RU2778064C1 - Vehicle and method for driving the vehicle - Google Patents
Vehicle and method for driving the vehicle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778064C1 RU2778064C1 RU2021135832A RU2021135832A RU2778064C1 RU 2778064 C1 RU2778064 C1 RU 2778064C1 RU 2021135832 A RU2021135832 A RU 2021135832A RU 2021135832 A RU2021135832 A RU 2021135832A RU 2778064 C1 RU2778064 C1 RU 2778064C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vehicle
- wheels
- cab
- cabin
- motor
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000036633 rest Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 239000003562 lightweight material Substances 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 17
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 10
- 108010066278 cabin-4 Proteins 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 3
- 238000004805 robotic Methods 0.000 description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 2
- 230000037250 Clearance Effects 0.000 description 1
- 210000000474 Heel Anatomy 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium Ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000001744 Salsola kali Species 0.000 description 1
- 210000003371 Toes Anatomy 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000037396 body weight Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035512 clearance Effects 0.000 description 1
- 230000002493 climbing Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000896 loss of balance Toxicity 0.000 description 1
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 1
- 230000001537 neural Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating Effects 0.000 description 1
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 238000003079 width control Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к электротранспортным средствам и робототехнике, таким как электромобили и гироскутеры, а именно к динамически и автоматически стабилизируемому транспортному средству, включающему в себя механические элементы колес, платформы и корпуса, блок контроля на базе процессора и датчиков, и портативные электрические источники питания, а также способу управления заявленным транспортным средством, включающим в себя управление устойчивостью и балансировкой. ТС может быть использовано как персональный транспорт, такси, каршеринг, средство доставки товаров, платформа для роботехнических систем.The invention relates to electric vehicles and robotics, such as electric vehicles and gyro scooters, namely to a dynamically and automatically stabilized vehicle, including mechanical elements of wheels, platforms and housings, a control unit based on a processor and sensors, and portable electrical power sources, and also the method of controlling the claimed vehicle, including the control of stability and balancing. The vehicle can be used as a personal transport, taxi, carsharing, a means of delivering goods, a platform for robotic systems.
Важным трендом развития городских ТС является повсеместное внедрение электротранспорта - электромобилей, электробусов и т.п. При этом одним из главных сдерживающих факторов в развитии электротранспорта является низкая плотность энергии в сравнении с бензиновыми автомобилями. Литий-ионные батареи имеют энергетическую плотность в 250 Wh/kg, в то время как плотность бензина 2700 Wh/kg. Для обеспечения аналогичного бензиновому автомобилю запаса хода, электрические авто требуется делать с большой и дорогостоящей батареей (с учетом аналогичных параметров массы), что также отражается на маневренности, так как для высокой адаптивности к движению на скорости требуются значительные энергозатраты.An important trend in the development of urban vehicles is the widespread introduction of electric transport - electric vehicles, electric buses, etc. At the same time, one of the main limiting factors in the development of electric vehicles is the low energy density in comparison with gasoline cars. Lithium-ion batteries have an energy density of 250 Wh/kg, while gasoline has an energy density of 2700 Wh/kg. To ensure a range similar to a gasoline car, electric cars need to be made with a large and expensive battery (taking into account similar mass parameters), which also affects maneuverability, since significant energy costs are required for high adaptability to movement at speed.
Известные индивидуальные транспортные средства (средства персональной мобильности) в большинстве своем представляют собой двух- или одноколесные безкузовные средства с человеческой или электротягой - велосипед, сигвей, гироскутер, самокат, моноколесо. Основными преимуществами таких ТС является маневренность, компактность, энергоэффективность, дешевизна. Эти факторы делают представленные ТС все более популярными среди городских жителей. Важно обратить внимание, что при движении балансировка (удерживание в равновесии ТС) производится телом человека самостоятельно. Это требует постоянной вовлеченности водителя, энергозатрат. Также данные вид балансировки обладает рядом дополнительных минусов: Known individual vehicles (means of personal mobility), for the most part, are two- or one-wheeled bodyless vehicles with human or electric traction - a bicycle, a segway, a gyro scooter, a scooter, a monowheel. The main advantages of such vehicles are maneuverability, compactness, energy efficiency, low cost. These factors make the presented vehicles more and more popular among urban residents. It is important to note that during movement, balancing (keeping the vehicle in balance) is carried out by the human body independently. This requires the constant involvement of the driver, energy consumption. Also, this type of balancing has a number of additional disadvantages:
- не позволяет делать грузоподьемность выше трети массы человека. - does not allow to make the carrying capacity above a third of the mass of a person.
- не позволяет устанавливать кабину на ТС и противостоять погодным условиям, а также увеличивать безопасность. - does not allow you to install the cabin on the vehicle and withstand weather conditions, as well as increase safety.
- не позволяет управлять тс людям с сложностями в координации тела - does not allow people with difficulties in body coordination to control the vehicle
- требует длительного обучения вождению и балансировке - requires long driving and balancing training
Представленные минусы не позволяет выводить ТС на дороги общего пользования без серьёзных ограничений в управлении, также делают ТС малопригодными для использования в дождливую, снежную, холодную и жаркую погоду. The presented disadvantages do not allow the vehicle to be driven onto public roads without serious restrictions in control, and also make the vehicle unsuitable for use in rainy, snowy, cold and hot weather.
И наоборот - электромобили и электробусы имеют хорошую защиту от погодных условий и не требуют балансировки, однако требуют огромных энергозатрат и имеют минимальную маневренность.And vice versa - electric cars and electric buses have good weather protection and do not require balancing, but they require huge energy costs and have minimal maneuverability.
Из уровня техники известно транспортное средство, содержащее переднюю ось с парой передних колес, имеющую ширину колеи, регулируемую между широкой колеей и узкой колеей, приводную заднюю ось с задним колесом, устройство управления шириной колеи, приспособленное менять ширину колеи передних колес и менять колесную базу между передней осью и задней осью так, что для широкой колеи передних колес колесная база длиннее, чем для узкой колеи передних колес, при этом транспортное средство содержит рулевое устройство, приспособленное управлять поворотом заднего колеса, когда передние колеса установлены на узкую колею, где передние колеса являются неповорачивающимися, когда установлены на узкую колею (RU 2570184 C2, кл. B60B 35/10, опубл. 10.12.2015). Технический результат аналога - повышение маневренности, однако исходя из чертежей очевидно, что такая сложная конструкция из осей и колей, которые меняют свое положение, недостаточно быстро адаптируется к изменению окружения и маневренность транспортного средства с меньшим количеством конструкций будет значительно выше на любых скоростях.A vehicle is known from the prior art, comprising a front axle with a pair of front wheels, having a track width adjustable between a wide track and a narrow track, a driven rear axle with a rear wheel, a track width control device adapted to change the track width of the front wheels and change the wheelbase between the front axle and the rear axle so that the wheelbase is longer for the wide gauge front wheels than for the narrow gauge front wheels, and the vehicle includes a steering device adapted to control the rear wheel when the front wheels are set to a narrow gauge, where the front wheels are non-rotating when installed on a narrow gauge (RU 2570184 C2, class B60B 35/10, published on 12/10/2015). The technical result of the analogue is an increase in maneuverability, however, based on the drawings, it is obvious that such a complex structure of axles and tracks that change their position does not adapt quickly enough to changing environments and the maneuverability of a vehicle with fewer structures will be significantly higher at any speed.
Задача, которую решал автор - создать транспортное средство, которым можно легко и стабильно управлять на любых скоростях, используя преимущества двухколесных средств индивидуальной мобильности, а также защищенность от внешних условий, безопасность и принципы управления от классических автомобилей, при этом следуя тренду использовать электромоторы в качестве двигателя.The task that the author solved was to create a vehicle that can be easily and stably controlled at any speed, using the advantages of two-wheeled means of individual mobility, as well as protection from external conditions, safety and control principles from classic cars, while following the trend to use electric motors as engine.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением - повышение маневренности транспортного средства. Под маневренностью для цели настоящей заявки понимается легкость управления транспортным средством и контроля его поведения как на низких, так и на высоких скоростях, при движении прямолинейно или криволинейно по ровной поверхности, а также по поверхности с неровностями, при подъеме или спуске. The technical result provided by the invention is to increase the maneuverability of the vehicle. Agility for the purpose of this application refers to the ease of driving and controlling the behavior of a vehicle at both low and high speeds, when moving straight or curved on a flat surface, as well as on a surface with bumps, when climbing or descending.
Указанный результат достигается благодаря совокупному эффекту от физического снижения массы транспортного средства относительно обыкновенных автомобилей, а также конструктивного оснащения двухколесного транспортного средства одноосным расположением колес с возможностью их вращения и автоматического смещения центра тяжести путем перемещения кабины вдоль оси X с помощью линейного актуатора, и от того, что посредством моторов, колëс с приводом или мотор-колëс изменяют угловую скорость указанных колес, обеспечивая изменение центра тяжести относительно точки опоры транспортного средства на плоскость и изменение линейной скорости транспортного средства, причем указанные действия происходят независимо от водителя, автоматически при считывании показателей телеметрии с датчиков и обработки этих данных микропроцессором в блоке управления.This result is achieved due to the cumulative effect of the physical reduction in the weight of the vehicle relative to conventional cars, as well as the structural equipment of a two-wheeled vehicle with a single-axle arrangement of wheels with the possibility of their rotation and automatic displacement of the center of gravity by moving the cab along the X axis using a linear actuator, and from the fact that that by means of motors, driven wheels or motor-wheels they change the angular velocity of these wheels, providing a change in the center of gravity relative to the fulcrum of the vehicle on the plane and a change in the linear speed of the vehicle, moreover, these actions occur independently of the driver, automatically when reading telemetry indicators from sensors and processing this data by a microprocessor in the control unit.
Кроме того, указанный результат достигается при осуществлении заявленного способа.In addition, the specified result is achieved when implementing the claimed method.
Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.
На фиг. 1 представлено транспортное средство с одноосным расположением колес с разных ракурсов, где:In FIG. 1 shows a vehicle with a single-axle arrangement of wheels from different angles, where:
1 - платформа;1 - platform;
2 - мотор-колëса либо колëса с приводом;2 - motor-wheels or driven wheels;
3 - линейный актуатор; 3 - linear actuator;
4 - кабина; 4 - cabin;
5 - опорные колëса.5 - support wheels.
На фиг. 2 представлена схема платформы транспортного средства.In FIG. 2 is a diagram of the vehicle platform.
На фиг. 3 отображена схема блока управления транспортным средством.In FIG. 3 shows a diagram of a vehicle control unit.
6 - ошибка исполнения предыдущей команды;6 - execution error of the previous command;
7 - ориентация в пространстве;7 - orientation in space;
8 - угловая скорость;8 - angular velocity;
9 - линейное ускорение;9 - linear acceleration;
10 - позиция кабины;10 - cabin position;
11 - угловая скорость левого колеса;11 - angular velocity of the left wheel;
12 - угловая скорость правого колеса;12 - angular velocity of the right wheel;
13 - команда ускорения;13 - acceleration command;
14 - команда поворота;14 - turn command;
15 - блок балансировки и исполнения команд;15 - block for balancing and executing commands;
16 - команда на перемещение кабины;16 - command to move the cabin;
17 - команда скорости/усилия левому колесу;17 - speed/force command to the left wheel;
18 - команда скорости/усилия правому колесу.18 - speed/force command to the right wheel.
На фиг. 4 изображена физическая модель балансировки транспортного средства.In FIG. 4 shows a physical model of vehicle balancing.
На фиг. 5 представлен алгоритм управления показателями транспортного средства.In FIG. 5 shows the algorithm for controlling vehicle performance.
19 - цель;19 - target;
20 - план;20 - plan;
21 - реализация плана;21 - implementation of the plan;
23 - оценка результата;23 - evaluation of the result;
23 - механизм обратной связи.23 - feedback mechanism.
Ссылаясь на фиг. 1-2, в предпочтительном варианте осуществления изобретения транспортное средство состоит из кабины 4 и несущей платформы 1, под которой расположен по меньшей мере один линейный актуатор 3, двух основных колес 2, таких как мотор-колеса либо колеса с приводом, рамы, причем колеса выполнены с возможностью осуществления прямолинейного либо криволинейного движения транспортного средства с ускорением либо без ускорения, и установлены с противоположных сторон платформы параллельно друг другу посредством жесткого соединения с рамой либо с помощью амортизаторов или рессор. Кабина 4 соединена с линейным актуатором 3 и имеет четыре дополнительных опорных колеса 5. Линейный актуатор 3, являющийся конструктивным элементом транспортного средства, предназначен для перемещения кабины 4 по оси Х (вперед и назад) относительно платформы 1. При этом для повышения маневренности важно, чтобы перемещение кабины было плавным, для чего используется векторное управление моторами, линейными актуаторами, использования двигателей, например шаговых, как средств высокоточных линейных перемещений грузов. При этом кабина 4, предназначенная для размещения водителя, пассажиров и/или грузов, защищена от внешних условий. ТС содержит по меньшей мере один двигатель и блок управления транспортным средством (фиг.3), состоящий из руля, педали газа, педали тормоза, панели управления, микропроцессора, блока балансировки и исполнения команд 15 и датчиков, при этом датчиками являются гироскоп, акселерометр, магнетометр, датчик положения кабины и экодер углового положения основных колес 2. Опорные колëса 5 для обеспечения устойчивости транспортного средства в стоячем положении или для применения при экстренном торможении могут быть закреплены на кабине. Кроме того, за счет линейного актуатора транспортное средство выполнено с возможностью выполнения экстренного выкидывания. Центральный микропроцессор, выполнен с возможностью получения данных с датчиков и органов управления, а также обеспечения расчёта и отправки команд на мотор-колëса или колëса с приводом линейным актуатором. Центральный микропроцессор размещен внутри кабины на приборной панели и выполнен в виде сенсорного монитора. При этом блок балансировки и исполнения команд 15 размещен внутри кабины на приборной панели. Referring to FIG. 1-2, in the preferred embodiment of the invention, the vehicle consists of a
Транспортное средство содержит источник питания, предназначенный для подачи электроэнергии на все компоненты транспортного средства. Источник питания выполнен в виде, по меньшей мере, одной батареи, которая выполнена с возможностью ее быстрого снятия для зарядки вне транспортного средства. Внутри кабины транспортного средства под приборной панелью расположен разъем для зарядки батарей. Транспортное средство содержит датчики, выполненные с возможностью обеспечения определения положения транспортного средства в пространстве и одометрию движущихся элементов. The vehicle contains a power source designed to supply electricity to all components of the vehicle. The power source is made in the form of at least one battery, which is made with the possibility of its quick removal for charging outside the vehicle. Inside the cab of the vehicle, under the dashboard, there is a connector for charging the batteries. The vehicle contains sensors configured to provide determination of the position of the vehicle in space and odometry of moving elements.
Транспортное средство может быть оснащено электрозамками на двери, омывателям лобового стекла, дворниками - очистителями лобового стекла, звуковым сигнализатором, аудиосистемой, монитором для отображения оперативных и статистических показателей транспортного средства. При этом монитор может быть выполнен с возможностью работы посредством сенсорного прикосновения. Кроме того, транспортное средство оснащено передними фарами головного освещения с функциями стояночного света, ближнего и дальнего света, расположенными в нижней части передней панели кабины. При этом задние стояночные сигнализаторы и стоп-сигнализаторы расположены в нижней части задней панели кабины. Кроме того, транспортное средство оснащено передними и задними сигнализаторами поворотников, расположенными на нижних частях передней и задней панели кабины соответственно. Транспортное средство оснащено центральным электромеханическим замком двери и системой вентиляции, воздушного охлаждения или отопления салона. Поворот транспортное средство совершает путем вращения мотор-колëс или колëс с приводом, которые имеют разную скорость вращения. The vehicle can be equipped with electric locks on the door, windshield washers, windshield wipers, sound alarm, audio system, monitor for displaying operational and statistical indicators of the vehicle. In this case, the monitor may be configured to be operated by means of a touch touch. In addition, the vehicle is equipped with front headlights with parking light, low beam and high beam functions located at the bottom of the cab front panel. At the same time, the rear parking lights and brake lights are located in the lower part of the rear panel of the cab. In addition, the vehicle is equipped with front and rear turn signal indicators located on the lower parts of the front and rear panels of the cab, respectively. The vehicle is equipped with a central electromechanical door lock and a ventilation, air cooling or interior heating system. A vehicle makes a turn by rotating motor wheels or driven wheels, which have different rotation speeds.
В частном случае 1, в качестве двигателя ТС используется шаговый электродвигатель.In
В частном случае 2, на кабине либо несущей платформе ТС расположены дополнительные опорные колеса, оснащенные тормозами.In
В частном случае 3, ТС оборудовано дополнительными датчиками, а именно датчиком глобального позиционирования GNSS/GPS/GLONASS, камерами кругового обзора, 3D лидаром.In
Кабина и рама ТС исполнены из легких материалов высокой прочности с поперечными сечениями и формами, обеспечивающими достаточную прочность и жесткость. Типовые материалы включают, но без ограничения, композитные армированные полимеры, такие как пластики, графитопластиковые материалы и алюминий . Это позволяет обеспечивать малый вес кабины и всего ТС для обеспечения высокой энергоэффективности и маневренности передвижения.The cab and frame of the vehicle are made of lightweight, high-strength materials with cross-sections and shapes that provide sufficient strength and rigidity. Typical materials include, but are not limited to, composite reinforced polymers such as plastics, graphite plastic materials, and aluminium. This allows the cabin and the entire vehicle to be light in weight for high energy efficiency and maneuverability.
Ссылаясь на фиг. 3-5, способ управления транспортным средством по п.1, включающий в себя выполнение следующей последовательности этаповReferring to FIG. 3-5, the method of driving a vehicle according to
- в стояночном положении транспортное средство ожидает в состоянии устойчивого равновесия, опираясь на передние опорные колеса,- in the parking position, the vehicle waits in a state of stable equilibrium, leaning on the front support wheels,
- водитель и пассажир заходят в кабину через дверь,- the driver and passenger enter the cabin through the door,
- переключают транспортное средство в режим движения- switch the vehicle to driving mode
- транспортное средство перемещает кабину до ее положения параллельного земле, и переходит в состояние неустойчивого равновесия,- the vehicle moves the cabin to its position parallel to the ground, and goes into a state of unstable equilibrium,
- в процессе движения водитель только управляет транспортным средством при помощи привычных для него органов управления - руля, педалей газа и тормоза, переключателя направления движения, а транспортное средство непрерывно обеспечивает положение кабины параллельное земле, основываясь на постоянном анализе данных, которые центральный микропроцессор блока управления получает от датчиков гироскопа, акселерометра, магнетометра, датчика положения кабины с помощью микропроцессора, который включает систему обратного маятника, а также- in the process of movement, the driver only controls the vehicle using the controls familiar to him - the steering wheel, gas and brake pedals, the direction switch, and the vehicle continuously ensures the position of the cabin parallel to the ground, based on the constant analysis of the data that the central microprocessor of the control unit receives from gyroscope sensors, accelerometer, magnetometer, cockpit position sensor using a microprocessor that includes a reverse pendulum system, as well as
- при необходимости ТС изменяет положение кабины и угловые скорости колес, перемещение кабины транспортного средства вперед или назад относительно оси мотор-колëс или колëс с приводом транспортного средства осуществляют посредством линейного актуатора, - if necessary, the vehicle changes the position of the cab and the angular speeds of the wheels, the movement of the vehicle cab forward or backward relative to the axis of the motor-wheels or wheels with the vehicle drive is carried out by means of a linear actuator,
- при завершении движения водитель переводит ТС в состояние стоянки, - at the end of the movement, the driver transfers the vehicle to the parking state,
- кабина перемещается вперед до опоры на опорные колеса и перехода в состояние устойчивого равновесия.- the cab moves forward until it rests on the support wheels and enters a state of stable equilibrium.
При осуществлении способа транспортное средство может находиться в состоянии - стоянка. При этом кабина 4 транспортного средства перемещается вперед, и транспортное средство переходит в состояние устойчивого равновесия с помощью опоры на передние опорные колеса 5. В данном положении транспортное средство находится в выключенном состоянии. When implementing the method, the vehicle may be in the state - parking . In this case, the
Так, в стояночном положении транспортное средство находится в состоянии устойчивого равновесия, опираясь на передние опорные колеса 5. Затем водитель и пассажир заходят в кабину с помощью передней двери. Водитель осуществляет переключение транспортного средства в режим движения, что позволяет перемещать кабину до того положения, когда кабина перейдет в положение, параллельно земле, а все транспортное средство перейдет в состояние неустойчивого равновесия.So, in the parking position, the vehicle is in a state of stable equilibrium, leaning on the
Транспортное средство приводят в движение следующим образом.The vehicle is set in motion as follows.
Транспортное средство может находиться в состоянии движения. При этом кабина 4 транспортного средства находится в положении параллельно уровню земли. Угловая скорость колëс изменяется в соответствии с командами водителя. Балансировка производится с помощью перемещения кабины 4, а также изменения угловой скорости мотор-колëс или колëс с приводом 2. Движение вперед транспортного средства выполняют путем вращения обоих мотор-колëс или колëс с приводом 2, вращающихся с одинаковой скоростью в направлении вперед. Движение назад транспортного средства выполняют путем вращения обоих мотор-колëс или колëс с приводом 2, вращающихся с одинаковой скоростью в направлении назад. The vehicle may be in a state of motion . The
Разница указанных скоростей может влиять на величину радиуса поворота. The difference in these speeds can affect the value of the turning radius.
Вращение обоих мотор-колëс или колëс с приводом 2 в одинаковом направлении, при котором одно мотор-колесо или колесо с приводом вращается значительно быстрее другого мотор-колеса или колеса с приводом, приводит к дугообразному повороту. Rotation of both motor-wheels or driven
Вращение только одного мотор-колеса или колеса с приводом заставляет транспортное средство, по существу, разворачиваться вокруг невращающегося колеса.Spinning just one motorized or powered wheel causes the vehicle to essentially turn around the non-spinning wheel .
Вращение мотор-колëс или колëс с приводом 2 в противоположных направлениях с равными скоростями разворачивает транспортное средство вокруг вертикальной оси посередине между колесами.Rotation of motor-wheels or wheels with
Следующим состоянием транспортного средства может быть - остановка. При этом кабина 4 транспортного средства находится в положении параллельно уровню земли. Угловая скорость колëс стремится к нулю. Положение транспортного средства в пространстве стремится оставаться неизменным. Балансировка производится с помощью перемещения кабины 4. The next state of the vehicle may be - stop. The
При завершении движения водитель переводит транспортное средство в режим стоянки, кабина 4 перемещается вперед до опоры на опорные колеса 5 и перехода в состояние устойчивого равновесия.At the end of the movement, the driver puts the vehicle in the parking mode, the
В случае критического ускорения транспортного средства или резкого торможения, при которых балансировка транспортного средства кабиной невозможна, транспортное средство опирается на передние или задние опорные колëса 5. In the event of a critical acceleration of the vehicle or sudden braking, in which the balancing of the vehicle by the cab is not possible, the vehicle rests on the front or
Управление транспортным средством, а именно, балансировку транспортного средства осуществляют следующим образом.The control of the vehicle, namely, the balancing of the vehicle is carried out as follows.
Блок управления транспортным средством, схема которой представлена на фиг. 3, через систему балансировки и исполнения команд 15, поддерживает устойчивость транспортного средства, с учетом ошибки исполнения предыдущей команды 6, непрерывно отслеживая ориентацию транспортного средства в пространстве 7, угловую скорость 8, линейное ускорение 9, положение (позицию) кабины 10, угловую скорость вращения левого колеса 11, угловую скорость вращения правого колеса 12, команду ускорения 13, команду поворота 14, определяя корректирующие действия для поддержания устойчивости, и направляя команду 16 линейному актуатору на перемещение кабины и команды скорости/усилия 17 и 18 левому и правому мотор-колëсам на выполнение корректирующих действий. The vehicle control unit, the diagram of which is shown in Fig. 3, through the system of balancing and execution of
В компьютерной системе центральный микропроцессор получает показатели датчиков, таких как, гироскоп, акселерометр, магнетометр, датчик положения кабины и на основании встроенных алгоритмов обеспечивает изменения положения кабины с помощью линейного актуатора 3 и угловой скорости мотор-колëс или колëс с приводом 2 в целях или балансировки транспортного средства, то есть удержания его параллельным относительно оси X, или исполнения команд управления. In the computer system, the central microprocessor receives the readings of sensors, such as a gyroscope, an accelerometer, a magnetometer, a cabin position sensor, and, based on built-in algorithms, provides changes in the cabin position using a
Транспортное средство может управляться водителем, находящимся в кабине с помощью таких органов управления, как руль, педаль газа, педаль тормоза, кнопками переключения направления движения, кнопками включения транспортного средства. Органы управления транспортным средством, расположенные в кабине на приборной панели транспортного средства, представляют собой набор датчиков и электромоторов, таких каких, как датчик угла поворота для руля. The vehicle can be controlled by the driver, who is in the cab, using such controls as the steering wheel, gas pedal, brake pedal, buttons for switching the direction of movement, buttons for turning on the vehicle. The vehicle controls, located in the cab on the vehicle dashboard, are a collection of sensors and electric motors, such as a steering angle sensor.
При этом руль транспортного средства может также содержать в себе электромотор для физического дублирования (отображения) команд, получаемых при дистанционном или автономном управлении транспортным средством. Кроме того, транспортное средство оснащено датчиками уровня нажатия педалей газа и тормоза. Наряду с вышесказанным, транспортное средство имеет удаленную систему блока управления, включающую джойстик удаленного управления, который позволяет управлять транспортным средством на расстоянии менее 100 м, а также пульт удаленного управления, позволяющий управлять транспортным средством на расстояниях более 100 м. In this case, the steering wheel of the vehicle may also contain an electric motor for physical duplication (display) of commands received during remote or autonomous control of the vehicle. In addition, the vehicle is equipped with sensors for the level of pressing the gas and brake pedals. In addition to the above, the vehicle has a remote control unit system, including a remote control joystick that allows you to control the vehicle at a distance of less than 100 m, as well as a remote control that allows you to control the vehicle at distances of more than 100 m.
Кроме того, транспортное средство может работать автономно, при подключении к системам автономного управления без вмешательства или с вмешательством водителя. In addition, the vehicle can operate autonomously when connected to autonomous driving systems without or with driver intervention.
Мотор-колëса или колëса с приводом 2 имеют электромоторы и драйверы, и могут быть выполнены любого размера, но оптимально применять колеса бóльшего диаметра. Motor-wheels or driven
Большее пятно контакта с поверхностью, как следствие большую площадь опоры и большую устойчивость, поскольку тело, имеющее большую площадь опоры, будет находиться в равновесии до тех пор, пока линия действия центра тяжести будет проходить через площадь опоры. Larger contact patch with the surface, resulting in a larger footprint and greater stability, since a body with a larger footprint will be in equilibrium as long as the line of action of the center of gravity passes through the footprint.
Кроме того, указанный диаметр мотор-колëс и колëс с приводом 2 увеличивает силу трения качения. In addition, the specified diameter of the motor-wheels and wheels with
Обеспечивают меньший угол атаки, а также снижают силу опрокидывания при наезде на препятствия.They provide a smaller angle of attack, and also reduce the force of overturning when hitting obstacles.
Клиренс и центр тяжести транспортного средства могут располагаться без ограничений, но оптимально иметь максимально низкий центр тяжести. Это обеспечивает необходимость меньшего перемещения кабины для балансировки транспортного средства, что позволяет сэкономить энергию и увеличить быстроту реакции. При снижении центра тяжести ниже оси вращения мотор-колëс или колëс с приводом система из состояния неустойчивого равновесия переходит в состояние устойчивого равновесия. По аналогии с игрушкой «ванькой-встанькой» при возбуждении стремится минимизировать потенциальную энергию и занять состояние равновесия. The ground clearance and center of gravity of the vehicle can be located without restrictions, but it is optimal to have the lowest possible center of gravity. This ensures that less cab movement is required to balance the vehicle, which saves energy and increases responsiveness. When the center of gravity drops below the axis of rotation of the motor-wheels or driven wheels, the system passes from the state of unstable equilibrium to the state of stable equilibrium. By analogy with a "roly-poly" toy, when excited, it seeks to minimize potential energy and take a state of equilibrium.
Тормозная система транспортного средства оснащена рекуперативным торможением, мотор-колëсами или колëсами с приводом; инерционным торможением кабиной; механическими тормозами, расположенными на мотор-колëсах или колëсах с приводом; тормозами, расположенными на опорных колëсах. The braking system of the vehicle is equipped with regenerative braking, motor-wheels or driven wheels; cabin inertial braking; mechanical brakes located on motor-wheels or driven wheels; brakes located on the support wheels.
Все электронные приборы транспортного средства связаны между собой и внешними участниками посредством проводной связи, например, по таким протоколам как CAN, I2C, UART, Ethernet или беспроводной связи, например, по таким каналам как WiFi, Bluetooth, радиоканал, используемый пультом дистанционного управления. All electronic devices of the vehicle are connected to each other and external participants via wired communication, for example, using protocols such as CAN, I2C, UART, Ethernet or wireless communication, for example, via channels such as WiFi, Bluetooth, radio channel used by the remote control.
Кроме того, данные телеметрии транспортного средства можно передавать на сервер для сбора, последующего анализа данных о состоянии и перемещения транспортного средства. In addition, vehicle telemetry data can be transmitted to a server for collection, subsequent analysis of data on the state and movement of the vehicle.
Для открытия дверей и сообщения о местоположении транспортного средства пользователю, отображения телеметрии транспортного средства может быть использовано мобильное приложение для смартфона, получаемое с сервера провайдера или производителя транспортного средства. To open the doors and report the location of the vehicle to the user, display the telemetry of the vehicle, a mobile application for a smartphone can be used, obtained from the server of the provider or vehicle manufacturer.
Команды управления, вычисляемые центральным микропроцессом, подаются на мотор-колëса или колëса с приводом и линейный актуатор, перемещающий кабину. Командой на мотор-колëса или колëса с приводом может быть требуемая скорость или крутящий момент. На линейный актуатор подается команда положения кабины. Ошибка исполнения команды корректируется обратной связью от датчиков с помощью цикла из теории управления. The control commands calculated by the central micro-process are given to the motor-wheels or driven wheels and the linear actuator that moves the cab. The command to the motor-wheels or driven wheels may be the desired speed or torque. The cab position is commanded to the linear actuator. The command execution error is corrected by feedback from sensors using a cycle from control theory.
Заявленное транспортное средство с одноосным расположением колëс работает посредством осуществления следующих приемов. При этом задачей блока управления транспортным средством является обеспечение положения кабины параллельно земле при движении транспортного средства с ускорением за счет перемещения кабины, и представляет собой задачу системы с неустойчивым равновесием. The claimed vehicle with a single-axle arrangement of wheels works by implementing the following methods. At the same time, the task of the vehicle control unit is to ensure the position of the cabin parallel to the ground when the vehicle is moving with acceleration due to the movement of the cabin, and is the task of the system with unstable equilibrium.
Одним из примеров такой задачи является система обратного маятника, решение которой является базовой задачей в машинном обучении с подкреплением (reinforcement learning). One example of such a problem is the inverse pendulum system, the solution of which is a basic problem in machine learning with reinforcement (reinforcement learning).
Таким образом, рассматривается движение прямо без вертикального ускорения, что продемонстрировано на фиг. 4.Thus, straight forward motion without vertical acceleration is considered, as shown in FIG. four.
m - центр тяжести транспортного средства; m - the center of gravity of the vehicle;
Fтр - сила трения покоя, равна по модулю и противоположна по направлению силе инерции при прямолинейном движении; Ftr - static friction force, equal in absolute value and opposite in direction to the force of inertia in rectilinear motion;
Fe - сила инерции, равна по модулю и противоположна по направлению произведению ускорения тела на его массу; Fe is the force of inertia, equal in magnitude and opposite in direction to the product of the acceleration of the body and its mass;
Fn - сила нормальной реакции поверхности равна по модулю и противоположна по направлению силе тяжести; Fn - the force of the normal reaction of the surface is equal in absolute value and opposite in direction to the force of gravity;
α - угол между центром масс и точкой опоры; α is the angle between the center of mass and the fulcrum;
l - расстояние от центра тяжести до точки опоры по оси y; l - distance from the center of gravity to the fulcrum along the y axis;
k - расстояние от центра тяжести до точки опоры по оси x. k is the distance from the center of gravity to the fulcrum along the x axis.
В момент ускорения на транспортное средство действуют силы ma с плечом h и сила тяжести mg с плечом b. Их моменты должны быть равны, чтобы кабина транспортного средства не начала вращаться по окружности с центром в точке опоры. At the moment of acceleration, forces ma with shoulder h and gravity mg with shoulder b act on the vehicle. Their moments must be equal so that the vehicle cabin does not begin to rotate in a circle centered at the fulcrum.
m*a*h = m*g*b m*a*h = m*g*b
a*h = g*b a*h = g*b
b = a/g*h b = a/g*h
При этом имеются следующие допущения, представленные в расчетах: In this case, there are the following assumptions presented in the calculations:
- Трение в оси колеса = 0 - Friction in the wheel axle = 0
- Нет колебаний кабины в стационарном положении- No vibrations of the cabin in a stationary position
- Не используются в расчетах внешние силы, действующие на транспортное средство, в том числе и сила сопротивления воздуха.- The external forces acting on the vehicle, including the force of air resistance, are not used in the calculations.
Для динамических расчетов показателей и балансировки транспортного средства могут использоваться PID (ПИД) - регуляторы, настроенные эмпирическим путем, многослойные и однослойные нейронные сети, обученные методом обучения с подкреплением (reinforcement learning) в реальных испытаниях, виртуальной среде или в смешанной модели. For dynamic calculations of indicators and vehicle balancing, PIDs (PID) can be used - empirically tuned controllers, multilayer and single-layer neural networks trained by reinforcement learning in real tests, a virtual environment or in a mixed model.
Таким образом, основным отличием балансировки в заявленном способе управления транспортного средства от других систем балансировки двухколëсных одноосных и одноколëсных персональных транспортных средств является отсутствие необходимости водителя данного транспортного средства обеспечивать баланс транспортного средства изменяя центр тяжести собственного тела - наклоняя его вперед или назад, влево или вправо, приседая, перенося вес тела с одной ноги на другую, с пятки на носок и т.д., потому что в предлагаемом механизме изменение центра тяжести производится за счет перемещения кабины и изменения угловых скоростей колëс транспортного средства. Значения команд по перемещению кабины и изменения угловых скоростей мотор-колëс или колëс с приводом транспортного средства осуществляют центральным микропроцессом с программным обеспечением через каждый настраиваемый интервал времени путем анализа показателей телеметрии транспортного средства и расчета команд, подаваемых на линейный актуатор кабины и мотор-колëс или колëс с приводом. При этом водителю нет необходимости обеспечивать активную и постоянную балансировку транспортного средства собственным телом. Водитель только управляет транспортным средством при помощи привычных для него органов управления руля, педалей газа и тормоза, переключателя направления движения.Thus, the main difference between balancing in the claimed method of controlling a vehicle from other balancing systems for two-wheeled single-axle and single-wheeled personal vehicles is that the driver of this vehicle does not need to balance the vehicle by changing the center of gravity of his own body - tilting it forward or backward, left or right, squatting, transferring body weight from one leg to another, from heel to toe, etc., because in the proposed mechanism, the center of gravity is changed by moving the cab and changing the angular velocities of the vehicle wheels. The values of the commands for moving the cabin and changing the angular velocities of the motor-wheels or wheels with the vehicle drive are carried out by a central microprocess with software at each adjustable time interval by analyzing the telemetry indicators of the vehicle and calculating the commands given to the linear actuator of the cabin and the motor-wheels or wheels with drive. In this case, the driver does not need to actively and constantly balance the vehicle with his own body. The driver only controls the vehicle with the usual steering wheel controls, gas and brake pedals, and a direction switch.
Далее в процессе движения транспортное средство постоянно обеспечивает положение кабины параллельно земле за счет анализа данных датчиков, указанных на фиг. 3, изменяя положение кабины и угловые скорости колëс.Further, in the process of movement, the vehicle constantly ensures the position of the cabin parallel to the ground by analyzing the data of the sensors indicated in FIG. 3 by changing the position of the cab and the angular speeds of the wheels.
Таким образом, для поддержания равновесия транспортного средства выполняют следующий ряд приемов: посредством автоматического управления изменяют положение центра тяжести с помощью перемещения кабины транспортного средства с помощью работы линейного актуатора и изменения угловых скоростей мотор-колëс или колëс с приводом транспортного средства. При этом кабину транспортного средства перемещают вперед или назад относительно оси мотор-колëс или колëс с приводом транспортного средства посредством линейного актуатора, а угловые скорости мотор-колëс или колëс с приводом задают и изменяют электромотором и драйверами указанных колëс, при этом контроль потери равновесия осуществляют электронным следящим устройством, а восстановление равновесия осуществляют за счет перемещения центра тяжести транспортного средства путем перемещения кабины относительно оси вращения колëс и изменения угловых скоростей мотор-колëс или колëс с приводом посредством подачи энергопитания от бортового или внешнего источника питания. Thus, to maintain the balance of the vehicle, the following series of techniques are performed: by means of automatic control, the position of the center of gravity is changed by moving the vehicle cab using the operation of a linear actuator and changing the angular velocities of the motor-wheels or wheels with the vehicle drive. In this case, the vehicle cabin is moved forward or backward relative to the axis of the motor-wheels or wheels with a drive of the vehicle by means of a linear actuator, and the angular velocities of the motor-wheels or wheels with a drive are set and changed by the electric motor and drivers of these wheels, while the loss of balance is controlled electronically. a tracking device, and balance is restored by moving the center of gravity of the vehicle by moving the cab relative to the axis of rotation of the wheels and changing the angular velocities of the motor-wheels or driven wheels by supplying power from an on-board or external power source.
При этом при возникновении ситуации, кода под воздействием внешних сил транспортное средство выходит из равновесного состояния, возникает опрокидывающий момент. С помощью линейного актуатора перемещают кабину транспортного средства, а посредством моторов, колëс с приводом или мотор-колëс изменяют угловую скорость указанных колес, обеспечивая изменение центра тяжести относительно точки опоры транспортного средства на плоскость и изменение линейной скорости транспортного средства, достаточные для контропрокидывающего момента, что компенсирует опрокидывающий момент, превосходя его, возвращает положение центра тяжести транспортного средства в равновесное состояние. При этом контроль за положением транспортного средства и возникающими отклонениями осуществляют посредством электронного следящего устройства, а управление приводами линейного актуатора кабины и колëс осуществляют посредством компьютерной системы. Сам механизм перемещения кабины оси может быть зубчатым, винтовым, ременным, гидравлическим или иным, энергопитание которого осуществляется от бортового или внешнего источника питания.In this case, when a situation arises when, under the influence of external forces, the vehicle leaves the equilibrium state, an overturning moment occurs. With the help of a linear actuator, the vehicle cabin is moved, and by means of motors, driven wheels or motor-wheels, the angular velocity of these wheels is changed, providing a change in the center of gravity relative to the fulcrum of the vehicle on the plane and a change in the linear speed of the vehicle, sufficient for a counter-overturning moment, which compensates for the overturning moment, exceeding it, returns the position of the center of gravity of the vehicle to an equilibrium state. In this case, the control over the position of the vehicle and the resulting deviations is carried out by means of an electronic tracking device, and the drives of the linear actuator of the cabin and wheels are controlled by a computer system. The axle cab movement mechanism itself can be toothed, screw, belt, hydraulic or otherwise, the power supply of which is carried out from an on-board or external power source.
Claims (13)
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020140030A Substitution RU2020140030A (en) | 2020-12-07 | VEHICLE AND METHOD FOR KEEPING BALANCE BY VEHICLE |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2778064C1 true RU2778064C1 (en) | 2022-08-15 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115447680A (en) * | 2022-10-08 | 2022-12-09 | 东风柳州汽车有限公司 | Semi-active suspension control method and system for commercial vehicle cab |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4705716A (en) * | 1985-04-01 | 1987-11-10 | Jinsheng Tang | Integral car body made of composite material |
SU1745570A1 (en) * | 1990-10-02 | 1992-07-07 | Челябинский Политехнический Институт Им.Ленинского Комсомола | Motor-in-wheel for transportation vehicle |
RU2136104C1 (en) * | 1997-01-16 | 1999-08-27 | Калабурдин Виктор Иванович | Electric drive for vehicles with autonomous power supply |
RU2333862C1 (en) * | 2007-01-17 | 2008-09-20 | Александр Исаевич Черноморский | Single-axle wheel-mounted vehicle |
FR3000666A1 (en) * | 2013-01-08 | 2014-07-11 | Ville Et Voiture | Vehicle for loading and transporting reduced mobility person on wheel chair in home, has motor unit indirectly coupled with two coaxial wheels, where vehicle is held on ground by two coaxial wheels during certain phases of operation |
WO2015090618A2 (en) * | 2013-12-20 | 2015-06-25 | Multitooltrac Bv | Dynamically variable track width and electrically driven work in sight tractor and method of gps steering |
RU161143U1 (en) * | 2015-08-14 | 2016-04-10 | Андрей Геннадьевич Голубев | CRAWLER ENGINE |
RU2584068C2 (en) * | 2010-10-27 | 2016-05-20 | Форд Глобал Технолоджис, ЛЛК | Wireless fuel level sensor for vehicle fuel tank |
RU2676817C2 (en) * | 2014-11-11 | 2019-01-11 | Новелис Инк. | Multipurpose heat-treated aluminum alloys and related processes and applications |
RU2716525C2 (en) * | 2017-02-07 | 2020-03-12 | ФОРД ГЛОУБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ЭлЭлСи | Steering wheel feedback mechanism |
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4705716A (en) * | 1985-04-01 | 1987-11-10 | Jinsheng Tang | Integral car body made of composite material |
SU1745570A1 (en) * | 1990-10-02 | 1992-07-07 | Челябинский Политехнический Институт Им.Ленинского Комсомола | Motor-in-wheel for transportation vehicle |
RU2136104C1 (en) * | 1997-01-16 | 1999-08-27 | Калабурдин Виктор Иванович | Electric drive for vehicles with autonomous power supply |
RU2333862C1 (en) * | 2007-01-17 | 2008-09-20 | Александр Исаевич Черноморский | Single-axle wheel-mounted vehicle |
RU2584068C2 (en) * | 2010-10-27 | 2016-05-20 | Форд Глобал Технолоджис, ЛЛК | Wireless fuel level sensor for vehicle fuel tank |
FR3000666A1 (en) * | 2013-01-08 | 2014-07-11 | Ville Et Voiture | Vehicle for loading and transporting reduced mobility person on wheel chair in home, has motor unit indirectly coupled with two coaxial wheels, where vehicle is held on ground by two coaxial wheels during certain phases of operation |
WO2015090618A2 (en) * | 2013-12-20 | 2015-06-25 | Multitooltrac Bv | Dynamically variable track width and electrically driven work in sight tractor and method of gps steering |
RU2676817C2 (en) * | 2014-11-11 | 2019-01-11 | Новелис Инк. | Multipurpose heat-treated aluminum alloys and related processes and applications |
RU161143U1 (en) * | 2015-08-14 | 2016-04-10 | Андрей Геннадьевич Голубев | CRAWLER ENGINE |
RU2716525C2 (en) * | 2017-02-07 | 2020-03-12 | ФОРД ГЛОУБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ЭлЭлСи | Steering wheel feedback mechanism |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115447680A (en) * | 2022-10-08 | 2022-12-09 | 东风柳州汽车有限公司 | Semi-active suspension control method and system for commercial vehicle cab |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101573250B (en) | Travel gear and its controlling method | |
US10245937B2 (en) | Vehicle comprising autonomous steering column system | |
US7006901B2 (en) | Computerized automated dynamic control system for single-track vehicles | |
CN203381739U (en) | Self-balance two-wheel electric vehicle | |
US10754340B1 (en) | Virtual gearing in an autonomous electronic bicycle | |
CN102815357B (en) | Self-balancing manned solowheel based on inertia balance wheel | |
CN102079348A (en) | Self-balance manned monocycle system and control method thereof | |
CN108569365A (en) | Bicycle control and bicycle drive unit including the control device | |
CN203186511U (en) | Segway without handle | |
CN202879694U (en) | Single wheel self-balancing electric vehicle | |
US20140265224A1 (en) | Mobile vehicle | |
CN202180886U (en) | Self-balanced intelligent traffic robot | |
CN106184542A (en) | A kind of without wheelspan vehicle control system and control method | |
CN101821155A (en) | Vehicle | |
JP2014151721A (en) | Wheel Walker | |
CN104828082A (en) | Method and device for preventing steerable vehicle from being tilted | |
CN101585388A (en) | Inertia navigation intelligent vehicle | |
US20200407013A1 (en) | Autonomous electronic bicycle | |
JP2003011863A (en) | Motorcycle | |
CN201296337Y (en) | Intelligent manned robot | |
CN111907615A (en) | 7DOF two-wheeled multi-attitude robot | |
CN201863985U (en) | Center-of-gravity control vehicle with dual-motor backup drive system | |
RU2778064C1 (en) | Vehicle and method for driving the vehicle | |
JP2004338507A (en) | Motorcycle | |
JP6161023B2 (en) | Passenger motorcycle |