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原文传递一种转向机器人及其控制方法

专利名称：	一种转向机器人及其控制方法
摘要：	本发明属于汽车智能化领域，具体的说是一种转向机器人及其控制方法。该机器人包括PC机、直流伺服电机控制器、直流电机、行星齿轮减速器、电磁离合器、锥齿轮减速器、支撑板、方向盘固定器、汽车方向盘、支撑杆与固定件；本发明机械结构简单、紧凑，机械传动部分只有行星齿轮减速器、锥齿轮减速器即可将动力传递至方向盘；并且采用的均为齿轮传动，齿轮传动的效率高，精度高。由于选用减速器产品无需添加润滑剂并且具有一定的防尘性，系统的后期维护成本低，使用周期长，可以在工作环境恶劣的情况下工作。故本系统的工作寿命更长，工作可靠性更高。本发明易于实现与制动、驱动系统的融合，改装工作量小，控制程序可靠性高。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	吉林大学
发明人：	吴坚;杨维宏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-31T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910095067.0
公开号：	CN109774782A
代理机构：	长春吉大专利代理有限责任公司
代理人：	崔斌
分类号：	B62D3/02(2006.01);B;B62;B62D;B62D3
申请人地址：	130012 吉林省长春市前进大街2699号
主权项：	1.一种转向机器人，该机器人包括PC机，其特征在于，该机器人还包括直流伺服电机控制器(1)、直流电机(2)、行星齿轮减速器(3)、电磁离合器(4)、锥齿轮减速器(5)、支撑板(6)、方向盘固定器(7)、汽车方向盘(8)、支撑杆(9)与固定件(10)；所述的直流伺服电机控制器(1)与直流电机(2)连接；所述的直流电机(2)与行星齿轮减速器(3)的输入轴连接；所述的行星齿轮减速器(3)的输出轴与电磁离合器(4)连接；所述的电磁离合器(4)与锥齿轮减速器(5)的输入轴连接；所述的锥齿轮减速器(5)的输出轴与方向盘固定器(7)连接；所述的汽车方向盘(8)固定在方向盘固定器(7)上；所述的直流伺服电机控制器(1)、直流电机(2)、行星齿轮减速器(3)、电磁离合器(4)、锥齿轮减速器(5)均设置在支撑板(6)上；所述的支撑板(6)通过支撑杆(9)固定在汽车车身底板上；所述的支撑杆(9)的一端通过球铰链与支撑板(6)配合，另一端通过铰链与固定件(10)的一端连接；所述的固定件(10)的另一端通过螺栓与车身底板固定；所述的PC机与直流伺服电机控制器(1)连接；所述的直流伺服电机控制器(1)采用CAN线与一系统开关进行通信。 2.根据权利要求1所述的一种转向机器人，其特征在于，所述的方向盘固定器(7)内内置有一圆盘；所述的圆盘的一面加工有平面螺纹，周向均匀布置有三个卡爪，卡爪的内侧与平面螺纹配合，卡爪的外侧与方向盘配合。 3.根据权利要求1所述的一种转向机器人，其特征在于，所述的固定件(10)包括第一连接件和第二连接件；所述的第一连接件和第二连接件通过螺栓固定；所述的第一连接件的一端为圆柱体，圆柱体上开有4个周向均布的与支撑杆(9)通过铰链连接的阶梯孔；所述的第一连接件的另一端为矩体，矩体的端面为圆弧形；所述的第二连接体为矩体，矩体上开有与车身底板通过螺栓固定的光孔。 4.根据权利要求1所述的一种转向机器人，其特征在于，所述的电磁离合器(4)与电源开关相连。 5.根据权利要求1所述的一种转向机器人，其特征在于，所述的直流电机(2)上安装有增量式编码器。 6.根据权利要求1所述的一种转向机器人的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、安装机器人；旋转平面螺纹使得三个卡爪实现径向进给运动，旋转至三卡爪与汽车方向盘(8)紧密配合，使卡爪与汽车方向盘(8)不发生相对滑动即可，之后将支撑杆(9)处的固定件(10)与车身底板固定，完成转向机器人的安装；步骤二、通信部分的连接；将所述的PC机通过USB与PeakCAN通信，将所述的PeakCAN与直流伺服电机控制器(1)连接；再将所述的PC机通过以太网与MicroLabBox通信，所述的MicroLabBox通过CAN线与直流伺服电机控制器(1)通信；步骤三、将直流伺服电机控制器(1)与直流电机(2)连接，在系统正常工作时利用直流伺服电机控制器(1)向直流电机(2)供电；步骤四、通过直流电机(2)上安装的增量式编码器获取汽车方向盘(8)的转角信息；步骤五、所述的PC机通过以太网与MicroLabBox通信，所述的MicroLabBox通过CAN线与直流伺服电机控制器(1)通信；采用MicroLabBox实时接口RTI中CAN接受和发送模块，控制模型在Simulink中搭建，并且采用了Stateflow工具进行搭建，具体方法如下： 51)向转向机器人供电，采用24V蓄电池向直流伺服电机控制器(1)、电磁离合器(4)供电，通过220V逆变器向所述的MicroLabBox通电，完成对直流伺服电机控制器(1)及直流电机(2)的初始化操作，此处对直流伺服电机控制器(1)的初始化为将上次实验时的数据完全清除以准备开始下次实验，初始化完毕之后，直流伺服电机控制器(1)会进入关闭状态；所述的24V蓄电池安装在汽车行李厢处； 52)首先检测有无转向机器人系统开关信号，这一信号是由布置在中控台处的转向机器人系统开关发送，其代表的是驾驶员已经准备就绪后按下系统准备就绪开关；当无这一信号时，系统保持待机，不会进行任何运动，当存在有这一信号后系统准备开始接受外部信号并开始进行工作； 53)当有系统开关信号时，所述的MicroLabBox会并检测有无系统运动信号，系统运动信号指的是系统检测整车系统有无机械上的问题或是系统是否需要换一种运动模式时由上层系统所发送的一种信号，当有系统开关信号时，转向机器人控制系统使能化直流伺服电机控制器(1)，此时即可向直流伺服电机控制器(1)写入命令； 54)选择运动模式；运动模式有标准速度模式、标准位置模式、位置模式、速度模式、电流模式、步进模式、插补位置模式；由于汽车转向工况复杂，方向盘转角是一不断连续变化的量，由路况、汽车状况包括汽车当前车速、节气门位置、制动踏板位置、方向盘当前位置、当前作用于转向盘的力矩以及本车与周围汽车的车距决定；由于所述的转向机器人为一底层执行机构，模式的选择依上层控制器即MicroLabBox而定；当所设计的上层控制器控制程序对方向盘的控制为力矩控制时，电机控制器(1)需选择电流模式，当控制程序对汽车方向盘(8)的控制为角度控制时，需要选择标准位置模式要利用转向机器人进行，当控制程序采用汽车方向盘(8)运动速度及其运动时间控制方向盘时应选择标准速度模式； 55)所述的MicroLabBox以基于CANopen协议的报文将直流电机(2)能够按所需的运动模式以参数的形式输入至直流伺服电机控制器(1)中；所述的转向机器人实际工作时选择电机运动模式为标准位置模式，对该模式而言，所需要输入的参数有：方向盘运动转角即相对于方向盘零位也就是使得转向轮无转角时的方向盘位置的转角、方向盘转角变化速度即电机运动速度、方向盘运动加速度、电机加速模式即按正弦曲线速度增加速度或按梯形曲线增加速度、急停加速度、方向盘运动减速度；不同的运动模式对所需要输入的控制参数有不同的需求，具体的参数应查找相应的电机说明文档； 56)输入完相关的参数后，直流电机(2)开始以所需要的运动模式运动，通过检测汽车方向盘(8)转角，所述的转向机器人控制系统可检测电机是否完成所需的运动；在转向机器人控制系统判断所设定的运动完成之后，会向直流伺服电机控制器(1)发送一运动完成信号，使直流电机控制器(1)与电机(2)处于待机状态； 57)所述的转向机器人的控制器MicroLabBox同时会将该运动完成信号返回至上层控制器即实现对整车而非转向盘进行控制的控制器中，当整车控制系统判断有需要下次运动仍要以该模式运动时，直流电机(2)仍然会以该模式运动，从而能够在一定程度上提升直流电机(2)的响应速度，当无该信号时，并且系统判断存在有系统运动信号时，会返还至步骤53)；步骤六、整车控制系统对汽车转向之后汽车的运动速度、转向盘、路况、转向盘当前转角进行重新估计，向转向机器人控制器重新发送给一转向盘理想位置，使得转向机器人系统按步骤五再度运行；直流电机控制器(1)内部对直流电机(2)的控制设置有一套PID算法；对标准位置模式而言，其通过读取电机上增量式编码器获取电机运动转角，以获得电机实际已运动转角即转向盘实际转角与电机理想转角即转向盘理想转角之间的偏差，通过控制该偏差即实现方向盘转角的精确变化变化；同时，由于路况突发等状况导致整车控制系统需要对当前方向盘转角进行变动，应向转向机器人控制器发送一更新的电机控制参数值，此时转向盘控制器会强行停止当前电机运动，并重新完成步骤五所述的内容。步骤七、故障诊断，当出现采用所述的MicroLabBox无法控制转向盘运动的情况时，利用PCAN转接器也是俗称的CAN卡进行转向机器人的调试，PCAN利用CAN线接入CAN网络中，通过USB与PC机通信，从而将CAN网络中传输的报文传递至PC机中，并且使得PC可对报文进行读写操作，从而实现了以PC机控制直流电机控制器(1)，从而可以读取在CAN网络中传输的CAN报文信息并根据报文查询电机控制器说明书以判断转向机器人故障情况。
所属类别：	发明专利