一种用于车辆自动驾驶全液压线控转向系统和方法与流程

1.本发明涉及自动驾驶技术领域，特别涉及一种用于车辆自动驾驶全液压线控转向系统和方法。


背景技术：

2.目前井下运输车辆转向系统均为全液压转向系统，通过转向器和方向盘连接驱动转向动作，需要人工驾驶。由于井下环境恶劣，工作时长久，容易导致驾驶人员疲劳、造成事故。随着自动驾驶技术的不断成熟，可用于自动驾驶的线控转向系统可以解放工人双手，实现自动或者远程驾驶，将工人从恶劣的井下环境中解放出来。
3.目前自动驾驶的线控转向系统的技术方案：主要是在之前的转向柱上安装电机，通过控制电机转动从而带动方向盘转动，实现转向动作。该方案需配专用的电机控制器，同时转向电机控制精度不高，容易造成车辆的跑偏等隐患；且传感器反馈信号比较单一，缺少必要的冗余控制，传感器失效后，产生不必要的安全隐患。


技术实现要素：

4.针对现有技术中运输车辆自动驾驶时线控转向安全性较低的问题，本发明提出一种用于车辆自动驾驶全液压线控转向系统和方法，通过在常规的全液压转向系统增加了转角传感器、转速传感器以及位移传感器，实现多传感器数据融合，构成冗余系统，保证自动驾驶的安全性。
5.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
6.一种用于车辆自动驾驶全液压线控转向系统，包括转向泵1、转向器和转向油缸9，还包括角度传感器2、安全切换阀4、转向比例阀5；
7.所述角度传感器2集成安装在所述转向器中，用于检测方向盘的转角；所述转向比例阀5内置有第一位移传感器，所述第一位移传感器用于检测所述转向比例阀5的阀芯位移；
8.所述转向泵1与所述转向器连通，所述转向器还与所述转向油缸9连通；
9.所述转向泵1还通过所述安全切换阀4与所述转向比例阀5连通，所述转向比例阀5与所述转向油缸9连通；
10.当所述角度传感器2检测的转角或所述第一位移传感器检测的阀芯位移超过对应阈值时，所述安全切换阀4关闭；所述转向泵1中的液压油通过所述转向器进入所述转向油缸9。
11.优选地，还包括压力补偿阀3和梭阀6；
12.所述转向比例阀5的压力控制端通过所述梭阀6与所述压力补偿阀3连接；所述压力补偿阀3用于使所述转向比例阀5进出口压力保持恒定。
13.优选地，还包括流量放大器7，所述流量放大器7安装在所述转向器/所述转向比例阀5和所述转向泵1之间，将所述转向器/所述转向比例阀5提供的先导油的流量进行放大。
14.优选地，所述转向油缸9的入口还安装有缓冲阀组8。
15.优选地，所述转向油缸9的入口还安装有压力传感器10。
16.优选地，还包括轮速传感器，用于采集车速数据并和转向速度进行耦合控制：当车速超过规定速度阈值时，减小所述转向比例阀5的开度。
17.优选地，所述转向油缸9内置有第二位移传感器；所述第二位移传感器用于检测所述转向油缸9的位移。
18.本发明还提供一种用于车辆自动驾驶全液压线控转向方法，包括以下步骤：
19.s1：vcu检测各传感器的数据，判断系统是否有故障，若系统无故障则进入自动驾驶模式；若系统有故障，则退出自动驾驶模式，并反馈相应的传感器故障；
20.s2：vcu将根据转向油缸中第二位移传感器的检测数据计算得到当前第二车轮转角与预设的第一车轮转角进行比对，若第二车轮转角和第一车轮转角不相同，则按照第一车轮转角进行转向操作；
21.s3：当需要进行转向操作时，vcu控制所述安全切换阀4导通，然后控制所述转向比例阀5的开度，从而控制转向的方向和速度。
22.优选地，判断系统是否有故障的方法为：
23.通过所述转向比例阀5内置的第一位移传感器数据计算出流量数据，推算出油缸的位移，标记为第一数据；油缸内置的第二位移传感器检测的油缸的位移标记为第二数据，将第一数据和第二数据进行比对，若比对结果在阈值范围内，判定为系统无故障；若比对结果超过阈值范围，判定为系统有故障；
24.或者，所述转向比例阀5中第一位移传感器处于零位，但所述角度传感器2的数据变化超过设定的阈值，判定为系统故障；
25.或者，所述压力传感器10采集的压力数据超过预设压力阈值，判定为系统故障。
26.优选地，还包括s4：vcu将轮速传感器采集的车速数据和转向速度进行耦合控制：当车速超过规定速度阈值时，减小所述转向比例阀5的开度。
27.综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
28.1.本技术通过在常规的全液压转向系统增加了角度传感器、转速传感器以及位移传感器，实现多传感器数据融合，构成冗余系统，保证自动驾驶的安全性。
29.2.通过增加安全切换阀，该阀的控制信号在整个控制逻辑中具有最高优先级，只有该阀在正常导通的状态(系统无故障)下，方能进入自动驾驶状态，该阀断电后不管是否给转向比例阀信号，自动驾驶均会自动退出，从而提高安全性。
附图说明：
30.图1为根据本发明示例性实施例的一种用于车辆自动驾驶全液压线控转向系统示意图。
31.图2为根据本发明示例性实施例的手动和自动驾驶模式下油液流向示意图。
32.图3为根据本发明示例性实施例的一种用于车辆自动驾驶全液压线控转向方法示意图。
具体实施方式
33.下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。
35.如图1所示，本发明提供一种用于车辆自动驾驶全液压线控转向系统，在常规的全液压转向系统的基础上进行重新设计，可同时实现手动和自动驾驶，两种模式互补干扰；避免在自动驾驶出现故障时能进行人工驾驶，避免长时间停机。
36.本实施例中，一种井下运输车辆自动驾驶线控转向系统包括转向泵1、角度传感器2、压力补偿阀3、安全切换阀4、转向比例阀5(也可采用伺服阀、比例多路阀)、梭阀6、流量放大器7、缓冲阀组8、转向油缸9、压力传感器10。
37.本实施例中，转向泵1为系统提供相应的压力能。
38.本实施例中，角度传感器2集成按照在转向器上。本发明通过在原有转向器上设计新的转向花键套，新的花键套上集成了角度传感器2，从而和转向柱配合；角度传感器2可随时监测方向盘的转角，在自动驾驶模式下，当转角变化超过预设角度阈值时，退出自动驾驶状态。
39.本实施例中，转向比例阀5通过缓冲阀组8与转向油缸9连接，还通过总线与vcu连接。转向比例阀5接受vcu给出的转向指令，阀的开度和pwm的占空比成线性变化，输出需求的流量和转向方向。
40.本实施例中，缓冲阀组8由溢流阀和单向阀组成，避免转向油缸突然的高压导致转向油缸损坏，避免转向油缸在意外情况下吸油后，可以从回油路吸油避免转向油缸吸空。
41.进一步地，转向比例阀5中内置第一位移传感器(线性位移传感器)，实现阀芯位移的闭环控制。阀芯位移和输出流量成正比例关系，通过阀芯位移和流量的转向实现了转向流量的实时监测；同时由于阀芯位移的闭环控制可使转向比例阀的响应提高，同时大大的减小比例阀的滞环特性。
42.本实施例中，还设置了压力补偿阀3和梭阀6。转向比例阀5的压力控制端通过梭阀6与压力补偿阀3的弹簧端连接。梭阀6转向比例阀的ab口压力中较高侧的压力反馈给压力补偿阀3的弹簧端，使转向比例阀5进出口压力保持恒定，避免转向过程中由于转向油缸负载变化，导致转向比例阀5在相同的开度下输出的流量变化，导致转向速度不可控，即保障流量不受负载的影响。
43.本实施例中，还包括安全切换阀4，安装在转向比例阀5与缓冲阀组8之间的管道上，作为自动驾驶模式的使能阀。只有在自动驾驶系统无故障，整车无其他故障反馈时，安全切换阀4才得电，液压油进入转向比例阀5，进行相应的自动转向动作。
44.本实施例中，转向油缸9内置有第二位移传感器(磁致伸缩位移传感器，也可用外置式的拉线位移传感器)，磁致伸缩位移传感器输出的位置信号是一个绝对值，不需要向其
他传感器需要将信号放大处理，精度和可靠性高不存在信号漂移和变值的问题；vcu接收第二位移传感器采集到的位移数据，并转换成转向的第二转角数据，从而发出控制指令。
45.本实施例中，自动驾驶系统有无故障的判断方法为：
46.通过转向比例阀5内置的第一位移传感器器数据计算出流量数据，再除以转向油缸面积得到第一数据；将第一数据和转向油缸内置第二位移传感器的位移信号进行微分得到转向油缸速度数据；将转向油缸速度数据和vcu中预设的速度阈值进行比较，若转向油缸速度数据大于或等于预设的速度阈值，判定为系统故障，退出自动驾驶模式；若转向油缸速度数据小于预设的速度阈值，判定为系统无故障，继续自动驾驶模式。
47.本实施例中，流量放大器7安装在转向器和转向泵1之间，通过转向器l/r口(转向比例阀a/b)提供的先导油将流量进行比例放大。因为对于大型车辆，转向所需的流量比较大，单纯的转向器排量不能满足；通过转向器提供先导油，流量放大器7将转向器输出的流量比例的放大，满足转向流量需求。
48.本实施例中，还设置了压力传感器10，可安装在转向油缸9的入口，用于对进入转向油缸的流量压力进行监测，当数据异常时，发出报警提示，提醒相关人员对车辆进行维修，避免事故的发生。压力传感器10监测的数据超过预设阈值，整车vcu均会给安全切换阀发送关闭指令，使整车退出自动驾驶状态，确认安全。
49.本实施例中，可同时实现手动和自动驾驶，两种模式互补干扰；避免在自动驾驶出现故障时能进行人工驾驶，避免长时间停机。如图2所示，为两种模式下的油液流向图。
50.手动状态模式：油液从转向泵1出来后进入流量放大器7，当手动转动方向盘时，带动转向器工作，油液通过缓冲阀组8流入转向油缸9，伸缩完成转向操作。该模式下安全切换阀4和转向比例阀5均处于关闭状态。
51.自动状态模式：当判断系统无故障，vcu控制安全切换阀4开启，油液从转向泵1出来通过流量放大器7进入转向比例阀5，转向比例阀5根据vcu发出的转向指令控制阀的开口大小和方向，使油液通过缓冲阀组8流入转向油缸9从而控制转向油缸9伸缩完成转向操作。
52.本实施例中，基于上述系统，本发明还提供一种用于车辆自动驾驶全液压线控转向方法，如图3所示，包括以下步骤：
53.s1：vcu检测各传感器的数据，判断系统是否有故障，若系统无故障则进入自动驾驶模式；若系统有故障，则退出自动驾驶模式，并反馈相应的传感器故障。
54.本实施例中，系统有无故障的判断方法为：
55.通过转向比例阀5内置的第一位移传感器器数据计算出流量数据，推算出转向油缸的位移(通过流量计算出转向油缸的速度，速度积分就是位移，为现有公式)，标记为第一数据；转向油缸内置的第二位移传感器检测的转向油缸的位移标记为第二数据，将第一数据和第二数据进行比对(例如两者相减)，若比对结果在阈值范围内，判定为系统无故障，继续自动驾驶模式；若比对结果超过阈值范围，判定为系统故障，退出自动驾驶模式。
56.本实施例中，在自动驾驶状态，如果转向比例阀5中第一位移传感器处于零位，但转向器中角度传感器的数据变化超设定的阈值，整车vcu会给安全切换阀4发送关闭指令，使整车退出自动驾驶状态，确认安全。
57.本实施例中，压力传感器10监测的数据超过预设阈值，整车vcu均会给安全切换阀发送关闭指令，使整车退出自动驾驶状态，确认安全。
58.本系统通过多传感器数据耦合，一旦任一传感器超过预设阈值后，vcu给安全切换阀4发送关闭指令，均会退出自动转向模式，来确保车辆安全可控。
59.s2：vcu接收转向曲率数据(由自动驾驶模块规划)并将其转换为第一车轮转角；根据转向油缸第二位移传感器的检测数据计算得到当前第二车轮转角。
60.本实施例中，第一车轮转角的计算公式为：
61.r＝l/sin(β)； (1)
62.公式(1)中，r表示第一车轮转角，即曲率半径；l为车辆轴距，β为转角。
63.本实施例中，第二车轮转角的计算公式为：
[0064][0065]
公式(2)中，θ表示第二车轮转角；b表示车辆轮距；x表示转向油缸第二位移传感器的位移距离；r表示初始车轮转角；x的正负代表了左转还是右转， 代表左转、－代表右转。
[0066]
本实施例中，第一车轮转角为期望值，第二车轮转角为实际测量值，若第二车轮转角和第一车轮转角不相等，则按照第一车轮转角执行转向操作。
[0067]
s3：当进行转向操作时，vcu控制安全切换阀4导通(该安全切换阀为常闭结构，确保在电气系统出现故障时，自动退出自动驾驶状态)，然后控制转向比例阀5的开度，从而控制转向的方向和速度。
[0068]
s4：vcu将轮速传感器(一般安装在轮毂上)采集的车速数据和转向速度进行耦合控制：当车速超过规定速度阈值时，减小转向比例阀5的开度，避免车辆在重载高速状态下急转弯，造成车辆的侧翻。
[0069]
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。