CN112407045B

CN112407045B - 一种阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统

Info

Publication number: CN112407045B
Application number: CN202011322224.6A
Authority: CN
Inventors: 董明明; 林恕锋; 王一桐; 贾明琛; 周阳; 梁迎港; 王梦瑶; 张钰
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2040-11-23
Also published as: CN112407045A

Abstract

本发明涉及一种阿克曼‑主动速差复合转向的高速履带式行动系统，属于车辆零部件领域，具备三种转向模式，分别为纯阿卡曼转向、纯速差转向与阿克曼‑主动速差复合转向，可以根据实际情况进行选择；具有两种转向方式，不仅可以通过使两条履分别带按不同角度相对车体发生转动，实现类似轮式车辆的阿克曼转向，也可以通过两侧履带的速差，实现速差转向及车身姿态控制；当任意一种转向方式出现故障无法正常工作时，另一种转向方式可以在应急状态下继续行驶并保持一定转向能力，保障了极端状况下的行驶安全。

Description

一种阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统

技术领域

本发明涉及车辆零部件技术领域，特别是涉及一种阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统。

背景技术

传统的履带式行动系统采用两侧履带的转速差来实现转向，特点是转向半径小、功耗大；速差转向内外侧履带的功耗差距较大，需要复杂的功率转移装置，实现内外侧履带功率流的重新分配，这就使得直驶和转向对于电机功率要求差异较大，如果按照直驶的功率要求设计驱动电机，在转向时，外侧电机功率不足，如果按照转向的功率要求设计电机，电机额定功率太大，总布置有困难；履带和地面的磨损严重，特别是硬路面挂胶履带转向，履带挂胶磨损快，需要经常更换，严重影响装备的使用；并且速差转向为非稳态工况，履带与地面存在相对滑动。根据车辆动力学的研究，在存在宏观坡度的路面进行非稳态转向，会发生整车的侧滑，给行驶安全和车辆控制都带来极大不方便。

针对上述问题，可以采用阿克曼转向方式的高速履带式行动系统进行解决，将原有的一侧单段履带分成两段，分别为转向履带段和非转向履带段。在直线行驶时，前后履带保持平行，在转向时，根据转向角度大小，内外侧转向履带分别转动不同的角度，内侧履带的转角大于外侧履带。车辆将以转向履带的接地线垂线和非转向履带的接地线垂线的交点为圆心进行转向，合理的设置内侧、外侧履带转角，可以使车辆转向时，实现无侧滑，减小了转向时的功率损失，避免履带和路面侧滑造成的履带挂胶的快速磨损。并且通过阿克曼转向方式，车辆在有宏观坡度的路面可以实现稳态转向。

但是阿克曼转向的高速履带式行动系统存在转向半径过大，低速狭小空间内机动性差的缺点，并且在松软土质路面等情况下，使用速差转向并不会对履带带来很大的磨损，速差转向更加适用。

因此，本发明设计了一种可以根据不同转向工况选择纯阿克曼转向、纯速差转向与阿克曼转向与速差转向共同作用的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，兼顾了阿克曼转向与速差转向的优点，以提高车辆行驶的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，具备具备阿克曼转向与速差转向独立控制功能，不仅可以通过使两条履分别带按不同角度相对车体发生转动，实现类似轮式车辆的阿克曼转向，也可以通过两侧履带的速差，实现速差转向及车身姿态控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，所述系统包括：

行动系统承载式车身、阿克曼-主动速差复合装置、左前履带、右前履带、左后履带、右后履带、左前履带控制电机、右前履带控制电机、左后履带控制电机、右后履带控制电机、ECU、速差控制踏板、转向助力电机和方向操纵盘；

所述阿克曼-主动速差复合装置设置在所述行动系统承载式车身内部；

所述左前履带和左后履带设置在所述行动系统承载式车身左侧，所述右前履带和右后履带设置在所述行动系统承载式车身右侧；

所述左前履带与所述右前履带均为转向履带，分别与所述阿克曼-主动速差复合装置连接；

所述左后履带与所述右后履带均为非转向履带；

所述速差控制踏板、所述方向操纵盘分别与所述ECU的输入端连接，所述左前履带控制电机、所述右前履带控制电机、所述左后履带控制电机、所述右后履带控制电机和所述转向助力电机分别与所述ECU的输出端连接；所述ECU根据所述方向操纵盘传输的角度信号转化为电机扭矩，传输至所述左前履带控制电机、所述右前履带控制电机、所述左后履带控制电机、所述右后履带控制电机和所述转向助力电机，所述ECU根据速差控制踏板的速度控制信号转化为驱动信号，传输至所述左前履带控制电机、所述右前履带控制电机、所述左后履带控制电机和所述右后履带控制电机；

所述左前履带控制电机用于驱动所述左前履带，所述右前履带控制电机用于驱动所述右前履带，所述左后履带控制电机用于驱动所述左后履带，所述右后履带控制电机用于驱动所述右后履带。

可选的，所述所述方向操纵盘通过转向柱与所述阿克曼-主动速差复合装置连接，所述转向柱上设置方向盘转角传感器；所述方向盘转角传感器与所述ECU连接。

可选的，所述系统包括：速差控制踏板安装支架，用于设置所述速差控制踏板。

可选的，所述速差控制踏板包括：速差控制踏板传感器、右侧履带加速踏板、左侧履带加速踏板、右侧履带减速踏板和左侧履带减速踏板；所述速差控制踏板传感器用于采集所述右侧履带加速踏板、所述左侧履带加速踏板、所述右侧履带减速踏板和所述左侧履带减速踏板的速度控制信号，并将所述速度控制信号传输至所述ECU。

可选的，所述系统还包括：电池；所述电池分别为所述方向盘转角传感器、所述速差控制踏板传感器、所述ECU、所述左前履带控制电机、所述右前履带控制电机、所述左后履带控制电机、所述右后履带控制电机和所述转向助力电机提供工作电压。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统对于每侧两段履带、共4段履带进行共同控制，其中靠近车头的两段为转向履带，转向履带的转动产生阿克曼转向；并且通过对左右两侧的履带分别控制实现无极速差转向。转向系统具备阿克曼转向与速差转向独立控制功能，兼顾了阿克曼转向与速差转向的优点，在任意一种转向方式出现故障的情况下，另外一种转向方式可以保证车辆在应急状态下保持一定转向能力，提高了运动的稳定性和安全性。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统高速履带行动系统示意图；

图2为高速履带行动系统直线行驶工况示意图；

图3为高速履带行动系统转向行驶工况示意图；

图4为本发明提供的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统示意图；

图5为驾驶信号输入系统；

图6为纯阿克曼转向工况示意图；

图7为纯速差转向工况示意图；

图8为阿克曼-主动速差复合转向工况示意图；

符号说明：

1-电池系统，2-左前履带控制电机，3-右前履带控制电机，4-左后履带控制电机，5-右后履带控制电机，6-ECU，7-速差控制踏板，8-转向助力电机，9-方向操纵盘；

101-转向柱，102-方向盘转角传感器，103-右侧履带加速踏板，104-左侧履带加速踏板，105-右侧履带减速踏板，106-左侧履带减速踏板，107-速差控制踏板安装支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，具备三种转向模式，分别为纯阿卡曼转向、纯速差转向与阿克曼-主动速差复合转向，具备阿克曼转向与速差转向独立控制功能，不仅可以通过使两条履分别带按不同角度相对车体发生转动，实现类似轮式车辆的阿克曼转向，也可以通过两侧履带的速差，实现速差转向及车身姿态控制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为传统高速履带行动系统示意图，传统高速履带行动系统的两侧分别设置单侧履带，转向时，外侧履带加速，内侧履带减速甚至是倒转，使得车身产生转向力矩，外侧主动轮驱动电机工作在峰值功率状态，这样可以满足功率和布置的要求，但其隐患是长时间转向会对驱动电机的可靠性产生影响。

针对上述问题，使用阿克曼转向方式的高速履带式行动系统，借鉴轮式行动系统的阿克曼转向原理，将原有的一侧单段履带分成两段，分别为转向履带段和非转向履带段。在直线行驶时如图2所示，前后履带保持平行，在转向时如图3所示，根据转向角度大小，内外侧转向履带分别转动不同的角度，内侧履带的转角大于外侧履带。

此时，车辆将以转向履带的接地线垂线和非转向履带的接地线垂线的交点为圆心进行转向，合理的设置内侧、外侧履带转角，可以使车辆转向时，实现无侧滑，减小了转向时的功率损失，避免履带和路面侧滑造成的履带挂胶的快速磨损。并且通过阿克曼转向方式，车辆在有宏观坡度的路面可以实现稳态转向。但阿克曼转向的高速履带式行动系统存在转向半径过大，低速狭小空间内机动性差的缺点，并且在松软土质路面等情况下，使用速差转向并不会对履带带来很大的磨损，速差转向更加适用。

因此，本发明设计了一种可以根据不同转向工况选择纯阿克曼转向、纯速差转向与阿克曼转向与速差转向共同作用的高速履带式车辆转向系统，兼顾了阿克曼转向与速差转向的优点，以提高车辆行驶的稳定性。

图4为本发明提供的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统示意图，该系统包括：

行动系统承载式车身、阿克曼-主动速差复合装置、左前履带、右前履带、左后履带、右后履带、电池1、左前履带控制电机2、右前履带控制电机3、左后履带控制电机4、右后履带控制电机5、ECU6、速差控制踏板7、转向助力电机8和方向操纵盘9。

阿克曼-主动速差复合装置设置在行动系统承载式车身内部。

左前履带和左后履带设置在行动系统承载式车身左侧，右前履带和右后履带设置在行动系统承载式车身右侧。

左前履带与右前履带均为转向履带，分别与阿克曼-主动速差复合装置连接。

左后履带与右后履带均为非转向履带。

速差控制踏板7、方向操纵盘9分别与ECU6的输入端连接，左前履带控制电机3、右前履带控制电机4、左后履带控制电机5、右后履带控制电机6和转向助力电机8分别与ECU6的输出端连接；ECU6根据方向操纵盘传输9的角度信号转化为电机扭矩，传输至左前履带控制电机3、右前履带控制电机4、左后履带控制电机5、右后履带控制电机6和转向助力电机7，ECU6根据速差控制踏板7的速度控制信号转化为驱动信号，传输至左前履带控制电机3、右前履带控制电机4、左后履带控制电机5和右后履带控制电机6。

左前履带控制电机3用于驱动左前履带，右前履带控制电机4用于驱动右前履带，左后履带控制电机5用于驱动左后履带，右后履带控制电机6用于驱动右后履带。

图5为驾驶信号输入系统，包括转向角度信号输入和速度控制信号输入。方向操纵盘9通过转向柱101与阿克曼-主动速差复合装置连接，转向柱101上设置方向盘转角传感器102；方向盘转角传感器102与ECU6连接。

速差控制踏板安装支架107，用于设置速差控制踏板7。

速差控制踏板7具体包括：速差控制踏板传感器、右侧履带加速踏板103、左侧履带加速踏板104、右侧履带减速踏板105和左侧履带减速踏板106；速差控制踏板传感器用于采集右侧履带加速踏板103、左侧履带加速踏板104、右侧履带减速踏板105和左侧履带减速踏板106的速度控制信号，并将速度控制信号传输至ECU6。

右侧履带加速踏板103和左侧履带加速踏板104共同构成车辆加速踏板，由驾驶员右脚控制，两踏板的宽度加起来与正常车辆的刹车踏板面积相近，驾驶员可以将两踏板一同踩下，此时两侧履带获得同样的加速信号，两侧履带间无速差。当驾驶员将右脚向左偏转，将右侧履带加速踏板103踩得更深时，右侧履带获得更大的加速信号，车身向右通过速差转向，同理，当左侧履带加速踏板104踩得更深时，车身向左侧速差转向。

右侧履带减速踏板105和左侧履带减速踏板106共同构成车辆减速踏板，由驾驶员左脚控制，两踏板的宽度加起来与正常车辆的刹车踏板面积相近，驾驶员可以将两踏板一同踩下，此时两侧履带获得同样的减速信号，两侧履带间无速差。当驾驶员将左脚向右偏转，将右侧履带减速踏板105踩得更深时，右侧履带获得更大的减速信号，车身向右通过速差转向，同理，当左侧履带减速踏板105踩得更深时，车身向左侧速差转向。

电池1分别与方向盘转角传感器102、速差控制踏板传感器、ECU6、左前履带控制电机2、右前履带控制电机3、左后履带控制电机4、右后履带控制电机5和转向助力电机8连接，为其提供工作电压。

本发明中的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，具备三种转向模式，分别为纯阿卡曼转向、纯速差转向与阿克曼-主动速差复合转向。

在纯阿克曼转向工况下转向时根据转向角度大小，内外侧转向履带分别转动不同的角度，使得内侧转向履带轨迹半径较小，外侧转向履带轨迹半径较大，从而增强履带的循迹性，在转向过程中没有过大的摩擦力，实现了低阻力转向。这种工况转向时两侧履带功率差异小，与直线行驶时区别不大，避免了速差转向时外侧履带需要大功率的问题，在车辆整体运转过程中电机工作平稳，有便于车辆设计时驱动电机的选型、布置，同时还会增加驱动电机的可靠性。

在纯速差转向工况下驾驶员通过操作左右履带加速踏板，对左右履带输出功率进行控制，可根据驾驶员意愿实现无极转向，转向半径小，适用于小空间机动、野外松软土地行驶及其他适用小半径转向的情况。

在阿克曼-主动速差复合转向工况下，在阿克曼转向的同时，根据需要赋予内外侧履带更多的功率或更少的功率，达到辅助转向的功能。同时，可以通过内外履带速差达到控制车身姿态功能，当在阿克曼转向工况行驶速度过快，导致转向过度时，可以通过对外侧履带进行制动达到稳定车身姿态效果，同理，当遇到转向不足时可以通过减小内侧履带功率增加外侧履带功率保持车身稳定。

同时，本发明的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统具有两种转向方式，方向盘输入控制转向履带相对车身发生转动，速差踏板输入分别对左右侧履带实施控制阿克曼转向履带的驱动采用电传动，每侧有2段履带，总共4段履带，前两段履带为转向履带，后两段为非转向履带。每段履带采用单独的电机进行驱动，根据驾驶员意图以及行驶传感器对电机进行控制，实现4段履带独立控制。在行驶系统转向时左右转向履带相对车身发生不同角度的转动，并且辅以实现阿克曼转向。此行动系统不仅可以通过使两条履分别带按不同角度相对车体发生转动，实现类似轮式车辆的阿克曼转向，也可以通过两侧履带的速差，实现速差转向及车身姿态控制。阿克曼转向与速差转向独立控制功能，在任意一种转向方式出现故障的情况下，另外一种转向方式可以保证车辆在应急状态下保持一定转向能力。

图6为纯阿克曼转向工况示意图。以左转为例，纯阿克曼转向用于大半径转向、硬质路面转向以及速差转向功能失效情况下的应急转向。纯阿克曼转向工况下，驾驶员对于转向操作的输入通过方向盘完成，车辆的行驶速度控制通过对油门踏板以及制动踏板的左右踏板同步操作完成。

纯阿克曼转向工况下，驾驶员对方向盘进行转向信号输入，通过双转向轴的阿克曼转向机构控制车辆左右履带偏转角度，使得内侧转向履带偏转角度大于外侧。对油门踏板以及制动踏板都是左右踏板同步操作。驾驶员将方向盘向左转动，并且同时将左右油门踏板踩下，通过ECU对接收信号处理后，控制内侧履带速度V1内侧与外侧履带速度V1外侧的关系满足：

即内外侧履带角速度相同，车辆履带具有良好的循迹性，行驶轨迹与前转向履带指向相同。

图7纯速差转向工况示意图。同样以左转为例，纯速差转向工况适用于原地转向或极小半径转向、野外软路面转向以及阿克曼转向失效时的应急转向。纯速差转向工况下，驾驶员对于转向操作的输入完全通过踏板完成，车辆的转向控制通过对油门踏板以及制动踏板的左右踏板的独立操作完成。

纯速差转向工况下，驾驶员无需对方向盘进行转向信号输入，对油门踏板以及制动踏板都是左右踏板独立操作。驾驶员无需转动方向盘，只需将左油门踏板以及左刹车踏板同时踩下，通过ECU对接收信号处理后，控制内侧履带速度V2内侧与外侧履带速度V2外侧的关系满足：

V2_内侧＝-V2_外侧

即内外侧履带速度相同、方向相反，车辆可以实现原地转向。

图8为阿克曼-主动速差复合转向工况示意图。同样以左转为例，阿克曼-主动速差复合转向工况适用于如下情况：

1、所需转向半径小于纯阿克曼转向的最小设计转向半径时的转向。驾驶员在转向过程中方向盘已经转至最左，但发现仍不能达到预期转向半径时，将油门或刹车踏板的左侧踏板踩得更深，或将油门或刹车的右侧踏板抬起一些，可以实现向左的速差转向。

2、速差转向时由于阻力过大转向困难时。在速差转向时由于履带会与地面产生滑动摩擦，在某些情况下电机功率不足可能无法达到速差转向所需的输出功率，此时驾驶员通过操纵方向盘，增强履带循迹性，减小转向阻力。

3、需要对车辆车身姿态进行控制的转向。当驾驶员在转向过程中，车身出现了转向过度或转向不足的情况，需要调整车身姿态，由于履带车辆的特殊性不能通过“反打”方向盘实现调整车身姿态，此时便可以通过对单侧履带进行制动或加速，进行车身姿态调整。

阿克曼-主动速差复合转向工况下，驾驶员对于转向操作的输入通过方向盘以及踏板配合完成，车辆的转向速度通过对方向盘以及油门刹车踏板的左右踏板独立操作完成，行驶速度控制也由踏板完成。

驾驶员对车辆存在两种输入控制：

1、方向盘进行转向信号输入。通过双转向轴的阿克曼转向机构，以及合理的双转向拉杆长度设计，通过转向梯形控制车辆左右履带偏转角度，使得内侧转向履带偏转角度大于外侧，产生阿克曼转向。具体阿克曼转向机构控制为A外侧转向履带偏转角、B内侧履带偏转角，需要满足：

其中L为车辆前后履带中心接地点中心的距离，M为左右履带接地点中心的距离。

2、对油门踏板以及制动踏板进行左右踏板独立操作。驾驶员在左右油门踏板共同踩下的同时，将控制油门踏板的右脚向左侧偏转，使得左侧油门踏板踩得更深，通过ECU对接收信号处理后，控制内侧履带速度V3内侧与外侧履带速度V3外侧的关系满足：

即外侧履带角速度大于内侧履带角速度。并且，根据驾驶员踩下踏板深度的不同控制内外侧速度差。

在阿克曼-主动速差复合转向工况下：

1、与纯阿克曼工况转向相比车辆转向半径更小，转向速度更快，机动性更强；

2、与纯速差转向相比，履带循迹性更好、驱动功率需求更小，车辆行驶更稳定。

驾驶员通过方向盘与速差控制踏板配合操作，可以实现阿克曼-主动速差复合转向系统的控制。ECU将输入信号处理后，输出扭矩信号至右前履带控制电机、左前履带控制电机、右后履带控制电机、左后履带控制电机和转向助力电机五个电机，从而达到对车辆的控制。同时，ECU也可以采集车身行驶姿态信息，配合驾驶员输入，判断车辆是否处于转向不足或转向过度状态，通过控制输出信号达到稳定车身姿态的效果。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，其特征在于，所述系统包括：

所述左后履带与所述右后履带均为非转向履带；

所述左前履带控制电机用于驱动所述左前履带，所述右前履带控制电机用于驱动所述右前履带，所述左后履带控制电机用于驱动所述左后履带，所述右后履带控制电机用于驱动所述右后履带；

阿克曼-主动速差复合转向工况下，驾驶员对于转向操作的输入通过方向盘以及踏板配合完成，车辆的转向速度通过对方向盘以及油门刹车踏板的左右踏板独立操作完成，行驶速度控制也由踏板完成；

驾驶员对车辆存在两种输入控制：

方向盘进行转向信号输入：通过双转向轴的阿克曼转向机构，以及合理的双转向拉杆长度设计，通过转向梯形控制车辆左右履带偏转角度，使得内侧转向履带偏转角度大于外侧，产生阿克曼转向；具体阿克曼转向机构控制为A外侧转向履带偏转角、B内侧履带偏转角，需要满足：

其中，L为车辆前后履带中心接地点中心的距离，M为左右履带接地点中心的距离，A为外侧转向履带偏转角，B为内侧履带偏转角；

对油门踏板以及制动踏板进行左右踏板独立操作：驾驶员在左右油门踏板共同踩下的同时，将控制油门踏板的右脚向左侧偏转，使得左侧油门踏板踩得更深，通过ECU对接收信号处理后，控制内侧履带速度V3_内侧与外侧履带速度V3_外侧的关系满足：

其中，V3_内侧为内侧履带速度，V3_外侧为外侧履带速度；即外侧履带角速度大于内侧履带角速度，并且，根据驾驶员踩下踏板深度的不同控制内外侧速度差。

2.根据权利要求1所述的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，其特征在于，所述方向操纵盘通过转向柱与所述阿克曼-主动速差复合装置连接，所述转向柱上设置方向盘转角传感器；所述方向盘转角传感器与所述ECU连接。

3.根据权利要求1所述的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，其特征在于，所述系统包括：速差控制踏板安装支架，用于设置所述速差控制踏板。

4.根据权利要求1或3所述的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，其特征在于，所述速差控制踏板包括：速差控制踏板传感器、右侧履带加速踏板、左侧履带加速踏板、右侧履带减速踏板和左侧履带减速踏板；所述速差控制踏板传感器用于采集所述右侧履带加速踏板、所述左侧履带加速踏板、所述右侧履带减速踏板和所述左侧履带减速踏板的速度控制信号，并将所述速度控制信号传输至所述ECU。

5.根据权利要求4所述的阿克曼-主动速差复合转向的高速履带式行动系统，其特征在于，所述系统还包括：电池；所述电池分别为所述方向盘转角传感器、所述速差控制踏板传感器、所述ECU、所述左前履带控制电机、所述右前履带控制电机、所述左后履带控制电机、所述右后履带控制电机和所述转向助力电机提供工作电压。