[发明专利]无人驾驶车辆自主转向系统的容错装置及容错控制方法

说明书

本发明提供了一种无人驾驶车辆自主转向系统的容错装置及容错控制方法，容错装置包括故障诊断模块，故障诊断模块中运行的故障诊断方法为：将传感器直接观测故障、基于车辆位置和航向偏差估计故障相结合，通过信息融合对转向电机的故障等级进行判别，能有效防止转向管柱角位移传感器故障和一些机械结构件发生故障而引起转向故障误诊，从而有利后续容错控制的进行；容错控制方法根据转向电机的故障等级，依次通过改变转向电机的电压参数、4轮转矩差动补偿以及控制容错装置进行分级容错，将主动容错和被动容错相结合，避免了冗余装置的过早介入造成能量损耗，有利于进一步提高控制系统的自适应能力。

技术领域

本发明属于无人驾驶车辆转向系统及其控制领域，涉及一种无人驾驶车辆自主转向系统的容错装置及容错控制方法。

背景技术

无人驾驶车辆通过感知层的感知类传感器、高精度地图和全球定位定位系统(GPS)获取车辆当前的位置信息和车辆周围的环境信息，通过整车控制器进行信息融合，并在出发地和目的地之间规划一条合适路径。无人驾驶车辆的自主转向系统通过路径跟踪和避障等算法计算出合适的前轮转角，并通过对转向电机的控制，通过机械结构的力矩传递作用使转向轮转到一定角度完成对期望路径的跟踪。无人驾驶车辆是智慧交通系统的重要部分，它不但可以解放驾驶员的双手，而且可以提高交通系统的运行效率。但在车辆行驶过程中，若车辆的转向执行器发生故障或者失效，这种未知的故障有可能使车辆偏离期望的路径以及影响车辆的稳定性，甚至引发严重的交通事故。

无人驾驶车辆的行驶安全是实现无人驾驶的首要考虑因素，因此，转向执行器故障的自诊断和主动容错控制是无人驾驶车辆自主转向系统的重要组成部分。就转向电机故障诊断而言，现有的故障诊断技术大多采用转向电机电流预期期望值的残差，转向电机内阻与期望值的残差、转向电机反电动势与期望值的残差是否在正常阈值内，判别转向系统是否发生故障，以及故障的发生等级。但由于传感器发生故障或一些机械结构件发生故障，单独基于传感器观测的方法无法准确判断转向电机的故障等级。因此需要着力设计一种基于传感器直接观测故障、基于车辆位置偏差和航向偏差估计故障相融合的故障诊断方法判别执行器故障等级。

现有的无人驾驶车辆自主转向系统故障的容错控制技术，大多参考线控转向故障的容错控制技术，当转向执行器发生故障时，通过电磁锁止装置将机械冗余系统接入，实现自主转向到驾驶员电子助力转向的切换。这种方法无法确保驾驶员及时接管转向，同时电磁锁止装置的持续锁止和大量机械结构的介入将使得转向系统造成电能的损耗。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种无人驾驶车辆自主转向系统的容错装置及容错控制方法，在容错控制过程中无需驾驶员接管转向，提高了车辆行驶的安全和稳定性。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种无人驾驶车辆自主转向系统的容错装置，其特征在于，包括执行机构、检测单元、故障诊断模块和整车控制器，所述执行机构包括容错切换机构，所述容错切换机构包括齿轮、衔接套、拨杆、支点、滚珠丝杠、滚珠螺母、拨杆电机、第二减速器、第二滚珠轴承和第一转向管柱下齿轮；齿轮位于第二转向管柱上，衔接套的柱体表面与拨杆一端配合，衔接套上端与第一转向管柱下齿轮配合，衔接套下端与第二转向管柱上齿轮处于常啮合状态；拨杆电机的输出轴与第二减速器的输入齿轮连接，第二减速器输出轴固定在滚珠螺母上，滚珠螺母套设在滚珠丝杠上，滚珠丝杠底端与拨杆另一端固连；所述拨杆与支点接触；所述滚珠螺母被第二滚珠轴承限制径向运动。

上述技术方案中，所述第一转向管柱下齿轮前端设有摩擦锥形。

上述技术方案中，所述故障诊断模块中运行的故障诊断方法，具体为：

搭建基于位置偏差和航向偏差估计转向系统故障的状态空间方程；

基于状态空间方程估计前轮转角偏差值；

基于转向管柱角位移传感器直接观测获得前轮转角偏差值；