CN110304140A - 一种电动高尔夫球车自动转向改装套件及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动高尔夫球车，尤其涉及一种电动高尔夫球车自动转向改装套件及其控制方法。包括安装支架(30)、转向执行机构、传感器模块、电源模块(13)以及转向控制器(12)。该套件不会破坏电动高尔夫球车的主要结构，只要将其原有的电动助力转向装置替换为本发明所设计的自动转向改装套件即可，使得改装简单便捷。该控制方法采用自适应模糊PID控制方法，确定了停止转动、运用算法调整控制电机的频率、快速转动三者之间的判断界限值，采用试验确定的界限值能够使所设计的转向系统具有较好的稳定性和较快的响应速度。

Description

一种电动高尔夫球车自动转向改装套件及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动高尔夫球车，尤其涉及一种电动高尔夫球车自动转向改装套件及其控制方法。

背景技术

随着车辆技术的发展以及国家对节能减排的重视逐渐提高，电动车因其具有节能、环保、低污染的特点迅速发展起来。电动高尔夫球车是专为高尔夫球场设计开发的一种环保型乘用车辆，然而由于高尔夫球场所需车辆的数量较多，且每辆车都需要配备一名驾驶员，这就大大提高了球场的运行成本。电动高尔夫球车作为一种在特定场地使用的车辆，行驶条件及工况较为简单，自动驾驶可以大大减少人力成本，而电动高尔夫球车自动转向技术是实现自动驾驶的关键，却尚未得到广泛应用。

中国发明专利申请CN108327783A公开了一种自动转向控制装置、自动转向控制系统及控制方法，设计了一套液压控制系统，通过改造循环球式液压助力转向器实现商用汽车的自动转向，但该方案采用液压控制，不适用于电动高尔夫球车。中国发明专利申请CN108438048A公开了一种新型的履带式拖拉机自动转向控制系统及控制方法，但其主要使用导航系统，软硬件复杂，无法实现电动高尔夫球车自动转向的简便一体化改装。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种电动高尔夫球车自动转向改装套件及其控制方法，可以对现有电动高尔夫球车进行尺寸结构完全匹配的替换改装，并且提供相应的控制系统，解决电动高尔夫球车自动转向无法广泛应用的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种电动高尔夫球车自动转向改装套件，包括安装支架30、转向执行机构、传感器模块、电源模块13以及转向控制器12。

安装支架30内部布置电源模块13和转向控制器12，电源模块13和转向控制器12电连接。

所述转向执行机构包括步进电机9、步进电机驱动器10和EPS装置4。

步进电机9和步进电机驱动器10布置在安装支架30内部；所述步进电机驱动器10分别与转向控制器12和步进电机9连接；步进电机驱动器10与电源模块13电连接。

步进电机9的输出端与EPS装置4连接。

EPS装置4上端的输出轴通过第一十字联轴器3与转向轴2的底端连接。

EPS装置4下端的输出轴通过第二十字联轴器14与转向齿轮5连接；转向齿轮5与齿条41啮合，进而带动转向横拉杆42，将步进电机9的动力传递到转向前轮40，驱动前轮转向。

所述传感器模块包括角度传感器7、传感器安装支架37以及角度传动机构。

所述传感器安装支架37为弯折结构，包括两个相互平行的固定端以及连接所述固定端的连接端；两个固定端的弯折方向相反；两个固定端上分别设有固定孔；传感器安装支架37的一个固定端固定在前轴6上，角度传感器7的输入轴穿过传感器安装支架37的另一个固定端上的固定孔，通过螺栓固定。

所述角度传动机构包括车轮角度反馈连接杆36、连杆8、转向节臂38以及转向销39；其中，所述车轮角度反馈连接杆36的一端与角度传感器7的输入轴转动连接，车轮角度反馈连接杆36的另一端与连杆8的一端转动连接；连杆8的另一端与转向节臂38的一端转动连接，转向节臂38的另一端与转向销39转动连接，转向销39与转向前轮40连接。

所述角度传感器7与电源模块13电连接。

所述安装支架30为盒体结构，其外部左、右两端设有第一底座安装孔17和第二底座安装孔29；所述安装支架30通过第一底座安装孔17和第二底座安装孔29与电动高尔夫球车的前车架连接。

所述步进电机9和EPS装置4之间通过连接板11固定。

所述转向轴2的顶端设有转向轮盘1。

所述角度传感器7的测量范围为±45°。

所述安装支架30的内部被分隔为第一支架安装槽18、第二支架安装槽19、第三支架安装槽20和电源安装槽31；其中，第一支架安装槽18内布置转向控制器12；第二支架安装槽19内布置步进电机驱动器10；第三支架安装槽20内布置步进电机9；电源安装槽31内布置电源模块13。

一种使用电动高尔夫球车自动转向改装套件的控制方法，包括如下步骤：

规定电动高尔夫球车向右转向为负方向，向左转向为正方向。

1)启动电源模块13，对转向控制器12进行初始化。

2)转向控制器12读取角度传感器7的角度值，获得当前的实际转角，并计算期望转角与实际转角的差值。

3)判断步骤2中期望转角与实际转角的差值是否小于0°，从而进行转向前轮40的转动方向判断，使其由实际转角位置向期望转角位置方向转向。

4)继续判断步骤2中的期望转角与实际转角的差值的绝对值，当差值绝对值小于0.5°时，转向控制器12通过步进电机驱动器10控制步进电机9，使转向前轮40停止转向；当差值绝对值大于0.5°，进入步骤5。

5)当期望转角与实际转角的差值绝对值大于0.5°时，继续判断差值绝对值是否小于5°；若差值绝对值大于等于5°，则转向控制器12输出给步进电机驱动器10的PWM频率为第一频率，使得步进电机9加速转动，从而带动转向前轮40以第一速度向期望转角位置转向；若差值绝对值大于0.5°而小于5°，则转向控制器12采用自适应模糊PID算法，根据差值实时调整转向控制器12的PWM输出频率，使其低于第一频率，进而控制步进电机9，使得转向前轮40以低于第一速度向期望转角位置转向，并快速稳定达到期望角度。

所述电源模块13可以将电动高尔夫球车的电压转换为步进电机驱动器10所需的24V电压，也可以转换为转向控制器12、角度传感器7所需的12V电压。

所述步骤3的具体判断过程如下：

若期望转角与实际转角的差值小于0°，则转向前轮40的预计的转向方向为负方向，即朝向右侧；若期望转角与实际转角的差值大于0°，则转向前轮40的预计的转向方向为正方向，即朝向左侧。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供了一种电动高尔夫球车自动转向改装套件，主要用于电动高尔夫球车，改装时不会破坏电动高尔夫球车的主要结构，只要将其原有的电动助力转向装置替换为本发明所设计的自动转向改装套件即可，使得改装简单便捷；

2、本发明还提供了与改装套件相配套的控制方法，通过对所设计的电动高尔夫球车自动转向系统进行反复试验，采用自适应模糊PID控制方法，确定了停止转动、运用算法调整控制电机的频率、快速转动三者之间的判断界限值，采用试验确定的界限值能够使所设计的转向系统具有较好的稳定性和较快的响应速度；

3、采用本发明提供的电动高尔夫球车自动转向改装套件，匹配其控制方法，能够迅速便捷地完成电动高尔夫球车自动转向的改装并良好使用，有利于电动高尔夫球车自动转向技术的广泛应用。

附图说明

图1为本发明的电动高尔夫球车自动转向改装套件的结构示意图；

图2为本发明的电动高尔夫球车自动转向改装套件的安装支架的结构示意图；

图3为本发明的电动高尔夫球车自动转向改装套件的传感器安装支架37结构示意图；

图4为本发明的电动高尔夫球车自动转向改装套件的传感器模块的连接关系示意图；

图5本发明的电动高尔夫球车自动转向改装套件的传感器模块的结构示意图。

其中的附图标记为：

1.转向轮盘 2.转向轴

3.第一十字联轴器 4.EPS装置

5.转向齿轮 6.前轴

7.角度传感器 8.连杆

9.步进电机 10.步进电机驱动器

11.连接板 12.转向控制器

13.电源模块 14.第二十字联轴器

17.第一底座安装孔 18.第一支架安装槽

19.第二支架安装槽 20.第三支架安装槽

29.第二底座安装孔 30.安装支架

31.电源安装槽 33.支架盖

36.车轮角度反馈连接杆 37.传感器安装支架

38.转向节臂 39.转向销

40.转向前轮 41.齿条

42.转向横拉杆 43.第一销

44.第二销

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

一种电动高尔夫球车自动转向改装套件，包括安装支架30、转向执行机构、传感器模块、电源模块13以及转向控制器12。

如图1和图2所示，所述安装支架30为盒体结构，其外部左、右两端设有第一底座安装孔17和第二底座安装孔29。安装支架30的顶端通过螺栓连接安装支架盖33。所述安装支架30通过第一底座安装孔17和第二底座安装孔29与电动高尔夫球车的前车架螺栓连接。

安装支架30内部布置电源模块13和转向控制器12，电源模块13和转向控制器12电连接。

所述转向执行机构包括步进电机9、步进电机驱动器10和EPS装置4。

步进电机9和步进电机驱动器10布置在安装支架30内部。所述步进电机驱动器10分别与转向控制器12和步进电机9连接。步进电机驱动器10与电源模块13电连接。

步进电机9的输出端与EPS装置4连接，从而实现动力传递。所述步进电机9和EPS装置4之间通过连接板11固定。

EPS装置4上端的输出轴通过第一十字联轴器3与转向轴2的底端连接。所述转向轴2的顶端设有转向轮盘1。

EPS装置4下端的输出轴通过第二十字联轴器14与转向齿轮5连接。转向齿轮5与齿条41啮合，进而带动转向横拉杆42，将步进电机9的动力传递到转向前轮40，驱动前轮转向。

所述传感器模块包括角度传感器7、传感器安装支架37以及角度传动机构。

如图3和图5所示，所述传感器安装支架37为弯折结构，包括两个相互平行的固定端以及连接所述固定端的连接端。两个固定端的弯折方向相反；两个固定端上分别设有固定孔。传感器安装支架37的一个固定端通过螺栓固定在前轴6上，角度传感器7的输入轴穿过传感器安装支架37的另一个固定端上的固定孔，通过螺栓固定。

如图4和图5所示，所述角度传动机构包括车轮角度反馈连接杆36、连杆8、转向节臂38以及转向销39。其中，所述车轮角度反馈连接杆36的一端与角度传感器7的输入轴转动连接，车轮角度反馈连接杆36的另一端与连杆8的一端通过第二销44转动连接；连杆8的另一端通过第一销43与转向节臂38的一端转动连接，转向节臂38的另一端与转向销39转动连接；转向销39与转向前轮40连接。至此，该转向前轮40转动时，其转动的角度可以通过角度传动机构实时被角度传感器7反馈给转向控制器12。

所述角度传感器7与电源模块13电连接。所述角度传感器7的测量范围为±45°。

电动高尔夫球车的转向前轮40的转角能够实时被角度传感器7读取并反馈给转向控制器12。

优选地，安装支架30的内部被分隔为第一支架安装槽18、第二支架安装槽19、第三支架安装槽20和电源安装槽31。其中，第一支架安装槽18内布置转向控制器12。第二支架安装槽19内布置步进电机驱动器10。第三支架安装槽20内布置步进电机9。电源安装槽31内布置电源模块13。

本发明的一种电动高尔夫球车自动转向改装套件的控制方法，包括如下步骤：

规定电动高尔夫球车向右转向为负方向，向左转向为正方向。所述角度传感器7的测量范围为±45°。

1、启动电源模块13，对转向控制器12进行初始化；

所述电源模块13可以将电动高尔夫球车的电压转换为步进电机驱动器10所需的24V电压，也可以转换为转向控制器12、角度传感器7所需的12V电压。

2、转向控制器12读取角度传感器7的角度值，获得当前的实际转角，并计算期望转角与实际转角的差值。

3、判断步骤2中期望转角与实际转角的差值是否小于0°，从而进行转向前轮40的转动方向判断，使其由实际转角位置向期望转角位置方向转向，具体判断过程如下：

若期望转角与实际转角的差值小于0°，则转向前轮40的预计的转向方向为负方向，即朝向右侧；若期望转角与实际转角的差值大于0°，则转向前轮40的预计的转向方向为正方向，即朝向左侧。

4、继续判断步骤2中的期望转角与实际转角的差值的绝对值，当差值绝对值小于0.5°时，转向控制器12通过步进电机驱动器10控制步进电机9，使转向前轮40停止转向；当差值绝对值大于0.5°，进入步骤5。

5、当期望转角与实际转角的差值绝对值大于0.5°时，继续判断差值绝对值是否小于5°；若差值绝对值大于等于5°，则转向控制器12输出给步进电机驱动器10的PWM频率为第一频率，使得步进电机9加速转动，从而带动转向前轮40以第一速度向期望转角位置转向；若差值绝对值大于0.5°而小于5°，则转向控制器12采用自适应模糊PID算法，根据差值实时调整转向控制器12的PWM输出频率，使其低于第一频率，进而控制步进电机9，使得转向前轮40以低于第一速度向期望转角位置转向，并快速稳定达到期望角度。

优选地，所述第一频率为2000Hz。

本发明以0.5°作为转向和停止的界限值，以5°作为运用算法调整角度和快速转动的界限值，这两个界限值都是通过反复试验确定的。试验发现当设置转向角小于0.5°时停止转动，可以使转向系统迅速稳定下来，若直接设置0°，由于角度传感器7等硬件存在一定测量误差，会使转向前轮40达到0°，该停止时在期望值附近无规律震荡，造成转向可靠性降低。试验发现当设置转向角大于5°时快速转动，在0.5°～5°之间利用算法调整电机频率，可以有效提高转向系统的响应速度，当实际值与期望值相差5°以上，角度相差太大，没有必要运用算法调整输出频率，直接快速转向可将算法运行的时间节省下来，当转到0.5°～5°之间后，再利用算法对控制电机的频率进行调整，可同时保证转向系统的稳定性和响应速度。

Claims (9)

1.一种电动高尔夫球车自动转向改装套件，其特征在于：包括安装支架(30)、转向执行机构、传感器模块、电源模块(13)以及转向控制器(12)；

安装支架(30)内部布置电源模块(13)和转向控制器(12)，电源模块(13)和转向控制器(12)电连接；

所述转向执行机构包括步进电机(9)、步进电机驱动器(10)和EPS装置(4)；

步进电机(9)和步进电机驱动器(10)布置在安装支架(30)内部；所述步进电机驱动器(10)分别与转向控制器(12)和步进电机(9)连接；步进电机驱动器(10)与电源模块(13)电连接；

步进电机(9)的输出端与EPS装置(4)连接；

EPS装置(4)上端的输出轴通过第一十字联轴器(3)与转向轴(2)的底端连接；

EPS装置(4)下端的输出轴通过第二十字联轴器(14)与转向齿轮(5)连接；转向齿轮(5)与齿条(41)啮合，进而带动转向横拉杆(42)，将步进电机(9)的动力传递到转向前轮(40)，驱动前轮转向；

所述传感器模块包括角度传感器(7)、传感器安装支架(37)以及角度传动机构；

所述传感器安装支架(37)为弯折结构，包括两个相互平行的固定端以及连接所述固定端的连接端；两个固定端的弯折方向相反；两个固定端上分别设有固定孔；传感器安装支架(37)的一个固定端固定在前轴(6)上，角度传感器(7)的输入轴穿过传感器安装支架(37)的另一个固定端上的固定孔，通过螺栓固定；

所述角度传动机构包括车轮角度反馈连接杆(36)、连杆(8)、转向节臂(38)以及转向销(39)；其中，所述车轮角度反馈连接杆(36)的一端与角度传感器(7)的输入轴转动连接，车轮角度反馈连接杆(36)的另一端与连杆(8)的一端转动连接；连杆(8)的另一端与转向节臂(38)的一端转动连接，转向节臂(38)的另一端与转向销(39)转动连接，转向销(39)与转向前轮(40)连接；

所述角度传感器(7)与电源模块(13)电连接。

2.根据权利要求1所述的电动高尔夫球车自动转向改装套件，其特征在于：所述安装支架(30)为盒体结构，其外部左、右两端设有第一底座安装孔(17)和第二底座安装孔(29)；所述安装支架(30)通过第一底座安装孔(17)和第二底座安装孔(29)与电动高尔夫球车的前车架连接。

3.根据权利要求1所述的电动高尔夫球车自动转向改装套件，其特征在于：所述步进电机(9)和EPS装置(4)之间通过连接板(11)固定。

4.根据权利要求1所述的电动高尔夫球车自动转向改装套件，其特征在于：所述转向轴(2)的顶端设有转向轮盘(1)。

5.根据权利要求1所述的电动高尔夫球车自动转向改装套件，其特征在于：所述角度传感器(7)的测量范围为±45°。

6.根据权利要求1所述的电动高尔夫球车自动转向改装套件，其特征在于：所述安装支架(30)的内部被分隔为第一支架安装槽(18)、第二支架安装槽(19)、第三支架安装槽(20)和电源安装槽(31)；其中，第一支架安装槽(18)内布置转向控制器(12)；第二支架安装槽(19)内布置步进电机驱动器(10)；第三支架安装槽(20)内布置步进电机(9)；电源安装槽(31)内布置电源模块(13)。

7.一种使用权利要求1-6之一所述的电动高尔夫球车自动转向改装套件的控制方法，包括如下步骤：

规定电动高尔夫球车向右转向为负方向，向左转向为正方向；

1)启动电源模块(13)，对转向控制器(12)进行初始化；

2)转向控制器(12)读取角度传感器(7)的角度值，获得当前的实际转角，并计算期望转角与实际转角的差值；

3)判断步骤2)中期望转角与实际转角的差值是否小于0°，从而进行转向前轮(40)的转动方向判断，使其由实际转角位置向期望转角位置方向转向；

4)继续判断步骤2)中的期望转角与实际转角的差值的绝对值，当差值绝对值小于0.5°时，转向控制器(12)通过步进电机驱动器(10)控制步进电机(9)，使转向前轮(40)停止转向；当差值绝对值大于0.5°，进入步骤5)；

5)当期望转角与实际转角的差值绝对值大于0.5°时，继续判断差值绝对值是否小于5°；若差值绝对值大于等于5°，则转向控制器(12)输出给步进电机驱动器(10)的PWM频率为第一频率，使得步进电机(9)加速转动，从而带动转向前轮(40)以第一速度向期望转角位置转向；若差值绝对值大于0.5°而小于5°，则转向控制器(12)采用自适应模糊PID算法，根据差值实时调整转向控制器(12)的PWM输出频率，使其低于第一频率，进而控制步进电机(9)，使得转向前轮(40)以低于第一速度向期望转角位置转向，并快速稳定达到期望角度。

8.根据权利要求7所述的电动高尔夫球车自动转向改装套件控制方法，其特征在于：

所述电源模块(13)可以将电动高尔夫球车的电压转换为步进电机驱动器(10)所需的24V电压，也可以转换为转向控制器(12)、角度传感器(7)所需的12V电压。

9.根据权利要求7所述的电动高尔夫球车自动转向改装套件控制方法，其特征在于：

所述步骤3)的具体判断过程如下：

若期望转角与实际转角的差值小于0°，则转向前轮(40)的预计的转向方向为负方向，即朝向右侧；若期望转角与实际转角的差值大于0°，则转向前轮(40)的预计的转向方向为正方向，即朝向左侧。