本实用新型涉及汽车转向结构技术领域，尤其涉及为实现汽车无人驾驶控制，而对现有汽车转向机构进行自动化改进的结构技术。
背景技术：
自动驾驶车辆能够在有或者无司机的情况下从一个位置行驶到另一个位置。这通常被称为无人驾驶车辆。自动驾驶车辆构建于线控驾驶（drive-by-wire，dbw）系统之上，通过与发动机控制模块、车载电控单元、车载传感器等相连的主控制器进行车辆运动控制。自动驾驶系统主要包含三个部分：感知、决策、控制。感知子系统通过一系列的车载传感器收集车辆自身运动、周边环境、乘客或驾驶员的检测数据，并传输给控制器通过智能策略及算法控制挡位、油门/加速器、转向、制动和车载电气器件/设备，实现车辆定位导航、行驶路径规划、障碍物/交通信号识别、车辆运行参数监控/错误诊断，和人车交互等功能。
转向系统作为线控驾驶系统的一部分是由计算机控制的。目前主流的包括有：电动助力转向（electricalpowersteering，eps），电液助力转向（electro-hydraulicpowersteering，ehps）和线控转向（steer-by-wire，sbw）都是市场上现有的汽车助力转向解决方案。
如图1所示，目前单齿轮eps方案的电机驱动力，由于直接施加在转向架内的小齿轮上，比较转向柱式eps，它能够给予驾驶员更好的转向路感，但同时具有一严重缺陷：由于驱动电机正好位于踏板前方，如果发生前端碰撞，电机可能会被推到驾驶员的腿部并造成伤害。为了规避这种安全缺陷，很多制造商则转向双齿轮系统。而在双齿轮eps系统中，除原有与转向柱相连的主齿轮齿条转向机构外，在平行于转向齿条方向、且靠近车中线位置处需增加第二套齿轮齿条机构，并由电机驱动此附加的齿轮。由于电机安装在远离转向柱的位置，因此碰撞时腿部受伤的风险可以大大降低。此外，通过将电机与转向柱分离，可以改善转向感觉。
但在实际应用中，人们发现由于整套系统的电机布置位置既定且受安装空间限制，此两种eps系统并不通用于对现有传统车辆的后装市场。然而随着驾驶智能化及无人化趋势，必将兴起对于现有传统车辆无人驾驶升级改造的巨大需求，而现有的eps系统恰恰无法满足。
此外，在双齿轮eps系统中，虽然电机与转向柱远离可以改善人工驾驶时的转向感觉，但整套转向机构还是通过齿轮齿条式刚性传动与电机相连。在转向时，会引入机构中的摩擦力、电机的反电动势力、以及较大的机构惯性力，从而使转向感变得麻木，降低了车辆操控手感。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于提供一种汽车自动转向机构，以在不改变现有传动链及底盘结构件的条件下，使现有车辆经改进后同时具备人工及自动电控转向功能，并进一步提高手控驾驶手感，使得车辆转向系统能够更真实地反馈路况及负载的转向感觉，优化人工驾驶体验。
为了实现上述目的，根据本实用新型的第一个方面，提供了一种汽车自动转向机构，其与汽车转向器连接，并受主控器控制，其主要包括：分别与电源装置连接的驱动总成，转向单元，反馈单元及线控控制器，其中该转向单元包括：离合器及同步带机构，该同步带机构第一传动端通过该离合器与该驱动总成传动连接，该同步带机构第二传动端与该汽车转向器传动连接，该反馈单元与该同步带机构第三传动端传动连接，以获取转向参数，该驱动总成、反馈单元及离合器分别通过该线控控制器与该主控器控制连接，以供该主控器获取该转向参数以适时介入该离合器的开合控制，以在手/自动模式之间切换对该汽车转向器的控制。
根据本实用新型的第一个方面，在可选的实施方式下，该驱动总成包括：电机控制器，转速编码器，驱动电机，减速器，转轴单元，其中该驱动电机通过该减速器与该转轴单元传动连接，并籍由该转轴单元与该离合器传动连接，该电机控制器与该驱动电机控制连接，该转速编码器分别与该驱动电机及该电机控制器连接，以获取该驱动电机转速参数并向该电机控制器传输，该线控控制器与该电机控制器及反馈单元控制连接，以获取该转向参数并通过该电机控制器控制该驱动电机。
根据本实用新型的第一个方面，在可选的实施方式下，该驱动总成还包括：制动器，该制动器分别与该驱动电机及电机控制器连接，以受该电机控制器指令控制锁止该驱动电机，以保持汽车转向器当前转向角度。
根据本实用新型的第一个方面，在可选的实施方式下，该同步带机构包括：上主轴同步带轮，下主轴同步带轮，主动同步带，转向架同步带轮，其中该上/下主轴同步带轮、相互固定连接，并分别依次可旋转套接在该转轴单元上，该上主轴同步带轮与该离合器传动连接，该转向架同步带轮设置在该汽车转向器传动端，该上主轴同步带轮与该转向架同步带轮之间通过该主动同步带形成带轮连接传动。
根据本实用新型的第一个方面，在可选的实施方式下，该反馈单元包括：编码器同步带轮，传动轴，角度编码器，从动同步带，其中该角度编码器通过传动轴与该编码器同步带轮传动连接，该编码器同步带轮与该下主轴同步带轮之间通过从动同步带形成带轮连接传动。
根据本实用新型的第一个方面，在可选的实施方式下，该转轴单元包括：联轴器，传动主轴，该联轴器第一端与该减速器传动端连接，其第二端与该传动主轴连接，该传动主轴上依次套接该离合器及该上/下主轴同步带轮。
根据本实用新型的第一个方面，在可选的实施方式下，该驱动电机为：直流无刷电机、交流同步电机、交流异步电机、交流伺服电机、直流伺服电机、直流有刷电机、直流/交流步进电机中的至少一种。
根据本实用新型的第一个方面，在可选的实施方式下，该减速器为：行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、行星摆线针轮减速器、谐波减速器、无级变速减速器中的至少一种。
根据本实用新型的第一个方面，在可选的实施方式下，该离合器为：电磁离合器、液压式电控离合器、气压式电控离合器中的至少一种。
本实用新型另一方面还提供了一种无人驾驶汽车，其采用了本实用新型的汽车自动转向机构制成。
通过本实用新型提供的汽车自动转向机构及包括其的无人驾驶汽车，能够在不改变现有传动链及底盘结构件的条件下，使现有车辆经改进后同时具备人工及自动电控转向功能，从而降低了技术使用门槛，并进一步扩大了适用群体，降低了获取自动驾驶功能的成本，节能环保。此外其整体机构简单紧凑，需要维护的零部件较少，因此系统性价比高并且稳定可靠。而另一方面相比现有技术更进一步提高了手控驾驶手感，使得车辆转向系统能够更真实地反馈路况及负载的转向感觉，优化了人工驾驶体验。
另一方面，本实用新型采用在电机尾部增加制动器，并在长时定向转向时，由主控器控制制动器闭合锁止电机，从而避免电机为保持转向角因长时汲取电流而引起的过热问题。同时，制动器的制动力矩通过行星齿轮减速器、齿轮齿条机构的减速比放大，能够轻松地克服定向巡航时从坑洼不平路面反馈回来的偏航力矩；换言之，这种机构布置能够使得紧凑的小型制动器产生较大的航向保持制动力矩，从而节省安装空间及硬件成本。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是现有技术eps系统结构示意图；
图2是本实用新型的汽车自动转向机构的结构示意图；
图3是本实用新型的汽车自动转向机构的结构剖视图；
图4是本实用新型的汽车自动转向机构的局部放大图；
图5是本实用新型的汽车自动转向机构系统结构图。
附图标记
汽车转向器1，主控器2，电源装置10，驱动总成20，转向单元30，反馈单元40，线控控制器50，离合器31，同步带机构32，电机控制器21，转速编码器22，驱动电机23，减速器24，转轴单元25，上主轴同步带轮321，下主轴同步带轮322，主动同步带323，联轴器251，传动主轴252，齿轮轴花键11，编码器同步带轮401，传动轴402，角度编码器403，从动同步带404，制动器26。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
为了使本领域的技术人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，在本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型的保护范围。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本实用新型主要提供一种汽车自动转向机构，以与汽车转向器1连接，并受主控器2控制，形成手/自动控制切换，如图2至图5所示，其主要包括：分别与电源装置10连接的驱动总成20，转向单元30，反馈单元40及线控控制器50，其中该转向单元30包括：离合器31及同步带机构32，其中该离合器31本实施例中优选为电磁离合器，该同步带机构32第一传动端通过该离合器31与该驱动总成20传动连接，该同步带机构32第二传动端与该汽车转向器1传动连接，该反馈单元40与该同步带机构32第三传动端传动连接，以获取转向参数，该驱动总成20、反馈单元40及离合器31分别通过该线控控制器50与该主控器2控制连接，以供该主控器2获取该转向参数以适时介入该离合器31开合控制，以在手/自动模式之间切换对该汽车转向器1的控制。
其中该驱动总成20进一步包括：电机控制器21，转速编码器22，驱动电机23，减速器24，转轴单元25，其中本实施例中为了具体说明实施方案的可实现性，该驱动电机23，该减速器24分别优选采用直流无刷电机及行星齿轮减速器为例进行说明，但并未进行限制，本领域技术人员可以根据本实用新型的揭露方案知晓，若该驱动电机23采用交流同步电机、交流异步电机、交流伺服电机、直流伺服电机、直流有刷电机、直流/交流步进电机等，该减速器24采用蜗轮蜗杆减速器、圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、行星摆线针轮减速器、谐波减速器、无级变速减速器等亦可实现本实用新型的方案，因而并未在此进行限制。
其中该驱动电机23通过该减速器24与该转轴单元25传动连接，并籍由该转轴单元25与该离合器31传动连接，该电机控制器21与该驱动电机23控制连接，该转速编码器22分别与该驱动电机23及该电机控制器21连接，以获取该驱动电机23转速参数并向该电机控制器21传输，该线控控制器50与该电机控制器21及角度编码器403控制连接，以获取该转向参数并通过该电机控制器21控制该驱动电机23运转。
此外该同步带机构32具体包括：上主轴同步带轮321，下主轴同步带轮322，主动同步带323，转向架同步带轮324，其中该上/下主轴同步带轮321、322相互固定连接，并分别依次可旋转套接在该转轴单元25上形成同步带机构32第一及第三传动端，其中该转轴单元25包括：联轴器251，传动主轴252，该联轴器251第一端与该减速器24传动端连接，其第二端与该传动主轴252连接，该传动主轴252上依次套接该离合器31及该上/下主轴同步带轮321、322。同时该上主轴同步带轮321与该离合器31传动连接获取动力，该转向架同步带轮324即同步带机构32第二传动端其设置在该汽车转向器1传动端即该汽车转向器1的齿轮轴花键11上，此外该上主轴同步带轮321与该转向架同步带轮324之间通过该主动同步带323形成带轮连接传动，以供驱动该汽车转向器1转向运动。
其中该反馈单元40包括：编码器同步带轮401，传动轴402，角度编码器403，从动同步带404，其中该角度编码器403通过传动轴402与该编码器同步带轮401传动连接，该编码器同步带轮401与该下主轴同步带轮322即同步带机构32第三传动端之间通过从动同步带404形成带轮连接传动，从而通过该角度编码器403获取该同步带机构32当前的转向参数，以便为后续主控器2切换自动控制模式下介入当前操控转向的角度参照。
具体来说，在自动转向模式下，该负责自动驾驶的主控器2根据现有技术的无人驾驶控制程序，依据当前车辆转速参数，转向参数经计算后，适时根据预设指令或人工操控指令进行自动模式的切换，经由can总线传输给线控控制器50，再由其通过can总线传输给电机控制器21，以控制驱动电机23按照既定方向、转速、转角驱动减速器24来带动转轴单元25驱动该离合器31及同步带机构32实现该汽车转向器1做对应的转向运动。
在此过程中，与该驱动电机23连接的转速编码器22将实时反馈电机转速至电机控制器21，同时该下主轴同步带轮322通过从动同步带404，带动该编码器同步带轮401转动，以供该角度编码器403实时获取该转向参数，并经由该线控控制器50传输给该电机控制器21，以供该电机控制器21通过pid算法形成转向角与转向速度的实时闭环控制，实现车辆精准平稳转向。
另一方面，由于目前，多数转向架eps系统的电机没有自锁功能。在自动转向并长时间保持在一个方向上的工况下，电机将汲取电流以锁止转向架保持行驶方向；电机锁止电流/力矩会随着路况负载及路面摩擦的变化而波动，尤其是在坑洼不平路面上转向，电机锁止电流将会激增并存在电机过热损坏或影响周边电子元件的风险。
转向架或转向柱自锁机构能够有效地解决这类长时定向转向时电机过热的问题。市场上部分线控转向模块采用蜗轮蜗杆式电机减速器，利用涡轮蜗杆反向输入的自锁特性阻隔路面负载传递到电机输出轴的转矩，换句话说，定向转向时保持行驶方向的力矩由转向架机构和涡轮蜗杆减速器承受。但同时由于这种不可电控的机械式刚性自锁特性，转向机构无法通过方向盘输入进行人工转向操作，故只能应用于不带方向盘和转向柱的自动无人驾驶车辆。
为了解决上述问题，本实用新型在优选实施方式中，该驱动总成20还进一步包括：制动器26，本实施例中优选为电控制动器，该制动器26分别与该驱动电机23及电机控制器21连接，以受该电机控制器21指令控制锁止该驱动电机23，以保持汽车转向器1当前转向角度。
从而采用在驱动电机23尾部增加制动器26方式，在长时定向转向时，由电机控制器21控制制动器26闭合锁止驱动电机23，从而避免驱动电机23为保持转向角因长时汲取电流而引起的过热问题。同时，该制动器26的制动力矩由于通过该减速器24、及该汽车转向器1内部的齿轮齿条机构的减速比放大，能够轻松地克服定向巡航时从坑洼不平路面反馈回来的偏航力矩；换言之，这种机构布置能够使得紧凑的小型电控制动器产生较大的航向保持制动力矩，从而节省安装空间及硬件成本。
此外，主控器2经该线控控制器50操控电磁离合器分离后，即可进入手动模式，在该手动转向模式下，驾驶员转动方向盘通过现有技术结构的转向柱、万向节传递给汽车转向器1传动端11，驱动齿条做直线运动实现车辆手动转向。此过程中，会带动与汽车转向器1传动端相连的转向架同步带轮324同步转动，并通过主动同步带323传递给上主轴同步带轮321，以及与之相连的下主轴同步带轮322，再由下主轴同步带轮322通过从动同步带404依次传递给编码器同步带轮401、传动轴402和角度编码器403。并将角度编码器403测得的转向角实时地反馈给线控控制器50，由can总线传输给电机控制器21和主控器2。这样，即使车辆工作在人工驾驶情况下，自动驾驶的主控器2依然能够实时准确地获取车辆转向角。当需要随时从人工驾驶切换至自动驾驶时，瞬时准确的转向角便成为车辆自动转向的重要初始参考值。
值得一提的是，该电磁离合器在车辆人工驾驶模式下是一直处于脱离状态的。换句话说，定子线圈断电电磁力消失，在碟形弹簧回复力的作用下电枢摩擦盘被拉离转子断开运动传递。这样，上主轴同步带轮321的转动只能传递到与之相连的电枢摩擦盘，而不能够到达电磁离合器的转子以及与之通过键连接的传动主轴252。
另外，驱动电机23尾部的制动器26自动啮合并锁死驱动电机23以及与之通过联轴器251连接的传动主轴252，也就是说在人工转向的情况下，只有上主轴同步带轮321、电枢摩擦盘、下主轴同步带轮322能够绕传动主轴252作旋转运动，其余在传动主轴252轴线上的零部件相对于车身静止不动。这样，不仅减少了转向时的系统转动惯量，使得人工转向时所需转向力与车辆未改装前基本保持一致；而且阻隔了因动力链反向输入而传递给方向盘的减速器24摩擦力，驱动电机23反电动势力和驱动总成整体的惯性力；从而使得方向盘能够更真实地反馈路况及负载的转向感觉，优化人工驾驶体验。
此外值得一提的是，本实用新型采用的是齿轮与同步带机构混合传动，即减速器24的行星齿轮机构—>同步带机构32—>汽车转向器1的齿轮齿条机构。因此无齿隙高效率的同步带机构32用于传递电机输出转矩给转向架传动端后，规避了由齿隙（存在于齿轮传动）所导致的转向角误差、机械振动和噪音问题。同时，同步带与同步带轮之间属于金属与弹性体接触且具备自润滑特性，相比齿轮副之间的金属与金属接触，拥有无需润滑以及少维护的优势。
此外，在可选的实施方式下本领域技术人员可以根据上述实施例知晓，该离合器31还可以为：液压式电控离合器31、气压式电控离合器31等。而该同步带机构32亦可采用圆形皮带机构、v形带机构、平带机构、链传动机构等。因此本实施例所提出的任何替换实施方式，仅用于说明本方案的可实现性而并未进行限制，任何可以实现本实用新型方案的同等替换实施方式，皆在本实用新型的公开保护范围内。
本实用新型另一方面还提供了一种无人驾驶汽车，其采用了本实用新型的汽车自动转向机构制成。
通过本实用新型提供的汽车自动转向机构及包括其的无人驾驶汽车，能够在不改变现有传动链及底盘结构件的条件下，使现有车辆经改进后同时具备人工及自动电控转向功能，从而降低了技术使用门槛，并进一步扩大了适用群体，降低了获取自动驾驶功能的成本，节能环保。此外其整体机构简单紧凑，需要维护的零部件较少，因此系统性价比高并且稳定可靠。而另一方面相比现有技术更进一步提高了手控驾驶手感，使得车辆转向系统能够更真实地反馈路况及负载的转向感觉，优化了人工驾驶体验。
以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
此外，本实用新型实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型实施例的思想，其同样应当视为本实用新型实施例所公开的内容。
1.一种汽车自动转向机构，其与汽车转向器连接，并受主控器控制，其特征在于包括：分别与电源装置连接的驱动总成，转向单元，反馈单元及线控控制器，其中所述转向单元包括：离合器及同步带机构，所述同步带机构第一传动端通过所述离合器与所述驱动总成传动连接，所述同步带机构第二传动端与所述汽车转向器传动连接，所述反馈单元与所述同步带机构第三传动端传动连接，以获取转向参数，所述驱动总成、反馈单元及离合器分别通过所述线控控制器与所述主控器控制连接，以供所述主控器获取所述转向参数以适时介入所述离合器开合控制，以在手/自动模式之间切换对所述汽车转向器的控制。
2.根据权利要求1所述的汽车自动转向机构，其特征在于，所述驱动总成包括：电机控制器，转速编码器，驱动电机，减速器，转轴单元，其中所述驱动电机通过所述减速器与所述转轴单元传动连接，并籍由所述转轴单元与所述离合器传动连接，所述电机控制器与所述驱动电机控制连接，所述转速编码器分别与所述驱动电机及所述电机控制器连接，以获取所述驱动电机转速参数并向所述电机控制器传输，所述线控控制器与所述电机控制器及反馈单元控制连接，以获取所述转向参数并通过所述电机控制器控制所述驱动电机。
3.根据权利要求2所述的汽车自动转向机构，其特征在于，所述驱动总成还包括：制动器，所述制动器分别与所述驱动电机及电机控制器连接，以受所述电机控制器指令控制锁止所述驱动电机，以保持汽车转向器当前转向角度。
4.根据权利要求2所述的汽车自动转向机构，其特征在于，所述同步带机构包括：上主轴同步带轮，下主轴同步带轮，主动同步带，转向架同步带轮，其中所述上/下主轴同步带轮、相互固定连接，并分别依次可旋转套接在所述转轴单元上，所述上主轴同步带轮与所述离合器传动连接，所述转向架同步带轮设置在所述汽车转向器传动端，所述上主轴同步带轮与所述转向架同步带轮之间通过所述主动同步带形成带轮连接传动。
5.根据权利要求4所述的汽车自动转向机构，其特征在于，所述反馈单元包括：编码器同步带轮，传动轴，角度编码器，从动同步带，其中所述角度编码器通过传动轴与所述编码器同步带轮传动连接，所述编码器同步带轮与所述下主轴同步带轮之间通过从动同步带形成带轮连接传动。
6.根据权利要求4所述的汽车自动转向机构，其特征在于，所述转轴单元包括：联轴器，传动主轴，所述联轴器第一端与所述减速器传动端连接，其第二端与所述传动主轴连接，所述传动主轴上依次套接所述离合器及所述上/下主轴同步带轮。
7.根据权利要求2至6中任一所述的汽车自动转向机构，其特征在于，所述驱动电机为：直流无刷电机、交流同步电机、交流异步电机、交流伺服电机、直流伺服电机、直流有刷电机、直流/交流步进电机中的至少一种。
8.根据权利要求2至6中任一所述的汽车自动转向机构，其特征在于，所述减速器为：行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、行星摆线针轮减速器、谐波减速器、无级变速减速器中的至少一种。
9.根据权利要求1至6中任一所述的汽车自动转向机构，其特征在于，所述离合器为：电磁离合器、液压式电控离合器、气压式电控离合器中的至少一种。
10.一种无人驾驶汽车，其特征在于，采用了如权利要求1至6中任一所述汽车自动转向机构制成。
技术总结