[发明专利]一种集成式手自一体化方向盘及其控制方法

权利要求书

1.一种集成式手自一体化方向盘，其特征在于，包括转向盘轴系Ⅰ、步进电机驱动轴系Ⅱ和转向盘转角测量轴系Ⅲ；

所述转向盘轴系Ⅰ包括转向盘(1)、转向轴(2)；转向盘(1)安装在转向轴(2)的一端，转向轴(2)上同轴设置有第一齿轮(4)和第三齿轮(11)转向轴(2)的另一端通过花键套(17)与车辆转向柱(18)连接；

所述步进电机驱动轴系Ⅱ包括步进电机(9)和第二齿轮(5)，步进电机(9)的输出端与减速器(7)连接，减速器(7)的输出端上安装有第二齿轮(5)；

所述转向盘转角测量轴系Ⅲ包括第四齿轮(12)、套筒轴(14)和角度传感器(16)，套筒轴(14)的输入端安装有第四齿轮(12)，输出端与角度传感器(16)的输入端连接；

所述第一齿轮(4)与第二齿轮(5)可啮合，第三齿轮(11)与第四齿轮(12)啮合；所述第一齿轮(4)与转向轴(2)之间设置有扭矩限制器(3)，所述扭矩限制器(3)内圈与转向轴(2)键连接，第一齿轮(4)与扭矩限制器(3)外圈同轴滑套连接。

2.根据权利要求1所述的集成式手自一体化方向盘，其特征在于，还包括状态切换开关(29)，所述状态切换开关(29)设置在转向盘(1)上，当状态切换开关(29)为“关”状态时，步进电机(9)失能，可手动转向盘(1)。

3.根据权利要求1所述的集成式手自一体化方向盘，其特征在于，当状态切换开关(29)为“开”状态时，手动转向盘(1)，扭矩限制器(3)与第一齿轮(4)之间打滑，方向盘处于手动驾驶模式，步进电机驱动轴系(Ⅱ)不工作。

4.根据权利要求1所述的集成式手自一体化方向盘，其特征在于，当状态切换开关(29)为“开”状态时，步进电机(9)使能，控制器(22)通过航空插头(25)接收来自上位机的方向盘目标转角、转速与转向信号，将目标转角与角度传感器(16)提供的方向盘当前位置作比较，控制器(22)发出指令给步进电机驱动器(21)使步进电机(9)转动，按给定方向与速度实时跟踪方向盘的目标转角。

5.根据权利要求1所述的集成式手自一体化方向盘，其特征在于，所述第四齿轮(12)与第三齿轮(11)传动比为3，角度传感器(16)感知转向轴(2)正转与反转各1.5圈的转角。

6.根据权利要求1至5任一项所述的集成式手自一体化方向盘的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

控制器(22)检测转向盘(1)上状态切换开关(29)为“开”或“关”状态，若状态切换开关(29)为“开”状态，方向盘处于自动驾驶模式，控制器(22)发送信号给步进电机驱动器(21)使步进电机(9)使能；若状态切换开关(29)为“关”状态，方向盘处于手动驾驶模式，控制器(22)发送信号给步进电机驱动器(21)使步进电机(9)失能；

在方向盘处于自动驾驶模式下，控制器(22)通过232串口与上位机进行信号传输，控制器(22)采集上位机传输的方向盘目标转角θ与转向信号，同时控制器(22)根据角度传感器(16)发送的角度检测信息计算转向轴(2)实际转角θ₁，角度传感器(16)由于采用的是霍尔传感器，反馈信号为电压，需将电压模拟信号转化为角度值数字信号，控制器(22)在n个采样间隔时间内将转向轴(2)实际转角θ₁与目标转角θ作差得到角度偏差e(t)以及角度偏差变化率EC(t)，若角度偏差e(t_n)小于稳态偏差ε₂时，控制器(22)控制步进电机9自锁，将方向盘当前位置反馈给上位机；若角度偏差e(t_n)大于稳态偏差ε₂时，控制器(22)进入位置控制环，位置控制环的PID控制器输出量转换成步进电机(9)目标速度ω输入给速度环，速度环的控制输出量作为控制步进电机(9)运行速度的脉冲频率，使步进电机(9)通过步进电机驱动轴系Ⅱ带动转向盘轴系Ⅰ转动，从而使转向轴实际转角θ₁实时跟踪上位机发送的目标转角θ，此时e(t₁)＜e(t₂)＜……＜e(t_n)，且|EC(t)-ω|＜ε₁，ε₁为设定精度值；

在运行的过程中，控制器(22)判断角度偏差e(t)、角度偏差变化率EC(t)和步进电机(9)目标速度ω之间的关系，若出现下述3种情况，控制器(22)发送信号给步进电机驱动器21使步进电机9失能，给上位机发出警报信号，将方向盘切换为手动驾驶模式；

若e(t₁)＝e(t₂)＝……＝e(t_n)，则判断方向盘属于人工抱持方向盘不动的情况；

若θ₁≤θ，且e(t₁)＜e(t₂)＜……＜e(t_n)，|EC(t)-ω|＞ε₁，则判断方向盘属于人工与步进电机同向转动的情况；若θ₁＞θ，目标速度ω＜0，也判断方向盘属于人工与步进电机同向转动的情况；

若e(t₁)＞e(t₂)＞……＞e(t_n)，则判断方向盘属于人工与步进电机反向转动的情况。