汽车试验用气电混合式驾驶机器人.pdf

汽车试验用气电混合式驾驶机器人涉及一种能够实现在底盘测功机上代替人类试验人员进行汽车试验的气电混合式驾驶机器人装置，换档机械手控制箱(5)安放在试验汽车驾驶室内的驾驶员座椅上(1)，油门机械腿(11)和油门踏板(13)连接，制动机械腿(10)和制动踏板(12)相连接，离合器机械腿(7)和离合器踏板(8)连接，换档机械手(9)和汽车换档变速杆连接，方向盘固定装置(3)用于在试验过程中锁住汽车方向盘(2)的转动，在油门、制动、离合器机械腿和换档机械手上安装有角度传感器，获得各个机械腿/手的位置。本驾驶机器人具有车速跟踪精度高、重复性好，对比试验数据可靠等优点，完全能够代替人类驾驶员完成汽车的各种试验。

1.  一种汽车试验用气电混合式驾驶机器人，其特征在于该驾驶机器人由油门机械腿(11)、制动机械腿(10)、离合器机械腿(7)、换档机械手(9)、方向盘固定装置(3)、驾驶机器人控制计算机(14)、换挡机械手控制箱(5)，机械腿控制箱(6)、数据采集与处理模块和运动控制驱动部分组成；机械腿控制箱(6)有三个，左边的机械腿控制箱与离合器机械腿(7)相连，中间的机械腿控制箱与制动机械腿(10)相连，右边的机械腿控制箱与油门机械腿(11)相连；换挡机械手控制箱(5)与换档机械手(9)相连；方向盘固定装置(3)的一端接汽车方向盘(2)，另一端固定在基座把手(4)上，驾驶机器人控制计算机(14)根据设定的指令协调控制油门、制动、离合和换档，完成循环行驶工况的速度跟踪。

2.  根据权利要求1所述的汽车试验用气电混合式驾驶机器人，其特征在于油门机械腿(11)前部的油门踏板夹板(30)直接套接在试验车辆的油门踏板(13)上，步进电机控制单元(21)的信号输出控制步进电机(34)通过齿轮(32)减速并传递扭矩，驱动油门机械腿二力杆(31)控制汽车油门；油门机械腿(11)中油门机械腿位置传感器(33)通过齿轮啮合的方式和步进电机(34)连接，获得油门机械腿(11)的位置信号。

3.  根据权利要求1所述的汽车试验用气电混合式驾驶机器人，其特征在于制动机械腿(10)利用制动踏板夹板(40)与制动踏板(12)连接，制动机械腿气缸(35)与制动腿推杆(38)铰接，驱动制动机械腿二力杆(39)运动，由制动器气动控制单元(22)控制制动机械腿气缸(35)的运动力量；制动机械腿(10)中制动机械腿位置传感器(36)通过和制动腿推杆(38)铰接的制动腿拉杆(37)带动，获得制动机械腿(10)的位置。

4.  根据权利要求1所述的汽车试验用气电混合式驾驶机器人，其特征在于离合器机械腿(7)利用离合器踏板夹板(46)与离合踏板(8)连接，离合器机械腿气缸(41)与离合器推杆(44)铰接，驱动离合器机械腿二力杆(45)运动，由离合器气动控制单元(23)控制离合器机械腿气缸(41)的运动速度；离合器机械腿(7)中离合器机械腿位置传感器(42)通过和离合器推杆(44)铰接的离合器拉杆(43)带动，获得离合器机械腿(7)的位置。

5.  根据权利要求1所述的汽车试验用气电混合式驾驶机器人，其特征在于换档机械手(9)由挂档气缸(24)、选档气缸(25)、选档位置传感器(26)、挂档位置传感器(27)、换档手柄套(28)、七连杆换档机械手(29)组成；挂档气缸(24)、选档气缸(25)与七连杆换档机械手(29)铰接，换档手柄套(28)与试验车变速杆套接；换档机械手(9)在七连杆换档机械手(29)的两个固定端都接有通过齿轮啮合的选档位置传感器(26)和挂档位置传感器(27)，用于获得选档气缸(25)和挂档气缸(24)的运动位置。

汽车试验用气电混合式驾驶机器人
                            技术领域
本发明涉及一种能够实现在底盘测功机上代替人类试验人员进行汽车试验的气电混合式驾驶机器人装置，属于汽车试验自动驾驶装置技术领域。
                            背景技术
汽车试验用驾驶机器人是在底盘测功机上的汽车试验中，代替试验人员进行汽车试验的装置。汽车的性能需要借助于大量的试验来改进设计，在室内底盘测功机(或称为转鼓试验台)上进行的汽车性能试验、可靠性试验和环境试验，汽车排出的废气，设备发出的噪声、环境温度的变化以及长时间的枯燥乏味驾驶，对驾驶员均有一定的伤害，更适合由机器人来操作。此外，汽车保有量的快速增长，使得汽车排放的尾气的污染日益严重，为了保护大气环境，世界各国都制定了日益严格的环境保护法规，严格限制汽车尾气中有害物的含量。要研究提高汽车的燃油经济性从而降低汽车尾气排放量的方法，必须进行大量的汽车试验。试验规范要求被试车辆跟踪预先设定的车速循环，并保证在±2km/h的精度范围内。在试验过程中试验人员驾驶行为的变化，往往导致排放结果不一致，从而降低了排放数据的有效性。因此，需要用机器人驾驶员来替代人类驾驶员在危险条件和恶劣环境下进行汽车试验的驾驶操作，利用驾驶机器人进行试验对于减轻人类劳动强度，降低试验环境对试验员的伤害，提高试验效率，增强试验结果的客观性和准确度，节省试验费用，进而加速汽车研发进度都有重要的意义。
为此，国外世界许多公司相继研发了用于试验的汽车驾驶机器人以代替试验人员进行汽车的驾驶，主要有德国STHLE、大众，美国Froude Consine，英国Mira，日本Horiba、Autopilot、Nissan Motor等公司，这些机器人在结构上具有很大的相似，主要都由油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿(对于配备自动变速箱的实验车，离合器机械腿可以省去)和换档机械手组成，驱动方式主要有液压、气动和电动三种。液压驱动方式的缺点在于对油的密封性要求高，机构复杂；气动驱动方式虽然气源获取容易，机构简单，但是由于油门机械腿定位精度要求很高，如果全部采用气压驱动方式的话，执行机构和检测控制系统复杂；
电动方式一般采用直流或者交流伺服电机驱动，需要增加减速器和涡轮蜗杆等传动机构，成本高，此外要实现离合器的快速分离和快慢接合运动，执行机构的设计十分复杂。目前国内尚没有用于汽车试验的自动驾驶机器人装置，国外的技术则作为公司机密不对外公开。
                        发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种能够实现在底盘测功机上代替人类试验人员进行汽车试验的气电混合式驾驶机器人装置，其能够在不对试验车辆进行改造的基础上，安装在试验车的驾驶室内，适用于不同类型，不同档位分布，不同踏板行程的车辆，并能够根据行驶循环工况协调控制油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿和换档机械手，实现汽车的起动、换档、加速、稳速、减速和怠速等工况，从而跟踪设定的车速。
技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
该驾驶机器人由油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿、换档机械手、方向盘固定装置、驾驶机器人控制计算机、换挡机械手控制箱，机械腿控制箱、数据采集与处理模块和运动控制驱动部分组成；机械腿控制箱有三个，左边的机械腿控制箱与离合器机械腿相连，中间的机械腿控制箱与制动机械腿相连，右边的机械腿控制箱与油门机械腿相连；换挡机械手控制箱与换档机械手相连；方向盘固定装置的一端接汽车方向盘，另一端固定在基座把手上，驾驶机器人控制计算机根据设定的指令协调控制油门、制动、离合和换档，完成循环行驶工况的速度跟踪。驾驶机器人的换挡机械手控制箱安放在试验汽车驾驶室内的驾驶员座椅上，油门机械腿和油门踏板连接，制动机械腿和制动踏板相连接，离合器机械腿和离合器踏板连接，换档机械手和汽车换档变速杆连接。方向盘固定装置用于在试验过程中锁住汽车方向盘的转动。底盘测功机试验台为汽车在室内试验提供模拟环境，保证在试验运行过程中底盘测功机对试验车辆的阻力加载特性和车辆在道路上行驶时的受力情况一致。在油门、制动、离合器机械腿和换档机械手上安装有角度传感器，获得各个机械腿/手的位置。
油门机械腿前部的油门踏板夹板直接套接在试验车辆的油门踏板上，步进电机控制单元的信号输出控制步进电机通过齿轮减速并传递扭矩，驱动油门机械腿二力杆控制汽车油门；油门机械腿中油门机械腿位置传感器通过齿轮啮合的方式和步进电机连接，获得油门机械腿的位置信号。
制动机械腿利用制动踏板夹板与制动踏板连接，制动机械腿气缸与制动腿推杆铰接，驱动制动机械腿二力杆运动，由制动器气动控制单元控制制动机械腿气缸的运动力量；制动机械腿中制动机械腿位置传感器通过和制动腿推杆铰接的制动腿拉杆带动，获得制动机械腿的位置。
离合器机械腿利用离合器踏板夹板与离合踏板连接，离合器机械腿气缸与离合器推杆铰接，驱动离合器机械腿二力杆运动，由离合器气动控制单元控制离合器机械腿气缸的运动速度；离合器机械腿中离合器机械腿位置传感器通过和离合器推杆铰接的离合器拉杆带动，获得离合器机械腿的位置。
换档机械手由挂档气缸、选档气缸、选档位置传感器、挂档位置传感器、换档手柄套、七连杆换档机械手组成；挂档气缸、选档气缸与七连杆换档机械手铰接，换档手柄套与试验车变速杆套接；换档机械手在七连杆换档机械手的两个固定端都接有通过齿轮啮合的选档位置传感器和挂档位置传感器，用于获得选档气缸和挂档气缸的运动位置。
油门机械腿采用步进电机驱动的方式，实现油门的高精度定位控制；制动机械腿采用制动力可调气路控制，通过调节制动力大小以实现对制动减速度的控制；离合器机械腿采用带锁气缸，并采用回收的运动速度可调气路，实现离合器机械腿回收速度的调节，满足起动和换挡过程中的离合器动作地快慢要求；换档机械手采用七连杆双自由度闭链换档机械手，在不需要对汽车换档机构进行改造的前提下，实现选档和挂摘档两个方向运动的机械解耦，适用于不同换档行程、不同档位分布的手动换档变速箱；此外，为了防止试验过程中驱动轮的跑偏，方向盘固定装置锁住汽车方向盘的转动。
有益效果：
1.驾驶机器人的换挡机械手控制箱安装在驾驶室的驾驶员座位上，不需要对试验车辆进行改造，实现驾驶机器人的无损安装。
2.油门机械腿采用步进电机驱动控制的方式，能够满足油门的高精度定位要求，运动控制方便。
3.制动器机械腿、离合器机械腿和换挡机械手采用气压驱动的方式，使得驾驶机器人的动作快速并具有人类驾驶员肌肉的快速性和柔顺性。
4.方向盘固定装置锁住试验汽车方向盘的转动，防止试验过程中驱动轮的跑偏，尤其是对于前轮驱动的试验车辆。
5.换档机械手连杆长度经过最优化设计，保证在换档运动区域内选档和挂摘档运动过程轨迹的线性度，且选档、挂摘档两个方向运动互不干涉，运动线性度高，机械解耦，控制方便。
6.对于不同型号的变速箱以及不同的变速箱档位分布，通过直接示教的方式获取选档和挂摘档的位置，换档机械手适用范围广，而且换档速度和换档力量直接可调，适用于各种变速箱。
7.驾驶机器人通过自学习利用安装在各个机械腿上的传感器获得不同试验车辆油门、制动和离合器踏板的行程，从而适应不同结构尺寸的车辆。
8.制动机械腿的制动力可调，从而能够根据设定的减加速度调节制动力，并能够适应不同试验车辆的不同制动特性。
9.离合器机械腿上安装有位置传感器，能够获取试验车辆离合器的接合区位置，保证汽车起动和换挡过程的平稳性。此外，离合器回收速度动态可调，从而能够实现换挡过程中离合器回收的“快—慢—快”驾驶动作，降低换挡过程的冲击。
                        附图说明
图1是本发明安装在汽车驾驶室内的侧视图。
图2是本发明安装在汽车驾驶室内的俯视图。
图3是本发明的计算机检测控制系统构成框图。
图4是本发明的换档机械手机械结构图。
图5是油门机械腿机械结构图。
图6是制动机械腿机械结构图。
图7是离合器机械腿机械结构图。
其中有：驾驶员座椅1，汽车方向盘2，方向盘固定装置3，基座把手4，换挡机械手控制箱5，离合器机械腿控制箱6，离合器机械腿7，离合器踏板8，换档机械手9，制动机械腿10，油门机械腿11，制动踏板12，油门踏板13，驾驶机器人控制计算机14，驾驶机器人信号控制输出模块15，信号调理模块16，发动机转速测量模块17，汽车车速测量模块18，控制系统气源19，机械手气动控制单元20，步进电机控制单元21，制动器气动控制单元22，离合器气动控制单元23，挂档气缸24，选档气缸25，选档位置传感器26，挂档位置传感器27，换档手柄套28，七连杆换档机械手29，油门踏板夹板30，油门机械腿二力杆31，齿轮32，油门机械腿位置传感器33，步进电机34，制动机械腿气缸35，制动机械腿位置传感器36，制动腿拉杆37，制动腿推杆38，制动机械腿二力杆39，制动踏板夹板40，离合器机械腿气缸41，离合器机械腿位置传感器42，离合器拉杆43，离合器推杆44，离合器机械腿二力杆45，离合器踏板夹板46。
                        具体实施方式
汽车驾驶机器人是一种在底盘测功机试验台上用于替代人类试验人员进行汽车试验用的气电混合式自动驾驶装置。为了实现道路试验的室内模拟，试验车必须放置在底盘测功机上用于模拟平直的道路情况，从而为汽车试验提供试验环境，并且在试验运行过程中底盘测功机对试验车辆的阻力加载特性和车辆在道路上行驶时的受力情况一致。
在图1、2中整个驾驶机器人由油门机械腿11、制动机械腿10、离合器机械腿7、换档机械手9和方向盘固定装置3组成，换挡机械手控制箱5安放在试验汽车驾驶室内的驾驶员座椅上1，油门机械腿11和油门踏板13连接，制动机械腿10和制动踏板12相连接，离合器机械腿7和离合器踏板8连接，换档机械手9通过换档手柄套28和汽车换档变速杆连接，方向盘固定装置3的一端和换挡机械手控制箱5的基座把手4连接，另一端套接在汽车方向盘2上，防止试验过程中锁住汽车方向盘2的转动。机械腿的控制箱安装在方向盘下方，不需要对试验车辆进行改造，从而实现驾驶机器人的无损安装。
换档机械手9、制动机械腿10离合器机械腿7采用气压驱动的方式，工作介质是由气源19提供的洁净的压缩空气，具有速度快、可压缩和抗冲击的特性，与人肌肉的弹性和柔顺性比较吻合，保证换档过程快速有力，富有弹性以及离合器的快速分离。油门机械腿采用步进电机驱动控制的方式，能够满足油门的高精度定位要求，运动控制方便。
图4中换档机械手9由挂档气缸24，选档气缸25，选档位置传感器26，挂档位置传感器27，换档手柄套28和七连杆换档机械手29组成。挂档气缸24、选档气缸25和七连杆换档机械手29铰接，换档手柄套28和试验车变速杆套接。换档机械手9中在七连杆换档机械手29的两个固定端都接有通过齿轮啮合的选档位置传感器26和挂档位置传感器27，用于获得选档气缸25和挂档气缸24的运动位置。挂档气缸24和选档气缸25都采用一端固定的方式，另一端可以作自由的旋转运动。连杆长度经过最优化设计，保证在换档运动区域内选档和挂摘档运动过程轨迹的线性度。气缸采用带锁气缸，在两个方向都解锁的情况下，由试验人员进行示教，换到某个档位之后，利用选档位置传感器26和挂档位置传感器27记录档位位置。在换档过程中，气压传动的工作介质是空气，具有速度快、可压缩和抗冲击的特性，与人肌肉的弹性和柔顺性比较吻合，使换档过程快速有力，富有弹性。通过调节挂档气缸的供气压力和气缸排气口的开度，可实现换档力量和换档速度的调节，从而使本换档机械手能够适用于各种规格变速箱的自动换档场合。通过试验人员直接示教，七连杆换档机械手学习变速箱的选档和换档位置，机械手的换档动作直接通过挂档气缸24和选档气缸25的伸长和缩回控制实现，机械解耦，控制方便。
图5中油门机械腿11中油门踏板夹板30直接套接在试验车辆的油门踏板13上，步进电机控制单元21的信号输出控制步进电机34通过齿轮32减速并传递扭矩，驱动油门机械腿二力杆31控制汽车油门。步进电机控制单元21根据驾驶机器人信号控制输出模块15输出的脉冲，转过指令角度，精确地控制油门踏板13。油门机械腿11中油门机械腿位置传感器33通过齿轮啮合的方式和步进电机34连接，在步进电机34的旋转运动过程中获得油门机械腿11的位置。油门机械腿二力杆31的臂长可以调节，从而适应不同油门踏板尺寸的车型。
图6中制动机械腿10中利用制动踏板夹板40和制动踏板12连接，制动机械腿气缸35和制动腿推杆38铰接，驱动制动机械腿二力杆39运动。制动器气动控制单元22的输出气压可以通过控制电压调节控制制动机械腿气缸35的运动力量，改变制动机械腿10的制动力大小，从而改变汽车制动过程中的减速度。制动机械腿10中制动机械腿位置传感器36通过和制动腿推杆38铰接的制动腿拉杆37带动，获得制动机械腿10的位置。制动机械腿二力杆39的臂长可以调节，从而适应不同制动踏板尺寸的车型。
图7中离合器机械腿7中利用离合器踏板夹板46和离合踏板8连接，离合器机械腿气缸41和离合器推杆44铰接，驱动离合器机械腿二力杆45运动。离合器气动控制单元23可调节气缸回收时的气阀开口，控制离合器机械腿气缸41的运动速度从而实现离合器机械腿回收速度的调节，满足起动和换挡过程中的离合器动作的快慢要求，降低换挡过程的冲击。离合器机械腿7中离合器机械腿位置传感器42通过和离合器推杆44铰接的离合器拉杆43带动，获得离合器机械腿7的位置。离合器机械腿二力杆45的臂长可以调节，从而适应不同离合器踏板尺寸的车型。
发动机转速测量模块17将试验车辆的发动机转速变换成模拟电压，通过信号调理模块16传入控制计算机14，汽车车速测量模块18从安装在底盘测功机的前转鼓的光电传感器得到试验车的速度并传入驾驶机器人控制计算机14。
驾驶机器人在试验车上安装固定好之后，驾驶机器人控制计算机14首先利用安装在各个机械腿上的传感器获得不同试验车辆油门、制动和离合器踏板的行程，为运动控制建立基准，从而适应不同结构尺寸的试验车辆。然后通过信号控制输出模块15分别控制油门机械腿11、制动机械腿10、离合器机械腿7下压和回收，并根据试验工况的要求进行换档。在汽车的试验循环工况中规定试验车辆起动、停车、加速、减速、换档、怠速等试验工况，并定义了一系列时间点上的车速，要求车速的跟踪精度±2km/h。驾驶机器人控制计算机14根据试验车的当前车速以及工况协调控制油门、制动、离合和换档，在车速跟踪的升速、减速和稳速阶段根据设定车速和当前车速的偏差控制油门和制动器的回收和下压，保证车速的控制精度在要求范围内，提高试验的准确度和试验数据的有效性。
由于在试验过程中，在汽车启动加速度过大或者试验汽车制动过程中驱动轮制动系统制动力分配不均时，会出现试验车跑偏的情况，方向盘固定装置(3)可以在试验过程中锁住汽车方向盘(2)，保证试验的顺利进行并保护被试汽车不受损伤。
驾驶机器人采用模块化设计方法，其中离合器机械腿(7)可以安装或者卸除，从而适应自动换档(AT)车和手动换档车(MT)对离合器的不同控制要求，提高驾驶机器人的车型适应能力。