CN112373597A - 一种可重构智能汽车最小移动单元系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可重构智能汽车最小移动单元系统。该最小移动单元系统具备驱动模块、转向模块、制动模块、控制模块、感知模块、定位模块、拼接模块和电池模块；最小移动单元系统利用感知模块和定位模块，感知可重构智能汽车的拼接目标并向拼接目标精准移动，并利用拼接模块实现最小移动单元系统之间的动态拼接和解体；所述最小移动单元系统采用两轮结构，集成了独立行驶功能、差速转向功能和阿克曼转向功能；根据指令或当前拼接状态选择所述差速转向功能或所述阿克曼转向功能实现转向动作。本发明能够实现智能汽车的自主动态拼接和解体，从而根据功能需要迅速实现智能汽车的变形与重构，显著提升未来智能汽车的智能化水平，满足未来智能交通与智慧城市建设需求。

Description

一种可重构智能汽车最小移动单元系统
技术领域
本发明涉及无人车与自动驾驶车辆技术领域，尤其涉及一种可重构智能汽车最小移动单元系统。
背景技术
可重构智能汽车是智能汽车的未来发展方向，其可自主进行动态拼接或解体，具有可重构性、可扩展性、高通用性等特点，以满足多功能任务需求等使用要求，是未来汽车领域的颠覆性技术。通过智能汽车的动态拼接，可以迅速提高其通过性、动力性及其承载能力，以满足相应使用需求；通过可智能汽车的动态解体，可以迅速提高其灵活性及机动性。因此，可重构智能汽车可以代替人类在各种环境中执行作业任务。在民用中可广泛应用在物流、运输、清扫、摆渡、巡逻等任务需求中；在军用中可广泛应用在城市作战、越野作战、侦察巡逻等任务需求中，在民用或军用领域都具有非常广阔的应用前景。
可重构智能汽车最小移动单元系统是可重构智能汽车的最小组成要素，是形成可重构智能汽车的动态拼接与解体的最小单元。最小移动单元系统既要具有独立智能行为，可以独立完成任务，又需要具有可重构性，便于动态拼接和解体。因此，针对可重构智能汽车最小移动单元系统的研究具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可重构智能汽车最小移动单元系统，能够实现智能汽车的自主动态拼接和解体，从而快速提高其通过性、动力性、承载能力、机动性和灵活性；能够安装适应不同的多功能任务需求的功能模块，可满足多功能任务需求等使用需求。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种可重构智能汽车最小移动单元系统，可通过拼接组成智能汽车，该最小移动单元系统包括车身车架以及安装在车身车架上的驱动模块、转向模块、制动模块、控制模块、感知模块、定位模块、拼接模块和电池模块；
车身车架两侧安装有单独设置的车轮；
驱动模块包括驱动和差速转向结构；驱动和差速转向结构具有两个驱动电机，分别通过传动机构连接一个车轮，实现行驶和差速转向功能；
转向模块包括阿克曼转向结构；阿克曼转向结构具有一个转向电机，通过传动机构连接两个车轮，实现阿克曼转向功能；
制动模块用于实现制动；
感知模块利用传感器感知环境信息；
定位模块用于定位最小移动单元系统当前位置和获取最小移动单元系统的姿态；
拼接模块实现两个最小移动单元系统之间的可控拼接和解体；
电池模块用于给最小移动单元系统中的用电组件提供电能；
控制模块连接驱动模块、转向模块、制动模块、感知模块、定位模块、拼接模块和电池模块；控制模块利用驱动模块、转向模块和制动模块进行最小移动单元系统的动力学控制，根据指令或当前拼接状态选择所需差速转向功能或阿克曼转向功能实现转向；利用感知模块和定位模块，感知拼接目标并向拼接目标精准移动；利用拼接模块实现最小移动单元系统之间的动态拼接和解体。
优选地，所述车身车架为矩形镂空框架；车轮通过悬架和减震器连接车身车架。
优选地，所述两个驱动电机左右对称的安装在车身车架中部，两个驱动电机的输出轴分别通过驱动电机减速器与两个车轮一对一相连；转向电机安装在驱动电机后方，通过转向电机减速器连接转向器，转向器的输出分为左右两个分支依次通过半轴和转向节与车轮相连，以提供车轮一定转角，实现阿克曼转向。
优选地，所述驱动电机纵向安装，所述转向电机横向安装；所述驱动电机减速器和所述转向电机减速器采用直齿轮减速器，将驱动电机、转向电机输出轴方向调转90度，使得所述转向电机减速器的输出轴位于车身车架纵向对称面上，使得两个所述驱动电机减速器的输出轴垂直于所述纵向对称面。
优选地，所述控制模块包括ECU、两个驱动电机控制器和一个转向电机控制器；ECU连接驱动电机控制器和转向电机控制器(11)；
ECU对最小移动单元系统进行动力学控制，包括：对最小移动单元系统俯仰角进行控制的直立环；对最小移动单元系统进行速度控制的速度环；对最小移动单元系统进行横摆角速度控制的转向环；感知模块中的IMU获取车身姿态信息，包括车身俯仰角、车身俯仰角速度、车身横摆角速度和车身横摆角，单向传输给ECU处理，用于直立环和转向环控制；两驱动电机控制器将电机转速信息发送至ECU，经处理后ECU实时反馈电压信号至驱动电机控制器用于控制电机转矩，用于直立环和速度环控制；
优选地，ECU安装在车身车架的一侧；转向电机控制器安装在驱动电机前方；两个驱动电机控制器安装在转向电机控制器两侧的车身车架上。
优选地，所述电池模块包括电池和DC/DC转换器，电池安装在车身车架的正中间偏上部分，DC/DC转换器安装在电池一侧的车身车架上。
优选地，所述车身车架进一步安装适应所需功能的功能模块。
有益效果：
(1)本发明提出了可自主进行动态拼接或解体的可重构智能汽车最小移动单元系统，通过最小移动单元系统的自主动态拼接和解体，可以迅速实现智能汽车的变形与重构，快速提高其通过性、动力性、承载能力、机动性和灵活性；可重构智能汽车能够安装不同功能模块，可以满足多功能任务需求等使用要求。
(2)本发明的最小移动单元系统具有独立行驶和转向功能，可以独立完成任务，具备独立性和灵活性的特点。且该最小移动单元系统具备感知模块、定位模块、拼接模块，满足自主拼接过程中的智能行为需求。
(3)本发明的最小移动单元系统拥有两种转向模式，既可采用差速转向原理进行转向，也可采用阿克曼转向，提高了最小移动单元系统的灵活性和机动性。
附图说明
图1为最小移动单元系统的立体结构图。
图2为最小移动单元系统的底面示意图。
图3为最小移动单元系统的局部示意图。
其中，1-车架，2-悬架，3-减震器，4-半轴，5-转向节，6-车轮，7-电池，8-DC/DC，9-ECU，10-驱动电机控制器，11-转向电机控制器，12-驱动电机13-驱动电机减速器，14-IMU，15-转向器，16-转向电机减速器，17-转向电机。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明为了解决传统智能汽车单车功能单一、应用场合受限的问题，提出一种可重构智能汽车的最小移动单元系统。通过可重构智能汽车的自主动态拼接和解体，可以迅速提高其通过性、动力性、承载能力或灵活性和机动性，可以满足多功能任务需求等使用要求。
可重构智能汽车由多个最小移动单元系统组成，最小移动单元系统需要具有可拼接性，可以通过自主感知、定位技术自动进行精准拼接和解体。那么，该可重构智能汽车需要具备感知模块、定位模块和拼接模块；最小移动单元系统可以根据拼接指令，利用感知模块和定位模块，感知拼接目标并向拼接精准移动，并利用拼接模块实现最小移动单元系统之间的动态拼接和解体。
同时，最小移动单元系统需要具有独立性，可以独立完成任务，又可以拼接完成任务。这就要求最小移动单元系统可独立行驶和转向，也可拼接后实现行驶和转向。为此，本发明的最小移动单元系统采用两轮结构，集成了独立行驶功能、差速转向功能和阿克曼转向功能。根据指令或当前拼接状态选择所述差速转向功能或所述阿克曼转向功能实现转向动作。在使用时，可以在拼接前利用差速转向功能实现转向，拼接后利用阿克曼转向功能转向。
可见，最小移动单元系统是可重构智能汽车的最小组成要素，是设计关键。最小移动单元系统包括车身车架1以及安装在车身车架1上的驱动模块、转向模块、制动模块、控制模块、感知模块、定位模块、拼接模块和电池模块。
如图1所示，车身车架1为整车提供支撑作用，用于安装各个部件。车身车架1为矩形镂空框架，两侧安装有单独设置的车轮6，车轮之间没有转轴。车轮6通过悬架3和减震器4安装在车身车架上。
电池模块用于给最小移动单元系统中的用电模块提供电能。电池模块包括电池7和DC/DC转换器8。优选地，电池7安装在车身车架的正中间偏上部分，这部分空间较大，可以安装较大容量的电池，而且大容量电池放于中间位置也可以帮助稳定车身。DC/DC转换器8较小，可以安装在电池7一侧的车身车架上。优选地，电池7可拆卸的安装在电池盒中，这样电池盒不仅提供一些器件的支撑，还能够为可更换电池提供容纳空间。
驱动模块包括驱动和差速转向结构。驱动和差速转向结构具有两个驱动电机12，分别通过传动机构连接一个车轮6，实现行驶和差速转向功能。
转向模块包括阿克曼转向结构。阿克曼转向结构具有一个转向电机17，通过传动机构连接两个车轮6，实现两轮阿克曼转向功能。
制动模块采用线控制动系统，根据指令对最小移动单元系统进行减速，保证行驶安全。
具体来说，参见图1、2、3，两个驱动电机12左右对称的安装在车身车架1中部、位于电池7下方，两个驱动电机的输出轴分别通过一个驱动电机减速器13与两个车轮6一对一相连，进行驱动以实现行驶和差速转向。转向电机17的设计给最小移动单元系统增加了阿克曼转向的功能，转向电机17安装在驱动电机12后方，通过转向电机减速器16连接转向器15，转向器15的输出分为左右两个分支，均依次通过半轴4和转向节5与车轮6相连，以提供车轮6一定转角，实现阿克曼转向。
为了充分利用车身车架1空间，如图2所示，驱动电机12纵向安装，转向电机17横向安装；驱动电机减速器13和所述转向电机减速器16采用直齿轮减速器，从而将驱动电机、转向电机输出轴方向调转90度，使得转向电机减速器16的输出轴位于车身车架1纵向对称面上，而驱动电机减速器13的输出轴垂直于所述纵向对称面。
感知模块囊括各种传感器，负责感知环境信息，将感知信息传输至控制模块。其所集成的传感器包括环境传感器，环境传感器可以为图像传感器。
定位模块用于定位最小移动单元系统当前位置和获取最小移动单元系统姿态，为动态拼接提供位置和姿态信息参考。姿态信息获取采用惯性测量单元(IMU)14，IMU14安装在车身车架内部，根据具体情况调整安装位置，例如可以设置在电池7的底部。
拼接模块实现两个最小移动单元系统之间的可控拼接和解体。拼接模块为执行机构，根据控制模块发送的信号指令，完成相应的动作。拼接模块可以设置为2个，分别位于最小移动单元系统的前端面和后端面。
车身车架上还可以根据功能需要安装其他的功能模块，例如清扫模块、巡逻模块等等。
控制模块为控制中心，连接驱动模块、转向模块、制动模块、感知模块、定位模块、拼接模块和电池模块。控制模块包括重构功能和行进功能，行进功能主要是利用感知信息、定位信息确定控制量，利用驱动模块、转向模块和制动模块进行最小移动单元系统的动力学控制，包括直行、转向。重构功能主要是利用感知模块和定位模块，感知拼接目标以及自身与拼接目标的位置关系；根据指令向拼接精准移动，并控制拼接模块实现最小移动单元系统之间的动态拼接，或利用拼接模块实现与所连接其他最小移动单元系统的解体。
控制模块包括ECU 9、两个驱动电机控制器10和一个转向电机控制器11。ECU 9连接驱动电机控制器10和转向电机控制器11(该连接关系图1-3中未示出)。ECU 9安装在车身车架的一侧，为了线束布置方便，本实施例中安装在电池7的左侧。IMU 14实际位置安装在电池7的下底面。转向电机控制器11安装在驱动电机12前方，两个驱动电机控制器10安装在转向电机控制器11两侧的车身车架上。IMU14对最小移动单元系统的姿态信息进行采集，发送至ECU9后进行处理，再发送控制信号给电机控制器(驱动电机控制器和转向电机控制器)，由电机控制器控制电机进行驱动和转向。
ECU9实现最小移动单元动力学控制以及重构控制。对于动力学控制，本发明采用的是经典线性反馈控制，控制模块算法分为三个部分，分别为：对最小移动单元系统俯仰角进行控制的直立环；对最小移动单元系统进行速度控制的速度环；对最小移动单元系统进行横摆角速度控制的转向环。IMU 14获取车身姿态信息，包括车身俯仰角、车身俯仰角速度、车身横摆角和车身横摆角速度等，单向传输给ECU9处理，主要用于直立环和转向环控制。左右驱动电机控制器10将电机转速信息发送直ECU9，经处理后ECU9实时发送电压信号至驱动电机控制器用于控制电机转矩，主要用于直立环和速度环控制。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可重构智能汽车最小移动单元系统，可通过拼接组成智能汽车，其特征在于，该最小移动单元系统包括车身车架以及安装在车身车架上的驱动模块、转向模块、制动模块、控制模块、感知模块、定位模块、拼接模块和电池模块；
车身车架(1)两侧安装有单独设置的车轮(6)；
驱动模块包括驱动和差速转向结构；驱动和差速转向结构具有两个驱动电机(12)，分别通过传动机构连接一个车轮，实现行驶和差速转向功能；
转向模块包括阿克曼转向结构；阿克曼转向结构具有一个转向电机(17)，通过传动机构连接两个车轮，实现阿克曼转向功能；
制动模块用于实现制动；
感知模块利用传感器感知环境信息；
定位模块用于定位最小移动单元系统当前位置和获取最小移动单元系统的姿态；
拼接模块实现两个最小移动单元系统之间的可控拼接和解体；
电池模块用于给最小移动单元系统中的用电组件提供电能；
控制模块连接驱动模块、转向模块、制动模块、感知模块、定位模块、拼接模块和电池模块；控制模块利用驱动模块、转向模块和制动模块进行最小移动单元系统的动力学控制，根据指令或当前拼接状态选择所需差速转向功能或阿克曼转向功能实现转向；利用感知模块和定位模块，感知拼接目标并向拼接目标精准移动；利用拼接模块实现最小移动单元系统之间的动态拼接和解体。
2.如权利要求1所述的最小移动单元系统，其特征在于，所述车身车架(1)为矩形镂空框架；车轮(6)通过悬架(3)和减震器(4)连接车身车架(1)。
3.如权利要求1所述的最小移动单元系统，其特征在于，所述两个驱动电机(12)左右对称的安装在车身车架(1)中部，两个驱动电机的输出轴分别通过驱动电机减速器(13)与两个车轮(6)一对一相连；转向电机(17)安装在驱动电机(12)后方，通过转向电机减速器(16)连接转向器(15)，转向器(15)的输出分为左右两个分支依次通过半轴(4)和转向节(5)与车轮(6)相连，以提供车轮(6)一定转角，实现阿克曼转向。
4.如权利要求3所述的最小移动单元系统，其特征在于，所述驱动电机(12)纵向安装，所述转向电机(17)横向安装；所述驱动电机减速器(13)和所述转向电机减速器(16)采用直齿轮减速器，将驱动电机、转向电机输出轴方向调转90度，使得所述转向电机减速器(16)的输出轴位于车身车架(1)纵向对称面上，使得两个所述驱动电机减速器(13)的输出轴垂直于所述纵向对称面。
5.如权利要求1所述的最小移动单元系统，其特征在于，所述控制模块包括ECU(9)、两个驱动电机控制器(10)和一个转向电机控制器(11)；
ECU(9)连接驱动电机控制器(10)和转向电机控制器(11)；
ECU(9)对最小移动单元系统进行动力学控制，包括：对最小移动单元系统俯仰角进行控制的直立环；对最小移动单元系统进行速度控制的速度环；对最小移动单元系统进行横摆角速度控制的转向环；感知模块中的IMU(14)获取车身姿态信息，包括车身俯仰角、车身俯仰角速度、车身横摆角速度和车身横摆角，单向传输给ECU(9)处理，用于直立环和转向环控制；两驱动电机控制器(10)将电机转速信息发送至ECU(9)，经处理后ECU(9)实时反馈电压信号至驱动电机控制器用于控制电机转矩，用于直立环和速度环控制。
6.如权利要求5所述的最小移动单元系统，其特征在于，ECU(9)安装在车身车架的一侧；转向电机控制器(11)安装在驱动电机(12)前方；两个驱动电机控制器(10)安装在转向电机控制器(11)两侧的车身车架上。
7.如权利要求1所述的最小移动单元系统，其特征在于，所述电池模块包括电池(7)和DC/DC转换器(8)，电池(7)安装在车身车架的正中间偏上部分，DC/DC转换器(8)安装在电池(7)一侧的车身车架上。
8.如权利要求1所述的最小移动单元系统，其特征在于，所述车身车架进一步安装适应所需功能的功能模块。
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