CN212950821U - 一种车辆转向系统及无人驾驶车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于无人驾驶技术领域，公开了一种车辆转向系统及无人驾驶车辆。该车辆转向系统包括：构架，铰接在车辆的车架上，并能够相对所述车架上下运动；转向桥，固定于所述构架，所述转向桥的两端均铰接有转向节臂；减震器，两端分别与所述车架及所述构架铰接；转向器，固定于所述转向桥，所述转向器被配置为驱动两个所述转向节臂偏转。该无人驾驶车辆包括车体以及如上所述的车辆转向系统。本实用新型提供的车辆转向系统旨在消除了车轮跳动对转向系统的跳动干涉量，使整个转向系统更为可靠，精准，不会出现制动跑偏及颠簸跑偏等现象，同时，该转向系统整体结构精简、合理，服役过程中更为可靠，出故障的概率小。

Description

一种车辆转向系统及无人驾驶车辆

技术领域

本实用新型涉及无人驾驶技术领域，尤其涉及一种车辆转向系统及无人驾驶车辆。

背景技术

现有的无人驾驶车辆的线控转向结构是在有人驾驶车辆的线控转向系统的基础上更改获得的，使得其在应用于无人驾驶车辆中使存在部分结构冗余，该部分结构不仅占用车辆空间，而且影响转向精度。

并且，在无人驾驶车辆中，低速车的轮距普遍较小，采用常规的齿轮齿条转向器后，齿条两侧的活动杆长度较短，车辆在颠簸路面行驶时，车轮对转向器的跳动干涉量就比较大，使得车辆方向打颤，且在紧急制动时车辆会跑偏。

实用新型内容

本实用新型的一方面目的在于提供一种车辆转向系统，以解决低速车辆在颠簸路面行驶时，车轮对转向器的跳动干涉量大的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种车辆转向系统，包括：

构架，铰接在车辆的车架上，并能够相对所述车架上下运动；

转向桥，固定于所述构架，所述转向桥的两端均铰接有转向节臂；

减震器，两端分别与所述车架及所述构架铰接；及

转向器，固定于所述转向桥，所述转向器被配置为驱动两个所述转向节臂偏转。

作为优选，所述转向器与所述转向桥呈断开式转向梯形机构。

作为优选，所述转向器包括平行于所述转向桥的轴向设置的主拉杆，所述主拉杆能沿自身轴向平移，所述主拉杆的左右两端均球铰有活动拉杆，两个所述活动拉杆分别与两个所述转向节臂球铰。

作为优选，所述转向器包括驱动电机、与所述驱动电机传动连接的减速机，以及设置于所述减速机输出轴端的齿轮，所述主拉杆上设置有与所述齿轮啮合的齿条，以在所述电机正向或反向转动时能驱动所述主拉杆沿自身轴向平移。

作为优选，所述车辆转向系统转向时的内轮转角θ₁为：

所述车辆转向系统转向时的外轮转角θ₂为：

其中：

l₁为所述转向节臂与所述转向桥的铰接点和所述转向节臂与所述活动拉杆的球铰点的间距；

l₂为所述活动拉杆与所述主拉杆的球铰点和所述活动拉杆与所述转向节臂的球铰点的间距；

K为两个所述转向节臂与转向桥的两个铰接点的间距；

M为主拉杆与两个所述活动拉杆的两个球铰点的间距；

H为所述主拉杆的轴心线与所述转向桥的轴心线的间距；

γ为所述转向节臂与所述转向桥在车辆未转向时形成的夹角；

S为主拉杆的平移行程。

作为优选，所述车辆转向系统还包括角度传感器，所述角度传感器被配置为检测所述驱动电机的转轴的转动角度。

作为优选，所述车辆转向系统还包括位移传感器，所述位移传感器被配置为检测所述主拉杆的平移行程。

作为优选，所述车辆转向系统还包括车载控制器，所述车载控制器与所述角度传感器及所述驱动电机电性连接。

作为优选，所述构架包括呈“M”字状顺次连接的第一杆、第二杆、第三杆和第四杆；

所述第一杆远离所述第二杆的一端、所述第二杆和所述第三杆的连接处，以及所述第四杆远离所述第三杆的一端分别与所述车架铰接；

所述第二杆和所述第三杆的连接处以及第三杆和所述第四杆的连接处分别连接有减震器。

作为优选，所述转向桥和所述构架通过至少一对U型螺栓栓接。

本实用新型的另一方面目的在于提供一种无人驾驶车辆，以解决传统无人驾驶车辆在采用线控转向结构时存在部分结构冗余的问题，以简化无人驾驶车辆转向系统，减少空间占用；同时还可解决低速无人车辆在颠簸路面行驶时，车轮对转向器的跳动干涉量大的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种无人驾驶车辆，包括车体以及如上所述的车辆转向系统。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的车辆转向系统，由于转向器固定在转向桥上，转向桥固定在构架上，构架铰接在车架上，使得车辆在颠簸路面行驶时，转向器、转向桥及构架三者可整体跳动，消除了车轮跳动对转向系统的跳动干涉量，使整个转向系统更为可靠，精准，不会出现制动跑偏及颠簸跑偏等现象。同时，该转向系统整体结构精简、合理，服役过程中更为可靠，出故障的概率小，而且可根据实际的使用需求，调整减震器的刚度或者高度等参数，实现应用平台的灵活切换。

本实用新型提供的车辆转向系统在应用于无人驾驶车辆中时，由于其取消了人员操作转向所需的结构，便于布置，节省空间，可以更灵活地调节其布置于无人驾驶车辆的车体中的位置及连接方式，使得无人驾驶车辆在转向运动中，内、外轮的转角关系更加符合阿克曼转角关系，使转向更为精准。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的车辆转向系统的立体结构示意图；

图2是本实用新型实施例中的车辆转向系统的俯视图；

图3是本实用新型实施例中的车辆转向系统的仰视图；

图4是本实用新型实施例中的车辆转向系统的侧视图；

图5是本实用新型实施例中的车辆转向系统构成的断开式转向梯形机构的结构示意图。

图中：

100、车架；200、内轮；300、外轮；

1、构架；11、第一杆；12、第二杆；13、第三杆；14、第四杆；15、加强杆；

2、转向桥；21、转向节臂；

3、减震器；

4、转向器；41、主拉杆；42、活动拉杆；43、驱动电机；44、减速机；

5、第一U型吊耳；

6、U型螺栓；

7、第二U型吊耳；

8、支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本实施例提供了一种车辆转向系统，该车辆转向系统可以应用于无人驾驶车辆中，使无人驾驶车辆的转向系统结构精简化，适于减小对车体的空间占用，使转向系统的转向动作更为精准。当然，不止于此，该车辆转向系统也可以应用于有人驾驶的车辆中，以通过适当结构调整，同样满足上述目的。

请参阅图1至图4，该车辆转向系统包括构架1、转向桥2、减震器3和转向器4。构架1铰接在车辆的车架100上，并能够相对车架100上下运动。转向桥2固定于构架1，转向桥2的两端均铰接有转向节臂21。减震器3两端分别与车架100及构架1铰接。转向器4固定于转向桥2，转向器4被配置为驱动两个转向节臂21偏转。

借由上述结构，由于转向器4固定在转向桥2上，转向桥2固定在构架1上，构架1铰接在车架100上，使得车辆在颠簸路面行驶时，转向器4、转向桥2及构架1三者可整体跳动，消除了车轮跳动对转向系统的跳动干涉量，使整个转向系统更为可靠、精准，不会出现制动跑偏及颠簸跑偏等现象。同时，该转向系统整体结构精简、合理，服役过程中更为可靠，出故障的概率小，而且可根据实际的使用需求，调整减震器3(如弹簧减震器等)的刚度或者高度等参数，实现应用平台的灵活切换。

在应用于无人驾驶车辆中时，本实施例提供的车辆转向系统较传统的线控转向系统取消了人员操作转向所需的结构，便于布置，节省空间，可以更灵活地调节其布置于无人驾驶车辆的车体中的位置及连接方式，使得无人驾驶车辆在转向运动中，内轮200、外轮300的转角关系更加符合阿克曼转角关系，使转向更为精准。

一般地，车辆转向系统构成的转向梯形机构分为整体式和断开式两种，而无论采用哪一种方案，必须正确选择转向梯形的参数，以在车辆转弯时，保证内轮200、外轮300绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的内轮200、外轮300做无滑动的纯滚动运动。因此，在无人驾驶车辆中，精准地计算及采集车辆转弯时，内轮200、外轮300的转角至关重要。现有的无人驾驶车辆普遍采用在车辆的左右轮处加装轮边角度传感器采集上述转角，其结构复杂，而且使用并不可靠。

下面，基于采用断开式转向梯形机构对本实施例提供的转向系统结构进行具体说明。

如图1至图4所示，本实施例中，构架1包括呈“M”字状顺次连接的第一杆11、第二杆12、第三杆13和第四杆14。第一杆11远离第二杆12的一端、第二杆12和第三杆13的连接处以及第四杆14远离第三杆13的一端分别与车架100铰接；第二杆12和第三杆13的连接处以及第三杆13和第四杆14的连接处分别连接有减震器3。

优选地，构架1还进一步包括两个加强杆15，其中一个加强杆15连接在第一杆11的中部和第二杆12的中部之间，另一个加强杆15连接在第三杆13的中部和第四杆14的中部之间，上述“M”字状结构使得该构架1形具有更好的结构强度，且能够在其外缘的端部或转接处形成与车架100及弹簧减震器3铰接的合理连接部位，结构精简、可靠。

其中，构架1可以通过三个第一U型吊耳5及螺栓连接到车架100上。转向桥2可以通过至少一对U型螺栓6与U型螺栓6适配的盖板连接到构架1上。减震器3可以通过第二U型吊耳7连接构架1及车架100。转向桥2中部设置有一支架8，转向器4通过该支架8与转向桥2连接并固定。上述结构可以使得车辆在颠簸路面行驶时，转向器4、转向桥2及构架1三者可整体沿着第一U型吊耳5的铰接轴为转轴跳动。减震器3起着受载、减震与阻尼的作用。

请继续参阅图1至图4，并结合图5，本实施例中，转向器4包括平行于转向桥2的轴向设置的主拉杆41，主拉杆41能沿自身轴向平移，主拉杆41的左右两端均球铰有活动拉杆42，两个活动拉杆42分别与两个转向节臂21球铰，使得两个转向节臂21、两个活动拉杆42及主拉杆41构成了上述断开式转向梯形机构。

可以理解的是，两个转向节臂21分别是转向桥2两端的与左轮和右轮连接的两个转向节的一部份，主拉杆41、两个活动拉杆42及两个转向节臂21构成断开式转向梯形机构，断开式转向梯形机构可使得左轮与右轮的跳动不会相互干涉，具有更好的转向稳定性。

为适于无人驾驶，转向器4还包括驱动电机43、与驱动电机43传动连接的减速机44，以及设置于减速机44输出轴端的齿轮，主拉杆41上设置有与齿轮啮合的齿条，以在电机正向或反向转动时能驱动主拉杆41沿自身轴向平移。

其中，减速机构可以采用现有电助力转向机构的减速结构，如蜗轮蜗杆机构等，故不再赘述驱动电机43、减速机44、齿轮的结构及其三者之间的连接关系。齿轮与齿条的连接结构也可参考现有齿轮齿条转向器，在此亦不做赘述。

请参阅图5，基于上述结构，由于转向器4与转向桥2相互固定，不产生相对位置变化，可因此，可以根据上述断开式转向梯形机构的固有参数，以及采集驱动电机43转向作业中转动的角度，计算出无人驾驶车辆在转向时内轮200、外轮300的转角，实现精准转向。

如图5所示，图示为俯视角度，图中实线部分为转向梯形机构在车辆向左转向时的状态，图中虚线部分为转向梯形机构在车辆未转向时的状态，故，左轮为转向时的内轮200，右轮为转向时的外轮300，内轮200、外轮300的转角可基于下列公式计算获得：

其中，车辆转向系统转向时的内轮200转角θ₁为：

其中，车辆转向系统转向时的外轮300转角θ₂为：

以上两式中：

l₁为转向节臂21与转向桥2的铰接点和转向节臂21与活动拉杆42的球铰点的间距；

l₂为活动拉杆42与主拉杆41的球铰点和活动拉杆42与转向节臂21的球铰点的间距；

K为两个转向节臂21与转向桥2的两个铰接点的间距；

M为主拉杆41与两个活动拉杆42的两个球铰点的间距；

H为主拉杆41的轴心线与转向桥2的轴心线的间距；

γ为转向节臂21与转向桥2在车辆未转向时形成的夹角；

S为主拉杆41的平移行程。

参数l₁、l₂、K、M、H和γ均为上述断开式转向梯形机构配置形成的固有参数，因此可以直接获知。

参数S可以通过转向器4的传动系数η以及驱动电机43的转动角度ω计算获得，其中，传动系数η是指转向器4工作时，电机的角速度与主拉杆41的限速度之间的固有传动比例参数，即可通过该传动系数η及驱动电机43的转动角度ω的乘积计算获得主拉杆41的平移行程。

因此，为计算出无人驾驶车辆在转向时内轮200、外轮300的转角，仅需采集驱动电机43的转轴的转动角度参数ω，故，本实施例中，车辆转向系统还包括角度传感器，角度传感器设置于驱动电机43中，其被配置为检测驱动电机43的转轴的转动角度。在电机领域，通过角度传感器采集电机转轴的转动角度已有应用，故再次不再赘述原理及相关结构。

当然，在其他替代的实施方式中，车辆转向系统还可以包括位移传感器，位移传感器被配置为检测主拉杆41的平移行程，以直接获得上述主拉杆41的平移行程参数S。

可以理解的是，车辆转向系统还包括车载控制器，车载控制器与角度传感器及驱动电机43电性连接。该车辆转向系统中驱动电机43的电力供应可由车载电源提供，车载控制器可以包括存储器及通讯模块等，以存储预设行驶线路或基于实时通讯操控数据行驶。

基于上述，本实施例提供的车辆转向系统可通过采集转向时驱动电机43的转动角度，从而通过存储在有上述公式的车载控制器中的计算程序计算得到内轮200、外轮300的转角，从而实现精准转向。而且在任何工作环境之下，车载自动驾驶系统都通过实时记录驱动电机43的主轴所在的角度位置，准确地得知当前内轮200、外轮300的位置，省去了在车轮处加装角度传感器的麻烦。

需要说明的是，由于不存在对转向执行部件的结构限制，在其他可选的实施方式中，整体式转向梯形机构亦可被应用于本实施例中的车辆转向系统中。并且，通过替换设置现有技术中的诸如方向盘及相关有人驾驶操作机构，使上述有人驾驶操作机构与本实施例中的转向器4传动关联，即可使该车辆转向系统适用于有人驾驶车辆，或具有无人驾驶车辆功能的有人驾驶车辆中。

此外，本实施例还提供一种无人驾驶车辆，该无人驾驶车辆包括车体、车架100、车载无人驾驶系统、车载电源、动力机构以及如上的车辆转向系统。通过搭载上述的车辆转向系统，该无人驾驶车辆解决了传统无人驾驶车辆在采用线控转向结构时存在部分结构冗余的问题，得以简化无人驾驶车辆转向系统，减少空间占用；同时使得该无人驾驶车辆在颠簸路面行驶时，车轮的跳动不会对转向器4产生干涉量。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车辆转向系统，其特征在于，包括：

构架(1)，铰接在车辆的车架(100)上，并能够相对所述车架(100)上下运动；

转向桥(2)，固定于所述构架(1)，所述转向桥(2)的两端均铰接有转向节臂(21)；

减震器(3)，两端分别与所述车架(100)及所述构架(1)铰接；及

转向器(4)，固定于所述转向桥(2)，所述转向器(4)被配置为驱动两个所述转向节臂(21)偏转。

2.根据权利要求1所述的车辆转向系统，其特征在于，所述转向器(4)与所述转向桥(2)呈断开式转向梯形机构。

3.根据权利要求2所述的车辆转向系统，其特征在于，所述转向器(4)包括平行于所述转向桥(2)的轴向设置的主拉杆(41)，所述主拉杆(41)能沿自身轴向平移，所述主拉杆(41)的左右两端均球铰有活动拉杆(42)，两个所述活动拉杆(42)分别与两个所述转向节臂(21)球铰。

4.根据权利要求3所述的车辆转向系统，其特征在于，所述转向器(4)包括驱动电机(43)、与所述驱动电机(43)传动连接的减速机(44)，以及设置于所述减速机(44)输出轴端的齿轮，所述主拉杆(41)上设置有与所述齿轮啮合的齿条，以在所述电机正向或反向转动时能驱动所述主拉杆(41)沿自身轴向平移。

5.根据权利要求4所述的车辆转向系统，其特征在于：

所述车辆转向系统还包括角度传感器，所述角度传感器被配置为检测所述驱动电机(43)的转轴的转动角度。

6.根据权利要求4所述的车辆转向系统，其特征在于：

所述车辆转向系统还包括位移传感器，所述位移传感器被配置为检测所述主拉杆(41)的平移行程。

7.根据权利要求5所述的车辆转向系统，其特征在于，所述车辆转向系统还包括车载控制器，所述车载控制器与所述角度传感器及所述驱动电机(43)电性连接。

8.根据权利要求1所述的车辆转向系统，其特征在于，所述构架(1)包括呈“M”字状顺次连接的第一杆(11)、第二杆(12)、第三杆(13)和第四杆(14)；

所述第一杆(11)远离所述第二杆(12)的一端、所述第二杆(12)和所述第三杆(13)的连接处，以及所述第四杆(14)远离所述第三杆(13)的一端分别与所述车架(100)铰接；

所述第二杆(12)和所述第三杆(13)的连接处以及第三杆(13)和所述第四杆(14)的连接处分别连接有减震器(3)。

9.根据权利要求1所述的车辆转向系统，其特征在于，所述转向桥(2)和所述构架(1)通过至少一对U型螺栓(6)栓接。

10.一种无人驾驶车辆，其特征在于，包括车体以及如权利要求1-9任意一项所述的车辆转向系统。

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