CN107826164B - 一种基于电助力的多轮转向系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电助力的多轮转向系统，包括前桥和其它桥，前桥采用桥转向形式，即左右轮通过主横拉杆连接，其他桥采用轮独立转向形式，每个转向车轮装有独立转向单元，各桥之间无杆系连接；前桥转向单元和其它桥转向单元分别设置独立的电动转向器。本发明以电动转向器为核心执行部件，无需液压管路，结构简单，空间占用少；桥转向单元与轮独立转向单元配合和实现多种转向形式，转向机动性高。

Description

一种基于电助力的多轮转向系统及控制方法

技术领域

本发明涉及轮式车辆转向技术领域，适用于采用独立悬架的分布式电驱动多轴车辆。

背景技术

分布式电驱动车辆可以通过差速实现转向，但存在高速稳定性差，控制精度低，轮胎磨损严重等问题。目前，多轴车辆一般采用液压式和电控液压式多轮转向系统，如专利“CN201721498 U一种大型专用运输车辆多轮转向装置”采用液压缸和电液比例阀的形式，专利“CN 203427870 U一种多模式多轮转向装置”采用电控液压的形式。以上方案存在液压管路复杂，杆系较多，空间占用大等问题。

对于电助力的方式，专利CN203186409U也是采用电助力的形式，但是专利CN203186409U存在多轮独立转向、专利CN203186409U未提及行走驱动与转向驱动间的匹配等缺陷。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明设计一种采用电助力的形式，以电动转向器为核心执行部件，具有结构简单，空间占用少的特点，可实现多种灵活的转向形式，提升车辆的转向机动性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于电助力的多轮转向系统，包括前桥和其它桥，前桥采用桥转向形式，即左右轮通过主横拉杆连接，其他桥采用轮独立转向形式，每个转向车轮装有独立转向单元，各桥之间无杆系连接；前桥转向单元和其它桥转向单元分别设置独立的电动转向器。

作为优选，所述前桥转向单元包括第一节臂、第一副横拉杆、第一摇臂、主横拉杆、电动转向器、立轴、第二摇臂、第二副横拉杆、第二节臂；第一节臂通过螺栓与轮边转向节相连，第一副横拉杆两端通过球头销与第一节臂和第一摇臂相连，第一摇臂通过花键与电动转向器的输出轴相连，主横拉杆通过球头销与第一摇臂和第二摇臂相连，立轴的一端通过花键与第二摇臂相连，立轴的另一端安装在车体附座上。

作为优选，其它桥转向单元采用独立转向形式，每个转向车轮装有独立转向单元，独立转向单元主要包括节臂、副横拉杆、摇臂和电动转向器，节臂通过螺栓与轮边转向节相连，副横拉杆两端通过球头销与节臂和摇臂相连，摇臂通过花键与电动转向器的输出轴相连。

作为优选，所述其它桥包括后桥。

作为优选，所述其它桥包括后桥和中桥。

作为优选，包括转向控制器，转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令，或通过方向盘输入转向指令，转向控制器根据控制策略，控制伺服电机驱动器，伺服电机驱动器驱动转向伺服电机，经减速机构减速增距后驱动摇臂转动，摇臂经主横拉杆、副拉杆、转向节臂，最终推动车轮，实现转向。

作为优选，包括如下步骤:

步骤一、故障检测，检测系统是否存在故障，如果存在故障，系统中断向下执行并将故障代码上传至上位计算机，如果无故障，程序向下执行；

步骤二、转向指令及车辆状态读取，系统读取方向盘或是上位机发出的转角指令，同时由总线读取车辆运行状态信息；

步骤三、模式判别，依据控制策略，选择转向模式，基于转向模式，向各转向单元发送对应的转角指令；

步骤四、命令执行及状态反馈，各转向单元由电动转向器执行转角命令，同时绝对角度传感器检测实际的转角值，并将该转角值反馈，形成闭环。

作为优选，所述多轮转向系统应用于两轴车辆，采取如下策略：

转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令，转角φ，或通过方向盘输入转角指令φ，转向控制器依据控制策略向各转向单元发出转角指令，前桥转向器转角为φ_f,后轮转向器转角为φ_lr，后轮转向器转角为φ_rr,转向控制器根据如下数据判断是否达到目标值，即完成转向过程：

原地转向模式：此时各转向角为0，由驱动电机差速实现转向。

φ_f＝φ_lr＝φ_rr＝0

前桥转向模式：

φ_f＝i_f·φ，i_f为转动比

φ_lr＝φ_rr＝0

多轮转向模式：

φ_f＝i_f·φ，i_f为前桥传动比

φ_lr＝i_lr·φ，i_lr为左后轮转向单元传动比

φ_rr＝i_rr·φ，i_rr为右后轮转向单元传动比

作为优选，所述多轮转向系统应用于三轴车辆，采取如下策略：

B为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离，L₁、L₂、L₃为各轴到瞬心的距离，R_1in、R_2in、R_3in为各轴内侧车轮转弯半径，R_1out、R_2out、R_3out为各轴外侧车轮转弯半径，α为前桥外侧车轮转角，β为前桥内侧车轮转角，x、y分别为瞬心到内侧车轮、质心的距离。

w_1in、w_2in、w_3in为各轴内侧车轮角速度，w_1out、w_2out、w_3out为各轴外侧车轮角速度，m、n分别为前后轴轴距，令R_1out＝R，由几何运动关系可得：

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1)以电动转向器为核心执行部件，无需液压管路，结构简单，空间占用少；

2)桥转向单元与轮独立转向单元配合和实现多种转向形式，转向机动性高；

3)可用于两轴或多轴车辆，有人车辆与无人车辆，扩展性好；

4)通过控制策略，有车轮独立驱动与转向的匹配算法，可保证各转向轮间的同步协调，高速稳定性好，轮胎磨损小。

相对于专利CN203186409U等现有技术的优点在于：

1)专利CN203186409U是多轮独立转向，独立转向的不足在于高速稳定性底，本专利是前桥转向与独立转向的组合，高速时采用前桥转向，稳定性好；

2)本专利以电动转向器为核心执行部件，专利CN203186409U的转向驱动机构未指明什么形式；

3)专利CN203186409U车轴处装有角度传感器、位置传感器、速度传感器，占用轮舱空间大，防护性差，本专利将角度传感器集成在电动转向器中，防护性好。

4)专利CN203186409U未提及行走驱动与转向驱动间的匹配，若二者不协调，会造成轮胎磨损。本专利有车轮独立驱动与转向的匹配算法，减小轮胎磨损。

附图说明

图1为本发明的前桥转向示意图；

图2为本发明的其它桥转向示意图；

图3是本发明的转向控制器结构示意图；

图4为本发明的3轴车为例的转向形式示意图；

图5为本发明的控制流程图；

图6为本发明的三轴车转向模型图。

其中，节臂1、副横拉杆2、摇臂3、主横拉杆4、电动转向器5、立轴6、摇臂7、副横拉杆8、节臂9；

节臂11、副横拉杆12、摇臂13、电动转向器15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1-2所示，一种基于电助力的多轮转向系统，包括前桥和其它桥，前桥采用桥转向形式，即左右轮通过主横拉杆4连接，其他桥采用轮独立转向形式，每个转向车轮装有独立转向单元，各桥之间无杆系连接；前桥转向单元和其它桥转向单元分别设置独立的电动转向器5,15。

本发明桥转向单元与轮独立转向单元配合和实现多种转向形式，转向机动性高,高速时采用前桥转向，稳定性好；若采用各轮独立转向的形式，如专利CN203186409U，高速稳定性差，对控制系统的控制精度要求高，专利CN203186409U主要应用叉车，速度较低。采用前桥转向+其它轮独立转向，特点是高速稳定性高，可用于高速车辆。本专利中，高速时采用前桥转向，此时独立转向单元锁止，若均采用独立转向，对越野车辆而言，前桥的冲击载荷较大，一般需配有机械锁止机构，系统相对复杂。若全部采用桥转向单元，则存在转向结构复杂，转向控制不方便。

本发明以电动转向器为核心执行部件，无需液压管路，结构简单，空间占用少。

作为优选，前桥转向单元主要包括节臂1、副横拉杆2、摇臂3、主横拉杆4、电动转向器5、立轴6、摇臂7、副横拉杆8、节臂9等组成。节臂1通过螺栓与轮边转向节相连，副横拉杆2两端通过球头销与节臂1和摇臂3相连，摇臂3通过花键与电动转向器5的输出轴相连，主横拉杆4通过球头销与左右摇臂3和7相连，立轴6的一端通过花键与摇臂7相连，另一端安装在车体附座上。

作为优选，电动转向器主要包括转向伺服电机、循环球机械转向器、角度传感器等。本专利将角度传感器集成在电动转向器中，节省空间，防护性好

作为优选，其它桥转向单元采用独立转向形式，每个转向车轮装有独立转向单元，独立转向单元主要包括节臂11、副横拉杆12、摇臂13、电动转向器15。节臂11通过螺栓与轮边转向节相连，副横拉杆12两端通过球头销与节臂11和摇臂13相连，摇臂13通过花键与电动转向器15的输出轴相连。

作为优选，所述其它桥包括后桥。即所述车辆为两轴车辆。

作为优选，所述其它桥包括后桥和中桥，例如如图3所示。即所述车辆为三轴或者三轴以上的车辆。

因此，本发明可以广泛应用于多轴车辆，有人车辆与无人车辆，扩展性好。

作为优选，参见图3，包括转向控制器，转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令，或通过方向盘输入转向指令，转向控制器根据控制策略，控制伺服电机驱动器，伺服电机驱动器驱动转向伺服电机，经减速机构减速增距后驱动摇臂转动，摇臂经主横拉杆、副拉杆、转向节臂，最终推动车轮，实现转向。

本专利公开的多轮转向系统采用桥转向和轮独立转向相结合的形式，前桥采用桥转向形式，即左右轮通过主横拉杆连接，内外轮转角满足阿克曼原理，其他桥采用轮独立转向形式，各桥之间无杆系连接，减少空间占用。

转向系统工作原理为：转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令，或通过方向盘输入转角指令，转向控制器根据控制策略，控制伺服电机驱动器，伺服电机驱动器驱动转向伺服电机，经减速机构减速增距后驱动摇臂转动，摇臂经主横拉杆、副拉杆、转向节臂，最终推动车轮，实现转向。角度传感器采集当前转向角度信息并反馈给转向控制器，形成闭环控制。

转向控制器主要包括转向中央处理单元(转向ECU)、伺服电机驱动单元等，主要完成车轮协同控制，整车动力学计算，转向系统状态检测与管理，电动转向器的驱动以及与上位机的信息交换等功能。电动转向器为转向执行机构，包括转向伺服电机、循环球机械转向器、角度传感器等。转向杆系为转向传动机构，包括摇臂、拉杆、节臂等。

该方案可现实前桥转向、前后桥同向转向、前后桥逆向转向、蟹行转向。低速时，为减小转弯半径，采用前后桥逆向转向形式；在狭小地区、巷道等特殊工况采用前后桥同向转向形式；高速行驶时，为保证行驶安全性，采用前桥转向形式，此时后桥锁止。

作为优选，如图5所示，包括如下步骤:

步骤一、故障检测，检测系统是否存在故障，如果存在故障，系统中断向下执行并将故障代码上传至上位计算机，如果无故障，程序向下执行；

步骤二、转向指令及车辆状态读取，系统读取方向盘或是上位机发出的转角指令，同时由总线读取车辆运行状态信息；

步骤三、模式判别，依据控制策略，选择转向模式，基于转向模式，向各转向单元发送对应的转角指令；

步骤四、命令执行及状态反馈，各转向单元由电动转向器执行转角命令，同时绝对角度传感器检测实际的转角值，并将该转角值反馈，形成闭环。

转向系统通过控制策略可实现前桥转向、多轮转向、原地转向三种转向模式。助力转向模式即前桥阿克曼转向，适用于车速较高情况；多轮转向模式，此时转向半径最小，转向机动性强，需配合电机控制策略；原地转向即转向半径为零的转向。

作为优选，多轮转向系统应用于两轴车辆，采取如下工作过程：转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令，转角φ，或通过方向盘输入转角指令φ，转向控制器依据控制策略向各转向单元发出转角指令，前桥转向器5转角为φ_f,后轮转向器14转角为φ_lr，后轮转向器18转角为φ_rr,同时依据动力学模型，计算各驱动轮期望转速，并由总线传至驱动控制单元，各电动转向器中的角度传感器检测是否达到目标值，若达到目标值，即完成转向过程。

目标值如下：

原地转向模式：此时各转向角为0，由驱动电机差速实现转向。

φ_f＝φ_lr＝φ_rr＝0

前桥转向模式：

φ_f＝i_f·φ，i_f为转动比

φ_lr＝φ_rr＝0

多轮转向模式：

φ_f＝i_f·φ，i_f为前桥传动比

φ_lr＝i_lr·φ，i_lr为左后轮转向单元传动比

φ_rr＝i_rr·φ，i_rr为右后轮转向单元传动比

为减小轮胎磨损，提升操纵稳定性，各驱动轮转速需要转向单元匹配，匹配模型。

如图6所示，以3轴车辆为例。图中，B为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离，L₁、L₂、L₃为各轴到瞬心的距离，R_1in、R_2in、R_3in为各轴内侧车轮转弯半径，R_1out、R_2out、R_3out为各轴外侧车轮转弯半径，α为前桥外侧车轮转角，β为前桥内侧车轮转角，x、y分别为瞬心到内侧车轮、质心的距离。

w_1in、w_2in、w_3in为各轴内侧车轮角速度，w_1out、w_2out、w_3out为各轴外侧车轮角速度，m、n分别为前后轴轴距，令R_1out＝R，由几何运动关系可得：

可以看出，各轮的角速度与轮距、轴距、转弯半径、转角有确定的函数关系。轮距、轴距参数是整车参数，为常数。转向ECU接到的上位机指令一般为曲率或转角，因此，利用阿克曼差速转向模型，就可得到各轮间的差速匹配关系。通过上述的公式，本专利提出了车轮独立驱动与转向的匹配算法，减小轮胎磨损。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种基于电助力的多轮转向系统的控制方法，电助力的多轮转向系统包括前桥和其它桥，其特征在于，前桥采用桥转向形式，即左右轮通过主横拉杆连接，其他桥采用轮独立转向形式，每个转向车轮装有独立转向单元，各桥之间无杆系连接；前桥转向单元和其它桥转向单元分别设置独立的电动转向器；

所述前桥转向单元包括第一节臂、第一副横拉杆、第一摇臂、主横拉杆、电动转向器、立轴、第二摇臂、第二副横拉杆、第二节臂；第一节臂通过螺栓与轮边转向节相连，第一副横拉杆两端通过球头销与第一节臂和第一摇臂相连，第一摇臂通过花键与电动转向器的输出轴相连，主横拉杆通过球头销与第一摇臂和第二摇臂相连，立轴的一端通过花键与第二摇臂相连，立轴的另一端安装在车体附座上；

其它桥转向单元采用独立转向形式，每个转向车轮装有独立转向单元，独立转向单元主要包括节臂、副横拉杆、摇臂和电动转向器，节臂通过螺栓与轮边转向节相连，副横拉杆两端通过球头销与节臂和摇臂相连，摇臂通过花键与电动转向器的输出轴相连；包括转向控制器，转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令，或通过方向盘输入转向指令，转向控制器根据控制策略，控制伺服电机驱动器，伺服电机驱动器驱动转向伺服电机，经减速机构减速增距后驱动摇臂转动，摇臂经主横拉杆、副拉杆、转向节臂，最终推动车轮，实现转向；

所述多轮转向系统应用于三轴车辆，采取如下策略：

为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离，/>为各轴到瞬心的距离，为各轴内侧车轮转弯半径，/>为各轴外侧车轮转弯半径，/>为前桥外侧车轮转角，/>为前桥内侧车轮转角，/>分别为瞬心到内侧车轮、质心的距离；

为各轴内侧车轮角速度，/>为各轴外侧车轮角速度，/>、分别为前后轴轴距，令/>，由几何运动关系可得：

。

2.如权利要求1所述的基于电助力的多轮转向系统的控制方法，其特征在于，所述其它桥包括后桥。

3.如权利要求2所述的基于电助力的多轮转向系统的控制方法，其特征在于，所述其它桥包括后桥和中桥。

4.如权利要求3所述的基于电助力的多轮转向系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、故障检测，检测系统是否存在故障，如果存在故障，系统中断向下执行并将故障代码上传至上位计算机，如果无故障，程序向下执行；

步骤二、转向指令及车辆状态读取，系统读取方向盘或是上位机发出的转角指令，同时由总线读取车辆运行状态信息；

步骤三、模式判别，依据控制策略，选择转向模式，基于转向模式，向各转向单元发送对应的转角指令；

步骤四、命令执行及状态反馈，各转向单元由电动转向器执行转角命令，同时绝对角度传感器检测实际的转角值，并将该转角值反馈，形成闭环。