CN107933687B - 一种基于轮毂电机的管廊巡检小车全方位转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于轮毂电机的管廊巡检小车全方位转向系统，包括车架、车轮及轮毂电机、中央控制系统、直线导轨、全转向舵机、四轮转向舵机、电控锁和转向锁。本发明包括三种转向模式，分别为四轮转向模式、零半径转向模式和横向移动模式，可以根据管廊内的实际行驶路况选择相应的转向模式。基于轮毂电机的多模式转向克服了现有巡检小车直角处转弯困难、差速转弯时稳定性不足等缺陷，实现了巡检小车在狭窄空间管廊内的灵活转向，无盲区探测；采用双曲柄滑块机构与摇杆滑块机构相结合使四轮联动转向，减少了转向电机数目，采用这种机械结构简化控制算法，提高转向的可靠性，最终提高了管廊检测的安全性。

Description

一种基于轮毂电机的管廊巡检小车全方位转向系统
技术领域
本发明涉及一种车辆转向系统，具体涉及到一种基于轮毂电机的管廊巡检小车全方位转向系统。
背景技术
城市地下综合管廊是城市基础设施的重要组成部分。相比专用电力隧道，地下综合管廊的运维情况更为复杂。城市地下综合管廊把市政、电力、通讯、燃气、供水、排水等各种管线集于一体，在城市道路的地下空间建造一个集约化的隧道。地下管廊短则几公里、长则数十公里，巡检人员不可能完全实时掌握地下管廊的运行工况。因此设计一套巡检小车全方位转向系统对地下管廊进行动态巡检与在线监测有积极效果，能有效保障社会设施财产安全，全面监测市政隧道内各类能源设施设备的状态，防患设备发生故障隐患，提高管廊的管理效率。然而综合管廊空间狭小，巡检任务重，一般的巡检小车难以在管廊内灵活转向。
发明内容
本发明提供了一种基于轮毂电机的管廊巡检小车全方位转向系统，用以解决管廊内巡检小车难以转向的问题，提高管廊内巡检小车的巡检效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种基于轮毂电机的管廊巡检小车全方位转向系统，包括车架和四个自带轮毂电机的车轮；每个车轮上均固定连接有带角度传感器的U型转向节，车轮通过U型转向节与车架铰接；转向节臂的一端与U型转向节固定连接；
所述车架上设有用于车轮转向的转向系统；所述转向系统包括设于车架中部的全转向机构和设于车架前部的四轮转向机构；
所述全转向机构的前端通过转向锁与前侧的第一转向拉杆和第二转向拉杆的一端连接，全转向机构的后端通过另一个转向锁与后侧的第一转向拉杆和第二转向拉杆的一端连接；第一转向拉杆的另一端与右侧车轮的转向节臂的另一端铰接，第二转向拉杆的另一端与左侧车轮的转向节臂的另一端铰接；转向锁可将第一转向拉杆和第二转向拉杆锁定为一个整体；
所述四轮转向机构与前轮中右侧车轮的转向节臂与第一转向拉杆的铰接端复合铰接；
四个轮毂电机、四个角度传感器、两个转向锁，全转向机构和四轮转向机构均与中央控制系统电气连接。
根据上述方案，所述全转向机构包括固定安装在车架中部的全转向舵机；全转向舵机的输出轴连接到曲柄的中部，曲柄的两端分别连接有一个转向机构；前侧的转向机构用于控制两个前轮的转向，后侧的转向机构用于控制两个后轮的转向；全转向舵机与中央控制系统电气连接。
进一步的，所述转向机构包括一端铰接到曲柄端部的第二连杆，第二连杆的另一端铰接到竖杆的一端，竖杆的另一端通过转向锁同时与第一转向拉杆和第二转向拉杆的铰接端连接；
还包括设置在车架上的直线导轨，直线导轨上设有直线滑块和电锁滑块；直线滑块上固定安装有直线滑块座，第二连杆与竖杆铰接的端部还与直线滑块座复合铰接；电锁滑块上固定安装有电控座，电控锁固定安装到电控座的侧方；竖杆侧方向外突出形成延伸部，延伸部上设有通孔，电控锁的锁头可伸入竖杆的通孔内；电控锁与中央控制系统电气连接。
根据上述方案，所述四轮转向机构包括固定在车架前部的四轮转向舵机，四轮转向舵机的输出轴固定连接到摇杆的一端，摇杆的另一端通过第一连杆复合铰接到右侧车轮的转向节臂与第一转向拉杆铰接的端部；四轮转向舵机与中央控制系统电气连接。
根据上述方案，所述转向锁的锁盖扣接于竖杆的上表面，锁盖内的顶部固定有铁块和弹簧，弹簧的下端固定连接有硅钢片，硅钢片固定在转向轴的顶部，转向轴的下部设有楔形导向键；第一转向拉杆和第二转向拉杆上设有与楔形导向键配合的键槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于轮毂电机的多模式转向克服了现有巡检小车直角处转弯困难、差速转弯时稳定性不足等缺陷，实现了巡检小车在狭窄空间管廊内的灵活转向，无盲区探测；采用双曲柄滑块机构与摇杆滑块机构相结合使四轮联动转向，减少了转向电机数目，采用这种机械结构简化控制算法，提高转向的可靠性，最终提高了管廊检测的安全性。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为图1中部分A的放大示意图；
图4为本发明中转向锁不通电时的内部结构示意图；
图5为本发明中转向锁通电时的内部结构示意图；
图6为本发明处于四轮转向模式时的结构示意图；
图7为本发明处于零半径转向模式时的结构示意图；
图8为本发明处于横向移动模式时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，图中各标号的释义为：1-楔形导向键，2-车架，3-车轮，4-轮毂电机，5-U型转向节，6-转向节臂，7-第一连杆，8-摇杆，9-四轮转向舵机，10-第一转向拉杆，11-第二转向拉杆，12-转向锁，121-锁盖，122-弹簧，123-硅钢片，124-转向轴，13-竖杆，14-电锁滑块，15-电控座，16-电控锁，17-直线滑块，18-直线滑块座，19-第二连杆，20-全转向舵机，21-曲柄，22-角度传感器，23-直线导轨。
本发明包括车架2和与之配合的四个车轮3，每个车轮3上均设有轮毂电机4。每个车轮3上均固定连接有U型转向节5，U型转向节5上安装有角度传感器22，转向节臂6的一端与U型转向节5固定连接。
车架2上设有用于车轮3转向的转向系统，转向系统包括全转向机构和四轮转向机构。
全转向机构包括固定安装在车架2中部的全转向舵机20，全转向舵机20的输出轴连接到曲柄21的中部，曲柄21的两端分别连接有一个转向机构。前侧的转向机构用于控制两个前轮的转向，后侧的转向机构用于控制两个后轮的转向。
所述转向机构包括一端铰接到曲柄21端部的第二连杆19，第二连杆19的另一端铰接到竖杆13的一端；竖杆13的另一端同时与第一转向拉杆10和第二转向拉杆11的一端复合连接；第一转向拉杆10的另一端铰接到右侧车轮3的转向节臂6的另一端；第二转向拉杆11的另一端铰接到左侧车轮3的转向节臂6的另一端。
第一转向拉杆10和第二转向拉杆11铰接的端部安装有转向锁12。转向锁12的锁盖121扣接于竖杆13的上表面，锁盖121内的顶部固定有铁块和弹簧122，弹簧122的下端固定连接有硅钢片123，硅钢片123固定在转向轴124的顶部，转向轴124的下部设有楔形导向键1。第一转向拉杆10和第二转向拉杆11上设有与楔形导向键1配合的键槽。当硅钢片123不通电时，转向轴124在弹簧122的作用下向下移动，楔形导向键1推入第一转向拉杆10和第二转向拉杆11的键槽内将第一转向拉杆10和第二转向拉杆11锁定为一个整体，使第一转向拉杆10和第二转向拉杆11之间不会发生相对转动。硅钢片123通电后会产生磁力，吸引锁盖121顶部的铁块，压缩弹簧122带动转向轴124向上运动，此时位于下方的第二转向拉杆11脱离楔形导向键1的锁定，第一转向拉杆10与第二转向拉杆11之间的锁定解除，第一转向拉杆10和第二转向拉杆11之间可以相对转动。
车架2上设有直线导轨23，直线导轨23上设有直线滑块17和电锁滑块14。直线滑块17上固定安装有直线滑块座18，第二连杆19与竖杆13铰接的端部还与直线滑块座18铰接。电锁滑块14上固定安装有电控座15，电控锁16固定安装到电控座15的侧方，电控锁16的锁头可伸入竖杆13中部的侧方凸出的限位板的通孔内。电控锁16通电后，其锁头伸入竖杆13的通孔内，使竖杆13只能沿直线导轨23移动；电控锁16断电后，其锁头从竖杆13的通孔中退出，竖杆13能左右转动。
四轮转向机构包括固定安装在车架2前部的四轮转向舵机9，四轮转向舵机9的输出轴固定连接到摇杆8的一端，摇杆8的另一端通过第一连杆7铰接到右侧车轮2的转向节臂6与第一转向拉杆10铰接的端部。
四个轮毂电机4、四个角度传感器22、两个转向锁12，两个电控锁16、四轮转向舵机9和全转向舵机20均与中央控制系统电气连接，并由中央控制系统统一发出指令进行控制。
巡检小车在直线运动中需要转向时，主要有三种转向模式，分别为四轮转向模式、零半径转向模式和横向移动模式，可以根据管廊内的实际行驶路况选择相应的转向模式。
巡检小车处于四轮转向模式时，中央控制系统1控制电控锁16断电，则竖杆13可左右转动；同时控制转向锁12断电，第一转向拉杆10和第二转向拉杆11锁定为一个整体。中央控制系统1控制四轮转向舵机9驱动摇杆8转动，第一连杆7受到来自摇杆8的推力后带动前侧的第一转向拉杆10及第二转向拉杆11转动，从而通过转向节臂6带动前轮转向。同时，前侧的第一转向拉杆10依次带动前侧的竖杆13、前侧第二连杆19、曲柄21、后侧的第二连杆19、后侧的竖杆13以及后侧的第一转向拉杆10和第二转向拉杆11转动，进而通过转向节臂6带动后轮转向。四轮同时转向时，内侧的两个车轮3均以相同的速度V2转动，外侧的两个车轮3均以相同的速度V1转动，V1>V2。此转向模式下巡检小车的转弯半径减少一半，增加了巡检小车常规转向的灵活性。
巡检小车处于零半径转向模式时，中央控制系统1控制电控锁16通电，竖杆13沿直线导轨移动；同时控制转向锁12通电，转向轴124上移，第一转向拉杆10和第二转向拉杆11解除锁定，第一转向拉杆10和第二转向拉杆11之间的角度可以改变。之后中央控制系统1给全转向舵机20发送相应的控制信号，控制全转向舵机20转动相应的角度，使前后的车轮3完成转向角度值为α＝arctan(L/d)的转向，其中L表示前后车轮3之间的轴距，d表示左右车轮3之间的轮距。全转向舵机20带动曲柄21转动，曲柄21带动两端的第二连杆19转动，第二连杆19带动竖杆13转动，竖杆13转动后带动第一转向拉杆10和第二转向拉杆11转动，通过转向节臂6使与之对应的车轮3发生转向。此时各个车轮3的轴心线指向巡检小车底盘的几何中心，四个车轮3均以相同的速度V带动巡检小车完成顺时针零半径转向(或逆时针零半径转向)。
巡检小车处于横向移动模式时，中央控制系统1控制电控锁16和转向锁12通电。之后中央控制系统1给全转向舵机20发送相应的控制信号，控制全转向舵机20转动相应的角度，使前后的车轮3完成转向角度值为90°的转向，使车轮3与车身纵向轴垂直，各部件之间的传动关系与巡检小车处于零半径转向模式时一样，中央控制系统1控制轮毂电机4带动四个车轮3以相同的速度v转动从而实现巡检小车的横向移动。
在整个转向过程中，四个角度传感器22实时监测四个车轮3的转向角度反馈给中央控制系统，进而保证转向角度的准确性。
巡检小车从直线运动模式切换到转向模式时，车速应该不高于10km/h，以确保巡检小车的行驶安全；必要时，可以完全停止后再进行转向操作。

Claims (2)

1.一种基于轮毂电机的管廊巡检小车全方位转向系统，其特征在于：包括车架（2）和四个自带轮毂电机（4）的车轮（3）；每个车轮（3）上均固定连接有带角度传感器（22）的U型转向节（5），车轮（3）通过U型转向节（5）与车架（2）铰接；转向节臂（6）的一端与U型转向节（5）固定连接；
所述车架（2）上设有用于车轮（3）转向的转向系统；所述转向系统包括设于车架（2）中部的全转向机构和设于车架（2）前部的四轮转向机构；
所述全转向机构的前端通过转向锁（12）与前侧的第一转向拉杆（10）和第二转向拉杆（11）的一端连接，全转向机构的后端通过另一个转向锁（12）与后侧的第一转向拉杆（10）和第二转向拉杆（11）的一端连接；第一转向拉杆（10）的另一端与右侧车轮的转向节臂（6）的另一端铰接，第二转向拉杆（11）的另一端与左侧车轮的转向节臂（6）的另一端铰接；转向锁（12）可将第一转向拉杆（10）和第二转向拉杆（11）锁定为一个整体；
所述四轮转向机构与前轮中右侧车轮（3）的转向节臂（6）与第一转向拉杆（10）的铰接端复合铰接；
四个轮毂电机（4）、四个角度传感器（22）、两个转向锁（12），全转向机构和四轮转向机构均与中央控制系统电气连接；
所述全转向机构包括固定安装在车架（2）中部的全转向舵机（20）；全转向舵机（20）的输出轴连接到曲柄（21）的中部，曲柄（21）的两端分别连接有一个转向机构；前侧的转向机构用于控制两个前轮的转向，后侧的转向机构用于控制两个后轮的转向；全转向舵机（20）与中央控制系统电气连接；
所述转向机构包括一端铰接到曲柄（21）端部的第二连杆（19），第二连杆（19）的另一端铰接到竖杆（13）的一端，竖杆（13）的另一端通过转向锁（12）同时与第一转向拉杆（10）和第二转向拉杆（11）的铰接端连接；
还包括设置在车架（2）上的直线导轨（23），直线导轨（23）上设有直线滑块（17）和电锁滑块（14）；直线滑块（17）上固定安装有直线滑块座（18），第二连杆（19）与竖杆（13）铰接的端部还与直线滑块座（18）复合铰接；电锁滑块（14）上固定安装有电控座（15），电控锁（16）固定安装到电控座（15）的侧方；竖杆（13）侧方向外突出形成延伸部，延伸部上设有通孔，电控锁（16）的锁头可伸入竖杆（13）的通孔内；电控锁（16）与中央控制系统电气连接；
所述四轮转向机构包括固定在车架（2）前部的四轮转向舵机（9），四轮转向舵机（9）的输出轴固定连接到摇杆（8）的一端，摇杆（8）的另一端通过第一连杆（7）复合铰接到右侧车轮（3）的转向节臂（6）与第一转向拉杆（10）铰接的端部；四轮转向舵机（9）与中央控制系统电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于轮毂电机的管廊巡检小车全方位转向系统，其特征在于：所述转向锁（12）的锁盖（121）扣接于竖杆（13）的上表面，锁盖（121）内的顶部固定有铁块和弹簧（122），弹簧（122）的下端固定连接有硅钢片（123），硅钢片（123）固定在转向轴（124）的顶部，转向轴（124）的下部设有楔形导向键（1）；第一转向拉杆（10）和第二转向拉杆（11）上设有与楔形导向键（1）配合的键槽。
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