一种三自由度转向方法及系统与流程

1.本发明涉及车辆工程技术领域，具体涉及一种三自由度转向方法及系统。


背景技术：

2.如今，越野机器人越来越多地被用于执行消防、救灾、地形侦查等危险任务，而转向系统作为机器人底盘设计的重点，直接决定着机器人的灵活性及任务成败。
3.现有的越野机器人主要采用转速差的方式来实现车辆的灵活性，虽然具有一定的灵活性但速度普遍较慢，这是因为功率被多个发动机拆散，提升不了功率，所以速度提升不上去。这也是为什么同样依靠转速差转向的坦克不用两台发动机简化结构的原因；因为同质量下一台原动机功率远远大于两台原动机，相比之下，哪怕运用复杂切机械效率很低的双流传动差速机构也比两台发动机输出功率大，但越野机器人不适合使用复杂的双流传动差速机构，所以总功率低，从而导致跑的速度慢。
4.而为了达到动力强劲（功率大）的特点，本发明提出了一种新型车辆转向系统及方法，使车辆可以提升功率，拥有强劲的动力，从而达到高速运行。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中的不足，提供一种三自由度转向方法及系统，使车辆可以提升功率，拥有强劲的动力，从而达到高速运行的特点。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种三自由度转向系统，包括控制系统、车架、动力电机、转向轮组、驱动轮组；所述驱动轮组包括第一驱动轮、第二驱动轮、差速器，所述动力电机输出轴通过联轴器连接差速器输入轴，差速器输出轴通过联轴器分别连接第一驱动轮轴和第二驱动轮轴；所述转向轮组包括第一转向轮、第二转向轮、第一转向电机、第二转向电机；第一转向轮轴通过联轴器连接第一转向电机输出轴，第二转向轮轴通过联轴器连接第二转向电机输出轴；所述控制系统通过pwm波调节动力电机、第一转向电机、第二转向电机的转速；所述控制系统、动力电机、差速器、第一转向电机、第二转向电机均安装在车架上。
7.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，所述驱动轮组的数目大于或等于1，且每组驱动轮组的差速器均适配于动力电机；所述转向轮组的数目大于或等于1。
8.进一步地，所述动力电机功率是转向电机功率的10倍以上。
9.进一步地，所述动力电机和转向电机采用直流电机或步进电机。
10.进一步地，所述差速器的锁紧系数k=1.05～1.3或k=1.4～1.5。
11.进一步地，车辆直线行驶时，第一转向电机转速=第二转向电机转速=第一驱动轮
转速=第二驱动轮转速=动力电机转速/差速器传动比。
12.进一步地，基于如权利要求1
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6任一所述系统的一种三自由度转向方法，当车辆左转时，第一转向电机转速小于第二转向电机转速，动力电机持续输出，同时差速器给第一驱动轮和第二驱动轮之间提供差速，使车辆实现左转弯；当车辆右转时，第一转向电机转速大于第二转向电机转速，动力电机持续输出，同时差速器给第一驱动轮和第二驱动轮之间提供差速；使车辆实现右转弯；当车辆原地转向时，动力电机停止输出，第一转向电机转速和第二转向电机的转向相反，且第一转向电机转速和第二转向电机转速相同，从而使第一转向轮和第二转向轮之间形成差速，使车辆实现原地转向。
13.本发明的有益效果是：1、与现有的越野机器人车辆相比，本发明中动力电机功率通常是转向电机功率的10倍以上，通过将动力电机作为主要动力输出，转向电机主要作为转向作用的布局，可以提高整体车辆的功率，从而提高整体车辆的速度；通过简单的布局就可以解决现有车辆不能更好的提升速度的问题，具有广泛的应用前景。
14.2、同时车辆达到高灵活性且动力强劲（功率大）的特点，与四轮差速车辆相比都拥有几乎任意转变转向半径与转向中心的功能，通过转向电机、驱动轮组、转向轮组、控制系统等的协同作用，可以实现车辆的灵活转向。
附图说明
15.图1为本发明整体结构示意图。
16.图2为本发明整体结构平面示意图。
17.图3为本发明计算个车轮前进速度示意图。
18.图中，1、第一驱动轮，2、第二驱动轮，3、差速器，4、第一转向轮，5、第二转向轮，6、第一转向电机，7、第二转向电机，8、动力电机，9、车轮总矢量方向速度，10、车轮前进速度，11、车架，12、转向中心。
具体实施方式
19.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
20.本发明涉及一种三自由度转向方法及系统，提供以下技术内容：车辆直行时，四个车轮（第一驱动轮1、第二驱动轮2、第一转向轮4、第二转向轮5）转速相同（车轮大小相同），动力电机8的转速由差速器3内的传动比确定；当车辆左转时，左侧第一转向电机6减速，同时差速器3提供差速，车辆向左转弯；右转则同理。若要原地转向，则由第一转向电机6和第二转向电机7之间直接提供差速，动力电机8不转动。则可以以前轮轴中心（第一转向轮中心和第二转向轮中心连心的中点）作为转向中心12进行转向（若轴距与轮距的比值较小，则转向中心在车辆轴距中心处）；此方案中共设有3个电机，且均固定在车架11上，其中两个小功率电机（第一转向电机6、第二转向电机7）用于转向（提供令差速器3提供转速差所需的力矩），大功率电机（动力电机8）用于提供动力。
21.第一转向电机6、第二转向电机7分别与第一转向轮4轴、第二转向轮5轴之间可利
用联轴器连接，动力电机8和差速器3输入轴可利用联轴器连接，差速器3输出轴与后轮轴（第一驱动轮1轴、第二驱动轮2轴）可利用联轴器连接。
22.使用减速电机（第一转向电机6，第二转向电机7）时，车轮转速或差速器3输入轴转速按减速电机输出轴确定（可参考下文转向中心12的内容）。
23.车辆底盘可以无具体前后之分，即由差速器3半轴驱动的车轮也可以是前轮。此转向结构难以将转向中心置于驱动轮轴的中心附近，因为无法单纯利用后轮提供转向自由度，但普通的四轮差速结构也很少利用此点作为转向中心，且以此点作为转向中心时，前轮的横向位移较大会严重磨损车轮。
24.控制系统由pwm波控制，避免了car
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like模型中舵机至车轮转向中的非线性因素。其中控制系统包括控制器和驱动模块，控制器根据项目要求而定。小型项目控制器可以直接采用单片机，如业界常用的stm32、nxp系列等通过硬件方式输出pwm波，并通过驱动模块传输给电机。若项目对算法和实时性要求较高，如机器视觉、实时数据传输，则可以采用处理器作为控制器，如今有树莓派、专用于视觉的英伟达jetson系列套件等通过软件方式输出pwm波，并通过驱动模块传输给电机。驱动模块常用有l298n，ir2104s等等。其中由于l298n在驱动高压电机时存在发热严重、电流容忍和动力不足的问题，一般采用mos管驱动电路，如我们常用ir2104s芯片搭建电路。
25.转向精度要求较低时，电机（动力电机8、第一转向电机6、第二转向电机7）使用普通直流电机，并基于pwm波调速，转向精度要求较高时，可用步进电机。
26.车轮几何中心可安装编码器，用于闭环控制，根据编码器实时获取各个车轮的速度，在车辆转弯时，可以根据车轮的速度调节动力电机8、转向电机（第一转向电机6、第二转向电机7）的转速从而使车轮的速度在最佳临界值，达到最好的转向效果。
27.车辆直行时（第一转向轮、第二转向轮、第一驱动轮、第二驱动轮四个车轮直径均相同），第一转向电机6转速=第二转向电机7转速=动力电机8转速/差速器3传动比，若难以配平，则可将前后轮设置为不同直径以得到相同的线速度。
28.动力电机8的功率通常为转向电机的十倍以上。
29.转向方案中的3个自由度分别体现在，1：车轮可前后移动，2：车轮可进行任意半径转向，3：车轮转向中心可前后移动。
30.若要进行越野行驶则需使用限滑差速器。差速器3的锁紧系数k需较小，k越小，则动力电机8功率与转向电机的功率比值的许用值最大值越大（也在一定程度上提高了机械效率）；其中，当车辆用于平地等较理想状态下运行时，锁紧系数k=1.05~1.3，当车辆用于越野等环境下运行时，锁紧系数k=1.4~1.5，且最好不使用限滑差速器。
31.驱动轮组和转向轮组的数量可以增加，若对转向灵活性要求较高可增加转向轮组，驱动轮组的数量也可以增加，但是每一组驱动轮组的差速器都是适配同一个动力电机8（适配方式与现有技术一样，一般差速器三个接口，当只有一个驱动轮组时，差速器输入接口接动力电机输出轴，差速器另外两个接口接第一驱动轮轴和第二驱动轮轴；当驱动轮组为两个时，需要3个差速器，首先动力电机输出轴连接第一个差速器的输入接口，第一个差速器的两个输出接口分别连接第二个差速器的输入接口和第三个差速器的输入接口，而第二个差速器的两个输出接口和第三个差速器的两个输出接口分别连接各自的第一驱动轮和第二驱动轮，一次类推可以增加多个驱动轮组，但都是适配同一个动力电机）。当车辆使
用六个轮子时，若对灵活性要求较低时，前两轮依然是由转向电机，此时分为两种情况，若对动力要求较小，可中间两轮可无输入，后两轮则使用动力电机输入；若对动力要求较高，则利用三个差速器将动力传递至后四个车轮。对灵活性要求较高时，最前两轮和最后两轮都由转向电机输入，此时可像四轮差速模型一样转向中心既可在车辆前轮轴中心附近，也可在车辆后轮轴中心附近，也可在车辆中心轻松转向（阻力矩减小了），八轮车辆也类似，只是利用更多的差速器提高总着地力。
32.参考图1
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2，一种三自由度转向系统及方法，包括第一驱动轮1，第二驱动轮2，差速器3，第一转向轮4，第二转向轮5，第一转向电机6，第二转向电机7，动力电机8，车架11。图1只是示例，车轮的数目可以不限于四个，且动力电机8可以将动力传至前轮（此时转向电机为后轮提供动力）。
33.当车轮正常左转时，第一转向轮4与第二转向轮5速度之和（即前轮速度的总和）=第一驱动轮4与第二驱动轮2速度之和（即后轮速度的总和），左侧第一转向电机6减速，利用产生的力矩使离合器提供差速，从而使车辆向左转弯。（此时转向中心在车辆结构中心所在的横向线上，转向半径取决于差速，若要使转向中心前于（后于）车辆结构中心所在的横向线，则需要改变前轮与后轮的转速差，即第三个自由度；若第一转向轮4与第二转向轮5速度之和（即前轮速度的总和）>第一驱动轮4与第二驱动轮2速度之和（即后轮速度的总和），则转向中心后移；反之转向中心向前移动）。
34.当车轮正常右转时，第一转向轮4与第二转向轮5速度之和（即前轮速度的总和）=第一驱动轮4与第二驱动轮2速度之和（即后轮速度的总和），右侧第二转向电机7减速，利用产生的力矩使离合器提供差速，从而使车辆向右转弯。（此时转向中心在车辆结构中心所在的横向线上，转向半径却取决于差速，若要使转向中心前于（后于）车辆结构中心所在的横向线，则需要改变前轮与后轮的转速差，即第三个自由度；若第一转向轮4与第二转向轮5速度之和（即前轮速度的总和）>第一驱动轮4与第二驱动轮2速度之和（即后轮速度的总和），则转向中心后移；反之转向中心向前移动）。
35.当车辆原地转向时，动力电机8停止输出，且第一转向电机6和第二转向电机7之间转向相反，且转速相同，从而使第一转向轮4和第二转向轮5之间形成差速，从而使车辆达到原地转向的效果。
36.本发明主要改进点在于提升车辆的整体功率，车辆灵活性的实现基于现有技术，例如现有的四轮差速模型中的机器小车，具体原理可参考图3，预先设定转向中心12的位置，根据转向中心12的位置到每个车轮中心位置的距离，从而预先确定每个车轮在转向时车轮总矢量方向速度9（因为轮胎总矢量方向速度9与转向中心12到轮胎中心的连线是垂直的，从而确定车轮总矢量方向速度9的方向；而车轮总矢量方向速度9的大小与车轮中心到转向中心12的距离成比例关系，因此可以确定车轮总矢量方向速度9的大小），该速度在车辆直行时方向的分量，即为车轮前进速度10（通过勾股定理计算，将车轮总矢量方向速度9乘以车辆直行方向的夹角，得出车轮的前进速度），所以只要在车辆转弯时，根据预先设定的转向中心12位置，控制好车轮的前进速度，就可以实现车辆的开环转向；而车轮的前进速度由动力电机8输出、差速器3传动比、第一转向电机6转速、第二转向电机7转速共同决定。因此，在预先设定好转向中心12后（实际上也就同时预先设定好车轮总矢量方向速度9、转弯时转向电机的转速和动力电机8的输出等），从而在实际转弯时，车辆按照这些设定好的
参数运行达到最合理的转向过程，避免转向不完全。图3为预先设定车辆在左转时的转向中心12。同理，车辆在右转时，预先设定转向中心12在车辆右侧的一处，从而预先设定第一转向电机6转速、第二转向电机7转速、动力电机8的输出等。
37.需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
38.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。