基于自動換擋機械手的汽車自動駕駛裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要當(dāng)前我國汽車駕駛還停留在人工駕駛與輔助駕駛相結(jié)合的層次，自動駕駛技術(shù)發(fā)展遲滯不前，人工駕駛效率低，尤其是長途駕駛浪費時間且安全性較差，容易發(fā)生交通事故。因此，設(shè)計一種控制精度高、安全性好、疲勞耐久性強、自動化程度高、可代替人工實現(xiàn)長時間駕駛的汽車自動駕駛裝置來實現(xiàn)自動駕駛，降低交通事故發(fā)生率。本文針對人工駕駛安全性差等缺點，以PID控制方式為基礎(chǔ)，采用伺服電機驅(qū)動，設(shè)計了一款汽車自動駕駛裝置。通過一系列的傳感器，感知汽車行駛的外部環(huán)境，并通過主控電腦控制裝置動作。以方向盤轉(zhuǎn)向裝置實現(xiàn)對方向盤的控制，以自動換檔機械手對汽車實現(xiàn)換檔控制，以油門、制動踏板機械裝置實現(xiàn)對汽車的速度控制。本文所設(shè)計的汽車自動駕駛裝置，能實現(xiàn)完全自動化，做到對汽車的自動駕駛，通過使用可調(diào)裝置，使得裝置通用性大大提高，能適應(yīng)不同車型。同時加以改裝也可用于汽車道路測試等場合。關(guān)鍵詞：汽車；自動駕駛；安全性；自動化目錄TOC\o"1-3"\f\u1緒論 11.1課題研究背景 11.2國內(nèi)外自動駕駛發(fā)展概況 11.2.1國外汽車自動駕駛發(fā)展概況 11.2.2國內(nèi)汽車自動駕駛發(fā)展概況 AUTONUM1.3汽車自動駕駛特點 21.4設(shè)計目標(biāo) 31.4.1設(shè)計目標(biāo) 31.4.2設(shè)計內(nèi)容 32總體方案 42.1自動駕駛方式分析 42.2自動駕駛裝置總體方案 43方向盤轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計 73.1方向盤轉(zhuǎn)向裝置任務(wù)分析 73.2方向盤轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計計算 73.2.1方向盤轉(zhuǎn)向力計算 73.2.2驅(qū)動電機選擇 103.2.3轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸計算 123.2.4聯(lián)軸器的選擇 153.2.5減速機選定 183.2.6傳感器的選擇 194自動換檔裝置設(shè)計 454.1自動換檔裝置設(shè)計分析 454.2自動換檔裝置設(shè)計計算 454.2.1電動機選擇 454.2.2滾珠絲杠的選型 454.2.3滾珠絲杠的軸承選擇及校核 464.2.4聯(lián)軸器選擇 495油門、制動踏板機械裝置設(shè)計 545.1油門、制動踏板機械裝置設(shè)計分析 545.2油門、制動踏板機械裝置設(shè)計計算 545.2.1踏板輸入力的計算 555.2.2電動推桿的選擇 555.2.3電動推桿頂端接頭設(shè)計 566控制方案設(shè)計 656.1自動駕駛裝置控制方案設(shè)計分析 656.2自動駕駛裝置控制設(shè)計 656.2.1控制裝置硬件組成 656.2.2方向盤轉(zhuǎn)向裝置控制方案 666.2.3自動換檔裝置控制方案 676.2.4油門、制動踏板機械裝置控制方案 706.2.5車輛安全控制方案 717可行性分析 967.1安全性分析 967.2經(jīng)濟(jì)性分析 968總結(jié)與展望 978.1總結(jié) 978.2展望 97參考文獻(xiàn) 99 6301緒論1.1課題研究背景隨著汽車工業(yè)的大力發(fā)展,越來越多的汽車應(yīng)用于人們的生活。汽車代步作為一種新型代步交通工具,極大地充分方便了現(xiàn)代人們的日常出行。汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展明顯地改變了人們的日常生活工作方式,在方便城市交通的同時,使許多人們的日常生活空間更加廣闊,交流更加便利,生活空間半徑不斷增大,使許多人們生活心情愉快,工作效率得到提高。隨著我們現(xiàn)代科學(xué)以及信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展和更能適應(yīng)人們現(xiàn)實生活中的需要,人們對于純電動汽車的安全駕駛性能安全性和道路行車安全可靠性相關(guān)問題已經(jīng)提出了越來越高的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,并且迫切的要求汽車智能化以實現(xiàn)自動駕駛來解放人力,并且提高安全性和可靠性。汽車自動智能化駕駛是汽車百年來最大的一項技術(shù)創(chuàng)新,實施汽車智能自動駕駛后,將大大提高城市道路交通管理效率,大大減少普通道路發(fā)生交通事故。自動無人駕駛裝置是一種控制具有個人自主自動駕駛能力行為的一種機械驅(qū)動裝置。它們還可以根據(jù)平時人們的駕駛指令自動進(jìn)行各種相關(guān)的自動駕駛控制操作,如緊急啟動、加速、制動、變換車道等。還有車可以通過采用環(huán)境自動感知系統(tǒng)實現(xiàn)車輛自主控制駕駛各種行為,如車輛軌跡自動跟蹤、變換車道、避免碰撞、停車等,與其他駕駛員自主駕駛行為相比,該自動自主駕駛控制裝置同時具有控制精度高、重復(fù)性好等諸多優(yōu)點,該自動自主駕駛控制裝置同時通過采用環(huán)境自動感知與識別系統(tǒng),能顯著大幅提高車輛自動化控制程度,并能直接代替其他駕駛員駕車完成一定的疲勞和具有危險性的駕駛。道路交通事故每年在全世界造成約6000億美元的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的人工駕駛會占用更多的人工時間且安全性得不到保證,交通事故頻發(fā)。設(shè)計一種控制精度高、安全性能好、疲勞耐久性強、自動化程度高的自動駕駛裝置是解決我國交通事故高發(fā)的有效辦法。1.2國內(nèi)外汽車自動駕駛發(fā)展概況1.2.1國外汽車自動駕駛發(fā)展概況國外自動安全駕駛技術(shù)自上世紀(jì)六七十年代就已經(jīng)初步開始發(fā)展,一般最開始主要是為了用來代替一些通常人類無法安全完成的危險安全駕駛檢測環(huán)境,發(fā)展起來到今天，取得了很大的發(fā)展進(jìn)步,技術(shù)在不斷加速它的發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域范圍也在得到不斷擴(kuò)大,但自動安全駕駛檢測設(shè)備的一些關(guān)鍵技術(shù)還在不斷保密發(fā)展過程中,主要關(guān)鍵技術(shù)也由發(fā)達(dá)國家的一些知名技術(shù)測試商和儀器制造公司負(fù)責(zé)主導(dǎo)。德國STAHLE公司現(xiàn)在已經(jīng)為全球許多主要的汽車制造商提供了上千套試驗室機器人系統(tǒng)，包括奔馳、大眾、奧迪、寶馬等公司和機構(gòu)。SFPhybrid自動駕駛儀系統(tǒng)為現(xiàn)有的制動駕駛系統(tǒng)中先進(jìn)的計算機控制系統(tǒng)，主要用于試驗車輛的各種動態(tài)控制性能和在汽車試驗使用場地或者在試驗機場跑道上需要進(jìn)行的各種功能安全控制試驗。加速底盤踏板和齒輪制動底盤踏板位置可自動切換驅(qū)動減速車輛。為了方便執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和用戶定制的各種測試操作過程,具有通用機器人測試水平儀的最高精度和可重復(fù)性。所有安裝組件均精心設(shè)計成適用于快速車輛安裝，可在15分鐘內(nèi)快速安裝車輛上,且不改變車輛原有的設(shè)計結(jié)構(gòu)。靈活方便的用戶界面和高性能的機器人控制軟件使系統(tǒng)易于配置和操作。1.2.2國內(nèi)汽車自動駕駛發(fā)展概況隨著我國汽車電子工業(yè)的快速發(fā)展,汽車自動技術(shù)日趨成熟,國內(nèi)眾多專業(yè)研究學(xué)術(shù)機構(gòu)對我國汽車自動無人駕駛相關(guān)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了深入性的研究,并推出了多種自動駕駛系統(tǒng)及裝置,但多用于汽車測試等特殊環(huán)境,普及性、通用性比較差。國內(nèi)汽車機器人自動駕駛汽車技術(shù)發(fā)展始于上世紀(jì)90年代中期,主要應(yīng)用集中在大型汽車制造企業(yè)、高校和大學(xué)科研機構(gòu)。東南大學(xué)與南京汽車研究院共同成功創(chuàng)造了國內(nèi)第一臺采用具有國家自主研發(fā)知識產(chǎn)權(quán)的DNC-1,并自主研制了首臺自動駕駛機器人。自動駕駛機器人，在國外是一個很大的技術(shù)壟斷,價格也相對昂貴,但國內(nèi)對自動駕駛裝置的研發(fā)并不多,大多集中在開發(fā)無人操作系統(tǒng)上。國內(nèi)的其他許多高校也在汽車自動駕駛的相關(guān)方面取得一定成果，但主要側(cè)重于智能車輛、自動駕駛汽車的研究，真正用于汽車道路實用的汽車自動駕駛裝置并不多。1.3汽車自動駕駛特點自動無人駕駛作為現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù),是眾多國際高新技術(shù)的重要承載者。他是指部分或全部同時完成一項或多項車輛駕駛安全任務(wù)的一種車輛駕駛技術(shù)。廣義上的來說,具有自動安全駕駛應(yīng)用性能的危險車輛平臺，是一種戶外駕駛智能移動機器人,當(dāng)危險車輛駕駛平臺系統(tǒng)通過紅外傳感器自動獲取車輛外部環(huán)境狀態(tài)信息時,它通過自動分析和控制了解外部環(huán)境場景,對危險車輛狀態(tài)信息進(jìn)行自動預(yù)警或通過控制改變車輛的各種縱向或其他橫向內(nèi)部運動姿勢來有效規(guī)避駕駛風(fēng)險。具備這些性能的汽車，才可以被確認(rèn)為該車輛平臺具有自動安全駕駛的應(yīng)用能力。汽車自動駕駛是一門新興的專業(yè)交叉學(xué)科。他的許多新科學(xué)思想和新的解決問題方案也都得益于其他專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)靈感和創(chuàng)新技術(shù)支持,如應(yīng)用機器人、人工智能、計算機等專業(yè)領(lǐng)域。比如它的一些機構(gòu)和裝備,如紅外、雷達(dá)、聲納等,都是從軍營來的。1.4設(shè)計目標(biāo)1.4.1設(shè)計目標(biāo)針對當(dāng)前傳統(tǒng)的人工駕駛占用較多的人力時間且安全性較低，交通事故發(fā)生率高這一現(xiàn)象，設(shè)計一款通用性強、控制精度高、自動化程度高的汽車自動駕駛裝置。1.4.2設(shè)計內(nèi)容從上文的分析中，我國汽車自動駕駛技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于汽車產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，已經(jīng)成為阻礙我國汽車產(chǎn)業(yè)、交通運輸行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的嚴(yán)重問題，因而通過自動化駕駛來解放人力，降低交通運輸?shù)馁M用、減少交通事故的發(fā)生是目前汽車駕駛發(fā)展的主要趨勢。本文將針對汽車自動駕駛設(shè)計一款自動駕駛裝置來解決自動駕駛的難題\t"F:/Documents/Desktop/%E3%80%8A%E6%88%91%E7%9A%84%E8%AE%BA%E6%96%87%E3%80%8BPaperFree%E6%96%87%E6%A1%A3%E6%A3%80%E6%B5%8B%E6%8A%A5%E5%91%8A/htmls/detail_report/right"。本文所設(shè)計對象是一種汽車自動駕駛裝置，其中涉及到機械設(shè)計、控制學(xué)等方面知識，本文將會針對以下幾個問題進(jìn)行深入探討。（1）明確自動駕駛的重點難點，對汽車駕駛的動作進(jìn)行分類，針對不同的動作設(shè)計不同的機構(gòu)來實現(xiàn)動作，進(jìn)而實現(xiàn)汽車的自動駕駛，解決當(dāng)前人工駕駛的不足。（2）解決自動駕駛時，駕駛外部環(huán)境感知問題。駕駛外部環(huán)境的感知主要依靠汽車上安裝一系列的傳感器和雷達(dá)對周圍環(huán)境進(jìn)行感知，再通過主控電腦對機構(gòu)進(jìn)行控制，從而控制汽車駕駛。（3）以自動換檔機械手對汽車實現(xiàn)換檔控制，以油門、制動踏板機械裝置實現(xiàn)對汽車的速度控制，以方向盤轉(zhuǎn)向裝置對方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

2總體方案通過對人工駕駛汽車動作的分析，結(jié)合自動駕駛的根本需求，本文通過對人工駕駛汽車的動作進(jìn)行模仿，設(shè)計出一款自動化程度高的汽車自動駕駛機械裝置。2.1自動駕駛方式分析現(xiàn)階段我國人民生活越來越富足了，汽車的數(shù)量也與日俱增，但從目前人們購買汽車來看，這一定是汽車更易于駕駛和使用的主導(dǎo)趨勢。自動變速箱正好符合這個標(biāo)準(zhǔn)，隨著新能源和電氣工程的發(fā)展，手動變速箱的車輛可能會逐漸被淘汰。與手動變速箱相比，配備自動變速箱的車輛沒有離合器也不需要換檔，駕駛舒適，非常受駕駛者歡迎。并且車輛會根據(jù)速度和交通狀況自動選擇合適的檔位進(jìn)行駕駛。因此自動檔汽車相對于手動檔汽車來說在自動化程度上有了一定的進(jìn)步。雖然目前自動檔汽車快速發(fā)展，但是離真正的自動駕駛還是相差甚遠(yuǎn)。因此，本文通過模仿人們駕駛自動檔汽車的動作來設(shè)計一款自動駕駛裝置，提高汽車的自動化駕駛水平，解放人力，進(jìn)一步減少交通事故。2.2自動駕駛裝置總體方案汽車自動駕駛裝置包括方向盤轉(zhuǎn)向裝置，自動換檔裝置，油門、制動踏板機械裝置及各部分對應(yīng)的控制模塊及總體的控制系統(tǒng)組成。總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1總的裝置圖Figure2-1Externalsurfacezoningofmotorvehiclecar1-基體2—方向盤轉(zhuǎn)向裝置3—自動換檔裝置4—油門、制動踏板機械裝置方向盤轉(zhuǎn)向裝置由直流電機、減速機、聯(lián)軸器、固定在方向盤上類似于風(fēng)扇扇葉的轉(zhuǎn)動裝置組成。直流電機通過減速機減速后由聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)動裝置連接。電機的正反轉(zhuǎn)通過轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)化為方向盤的順時針或逆時針轉(zhuǎn)動。換檔裝置由伺服電機、減速機、滾珠絲杠以及固連在滾珠絲杠上的換檔機械手組成，電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠收入與深出，帶動固連在絲杠螺母上的換檔機械手直線運動，從而實現(xiàn)自動檔汽車的直線換檔。油門、制動踏板機械裝置結(jié)構(gòu)相似都是由電動推桿組成，電動推桿一端固連一塊方形板，增大與踏板之間的接觸面積，伺服電機通過正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)電動推桿的伸縮，從而控制踏板壓下與抬起。

3方向盤轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計3.1方向盤轉(zhuǎn)向裝置任務(wù)分析因為汽車駕駛過程中需要方向盤經(jīng)常順/逆時針轉(zhuǎn)動以調(diào)整汽車行駛方向，或者汽車需要轉(zhuǎn)向或調(diào)頭時需要方向盤有較大角度的轉(zhuǎn)動，因此方向盤轉(zhuǎn)向裝置需要有較高的靈敏度、較頻繁的轉(zhuǎn)動和較大的轉(zhuǎn)動角度。設(shè)計方案如下，方向盤轉(zhuǎn)向裝置如圖3-1所示，方向盤轉(zhuǎn)向裝置整體模仿三葉片電風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，三個扇葉位置可調(diào)以適應(yīng)于不同種類汽車的方向盤，扇葉底部有環(huán)形卡槽與方向盤輪輻相固連從而實現(xiàn)裝置整體與方向盤的連接。方向盤轉(zhuǎn)向裝置由伺服電機為動力源經(jīng)由減速機減速后通過聯(lián)軸器與執(zhí)行機構(gòu)主軸相連控制方向盤轉(zhuǎn)動?？刂葡到y(tǒng)通過方向盤下安裝的汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器來檢測方向盤的轉(zhuǎn)動情況，實現(xiàn)對伺服電機的控制。圖3-1方向盤轉(zhuǎn)向裝置裝配圖Figure3-1Steering

wheel

steering

device

with

drawing1—基體2—連桿3—直流電機4—聯(lián)軸器5—轉(zhuǎn)向裝置6—減速機3.2方向盤轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計計算3.2.1方向盤轉(zhuǎn)向力計算汽車方向盤轉(zhuǎn)向力根據(jù)汽車靜止和運動狀態(tài)不同而不同，分為汽車在靜止時轉(zhuǎn)動方向盤所需的力（簡稱“靜態(tài)手力”）以及車輛在行駛過程中轉(zhuǎn)動方向盤所需的力（簡稱“動態(tài)手力”）。常見的車輛專業(yè)相關(guān)教材中通常用以下公式描述車輛在靜止時汽車的轉(zhuǎn)向阻力矩：Tw=μ33G1式中：G1汽車前軸載荷，取為10000Nμ輪胎和路面的摩擦因數(shù)，一般取為0.7；P輪胎氣壓，一般取為250KPa;此時，需要轉(zhuǎn)向盤提供的轉(zhuǎn)矩為：T?=Twiω0η+式中：iw0轉(zhuǎn)向系角傳動比,貨車的轉(zhuǎn)向系角傳動比在13-35之間，轎車的轉(zhuǎn)向系角傳動比在10-24之間，此處轉(zhuǎn)向系角傳動比取為20η+轉(zhuǎn)向系正效率， η+一般在70％～85％，這里取η+汽車在行駛過程中，輪胎在滾動時受到摩擦為滾動摩擦。由于滾動摩擦的摩擦力小于靜摩擦的摩擦力，因此不難推測，動態(tài)手力會遠(yuǎn)小于靜態(tài)手力。根據(jù)轎車無助力轉(zhuǎn)向時，轎車的前載荷為1.5噸時測得的數(shù)據(jù)顯示靜態(tài)手力為30Nm而動態(tài)手力則不到1Nm。因此汽車轉(zhuǎn)向盤，所需最大力矩為靜態(tài)力矩30Nm。3.2.2驅(qū)動電機選擇因為考慮到汽車行駛過程中方向盤需要經(jīng)常順時針或逆時針轉(zhuǎn)動以調(diào)整汽車行駛狀態(tài)及車身位置，因此要求驅(qū)動電機經(jīng)常正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)或甚至是經(jīng)常啟動或停止。因此對電機的要求書啟、制動，正反轉(zhuǎn)頻繁。由于直流電動機具有良好的啟動性能和速度控制，因此選擇直流電動機。由于伺服電機是由伺服系統(tǒng)控制，其輸出大小可以控制位置、方向、狀態(tài)等被控對象，可使控制速度、位置精度十分準(zhǔn)確，因此選用直流伺服電動機。并且由于無刷電機比有刷電機體積小，所以響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，扭矩穩(wěn)定，因此方向盤轉(zhuǎn)向裝置所用驅(qū)動電機最終選型為無刷結(jié)構(gòu)的永磁式直流伺服電機。由于電動機轉(zhuǎn)速過高，而直接輸出的轉(zhuǎn)矩較小，因此應(yīng)經(jīng)減速機減速并加大扭矩，因此，電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為：Te=TamaxG式中:G為減速機構(gòu)的減速比,此處取G=10；方向盤在緊急情況時的轉(zhuǎn)動速度一般取n?=1r/s=60r/min,ne=n??G由式（3-3）和（3-4）可得到電動機的額定功率：Pe=Te?n電動機的型號由電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速和額定功率計算值選擇。電機型號如表3-1所示。表3-1永磁直流電機性能參數(shù)Table3-1PermanentmagnetDCmotorperformanceparameters型號功率負(fù)載轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流電壓110ZYT56200w600r/min3.18N·m5A24V3.2.3轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸計算最小直徑預(yù)估根據(jù)設(shè)計方案，轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸設(shè)計的參數(shù)如表3-2所示。表3-2轉(zhuǎn)軸設(shè)計參數(shù)Table3-2Shaftdesignparameters功率轉(zhuǎn)速扭矩材料許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力鍵槽400W100r/min40Cr2轉(zhuǎn)軸最小直徑： dmin≥A3Pn式中：P—軸傳遞的功率，KW；n—工作機的轉(zhuǎn)速，r/min;A—由許用應(yīng)力確定的系數(shù)，此處依扭轉(zhuǎn)強度取A=110。由于轉(zhuǎn)軸需要設(shè)置個2鍵槽，軸徑增大15%： dmin=初步確定軸的直徑和長度轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸的示意圖如圖3-2所示。圖3-2方向盤轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸Figure3-2Steeringwheelsteeringdeviceshaft轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸各軸段參數(shù)如表3-3所示。表3-3轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)軸各軸端數(shù)據(jù)Table3-3Dataofeachshaftendofthesteeringshaft軸段ⅠⅡ直徑2026長度130轉(zhuǎn)軸的彎矩計算靠近方向盤一端軸受力F1=30N，靠近減速機一端軸受力為F2=10N；方向盤一端距離兩段軸截面的距離L1=20mm,減速機一端距離兩段軸截面的距離L2M=F1?L1+轉(zhuǎn)軸的扭矩計算轉(zhuǎn)軸受來自方向盤的最大扭矩T1=30000Nmm，受來自減速機的最大扭矩T2=49000NT=T1+T轉(zhuǎn)軸的強度校核根據(jù)第三強度理論，軸的彎扭合成強度為：σca=M2式中：σca—軸的計算應(yīng)力，MPaM—軸所受的彎矩；T—軸所受的扭矩；α—折合系數(shù)，此處扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取α≈0.6；W—軸的抗彎截面系數(shù)，mm3,此處截面為圓截面，W=π查閱資料，40cr的許用彎曲應(yīng)力為70MPa,大于59.3MPa，所以轉(zhuǎn)軸強度滿足要求。3.2.4聯(lián)軸器的選擇在方向盤轉(zhuǎn)向裝置中，需要用兩個聯(lián)軸器將電動機與轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接，這兩個聯(lián)軸器分別用于連接直流電機和減速器的高速軸，用于連接減速器的低速軸和旋轉(zhuǎn)軸。對于前者，由于所連接軸的轉(zhuǎn)速較高，應(yīng)選擇具有較低慣性矩的撓性聯(lián)軸器，以減少啟動載荷并減輕沖擊。此處前置聯(lián)軸器選擇彈性柱銷聯(lián)軸器。表3-4高速軸聯(lián)軸器基本參數(shù)Table3-4Basicparametersofhigh-speedshaftcoupling聯(lián)軸器型號LX1彈性柱銷聯(lián)軸器主動端：Y型軸孔，A型鍵槽d2=16mmL1從動端：J型軸孔，A型鍵槽dL2對于后者，由于連接軸的轉(zhuǎn)速較低，傳遞的扭矩較大；同時應(yīng)選用剛性聯(lián)軸器以保證兩軸的安裝精度，此處選擇凸緣聯(lián)軸器。 表3-5低速軸聯(lián)軸器基本參數(shù)Table3-5Basic

parameters

of

low

speed

shaft

coupling聯(lián)軸器型號GY2型凸緣聯(lián)軸器主動端：J型軸孔，A型鍵槽d1=20mmL1從動端：Y型軸孔，A型鍵槽dL23.2.5減速機選定考慮到電機轉(zhuǎn)速過高，輸出扭矩小，因此需要減速機構(gòu)減速，扭矩增大后才能驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸。上文在選擇驅(qū)動電機時，減速機構(gòu)的減速比應(yīng)為10。與蝸輪相比，齒輪傳動傳動比恒定，傳動平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣；預(yù)期壽命長；高效率；結(jié)構(gòu)緊湊。另外，蝸輪蝸桿傳動效率低，因此減速機選用齒輪傳動。與直齒輪相比，斜齒輪為每對齒輪逐漸嚙合，沒有嚙合沖擊現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)相對平穩(wěn)，更容易保證恒定的傳動比。又因為該方向盤轉(zhuǎn)向裝置整體無較大載荷，所以相比之下減速機的傳動方式選擇斜齒輪傳動更佳。表3-6減速機參數(shù)Table3-6Reducer

parameter型號輸出轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)矩徑向負(fù)荷RF87ZYT110M4/10.31/M171r/min49Nm4320N圖3-3減速機三維圖Figure3-3Three-dimensionalview

of

reducer3.2.6傳感器的選擇傳感器應(yīng)用目的方向盤轉(zhuǎn)向裝置需要時刻清楚方向盤的轉(zhuǎn)動角度，因此需要一角位移傳感器來測量方向盤的轉(zhuǎn)動角度。由于很多時候汽車方向盤的轉(zhuǎn)動角度并不是很大，因此需要一款高精度的角位移傳感器。傳感器選擇分析常見的位移檢測元件包括：電感式傳感器、電容式傳感器、電感式同步器、光電編碼器等。其中，光電編碼器只能測試角位移，其他類型的傳感器包括線位移傳感器和角位移傳感器。電感式傳感器其測量范圍有限，因此無法選在此處應(yīng)用。電容式傳感器也因為測量范圍小，無法滿足方向盤在大角度轉(zhuǎn)向時的測量要求，因此此處也不采用。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器與光柵、磁柵傳感器和光電編碼器的測量范圍都局限于0°~360°之間，而汽車方向盤打滿則需2.5或3圈，因此常見的傳感器均無法滿足該方向盤轉(zhuǎn)向裝置的測量要求。此外，在汽車應(yīng)用中，由于光電傳感器的可靠性等問題，此類產(chǎn)品很少使用。因此，有必要使用專為測量汽車方向盤角度而設(shè)計的方向盤角度傳感器。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器采用機械式三檔結(jié)構(gòu)，測量轉(zhuǎn)向角和圈數(shù)。大齒輪隨飛輪柱旋轉(zhuǎn)，兩個小齒輪的齒數(shù)相差為1。它與傳感器外殼一起固定在機體上，飛輪轉(zhuǎn)動時不旋轉(zhuǎn)。兩個小齒輪分別檢測飛輪的旋轉(zhuǎn)角度。由于一個齒數(shù)的差距，不同的轉(zhuǎn)數(shù)會相差一定的角度，飛輪的絕對轉(zhuǎn)角可以通過計算確定。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖3-4方向盤轉(zhuǎn)角傳感器Figure3-4Steeringwheelanglesensor齒輪；2—測量齒輪；3—磁鐵；4—判斷電路；5—各向異性磁阻（AMR）集成電路4自動換檔裝置設(shè)計4.1自動換檔裝置設(shè)計分析汽車自動換檔裝置通過模擬人工駕駛自動檔汽車進(jìn)行換檔操作進(jìn)行設(shè)計?，F(xiàn)有自動檔汽車絕大多數(shù)檔位分為P檔、R檔、N檔、D檔四個檔位，且四個檔位都在同一直線上。因此需要設(shè)計一機械手夾持汽車檔位進(jìn)行直線換檔。同時需要一機構(gòu)將電機主軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為換檔機械手的直線運動。常見的將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的機構(gòu)有螺旋式旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、凸輪式旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)等機構(gòu)。由于凸輪式旋轉(zhuǎn)機構(gòu)屬于高副接觸，易于磨損；且汽車檔位的變換是依據(jù)道路情況而定的，無規(guī)律可尋，因此凸輪輪廓結(jié)構(gòu)難以設(shè)計，所以凸輪式旋轉(zhuǎn)機構(gòu)不在我們考慮范圍內(nèi)。曲柄滑塊機構(gòu)由于其將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動后直線運動非勻速運動，因此難以準(zhǔn)確控制電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)數(shù)來控制汽車檔位換檔進(jìn)程，因此也不做考慮。曲柄滑塊機構(gòu)運動特性如圖4-1所示：圖4-1曲柄滑塊機構(gòu)運動特性Figure4-1Kinematic

characteristics

of

crank

slider

mechanism而螺旋式旋轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；工作平穩(wěn)，傳動精度高；輸入較小的回轉(zhuǎn)力矩便能輸出較大軸向力。滾珠絲杠便屬于螺旋式旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的一種，由螺桿、螺母等組成。它的作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。滾珠絲杠因其低摩擦阻力而被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)和精密工具中。它是精密機床中應(yīng)用最廣泛的傳動元件。它的主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，同時具有高精度和高效率的特點，軸向移動平穩(wěn)。自動換檔裝置將旋轉(zhuǎn)運動化為直線運動原理是：在絲杠旋轉(zhuǎn)的時候，螺母沿絲杠軸向運動，螺母是與換檔機械手固定在一起的，螺母沿著絲杠的滾道向換檔的方向產(chǎn)生相對運動，在運動的同時就會帶動換檔機械手做直線運動從而完成換檔動作。4.2自動換檔裝置設(shè)計計算自動換檔裝置如圖4-2所示。1—伺服電機2—聯(lián)軸器3—滾珠絲杠4—絲杠螺母5—軸承座6—連接板7—自動換檔機械手圖4-2自動換檔裝置Figure4-2Automaticgearshiftingdevice4.2.1電動機選擇自動換檔裝置對于電機的要求在于，由于換檔機械手需要經(jīng)常向前推動或者向后拉回檔位進(jìn)行換檔，即換檔機械手需要做直線往復(fù)運動，因此要求絲杠能經(jīng)常進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。同時，在駕駛過程中由于汽車經(jīng)常保持某一檔位不變。綜合以上分析該裝置所用電機應(yīng)滿足啟制動、正反轉(zhuǎn)頻繁，且需要較高的定位精度，因此選用交流伺服電機作為電機。交流伺服電機克服了步進(jìn)電機經(jīng)常出現(xiàn)的失步問題，使得其控制速度和位置精度非常精確?？紤]到自動換檔裝置運行速度較慢，電機在多數(shù)情況下處于低速運行狀態(tài)。這種類型的電機低速運行平穩(wěn)，不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機的步進(jìn)現(xiàn)象。適用于對速度行為要求較高的場合。伺服電機加減速動態(tài)響應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒量級。同時為了保持車內(nèi)安靜的環(huán)境，要選擇發(fā)熱和噪音較低的伺服電機。根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料得出相關(guān)數(shù)據(jù)，汽車實現(xiàn)換檔動作所需力低于50N。電機的輸出功率P0≥FVη,電機的額定轉(zhuǎn)速n0≥V/l該設(shè)計按F為換檔機械手換檔所需要的最大操縱力50N，換檔速度V=0.5m/s，自動換檔裝置的傳動效率η=90%，絲杠導(dǎo)程l=10mm，安全系數(shù)k=1.4進(jìn)行設(shè)計計算；電機輸出功率計算公式為： P=kFV/η=39W （4-1）電機轉(zhuǎn)速計算公式為： n=Vl最終選擇電機型號參數(shù)如表4-1所示。表4-1自動換檔裝置電機型號Table4-1Automaticgearshiftingdevicemotormodel型號功率額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩最高轉(zhuǎn)速額定相電流60CB020C200w3000r/min0.64Nm5000r/min1.27A4.2.2滾珠絲杠的選型選定絲杠精度設(shè)定汽車自動換檔裝置定位精度為±0.3mm/1000mm,換算為300mm時的允許誤差為：±0.31000=因此，為了滿足所要求的定位精度，此處絲杠必須選擇誤差低于±0.09mm/300mm的導(dǎo)程精度。根據(jù)以上條件，對照滾珠絲杠的樣本資料（圖4-2），當(dāng)精度等級為C7時的導(dǎo)程累計誤差為±0.05mm/300mm,能夠滿足汽車自動換檔裝置的精度要求。但在C7精度下，該公司既有磨制滾珠絲杠也有軋制滾珠絲杠供選擇，因此優(yōu)先選取價格低廉的軋制滾珠絲杠。圖4-3滾珠絲杠導(dǎo)程精度Figure4-3Ballscrewleadaccuracy選定導(dǎo)程由上文可知，電機的額定轉(zhuǎn)速n0=3000r/min,根據(jù)此額定轉(zhuǎn)速與最大進(jìn)給速度來選定絲杠導(dǎo)程。汽車自動換檔裝置中電機直接與絲杠連接，所以減速比i=1,根據(jù)式（4-3）PB≥因此導(dǎo)程的選定必須大于等于10mm，此處選擇導(dǎo)程為10mm。選擇支承方式由于自動檔汽車檔位最前與最后相差低于100mm,所以工作行程小于100mm屬于較小行程,回轉(zhuǎn)速度為3000r/min,屬于較高速度，且在整個換檔過程中，絲杠主要承受軸向力，為了保證換檔精度，防止絲杠軸向竄動，因此采用兩端固定的支承方式。選定絲杠外徑為了保證汽車每次換檔后的定位精度，我們要求滾珠絲杠的軸向游隙小于0.05mm，因此我們必須選擇軸向間隙在0.05mm的滾珠絲杠副。查閱資料（圖4-3），軸向間隙小于0.05mm的軋制滾珠絲杠外徑必須在12mm及12mm以下，考慮到絲杠外徑越大，絲杠的結(jié)構(gòu)強度越高，因此選擇絲杠外徑為12mm。圖4-4軋制滾珠絲杠的軸向間隙Figure4-4Axialclearanceofrolledballscrew絲杠的強度校核①軸向允許載荷的計算：汽車自動換檔機械手在加速換檔時軸向載荷最大，計算該情況下的最大軸向載荷。自動檔汽車檔位從最前到最后之間距離大致為0.08m,則換檔時間：t=sv=則加速度： a=Vmaxt=0.50.16=3.125m/s2 汽車自動換檔機械手質(zhì)量：m1=5kg;汽車檔位質(zhì)量：m2=2kg;摩擦系數(shù)μ=0.003Fmax=μ（m1=0.003×(5+2)×9.8+50+(5+2)×3.125=72.1N（4-6）最小軸向載荷：Fmin=μm則平均軸向負(fù)載:Pm=2Fmax滾珠絲杠的壽命若設(shè)定太長，必然會增加尺寸和成本，則該滾珠絲杠的壽命設(shè)定與自動控制設(shè)備中滾珠絲杠的壽命標(biāo)準(zhǔn)一致，L?=15000?;由于該滾珠絲杠與電機直接相連，因此平均轉(zhuǎn)速Nm=3000r/min;C=（額定動負(fù)載為1082.8N，遠(yuǎn)大于最大軸向載荷72.1N，所以強度滿足要求。②絲杠臨界轉(zhuǎn)速計算及校核查閱資料可知絲杠直徑為12mm時，絲杠溝槽最小直徑(底徑)是d=10mm,與安裝方式有關(guān)的系數(shù)f=15.1，則絲杠臨界轉(zhuǎn)速為：n=fdL絲杠轉(zhuǎn)速為3000r/min,遠(yuǎn)小于該臨界轉(zhuǎn)速，所以轉(zhuǎn)速合理。滾珠絲杠最終定型根據(jù)以上計算，最終確定滾珠絲杠型號如下表所示：表4-2滾珠絲杠型號Table4-2Ballscrewmodel型號精度等級額定動載荷額定靜載荷公稱直徑(d)導(dǎo)程（p）BRSDS-12-4-150C72.6KN5.8KN12mm10mm4.2.3滾珠絲杠的軸承選擇及校核由于滾動軸承相對于滑動軸承來說摩擦阻尼小，啟動靈活，而自動換檔裝置啟動頻繁，所以滾動軸承符合該特性。同時，滾動軸承可以同時吸收軸向和徑向載荷，也簡化了支承結(jié)構(gòu)；滾動軸承徑向游隙小，通過預(yù)緊可以消除徑向游隙，從而有較大的回轉(zhuǎn)游隙。此外，滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，互換性好，因此選擇滾動軸承。由于軸承的兩端都固定，因此軸承配置方法必須以雙支點方向固定。這種軸承配置的常見軸承類型是角接觸球軸承、圓錐滾子軸承或深溝球軸承。由于汽車自動換檔裝置主要承受軸向載荷，因此選用了一對能承受徑向和軸向載荷的角接觸球軸承。同時，角接觸球軸承一般可以以更高的速度運行。由于軸承主要代表軸向載荷，因此應(yīng)具有較大的承載能力，使接觸角α為25°。滾珠絲杠所用軸承型號如表4-3所示：表4-3滾珠絲杠所用軸承型號Table4-3Sidebrushrotaryshaftbearingtypes型號內(nèi)徑外徑寬度基本額定動載荷基本額定靜載荷7001AC12mm28mm8mm5.8KN2.95KN對角接觸球軸承進(jìn)行校核：軸向當(dāng)量動載荷：Pa=Fmax軸向當(dāng)量靜載荷：P0a=Fmin=而7001AC型角接觸球軸承基本額定動載荷Ca=5.8KN>基本額定靜載荷C0a=2.95KN>P0a4.2.4聯(lián)軸器選擇電機與滾珠絲杠之間通過聯(lián)軸器進(jìn)行連接，從上面的電機選型可知，60CB020C型電機輸出的的扭矩低于0.64Nm。電機轉(zhuǎn)軸為主動軸為25mm,絲杠為從動軸為20mm。汽車自動換檔裝置在自動換檔過程中存在一定沖擊，容易在水平方向產(chǎn)生一定的位移，為此，選擇了具有補償能力的彈性聯(lián)軸器對產(chǎn)生的位移進(jìn)行補償。此處采用彈性柱銷聯(lián)軸器。型號如表4-4所示：表4-4聯(lián)軸器型號Table4-4Couplingmodel聯(lián)軸器型號LZ1彈性柱銷聯(lián)軸器主動端：Y型軸孔，A型鍵槽d1=18mmL1從動端：Y型軸孔，A型鍵槽dL25油門、制動踏板機械裝置設(shè)計5.1油門、制動踏板機械裝置設(shè)計分析油門、制動踏板機械裝置通過模仿駕駛員駕駛汽車過程中踩油門和剎車的動作進(jìn)行設(shè)計。駕駛員松、踩油門和剎車的動作中，腿部的運動可近似看作為直線運動。因此該部分裝置的設(shè)計內(nèi)容就在于設(shè)計一機械結(jié)構(gòu)與制動和油門踏板連接進(jìn)行直線運動并采用合適的傳動方式控制機械裝置動作。常見的傳動方式有：機械傳動、電動傳動、液壓傳動、氣動傳動。但并非所有的傳動方式都是完美的。雖然液壓傳動和氣動傳動可以傳遞更大的力，但制動、油門踏板所需力非常小，因此不需要如此大的力傳遞。而且液壓傳動容易出現(xiàn)液壓油泄露的現(xiàn)象，液壓油滴在座椅上給人們清洗帶來極大的不便。氣動傳動由于空氣的可壓縮性，傳動精度低，傳動不穩(wěn)定。這在汽車駕駛過程中如果不能很好的控制油門和制動踏板，則會帶來極大的危險。因此油門、制動踏板機械裝置最終采用電力傳動加機械傳動結(jié)合的傳動方式。這種傳動方式可以實現(xiàn)對油門、制動踏板的精密控制?？紤]到電動推桿具有性能可靠、動作靈敏、功能穩(wěn)定、推拉力恒定、定位精度高等特點。因此油門、制動踏板機械裝置采用電動推桿的往復(fù)直線運動來模仿駕駛員松、踩油門和剎車的動作。如圖5-1所示。1—基體2—電動推桿3—踏板連接件圖5-1油門、制動踏板機械裝置示意圖Figure5-1Schematicdiagramoftheacceleratorandbrakepedalmechanism5.2油門、制動踏板機械裝置設(shè)計計算5.2.1踏板輸入力的計算汽車制動踏板與油門踏板結(jié)構(gòu)相似，因此輸入的力也近似相似，此處我們通過計算汽車制動踏板的輸入力來代表踏板的輸入力，從而作為電動推桿選型的標(biāo)準(zhǔn)。制動器的輸入力：P=Fiη2式中：F—汽車氣室推桿推力，由配置的氣室確定；i—凸輪傳動比，i=L/e(L為調(diào)整臂臂長，e為凸輪力臂，即凸輪基圓半徑)；η—傳動效率，一般取0.63；P—制動器輸入力，即我們需要求的踏板輸入力。取臂長為165,凸輪基圓半徑為13,氣室工作氣壓0.6MPa,氣室有效面積S=200cm2，將數(shù)據(jù)代入上式求出制動踏板輸入力P=47.9N5.2.2電動推桿的選擇電動推桿類型初選電動推桿屬于電動執(zhí)行機構(gòu)，電動推桿主要由電機、推桿和控制裝置等機構(gòu)組成的。因為考慮到油門、制動踏板的運動可近似看作為直線運動，所以油門、制動踏板機械裝置采用這種新型直線執(zhí)行機構(gòu)。電動推桿在電力，化學(xué)，冶金，采礦和其他領(lǐng)域已被廣泛使用和廣泛使用。與此同時，越來越多的部門開始使用電動推桿。因此，電動推桿的分類一直是細(xì)化的。常見的電動推桿包括ＤＧ型、ＤＴ型、ＨＤＬ型、LAP型等。從上面的計算不難看出，汽車行駛過程中制動踏板和油門踏板的輸入力都不會太大，且運動行程都比較小，而最重要的是要保證踏板的運動精度，從而對車速進(jìn)行精確控制?？紤]到ＬＡＰ型電動推桿具備自鎖功能，同步性高，與其他同類電動推桿相比體積較小，控制精度高，可以實現(xiàn)多點精確定位。因此，電動推桿類型初選為定位精度較高的LAP型電動推桿。驅(qū)動電機的選擇LAP系列電動推桿的電機可配單相交流電機、直流電機、步進(jìn)電機和伺服電機?，F(xiàn)分析油門、制動踏板機械裝置的工作要求。在汽車行駛過程中，為了適應(yīng)路況要求，駕駛員總是會不斷踩下和松開剎車、油門踏板以控制速度。而演變成推桿的動作，則是要求推桿能經(jīng)常往復(fù)直線動作，并且能不斷地停止和運動。那么對電機的要求則是電機能經(jīng)常的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，能經(jīng)常啟動、制動。考慮到直流電機啟動、調(diào)速性能較好，所以此處電機選用直流電機。工作制的選擇電動推桿的工作制Ｆｕ%表5-1電動推桿工作制Table5-1ElectricpushrodworkingsystemＦ３０%≤Ｆ輕載，無沖擊工業(yè)場合使用，抗沖擊連續(xù)工作使用場合分析制動踏板和油門踏板所受力可知，電動推桿的工作環(huán)境屬于輕載，無沖擊的工作環(huán)境。所以電動推桿的工作制小于３０％即可。電動推桿自鎖條件查閱相關(guān)資料可知電動推桿的自鎖狀態(tài)分類為四種：靜態(tài)自鎖：自鎖系數(shù)小于0.35，靜止無振動時，推桿在外部拉力/壓力作用下靜止不動；動態(tài)自鎖：自鎖系數(shù)小于0.3，當(dāng)推桿受力與運動方向相反，電機斷電時無運動；自鎖系數(shù)小于0.25，當(dāng)推桿受力與運動方向同向，電機斷電時無運動；不確定自鎖：自鎖系數(shù)在0.35至0.55之間，推桿在外作用力不斷加大下，會上下移動；不自鎖：自鎖系數(shù)大于0.55，推桿在很小的外力作用下，即可以上下移動。自鎖系數(shù)與自鎖情況對應(yīng)如下圖所示：圖5-2自鎖情況分析圖Figure5-2Self-lockingsituationanalysischart分析駕駛員踩下和松開踏板這一動作，電動推桿在這個過程中所受力方向會經(jīng)常變化，為了防止電動推桿在受力時發(fā)生自鎖，則電動推桿的自鎖系數(shù)應(yīng)避開0~0.3這一區(qū)間，因此所選電動推桿的自鎖系數(shù)應(yīng)大于0.3。5.2.2.５電動推桿行程選擇LAP系列電動推桿的行程包括：100mm、200mm、300mm、400mm、500mm。查閱相關(guān)資料及多車型實際試驗，油門、制動踏板完全踩下時的行程最多為80mm，因此選擇行程為100mm的電動推桿。查閱電動推桿的選型設(shè)計資料可知，行程大于300mm時，須參考負(fù)載與行程穩(wěn)定性曲線圖驗算，核對電動推桿的穩(wěn)定性。此處選擇100mm的行程，無需進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。電動推桿最終選型根據(jù)以上計算分析，電動推桿選型及參數(shù)如下表所示：表5-2電動推桿型號Table5-2Electricactuatormodel型號速度動態(tài)載荷電機參數(shù)自鎖系數(shù)行程LAP2226—36mm/s400NDC24V0.35100mm5.2.3電動推桿頂端接頭設(shè)計由于電動推桿頂端需要與油門踏板和制動踏板進(jìn)行配合，而LAP系列的頂端接頭包括：銷孔端、叉孔端、球形鉸接和法蘭端。這四種頂端接頭都不能很好的與油門踏板和制動踏板進(jìn)行配合，從而很難達(dá)到準(zhǔn)確控制車速的目的，容易產(chǎn)生危險。因此需設(shè)計一零件與電動推桿的頂部接頭配合在一起，從而再與油門踏板和制動踏板進(jìn)行配合。該零件結(jié)構(gòu)如圖5-3所示：圖5-3踏板連接件Figure5-3Pedalconnector該零件一端與電動推桿頭部連接，另一端與油門、制動踏板相扣合，避免了電動推桿在運動過程中出現(xiàn)打滑而與油門、制動踏板相分離的情況發(fā)生，大大提高了汽車自動駕駛裝置的安全性。同時通過對該零件的尺寸進(jìn)行設(shè)計，可適用于不同車型的油門、制動踏板，提高了汽車自動駕駛裝置的通用性。6控制方案設(shè)計6.1自動駕駛裝置控制方案設(shè)計分析以數(shù)字計算機為核心的汽車自動駕駛裝置，為了保證其工作的安全性和可靠性，除了具備精密準(zhǔn)確的機械結(jié)構(gòu)外，還需要一個切實可行的、優(yōu)良的控制方案。機電系統(tǒng)常用的控制方式多種多樣。而在眾多控制方式中，PID控制器是最簡單、最通用的控制器。由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，而汽車自動駕駛裝置最需要的便是在控制過程中盡可能不受外界的干擾。PID控制器是一種技術(shù)成熟的控制器，在連續(xù)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。汽車自動駕駛裝置的控制主要在于根據(jù)道路情況對汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的控制，重點在于對行駛中汽車速度的控制。PID控制根據(jù)主控電腦充分結(jié)合道路環(huán)境計算出的汽車行駛期望速度值m(t)與汽車實際速度值n(t)構(gòu)成速度偏差：e(t)=m(t)-n(t)。將速度偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象即方向盤轉(zhuǎn)向裝置；自動換檔裝置；油門、制動踏板機械裝置進(jìn)行控制，從而改變汽車的行駛狀態(tài)。6.2自動駕駛裝置控制設(shè)計6.2.1控制裝置硬件組成汽車自動駕駛裝置的主體是主控計算機，包括用于計算的計算機和負(fù)責(zé)測距的距離信息合成器，這套基本裝置負(fù)責(zé)判斷和執(zhí)行汽車的行駛路線和汽車的駕駛方式。此外，還包括分布在車輛周圍安裝的雷達(dá)、車頂?shù)募す饫走_(dá)、車輪上的位置評估器及其他傳感器。分布在車輛周圍安裝的雷達(dá)為車前身三個激光雷達(dá)，車后身一個激光雷達(dá)，用來幫助確定遠(yuǎn)距離障礙物的位置。車頂激光雷達(dá)可以進(jìn)行360°前后掃描，獲得精準(zhǔn)的車外環(huán)境三維地圖。汽車位置評估器安裝在汽車的后車輪上（針對于車輛后輪為從動輪的車輛而言），用來測量汽車的動作，有助于在地圖上定位汽車的確切位置和運動狀態(tài)。6.2.2方向盤轉(zhuǎn)向裝置控制方案方向盤轉(zhuǎn)向裝置的控制過程為：車身周圍雷達(dá)感應(yīng)到汽車前方有障礙物或前后方有來車時，主控電腦迅速根據(jù)汽車周邊環(huán)境計算規(guī)劃處一條汽車行駛路線來，通過控制方向盤轉(zhuǎn)向裝置的電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來控制方向盤順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，方向盤轉(zhuǎn)角由方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測，當(dāng)轉(zhuǎn)到主控電腦給定的轉(zhuǎn)角時電機停止工作，方向盤自動回正保持調(diào)整好的行駛狀態(tài)行駛。在這個過程中位置評估器會一直進(jìn)行評估，直到汽車進(jìn)入規(guī)定軌跡行駛后位置評估器停止評估，控制系統(tǒng)保持現(xiàn)有狀態(tài)進(jìn)行控制?？刂品桨溉鐖D6—1所示：圖6-1方向盤轉(zhuǎn)向裝置控制方案Figure6-1Steeringwheelsteeringdevicecontrolscheme6.2.3自動換檔裝置控制方案由于該裝置適用于自動檔汽車，而自動檔汽車的換檔沒有那么頻繁，他的換檔主要存在于汽車啟停過程中，而正常行駛過程中汽車基本上無須換擋。自動換檔裝置的控制過程為：汽車在啟動時，主控電腦感應(yīng)到汽車啟動，控制電機開始工作，從而控制自動換檔機械手進(jìn)行換檔。汽車停止時換檔控制過程于此想同。控制方案如圖6—2所示：圖6-2自動換檔裝置控制方案Figure6-2Automaticgearshiftingdevicecontrolscheme6.2.4油門、制動踏板機械裝置控制方案油門、制動踏板機械裝置控制過程為：車身周圍雷達(dá)感應(yīng)到汽車前方有障礙物或前方車輛時，主控電腦迅速根據(jù)周圍環(huán)境和汽車現(xiàn)有行駛速度計算出汽車下一階段應(yīng)有的速度。從而通過控制油門、制動踏板機械裝置控制油門或制動踏板，從而實現(xiàn)汽車的加速或減速，以達(dá)到下一階段的期望車速?？刂品桨溉鐖D6-3所示：圖6-3油門、制動踏板機械裝置控制方案Figure6-3Controlschemeofacceleratorandbrakepedalmechanism6.2.5車輛安全控制方案為了提高自動駕駛裝置的安全性，本設(shè)計的控制方案加入了對汽車安全控制方案的設(shè)計。本安全控制方案根據(jù)汽車現(xiàn)有的常見安全問題進(jìn)行設(shè)計，汽車常見的安全問題包括：車輛急轉(zhuǎn)彎、急轉(zhuǎn)時或緊急制動時的車輛側(cè)翻、車輛追尾、雨雪天行車車輛打滑等問題以及自動駕駛裝置本身出現(xiàn)故障等情況。針對以上問題，車輛安全控制方案設(shè)計如圖6-4所示：圖6-4車輛安全控制方案Figure6-4Vehiclesafetycontrolscheme7可行性分析7.1安全性分析汽車自動駕駛裝置采用機械傳動與電力傳動相結(jié)合的傳動方式。這兩種傳動方式相結(jié)合實現(xiàn)了對該裝置的精密控制。此外還有一套嚴(yán)格的PID控制方案，保證了汽車自動駕駛裝置對汽車操作的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。同時在控制方案中還專門加入了車輛安全控制方案。該方案綜合考慮了汽車在行駛過程中可能會出現(xiàn)的安全問題，包括：車輛急轉(zhuǎn)彎、急轉(zhuǎn)時或緊急制動時的車輛側(cè)翻、車輛追尾、雨雪天行車車輛打滑等問題以及自動駕駛裝置本身出現(xiàn)故障等情況。并給出了合理的控制操作方式。保證了車輛在實現(xiàn)自動駕駛過程中的行車安全。在方向盤轉(zhuǎn)向裝置中，方向盤角度傳感器安裝在汽車的方向盤下方。它使方向盤的轉(zhuǎn)向角更加可控和可測量，對方向盤轉(zhuǎn)向有清晰的概念，保證了轉(zhuǎn)動方向盤的精確。不會出現(xiàn)汽車遇到障礙物時轉(zhuǎn)向只會急轉(zhuǎn)的情況，避免了急轉(zhuǎn)過程中車輛側(cè)翻、打滑、追尾等一系列危險情況的發(fā)生。在油門、制動踏板機械裝置中，電動推桿兼顧性能可靠、動作靈敏、運行平穩(wěn)、定位精度高等特點，采用電動推桿代替人腿去踩油門和剎車，不會出現(xiàn)緊急情況下由于人的精神慌亂而猛踩油門或剎車，造成車輛追尾等交通事故。而汽車自動駕駛裝置對汽車實現(xiàn)自動駕駛，本來就有人工駕駛所無法匹及的安全性。比如自動駕駛裝置不會出現(xiàn)人工駕駛汽車時由于駕駛員疲勞駕駛、駕駛時分心、車輛周圍環(huán)境觀察不周、飲酒駕駛甚至是醉酒駕駛等危險駕駛情況。因此可以認(rèn)為高精確度的自動駕駛確實擁有人工駕駛所達(dá)不到的安全性能。7.2經(jīng)濟(jì)性分析汽車自動駕駛裝置中使用了大量可調(diào)零部件和高互換性的已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的零件，比如自動換檔裝置中滾珠絲杠、滾動軸承的使用，油門、制動踏板機械裝置中電動推桿的使用等，使得該汽車自動駕駛裝置的通用性大大提升。該裝置可以實現(xiàn)不同款車型的自動駕駛，無需針對某一車型單獨進(jìn)行設(shè)計，若對自動換檔裝置進(jìn)行改進(jìn)，還可適用于手動檔汽車的駕駛。通過上文計算可知，無論是方向盤轉(zhuǎn)向力或力矩、汽車檔位換檔力還是油門、制動踏板的輸入力等，這些力或力矩都不會太大。因此對汽車自動駕駛裝置所需要零件材料的要求不高，采用普通的鋼制或鐵質(zhì)零件就能滿足汽車自動駕駛裝置的各種動作。而且整個裝置無需大功率的電機。綜合以上分析我們不難看出，整個汽車自動駕駛裝置的制作所需成本較低，這就決定了該裝置面市后也不會有太高的價格。此外，汽車自動駕駛裝置的經(jīng)濟(jì)性還遠(yuǎn)不局限于此。汽車自動駕駛裝置一旦大批量應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，那么就可以解放大量的勞動力，使得我國交通運輸?shù)某杀緦⒋蟠蠼档?。眾所周知，每年因車禍造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失都是一筆不可估量的損失，如果汽車自動駕駛裝置能夠大批量應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，那么汽車的安全性將會大大提高，從而減少這部分的損失。8總結(jié)與展望8.1總結(jié)本文通過模擬人工駕駛汽車的一系列動作，設(shè)計了一款汽車自動駕駛裝置，來代替人工駕駛汽車，以實現(xiàn)汽車駕駛的無人化、自動化、智能化。該汽車自動駕駛裝置對汽車進(jìn)行駕駛，相對于人工駕駛汽車而言安全性有了極大的提升。其中方向盤轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計，通過電機與轉(zhuǎn)向裝置連接從而帶動方向盤轉(zhuǎn)動，尤其是方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的加入，使得方向盤轉(zhuǎn)動角度的確定更佳精確，不會出現(xiàn)人在緊急情況下猛打方向盤而造成交通事故等情況。自動換檔裝置利用滾珠絲杠將驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為自動換檔機械手的直線運動，保證了換檔的精度和效率。油門、制動踏板機械裝置主體采用了電動推桿來控制油門、制動踏板的運動，而且對電動推桿頂端進(jìn)行了特別設(shè)計，在實現(xiàn)了多種車型通用性的同時，也保證了踏板運動的準(zhǔn)確性和安全性。對汽車自動駕駛裝置的控制方式進(jìn)行設(shè)計，保證了汽車自動駕駛裝置各部分的精確運行以及不同部分之間的準(zhǔn)確協(xié)作。同時還加入了一部分安全控制方案，使得該裝置在駕駛汽車的過程中能夠獨立的處理部分突發(fā)事件。本裝置解決人工駕駛汽車存在的一些弊端，實現(xiàn)了汽車的自動化、智能化、無人化駕駛，為汽車的自動駕駛提供了一種新方案。8.2展望隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車日益成為人們不可或缺的交通工具。同時隨著汽車的發(fā)展還衍生出來一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)如：交通運輸業(yè)等。這些都是汽車發(fā)展帶來的成果。與之而來的還有一系列的問題，其中最重大的便是交通安全問題，這一問題每年都會帶來大量人力物力及財產(chǎn)的損失。這一問題歸根結(jié)底還是因為人工駕駛汽車的局限性造成的。人工駕駛汽車，尤其是長途駕駛，難免會導(dǎo)致疲勞和注意力不集中，從而給道路安全帶來很大風(fēng)險。這也迫使人們不得不考慮盡快實現(xiàn)汽車的自動駕駛來代替人工駕駛。因此汽車的自動化、無人化、智能駕駛必將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。現(xiàn)在自動化駕駛已經(jīng)逐步的應(yīng)用于汽車上了，如汽車自動泊車、車道保持輔助。但是距離真正完全實現(xiàn)自動駕駛還有很大的差距，也很長的路要走。雖然現(xiàn)在汽車自動駕駛的安全性問題一直為人所詬病，但是我們不可否認(rèn)的是汽車的自動化駕駛是汽車進(jìn)一步發(fā)展的必由之路，我們不能因為這條道路坎坷曲折而放棄自動駕駛。本汽車自動駕駛裝置的設(shè)計充分的考慮了安全性的問題