CN111942178B - 汽车球形轮胎的电驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽车球形轮胎的电驱动控制系统，包括：布置在每个球形轮胎的电驱动装置，该电驱动装置包括：与轮胎外表面直接接触的四个驱动盘、分别用于驱动四个驱动盘的四个驱动电机、电液压制动盘、用于控制制动盘的电液压制动机构和计算及控制系统；四个驱动盘与轮胎外表面的接触点为球形轮胎内接正方体中与平行于汽车所处地面的上表面的四个顶点。

Description

汽车球形轮胎的电驱动控制系统

技术领域

本发明涉及汽车领域，具体涉及一种汽车球形轮胎的电驱动控制系统。

背景技术

随着经济的快速发展，汽车保有量激增，而城市土地资源有限，道路拥挤、“停车难”等问题愈发严重。因此，迫切需要对车辆转向系统的结构进行改进，提高车辆的通过性以及对停车场土地资源的利用率。

当前的量产汽车普遍采用传统的转向和悬架结构，其轮胎的最大转角有限，且通常只有前轮具有转向功能，影响车辆转向的灵活性和稳定性。解决这个问题的途径之一是采用球形轮胎。顾名思义，“球形轮胎”的意思是轮胎整个外形是一个球状。然而，目前提出的磁悬浮球形轮胎结构往往较为复杂，成本较高，控制难度较大。同时，磁悬浮球形轮胎的能耗较高，一定程度上影响了车辆的行驶里程。另外，目前针对球形轮胎的新型设计往往集中于球形轮胎的结构，针对球形轮胎用于汽车行驶，尤其是新能源汽车的驱动控制策略研究还不充分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种针对接触式电驱动的球形轮胎机构的简单可行的行车控制策略，其中通过驱动电机对汽车的四个球形轮胎分别进行独立控制，实现汽车的转弯、变道、侧方停车等操作，能够充分利用轮胎转向控制灵活的优势，减小汽车的转弯半径，提高其在狭窄路段的转向和通过能力，并且提高汽车变道、躲避障碍物时的稳定性，降低汽车高速行驶时的侧滑风险。

根据本发明，提供了一种汽车球形轮胎的电驱动控制系统，包括：布置在每个球形轮胎的电驱动装置，该电驱动装置包括：与轮胎外表面直接接触的四个驱动盘、分别用于驱动四个驱动盘的四个驱动电机、电液压制动盘、用于控制制动盘的电液压制动机构和计算及控制系统；四个驱动盘与轮胎外表面的接触点为球形轮胎内接正方体中与平行于汽车所处地面的上表面的四个顶点。

优选地，计算及控制系统通过驱动电机控制左上驱动盘、左下驱动盘逆时针旋转，同时控制右上驱动盘、右下驱动盘顺时针旋转来使得相应球形轮胎向前滚动。

优选地，计算及控制系统通过驱动电机控制左上驱动盘、左下驱动盘顺时针旋转，同时控制右上驱动盘、右下驱动盘时逆针旋转来使得相应球形轮胎向前滚动。

优选地，计算及控制系统通过驱动电机控制使得球形轮胎中的左上驱动盘、右上驱动盘逆时针旋转，同时控制左下驱动盘、右下驱动盘顺时针旋转，从而使得球形轮胎向右滚动。

优选地，计算及控制系统通过驱动电机控制使得球形轮胎中的左上驱动盘、右上驱动盘顺时针旋转，同时控制左下驱动盘、右下驱动盘逆时针旋转，从而使得球形轮胎向左滚动。

优选地，在汽车进行转弯操作时，计算及控制系统通过驱动电机控制使得前后球形轮胎的速度大小相同，而且左上驱动盘和右下驱动盘关于车头行进方向对称，左下驱动盘和右上驱动盘关于车头行进方向对称，使得前后轮的行驶轨迹重叠。

优选地，计算及控制系统通过下述方式执行计算和控制：

对于左上球形轮胎，根据左上球形轮胎的转速V1以及左上球形轮胎的转向角度

，计算各控制电机的转速，其中以向左转向为正；首先将合成速度分解为相互垂直的两个分 量：

；

表示左上球形轮胎在前进方向上的速度，

表示左上球形轮胎在与前进方向 垂直的侧向上的速度；

根据速度分量分别计算四台驱动盘的线速度：

其中

、

、

、

分别表示左上球形轮胎的左上驱动电机、左下驱动电机、 右上驱动电机、右下驱动电机驱动的驱动盘在前进方向上的线速度，

、

、

、

分 别表示左上球形轮胎的左上驱动电机、左下驱动电机、右上驱动电机、右下驱动电机驱动的 驱动盘在与前进方向垂直的侧向上的线速度；

针对左下驱动盘、右上驱动盘、右下驱动盘，以与左上球形轮胎相同的方式执行计算控制。

优选地，在汽车方向盘指示左转时计算及控制系统根据内轮转角

、前后轮轴距L、左右轮间距W，按下述公式计算得到左上球形轮胎的转弯半径R₁：

按下述公式计算右上球形轮胎的转弯半径：

利用下述轮胎转速与转弯半径的比例关系公式，计算右上球形轮胎的对应速度：

在驾驶员驱动转弯的情况下两对前后轮转向角相反，在驾驶员驱动变道的情况下令前后轮转向相同，并且根据下述公式分别计算轮胎转速在X、Y轴上的分量，其中p取1、2、3、4，表示的是相应的轮胎号；

根据分解后的速度分量计算各驱动盘的旋转方向和线速度：

根据下述公式计算驱动盘的实际转速：

其中的p、q取1、2、3、4，表示的是轮胎及驱动盘的编号；

根据下述公式基于驱动盘的大小换算得到驱动电机的转速给定值，其中的r为驱动盘的半径，换算得到的转速给定n _pq：

。

本发明通过所设计的四台电机和驱动盘控制球形轮胎，采用所设计的控制策略，可以实现对新能源汽车的四个球形轮胎的分别独立控制，驾驶员操作方向盘、踏板及挡杆即可实现汽车的行驶、倒车、转弯、变道、侧方停车等操作，操控准确简便，具有很好的实用性。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的汽车球形轮胎的电驱动控制系统的部分结构示意图。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的汽车球形轮胎的滚动行驶示意图。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的汽车球形轮胎的转弯行驶示意图。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的汽车球形轮胎的编号示意。

图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的汽车球形轮胎的电驱动控制系统的命名规则的示例。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的汽车球形轮胎的电驱动控制系统的部分结构示意图。

如图1所示，根据本发明优选实施例的汽车球形轮胎的电驱动控制系统包括：布置在每个球形轮胎的电驱动装置，该电驱动装置包括：与轮胎外表面直接接触的四个驱动盘10、分别用于驱动四个驱动盘的四个驱动电机20、电液压制动盘30、用于控制制动盘的电液压制动机构40和计算及控制系统（未示出）；其中，四个驱动盘与轮胎外表面的接触点为球形轮胎内接正方体中与平行于汽车所处地面的上表面的四个顶点。

驱动盘的四台驱动电机分别带动四个驱动盘旋转，从而驱动球形轮胎旋转；分别控制四台驱动电机的转速和转向，即可控制球形轮胎的转速和方向。在球形轮胎的正上方设计有制动盘，汽车刹车时根据制动踏板的深度，由制动盘向轮胎提供相应的制动力。

具体地，图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的汽车球形轮胎的滚动行驶示意图。如图2所示，对于球形轮胎新能源汽车的行进与后退控制，计算及控制系统通过驱动电机控制左上驱动盘、左下驱动盘逆时针旋转，同时控制右上驱动盘、右下驱动盘顺时针旋转即可令球形轮胎向前滚动（如图2中箭头所示）；通过驱动电机控制左上驱动盘、左下驱动盘顺时针旋转，同时控制右上驱动盘、右下驱动盘时逆针旋转即可令球形轮胎向前滚动。

需要说明的是，在本说明书中，以车头所正对的方向为正前方，在俯视车身的视角下，以此为基准确定上下左右的方向指向。

球形轮胎新能源汽车的侧向运行控制。当汽车需要在狭小空间内进行侧方停车时，驾驶员将汽车挂入侧方停车挡位，计算及控制系统通过驱动电机控制使得球形轮胎中的左上驱动盘、右上驱动盘逆时针旋转，同时控制左下驱动盘、右下驱动盘顺时针旋转，从而使得球形轮胎向右滚动并使得汽车向右侧方停车。如需向左侧方停车，只需驱动盘按上述相反方向转动即可，即计算及控制系统通过驱动电机控制使得球形轮胎中的左上驱动盘、右上驱动盘顺时针旋转，同时控制左下驱动盘、右下驱动盘逆时针旋转，从而使得球形轮胎向左滚动并使得汽车向左侧方停车。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的汽车球形轮胎的转弯行驶示意图。具体地，对于球形轮胎新能源汽车的转弯操作。球形轮胎新能源汽车的转弯方式控制如图3所示，前后轮的速度大小相同但方向关于车身对称，使得前后轮的行驶轨迹重叠。具体地说，如图3中箭头所示，在图示的XYZ坐标轴系统下，左上驱动盘和右下驱动盘关于车头行进方向对称，左下驱动盘和右上驱动盘关于车头行进方向对称。

这一方式与四轮转向系统有些相似，但四轮转向系统的后轮转角范围很小，实际应用时很难做到与前轮对称转向，因此并不能使得前后轮行驶轨迹重叠。而球形轮胎的控制更为灵活，轮胎的转向角度范围很大，因此转弯效果要更优于四轮转向系统。

下面更具体地描述对于转弯操作的驱动控制的示例。

球形轮胎的转弯可以通过四台驱动盘的速度合成实现，由汽车的油门踏板可以获得驾驶员希望的行驶速度v，由方向盘可以获得轮胎的转向角 。行驶速度v可以矢量分解为前向的行驶速度v1和侧向的行驶速度v2，即满足如下关系：

(1)

(2)

其中Ψ为转向角度。

将各轮胎及驱动电机均按如图3所示逆时针编号，并默认驱动盘以逆时针旋转为正。将左上驱动盘、左下驱动盘、右上驱动盘、右下驱动盘分别标记为第一轮胎1、第二轮胎2、第三轮胎3和第四轮胎4。并且，第一轮胎1的左上驱动电机、左下驱动电机、右上驱动电机、右下驱动电机分别标记为11、12、13、14，第二轮胎2的左上驱动电机、左下驱动电机、右上驱动电机、右下驱动电机分别标记为21、22、23、24，第三轮胎3的左上驱动电机、左下驱动电机、右上驱动电机、右下驱动电机分别标记为31、32、33、34，第四轮胎4的左上驱动电机、左下驱动电机、右上驱动电机、右下驱动电机分别标记为41、42、43、44。

以第一轮胎1（左上球形轮胎）为例，根据已知第一轮胎1的转速V1，第一轮胎1的转 向角度

（以向左转向为正），计算各控制电机的转速。首先将合成速度分解为相互垂直的 两个分量：

(3)

表示第一轮胎1（左上球形轮胎）在前进方向上的速度，

表示第一轮胎1（左上 球形轮胎）在与前进方向垂直的侧向上的速度，

表示第一轮胎1（左上球形轮胎）的转向 角。

根据速度分量分别计算四台驱动盘的线速度：

(4)

(5)

(6)

、

、

、

分别表示左上球形轮胎的左上驱动电机、左下驱动电机、右上 驱动电机、右下驱动电机驱动的驱动盘在前进方向上的线速度，

、

、

、

分别表 示左上球形轮胎的左上驱动电机、左下驱动电机、右上驱动电机、右下驱动电机驱动的驱动 盘在与前进方向垂直的侧向上的线速度；

、

、

、

分别表示左上球形轮胎的左上驱 动电机、左下驱动电机、右上驱动电机、右下驱动电机驱动的驱动盘的总的线速度。

第二轮胎2、第三轮胎3和第四轮胎4的情况与上述类似。

根据获得的驱动盘线速度即可计算出驱动盘的转速。汽车转弯时内轮和外轮在转 弯半径、转角、转速上都有所不同，根据几何关系就可以确定各驱动盘的实际控制参数。为 可靠发挥球形轮胎的优势，需要合理区分汽车的行驶状态。由于球形轮胎新能源汽车更适 合于城市内狭小空间下的中低速运行，因此汽车前进时默认的方式为反相位的四轮转向模 式。当汽车的行驶速度大于速度阈值

且转向角小于转角阈值

（转角阈值

可根据实际 行驶的经验数据来确定）时，判断汽车需要执行变道操作，改为同相位的四轮转向模式。

下面更具体地描述对于转弯操作的驱动控制的总体控制策略的示例。

首先解释主要变量的命名规则，如图5所示，如下图所示。字母代表所描述的物理量，右下标表示的是球形轮胎及相应驱动盘的编号，右上标表示的是对应在哪一个坐标轴下的投影或变量来源于哪一坐标轴下的投影。例如下图所示的变量表示的是：1号球形轮胎下的1号驱动盘在令轮胎沿X轴方向运动时的外缘线速度。图4中的变量均为标量，但存在正负，为便于描述做出如下规定：规定轮胎前进的速度方向为正，后退的速度方向为负；规定方向盘逆时针旋转为正，顺时针旋转为负（即汽车向左转向为正）。

当时钟周期到来时，首先判断控制指令与上一周期比较是否发生改变，若无改变则直接按上一周期的计算结果控制电机及电液压制动机构即可，若控制指令发生改变则需重新计算执行机构的给定指令。

认为汽车能够可靠检测方向盘转角α、油门踏板深度β以及制动踏板深度θ，且内轮 转角

与方向盘转角α、油门踏板深度β与1号轮合成速度给定V ₁、制动踏板深度θ与制动压 力F均呈正比例关系，比例系数分别为k₁、k₂、k₃（此处为体现算法的核心特点简化了油门与 轮胎转速给定的关系）。

以前进挡下的计算流程为例进行说明，先判断汽车是否需要制动，如果需要制动则将电机转速给定置零并令制动盘提供对应的制动压力，如无需制动则进一步计算各电机的给定转速。

以向左转弯时为例，根据内轮转角

、前后轮轴距L、左右轮间距W，按式(7)可以计 算得到内轮转弯半径，联立式(8)(9)可以进一步计算外轮转弯半径。利用轮胎转速与转弯 半径的比例关系（式(10)），就可以根据内轮轮胎的速度计算外轮轮胎的对应速度。

(7)

(8)

(9)

(10)

计算得到前两轮的速度给定后按图中所示方式判断驾驶员的驾驶意图，如果需要 转弯则令前后轮转向角相反即

、

，如果需要变道则令前后轮转向相同即

、

。根据式(11)(12)可以分别计算轮胎转速在X、Y轴上的分量，其中p取1、2、 3、4，表示的是相应的轮胎号。

(11)

(12)

由于驱动盘与球形轮胎的接触点为球内接正方体的顶点，由驱动盘和球形轮胎的几何关系，可以根据分解后的速度分量可以计算各驱动盘的旋转方向和线速度：

(13)

(14)

其中默认驱动盘逆时针旋转为正，轮胎分解速度与驱动盘线速度存在以上固定的对应关系。驱动盘的实际转速应当是两种分解情况下的叠加，其中的p、q取1、2、3、4，表示的是轮胎及驱动盘的编号。

(15)

根据驱动盘的大小可以换算得到驱动电机的转速给定值，其中的r为驱动盘的半径（以上物理量的计算均取国际单位制，换算得到的转速给定n _pq的单位为转/分），计算方式如式(16)所示。

(16)

制动状态下，只需将轮胎速度与油门的关系由V ₁=k₂ β转换为V ₁=-k₂ β即可，其余算法与上述过程相同。

最终将各电机转速的给定值写入对应寄存器以控制具体执行机构，电液压制动机构以及双闭环电机调速机构均已有成熟的设计方案，因此本文未予以详细描述。

例如，在具体测试中，设计球形轮胎直径640mm，驱动盘外径100mm，选取四台最高转速为6000rpm的永磁同步电机作为驱动电机，可使得球形轮胎新能源汽车的最大直线行驶速度为69.2km/h，基本满足市内使用。设计方向盘最大转角为±540°，轴距L=2.75m，轮间距W=1.8m。按本发明的算法可使得球形轮胎的转向角达到±67.5°，外轮最小转弯半径为2.65m，满足狭窄路段对汽车转向能力的需求。

在具体实施时，本发明适用于采用球形轮胎驱动的汽车，尤其是采用电能作为能量来源的新能源汽车。

总而言之，本发明提供了一种针对接触式电驱动的球形轮胎机构的简单可行的行车控制策略，其中通过驱动电机对汽车的四个球形轮胎分别进行独立控制，实现汽车的转弯、变道、侧方停车等操作，能够充分利用轮胎转向控制灵活的优势，减小汽车的转弯半径，提高其在狭窄路段的转向和通过能力，并且提高汽车变道、躲避障碍物时的稳定性，降低汽车高速行驶时的侧滑风险。

需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种汽车球形轮胎的电驱动控制系统，用于通过多点速度合成的方式实现球形轮胎速度控制和转向控制，其特征在于包括：安装在汽车上的左上球形轮胎、左下球形轮胎、右上球形轮胎和右下球形轮胎，以及布置在每个球形轮胎的外表面的接触式电驱动装置，其中接触式电驱动装置的驱动点的数量至少为3个以使得球形轮胎的速度和转向可控，该接触式电驱动装置包括：与轮胎外表面直接接触的四个驱动盘、分别用于驱动四个驱动盘的四个驱动电机、与轮胎外表面直接接触的电液压制动盘、用于控制制动盘的电液压制动机构和计算及控制系统；四个驱动盘与轮胎外表面的接触点为球形轮胎内接正方体上表面顶点；驱动盘的盘面平行于汽车所处地面，使得驱动盘并不直接作用于轮胎与地面相接触的圆周；

其中，在汽车进行转弯操作时，计算及控制系统通过驱动电机控制使得前后球形轮胎的速度大小相同，而且左上驱动盘和右下驱动盘关于车头行进方向对称，左下驱动盘和右上驱动盘关于车头行进方向对称，使得前后轮的行驶轨迹重叠；

而且其中，在汽车方向盘指示左转时计算及控制系统根据内轮转角

、外轮转角Ψ ₄、前后轮轴距L、左右轮间距W，按下述公式计算得到左上球形轮胎的转弯半径R₁：

按下述公式计算右上球形轮胎的转弯半径R₄：

利用下述轮胎转速与转弯半径的比例关系公式，计算右上球形轮胎的对应速度：

在驾驶员驱动转弯的情况下两对前后轮转向角相反，在驾驶员驱动变道的情况下令前后轮转向相同，并且根据下述公式分别计算轮胎转速在X、Y轴上的分量，其中p取1、2、3、4，表示的是相应的轮胎号；

根据分解后的速度分量计算各驱动盘的旋转方向和线速度：

根据下述公式计算驱动盘的实际转速：

其中的p、q取1、2、3、4，表示的是轮胎及驱动盘的编号；

根据下述公式基于驱动盘的大小换算得到驱动电机的转速给定值，其中的r为驱动盘的半径，换算得到的转速给定n _pq：

。

2.根据权利要求1所述的汽车球形轮胎的电驱动控制系统，其特征在于，计算及控制系统通过驱动电机控制左上驱动盘、左下驱动盘逆时针旋转，同时控制右上驱动盘、右下驱动盘顺时针旋转来使得相应球形轮胎向前滚动。

3.根据权利要求1或2所述的汽车球形轮胎的电驱动控制系统，其特征在于，计算及控制系统通过驱动电机控制左上驱动盘、左下驱动盘顺时针旋转，同时控制右上驱动盘、右下驱动盘时逆针旋转来使得相应球形轮胎向后滚动。

4.根据权利要求1或2所述的汽车球形轮胎的电驱动控制系统，其特征在于，计算及控制系统通过驱动电机控制使得球形轮胎中的左上驱动盘、右上驱动盘逆时针旋转，同时控制左下驱动盘、右下驱动盘顺时针旋转，从而使得球形轮胎向右滚动。

5.根据权利要求1或2所述的汽车球形轮胎的电驱动控制系统，其特征在于，计算及控制系统通过驱动电机控制使得球形轮胎中的左上驱动盘、右上驱动盘顺时针旋转，同时控制左下驱动盘、右下驱动盘逆时针旋转，从而使得球形轮胎向左滚动。

6.根据权利要求1或2所述的汽车球形轮胎的电驱动控制系统，其特征在于，计算及控制系统通过下述方式执行计算和控制：

对于左上球形轮胎，根据左上球形轮胎的转速V₁以及左上球形轮胎的转向角度

，计算各控制电机的转速，其中以向左转向为正；首先将合成速度分解为相互垂直的两个分量：

表示左上球形轮胎在前进方向上的速度，

表示左上球形轮胎在与前进方向垂直的侧向上的速度；

根据速度分量分别计算四台驱动盘的线速度：

其中

、

、

、

分别表示左上球形轮胎的左上驱动电机、左下驱动电机、右上驱动电机、右下驱动电机驱动的驱动盘在前进方向上的线速度，

、

、

、

分别表示左上球形轮胎的左上驱动电机、左下驱动电机、右上驱动电机、右下驱动电机驱动的驱动盘在与前进方向垂直的侧向上的线速度；

针对左下球形轮胎、右上球形轮胎、右下球形轮胎，以与左上球形轮胎相同的方式执行计算控制。

Images