CN108820073B - 基于磁悬浮的球轮车结构装置及集成控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁悬浮的球轮车结构装置及集成控制方法，其组成包括：座椅内圈（1）、显示器中圈（2）、定子外圈（3）、磁极转子（4），所述座椅内圈（1）通过转动轴与显示器中圈（2）连接，所述显示器中圈（2）通过转动轴与定子外圈（3）连接，所述定子外圈（3）通过磁悬浮技术与磁极转子（4）连接，本发明主要设计一款适用于平原、丘陵地区大部分路面情况的球轮车。
Description
技术领域
本专利涉及智能车技术领域，主要涉及磁悬浮技术、轮毂电机技术以及陀螺仪原理以及遗传算法在智能车领域的应用。提高了驾驶稳定性，解决了能源问题及污染问题，增加了驾驶安全性，增加了驾驶趣味性。
背景技术
在科技高速发展的今天，人们对出行的舒适性、便捷性的要求越来越高，随着汽车行业的高速发展以及经济的繁荣，汽车已然成为了几乎每个家庭必备的交通工具。然而汽车在方便人们出行的同时，亦造成了严重的交通拥挤和空气污染。人们对环境保护的认识逐渐加深，新能源的概念渐渐出现在大众的视野。传统的传动方式是动力从驱动电机出发，经过主减速器、机械差速器、双万向节最后传到车轮，机械效率损失在12％左右，现有的独轮车主要是通过机械式连接，其中以齿轮链接最为常见，这样的连接方式会导致能量的损失以及噪声污染。由于现有车型的外观限制，目前的汽车主要采用安全带与安全气囊结合的方式，但是在事故发生时还是避免不了对驾驶人员和乘坐人员的伤害。在车辆行驶时，视野是至关重要的一部分，无死角的视野可以避免很多事故的发生。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出基于磁悬浮的球轮车结构装置及集成控制方法.
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：基于磁悬浮的球轮车结构装置，它包括座椅内圈、显示器中圈和轮毂电机，所述轮毂电机包括定子外圈和磁极转子，所述座椅内圈、显示器中圈和定子外圈以陀螺仪的方式相连，所述磁极转子通过磁悬浮技术与定子外圈相连，所述显示器中圈与外置摄像头相连。
更进一步的，所述座椅内圈位于最内侧并具有X轴自由度。
更进一步的，所述磁极转子与轮胎相连。
本发明还提供了基于磁悬浮的球轮车结构装置的集成控制方法，它包括集成控制层和控制分配层，所述集成控制层包括参考模型、集成控制层约束设定和有约束集成控制单元，所述控制分配层包括有约束控制分配单元、控制分配层约束设定和转角计算单元，它包括以下步骤：
步骤一：车辆的执行器控制单元和传感器将车轮纵向驱动力矩Ti、角速度ωi、车身前进方向加速度ax、侧向加速度ay和横摆角速度r传递至状态估算模块，通过状态估算模块计算当前车辆的前进方向车速状态vx和侧向车速状态vy以及当前所处路面的前进方向附着系数μl和转角附着系数μr；
步骤二：状态估算模块将前进方向附着系数μl和转角附着系数μr分别传递至参考模型、集成控制层约束设定和控制分配层约束设定，将前进方向车速状态vx、侧向车速状态vy和横摆角速度r传递至有约束集成控制单元；
步骤三：通过驾驶员的操作将转向角δf和加速制动信号Kp传递至参考模型，参考模型根据状态估算模块提供的数据计算车辆前进方向参考车速vxd、侧向参考车速vyd及参考横摆角速度rd并将信号传递至有约束集成控制单元；
步骤四：有约束集成控制单元根据参考模型提供的参考量与前进方向车速状态vx、侧向车速状态vy和横摆角速度r之间的差值，在有约束集成控制单元在集成控制层约束设定范围内采用滚动有缘方法计算出车辆三个方向的控制力或控制力矩∑Fx、∑Fy和∑Mz并将数据传递至有约束控制分配单元；
步骤五：有约束控制分配单元以最小轮胎负荷率为优化目标，根据控制分配层约束设定将车辆三个方向的控制力或控制力矩∑Fx、∑Fy和∑Mz进行优化，得到纵向的轮胎力Fxi和侧向的轮胎力Fyi，将纵向的轮胎力Fxi传递至车辆，将侧向的轮胎力Fyi传递至转角计算单元，转角计算单元根据侧向的轮胎力Fyi计算车轮的目标转角δi并传递至车辆。
更进一步的，所述状态估算模块包括UKF状态估算单元和路面附着探测器，所述UKF状态估算单元计算当前车辆的前进方向车速状态vx和侧向车速状态vy，所述路面附着探测器计算当前所处路面的前进方向附着系数μl和转角附着系数μr，所述UKF为无损卡尔曼滤波。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明应用电能作为能源，根据轮毂电机原理，实现了无污染、高效率的新型概念车。轮毂电机的优点在于可以提高机械效率，减少能量传输过程中的损失，而轮毂电机则是动力从轮毂电机出发经过减速器传到车轮，损失的效率仅仅在7％左右，约比单电机大功率几种驱动节能5％。这样可以提高能源利用率，极大程度上实现节能环保的要求，而且增加的动力输出的稳定性，故障检测的工作量也降到了最低。本专利利用磁悬浮技术将磁极转子和定子外圈连接在一起，这样不仅仅增加了能量的传输，也避免了噪声污染，同时也提高了传动效率。降低了传动时的能量损失。本车应用陀螺仪原理，使驾驶室可以实现各个角度的旋转，当事故发生时，可以以旋转的方式来减少各个方向的冲击，可以最大限度的保证驾乘人员的安全。而且，驾驶员的位置是在整个轮胎内，这样更减少了碰撞时的冲击。本专利使用四个摄像头，彻底消除车辆周围的视觉盲点，实现全车实时影像的收集，确定周围的行驶环境，增加驾驶安全性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是陀螺仪示意图；
图3是磁悬浮连接示意图；
图4是座椅内圈示意图；
图5是显示器中圈示意图；
图6是定子外圈示意图；
图7是磁极转子示意图；
图8集成控制流程图；
图中，1—座椅内圈，2—显示器中圈，3—定子外圈，4—磁极转子。
具体实施方式
本发明基于磁悬浮的娱乐代步独轮车结构装置的具体工作过程如下：
1)本专利使用1120节NCR18650A型电池串并联作为球轮车的动力来源；位置在座椅下部，可以有效的节约空间，并且保证动力充足且稳定；
2)路况信息通过外置摄像头收集，实时传送到显示器中圈2的显示器上，通过路面附着探测器等传感器接收路面信息以及车辆的自身信息，再通过集成控制，控制两个车轮的同步或异步运动，方便车内驾驶员明确实时路况，保证驾驶的便捷性和安全性；
3)球轮车的速度依靠电流强弱的改变而改变，车速的参考主要来源与外部摄像头收集的周围车辆速度以及路段限速；球轮车的转向由控制两侧电流的强弱差来实现，转向角主要参考车辆的实时速度以及转向路口的角度；
4)本专利利用磁悬浮技术将磁极转子4和定子外圈3连接在一起，这样不仅仅增加了能量的传输，也避免了噪声污染，同时也提高了传动效率，降低了传动时的能量损失，而且能够减小车辆运行过程中的振动，增加车辆的稳定性。
5)本专利将陀螺仪的原理与车辆的座椅、显示器以及电机定子相结合，既能充分的发挥陀螺仪各个方向旋转的特性，也能充分的利用各个位置，使车辆结构简单且功能强大；另一方面，由于陀螺仪本身的特点，可以有效的增强车辆结构的稳定性，增加车辆的强度。
基于磁悬浮的球形草地观光车结构装置，如图1所示。是一种可实现无污染、高效率的新型概念车，该装置包括：座椅内圈1、显示器中圈2、定子外圈3、磁极转子4，其特征在于，所述座椅内圈、显示器中圈、定子外圈参考陀螺仪连接方式连接，所述磁极转子通过磁悬浮技术与定子外圈连接。
座椅内圈1：位于整个结构装置的最内侧。由于驾驶过程中无可避免的会出现走走停停的情况发生，所以本专利将座椅内圈设计成X轴自由度的形式，这样可以一定程度的提高驾驶的舒适性；在发生碰撞时也可以减少前后的冲击力，这样也可以一定程度的提高驾驶的安全性。
显示器中圈2：拍摄到的路况信息以及车辆周围的情况将实时传送到显示器，用以消除视觉盲区，方便驾驶员明确路况信息。这样驾驶员只看显示器就可以了解周围情况，不必像传统车辆一样，需要观察多个位置，减少驾驶员精力的浪费，可以一定程度的增加驾驶员的驾驶时间，并且保证驾驶的安全性。
定子外圈3：轮毂电机主要由定子、转子以及微逆变器组成，本专利中的电子与转子以磁悬浮形式连接，车速、转向、制动等均通过改变定子外圈的电流来控制，操作简单方便，对驾驶技巧无特殊要求，使驾驶员更加容易上手。
磁极转子4：轮毂电机的特点在于扭矩大、转速较低，而由磁极转子直接带动轮胎，可以充分发挥轮毂电机的特性，而且在加速、转向、制动的控制也可以简单很多，只需要改变线圈中的电流强度或方向就可以达到目的。
本发明应用电能为能源，通过改变定子外圈3的电流强度控制速度、转向，通过改变电流方向实现制动；显示器中圈2的显示器将实时接收外置摄像头拍摄到的路况信息以及车辆的情况，方便驾驶员操作，由于驾驶过程中只需要关注显示器，这就在一定程度上缓解了驾驶员的疲劳；本专利利用陀螺仪原理，这就能很好的车辆在行驶过程中保证驾驶室的稳定性，也能保证了驾驶人员的全方位旋转，以减小速度变化时的冲击以及在碰撞过程中保护驾驶员安全；本专利的定子和转子采用磁悬浮方式连接，这样可以减少车辆运行是的振动，减少连接间的摩擦节省能源。本专利可以实现无污染、高效率的智能独轮车的研制开发。本专利采用分层控制方法设计驱动、制动和转向的集成控制。其流程如图8所示。其中驾驶员通过外部摄像头了解车外的路况信息，通过路面附着探测器、胎压传感器等传感器了解车辆的运行情况，能让驾驶员进行最有效的操作。
其中δf，Kp分别为驾驶员给定的转向角和加速、制动程度；vxd，vyd，rd是由理想参考模型根据驾驶员操作计算获得的车辆前进方向参考车速、侧向参考车速及参考横摆角速度；∑Fx，∑Fy，∑Mz是有约束继承控制单元优化获得的整车控制量；Fxi，Fyi为控制分配单元优化计算得到的两个车轮的前进方向和侧向轮胎力；Ti，ωi，ax，ay，r分别为从执行器控制单元和传感器获得的各个车轮纵向驱动力矩、角速度、车身前进方向加速度、侧向加速度及横摆角速度；另外vx，vy，r是UKF状态估算单元估计的当前车辆状态；μl，μr为路面附着观测器获得的各车轮当前所处路面的附着系数。
集成控制算法实际包括两个主要的功能模块：即集成控制层和控制分配层。
集成控制层的作用是实现整车控制量的计算，主要由参考模型、集成控制层约束设定和有约束集成控制单元三哥部分组成。理想参考模型符合驾驶员理想操纵特性，根据驾驶员操作δf，Kp计算出当前车辆参考车速vxd，vyd和参考横摆角速度rd；有约束集成控制单元根据这些参考状态量与UKF估算单元输出的车辆当前状态量vx，vy，r之间的差值，在集成控制层约束范围内采用滚动有缘方法计算出整车的控制力或力矩∑Fx，∑Fy，∑Mz。
控制分配层则完全对整车控制力或力矩的优化分配，主要奥扩约束控制分配单元、控制分配层约束设定和转角计算单元。有约束控制分配单元以最小轮胎负荷率为优化目标，根据控制分配层榆树条件优化得到各车轮在纵向和侧向的目标轮胎力Fxi，Fyi。转角计算模块则根据侧向的目标轮胎力推算各车轮的目标转角δi。
另外，集成控制算法中所用到的当前车辆状态和路面附着系数分别由UKF转台估算单元和路面附着观测器获得，所述UKF为无损卡尔曼滤波。
Claims (5)
1.基于磁悬浮的球轮车结构装置，其特征在于：它包括座椅内圈(1)、显示器中圈(2)和轮毂电机，所述轮毂电机包括定子外圈(3)和磁极转子(4)，所述座椅内圈(1)、显示器中圈(2)和定子外圈(3)以陀螺仪的方式相连，所述磁极转子(4)通过磁悬浮技术与定子外圈(3)相连，所述显示器中圈(2)与外置摄像头相连。
2.根据权利要求1所述的基于磁悬浮的球轮车结构装置，其特征在于：所述座椅内圈(1)位于最内侧并具有X轴自由度。
3.根据权利要求1所述的基于磁悬浮的球轮车结构装置，其特征在于：所述磁极转子(4)与轮胎相连。
4.一种如权利要求1所述的基于磁悬浮的球轮车结构装置的集成控制方法，其特征在于：它包括集成控制层和控制分配层，所述集成控制层包括参考模型、集成控制层约束设定和有约束集成控制单元，所述控制分配层包括有约束控制分配单元、控制分配层约束设定和转角计算单元，它包括以下步骤：
步骤一：车辆的执行器控制单元和传感器将车轮纵向驱动力矩Ti、角速度ωi、车身前进方向加速度ax、侧向加速度ay和横摆角速度r传递至状态估算模块，通过状态估算模块计算当前车辆的前进方向车速状态vx和侧向车速状态vy以及当前所处路面的前进方向附着系数μl和转角附着系数μr；
步骤二：状态估算模块将前进方向附着系数μl和转角附着系数μr分别传递至参考模型、集成控制层约束设定和控制分配层约束设定，将前进方向车速状态vx、侧向车速状态vy和横摆角速度r传递至有约束集成控制单元；
步骤三：通过驾驶员的操作将转向角δf和加速制动信号Kp传递至参考模型，参考模型根据状态估算模块提供的数据计算车辆前进方向参考车速vxd、侧向参考车速vyd及参考横摆角速度rd并将信号传递至有约束集成控制单元；
步骤四：有约束集成控制单元根据参考模型提供的参考量与前进方向车速状态vx、侧向车速状态vy和横摆角速度r之间的差值，在有约束集成控制单元在集成控制层约束设定范围内采用滚动有缘方法计算出车辆三个方向的控制力或控制力矩∑Fx、∑Fy和∑Mz并将数据传递至有约束控制分配单元；
步骤五：有约束控制分配单元以最小轮胎负荷率为优化目标，根据控制分配层约束设定将车辆三个方向的控制力或控制力矩∑Fx、∑Fy和∑Mz进行优化，得到纵向的轮胎力Fxi和侧向的轮胎力Fyi，将纵向的轮胎力Fxi传递至车辆，将侧向的轮胎力Fyi传递至转角计算单元，转角计算单元根据侧向的轮胎力Fyi计算车轮的目标转角δi并传递至车辆。
5.根据权利要求4所述的基于磁悬浮的球轮车结构装置的集成控制方法，其特征在于：所述状态估算模块包括UKF状态估算单元和路面附着探测器，所述UKF状态估算单元计算当前车辆的前进方向车速状态vx和侧向车速状态vy，所述路面附着探测器计算当前所处路面的前进方向附着系数μl和转角附着系数μr，所述UKF为无损卡尔曼滤波。
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