CN108995711B - 一种独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，包括：车身车架系统、电路系统、四个车轮，每个车轮分别通过与之对应的驱动系统、转向系统和制动系统独立驱动、转向和制动；每个所述车轮通过一套悬架系统与所述车架相连；车身车架系统包括用于为所述驱动系统、转向系统、悬架系统和制动系统提供安装支撑的车架和外包在所述车架外的非承载式车身；所述电路系统包括:整车控制器、供电单元和八个电机控制器。该无人车底盘的每个车轮均能实现独立的线控驱动、线控制动和线控转向，具有模块化、通用化、平台化的特点，可广泛用于打击、作战、巡逻、侦查、物流、运输、摆渡、配送等场景下的军用或民用。

Description

一种独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘

技术领域

本发明涉及一种车辆底盘，具体涉及一种独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，属于车辆底盘设计领域。

背景技术

无人车是民用和军用车辆领域的重要发展方向，其是指具有自主行为能力并完全省略人类驾驶机构的车辆，具有智能化、线控化、机器人化的特点，其使用目的为替代人类执行作业任务，包括打击、作战、巡逻、侦察、物流、运输、摆渡、配送等任务，在民用或军用领域具有广阔应用前景。在我国中国制造2025、新一代人工智能发展规划、新一代陆军装备发展等国家战略中，无人车都成为了民用及军用车辆领域的重要发展对象，被认为将改变未来人类生活方式及新一代陆军装备作战形式，对我国国民经济发展与国防安全建设具有重要战略意义。

近些年来，随着民用及军用无人车应用场景的不断拓宽，对无人车的机动性、灵活性、操纵性、稳定性的需求不断提高，以加强无人车对复杂道路、复杂工况、复杂地形的适应能力，从而满足多样化的民用及军用使用场景需求。因完全抛弃了人类驾驶机构，故与传统车辆相比，无人车的总体构型、布局形式、控制系统、执行机构等都完全不同。无人车的底盘必须采用全线控架构，即转向系统、驱动系统及制动系统完全由电子控制系统控制，实现完全的线控转向、线控驱动及线控制动。但是，传统的无人车总体设计多基于传统汽车底盘进行线控改造并仍采用传统车辆构型（中央驱动、单桥转向等），极大程度上限制了无人车的机动性、灵活性、操纵性及稳定性的提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，该底盘的每个车轮均能实现独立驱动、制动和转向，且驱动、制动和转向全部采用线控，通用性高。

所述的独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘包括：车身车架系统、电路系统、四个车轮，每个车轮对应一套驱动系统、一套转向系统、一套悬架系统和一套制动系统；

所述车身车架系统包括用于为所述驱动系统、转向系统、悬架系统和制动系统提供安装支撑的车架和外包在所述车架外的非承载式车身；所述车身车架系统上部为完全平整的空间，用于安装各类无人车作业执行机构；

所述驱动系统采用轮边电机作为驱动电机独立驱动与之对应的车轮；

所述转向系统为全轮独立转向单元，由转向电机为与之对应的车轮提供转向力矩，使得四个车轮能够独立转向；

每个所述车轮通过一套悬架系统与所述车架相连；

所述制动系统为液压制动系统，用于向与之对应的车轮提供制动力矩；所述制动系统包括：液压泵、输出阀、驻车电磁阀和制动卡钳；所述液压泵通过设置有输出阀和驻车电磁阀的制动管路与所述制动卡钳相连，所述驻车电磁阀为常开电磁阀，所述输出阀在制动管路内的压强达到设定值后打开；所述制动卡钳中的活塞能够在制动管路中液压油的推动下轴向移动，以压紧制动盘；所述液压泵和驻车电磁阀受控于所述整车控制器，液压泵收到整车控制器发出的制动信号后，开始增压，到达设定的压强后输出阀打开；液压泵收到整车控制器发出的驻车信号后，关闭驻车电磁阀，将制动管路中的压力保持在设定值后，液压泵停止工作，达到断电后驻车的目的；

所述电路系统包括:整车控制器、供电单元和八个电机控制器；

所述供电单元为无人车辆底盘上的所有电子设备供电；并为安装在底盘上的雷达、摄像头或其它无人识别设备供电；

八个所述电机控制器分别用于控制四个所述驱动电机和四个所述转向电机，使得每个驱动电机和每个转向电机的转矩和旋转方向都独立可控；

所述整车控制器用于接收上位机的指令，所述指令包括驱动指令、转向指令、制动指令和驻车指令：当接收驱动指令到后，分别向四个驱动电机的电机控制器发布转矩指令，控制驱动电机驱动与之对应的车轮；当接收转向指令到后，分别向四个转向电机的电机控制器发布转向指令，控制转向电机使底盘转向到设定位置；当接收制动指令或驻车指令到后，分别控制四个所述液压制动系统以完成制动或驻车。

有益效果：

（1）本发明的无人车底盘中每个车轮均独立驱动，每个车轮的转矩和旋转方向都独立可控。在正常行驶状态下，各驱动电机保持扭矩方向一致，可前进或后退。在转弯过程中，可以通过对四个驱动电机扭矩的协调，进行整车横摆力矩的控制，提升车辆的操纵稳定性。并可以通过驱动电机控制车身两侧车轮的驱动方向，来实现速差转向。

（2）本发明的无人车底盘中每个车轮均可以独立转向，每个车轮的转角都独立可控。因此，可以实现除阿克曼转向以外的多种转向模式，包括原地转向、双桥转向等，大大提升了底盘的机动性。

（3）本发明的无人车底盘具有通用化，平台化的特点，可在其上加装各类机械装置用于清扫，运输等各类用途，通过底盘上的电池组可为雷达，摄像头等各类识别设备提供供电，可以安装各类无人识别系统。

（4）本发明的无人车底盘采用轮边电机驱动技术，相比于轮毂电机式驱动底盘，轮边电机驱动车辆整车平顺性更好，电机不需要增加单独的减震装置，大幅简化了设计结构并提高了系统可靠性。

附图说明

图1为该车辆底盘的俯视图；

图2为该车辆底盘的主视图；

图3为该车辆底盘的内部布置图；

图4为解耦转向工况；

图5为双桥转向工况；

图6为原地转向工况；

图7为轮边电机系统示意图

图8为独立转向系统示意图。

其中：1-车轮、2-驱动系统、3-转向系统、4-悬架系统、5-车身、6-车架、9-10-轮毂、11-轮辋、12-轮胎、21-连接板、22-驱动电机、24-螺栓、23-连接耳片、25-减速器、26-球笼、27-半轴、28-万向节、301-转向电机、302-固定支架、303-固定耳片、304-壳体、305-转角传感器、306-齿条、307-齿轮、308-直线轴承、309-齿条连接耳片、310-杆端轴承、311-转向拉杆、312-螺纹套、313-转向连接耳片

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行进一步的详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，如图1-3所示，该无人车辆底盘包括：车身车架系统、电路系统、四个车轮1，每个车轮1对应一套独立的驱动系统2、独立的转向系统3、独立的悬架系统4和独立的制动系统。

此处车轮1即车轮总成，包括轮胎12、轮辋11、轮毂10和转向立柱9。

车身车架系统包括车架6和非承载式车身5，电路系统以及四个驱动系统、四个转向系统和四个制动系统固定安装在车架6上，每个车轮1通过一套悬架系统与车架6相连。

如图7所示，驱动系统采用轮边电机独立驱动系统，包括：驱动电机22、减速器25和万向传动总成。驱动电机22与减速器25通过机械连接固定在靠近车轮处，通过万向节将动力传递到轮毂10，驱动车轮。具体为：驱动电机22通过壳体背部固定端的螺栓24与连接板21的一端相连，连接板21的另一端连接有连接耳片23，连接耳片23焊接在车架6上。驱动电机22的输出端通过法兰盘连接抱轴，抱轴与减速器25相连。减速器25内部采用行星齿轮，抱轴与太阳轮固连，减速器输出轴与行星架固连，达到减速增扭的作用。减速器25输出轴外部有花键，通过花键与球笼26连接，起到周向固定作用。三球销式万向节放置在球笼26内部，与球笼26间可产生轴向相对运动，并可以在于球笼26中心轴线保持一定角度时，仍能够传递扭矩。轮毂10靠近电机端亦铣出相同结构，用于放置另一个三球销式万向节28。两个万向节内部均有花键，半轴27的两端分别通过花键与两个万向节相固连，保证周向固定，并在半轴27上设置有卡簧槽，卡簧套装在半轴27上，两端分布与两个万向节抵触，保证万向节28的轴向固定。轮毂10外部固定有轮毂轴承，通过轮毂上的轴肩起到部分轴向定位功能，轮毂10整体安装在转向立柱9内部，转向立柱9上亦加工有轴肩用于轴向固定。轮毂10外端与轮辋11使用螺栓固定。

相比于轮毂电机的分布式驱动系统，轮边电机驱动系统使得整车平顺性更好，且驱动电机不需要增加单独的减震装置，简化结构的同时可靠性更好，电机寿命更高。每个驱动电机的转矩和旋转方向都独立可控，由整车控制器统一发送控制指令。在正常行驶状态下，四个驱动电机保持扭矩方向一致，可以前进或后退。在转弯过程中，通过对四个驱动电机扭矩的协调，进行整车横摆力矩的控制，提升车辆的操纵稳定性，并可以通过控制车身两侧车轮的驱动方向，来实现速差转向。

如图8所示，转向系统采用全轮转向系统，每套转向系统为一个车轮提供独立的转向力矩，转向系统包括：壳体304、转向电机301、转角传感器305、齿轮齿条转向机构和转向拉杆311。转向电机301通过自身上的螺栓孔与固定支架302连接，固定支架302亦通过螺栓与固定耳片303连接，固定耳片303焊接在车架6上。转向电机301的输出轴与齿轮齿条转向机构中的齿轮307固连，齿轮307旋转的同时，推动齿条306直线移动。齿条306安装在壳304内部，并加装直线轴承308保证润滑。齿条306一端加工有螺纹，用于固接齿条连接耳片309，转向拉杆311的一端通过安装有杆端轴承310的螺纹套312与齿条连接耳片309螺纹连接，另一端通过安装有杆端轴承310的螺纹套312与转向连接耳片313螺栓连接，转向连接耳片313通过螺栓与转向立柱9相连。

其工作原理为：伺服电机301驱动齿轮307旋转，带动齿条306水平移动。齿条306推动转向拉杆311，从而带动转向立柱9围绕车轮主销旋转，进而带动车轮旋转，进行整车的转向。转向单元中除转向拉杆311外的部件均安装于壳体304上，并通过机械连接固定在车架6上。为实现对转向单元3的闭环控制，转向电机301采用伺服电机，并在齿轮307上设置有转角传感器305，通过转角传感器305读取转动行程并反馈给伺服电机，完成闭环控制。同时由于每个车轮能够独立转向，通过对各车轮转向角度的协调控制，可实现传统阿克曼转向、前后双桥转向（如图5所示）、原地转向（如图6所示）以及解耦转向（如图4所示）等多种转向模式。

制动系统为液压制动系统，相较于使用舵机控制制动机构的方式，响应更快，能够更好的控制制动力矩。包括液压泵、输出阀、驻车电磁阀和制动卡钳。液压泵通过设置有输出阀和驻车电磁阀的制动管路与制动卡钳相连，制动卡钳中的活塞能够在制动管路中液压油的推动下轴向移动，以压紧制动盘。

制动系统的工作原理为：液压泵收到整车控制器发出的制动信号后，开始增压，到达设定的压强后输出阀打开，驻车电磁阀为常开电磁阀，在通常状态下保持连通状态，制动管路内的油压上升后，推动制动卡钳中的活塞移动，压紧制动盘，制动车轮。液压泵收到整车控制器发出的驻车信号后，开始增压，到达设定的压强后输出阀打开，驻车电磁阀为常开电磁阀，在通常状态下保持连通状态，制动管路内的油压上升后，推动制动卡钳中的活塞移动，压紧制动盘，制动车轮；然后关闭驻车电磁阀，将制动管路中的压力保持在设定值后，液压泵停止工作，达到断电后驻车的目的。

为保证平台的运动平顺性以及操纵稳定性，悬架单元4采用双横臂式悬架系统，包括上横臂41、下横臂42和避震器，车轮通过悬架单元4与车架相连，以保证车轮运动过程中的参数稳定。具体为：上横臂41和下横臂42设置在转向立柱9端面两相对位置，上横臂41和下横臂42的一端与转向立柱9通过螺栓相连，另一端与车架相连，避震器采用液压式避震器，一端通过连接耳片与上横臂41相连，另一端与车架相连。当轮胎发生竖直方向往复运动时，上横臂41和下横臂42将绕轮胎12中心轴进行旋转；旋转过程中通过推动避震器，使避震器进行轴向运动实现压缩与拉伸，实现车辆减震缓冲的效果。

电路系统包括:整车控制器、高压电池组、低压电池组、八个电机控制器和直流变压器（DCDC）。八个电机控制器分别与四个转向电机和四个驱动电机一一对应。整车控制器从上位机（遥控器、工控机等）获得指令（驱动、转向、制动以及驻车等）后，同时向四个驱动电机发布转矩指令，从而驱动与之对应的车轮；分别向四个转向电机发送转向指令（位置信号），控制转向电机，以带动底盘转向到上的位置。同时整车控制器用于向四个制动系统中的液压泵发送制动指令或驻车指令，以控制液压泵以及驻车电磁阀，进而控制制动和驻车。高压电池组和低压电池组设置在电池箱内，用于向整个底盘上的电子元器件（包括整车控制器、八个电机控制器、四个转向电机、四个驱动电机以及四个制动系统）供电，其中高压电池组直接向驱动电机供电并在电路连通时通过DCDC向制动系统以及转向电机供电。高压电池组的通断通过低压电池供电控制的继电器实现。同时，在高压电池组断电的情况下，低压电池可以单独向转向电机与制动系统供电，保证测试过程中以及车辆运输过程中的需要。

车身车架系统5中，使用钢管焊接成的车架作为整体支撑，车架上焊接有耳片，所有部件通过螺栓连接在耳片上进而连接在车架上。车架分为主体结构与侧箱结构，其中驱动系统、转向系统以及对应的散热系统、供电用高压电池箱均安装在主体结构内部；整车控制器和八个电机控制器安装在侧箱结构内部。车架外外包非承载式车身，车身分为若干块钢板，钢板通过螺栓与车架相连，拼接成整个车身。车身车架系统上部为完全平整的空间，可用于各类装置改装。为保证足够的空间用于多用途改装，整个车架的高度与底盘高度相等。并保证整个底盘上方为完全平整，最大程度的留出空间用于其他用途的改造，包括不同传感器的安装，用于货运或者运输其他小型无人平台。

实施例2：

与上述实施例1的区别在于，为节约轮边空间，为车体设计与造型提供便利，在传统双横臂式悬架系统上增加换向块，具体为：本实施例中的悬架系统包括：两根横臂、避震器、推杆和换向块。换向块为三角形结构，其三个顶点处各设置一个连接点（分别令为连接点A、连接点B和连接点C）；横臂的两端均装有杆端轴承，两根横臂的一端分别通过螺栓与转向立柱相连，其中一根横臂的另一端与换向块上的连接点C销接，换向块能够绕该连接点处的销轴转动；另一根横臂上焊接有推杆耳片，推杆的一端与推杆耳片通过螺栓连接，另一端与换向块上的连接点B通过螺栓相连，避震器的一端与换向块上的连接点A销接，另一端与车架固接。在车轮上下跳动时，横臂的摆动推动推杆，推杆推动换向块绕连接点C处的销轴转动并推动避震器轴向运动，避震器提供给悬架系统刚度与阻尼。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，其特征在于，包括：车身车架系统、电路系统、四个车轮（1），每个车轮（1）对应一套驱动系统（2）、一套转向系统（3）、一套悬架系统（4）和一套制动系统；

所述车身车架系统包括用于为所述驱动系统、转向系统、悬架系统和制动系统提供安装支撑的车架（6）和外包在所述车架（6）外的非承载式车身（5）；所述车身车架系统上部为完全平整的空间，用于安装各类无人车作业执行机构；

所述驱动系统（2）采用轮边电机作为驱动电机独立驱动与之对应的车轮（1）；所述驱动系统采用轮边电机独立驱动系统，包括：驱动电机（22）、减速器（25）和万向传动总成；所述驱动电机（22）通过壳体背部固定端的螺栓（24）与连接板（21）的一端相连，连接板（21）的另一端通过连接耳片（23）焊接在车架（6）上；所述驱动电机（22）的输出端通过法兰盘连接抱轴，抱轴与减速器（25）相连；所述减速器（25）输出轴通过花键与球笼（26）连接，三球销式万向节放置在球笼（26）内部，与球笼（26）间可产生轴向相对运动，轮毂（10）靠近电机端放置另一个三球销式万向节（28）；两个万向节内部均有花键，半轴（27）的两端分别通过花键与两个万向节固连，所述半轴（27）上设置有卡簧槽，卡簧套装在半轴（27）上，两端分布与两个万向节抵触；

所述转向系统（3）为全轮独立转向单元，由转向电机为与之对应的车轮（1）提供转向力矩，使得四个车轮（1）能够独立转向；

每个所述车轮（1）通过一套悬架系统（4）与所述车架（6）相连；

所述制动系统为液压制动系统，用于向与之对应的车轮（1）提供制动力矩；所述制动系统包括：液压泵、输出阀、驻车电磁阀和制动卡钳；所述液压泵通过设置有输出阀和驻车电磁阀的制动管路与所述制动卡钳相连，所述驻车电磁阀为常开电磁阀，所述输出阀在制动管路内的压强达到设定值后打开；所述制动卡钳中的活塞能够在制动管路中液压油的推动下轴向移动，以压紧制动盘；所述液压泵和驻车电磁阀受控于整车控制器，液压泵收到整车控制器发出的制动信号后，开始增压，到达设定的压强后输出阀打开；液压泵收到整车控制器发出的驻车信号后，关闭驻车电磁阀，将制动管路中的压力保持在设定值后，液压泵停止工作，达到断电后驻车的目的；

所述电路系统包括:整车控制器、供电单元和八个电机控制器；

所述供电单元为无人车辆底盘上的所有电子设备供电；并为安装在底盘上的雷达、摄像头供电；所述供电单元包括高压电池组和低压电池组，所述高压电池组直接向驱动电机供电，通过直流变压器向制动系统以及转向电机供电；所述高压电池组的通断通过低压电池供电控制的继电器实现；在所述高压电池组断电的情况下，所述低压电池组单独向转向电机与制动系统供电；

八个所述电机控制器分别用于控制四个所述驱动电机和四个所述转向电机，使得每个驱动电机和每个转向电机的转矩和旋转方向都独立可控；

所述整车控制器用于接收上位机的指令，所述指令包括驱动指令、转向指令、制动指令和驻车指令：当接收驱动指令到后，分别向四个驱动电机的电机控制器发布转矩指令，控制驱动电机驱动与之对应的车轮；当接收转向指令到后，分别向四个转向电机的电机控制器发布转向指令，控制转向电机使底盘转向到设定位置；当接收制动指令或驻车指令到后，分别控制四个所述液压制动系统以完成制动或驻车。

2.如权利要求1所述的独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，其特征在于，所述转向系统（3）包括：壳体（304）、转向电机（301）、齿轮齿条转向机构和转向拉杆（311）；所述转向电机（301）通过固定支架（302）固接在所述车架（6）上；所述转向电机（301）的输出轴与齿轮齿条转向机构中的齿轮（307）固连，所述齿轮齿条转向机构中的齿条（306）通过所述转向拉杆（311）与转向立柱（9）相连。

3.如权利要求2所述的独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，其特征在于，所述转向电机为伺服电机，在所述齿轮（307）上设置有转角传感器（305），所述转角传感器（305）检测所述齿轮（307）的转动行程并反馈给伺服电机。

4.如权利要求1、2或3所述的独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，其特征在于，所述悬架系统（4）包括：上横臂（41）、下横臂（42）和避震器，所述上横臂（41）和下横臂（42）分别设置在转向立柱（9）端面两相对位置，所述上横臂（41）和下横臂（42）的一端与转向立柱（9）固接，另一端与车架（6）相连，所述避震器采用液压式避震器，一端通过连接耳片与上横臂（41）相连，另一端与车架（6）相连。

5.如权利要求1、2或3所述的独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，其特征在于，所述悬架系统（4）包括：两根横臂、避震器、推杆和换向块；所述换向块上设置有三个呈三角形分布的连接点，分别令为连接点A、连接点B和连接点C；两根所述横臂的一端分别和转向立柱（9）相连，其中一根横臂的另一端与换向块上的连接点C销接，换向块能够绕该连接点处的销轴转动；另一根横臂上固接有推杆耳片，所述推杆的一端与推杆耳片固接，另一端与换向块上的连接点B固接；所述避震器的一端与换向块上的连接点A销接，另一端与车架（5）固接，通过所述换向块使所述避震器的轴线与所述车轮（1）端面平行。

6.如权利要求1、2或3所述的独立驱动的全轮转向电动化无人车辆底盘，其特征在于，所述整车控制器通过对四个转向电机进行协调控制，使与四个转向电机对应的四个车轮的转向角度满足设定要求，以实现阿克曼转向、前后双桥转向、原地转向以及解耦转向。

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