專利名稱：汽車自由轉向裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明設計汽車控制領域 ，尤其涉及一種汽車自由轉向裝置及方法。
背景技術：
目前汽車的轉向是通過駕駛員轉動方向盤來改變汽車前輪或后輪的方向來改變汽車的前進方向。該轉向方法依賴于駕駛員的技術，并且該轉向方法完成汽車的轉向需要低速、較大的轉向空間。如果在汽車高速行駛狀態(tài)下使用該方法進行緊急轉彎，例如近似的90度轉彎以及180度轉彎，需要駕駛員有極高的駕駛技術，如我們通常所說的漂移動作。該轉彎過程具有非常大的危險性，很容易造成車禍，絕大多數(shù)駕駛員都無法完成緊急轉彎。但是，在某些突發(fā)情況，如前方出現(xiàn)車禍、橋梁塌方等狀態(tài)下，使汽車完成緊急轉向具有非常重要的意義，它可以有效地保護駕駛員的生命安全。然而，目前尚未有有效的使汽車完成緊急轉向的控制方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有汽車轉向技術的不足，應用球形電機、倒立擺控制、陀螺效應控制汽車的轉向，提出了一種汽車自由轉向裝置及方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種汽車自由轉向裝置，它包括電源模塊、微處理器模塊、起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊；其中，所述電源模塊為微處理器模塊、起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊供電，起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊均與微處理器模塊相連；轉向球模塊固定在汽車前端的中心位置，起擺器模塊固定在汽車后輪中間位置的下方，姿態(tài)感知模塊固定在汽車尾部的中心位置。進一步地，所述微處理器模塊由ARM芯片和微處理器模塊的藍牙相連組成。進一步地,所述轉向球模塊包括轉向球模塊的基座、轉向球、球形電機轉子、球形電機定子、球形電機控制器和轉向球模塊的藍牙；其中，基座位于轉向球的上方，內有半球形空槽，轉向球部分位于該槽內，球形電機轉子位于轉向球中，球形電機定子位于基座內半球形空心槽的周圍。球形電機控制器與球形電機定子相連接，位于球形電機定子的上方；轉向球模塊的藍牙與球形電機控制器相連。進一步地，所述起擺器模塊包括控控制板、連接板、彈簧、壓縮線、直線電機、直線電機控制器、起擺器模塊的藍牙和殼體；殼體下方有一圓柱形空槽，彈簧位于該空槽內；連接板位于該空槽的出口處，控制板在連接板的上方與連接板相接觸；直線電機位于彈簧所處空槽的正上方，壓縮線的一端連接彈簧位于空槽出口處的一端，另一端連接直線電機；直線電機驅動器與直線電機連接，起擺器模塊的藍牙與直線電機控制器連接。進一步地，所述姿態(tài)感知模塊包括陀螺儀、三維加速度傳感器和姿態(tài)感知模塊的藍牙；所述陀螺儀和三維加速度傳感器均和姿態(tài)感知模塊的藍牙直接相連。一種應用上述裝置的汽車自由轉向方法，包括以下步驟(I)汽車緊急制動，汽車進入起擺狀態(tài)，轉向球觸地當需要轉向時，特別是在緊急制動時，用戶緊急踩下剎車，汽車迅速制動，此時，在汽車尾部下方的起擺器模塊中與汽車制動器相連的控制板向左移動，連接板繞O點轉動，壓縮的彈簧向外彈出，彈簧接觸到地面后，給汽車向上頂起的反作用力F。通過F的作用，汽車后輪離開地面；汽車以前輪為支點做類似杠桿運動，使轉向球模塊觸地。當轉向球模塊觸地后，汽車尾部繼續(xù)上升，汽車以轉向球模塊為支點做杠桿運動，進入起擺狀態(tài)；(2)轉向球對汽車進行調整姿態(tài)，維持在倒立擺控制的平衡位置姿態(tài)感知模塊將汽車的姿態(tài)信息發(fā)送給微處理器模塊，微處理器模塊應用倒立擺的控制方法來調整汽車的姿態(tài)，使其達到并維持在平衡位置；調整汽車姿態(tài)是通過控制轉向球模塊(I)中的球形電機實現(xiàn)的；所述倒立擺控制方法是根據(jù)汽車當前姿態(tài)與平衡位置的差值計算出轉向球模塊
(I)中球形電機的運動控制參數(shù)；通過微處理器模塊將相應的參數(shù)發(fā)送給轉向球模塊，控制球形電機轉子(14)運動，即可完成對汽車姿態(tài)的調整，使其位置維持在倒立擺控制的平衡位置；(3)轉向球驅動汽車自轉，使汽車做陀螺運動當汽車只有轉向球觸地后，微處理器模塊控制轉向球模塊驅動汽車繞自身對稱軸線迅速產(chǎn)生高速自轉，汽車開始做陀螺運動；汽車做陀螺運動以后，根據(jù)陀螺效應，物體轉動時的離心力會使自身抵抗外界的干擾而保持平衡，即一個做陀螺旋轉運動的物體會立于地面而不倒下。(4)汽車逐漸停止自轉轉，鎖定到期望的著陸姿態(tài)當汽車做穩(wěn)定陀螺運動后，通過姿態(tài)感知模塊監(jiān)測汽車是否保持在倒立擺控制的平衡位置，在汽車維持在倒立擺控制的平衡位置的前提下，微處理器模塊將控制轉向球模塊使汽車逐漸降低轉速；最后達到通過轉向球控制汽車做速度極低的穩(wěn)定、勻速自轉運動；(5)完成汽車著陸完成汽車姿態(tài)調整之后，鎖定汽車的自轉狀態(tài)；汽車停止自轉后，微處理器停止對汽車的倒立擺控制，同時通過轉向球使汽車產(chǎn)生后傾，使前輪著陸；當汽車前輪觸地后，受重力作用，汽車后輪位置將繼續(xù)下降。之后起擺器模塊伸出的彈簧相對于后輪首先接觸到地面，起到一定的緩沖、減震作用。(6)汽車回歸正常駕駛狀態(tài)汽車姿態(tài)感知模塊來確定汽車的狀態(tài)平穩(wěn)后，起擺器模塊中的電機模塊通過壓縮線壓縮彈簧，此時汽車可按正常狀態(tài)進行駕駛。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明將球形電機、倒立擺控制方法及陀螺效應應用于汽車的轉向控制，通過汽車前端的轉向球使得汽車可以完成任意角度地轉向，尤其是可以在高速狀態(tài)完成90度轉彎以及180度的急停轉向；該發(fā)明可完成高速狀態(tài)的緊急避障、制動及轉向。


圖I是本發(fā)明模塊結構示意圖圖2是本發(fā)明各個模塊位置示意圖；圖3是電源模塊結構示意圖；圖4是微處理器模塊結構示意圖；圖5是轉向球模塊結構示意圖；圖6是起擺器模塊壓縮狀態(tài)結構示意圖；圖7是起擺器模塊伸展狀態(tài)結構示意圖；、
圖8是起擺器起擺原理示意圖；圖9是姿態(tài)感知模塊結構示意圖；圖10是本發(fā)明工作流程圖；圖11是汽車運行狀態(tài)示意圖；
圖12是倒立擺控制模型示意圖；圖中，轉向球模塊I、汽車前輪2、汽車后輪3、姿態(tài)感知模塊4、起擺器模塊5、汽車
6、汽車自身的電瓶7、發(fā)電機8、兩個變壓器9、ARM芯片10、微處理器模塊的藍牙11、轉向球模塊的基座12、轉向球13、球形電機轉子14、球形電機定子15、球形電機控制器16、轉向球模塊的藍牙17、控制板18、連接板19、彈簧20、壓縮線21、直線電機22、直線電機控制器23、起擺器模塊的藍牙24、殼體25、陀螺儀26、三維加速度傳感器27、姿態(tài)感知模塊的藍牙28。
具體實施例方式如圖I所示本發(fā)明汽車自由轉向裝置包括電源模塊、微處理器模塊、起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊。電源模塊為微處理器模塊、起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊供電，起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊均與微處理器模塊相連。姿態(tài)感知模塊將數(shù)據(jù)傳送給微處理器模塊，微處理器模塊對數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送相應的指令數(shù)據(jù)給起擺器模塊和轉向球模塊。如圖2所示通過本圖示意本發(fā)明中各模塊處于汽車6的位置。其中轉向球模塊I位于汽車6前端的中心位置，起擺器模塊5位于汽車6后輪3中間位置的下方，姿態(tài)感知模塊4位于汽車6尾部的中心位置。電源模塊、微處理器模塊位置可根據(jù)需要靈活安排，沒有特定的要求。如圖3所示電源模塊包括兩個變壓器9，一個變壓器9與汽車的電瓶7連接，另一個變壓器9和汽車的發(fā)電機8連接。電瓶為7其他模塊提供直流電源，發(fā)電機8為其他模塊提供交流電源，變壓器9將電壓值轉換為其他模塊、器件所需的電壓值。如圖4所示微處理器模塊由ARM芯片10和微處理器模塊的藍牙11相連組成。ARM芯片10負責數(shù)據(jù)的處理，微處理器模塊的藍牙11負責接收其他模塊藍牙發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給ARM芯片10以及將ARM9芯片10處理結果通過微處理器模塊的藍牙11傳送給其他模塊的藍牙。如圖5所示轉向球模塊包括轉向球模塊的基座12、轉向球13、球形電機轉子14、球形電機定子15、球形電機控制器16、轉向球模塊的藍牙17 ;轉向球模塊的基座12位于轉向球13的上方，內有半球形空槽，轉向球13部分位于該槽內，部分暴露在外,球形電機轉子14位于轉向球13中,球形電機定子15位于球模塊的基座12內半球形空心槽的周圍。球形電機控制器16與球形電機定子14相連接,位于球形電機定子14的上方。轉向球模塊的藍牙17與球形電機控制器16相連，位于球形電機控制器16的旁邊。轉向球球模塊的基座12將轉向球模塊I固定于汽車前端的中心位置,轉向球模塊的藍牙17用于接收微處理器模塊發(fā)來的指令，將指令傳給球形電機控制器16，球形電機控制器16控制球形電機轉子15運動。在實際工作中，球形電機轉子15是觸地的，因而可以通過控制球形電機轉子14的運動來調整球形電機定子15以及轉向球模塊的基座12在空間中的位置。因為轉向球模塊的基座12是和汽車固定連接的，因而可以控制汽車在空間中的位置。如圖6所示起擺器模塊包括控制板18、連接板19、彈簧20、壓縮線21、直線電機22、直線電機控制器23、起擺器模塊的藍牙24、殼體25 ;殼體25下方有一圓柱形空槽,彈簧20位于該空槽內。連接板19位于該空槽的出口處，控制板18位于連接板19的左上方，在初始狀態(tài)是和連接板19相接觸的。直線電機22位于彈簧20所處空槽的正上方，壓縮線21的一端連接彈簧20位于空槽出口處的一端，另一端連接直線電機22。直線電機驅動器23與直線電機22連接，起擺器模塊的藍牙24與直線電機控制器23連接。控制板18與汽車的機械剎車裝置剛性連接，但踩下剎車時，控制板18向左移動。連接板19是可以繞O點旋轉的，在彈簧20處于壓縮狀態(tài)時，連接板19是與控制板18相接觸的。此時的彈簧20受到連接板19的阻擋作用，將處于壓縮狀態(tài)，如圖6中所示。當用戶緊急剎車時，即用力踩下剎車，則控制板18受剎車機械系統(tǒng)的作用向左移動，控制板18不再與連接板19相接觸，連接板19受彈簧20作用繞O點轉動，彈簧20將向外彈出，如圖7中所示。彈簧20觸及地面后，將會給殼體25反作用力，殼體25將該力傳給汽車的尾部。如圖8所示汽車將以前輪2為支點做類似杠桿運動，使汽車后輪3離地，轉向球模塊I觸地。當轉向球模塊I觸地后，汽車尾部繼續(xù)上升，汽車將以轉向球模塊I為支點做杠桿運動，達到起擺的效果。當需要重新壓縮彈簧20時，微處理器模塊通過微處理器模塊的藍牙11將指令發(fā)給起擺器模塊的藍牙24，接著傳給直線電機控制器23，驅動直線電機22轉動，通過纏繞的方式收縮壓縮線21，達到壓縮彈簧20的目的。當彈簧20重新回到初始的壓縮狀態(tài)時，直線電機22停止工作，受連接板19的作用，彈簧21將重新回到壓縮狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)。如圖9所示姿態(tài)感知模塊包括陀螺儀26、三維加速度傳感器27、姿態(tài)感知模塊的藍牙28 ;陀螺儀26和三維加速度傳感器27均和姿態(tài)感知模塊的藍牙28直接相連。陀螺儀26可以直接輸出陀螺儀載體角度、角速度等變量，三維加速度傳感器27可輸出傳感器載體的三維加速度值，通過藍牙28，將陀螺儀26和三維加速度傳感器27獲得的參數(shù)值傳給微處理器模塊。如圖10和11所示，本發(fā)明不限速的汽車自由轉向控制方法，包括以下步驟I、汽車緊急制動，汽車進入起擺狀態(tài)，轉向球觸地。汽車在正常行駛的狀態(tài)如圖2中①所示。當需要轉向時，特別是在緊急制動時，用戶緊急踩下剎車，汽車迅速制動。如圖5所示此時，在汽車尾部下方的起擺器模塊中與汽車制動器相連的控制板18向左移動。由于連接板19是可以繞ο點轉動，當制動板18和連接板19不再接觸時，壓縮的彈簧20將不再受到連接板19的控制，向外彈出。彈簧20接觸到地面后，給汽車向上頂起的反作用力F。通過F的作用，汽車后輪將離開地面。如圖8中所示汽車將以前輪為支點做類似杠桿運動，使轉向球觸地。當轉向球觸地后，汽車尾部繼續(xù)上升，汽車將以轉向球模塊為支點做杠桿運動，達到起擺的效果。汽車狀態(tài)如圖11中②，進入起擺狀態(tài)。2、轉向球對汽車進行調整姿態(tài)，維持在倒立擺控制的平衡位置。如圖2，轉向球模塊2位于汽車6的前端。轉向球模塊2內包含球形電機，其中球、形電機定子15位于轉向球模塊的基座12內，球形電機轉子14位于轉向球13中。球形電機轉子14可以在球形電機控制器16的控制下精確地實現(xiàn)多自由度的旋轉?？紤]摩擦，采用卡爾丹角進行旋轉變換，并結合拉格朗日第2類方法建立一種永磁球形電機動力學方程進行舉例J(f])q + €((iJi)q + f(q) = T(I)
其中，
i Jt cos' β +J1 sin2 β O J2 sin/ IJUD = I0J1 0(2)
j J-, sin β 0 Λ J[ (u€(q,q) = \ C1 C22 C25(3)
I c C C :
Lv- 31 、32 、33 _/(f) = kxq + kc sgn(f)(4)τ = [ τ a. τ 0. τ y]T(5)世界坐標系為xyz,旋轉坐標系為dqp,兩坐標系原點重合。其中q = [ α . β . γ ]7為廣義位移因子；J(q)為球形電機轉子慣性矩陣J1為經(jīng)坐標變換后動坐標系下x、y軸的轉動慣量J2為Z軸的轉動慣量，C(i/4)為哥氏力、離心力矩陣；/(f)為摩擦項，由粘性摩擦和庫侖摩擦組成，kv, k。分別為其矩陣系數(shù)；τ為驅動力矩向量。式(3)中的子變量分別為
:^ll - (J2 _ Ji 嗌11 βcm βCp = (J2 - J1 ) sin β cos / + 去 J2 f cos β
.rB =^2β^β
I
Cn = (J1 - Λ ) sin/ cos β——J^ycosp一 2< C22=O
C ” =--Jidf COS β
'<η=^2β€0$β ，I
:.Cp = —J^cqsPIQ3 = O當轉向球觸地后，通過汽車內置的姿態(tài)感知模塊來獲得汽車當前的狀態(tài)參數(shù)。姿態(tài)感知模塊內包含可輸出角度、角速度等變量的陀螺儀以及可輸出三維加速度值的加速度傳感器，同時姿態(tài)感知模塊直接輸出的是數(shù)字化的汽車狀態(tài)參數(shù)，并將這些參數(shù)傳給微處理器模塊。利用得到的這些參數(shù)，應用倒立擺的控制方法，通過微處理器模塊控制球形電機的工作，調整汽車的姿態(tài)，保證汽車迅速做到并保持只有轉向球觸地的與地面垂直狀態(tài)，即倒立擺控制的平衡位置，如圖4中③、④、⑤所示均為平衡位置。在本發(fā)明中，車身為倒立擺控制方法中的擺桿。在本發(fā)明中，我們要求倒立擺實現(xiàn)多自由度的調節(jié)，在這里以平面倒立擺為例進行控制原理的介紹平面倒立擺的力學模型見圖12，其受
權利要求
1.一種汽車自由轉向裝置，其特征在于，它包括電源模塊、微處理器模塊、起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊等；其中，所述電源模塊為微處理器模塊、起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊供電，起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊均與微處理器模塊相連；轉向球模塊固定在汽車前端的中心位置，起擺器模塊固定在汽車后輪中間位置的下方，姿態(tài)感知模塊固定在汽車尾部的中心位置。
2.根據(jù)權利要求I所述汽車自由轉向裝置，其特征在于，所述微處理器模塊由ARM芯片(10)和微處理器模塊的藍牙(11)相連組成。
3.根據(jù)權利要求I所述汽車自由轉向裝置，其特征在于，所述轉向球模塊包括轉向球模塊的基座(12)、轉向球(13)、球形電機轉子(14)、球形電機定子(15)、球形電機控制器(16)和轉向球模塊的藍牙(17)等；其中，基座(12)位于轉向球(13)的上方，內有半球形空槽，轉向球(13)部分位于該槽內，球形電機轉子(14)位于轉向球(13)中，球形電機定子(15)位于基座(12)內半球形空心槽的周圍；球形電機控制器(16)與球形電機定子(14)相連接，位于球形電機定子(14)的上方；轉向球模塊的藍牙(17)與球形電機控制器(16)相連。
4.根據(jù)權利要求I所述汽車自由轉向裝置，其特征在于，所述起擺器模塊包括控制板(18)、連接板(19)、彈簧(20)、壓縮線(21)、直線電機(22)、直線電機控制器(23)、起擺器模塊的藍牙(24)和殼體(25)等；殼體(25)下方有一圓柱形空槽，彈簧(20)位于該空槽內；連接板(19)位于該空槽的出口處，控制板(18)在連接板(19)的上方與連接板(19)相接觸；直線電機(22 )位于彈簧(20 )所處空槽的正上方，壓縮線(21)的一端連接彈簧(20 )位于空槽出口處的一端，另一端連接直線電機(22);直線電機驅動器(23)與直線電機(22)連接，起擺器模塊的藍牙(24)與直線電機控制器(23)連接。
5.根據(jù)權利要求I所述汽車自由轉向裝置，其特征在于，所述姿態(tài)感知模塊包括陀螺儀(26)、三維加速度傳感器(27)和姿態(tài)感知模塊的藍牙(28)等；所述陀螺儀(26)和三維加速度傳感器(27)均和姿態(tài)感知模塊的藍牙(28)直接相連。
6.一種應用權利要求I所述裝置的汽車自由轉向方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)汽車緊急制動，汽車進入起擺狀態(tài)，轉向球觸地當需要轉向時，特別是在需緊急轉向時，用戶緊急踩下剎車，汽車迅速制動，此時，在汽車尾部下方的起擺器模塊中與汽車制動器相連的控制板(18)向左移動，連接板(19)繞ο點轉動，壓縮的彈簧(20)向外彈出，彈簧(20)接觸到地面后，給汽車向上頂起的反作用力F ;通過F的作用，汽車后輪離開地面；汽車以前輪為支點做類似杠桿運動，使轉向球模塊觸地；當轉向球模塊觸地后，汽車尾部繼續(xù)上升，汽車以轉向球模塊為支點做杠桿運動，進入起擺狀態(tài)； (2)轉向球對汽車進行調整姿態(tài)，維持在倒立擺控制的平衡位置姿態(tài)感知模塊將汽車的姿態(tài)信息發(fā)送給微處理器模塊，微處理器模塊應用倒立擺的控制方法來調整汽車的姿態(tài)，使其達到并維持在平衡位置；調整汽車姿態(tài)是通過控制轉向球模塊(I)中的球形電機實現(xiàn)的；所述倒立擺控制方法是根據(jù)汽車當前姿態(tài)與平衡位置的差值計算出轉向球模塊(I)中球形電機的運動控制參數(shù)；通過微處理器模塊將相應的參數(shù)發(fā)送給轉向球模塊，控制球形電機轉子(14)運動，即可完成對汽車姿態(tài)的調整，使其位置維持在倒立擺控制的平衡位置；(3)轉向球模塊驅動汽車自轉，使汽車做陀螺運動當汽車只有轉向球觸地后，微處理器模塊控制轉向球模塊驅動汽車繞自身對稱軸線迅速產(chǎn)生高速自轉，汽車開始做陀螺運動；汽車做陀螺運動以后，根據(jù)陀螺效應，物體轉動時的離心力會使自身抵抗外界的干擾而保持平衡，即一個做陀螺旋轉運動的物體會立于地面而不倒下； (4)汽車逐漸停止自轉轉，鎖定到期望 的著陸姿態(tài)當汽車做穩(wěn)定陀螺運動后，通過姿態(tài)感知模塊監(jiān)測汽車是否保持在倒立擺控制的平衡位置，在汽車維持在倒立擺控制的平衡位置的前提下，微處理器模塊將控制轉向球模塊使汽車逐漸降低轉速；最后達到通過轉向球控制汽車做速度極低的穩(wěn)定、勻速自轉運動； (5 )完成汽車著陸完成汽車姿態(tài)調整之后，鎖定汽車的自轉狀態(tài)；汽車停止自轉后，微處理器停止對汽車的倒立擺控制，同時通過轉向球使汽車產(chǎn)生后傾，使前輪著陸；當汽車前輪觸地后，受重力作用，汽車后輪位置將繼續(xù)下降；之后起擺器模塊伸出的彈簧相對于后輪首先接觸到地面，起到一定的緩沖、減震作用； (6 )汽車回歸正常駕駛狀態(tài)汽車姿態(tài)感知模塊來確定汽車的狀態(tài)平穩(wěn)后，起擺器模塊中的直線電機通過收縮壓縮線壓縮彈簧，此時汽車可按正常狀態(tài)進行駕駛。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種汽車自由轉向裝置，它包括電源模塊、微處理器模塊、起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊；其中，所述電源模塊為微處理器模塊、起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊供電，起擺器模塊、轉向球模塊和姿態(tài)感知模塊均與微處理器模塊相連；轉向球模塊固定在汽車前端的中心位置，起擺器模塊固定在汽車后輪中間位置的下方，姿態(tài)感知模塊固定在汽車尾部的中心位置；本發(fā)明將球形電機、倒立擺控制方法及陀螺效應應用于汽車的轉向控制，通過汽車前端的轉向球使得汽車可以完成任意角度地轉向，尤其是可以在高速狀態(tài)完成90度轉彎以及180度的急停轉向。
文檔編號B62D15/00GK102745230SQ20121025850
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權日2012年7月25日
發(fā)明者孟濬, 朱天宇, 陳嘯 申請人:浙江大學