RU2517284C2 - Способ управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения транспортного средства, реализующего схему бортового поворота и снабженнного независимыми электроприводами колес - Google Patents
Способ управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения транспортного средства, реализующего схему бортового поворота и снабженнного независимыми электроприводами колес Download PDFInfo
- Publication number
- RU2517284C2 RU2517284C2 RU2012127595/08A RU2012127595A RU2517284C2 RU 2517284 C2 RU2517284 C2 RU 2517284C2 RU 2012127595/08 A RU2012127595/08 A RU 2012127595/08A RU 2012127595 A RU2012127595 A RU 2012127595A RU 2517284 C2 RU2517284 C2 RU 2517284C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vehicle
- rotation
- center
- speed
- wheels
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Motorcycle And Bicycle Frame (AREA)
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области транспорта, а именно к способам управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения многоопорных колесных транспортных средств, реализующих схему бортового поворота. Технический результат заключается в уменьшении энергозатрат при повороте транспортного средства, обеспечении возможности такого режима вращения колес, при замедлении движения транспортного средства, который препятствует заносу и потере управляемости, увеличении маневренности транспортного средства, в т.ч. при разворотах на месте, обеспечении возможности плоскопараллельного маневра и движения транспортного средства по заданной траектории с использованием хранящейся в памяти бортового компьютера внутренней цифровой карты и внутренних (инерциальных) средств топопривязки. Для этого управлением обеспечивают одновременное изменение угловых скоростей вращения колес, причем каждому колесу придается угловая скорость вращения в соответствии с предлагаемой формулой, в которую входят сигнал управления скоростью и сигнал управления поворотом. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области транспорта, а именно к способам управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения многоопорных колесных транспортных средств, реализующих схему бортового поворота. Техническое решение может быть использовано в алгоритмах управления движением транспортных средств и колесных платформ, которые входят в состав машин строительного, снегоуборочного, военного, космического и другого назначений.
Уровень техники изобретения
Известно многоопорное транспортное средство с бортовым поворотом по а.с. SU 1111926 (опубл. 07.09.1984 г. Бюлл. №33). Названное техническое решение снабжено независимыми электромеханическими приводами колес, в состав каждого привода входит тяговый электродвигатель, соединенный с источником питания, и двухступенчатая коробка передач с электромагнитным управлением, имеется также блок управления приводами, что является общепринятой функциональной схемой для транспортных средств такого рода, разработанных до появления микропроцессорных систем управления электроприводами (см., например, а.с. SU 910484, опубл. 07.03.1982 г. Бюлл. №9). Управление скоростью и поворотом, реализуемые такой схемой, является приблизительным аналогом патентуемого способа, полностью согласуется с выбранным прототипом (см. ниже) и осуществляется путем релейного управления независимыми приводами колес (вперед, назад, торможение, застопорено). Новизна аналога по а.с. SU 1111926 заключается в отключении питания средних колес шестиколесного транспортного средства в режиме поворота, с целью уменьшения энергозатрат при повороте. Недостатком аналога и всех способов, реализуемых техническими решениями, функционально подобными описанному в а.с. SU 1111926, является невозможность оптимального программного управления скоростью и траекторией движения транспортного средства, т.к. в его конструкции отсутствуют необходимые для этого элементы и функция управления может осуществляться только водителем. Недостатком аналога является также отсутствие непрерывного контроля электрической мощности, подводимой к каждому электродвигателю, и оптимального управления этой мощностью, в зависимости от мгновенных координат движения транспортного средства, что является необходимым условием повышения его экономичности.
Поскольку наиболее важными признаками патентуемого способа являются признаки, относящиеся к бортовому повороту, за прототип изобретения принимается первичное описание бортового поворота как способа, описание которого приведено на с.91 учебника «Г.А.Смирнов. Теория движения колесных машин. М.: Машиностроение. 1990, 352 с.». При бортовом повороте, как он описан в указанном источнике, механизмы поворота обеспечивают разные скорости наружных и внутренних колес относительно продольной оси транспортного средства. Различие в этих скоростях приводит к криволинейному движению, т.е. к повороту. Отмечается, что некоторые частные случаи реализации бортового поворота не реализуются другими способами. Так, если скорость колес одного борта машины равна нулю, а скорость колес другого борта отлична от нуля, то мгновенный центр бортового поворота лежит в плоскости невращающихся колес борта. Радиус поворота при этом равен половине колеи машины. Если же скорости колес левого и правого бортов одинаковы по абсолютной величине, но противоположно направлены, то мгновенный центр бортового поворота расположен в середине колеи и базы, радиус поворота равен нулю, т.е. машина разворачивается «на месте». Недостатком способа-прототипа является невозможность движения транспортного средства по заданной траектории с использованием хранящейся в памяти бортового компьютера цифровой карты и внутренних (инерциальных) средств топопривязки, поскольку, если функция управления бортовым поворотом не формализована, то она обязательно должна иметь обратную связь, замкнутую через координаты от внешней топопривязки, что реализуется на практике водителем или внешней топопривязкой по радиомаякам или же средствами системы космической навигации (GPS или Глонасс, см., например, описание к патенту RU 2298216). Указанный недостаток может оказаться весьма существенным при создании автономных автоматических самоходных средств, предназначенных для исследования иных планет или для военных целей.
Сущность изобретения
Изобретение имеет своей целью усовершенствование и приведение в соответствие с современным уровнем техники способа управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения электрических и гибридных транспортных средств, в которых реализована схема бортового поворота. При использовании изобретения достигаются следующие полезные технические результаты:
1. Уменьшаются энергозатраты при повороте транспортного средства
2. Обеспечивается возможность такого режима вращения колес при замедлении движения транспортного средства, который препятствует заносу и потере управляемости.
3. Увеличивается маневренность транспортного средства, в т.ч. при разворотах на месте.
4. Обеспечивается возможность плоскопараллельного маневра.
5. Обеспечивается возможность движения транспортного средства по заданной траектории с использованием хранящейся в памяти бортового компьютера внутренней цифровой карты и внутренних (инерциальных) средств топопривязки.
Совокупность указанных технических результатов достигается тем, что в способе управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения многоопорного транспортного средства, снабженного независимыми электроприводами колес, реализующем схему бортового поворота и заключающемся в том, что управлением обеспечивают одновременное изменение угловых скоростей вращения колес, каждому колесу придается угловая скорость вращения в соответствии с формулой:
Где ωi - угловая скорость i-го колеса
t - время
Δ - сигнал управления скоростью
Ψ - сигнал управления поворотом
ϖ=ϖ(Δ, t) - угловая скорость вращения любого из колес, как функция Δ и t при прямолинейном равномерном движении транспортного средства.
R=R(Ψ, t) задаваемый радиус поворота как функция Ψ и t
Yi - проекция расстояния от центра масс транспортного средства до центра i-го колеса на ось, направленную в сторону от центра поворота перпендикулярно плоскости колес и проходящую через центр масс транспортного средства.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов изобретения
На Фиг.1 изображена кинематическая схема движения транспортного средства при повороте.
На Фиг.2 изображен качественный график функции Δ=Δ(t), обеспечивающий замедление движения на скользкой дороге по аналогии с антиблокировочной системой тормозов автомобиля.
На Фиг.3а изображен качественный график функции R=R(Ψ, t), обеспечивающей маневр транспортного средства при обгоне.
На Фиг.3б изображена траектория маневра транспортного средства при обгоне.
На Фиг.3в изображена схема осуществления маневра транспортного средства при обгоне.
На Фиг.4а изображен качественный график функции R=R(Ψ, t), обеспечивающей маневр транспортного средства при парковке.
На Фиг.4б изображена схема осуществления маневра транспортного средства при парковке.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
При повороте транспортного средства (Фиг.1) вокруг центра поворота S все его точки одновременно совершают поступательное движение со скоростью V и вращательное движение вокруг центра масс О с угловой скоростью W, причем
где
R - радиус поворота
V - скорость движения транспортного средства
Кинематическое разложение вектора скорости движения центра каждого из колес может быть представлено тангенциальной VOi и осевой VXi составляющими. Тангенциальная составляющая скорости движения центра каждого i-го колеса вокруг его центра масс О определяется из выражения
Где
Xi - проекция расстояния от центра масс О до центра i-го колеса на продольную ось, направленную параллельно плоскости колес в сторону движения транспортного средства и проходящую через центр масс О.
Yi - проекция расстояния от центра масс О до центра i-го колеса на ось, направленную от центра поворота S перпендикулярно плоскости колес, и проходящую через центр масс О.
Из треугольников скоростей (Фиг.1) осевые составляющие скорости движения центра каждого i -го колеса определяются выражениями
Подставив (4) в (3) и (3) в (2), получим общую формулу для любого из колес
Скорость VXi движения каждого i-го колеса в направлении оси
связана с его собственной угловой скоростью вращения ωi кинематическим соотношением.
где D - диаметр колеса,
Подставив (5) в (6), получим
Как следует из формулы (7), когда R=±∞, т.е. при прямолинейном движении транспортного средства угловые скорости всех его колес одинаковы
Где ϖ - угловая скорость вращения любого из колес, соответствующая скорости V транспортного средства при его прямолинейном движении. Формула (7) с учетом (8) принимает вид.
При соблюдении условия (9) пробуксовки колес не происходит (смещение перпендикулярно плоскости колеса не является пробуксовкой), и за счет этого уменьшаются энергозатраты при бортовом повороте транспортного средства, т.е. достигается технический результат №1.
Транспортное средство, реализующее патентуемый способ управления движением, обязательно снабжено органом и/или программным устройством для управления скоростью, а также органом и/или программным устройством для управления поворотом. Как и во всяком транспортном средстве, посредством органа управления скоростью задается совокупная мощность P, в данном случае - электрическая мощность, подводимая к двигательной установке, поскольку существует баланс между этой мощностью и механической мощностью равномерного прямолинейного движения
где F - сила сопротивления равномерному движению
η - общий кпд электромеханического привода движения
Задание сигнала Δ управления скоростью может осуществляться перемещением органа управления скоростью, соединенного с датчиком перемещения и/или программным устройством. При этом задается совокупная электрическая мощность P, подводимая к двигательной установке в некоторой функциональной зависимости
Δ - сигнал управления скоростью
t - время
Отрицательное значение мощности в формуле (11) соответствует режиму рекуперативного торможения, в этом случае приводные электродвигатели работают в обращенном генераторном режиме, отдавая энергию в накопитель (аккумулятор). Подразумевается применение в качестве тяговых электродвигателей машин с жесткой механической характеристикой и системы электропривода, обеспечивающей автоматический переход в рекуперативный режим торможения при снижении величины, задаваемой электродвигателю скорости ниже его фактических оборотов (см., например, статьи «Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах» ч.1-4, в журнале Электронные компоненты №11, №12, 2009 г., №1, №4, 2010 г.).
С учетом этого, в соответствии с (10) и (11), управление мощностью задает величину ϖ, в зависимости от Δ и от времени t.
В простейшем случае это может быть, например, пропорциональная зависимость, в которую переменная t не входит
Где
К1 - коэффициент, характеризующий чувствительность устройства управления скоростью к сигналу управления Δ.
Для обеспечения режима торможения на скользкой дороге, т.е для достижения технического результата №2, при замедлении движения транспортного средства, сигнал Δ(t) управления скоростью задается как последовательность импульсов (Фиг.2), отвечающая уравнению
Δm - амплитуда сигнала управления скоростью
ТΔ - период следования сигнала управления скоростью
τΔ - длительность импульса сигнала управления скоростью
l(t) - единичная ступенчатая функция (функция Хевисайда).
Частное выражение (13) при таком управляющем сигнале также будет представлять собою последовательность импульсов и будет отвечать выражению
Соответствующий такому управлению, пульсирующий характер движущих моментов на колесах транспортного средства имеет сходство с пульсирующим действием антиблокировочной системы тормозов современного автомобиля. Очевидно, не исключены и другие виды функциональной зависимости (12), более эффективные с точки зрения обеспечения безопасности движения.
Задание сигнала Ψ управления поворотом может осуществляться посредством датчика перемещения органа управления поворотом и/или программным устройством. При этом задается радиус поворота R в функциональной зависимости.
Функция R=R(Ψ) должна принимать значение ±∞ при Ψ=0 и должна быть нечетной.
Этому условию соответствует, например, степенная функция с нечетным отрицательным показателем, например:
Или функция вида
где К2 - коэффициент, характеризующий чувствительность устройства управления поворотом к сигналу управления поворотом Ψ.
Совокупность выражений (9), (12), (16) представляет собой параметрическую формулу (19) для вычисления мгновенной угловой скорости ωi вращения каждого колеса в зависимости от сигнала Δ управления скоростью, и в зависимости от сигнала Ψ управления поворотом (частные случаи рассмотрены выше).
Где
ωi - угловая скорость i-го колеса
t - время
Δ - сигнал управления скоростью
Ψ - сигнал управления поворотом
ϖ=ϖ(Δ, t) - угловая скорость вращения любого из колес, как функция Δ и t при прямолинейном равномерном движении транспортного средства.
R=R(Ψ, t) - задаваемый первый радиус поворота как функция Ψ и t
Yi - проекция расстояния от центра масс транспортного средства до центра i-го колеса на ось, направленную в сторону от мгновенного центра поворота перпендикулярно плоскости колес и проходящую через центр масс транспортного средства. Для симметричной загрузки транспортного средства Yi по модулю равняется половине колеи транспортного средства.
Технические результаты №3 и №4 патентуемым способом достигаются, если функция R=R(Ψ, t) задается как последовательность импульсов (Фиг. 3а) и описывается, например, уравнением
Rm - амплитуда сигнала управления поворотом на «участке поворота»
R0 - амплитуда сигнала управления поворотом на «участке выравнивания»
TR - период следования сигнала управления поворотом
τR - длительность импульсного сигнала управления поворотом на «участке поворота».
В этом случае, транспортное средство будет совершать поворот вокруг центра поворота S «на участке поворота» и выравнивание продольной оси транспортного средства на «участке выравнивания». Выравнивание осуществляется вращением вокруг центра масс О в направлении движения предшествовавшего началу маневра (Фиг.3б). Частота следования импульсов при этом не должна выходить за границы частотной полосы пропускания приводов. При соблюдении этого условия и достаточно высокой частоте следования импульсов, траектория движения транспортного средства будет представлять собой практически плоскопараллельное перемещение транспортного средства под углом ξ=ξ(Rm, R0, TR, τR) относительно направления вектора его первоначальной скорости (Фиг.3в). Такое движение в процессе выполнения маневра может быть полезным на скользкой дороге, во избежание заноса транспортного средства, а также при обгоне. Сущности изобретения отвечает также маневрирование транспортного средства на парковке, когда пространство для маневра ограничено (Фиг.4а и Фиг.4б).
Поскольку, в соответствии с сущностью изобретения, траектория и скорость движения формализованы выражением (19), траектория и скорость движения транспортного могут задаваться программой, в соответствии с хранящейся в памяти бортового компьютера цифровой картой, с прокладкой азимута при помощи внутренних (инерциальных) средств топопривязки (класс устройств - G01C 23/00). Таким образом, обеспечивается достижение технического результата №5.
Как следует из формулы (19), на скорость вращения колеса ωi влияет только координата γi расположения центра масс транспортного средства. Это означает, что, если колея для всех оппозитных колесных пар одинакова, то величина угловой скорости вращения колес одного борта также будет одинакова, а фактическая координата Xi при идентичных колесах всегда будет соответствовать координате Х центра масс.
Для реализации патентуемого способа современной промышленностью достигнут необходимый уровень техники в области электроприводов и систем управления электроприводами. Имеются соответствующие технические решения в классах B60L 11/02 и H02P 3/00, например, по патентам US №5343971, RU 2394701, JP 2389617. В данных устройствах содержатся практически все признаки, необходимые для реализации патентуемого способа. Так, техническое решение по патенту US №5343971 представляет собою транспортное средство, отвечающее современному уровню техники и вполне подходящее для реализации патентуемого способа.
Claims (3)
1. Способ управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения многоопорного транспортного средства, снабженного независимыми электроприводами колес, реализующий схему бортового поворота и заключающийся в том, что управлением обеспечивают одновременное изменение угловых скоростей вращения колес, отличающийся тем, что каждому колесу придается угловая скорость вращения в соответствии с формулой:
где
ωi - угловая скорость i-го колеса
t - время
Δ - сигнал управления скоростью
Ψ - сигнал управления поворотом
=
(Δ, t) - угловая скорость вращения любого из колес, как функция Δ и t при прямолинейном равномерном движении транспортного средства,
R=R(Ψ, t) - задаваемый радиус поворота как функция Ψ и t
Yi - проекция расстояния от центра масс транспортного средства до центра i-го колеса на ось, направленную в сторону от центра поворота перпендикулярно плоскости колес и проходящую через центр масс транспортного средства.
где
ωi - угловая скорость i-го колеса
t - время
Δ - сигнал управления скоростью
Ψ - сигнал управления поворотом
R=R(Ψ, t) - задаваемый радиус поворота как функция Ψ и t
Yi - проекция расстояния от центра масс транспортного средства до центра i-го колеса на ось, направленную в сторону от центра поворота перпендикулярно плоскости колес и проходящую через центр масс транспортного средства.
3. Способ по п.1 или по п.2, заключающийся в том, что зависимость R=R(Ψ, t) в формуле задается как последовательность импульсов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012127595/08A RU2517284C2 (ru) | 2012-07-02 | 2012-07-02 | Способ управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения транспортного средства, реализующего схему бортового поворота и снабженнного независимыми электроприводами колес |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012127595/08A RU2517284C2 (ru) | 2012-07-02 | 2012-07-02 | Способ управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения транспортного средства, реализующего схему бортового поворота и снабженнного независимыми электроприводами колес |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012127595A RU2012127595A (ru) | 2014-01-10 |
RU2517284C2 true RU2517284C2 (ru) | 2014-05-27 |
Family
ID=49884153
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012127595/08A RU2517284C2 (ru) | 2012-07-02 | 2012-07-02 | Способ управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения транспортного средства, реализующего схему бортового поворота и снабженнного независимыми электроприводами колес |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2517284C2 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1111926A1 (ru) * | 1983-05-06 | 1984-09-07 | Предприятие П/Я А-7701 | Многоопорное транспортное средство с бортовым поворотом |
US5343971A (en) * | 1990-04-06 | 1994-09-06 | Magnet-Motor Gesellschaft fur Magnetmotorischetechnik mbH | Electric vehicle with individually controlled drive electromotors |
RU2302349C1 (ru) * | 2005-10-07 | 2007-07-10 | Общество с ограниченной отвественностью "Техром" | Система управления транспортным средством |
-
2012
- 2012-07-02 RU RU2012127595/08A patent/RU2517284C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1111926A1 (ru) * | 1983-05-06 | 1984-09-07 | Предприятие П/Я А-7701 | Многоопорное транспортное средство с бортовым поворотом |
US5343971A (en) * | 1990-04-06 | 1994-09-06 | Magnet-Motor Gesellschaft fur Magnetmotorischetechnik mbH | Electric vehicle with individually controlled drive electromotors |
RU2302349C1 (ru) * | 2005-10-07 | 2007-07-10 | Общество с ограниченной отвественностью "Техром" | Система управления транспортным средством |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Г.А.СМИРНОВ, Теория движения колесных машин, Москва, Машиностроение, 1990, стр. 91. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012127595A (ru) | 2014-01-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Pérez et al. | Cascade architecture for lateral control in autonomous vehicles | |
US10518831B2 (en) | Self-powered actively steerable converter dollies for long combination vehicles | |
Pérez et al. | Trajectory generator for autonomous vehicles in urban environments | |
RU2698603C2 (ru) | Система содействия парковке транспортного средства и способ парковки | |
US9880556B2 (en) | Test method and system using a highly agile ground vehicle for intelligent vehicle testing | |
Tan et al. | Development of an automated steering vehicle based on roadway magnets-a case study of mechatronic system design | |
CN105835721A (zh) | 一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法 | |
CN101842820B (zh) | 行驶轨迹生成方法及行驶轨迹生成装置 | |
Sungwoo et al. | Easy path planning and robust control for automatic parallel parking | |
Zhang et al. | A novel steering system for a space-saving 4WS4WD electric vehicle: design, modeling, and road tests | |
Shimchik et al. | Golf cart prototype development and navigation simulation using ROS and Gazebo | |
CN109823393A (zh) | 一种智能驾驶车辆轨迹跟踪控制方法 | |
CN105083285A (zh) | 在制动情况下的紧急车道内转向辅助 | |
Chang et al. | Combined longitudinal and lateral control of vehicle platoons | |
Ordonez et al. | Modeling of skid-steered wheeled robotic vehicles on sloped terrains | |
Sharma et al. | Electronic differential for electric vehicle with single wheel reference | |
RU2517284C2 (ru) | Способ управления скоростью, положением в пространстве и направлением движения транспортного средства, реализующего схему бортового поворота и снабженнного независимыми электроприводами колес | |
Cordeiro et al. | Dynamic modeling and bio-inspired LQR approach for off-road robotic vehicle path tracking | |
Chaichaowarat et al. | Wheel slip angle estimation of a planar mobile platform | |
CN112389438A (zh) | 一种车辆转向系统传动比的确定方法及装置 | |
Turkmen et al. | Autonomous car parking system with various trajectories | |
Kim et al. | Behavior and path planning algorithm of autonomous vehicle A1 in structured environments | |
Yoon et al. | Autonomous dynamic driving control of wheeled mobile robots | |
Tee et al. | A compact design of zero-radius steering autonomous amphibious vehicle with direct differential directional drive-UTAR-AAV | |
Pradalier et al. | Path planning for a parking assistance system: Implementation and experimentation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160703 |