CN111674463B - 一种车轮转向分级控制方法及车轮转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车轮转向分级控制方法，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，判断转向信号的转向角度；第一阈值范围的角度小于第二阈值范围的角度，若转向角度位于第一阈值范围，则控制两个前轮独立转向，两个前轮分别独立向相同的方向转动不同的角度，使两个前轮的垂线与两个后轮的垂线相交于同一交点；若转向角度位于第二阈值范围，则控制前内侧车轮和两个后轮继续转向，前内侧车轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿前外侧车轮的垂线移动；本发明采用分级控制车轮转动，当转向角度较大时采用四个车轮共同转动的控制方式，使转弯半径减小，车辆更容易通过狭小的区域，灵活度更高。本发明的车轮转向系统也能达到相同的技术效果。

Description

一种车轮转向分级控制方法及车轮转向系统

技术领域

本发明涉及汽车转向技术领域，更进一步涉及一种车轮转向分级控制方法。此外，本发明还涉及一种车轮转向系统。

背景技术

传统的车辆前排两个车轮为转向控制轮，转向时仅两个前轮改变角度，实现车辆前进方向的改变；前排车轮转向时，两个车轮同步向左或向右转动相同的角度，由于两个车轮所在的圆周半径不同，因此两个车轮的转速并不相同，因此传统的车轮需要设置差速器；同样地，后排两个车轮的转弯半径也不相同，同样需要设置差速器弥补转速差。

传统的仅靠前排车轮转向的结构形式的转向半径过大，不利于车辆在较小的空间转向及调头，车辆的机动性和灵活性不高。

对于本领域的技术人员来说，如何提高车辆转向的灵活度，减小转弯半径，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种车轮转向分级控制方法，通过分级控制的方式，在转向角度较大时转换为四轮配合共同转向，从而减小转弯半径，提高车辆转向的灵活度，具体方案如下：

一种车轮转向分级控制方法，应用于独立转向和驱动的车轮，在左右转向模式下包括：

程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，判断所述转向信号的转向角度；

若转向角度位于第一阈值范围，则：控制两个前轮独立转向，两个前轮的垂线与两个后轮的垂线相交于同一交点；

若转向角度位于第二阈值范围，则：控制前内侧车轮和两个后轮继续转向，前内侧车轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿前外侧车轮的垂线移动。

可选地，当所述转向信号达到所述第二阈值范围和第三阈值范围的交点时，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线相交于前外侧车轮的垂线与车身中线的交点；

当所述程序控制器判断所述转向信号达到所述第三阈值范围时；

则：控制两个前轮和两个后轮继续转向，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿车身中线移动，直到两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点到达车身中线与两个内侧车轮中心连线的交点。

可选地，当所述转向信号达到所述第三阈值范围和第四阈值范围的交点时，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点到达车身中线与两个内侧车轮连线的交点；

当所述程序控制器判断所述转向信号达到第四阈值范围时；

则：控制两个前轮和两个后轮继续转向，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿车身中线移动，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点位于车身之内。

可选地，还包括前后转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，根据所述转向信号的转向角度，控制两个前轮与两个后轮分别对称转动相同的角度，两个前轮的垂线与两个后轮的垂线相交于同一个点并在两个前后轮的中心垂线上；

两个前轮与两个后轮同步向左或向右转动。

可选地，还包括全时四轮同向转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，根据所述转向信号的转向角度，按左右或前后划分，位于同侧的车轮分别转动相同的角度；

各车轮同步向左或向右转动。

可选地，还包括全时四轮逆向转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，根据所述转向信号的转向角度，按左右或前后划分，位于同侧的车轮分别对称转动相同的角度，各车轮的垂线相交于同一个点并在同侧两车轮中心连线的中点垂线上；

各车轮同步向前或向后转动。

可选地，还包括原地转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器分别输出控制四个转向伺服电机驱动车轮转动到以四轮中心点连线形成的矩形的车身中点为圆心的圆周线上，各车轮的垂线相交于车身中心内的同一个点上；

各车轮同步向顺时针或逆时针转动。

可选地，所述程序控制器接收电子式油门踏板发送的转速信号，根据各个车轮的转弯半径的比值控制相应的车轮驱动的转速。

本发明还提供一种车轮转向系统，包括：

轮毂电机，分别设置在每个车轮上，用于驱动车轮旋转；

回转支承，分别设置在每个车轮上，用于驱动车轮转向；

转向伺服电机，分别设置在每个车轮上，用于驱动回转支承传动车轮转向；

编码器，用于检测方向盘的转向角度；

电子式油门踏板，用于输出车速控制信号；

程序控制器，接收所述编码器和所述电子式油门踏板的信号，并控制所述轮毂电机和所述转向伺服电机执行相应动作。

本发明提供一种车轮转向分级控制方法，应用于独立转向和驱动的车轮，该控制方法包括左右转向模式，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，判断转向信号的转向角度；至少包括两个阈值范围，第一阈值范围的角度小于第二阈值范围的角度，若转向角度位于第一阈值范围，则控制两个前轮独立转向，后轮不转动，两个前轮分别独立向相同的方向转动不同的角度，使两个前轮的垂线与两个后轮的垂线相交于同一交点；若转向角度位于第二阈值范围，则控制前内侧车轮和两个后轮继续转向，前内侧车轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿前外侧车轮的垂线移动；本发明的分级控制方法根据转向角度的大小，分级控制车轮转动的情况，当转向角度较大时采用四个车轮共同转动的控制方式，使转弯半径减小，车辆更容易通过狭小的区域，灵活度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的车轮转向分级控制方法的流程图；

图2为转向角度位于第一阈值范围的转角示意图；

图3为转向角度位于第二阈值范围的转角示意图；

图4为转向角度位于第三阈值范围的转角示意图；

图5为四个车轮的垂线相交于车身与中线交点的示意图；

图6为四个车轮垂线的交点与车身中点相重合的示意图；

图7A和图7B分别为前后转向模式的两个不同转向状态的示意图；

图8A和图8B分别为全时四轮同向转向模式两个不同转向状态的示意图；

图9为全时四轮逆向转向模式的转动示意图。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种车轮转向分级控制方法，通过分级控制的方式，在转向角度较大时转换为四轮配合共同转向，从而减小转弯半径，提高车辆转向的灵活度。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的车轮转向分级控制方法及车轮转向系统进行详细的介绍说明。

如图1所示，为本发明的车轮转向分级控制方法的流程图，该方法应用于独立转向和驱动的车轮，每个车轮都能够独立的滚动以及360度转向，其中包括左右转向模式，在左右转向模式下具体包括：

程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，判断转向信号的转向角度；方向盘由驾驶员操控，用于实现传递转向意图，例如通过顺时针和逆时针旋转实现向右和向左转向，方向盘的转动通过编码器等结构转换为电子信号，并向程序控制器发送，程序控制器作为信号接收、发送和处理的模块，能够对接收的转向信号的转角范围进行判断，在输出对应的信号到各个转向伺服电机控制驱动车轮转向。

若转向角度位于第一阈值范围，则：控制两个前轮独立转向，两个前轮的垂线与两个后轮的垂线相交于同一交点；根据转向角度的大小划分为不同的范围，第一阈值范围的转角最小，第二阈值范围大于第一阈值范围，第一阈值范围的最大值和第二阈值范围的最小值为两者的交点。转向角度位于第一阈值范围时代表所需转动的角度较小，此时仅需要控制两个前轮独立转向，两个后轮的角度保持不变。两个前轮独立转向不同的角度，使两个前轮的垂线与两个后轮的垂线相交于同一交点，如图2所示，为转向角度位于第一阈值范围的转角示意图；图中O1点表示两个前轮的垂线与两个后轮的垂线的交点，两个后轮的垂线共线。

在第一阈值范围内，转向角度越大，则前排两个车轮的转向角度逐渐增大，但两个前轮的垂线始终相交，并且交点沿两个后轮的垂线移动，如图2中箭头所示的方向。

结合图2中顶点标记可知，内侧车轮的转角θ，与外侧车轮转角α之间的关系为：

BO1＝ABcotα

DO1＝ABcotα-BD

若转向角度位于第二阈值范围，则：控制前内侧车轮和两个后轮继续转向，前内侧车轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿前外侧车轮的垂线移动。如图3所示，为转向角度位于第二阈值范围的转角示意图；当转向角度在第一阈值范围持续增大，交点逐渐沿后轮垂线移动，到达第一阈值范围和第二阈值范围的相交的端点时，前轮垂线的交点不再沿后轮的垂线方向移动；也即转向角度继续增大进入第二阈值范围时，前外侧车轮的转角保持固定不变，前内侧车轮的转角以及两个后轮的转角持续变化，此时四个车轮的垂线交点沿前外侧车轮的垂线移动，也即图3中的箭头所示方向，从O1向O2移动，O2为前外侧车轮与车身中线的交点。

如图3所示，当向左转向时，前外侧车轮为右侧前轮，前内侧车轮为左侧前轮，在第二阈值范围内，转角角度持续增大，则交点不断靠近O2，转弯半径进一步减小。

结合图3中顶点标记可知，与前外侧车轮转角α与前内侧车轮的转角θ1、后内侧车轮的转角θ2、后外侧车轮的转角θ3之间的关系为：

本发明所提供的车轮转向分级控制方法适用于每个车轮都能够独立转向的滚动运转的车辆，在转向角度较小时，仅两个前轮改变转向，并且两个前轮的转向角度并不相等，因而能够相交于同一交点，每个车轮位置不同的圆周上，通过独立控制各个车轮的转速使车轮顺利完成转弯。本发明分级控制车轮转向的情况；当转向角度较大时采用四个车轮共同转动的控制方式，使转弯半径不断减小，车辆更容易通过狭小的区域，灵活度更高。

在上述方案的基础上，当进一步增大转向角度时可从第二阈值范围进入第三阈值范围，第三阈值范围大于第二阈值范围；如图4所示，为转向角度位于第三阈值范围的转角示意图；当转向信号达到第二阈值范围和第三阈值范围的交点时，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线相交于前外侧车轮的垂线与车身中线的交点，也即图4中的O2点。

当程序控制器判断转向信号位于第三阈值范围时；则控制两个前轮和两个后轮继续转向，此时四个车轮共同配合改变转向角度，两个前轮与两个后轮相互对称；两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿车身中线移动，也即图4中的箭头所示的方向，直到前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点到达车身中线与两个内侧车轮中心连线的交点，也即图4中的O3点；当交点位于O3时，转向角度在第三阈值范围达到最大。

结合图4中顶点标记可知，内侧车轮的转角θ，与外侧车轮转角α之间的关系为：

当转向信号达到第三阈值范围和第四阈值范围的交点时，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点到达车身中线与两个内侧车轮中心连线的交点，也即第四阈值范围的起始点为O3点，如图5所示，为四个车轮的垂线相交于车身与中线交点的示意图；第四阈值范围大于第三阈值范围。

当程序控制器判断转向信号达到第四阈值范围时；则控制两个前轮和两个后轮继续转向，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿车身中线移动，如图5中箭头所示的方向，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点位于车身之内，此时转弯半径进一步减小，最终可移动至以四个车轮中心点连线形成的矩形对角线的交点。

如图6所示，表示四个车轮垂线的交点与车身中点O4相重合的情况，此时转弯半径达到最小，四个车轮位于同一圆周上，转弯时圆心始终保持不动，能够在最小范围内实现原地旋转及调头。

结合图6中顶点标记可知：

第一阈值范围至第四阈值范围逐级过渡，四个阈值范围并非完全独立，随着转向角度逐渐增大，从第一阈值范围至第四阈值范围逐渐过渡，相反地，当转向角度逐渐缩小，则从第四阈值范围逐渐过渡至第一阈值范围。

在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，除了上述的左右转向模式之外，本发明还包括前后转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，根据转向信号的转向角度，控制两个前轮与两个后轮分别对称转动相同的角度，两个前轮的垂线与两个后轮的垂线相交于同一个点，并在两个前后轮的中心垂线上；两个前轮与两个后轮同步向左或向右转动。

如图7A所示，为前后转向模式的转动示意图，车身沿顺时针或逆时针方向转动，以前排车轮为内侧轮，后排车轮为外侧轮，前排车轮位于同一圆周，后排车轮位置同一圆周，两个圆周的圆心重合。当然也可以以后排车轮为内侧轮，前排车轮为外侧轮，前排车轮位于同一圆周，后排车轮位置同一圆周，两个圆周的圆心重合，如图7B所示。

在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明的车轮转向分级控制方法还包括全时四轮同向转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，根据所述转向信号的转向角度，按左右或前后划分，位于同侧的车轮分别转动相同的角度；各车轮同步向前或向后转动。

如图8A和图8B所示，分别为全时四轮同向转向模式两个不同转向状态的结构图，四个车轮同步转动相同的角度，能够朝向某一特定方向沿直线移动，移动方向并不仅限于车身长度方向，在此模式下可斜向移动或者横移。

在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明的车轮转向分级控制方法还包括全时四轮逆向转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，根据转向信号的转向角度，按左右或前后划分，位于同侧的车轮分别对称转动相同的角度，各车轮的垂线相交于同一个点，并在同侧两车轮中心连线的中点垂线上；各车轮同步向前或向后转动。此种模式下，转向角度不再划分层级，只要发送转向信号，四个车轮随即共同转动相应的角度，如图9所示，为全时四轮逆向转向模式的转动示意图，右侧车轮为内侧车轮，左侧车轮为外侧车轮，车身沿顺时针方向转动。此模式下，内侧车轮位于同一圆周，外侧车轮位于同一圆周，两侧车轮的圆心点相交于同一点上。

在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明的车轮转向分级控制方法还包括原地转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器分别输出控制四个转向伺服电机驱动车轮转动到以四轮中心点连线形成矩形的车身中点为圆心的圆周线上，各车轮的垂线相交于车身中心内的O4上，如图6所示；各车轮同步向顺时针或逆时针转动，实现原地转向。

该方案中由程序控制器接收电子式油门踏板发送的转速信号，根S据各个车轮的转弯半径的比值控制相应的车轮驱动的转速，转速的大小与车轮距离圆心的距离按比例计算得到，保证在转弯时所有车轮保持相对应的比例关系转动，不出现打滑。

本发明还提供一种车轮转向系统，包括轮毂电机、回转支承、转向伺服电机，编码器、电子式油门踏板、程序控制器等模块，轮毂电机分别设置在每个车轮上，用于驱动车轮独立旋转，提供车轮前进的动力；转向伺服电机和回转支承分别设置在每个车轮上，回转支承用于驱动车轮转向，使每个车轮独立地改变转向角度；转向伺服电机用于驱动回转支承传动车轮转向。

编码器用于检测方向盘的转向角度，并向程序控制器输送转向信号；电子式油门踏板用于输出车速控制信号，由驾驶员控制，据此改变车辆行驶的速度。程序控制器接收编码器和电子式油门踏板的信号，并控制轮毂电机和转向伺服电机执行相应动作，作为中央处理器，接收信号，进行计算、判断和输出，通过上述中由方向盘驱动编码器输出控制转向信号外，方向盘的转动可由驾驶员人为控制，也可在自动驾驶条件下由车辆各个传感器信号自动控制，即可适用于自动驾驶系统中，当然也可以只用于传感器信号控制，不需要方向盘传动信号控制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种车轮转向分级控制方法，其特征在于，应用于独立转向和驱动的车轮，在左右转向模式下包括：

程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，判断所述转向信号的转向角度；

若转向角度位于第一阈值范围，则：控制两个前轮独立转向，两个前轮的垂线与两个后轮的垂线相交于同一交点；

若转向角度位于第二阈值范围，则：控制前内侧车轮和两个后轮继续转向，前内侧车轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿前外侧车轮的垂线移动；

当所述转向信号达到所述第二阈值范围和第三阈值范围的交点时，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线相交于前外侧车轮的垂线与车身中线的交点；

当所述程序控制器判断所述转向信号达到所述第三阈值范围时；

则：控制两个前轮和两个后轮继续转向，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿车身中线移动，直到两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点到达车身中线与两个内侧车轮中心连线的交点。

2.根据权利要求1所述的车轮转向分级控制方法，其特征在于，当所述转向信号达到所述第三阈值范围和第四阈值范围的交点时，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点到达车身中线与两个内侧车轮连线的交点；

当所述程序控制器判断所述转向信号达到第四阈值范围时；

则：控制两个前轮和两个后轮继续转向，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点沿车身中线移动，两个前轮的垂线和两个后轮的垂线的交点位于车身之内。

3.根据权利要求1或2所述的车轮转向分级控制方法，其特征在于，还包括前后转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，根据所述转向信号的转向角度，控制两个前轮与两个后轮分别对称转动相同的角度，两个前轮的垂线与两个后轮的垂线相交于同一个点并在两个前后轮的中心垂线上；

两个前轮与两个后轮同步向左或向右转动。

4.根据权利要求1或2所述的车轮转向分级控制方法，其特征在于，还包括全时四轮同向转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，根据所述转向信号的转向角度，按左右或前后划分，位于同侧的车轮分别转动相同的角度；

各车轮同步向左或向右转动。

5.根据权利要求1或2所述的车轮转向分级控制方法，其特征在于，还包括全时四轮逆向转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器接收方向盘驱动编码器输出的转向信号，根据所述转向信号的转向角度，按左右或前后划分，位于同侧的车轮分别对称转动相同的角度，各车轮的垂线相交于同一个点并在同侧两车轮中心连线的中点垂线上；

各车轮同步向前或向后转动。

6.根据权利要求1或2所述的车轮转向分级控制方法，其特征在于，还包括原地转向模式，具体包括：

由控制开关切换至该转向模式下，程序控制器分别输出控制四个转向伺服电机驱动车轮转动到以四轮中心点连线形成的矩形的车身中点为圆心的圆周线上，各车轮的垂线相交于车身中心内的同一个点上；

各车轮同步向顺时针或逆时针转动。

7.根据权利要求1或2所述的车轮转向分级控制方法，其特征在于，所述程序控制器接收电子式油门踏板发送的转速信号，根据各个车轮的转弯半径的比值控制相应的车轮驱动的转速。

8.一种车轮转向系统，应用于权利要求1至7任一项所述的车轮转向分级控制方法，其特征在于，包括：

轮毂电机，分别设置在每个车轮上，用于驱动车轮旋转；

回转支承，分别设置在每个车轮上，用于驱动车轮转向；

转向伺服电机，分别设置在每个车轮上，用于驱动回转支承传动车轮转向；

编码器，用于检测方向盘的转向角度；

电子式油门踏板，用于输出车速控制信号；

程序控制器，接收所述编码器和所述电子式油门踏板的信号，并控制所述轮毂电机和所述转向伺服电机执行相应动作。

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