述无级变速器的输入轴远离第一级转向轴的一端设有磁流变阻尼器，
所述磁流变阻尼器与控制系统连接，用于模拟转向力感，并传递至方向盘。
10.一种智能汽车的人机共驾转向控制方法，采用上述智能汽车的人机共驾型转向系统，控制系统根据方向盘及自动转向电机输出的转角，控制无级变速器及电机减速器的传动比，使方向盘及自动转向电机输出的转角及力矩耦合并输出至第二级转向轴上，通过第二级转向轴驱动轮胎转向机构，实现驾驶员与自动系统共同控制轮胎转向。
11.进一步，在人机共驾时，通过磁流变阻尼器输出非线性且连续可调的阻尼，使驾驶员体验到非线性且柔顺的转向力感反馈。
12.本发明的有益效果在于：
13.1、本发明设中的人机共驾型转向系统，在人机共驾模式下，采用无级变速传动机构，可以连续调节驾驶员和自动化系统控制车辆转角及力矩的传动比，从而动态调节驾驶员与自动化系统间的权重分配，实现驾驶员与自动化系统间的合理的转角分配，减少人机冲突。
14.2、本发明通过控制磁流变阻尼器的输出非线性且连续可调力矩，可实现方向盘力感的柔顺模拟，提高驾驶员转向操控时的舒适性；另一方面，在驾驶员操作不当时，还可以增加磁流变阻尼器的阻力，以提醒驾驶员做出正确的反应。
15.3、本发明根据驾驶员的不同需求，实现车辆自动驾驶，驾驶员单独驾驶及自动化系统和驾驶员共同驾驶的功能，提供更多的驾乘体验；在一方功能失效时，还可以由另一方单独控制车辆运行，保证了车辆的安全性，在一定程度上可以降低交通事故发生率。
16.4、本发明采用无级变速传动机构，可以连续调节驾驶员和自动化系统控制车辆转角及力矩的传动比，从而动态调节驾驶员与自动化系统间的权重分配，改善人机冲突。也可根据不同驾驶员需求，结构空间、尺寸及车辆安全等具体约束，合理改变系统传动比，以满足不同驾驶场景及驾驶对象的需求。
17.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
18.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
19.图1为本发明中智能汽车的人机共驾型转向系统示意图；
20.图2为本发明中智能汽车的人机共驾转向控制方法的流程示意图。
21.附图标记：1-方向盘；2-第一级转向轴；3-方向盘转角传感器；4-第一级压盘；5-第一级传动轮；6-联轴器；7-磁流变阻尼器；8-轮胎；9-转向球头；10-齿轮齿条机构；11-转向摇臂；12-转向万向节；13-第二级转向轴；14-输出转角传感器；15-第二级传动轮；16-钢带；17-第二级压盘；18-自动转向电机；19-电机减速器。
具体实施方式
22.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
23.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
24.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
25.请参阅图1，为一种智能汽车的人机共驾型转向系统，包括方向盘1、无级变速器、自动转向电机18、转角传感器、控制系统；方向盘1通过第一级转向轴2与无级变速器的输入轴连接；第一级转向轴2与无级变速器的第一级压盘4之间安装有方向盘转角传感器3；自动转向电机18通过电机减速器19与无级变速器的输出轴的一端连接，电机减速器19与无级变速器的第二级压盘17之间安装有输出转角传感器14，无级变速器的输出轴的另一端通过第二级转向轴13与轮胎8转向机构连接，从而驱动轮胎8转向；
26.方向盘转角传感器3、输出转角传感器14、无级变速器、电机减速器19均与控制系统连接；控制系统根据转角传感器的信号反馈调节无级变速器、电机减速器19的传动比，使方向盘1与自动转向电机18的转角及力矩自动耦合，从而实现人机共驾。
27.轮胎8转向机构包括齿轮齿条机构10、转向球头9；第二级转向轴13通过转向万向节12与齿轮齿条机构10连接，齿轮齿条机构10通过转向球头9转向摇臂11连接，转向摇臂11与轮胎8连接；第二级转向轴13通过齿轮齿条机构10驱动轮胎8转向。
28.无级变速器的输入轴远离第一级转向轴2的一端通过联轴器6安装有磁流变阻尼器7，磁流变阻尼器7与控制系统连接，用于模拟转向力感，并传递至方向盘1。
29.请参阅图2，为一种智能汽车的人机共驾转向控制方法的流程示意图，采用本实施例中的智能汽车的人机共驾型转向系统，控制系统根据方向盘1及自动转向电机18输出的转角，控制无级变速器及电机减速器19的传动比，使方向盘1及自动转向电机18输出的转角及力矩耦合并输出至第二级转向轴13上，通过第二级转向轴13驱动轮胎8转向机构，实现驾驶员与自动系统共同控制轮胎8转向。
30.在驾驶员选择人机共驾模式时，驾驶员转动方向盘1，施加的转角为θh及力矩th，带动第一级转向轴2及第一级传动轮5转动，而后，通过钢带16带动第二级传动轮15转动，第二级传动轮15与第二级转向轴13固定连接，驾驶员施加的转角及力矩，传递至第二级转向轴13，产生的转角θ1；同时由自动化系统控制的自动转向电机18也在运行，产生的转角为θa，通过电机减速器19带动第二级转向轴13旋转，自动化系统产生的力矩及转角，传递至第二级
转向轴13；至此，方向盘1的力矩及转角和自动化系统的力矩及转角同时传递至第二级转向轴13上，此时第二级转向轴13上的转角为θ1，再经过转向万向节12，车辆的转向机构进而带动轮胎8转动，实现了驾驶员和自动化系统共同操控车辆的功能。
31.在此过程中，驾驶员及自动化系统的转角信息，通过方向盘转角传感器3、输出转角传感器14采集后，传递给整车控制系统，整车控制系统根据实际的路况，通过无级变速机构合理地分配传动比i0，可以改变驾驶员转角θh经无级变速机构传递至第二级转向轴13的转角θ1，实现驾驶员传至第二级转向轴13的转角θ1与自动化系统传至第二级转向轴13的转角θ2间配合，并实现力矩耦合。由于无级变速机构连续可调的传动比，保证控制时转角θ1变化的连续性，力矩耦合时也连续变化，从而实现车辆的平稳操控运行。
32.在人机共驾模式下，通过采集方向盘1的角位移及角速度信号，发送至控制系统，控制系统结合路况及自动化系统的状态，经分析处理可控制磁流变阻尼器7的输出合适的阻尼大小，改善由于自动化系统的介入而给驾驶员带来不适感。
33.本实施例中的智能汽车的人机共驾型转向系统保留了部分传统的驾驶转向机构，驾驶员选择独立驾驶车辆时，由驾驶员控制方向盘1经过第一级转向轴2、无级变速机构、第二级转向轴13将转向力矩传递给车辆的转向机构进而带动轮胎8转动，实现转向。此过程中，自动转向电机18及磁流变阻尼器7不参与工作。
34.在特定的工况下，驾驶员选择自动驾驶模式时，由自动化系统控制自动转向电机18进而操纵车辆运行。自动转向电机18经过电机减速器19及第二级转向轴13带动车辆的转向机构运行，进而带动轮胎8转动，从而实现转向需求。自动转向电机18运行会通过无级变速机构带动第一级转向轴2上的部件运行，如方向盘1及磁流变阻尼器7，但第一传动轴上部件处于空转状态，不参与工作。
35.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。