CN112078659A - 多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及农业动力底盘转向控制技术领域，公开了一种多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向控制方法。所述方法包括：控制底盘实现前桥转向、后桥转向、双桥同向偏转以及双桥反向偏转多种转向和行走模式，提供了前后桥转角和行走电机转速分配的计算方法。同时，设置一个最大偏转误差值δ_m，使得前后桥同时偏转时转角差值控制在一定范围以内，保证控制系统的精确性；设置一个最小参考转向值δ_n，设置一个固定参考比例值k，实现底盘在低速小角度转弯时行走电机的转速协同分配。控制方法实现了多轮独立驱动双桥铰接式底盘在丘陵山区狭小复杂地形的灵活转弯和行走，保证了底盘良好的动力性、操纵性和通过性，提高了底盘对各种作业环境的适应能力。

Description

多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向控制方法

技术领域

本发明属于农业动力底盘转向控制技术领域，具体涉及一种多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向控制方法。

背景技术

丘陵山区由于作业地块狭小、坡度大、地形复杂、一般农业机械运行困难，农机化程度远远落后于平原地区，是农业机械化发展的难点。目前根据丘陵山区特殊地形研制的多自由度轮式仿形底盘，将4组结构相同的八字悬架以车架中央纵向平面对称铰接在前桥和后桥上，实现纵向平面一定范围内摆动仿形。行走部分采用四组独立的驱动电机配备减速器做为动力源，减速器减速后的动力经过动力输入轴后，通过两组平行于八字悬架的皮带传动装置或者悬架分动器分成两路，最后通过悬架末端的轮轴驱动车轮旋转，实现了全时8轮驱动，解决了底盘在崎岖地面行走通过性和适应性问题。

由于仿形底盘结构的限制，转向方式多采用滑移转向和单桥铰接式转向。滑移转向转向半径较小，可实现原地转向。但其转向时车轮易滑移，功率损耗大，轮胎磨损严重，易压坏农作物，而且无法实现一些大角度转弯。单桥铰接式转向结构简单，加工装配方便，成本低，适用于农业仿形底盘。但其转向机动性差，且转向半径大，同样存在车轮与路面之间滑移大，轮胎磨损严重，容易压坏农作物的问题。综上，目前多轮仿形底盘的转向方式单一，存在的弊端多，难以适应田间复杂的作业环境。因此改进现有的多自由度轮式仿形行走动力底盘，提高底盘的转向性能至关重要。

双桥铰接转向作为一种新型的转向方式，具有结构简单、成本低、加工装配方便的特点，前后桥独立偏转的结构能够提高转向灵活性，适应丘陵山区复杂的作业环境。多轮独立驱动使底盘获得更加良好的动力性、操纵性和通过性，显著提高车辆对各种路面的适应能力。但多轮独立驱动双桥铰接转向提升了控制系统的复杂性，如何提供一种适用于多轮独立驱动双桥铰接转向底盘的控制方法，已经成为本领域急需解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种适用于多轮独立驱动双桥铰接式底盘的转向控制方法。用于控制底盘实现前桥转向、后桥转向、双桥同向偏转以及双桥反向偏转多种转向和行走模式，且在转向过程中车桥转角与各行走电机转速协同分配。

为了达到本发明的目的所采取的技术方案如下：

多轮独立驱动双桥铰接式底盘的转向控制方法包括：

⑴系统进入转向状态，中央控制器内置前桥转向、后桥转向、双桥同向偏转和双桥反向偏转四种转向模式控制程序，用户通过遥控按钮选择转向模式，并根据所需控制各种转向模式下的前后桥偏转角。

⑵底盘传感器实时读取各种转向模式对应的前桥偏转角δ_f、后桥偏转角δ_b。

⑶为保证操作简便性和实时控制效果，设置双桥同向偏转和双桥反向偏转两种转向模式下，前后两桥转角大小相等。双桥反向偏转转向过程中，底盘瞬心O'始终位于底盘横向中心线上Y轴上；双桥同向偏转转向过程中，前后车桥始终保持平行。因此设置一个最大偏转误差值δ_m，当||δ_f|-|δ_b||>δ_m时，执行PID调节，控制系统调整转向机的伸缩长度，使得前后偏转角差值控制在最大偏转误差值以内，保证控制系统的精确性。

⑷当底盘前后桥的偏转角度较小时，会导致四个轮组转向半径R_i(i＝1、2、3、4)过大，从而难以得到瞬心。基于丘陵山区农业底盘低速行走、作业的特点，小角度转向时两侧轮组速差较小，因此，设置一个最小参考转向值δ_n，设置一个固定参考比例值k。前桥转向、后桥转向和双桥同向偏转三种转向模式下，当转向角不满足δ_f>δ_n或者δ_b>δ_n时，各轮组按固定参考比例k进行线速度分配。

⑸前桥转向、后桥转向和双桥反向偏转三种转向模式下，当转向角大于最小参考转向值时，控制系统分别计算前桥转向半径R_f、后桥转向半径R_b、轮组转向半径R_i(i＝1、2、3、4)、底盘质心转向半径R；传感器读取底盘瞬时速度V；控制系统计算各轮组绕瞬心转动线速度Vi(i＝1、2、3、4)。计算公式如下：

其中，L为底盘轴距，B为底盘轮距，ω为底盘绕瞬心转动角速度。

⑹双桥同向偏转转向模式下，前后车桥保持平行，底盘处于斜行状态，各轮组具有相同的线速度。

⑺四个行走电机根据不同转向模式的要求执行目标转速分配。

⑻底盘传感器读取各行走电机分配以后的实际转速。

⑼控制系统求取实际转速和目标转速二者之间的差值，通过PID控制方法调节电机转速，分别传递给对应的电机控制器做出调整，实现对移动轮转速的精确控制，保证底盘的行驶稳定性。

⑽转向完成后，转向电机回正，行走电机调整到相同转速，底盘进入直线行驶状态。

本发明的有益效果在于，所提出的一种多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向控制方法，具有多种转向和行走模式，提供了前后桥转角和行走电机转速分配的计算方法。同时，设置一个最大偏转误差值δ_m，使得前后桥同时偏转时转角差值控制在一定范围以内，保证控制系统的精确性；设置一个最小参考转向值δ_n，设置一个固定参考比例值k，实现底盘在低速小角度转弯时行走电机的转速协同分配。控制方法实现了底盘在丘陵山区狭小复杂地形的灵活转弯和行走，保证了底盘的良好的动力性、操纵性和通过性，提高了底盘对各种作业环境的适应能力。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向控制方法流程图；

图2为多轮独立驱动双桥铰接式底盘结构示意图；

图3A-图3D为多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向示意图；

图4为多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向模型示意图；

其中，1为底盘轮组，四个轮组按图示顺时针编号为1、2、3、4；2为车桥与车架铰接点，其中A为前桥与车架铰接点，B为后桥与车架铰接点；3为转向机；4为行走电机；5为减速器。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

图1为多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向控制方法流程图，控制方法包括如下步骤：

⑴系统进入转向状态，中央控制器内置前桥转向、后桥转向、双桥同向偏转和双桥反向偏转四种转向模式控制程序，用户通过遥控按钮选择转向模式，并根据所需控制各种转向模式下的前后桥偏转角。

⑵底盘传感器实时读取各种转向模式对应的前桥偏转角δ_f、后桥偏转角δ_b。

⑶为保证操作简便性和实时控制效果，设置双桥同向偏转和双桥反向偏转两种转向模式下，前后两桥转角大小相等。双桥反向偏转转向过程中，底盘瞬心O'始终位于底盘横向中心线上Y轴上；双桥同向偏转转向过程中，前后车桥始终保持平行。因此设置一个最大偏转误差值δ_m，当||δ_f|-|δ_b||>δ_m时，执行PID调节，控制系统调整转向机的伸缩长度，使得前后偏转角差值控制在最大偏转误差值以内，保证控制系统的精确性。

⑷当底盘前后桥的偏转角度较小时，会导致四个轮组转向半径R_i(i＝1、2、3、4)过大，从而难以得到瞬心。基于丘陵山区农业底盘低速行走、作业的特点，小角度转向时两侧轮组速差较小，因此，设置一个最小参考转向值δ_n，设置一个固定参考比例值k。前桥转向、后桥转向和双桥同向偏转三种转向模式下，当转向角不满足δ_f>δ_n或者δ_b>δ_n时，各轮组按固定参考比例k进行线速度分配。

⑸前桥转向、后桥转向和双桥反向偏转三种转向模式下，当转向角大于最小参考转向值时，控制系统分别计算前桥转向半径R_f、后桥转向半径R_b、轮组转向半径R_i(i＝1、2、3、4)、底盘质心转向半径R；传感器读取底盘瞬时速度V；控制系统计算各轮组绕瞬心转动线速度Vi(i＝1、2、3、4)。计算公式如下：

其中，L为底盘轴距，B为底盘轮距，ω为底盘绕瞬心转动角速度。

⑹双桥同向偏转转向模式下，前后车桥保持平行，底盘处于斜行状态，各轮组具有相同的线速度。

⑺四个行走电机根据不同转向模式的要求执行目标转速分配。

⑻底盘传感器读取各行走电机分配以后的实际转速。

⑼控制系统求取实际转速和目标转速二者之间的差值，通过PID控制方法调节电机转速，分别传递给对应的电机控制器做出调整，实现对移动轮转速的精确控制，保证底盘的行驶稳定性。

⑽转向完成后，转向电机回正，行走电机调整到相同转速，底盘进入直线行驶状态。

针对图2所示的多轮独立驱动双桥铰接式底盘结构图，试验样机选取：轮距B＝460mm，轴距L＝775mm，轮间距m＝260mm，车轮半径r＝75mm。为保证底盘的稳定性，前后桥最大偏转角度设置为30度。车辆瞬时速度V及行走电机实际转速由轮速传感器检测得到；前后车桥转向角由转向电机自带的编码器检测得到。行走电机和减速器减速比i＝7；最大偏转误差值δ_m＝2°；最小参考转向值δ_n＝5°；固定参考比例值k＝1.1。

图3A-图3D为多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向示意图，其中，图3A为前桥偏转示意图；图3B为后桥偏转示意图；图3C为前后桥反向偏转示意图；图3D为前后桥同向偏转示意图。

图4是多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向模型示意图，转向模型示意图给出了前后桥转角、底盘轴距、轮距、轮间距以及质心转向半径等底盘转向过程中的各种参数。

多轮独立驱动双桥铰接式底盘转向控制方法具有良好的时效性和稳定性，控制思路清晰简单，实现了丘陵山区狭小复杂地形的灵活转弯和行走，保证了底盘的良好的动力性、操纵性和通过性，显著提高底盘对各种作业环境的适应能力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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 (1)

1.一种多轮独立驱动双桥铰接式底盘的转向控制方法，其特征在于，包括：

⑴系统进入转向状态，中央控制器内置前桥转向、后桥转向、双桥同向偏转和双桥反向偏转四种转向模式控制程序，用户通过遥控按钮选择转向模式，并根据所需控制各种转向模式下的前后桥偏转角；

⑵底盘传感器实时读取各种转向模式对应的前桥偏转角δ_f、后桥偏转角δ_b；

⑶为保证操作简便性和实时控制效果，设置双桥同向偏转和双桥反向偏转两种转向模式下，前后两桥转角大小相等，双桥反向偏转转向过程中，底盘瞬心O'始终位于底盘横向中心线上Y轴上；双桥同向偏转转向过程中，前后车桥始终保持平行，因此设置一个最大偏转误差值δ_m，当||δ_f|-|δ_b||>δ_m时，执行PID调节，控制系统调整转向机的伸缩长度，使得前后偏转角差值控制在最大偏转误差值以内，保证控制系统的精确性；

⑷当底盘前后桥的偏转角度较小时，会导致四个轮组转向半径R_i(i＝1、2、3、4)过大，从而难以得到瞬心，基于丘陵山区农业底盘低速行走、作业的特点，小角度转向时两侧轮组速差较小，因此，设置一个最小参考转向值δ_n，设置一个固定参考比例值k，前桥转向、后桥转向和双桥同向偏转三种转向模式下，当转向角不满足δ_f>δ_n或者δ_b>δ_n时，各轮组按固定参考比例k进行线速度分配；

⑸前桥转向、后桥转向和双桥反向偏转三种转向模式下，当转向角大于最小参考转向值时，控制系统分别计算前桥转向半径R_f、后桥转向半径R_b、轮组转向半径R_i(i＝1、2、3、4)、底盘质心转向半径R；传感器读取底盘瞬时速度V；控制系统计算各轮组绕瞬心转动线速度Vi(i＝1、2、3、4)，计算公式如下：

其中，L为底盘轴距，B为底盘轮距，ω为底盘绕瞬心转动角速度；

⑹双桥同向偏转转向模式下，前后车桥保持平行，底盘处于斜行状态，各轮组具有相同的线速度；

⑺四个行走电机根据不同转向模式的要求执行目标转速分配；

⑻底盘传感器读取各行走电机分配以后的实际转速；

⑼控制系统求取实际转速和目标转速二者之间的差值，通过PID控制方法调节电机转速，分别传递给对应的电机控制器做出调整，实现对移动轮转速的精确控制，保证底盘的行驶稳定性；

⑽转向完成后，转向电机回正，行走电机调整到相同转速，底盘进入直线行驶状态。

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