CN111267947B - 一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置 - Google Patents

一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,包括转向组件、固定组件、动力组件、车辆自动驾驶组件和移动电源，转向组件包括转向轴、第一套筒、第二套筒和连接齿套，第一套筒、第二套筒和连接齿套均套设在转向轴上，固定组件用于将转向装置与车辆进行连接，动力组件包括传动电机、连接电机和转向电机，传动电机用于带动转向电机的移动，连接电机用于控制连接齿套在第二套筒上移动，转向电机用于带动转向轴转动，车辆自动驾驶组件用于控制动力组件运行，移动电源为动力组件提供电源；本发明结构设计合理，车辆转向精度高且安全可靠，适宜大量推广。

Description

一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置
技术领域
本发明涉及车辆转向控制技术领域，具体涉及一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置。
背景技术
汽车转向系统是决定汽车安全系统的关键总成。由于传统转向机械系统中，转向盘与转向轮之间是由机械连接的，存在着转向系统中的传动比固定、传动比不能随车速变化以及转向柱的存在威胁着驾驶员的人身安全等缺陷。汽车自动转向技术由于具有极强的舒适性以及安全性，已被广泛应用，在公开的技术中，当选择自动转向控制时，在后轮转向控制已经在中性位置处停止之后，前轮转向控制装置开始自动转向控制。当取消对自动转向控制的选择时，在自动转向控制已经停止之后后轮转向控制装置开始后轮转向控制。
现有技术中车辆自动控制技术大多采用整数阶PID控制模块，由于实际的研究对象一般都不是理想的整数阶系统，而是由任意阶次的微分方程与积分方程构成的，使得整数阶PID控制模块在使用过程中具有一定的局限性，使得车辆自动转向不够精准和线性，增加了安全隐患。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种转向精准、安全性高的基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置。
本发明的技术方案为：一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,包括转向组件、固定组件、动力组件、车辆自动驾驶组件和移动电源；转向组件包括转向轴、第一套筒、第二套筒和连接齿套，转向轴包括第一轴部和第二轴部，第一轴部用于与车辆驾驶盘连接，第二轴部固定连接在第一轴部下端，第二轴部用于与车辆转向架连接，第一轴部下端设置有第一齿圈，第一齿圈上端设置有限位块，第一套筒活动套设在第一轴部上，且位于第一齿圈上端，第二套筒可转动卡接在第二轴部上端，第二套筒上设置有第二齿圈和转向齿轮，转向齿轮位于第二齿圈下端，连接齿套套设在第二轴部上端，且与第二齿圈啮合连接，连接齿套侧壁周向设置有转动槽，转动槽内活动卡接有转动杆；固定组件包括连接横梁和法兰盘，连接横梁水平固定设置在第一套筒的两侧，法兰盘通过第一拉杆固定设置在连接横梁下端，第二轴部贯穿法兰盘；动力组件包括传动电机、连接电机和转向电机，传动电机和连接电机均固定设置在法兰盘上，传动电机的输出轴上设置有传动齿轮，连接电机的输出轴上设置有丝杠，转动杆下端设置有螺纹套，丝杠与螺纹套螺纹连接，转向电机的输出轴上设置有副齿轮，转向电机的下端设置有滑块，法兰盘上设置有滑动槽，转向电机通过滑块活动卡接在滑动槽内，转向电机上设置有连接板，连接板上设置有齿条，齿条与传动齿轮啮合连接；车辆自动驾驶组件包括自动导航模块和分数阶PID控制模块，分数PID控制模块分别与自动导航模块、传动电机、连接电机和转向电机无线连接；移动电源为传动电机、连接电机和转向电机提供电源。
进一步地，第一套筒与第一轴部连接处设置有转动轴承，转动轴承设置有两个，两个转动轴承分别位于第一套筒内部上下两端，通过设置转动轴承，减小第一轴套与第一轴部的磨损，同时提高第一轴部转动时的稳定性。
进一步地，转向电机设置有两个，两个转向电机的输出轴上均设置有副齿轮，两个转向电机的下端均设置有滑块，法兰盘上设置有滑动槽，两个转向电机分别通过滑块活动卡接在滑动槽内，两个转向电机上均设置有连接板，连接板上均设置有齿条，两个齿条相对设置，且分别与传动齿轮啮合连接，使用时，传动电机上的传动齿轮带动两个齿条相对运动，使得两个转向电机上的副齿轮与转向齿轮啮合连接，通过设置两个转向电机，使得转向轴转动时更加线性。
进一步地，两个齿条上端均设置有卡槽和拉板，拉板底部设置有滚轮，拉板通过滚轮与卡槽活动卡接，通过上述拉板，使得两个齿条与传动齿轮紧密连接。
更进一步地，拉板内部活动设置有第二拉杆，第二拉杆与滚轮固定连接，第二拉杆上套设有弹簧，弹簧一端与拉板抵接，另一端与第二拉杆端部抵接，通过设置第二拉杆和弹簧，使得两个齿条始终紧靠传动齿轮，提高转向安全性。
进一步地，传动电机和连接电机与法兰盘连接处均设置有止震垫，通过设置止震垫，减小了传动电机和连接电机工作时产生的震动，进而减小了噪音，提高行车舒适性。
进一步地，自动导航模块包括速度传感器、距离传感器和红外探测传感器，速度传感器、距离传感器和红外探测传感器分别与分数阶PID控制模块电性连接，通过红外探测传感器感测车辆前方障碍物，通过速度传感器、距离传感器感测车辆速度以及与障碍物的距离，将信号传递给分数阶PID控制模块，由分数阶PID控制模块控制传动电机、连接电机和转向电机启动，控制车辆转向。
本发明的工作原理为：使用时，通过移动电源为传动电机、连接电机和转向电机提供电源，通过分数阶PID控制模块与传动电机、连接电机和转向电机电性连接，通过红外探测传感器感测车辆前方障碍物，通过速度传感器、距离传感器感测车辆速度以及与障碍物的距离，将信号传递给分数阶PID控制模块，由分数阶PID控制模块控制传动电机、连接电机和转向电机开始工作；连接电机带动丝杠转动，使得连接齿套在转动杆和螺纹套的作用下上升，将第二套筒与第一轴部进行连接；通过传动电机上的传动齿轮带动两个齿条相对运动，使得两个转向电机在滑动槽上滑动，两个转向电机上的副齿轮与转向齿轮啮合连接，实现车辆自动转向。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构设计合理，通过分数阶PID控制模块控制电机启动，进而控制车辆自动转向，提高了车辆转向时更加线性，提高了车辆转向的稳定性和安全性，节省了驾驶者的体力，提高了经济效益；而且本发明的两个转向电机与转向轴为活动连接，当车辆无需进行自动转向时，两个转向电机远离转向轴，从而不会影响车辆的主动转向，提高了车辆转向的可选择性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的纵剖图；
图3是本发明的连接齿套与第一齿圈的连接示意图
图4是本发发明的传动电机、连接电机和转向电机在法兰盘上的分布图；
图5是本发明的拉板的结构示意图；
图6是本发明的拉板与齿条的连接示意图；
其中，1-转向组件、10-转向轴、100-第一轴部、101-第二轴部、102-第一齿圈、1020-限位块、11-第一套筒、110-转动轴承、12-第二套筒、120-第二齿圈、121-转向齿轮、13-连接齿套、130-转动槽、131-转动杆、132-螺纹套、2-固定组件、20-连接横梁、21-法兰盘、210-滑动槽、22-第一拉杆、3-动力组件、30-传动电机、300-传动齿轮、31-连接电机、310-丝杠、32-转向电机、320-副齿轮、321-滑块、322-连接板、323-齿条、3230-卡槽、324-拉板、3240-滚轮、3241-第二拉杆、3242-弹簧。
具体实施方式
实施例：如图1、2所示的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,包括转向组件1、固定组件2、动力组件3、车辆自动驾驶组件和移动电源；转向组件1包括转向轴10、第一套筒11、第二套筒12和连接齿套13，转向轴10包括第一轴部100和第二轴部101，第一轴部100用于与车辆驾驶盘连接，第二轴部101固定连接在第一轴部100下端，第二轴部101用于与车辆转向架连接，第一轴部100下端设置有第一齿圈102，第一齿圈102上端设置有限位块1020，第一套筒11活动套设在第一轴部100上，且位于第一齿圈102上端，第一套筒11与第一轴部100连接处设置有转动轴承110，转动轴承110设置有两个，两个转动轴承110分别位于第一套筒11内部上下两端，通过设置转动轴承110，减小第一轴套11与第一轴部100的磨损，同时提高第一轴部100转动时的稳定性；第二套筒12可转动卡接在第二轴部101上端，第二套筒12上设置有第二齿圈120和转向齿轮121，转向齿轮121位于第二齿圈120下端，连接齿套13套设在第二轴部101上端，且与第二齿圈120啮合连接，连接齿套13侧壁周向设置有转动槽130，转动槽130内活动卡接有转动杆131；
如图1所示，固定组件2包括连接横梁20和法兰盘21，连接横梁20水平固定设置在第一套筒11的两侧，法兰盘21通过第一拉杆22固定设置在连接横梁20下端，第二轴部101贯穿法兰盘21；
如图1、2、3、4、5、6所示，动力组件3包括传动电机30、连接电机31和转向电机32，传动电机30和连接电机31与法兰盘21连接处均设置有止震垫，通过设置止震垫，减小了传动电机30和连接电机31工作时产生的震动，进而减小了噪音，提高行车舒适性；传动电机30和连接电机31均固定设置在法兰盘21上，传动电机30的输出轴上设置有传动齿轮300，连接电机31的输出轴上设置有丝杠310，转动杆131下端设置有螺纹套132，丝杠310与螺纹套132螺纹连接，转向电机32设置有两个，两个转向电机32的输出轴上均设置有副齿轮320，两个转向电机32的下端均设置有滑块321，法兰盘21上设置有滑动槽210，两个转向电机32分别通过滑块321活动卡接在滑动槽210内，两个转向电机32上均设置有连接板322，连接板322上均设置有齿条323，两个齿条323相对设置，且分别与传动齿轮300啮合连接，使用时，传动电机30上的传动齿轮300带动两个齿条323相对运动，使得两个转向电机32上的副齿轮320与转向齿轮121啮合连接，通过设置两个转向电机32，使得转向轴10转动时更加线性；转向电机32设置有两个，两个转向电机32的输出轴上均设置有副齿轮320，两个转向电机32的下端均设置有滑块321，法兰盘21上设置有滑动槽210，两个转向电机32分别通过滑块321活动卡接在滑动槽210内，两个转向电机32上均设置有连接板322，连接板322上均设置有齿条323，两个齿条323相对设置，且分别与传动齿轮300啮合连接，使用时，传动电机30上的传动齿轮300带动两个齿条323相对运动，使得两个转向电机32上的副齿轮320与转向齿轮121啮合连接，通过设置两个转向电机32，提高转向轴10转动时更加线性，两个齿条323上端均设置有卡槽3230和拉板324，拉板324底部设置有滚轮3240，拉板324通过滚轮3240与卡槽3230活动卡接，通过上述拉板324，使得两个齿条322与传动齿轮300紧密连接；拉板324内部活动设置有第二拉杆3241，第二拉杆3241与滚轮3240固定连接，第二拉杆3241上套设有弹簧3242，弹簧3242一端与拉板324抵接，另一端与第二拉杆3241端部抵接，通过设置第二拉杆3241和弹簧3242，使得两个齿条322始终紧靠传动齿轮300，提高转向安全性；车辆自动驾驶组件包括自动导航模块和分数阶PID控制模块，分数PID控制模块分别与自动导航模块、传动电机30、连接电机31和转向电机32无线连接；自动导航模块包括速度传感器、距离传感器和红外探测传感器，速度传感器、距离传感器和红外探测传感器分别与分数阶PID控制模块电性连接，通过红外探测传感器感测车辆前方障碍物，通过速度传感器、距离传感器感测车辆速度以及与障碍物的距离，将信号传递给分数阶PID控制模块，由分数阶PID控制模块控制传动电机30、连接电机31和转向电机32启动，控制车辆转向；移动电源为传动电机30、连接电机31和转向电机32提供电源，移动电源选用伯朗克电源设备有限公司生产的BIK12-120型UPS电免维铅酸电池；传动电机30、连接电机31和转向电机32均选用苏州西格玛机电有限公司生产的永磁同步电动机，速度传感器选用基恩士有限公司生产的LR-Z系列放大器内置型CMOS激光传感器，距离传感器选用北醒激动雷达生产的TF03激光雷达长距离传感器，红外探测传感器深圳市海王传感器有限公司生产的P916型热释电红外传感器。
使用时，通过移动电源为传动电机30、连接电机31和转向电机32提供电源，通过分数阶PID控制模块与传动电机30、连接电机31和转向电机32电性连接，通过红外探测传感器感测车辆前方障碍物，通过速度传感器、距离传感器感测车辆速度以及与障碍物的距离，将信号传递给分数阶PID控制模块，由分数阶PID控制模块控制传动电机30、连接电机31和转向电机32开始工作；连接电机31带动丝杠310转动，使得连接齿套13在转动杆131和螺纹套132的作用下上升，将第二套筒12与第一轴部100进行连接；通过传动电机30上的传动齿轮300带动两个齿条323相对运动，使得两个转向电机32在滑动槽210上滑动，两个转向电机32上的副齿轮320与转向齿轮121啮合连接，实现车辆自动转向。

Claims (6)

1.一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，包括转向组件(1)、固定组件(2)、动力组件(3)、车辆自动驾驶组件和移动电源；所述转向组件(1)包括转向轴(10)、第一套筒(11)、第二套筒(12)和连接齿套(13)，所述转向轴(10)包括第一轴部(100)和第二轴部(101)，所述第一轴部(100)用于与车辆驾驶盘连接，所述第二轴部(101)固定连接在第一轴部(100)下端，第二轴部(101)用于与车辆转向架连接，第一轴部(100)下端设置有第一齿圈(102)，所述第一齿圈(102)上端设置有限位块(1020)，所述第一套筒(11)活动套设在第一轴部(100)上，且位于所述第一齿圈(102)上端，所述第二套筒(12)可转动卡接在第二轴部(101)上端，第二套筒(12)上设置有第二齿圈(120)和转向齿轮(121)，所述转向齿轮(121)位于第二齿圈(120)下端，所述连接齿套(13)套设在第二轴部(101)上端，且与第二齿圈(120)啮合连接，连接齿套(13)侧壁周向设置有转动槽(130)，所述转动槽(130)内活动卡接有转动杆(131)；所述固定组件(2)包括连接横梁(20)和法兰盘(21)，所述连接横梁(20)水平固定设置在第一套筒(11)的两侧，所述法兰盘(21)通过第一拉杆(22)固定设置在连接横梁(20)下端，第二轴部(101)贯穿法兰盘(21)；所述动力组件(3)包括传动电机(30)、连接电机(31)和转向电机(32)，所述传动电机(30)和连接电机(31)均固定设置在法兰盘(21)上，传动电机(30)的输出轴上设置有传动齿轮(300)，连接电机(31)的输出轴上设置有丝杠(310)，所述转动杆(131)下端设置有螺纹套(132)，所述丝杠(310)与螺纹套(132)螺纹连接，所述转向电机(32)的输出轴上设置有副齿轮(320)，转向电机(32)的下端设置有滑块(321)，法兰盘(21)上设置有滑动槽(210)，转向电机(32)通过所述滑块(321)活动卡接在滑动槽(210)内，转向电机(32)上设置有连接板(322)，连接板(322)上设置有齿条(323)，所述齿条(323)与传动齿轮(300)啮合连接；所述车辆自动驾驶组件包括自动导航模块和分数阶PID控制模块，所述分数阶PID控制模块分别与自动导航模块、传动电机(30)、连接电机(31)和转向电机(32)无线连接；所述移动电源为传动电机(30)、连接电机(31)和转向电机(32)提供电源；所述自动导航模块包括速度传感器、距离传感器和红外探测传感器，所述速度传感器、距离传感器和红外探测传感器分别与分数阶PID控制模块电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，所述第一套筒(11)与第一轴部(100)连接处设置有转动轴承(110)，所述转动轴承(110)设置有两个，两个转动轴承(110)分别位于第一套筒(11)内部上下两端。
3.根据权利要求1所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，所述转向电机(32)设置有两个，两个转向电机(32)的输出轴上均设置有副齿轮(320)，两个转向电机(32)的下端均设置有滑块(321)，法兰盘(21)上设置有滑动槽(210)，两个转向电机(32)分别通过所述滑块(321)活动卡接在滑动槽(210)内，两个转向电机(32)上均设置有连接板(322)，连接板(322)上均设置有齿条(323)，两个所述齿条(323)相对设置，且分别与所述传动齿轮(300)啮合连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，两个所述齿条(323)上端均设置有卡槽(3230)和拉板(324)，所述拉板(324)底部设置有滚轮(3240)，拉板(324)通过所述滚轮(3240)与卡槽(3230)活动卡接。
5.根据权利要求4所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，所述拉板(324)内部活动设置有第二拉杆(3241)，所述第二拉杆(3241)与滚轮(3240)固定连接，第二拉杆(3241)上套设有弹簧(3242)，所述弹簧(3242)一端与拉板(324)抵接，另一端与第二拉杆(3241)端部抵接。
6.根据权利要求1所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，所述传动电机(30)和连接电机(31)与法兰盘(21)连接处均设置有止震垫。
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