CN114735071A - 一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无人平台技术领域的一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制系统及方法，包括：获取车速信号和遥控输入指令；对车速信号和遥控输入指令进行判断；响应于车速信号为零且遥控输入指令为原地转向时，控制车辆进入原地转向模式；响应于车速信号高于设定阈值时，基于遥控输入指令控制车辆进入高速几何转向模式；响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令达到转向限值时，控制车辆进入复合转向模式；响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令未达到转向限值时，控制车辆进入低速几何转向模式；响应于车辆控制出现故障时，控制液压系统能使车辆回正。本发明通过多种转向模式控制以及自动回正方案，提高无人车的灵敏性和机动性以及安全性。

Description

一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制系统及方法，属于无人平台技术领域。
背景技术
传统应用轮毂电机独立驱动的单纵臂悬架轮式车辆，需采用差速方式完成转向。但是差速转向的轮式车辆转向效率低下，功耗很大，其轮胎和地面相互作用的力学特性具有不易精确描述的复杂性，轮胎磨损严重，局限了轮式车辆的转向性能。而加入独立转向系统后，可以缓解差速转向带来的各种问题，使单纵臂悬架轮式车辆高效平稳地实现多种转向模式。
转向系统是车辆重要的操纵装置，直接决定了整车机动性能、操纵性能等，传统的转向系通过方向盘，传动轴，转向器以及转向拉杆等，将人的转向意图，以及转向力传递到车轮，实现人对车辆的转向操控控制。但是无人平台没有人在车上进行操纵，人的转向操纵意图是通过操控终端对车辆下达命令，由车辆执行控制系统执行，因此多数无人车采取的是线控电/电-液转向执行机构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制系统及方法，通过多种转向模式控制以及自动回正方案，提高无人车的灵敏性和机动性以及安全性。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，包括：
获取车速信号和遥控输入指令；
对车速信号和遥控输入指令进行判断；
响应于车速信号为零且遥控输入指令为原地转向时，控制车辆进入原地转向模式；
响应于车速信号高于设定阈值时，基于遥控输入指令控制车辆进入高速几何转向模式；
响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令达到转向限值时，控制车辆进入复合转向模式；
响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令未达到转向限值时，控制车辆进入低速几何转向模式；
响应于车辆控制出现故障时，控制液压系统能使车辆回正。
进一步的，所述高速几何转向模式包括：当遥控输入指令为右转时，以内侧右前轮为基准轮，根据阿克曼转向原理计算各轮转角及对应转向油缸位移后，控制车辆的转向节进行转向。
进一步的，所述低速几何转向模式包括：当遥控输入指令为右转时，以内侧右前轮为基准轮，根据阿克曼转向原理计算各轮转角及对应转向油缸位移进行低速几何转向。
进一步的，所述复合转向模式包括：当遥控输入指令为右转时，以内侧右前轮为基准轮，根据阿克曼转向原理计算各轮转角及对应转向油缸位移后，控制车辆的转向节进行转向，同时，通过电机驱动控制器控制左右两侧电机产生扭矩差并施加到车轮，提供横摆力矩。
进一步的，通过电机驱动控制器控制左右两侧电机产生扭矩差并施加到车轮，包括：计算当前车速与设定车速阈值之差，并将该差值乘以设定的放大倍数，其中外侧车轮乘以正倍数、内侧车轮乘以负倍数，将放大后的值下发到所述电机驱动控制器，进而控制左右两侧电机产生扭矩差并施加到车轮。
进一步的，根据阿克曼转向原理计算各轮转角及对应转向油缸位移，包括：
获取内侧车轮转角、外侧车轮转角、车轮最大转角、转向摇杆最大开度、内侧转向油缸位移和外侧转向油缸位移；
基于车轮最大转角和转向摇杆最大开度建立转向摇杆开度与内侧车轮转角之间关系；
通过三角函数换算关系换算出每个时刻内侧车轮转角和内侧转向油缸位移之间关系；
根据阿克曼定律，得到外侧车轮转向油缸行程和外侧车轮转角之间的关系。
进一步的，所述车辆控制出现故障包括整车电控系统失效或车辆失去信号。
第二方面，本发明提供了一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制系统，包括：
信号接收模块：用于获取车速信号和遥控输入指令；
判断模块：用于对车速信号和遥控输入指令进行判断；
原地转向模块：用于响应于车速信号为零且遥控输入指令为原地转向时，控制车辆进入原地转向模式；
高速几何转向模块：用于响应于车速信号高于设定阈值时，基于遥控输入指令控制车辆进入高速几何转向模式；
复合转向模块：用于响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令达到转向限值时，控制车辆进入复合转向模式；
低速几何转向模块：用于响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令未达到转向限值时，控制车辆进入低速几何转向模式；
故障回正模块：用于响应于车辆控制出现故障时，控制液压系统能使车辆回正。
第三方面，本发明提供了一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本方案中的转向驱动控制系统通过控制策略可实现高速几何转向、低速复合转向、低速几何转向、原地转向四种转向模式在不丧失现有无人平台性能的前提下即能保证高速行驶转向操纵稳定性，又能显著提高车辆机动性；在整车电控系统失效或车辆失去信号时，车辆能依靠液压系统自动回正，防止因车轮偏斜造成意外。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的多模式转向驱动系统结构布局示意图；
图2是本发明实施例一提供的多模式转向控制流程图；
图3是本发明实施例一提供的几何转向与复合转向同样手柄开度不同车速下半径对比示意图；
图4是本发明实施例一提供的原地转向示意图；
图5是本发明实施例一提供的防转向电控失效车轮回正液压原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，请参阅图1-5，本实施例提供的无人平台多模式驱动系统及控制方法，包括遥控器、中央控制器、电机驱动控制器、第一转向阀组、第一转向油缸、第二转向阀组、第二转向油缸、纵臂式悬架、转向节、分布式驱动电机、车轮以及转向液压系统等组成。其中第一转向阀组包括四组电磁阀及两组蓄能器。
转角传感器安装在转向节上，并与中央控制器相连，采集车轮转角信号并传递到中央控制器。
遥控器上面具有驱动摇杆与转向摇杆，通过驱动摇杆与转向摇杆配合使用对车辆前进转向进行控制；遥控器上还具有行驶转向与原地转向选择按钮，通过按钮选择转向模式，转向模式具体包括：
1)原地转向模式
车辆启动后，操作者将遥控器旋钮拨至原地转向模式，车辆进入原地转向模式。
2)高速几何转向模式
车辆启动后，车速高于设定阈值，以汽车右转为例，操作者向右拨动转向摇杆，以右前轮(内侧车轮)为基准轮，根据阿克曼转向原理，计算各轮转角及对应转向油缸位移。
3)复合转向模式
车辆启动后，车速低于设定阈值，且转向摇杆推到极限；以汽车右转为例，操作者向右拨动转向摇杆到极限位置，以右前轮(内侧车轮)为基准轮，根据阿克曼转向原理，计算各轮转角及对应转向油缸位移，同时控制器计算模块根据车速使内外侧非转向车轮产生扭矩差，提供横摆力矩。
4)低速几何转向模式
车辆启动后，车速低于设定阈值，且转向摇杆未推到极限；以汽车右转为例，操作者向右拨动转向摇杆，以右前轮(内侧车轮)为基准轮，根据阿克曼转向原理，计算各轮转角及对应转向油缸位移进行低速几何转向。
本实施例中，多模式转向控制方法为：
遥控器上具有行驶转向与原地转向选择按钮，通过按钮选择转向模式。
中央控制器包括复合转向模式的判断模块、电机驱动力矩计算模块、原地转向模块；
判断模块，用于根据车速和遥控器转向手柄开度，判断同时满足“车速低于控制器设计的阈值”以及“转向手柄是否到极限”的条件；
如果是，则确定车辆转向进入复合转向模式，通知控制器的电机驱动力矩计算模块工作，电机驱动力矩计算模块在接收到判断模块的指令信号时，计算当前车速与设定车速阈值之差，并将该差值乘以设定的放大倍数后，将放大后的值下发到电机驱动控制器。其中外侧车轮乘以正倍数、内侧车轮乘以负倍数，电机驱动控制左右两侧电机产生扭矩差并施加到车轮；
如果否，则进行几何转向，中央控制器运用阿克曼定律向两组控制阀发送指令，控制阀口开度进而控制油缸伸出位移，左右两个油缸协同动作实现阿克曼几何。
纵臂式悬架油缸助力阿克曼转向车轮转角与油缸位移对应关系计算方法为：
首先由车辆转向机构设计已知车轮最大转角α轮max、转向摇杆最大开度θmax；其次建立转向摇杆开度与内侧车轮转角之间关系。已知内侧转向油缸安装距L1、内侧转向油缸位移L2、外侧转向油缸安装距L3、外侧转向油缸位移L4，内外侧对称安装，仅在转向时定义内外侧车轮及油缸。根据三角函数换算关系换算出每个时刻内侧转向油缸位移与内侧车轮转角关系式一α轮内＝f1(L2)。根据阿克曼定律式二cotα轮内-cotα轮外＝B/L，其中B与L为定值。可求得外侧转向油缸位移L4＝f2(α轮外)，可得内外车轮转角与对应油缸位移的关系，进而以内测车轮转角决定的转的速度瞬心求得外侧车轮转角。
无人平台防转向电控失效车轮回正液压控制方案
1)如图5所示，车辆正常行驶电磁阀1、2、3、4均不得电；转向缸c、d两腔通油箱卸荷；蓄能器给转向缸a、b两腔通入压力相等高压油，其中a腔的活塞与活塞杆固连，此时在蓄能器高压油作用下油缸处于中位；
2)车辆转向时电磁阀2、3、4得电；转向缸a、b两腔通油箱卸荷，同时关闭电磁阀4使蓄能器保压；控制电磁阀1进而控制进入c、d两腔液压油的流量及液流方向，实现车辆转向；
3)当车辆控制系统失效或接受不到信号时各个电磁阀回到初始位置，此时蓄能器中的压力使油缸回到中位。
本技术方案中的油缸换位电缸或其它的动力源，转角传感器换为位移传感器等替代方案可同样完成本发明。
本方案具有以下特点：
(1)在转向节处设置转角传感器，直接读取车轮转角，进而通过控制器控制油缸位移。
(2)给出高速几何、复合、原地等转向模式的控制方案。
(3)充分发挥分布式驱动优势，在低速转向过程，在机械转向基础上，非转向轮驱动电机将提供横摆力矩辅助车辆转向，从而显著减小车辆的转向半径，提供无人平台的机动性能。
(4)在电控系统失效或者车辆接收不到信号时，依靠本身液压系统能使车辆回正，有效防止车轮偏斜造成的意外。
综上所述，本方案可有效解决无人车在有限空间内转弯和泊车及目前高速滑移转向稳定性差的问题，提出多种转向模式的各车轮转角计算方法及控制原理，以及自动回正方案，提高无人车的灵敏性和机动性以及安全性。
实施例二：
一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制系统，可实现实施例一所述的一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，包括：
信号接收模块：用于获取车速信号和遥控输入指令；
判断模块：用于对车速信号和遥控输入指令进行判断；
原地转向模块：用于响应于车速信号为零且遥控输入指令为原地转向时，控制车辆进入原地转向模式；
高速几何转向模块：用于响应于车速信号高于设定阈值时，基于遥控输入指令控制车辆进入高速几何转向模式；
复合转向模块：用于响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令达到转向限值时，控制车辆进入复合转向模式；
低速几何转向模块：用于响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令未达到转向限值时，控制车辆进入低速几何转向模式；
故障回正模块：用于响应于车辆控制出现故障时，控制液压系统能使车辆回正。
实施例三：
本发明实施例还提供了一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制装置，可实现实施例一所述的一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤：
获取车速信号和遥控输入指令；
对车速信号和遥控输入指令进行判断；
响应于车速信号为零且遥控输入指令为原地转向时，控制车辆进入原地转向模式；
响应于车速信号高于设定阈值时，基于遥控输入指令控制车辆进入高速几何转向模式；
响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令达到转向限值时，控制车辆进入复合转向模式；
响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令未达到转向限值时，控制车辆进入低速几何转向模式；
响应于车辆控制出现故障时，控制液压系统能使车辆回正。
实施例四：
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，可实现实施例一所述的一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤：
获取车速信号和遥控输入指令；
对车速信号和遥控输入指令进行判断；
响应于车速信号为零且遥控输入指令为原地转向时，控制车辆进入原地转向模式；
响应于车速信号高于设定阈值时，基于遥控输入指令控制车辆进入高速几何转向模式；
响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令达到转向限值时，控制车辆进入复合转向模式；
响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令未达到转向限值时，控制车辆进入低速几何转向模式；
响应于车辆控制出现故障时，控制液压系统能使车辆回正。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，其特征是，包括：
获取车速信号和遥控输入指令；
对车速信号和遥控输入指令进行判断；
响应于车速信号为零且遥控输入指令为原地转向时，控制车辆进入原地转向模式；
响应于车速信号高于设定阈值时，基于遥控输入指令控制车辆进入高速几何转向模式；
响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令达到转向限值时，控制车辆进入复合转向模式；
响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令未达到转向限值时，控制车辆进入低速几何转向模式；
响应于车辆控制出现故障时，控制液压系统能使车辆回正。
2.根据权利要求1所述的无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，其特征是，所述高速几何转向模式包括：当遥控输入指令为右转时，以内侧右前轮为基准轮，根据阿克曼转向原理计算各轮转角及对应转向油缸位移后，控制车辆的转向节进行转向。
3.根据权利要求1所述的无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，其特征是，所述低速几何转向模式包括：当遥控输入指令为右转时，以内侧右前轮为基准轮，根据阿克曼转向原理计算各轮转角及对应转向油缸位移进行低速几何转向。
4.根据权利要求1所述的无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，其特征是，所述复合转向模式包括：当遥控输入指令为右转时，以内侧右前轮为基准轮，根据阿克曼转向原理计算各轮转角及对应转向油缸位移后，控制车辆的转向节进行转向，同时，通过电机驱动控制器控制左右两侧电机产生扭矩差并施加到车轮，提供横摆力矩。
5.根据权利要求4所述的无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，其特征是，通过电机驱动控制器控制左右两侧电机产生扭矩差并施加到车轮，包括：计算当前车速与设定车速阈值之差，并将该差值乘以设定的放大倍数，其中外侧车轮乘以正倍数、内侧车轮乘以负倍数，将放大后的值下发到所述电机驱动控制器，进而控制左右两侧电机产生扭矩差并施加到车轮。
6.根据权利要求2～5任一所述的无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，其特征是，根据阿克曼转向原理计算各轮转角及对应转向油缸位移，包括：
获取内侧车轮转角、外侧车轮转角、车轮最大转角、转向摇杆最大开度、内侧转向油缸位移和外侧转向油缸位移；
基于车轮最大转角和转向摇杆最大开度建立转向摇杆开度与内侧车轮转角之间关系；
通过三角函数换算关系换算出每个时刻内侧车轮转角和内侧转向油缸位移之间关系；
根据阿克曼定律，得到外侧车轮转向油缸行程和外侧车轮转角之间的关系。
7.根据权利要求1所述的无人平台多模式纵臂式转向驱动控制方法，其特征是，所述车辆控制出现故障包括整车电控系统失效或车辆失去信号。
8.一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制系统，其特征是，包括：
信号接收模块：用于获取车速信号和遥控输入指令；
判断模块：用于对车速信号和遥控输入指令进行判断；
原地转向模块：用于响应于车速信号为零且遥控输入指令为原地转向时，控制车辆进入原地转向模式；
高速几何转向模块：用于响应于车速信号高于设定阈值时，基于遥控输入指令控制车辆进入高速几何转向模式；
复合转向模块：用于响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令达到转向限值时，控制车辆进入复合转向模式；
低速几何转向模块：用于响应于车速信号低于设定阈值且遥控输入指令未达到转向限值时，控制车辆进入低速几何转向模式；
故障回正模块：用于响应于车辆控制出现故障时，控制液压系统能使车辆回正。
9.一种无人平台多模式纵臂式转向驱动控制装置，其特征是，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～7任一项所述方法的步骤。
10.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。
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