CN103407491B - 一种智能汽车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能汽车，包括：通过旋转单元与车身连接且相对于车身可旋转的底盘；设置在旋转底盘上的多个悬架单元；设置在悬架单元上的车轮，其中每个车轮上设置转向机构和驱动机构，以使每个车轮相对于悬架单元可独立转向并且独立被驱动进行行走；控制器，包括环境传感器、车身传感器、底盘传感器，其中控制器根据环境传感器、车身传感器、底盘传感器检测的信号控制底盘的方位、车轮的方位以实现稳定车身避障、均分车轮载荷、灵活转向控制。本智能汽车具有稳定车身的原车道避障功能，均分车轮负载的功能，更丰富灵活的转向功能，具有更好的稳定性、通过性和灵活性。

Description

一种智能汽车及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种新结构的汽车，特别是一种具有旋转底盘可独立转向的智能汽车以及其控制方法。

背景技术

三轮车和四轮车是传统的汽车结构。三轮车比较灵活，但是尺寸小、稳定性差、性能有限、负载能力弱，通过性也很不足；四轮车稳定，但是灵活性不足。为了增强四轮车的灵活性，提出了后轮随动转向或四轮转向，但也只是针对传统结构的改进。

传统车辆避让低于离地间隙的障碍通常采用变道的方式，只有少数位置好尺寸小的障碍可以直接跨越。但是有时由于旁边车道被占用等情况无法变道躲避，或者在高速行驶等不稳定行驶状态时变道造成车辆失控，这些情况都是十分危险的，直接威胁到驾乘人员的生命安全。

传统车辆车轮相对车身的分布位置是固定的，车辆在加速减速、转弯、上下坡等行驶状态时受到不同的惯性力作用，使得每个车轮的负载不均匀，负载大的车轮更容易也会首先突破抓地力极限造成车辆失控，这显著地降低了车辆的行驶极限，直接降低了车辆的行驶安全。

本发明就是针对传统车辆的上述问题而提出的。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种新结构的汽车，一种旋转底盘、独立转向的智能汽车，具有更好的稳定性、通过性和灵活性。

为实现上述目的，本发明的智能汽车提供以下技术方案，包括：通过旋转单元与车身连接且相对于车身可旋转的底盘；设置在旋转底盘上的多个悬架单元；设置在悬架单元上的车轮，其中每个车轮上设置转向机构和驱动机构，以使每个车轮相对于悬架单元可独立转向并且独立被驱动进行行走；控制器，包括环境传感器、车身传感器、底盘传感器，其中控制器根据环境传感器、车身传感器、底盘传感器检测的信号控制底盘的方位、车轮的方位以实现稳定车身避障、均分车轮载荷、灵活转向控制。

优选的，底盘上设置三个车轮和对应的三组悬架，三个车轮的连线为三角形。当然底盘上也可设置四个车轮和对应的四组悬架，四个车轮的连线为四边形或者菱形。

优选的，旋转单元包括设置在底盘上的齿圈以及驱动上述齿圈的第一伺服电机，以使车身可绕底盘上齿圈的中心旋转一定控制角度；转向机构包括第二伺服电机，其中车身相对于底盘、车轮相对于悬架单元均可进行360°转向。

优选的，控制器具有底盘旋转控制单元，其中：底盘旋转控制单元根据底盘传感器及车身传感器获得当前的底盘方位角、每个车轮的方位角、汽车行进方向和速度、底盘旋转角速度和旋转方向，以及每个车轮的方位角和车轮相对于底盘中心的距离，控制每个车轮的驱动和转向，进而车轮的运动带动底盘转过一定角度，以使底盘旋转到目标状态。

优选的，由当前的底盘方位角计算出每个车轮的方位角；根据汽车行进方向和速度计算出底盘中心的速度矢量即行驶速度矢量；根据底盘旋转角速度和旋转方向，以及每个车轮的方位角和车轮相对于底盘中心的距离，计算出每个车轮的旋转速度矢量；对于每个车轮，将行驶速度矢量和旋转速度矢量进行矢量求和，得到每个车轮的车轮速度矢量，进而计算出每个车轮的目标转速和目标转角；底盘旋转控制单元分别根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向。

优选的，在需要开始旋转底盘时逐渐增加底盘旋转角速度以平稳开始底盘旋转，在需要停止旋转底盘时逐渐减小底盘旋转角速度以平稳停止底盘旋转。

优选的，控制器还具有车身朝向不变控制单元，在开始旋转底盘时，车身朝向不变控制单元由车身传感器得到初始车身方位角，即为在底盘旋转过程中需要保持不变的车身方位角；在每个控制周期中，车身朝向不变控制单元由车身传感器得到当前车身方位角，得到当前车身方位角与初始车身方位角差，计算出车身偏离目标方位的角度，从而控制底盘与车身间的旋转单元反向旋转相同角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

优选的，控制器还具有避障控制单元，其中环境传感器探测汽车行驶前方路面信息并传输至避障控制单元，其从路面信息中识别出汽车行驶前方的障碍物，如果判断障碍物小于本车的离地间隙，且尺寸和位置满足预定条件，则进行避障控制处理。

优选的，上述预定条件为：障碍物位于汽车前方中央附近，且宽度小于左右车轮间隙时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘一定角度，将车轮间隙对准障碍，以用车轮间隙跨越障碍；当障碍物位于汽车前方的一侧，且占据汽车前方的宽度小于二分之一车宽，且在前进方向的长度小于二分之一车宽时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，通过环境传感器持续监控障碍物，计算出障碍物与汽车的相对速度，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得位于底盘前方的那个车轮在行进前方避开障碍物，当汽车行进至障碍物处，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得底盘前方的车轮绕过障碍物而绕到障碍物一侧，同时位于障碍物一侧的车轮在旋转底盘过程中绕开障碍物。

优选的，控制器还具有车轮负载控制单元，控制器根据车身传感器采集的数据计算出惯性力的大小和方位角，根据车身方位角和底盘方位角计算出当前底盘相对于车身的转角，根据惯性力方向计算出使得每个车轮负载最接近的底盘相对于车身的转角，经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制底盘旋转到相应位置。

优选的，控制器还具有灵活转向控制单元，灵活转向控制单元根据汽车行驶状态数据计算出汽车当前行驶状态，根据方向盘和踏板输入计算出驾驶员的控制意图，根据车身传感器和底盘传感器采集的相应方位角数据，计算出当前底盘相对于车身的转角，根据汽车当前的行驶状态、驾驶员的控制意图以及底盘相对于车身的转角，灵活转向控制单元决定执行转向的车轮及其目标转角，以及每个车轮的目标转速，进而根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向。

优选的，控制器还具有车身朝向不变控制单元，在开始旋转底盘时，车身朝向不变控制单元由底盘传感器获得初始底盘方位角，在每个控制周期中，得到当前车底盘方位角与初始底盘方位角差进而求得到目前底盘转过的角度，控制底盘与车身间的旋转单元以使车身反方向旋转相同的角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

优选的，经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，具体是指，控制器根据环境传感器和运动学传感器采集的信息，对避让障碍进行预判；如果判断驾驶员能够在保证行驶安全的情况下主动控制汽车避障，则控制器向用户发出是否自动旋转底盘避障的询问，获得允许后自动控制汽车旋转底盘避障；如果判断驾驶员无法在保证行驶安全的情况下主动控制汽车避障，则直接控制汽车旋转底盘避障

此外，本申请还涉及一种控制上述智能汽车的控制方法，该方法包括底盘旋转控制，具体为：控制器根据底盘传感器及车身传感器获得当前的底盘方位角，由当前的底盘方位角计算出每个车轮的方位角；根据汽车行进方向和速度，计算出底盘中心的速度矢量即行驶速度矢量；根据底盘旋转角速度和旋转方向，以及每个车轮的方位角和车轮相对于底盘中心的距离，计算出每个车轮的旋转速度矢量；对于每个车轮，将行驶速度矢量和旋转速度矢量进行矢量求和，得到每个车轮的车轮速度矢量，进而计算出每个车轮的目标转速和目标转角；控制器分别根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向，进而三个车轮的运动带动底盘转过一定角度，以使底盘旋转到目标状态。

优选的，在需要开始旋转底盘时逐渐增加底盘旋转角速度以平稳开始底盘旋转，在需要停止旋转底盘时逐渐减小底盘旋转角速度以平稳停止底盘旋转。

优选的，该方法还包括在在旋转底盘的同时保证车身朝向不变控制，具体为：在开始旋转底盘时，由车身传感器得到初始车身方位角，即为在底盘旋转过程中需要保持不变的车身方位角；在每个控制周期中，由车身传感器得到当前车身方位角，得到当前车身方位角与初始车身方位角差，计算出车身偏离目标方位的角度，从而控制底盘与车身间的旋转单元反向旋转相同角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

优选的，该方法还包括进行稳定车身的原车道避障控制，其中环境传感器探测汽车行驶前方路面信息并传输至控制器，其从路面信息中识别出汽车行驶前方的障碍物，如果判断障碍物小于本车的离地间隙，且尺寸和位置满足预定条件，则进行避障控制处理。

优选的，上述预定条件为：控制器判断障碍物位于汽车前方中央附近，且宽度小于左右车轮间隙时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘一定角度，将车轮间隙对准障碍，以用车轮间隙跨越障碍；当控制器判断障碍物位于汽车前方的一侧，且占据汽车前方的宽度小于二分之一车宽，且在前进方向的长度小于二分之一车宽时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，通过环境传感器持续监控障碍物，计算出障碍物与汽车的相对速度，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得位于底盘前方的那个车轮在行进前方避开障碍物，当汽车行进至障碍物处，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得底盘前方的车轮绕过障碍物而绕到障碍物一侧，同时位于障碍物一侧的车轮在旋转底盘过程中绕开障碍物。

优选的，所述方法还包括进行均分车轮负载控制：控制器根据车身传感器采集的数据计算出惯性力的大小和方位角、根据车身方位角和底盘方位角计算出当前底盘相对于车身的转角；根据惯性力方向，计算出使得每个车轮负载最接近的底盘相对于车身的转角；控制器经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制底盘旋转到相应位置。

优选的，方法还包括进行灵活转向控制：根据汽车行驶状态数据计算出汽车当前行驶状态；根据方向盘和踏板输入计算出驾驶员的控制意图；车身传感器和底盘传感器采集相应方位角数据，计算出当前底盘相对于车身的转角；控制器根据汽车当前的行驶状态、驾驶员的控制意图以及底盘相对于车身的转角，决定执行转向的车轮及其目标转角，以及每个车轮的目标转速；控制器根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向。

优选的，该方法还包括在旋转底盘的同时保证车身朝向不变控制，具体为：在开始旋转底盘时，控制器由底盘传感器获得初始底盘方位角，在每个控制周期中，得到当前底盘方位角与初始底盘方位角差进而求得到目前底盘转过的角度，控制器控制底盘与车身间的旋转单元以使车身反方向旋转相同的角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

优选的，所述的经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，具体是指，控制器根据环境传感器和运动学传感器采集的信息，对避让障碍进行预判；如果判断驾驶员能够在保证行驶安全的情况下主动控制汽车避障，则控制器向用户发出是否自动旋转底盘避障的询问，获得允许后自动控制汽车旋转底盘避障；如果判断驾驶员无法在保证行驶安全的情况下主动控制汽车避障，则直接控制汽车旋转底盘避障。

本发明利用一种人机结合的方式进行本车多自由度的控制，整车控制器通过方向盘和油门踏板、刹车踏板采集驾驶员控制量，处理得到驾驶员控制意图；通过运动学传感器的数据，处理得到车辆实时的运动状态；通过环境传感器采集道路及四周环境信息，处理得到道路情况；整车控制器对人车路的情况进行综合决策，决定转向方式，自动或经驾驶员授权，控制旋转底盘实现稳定车身避障和均分车轮载荷等功能。

对比传统车辆，本发明所述的智能汽车有如下优势：

（1）本车具有稳定车身的原车道避障功能，特别是能够在原车道避让单侧障碍，避障能力和通过性超越传统车辆，这减小了避障的危险，提高了安全性、稳定性和舒适性。

（2）本车具有均分车轮负载的功能，传统车辆无法实现，这提高了车辆行驶极限，增强了车辆对行驶状况和道路的适应性，提高了安全性、稳定性和舒适性。

（3）本车具有更丰富灵活的转向功能，能够保持各种转向形式下车身不变，提高了行驶的灵活性、稳定性和舒适性。

（4）本车的多自由度控制采用人机结合的方式，底盘旋转主要为自动控制，稳定车身的原车道避障功能、均分车轮负载的功能、灵活转向功能为自动控制，驾驶员仅输入驾驶意图，且驾驶方式与传统车辆基本类似，驾驶员能够快速适应本车，驾驶方便简单。

附图说明

图1为本发明的智能汽车结构示意俯视图；

图2 为本发明的智能汽车结构示意侧视图；

图3 为本发明的智能汽车控制结构图；

图4为本发明的智能汽车在保持车身朝向不变时旋转底盘控制流程图。

具体实施方式

本实施例具体以具有三个车轮的智能汽车为例进行说明，当然并不局限于三轮，也可适用于四轮以上的多轮智能汽车。

结合图1智能汽车结构示意俯视图与图2智能汽车结构示意侧视图，说明本车的整体结构如下。本发明智能汽车包括：驱动车轮的轮毂电机1，设置在每个车轮上的360°转向机构2和驱动机构，车身与底盘间之间设置的360°旋转单元3，环境传感器4，底盘5，车身（在俯视图中半剖画出）6，悬架7，其中底盘通过旋转单元与车身连接且相对于车身可进行360°旋转，悬架设置在旋转底盘上，车轮设置在悬架上。此外，智能汽车还控制部分，其主要硬件组成如图3所示，包括与控制器连接的车身底盘间旋转机构、三个转向机构，三个驱动部分，环境传感器、车身传感器、底盘传感器。本发明智能汽车采用分布式控制系统以实现各个功能，即控制器根据环境传感器、车身传感器、底盘传感器检测的信号控制底盘的方位、车轮的方位以实现稳定车身避障、均分车轮载荷、灵活转向控制。

其中，车身底盘间旋转机构采用齿圈加伺服电机，实现车身绕底盘上齿圈中心转过一定的控制角度，可实现360°连续旋转；三个转向机构是实现每个车轮独立转向的伺服电机转向机构，可实现360°连续旋转；三个驱动部分是实现每个车轮独立驱动的轮毂电机驱动；环境传感器是采集道路信息、路面信息和环境信息的传感器，采用双目摄像头、激光雷达、激光测距仪、超声波雷达、红外雷达等传感器中的几种，主要用于识别路面障碍、路面起伏、交通工具、行人；车身传感器是安装于车身的运动学传感器，包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘、角加速度计；底盘传感器是安装于底盘的运动学传感器，包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘、角加速度计等。

基于以上结构，本发明的智能汽车可以实现行进中保证车身朝向不变的同时旋转底盘，在此结合4保持车身朝向不变的旋转底盘流程图，说明具体实现流程。

（1） 整车控制器由车身方位角传感器得到初始车身方位角，即为在底盘旋转过程中需要保持不变的车身方位角。

（2） 保持车身朝向不变的旋转底盘控制开始。

（3） 底盘方位角传感器获得当前的底盘方位角。

（4） 前采集的底盘方位角与上一控制周期采集的底盘方位角做差，计算出保持车身朝向不变时车身应反向旋转的角度，控制车身反向旋转相应角度以保持其朝向不变。

（5） 车控制器将当前底盘方位角与目标底盘方位角进行比较，如果达到或超过了目标底盘方位角转到12，否则到6。

（6） 整车控制器由当前的底盘方位角计算出每个车轮的方位角。

（7） 根据车辆行进方向和速度，整车控制器计算出底盘中心的速度矢量即行驶速度矢量。

（8） 根据底盘旋转角速度和旋转方向，以及每个车轮的方位角和车轮相对于底盘中心的距离，整车控制器计算出每个车轮的旋转速度矢量。

（9） 对于每个车轮，整车控制器将行驶速度矢量和旋转速度矢量进行矢量求和，得到每个车轮的车轮速度矢量，进而计算出每个车轮的目标转速和目标转角。

（10） 整车控制器分别根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向，进而三个车轮的运动带动底盘转过一定角度。

（11） 进入下一个控制周期，转到3。

（12） 保持车身朝向不变的旋转底盘控制结束。

在需要开始旋转底盘时可以逐渐增加底盘旋转角速度以平稳开始底盘旋转，在需要停止旋转底盘时可以逐渐减小底盘旋转角速度以平稳停止底盘旋转。

基于保证车身朝向不变的旋转底盘，本智能汽车可以实现以下功能。

一、 稳定车身的原车道避障

环境传感器探测车辆行驶前方路面信息，传输至整车控制器，整车控制器从路面信息中识别出车辆行驶前方的障碍物，如果判断障碍物小于本车的离地间隙，且尺寸和位置满足以下关系，则进行以下的避障控制处理；整车控制器判断障碍物位于车辆前方中央附近，且宽度小于边三轮时的左右车轮间隙时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制在保持车身朝向不变和车辆行驶路线不变的情况下旋转底盘一定角度，将车轮间隙对准障碍，以用车轮间隙跨越障碍；当整车控制器判断障碍物位于车辆前方的一侧，且占据车辆前方的宽度小于二分之一车宽，且在前进方向的长度小于二分之一车宽时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，通过环境传感器持续监控障碍物，计算出障碍物与车辆的相对速度，在保持车身朝向不变和车辆行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得位于底盘前方的那个车轮在行进前方避开障碍物，当车辆行进至障碍物处，在保持车身朝向不变和车辆行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得底盘前方的车轮绕过障碍物而绕到障碍物一侧，同时位于障碍物一侧的车轮在旋转底盘过程中也绕开障碍物；

二、均分车轮负载

车身上安装的加速度传感器和方位角传感器采集数据，整车控制器根据数据计算出惯性力的大小和方位角；底盘方位角传感器采集数据，整车控制器根据车身方位角和底盘方位角计算出当前底盘相对于车身的转角；整车控制器根据惯性力方向，计算出使得每个车轮负载最接近的底盘相对于车身的转角；整车控制器经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制底盘旋转到相应位置；

三、灵活转向

运动学传感器采集车辆行驶状态数据，整车控制器计算出车辆当前行驶状态；方向盘和踏板输入驾驶员控制量，整车控制器计算出驾驶员的控制意图；车身方位角传感器和底盘方位角传感器采集数据，整车控制器计算出当前底盘相对于车身的转角；整车控制器根据车辆当前的行驶状态、驾驶员的控制意图以及底盘相对于车身的转角，决定执行转向的车轮及其目标转角，以及每个车轮的目标转速；整车控制器根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向；同前所述，本车在各种转向行驶下都能保持车身方位角不变。

 本车有七个自由度（三个车轮旋转自由度，三个车轮转向自由度，一个底盘与车身间旋转自由度），因此本发明提出了一种人机结合的控制方式。整车控制器通过方向盘和油门踏板、刹车踏板采集驾驶员控制量，处理得到驾驶员控制意图；通过运动学传感器的数据，处理得到车辆实时的运动状态；通过环境传感器采集道路及四周环境信息，处理得到道路情况；整车控制器对人车路的情况进行综合决策，决定转向方式，自动或经驾驶员授权，控制旋转底盘实现稳定车身避障和均分车轮载荷等功能。

为了实现上述功能，控制器具有底盘旋转控制单元、车身朝向不变控制单元、避障控制单元、车轮负载控制单元、灵活转向控制单元、车身朝向不变控制单元。

其中，底盘旋转控制单元根据底盘传感器获得当前的底盘方位角、每个车轮的方位角、汽车行进方向和速度、底盘旋转角速度和旋转方向，以及每个车轮的方位角和车轮相对于底盘中心的距离，控制每个车轮的驱动和转向，进而车轮的运动带动底盘转过一定角度，以使底盘旋转到目标状态。由当前的底盘方位角计算出每个车轮的方位角；根据汽车行进方向和速度计算出底盘中心的速度矢量即行驶速度矢量；根据底盘旋转角速度和旋转方向，以及每个车轮的方位角和车轮相对于底盘中心的距离，计算出每个车轮的旋转速度矢量；对于每个车轮，将行驶速度矢量和旋转速度矢量进行矢量求和，得到每个车轮的车轮速度矢量，进而计算出每个车轮的目标转速和目标转角；底盘旋转控制单元分别根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向。在需要开始旋转底盘时逐渐增加底盘旋转角速度以平稳开始底盘旋转，在需要停止旋转底盘时逐渐减小底盘旋转角速度以平稳停止底盘旋转。

车身朝向不变控制单元在开始旋转底盘时，车身朝向不变控制单元由车身传感器得到初始车身方位角，即为在底盘旋转过程中需要保持不变的车身方位角；在每个控制周期中，车身朝向不变控制单元由车身传感器得到当前车身方位角，得到当前车身方位角与初始车身方位角差，计算出车身偏离目标方位的角度，从而控制底盘与车身间的旋转单元反向旋转相同角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

避障控制单元，其中环境传感器探测汽车行驶前方路面信息并传输至避障控制单元，其从路面信息中识别出汽车行驶前方的障碍物，如果判断障碍物小于本车的离地间隙，且尺寸和位置满足预定条件，则进行避障控制处理。上述预定条件为：障碍物位于汽车前方中央附近，且宽度小于左右车轮间隙时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘一定角度，将车轮间隙对准障碍，以用车轮间隙跨越障碍；当障碍物位于汽车前方的一侧，且占据汽车前方的宽度小于二分之一车宽，且在前进方向的长度小于二分之一车宽时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，通过环境传感器持续监控障碍物，计算出障碍物与汽车的相对速度，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得位于底盘前方的那个车轮在行进前方避开障碍物，当汽车行进至障碍物处，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得底盘前方的车轮绕过障碍物而绕到障碍物一侧，同时位于障碍物一侧的车轮在旋转底盘过程中绕开障碍物。

车轮负载控制单元控制器根据车身传感器采集的数据计算出惯性力的大小和方位角，根据车身方位角和底盘方位角计算出当前底盘相对于车身的转角，根据惯性力方向计算出使得每个车轮负载最接近的底盘相对于车身的转角，经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制底盘旋转到相应位置。

灵活转向控制单元根据汽车行驶状态数据计算出汽车当前行驶状态，根据方向盘和踏板输入计算出驾驶员的控制意图，根据车身传感器和底盘传感器采集的相应方位角数据，计算出当前底盘相对于车身的转角，根据汽车当前的行驶状态、驾驶员的控制意图以及底盘相对于车身的转角，灵活转向控制单元决定执行转向的车轮及其目标转角，以及每个车轮的目标转速，进而根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向。

车身朝向不变控制单元在开始旋转底盘时，还可以是车身朝向不变控制单元由底盘传感器获得初始底盘方位角，在每个控制周期中，得到当前底盘方位角与初始底盘方位角差进而求得到目前底盘转过的角度，控制底盘与车身间的旋转单元以使车身反方向旋转相同的角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

本技术领域的普通技术人员应当意识到，以上的实施例仅用来说明本发明，而非对本发明技术方案的限定，以上实施例中的结构、功能设计和实现流程等并不唯一。只要在本发明的实质精神范围内的，上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围中。

Claims (21)

1.一种智能汽车，其特征在于：所述智能汽车包括：

通过旋转单元与车身连接且相对于车身可旋转的底盘；

设置在旋转底盘上的多个悬架单元；

设置在悬架单元上的车轮，其中每个车轮上设置转向机构和驱动机构，以使每个车轮相对于悬架单元可独立转向并且独立被驱动进行行走；

控制器，包括环境传感器、车身传感器、底盘传感器，其中控制器根据环境传感器、车身传感器、底盘传感器检测的信号控制底盘的方位、车轮的方位以实现稳定车身避障、均分车轮载荷、灵活转向控制;

所述旋转单元包括设置在底盘上的齿圈以及驱动上述齿圈的第一伺服电机，以使车身可绕底盘上齿圈的中心旋转一定控制角度；转向机构包括第二伺服电机，其中车身相对于底盘、车轮相对于悬架单元均可进行360°转向。

2.根据权利要求1所述的智能汽车，其特征在于：所述底盘上设置三个车轮和对应的三组悬架，三个车轮的连线为三角形。

3.根据权利要求1所述的智能汽车，其特征在于：控制器具有底盘旋转控制单元，其中：底盘旋转控制单元根据底盘传感器及车身传感器获得当前的底盘方位角、每个车轮的方位角、汽车行进方向和速度、底盘旋转角速度和旋转方向，以及每个车轮的方位角和车轮相对于底盘中心的距离，控制每个车轮的驱动和转向，进而车轮的运动带动底盘转过一定角度，以使底盘旋转到目标状态。

4.根据权利要求3所述的智能汽车，其特征在于：由当前的底盘方位角计算出每个车轮的方位角；根据汽车行进方向和速度计算出底盘中心的速度矢量即行驶速度矢量；根据底盘旋转角速度和旋转方向，以及每个车轮的方位角和车轮相对于底盘中心的距离，计算出每个车轮的旋转速度矢量；对于每个车轮，将行驶速度矢量和旋转速度矢量进行矢量求和，得到每个车轮的车轮速度矢量，进而计算出每个车轮的目标转速和目标转角；底盘旋转控制单元分别根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向。

5.根据权利要求3所述的智能汽车，其特征在于：在需要开始旋转底盘时逐渐增加底盘旋转角速度以平稳开始底盘旋转，在需要停止旋转底盘时逐渐减小底盘旋转角速度以平稳停止底盘旋转。

6.根据权利要求3所述的智能汽车，其特征在于：控制器还具有车身朝向不变控制单元，在开始旋转底盘时，车身朝向不变控制单元由车身传感器得到初始车身方位角，即为在底盘旋转过程中需要保持不变的车身方位角；在每个控制周期中，车身朝向不变控制单元由车身传感器得到当前车身方位角，得到当前车身方位角与初始车身方位角差，计算出车身偏离目标方位的角度，从而控制底盘与车身间的旋转单元反向旋转相同角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

7.根据权利要求3所述的智能汽车，其特征在于：控制器还具有避障控制单元，其中环境传感器探测汽车行驶前方路面信息并传输至避障控制单元，其从路面信息中识别出汽车行驶前方的障碍物，如果判断障碍物小于本车的离地间隙，且尺寸和位置满足预定条件，则进行避障控制处理。

8.根据权利要求7所述的智能汽车，其特征在于：上述预定条件为：障碍物位于汽车前方中央附近，且宽度小于左右车轮间隙时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘一定角度，将车轮间隙对准障碍，以用车轮间隙跨越障碍；当障碍物位于汽车前方的一侧，且占据汽车前方的宽度小于二分之一车宽，且在前进方向的长度小于二分之一车宽时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，通过环境传感器持续监控障碍物，计算出障碍物与汽车的相对速度，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得位于底盘前方的那个车轮在行进前方避开障碍物，当汽车行进至障碍物处，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得底盘前方的车轮绕过障碍物而绕到障碍物一侧，同时位于障碍物一侧的车轮在旋转底盘过程中绕开障碍物。

9.根据权利要求3所述的智能汽车，其特征在于：控制器还具有车轮负载控制单元，控制器根据车身传感器采集的数据计算出惯性力的大小和方位角，根据车身方位角和底盘方位角计算出当前底盘相对于车身的转角，根据惯性力方向计算出使得每个车轮负载最接近的底盘相对于车身的转角，经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制底盘旋转到相应位置。

10.根据权利要求3所述的智能汽车，其特征在于：控制器还具有灵活转向控制单元，灵活转向控制单元根据汽车行驶状态数据计算出汽车当前行驶状态，根据方向盘和踏板输入计算出驾驶员的控制意图，根据车身传感器和底盘传感器采集的相应方位角数据，计算出当前底盘相对于车身的转角，根据汽车当前的行驶状态、驾驶员的控制意图以及底盘相对于车身的转角，灵活转向控制单元决定执行转向的车轮及其目标转角，以及每个车轮的目标转速，进而根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向。

11.根据权利要求3所述的智能汽车，其特征在于：控制器还具有车身朝向不变控制单元，在开始旋转底盘时，车身朝向不变控制单元由底盘传感器获得初始底盘方位角，在每个控制周期中，得到当前底盘方位角与初始底盘方位角差进而求得到目前底盘转过的角度，控制底盘与车身间的旋转单元以使车身反方向旋转相同的角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

12.根据权利要求8所述的智能汽车，其特征在于：所述的经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，具体是指，控制器根据环境传感器和运动学传感器采集的信息，对避让障碍进行预判；如果判断驾驶员能够在保证行驶安全的情况下主动控制汽车避障，则控制器向用户发出是否自动旋转底盘避障的询问，获得允许后自动控制汽车旋转底盘避障；如果判断驾驶员无法在保证行驶安全的情况下主动控制汽车避障，则直接控制汽车旋转底盘避障。

13.一种根据权利要求1-3中任意一项所述的智能汽车的控制方法，该方法包括底盘旋转控制，具体为：控制器根据底盘传感器及车身传感器获得当前的底盘方位角，由当前的底盘方位角计算出每个车轮的方位角；根据汽车行进方向和速度，计算出底盘中心的速度矢量即行驶速度矢量；根据底盘旋转角速度和旋转方向，以及每个车轮的方位角和车轮相对于底盘中心的距离，计算出每个车轮的旋转速度矢量；对于每个车轮，将行驶速度矢量和旋转速度矢量进行矢量求和，得到每个车轮的车轮速度矢量，进而计算出每个车轮的目标转速和目标转角；控制器分别根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向，进而三个车轮的运动带动底盘转过一定角度，以使底盘旋转到目标状态。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于：在需要开始旋转底盘时逐渐增加底盘旋转角速度以平稳开始底盘旋转，在需要停止旋转底盘时逐渐减小底盘旋转角速度以平稳停止底盘旋转。

15.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于：该方法还包括在在旋转底盘的同时保证车身朝向不变控制，具体为：在开始旋转底盘时，由车身传感器得到初始车身方位角，即为在底盘旋转过程中需要保持不变的车身方位角；在每个控制周期中，由车身传感器得到当前车身方位角，得到当前车身方位角与初始车身方位角差，计算出车身偏离目标方位的角度，从而控制底盘与车身间的旋转单元反向旋转相同角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

16.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于：该方法还包括进行稳定车身的原车道避障控制，其中环境传感器探测汽车行驶前方路面信息并传输至控制器，其从路面信息中识别出汽车行驶前方的障碍物，如果判断障碍物小于本车的离地间隙，且尺寸和位置满足预定条件，则进行避障控制处理。

17.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于：上述预定条件为：控制器判断障碍物位于汽车前方中央附近，且宽度小于左右车轮间隙时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘一定角度，将车轮间隙对准障碍，以用车轮间隙跨越障碍；当控制器判断障碍物位于汽车前方的一侧，且占据汽车前方的宽度小于二分之一车宽，且在前进方向的长度小于二分之一车宽时，则在经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，通过环境传感器持续监控障碍物，计算出障碍物与汽车的相对速度，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得位于底盘前方的那个车轮在行进前方避开障碍物，当汽车行进至障碍物处，在保持车身朝向不变和汽车行驶路线不变的情况下旋转底盘，使得底盘前方的车轮绕过障碍物而绕到障碍物一侧，同时位于障碍物一侧的车轮在旋转底盘过程中绕开障碍物。

18.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于：所述方法还包括进行均分车轮负载控制：控制器根据车身传感器采集的数据计算出惯性力的大小和方位角、根据车身方位角和底盘方位角计算出当前底盘相对于车身的转角；根据惯性力方向，计算出使得每个车轮负载最接近的底盘相对于车身的转角；控制器经由驾驶员授权后或不经授权自动地控制底盘旋转到相应位置。

19.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于：所述方法还包括进行灵活转向控制：根据汽车行驶状态数据计算出汽车当前行驶状态；根据方向盘和踏板输入计算出驾驶员的控制意图；车身传感器和底盘传感器采集相应方位角数据，计算出当前底盘相对于车身的转角；控制器根据汽车当前的行驶状态、驾驶员的控制意图以及底盘相对于车身的转角，决定执行转向的车轮及其目标转角，以及每个车轮的目标转速；控制器根据每个车轮的目标转速和目标转角控制每个车轮的驱动和转向。

20.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于：该方法还包括在旋转底盘的同时保证车身朝向不变控制，具体为：在开始旋转底盘时，控制器由底盘传感器获得初始底盘方位角，在每个控制周期中，得到当前底盘方位角与初始底盘方位角差进而求得到目前底盘转过的角度，控制器控制底盘与车身间的旋转单元以使车身反方向旋转相同的角度，以保持当前车身方位角与开始旋转时的车身方位角一致。

21.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于：所述的经由驾驶员授权后或不经授权自动地进行避障控制，具体是指，控制器根据环境传感器和运动学传感器采集的信息，对避让障碍进行预判；如果判断驾驶员能够在保证行驶安全的情况下主动控制汽车避障，则控制器向用户发出是否自动旋转底盘避障的询问，获得允许后自动控制汽车旋转底盘避障；如果判断驾驶员无法在保证行驶安全的情况下主动控制汽车避障，则直接控制汽车旋转底盘避障。