CN113917936A - 车辆惯性检测装置及车辆摇摆调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于自动倾斜车辆的惯性检测装置，包括壳体，双金属板结构、摆动机构和编码器；所述双金属板结构包括两个导电且不导磁的金属板和可调节基座，通过调整基座的相对位置从而调节两个所述金属板的相对位置；所述摆动机构包括从上至下依次固定连接的旋转轴、摆杆和摆锤。本发明还公开了一种车辆摇摆调节方法。本发明在两个平行设置的金属板间设置强力磁铁作为摆锤，摆锤随着车身摇摆产生角度变化，两金属板间距离越近，摆锤摆动的阻尼越大，从而限止了摆锤的快速振荡，相反，两金属板间距离越远，摆锤摆动的阻尼越小，车辆根据摆角限制所述车辆的摇摆角度从而增加车辆的安全度。
Description
技术领域
本发明涉及车辆转弯离心状态检测领域，尤其涉及一种适用于自动倾斜车辆的惯性检测装置及车辆摇摆调节方法。
背景技术
随着摩托车、汽车的日益普及，其安全性也越来越受到消费者的关注。大多车辆的转弯都是通过方向盘、转向轴带动横杆进行摆动，从而实现车轮的转向。而当自动倾斜车辆转弯时，如果车速过高、或者载重过重，车辆转弯时的离心力较大，容易引起驾乘人员的不适，而且车辆有侧翻的危险，为了检测车辆的离心加速度，并为车辆提供一种主动摇摆的控制目标，本发明提出了一种车辆惯性检测装置及其在主动摇摆车辆中的应用方法，该方法装置简单、不需要检测车辆速度与重量等信息进行复杂的计算，就能得到准确的离心力的状态，为主动摇摆提供可靠的控制反馈。
因此，本发明对车辆主动摇摆智能控制技术的发展，对提高车辆驾乘舒适性和安全性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种用于自动倾斜车辆的惯性检测装置及车辆摇摆调节方法，所述装置结构简单，不使用电机，采用编码器检测自由摆锤的位置，所述车辆根据摆角限制所述车辆的摇摆角度从而增加车辆的安全度。
一种用于自动倾斜车辆的惯性检测装置，包括壳体，和设置在壳体内的双金属板结构、摆动机构和编码器；
所述双金属板结构包括两个导电且不导磁的金属板1和可调节基座5，两个所述金属板相互平行设置，所述可调节基座的底面有长孔用于固定在壳体底部，所述基座沿长孔移动从而调节两个基座之间的距离，所述可调节基座上有板固件用于固定金属板，通过调整基座的相对位置从而调节两个所述金属板的相对位置；
所述摆动机构包括从上至下依次固定连接的旋转轴、摆杆和摆锤，所述旋转轴安装在所述金属板的顶端上的孔中，并能够自由旋转，所述旋转轴的一个端部穿过两个金属板后继续外延伸穿过一编码器，所述编码器用于读取所述旋转轴的转动角度；所述摆杆通过连接件安装在所述旋转轴的中部并通过螺钉与旋转轴固定连接，所述摆杆的另一端固连所述摆锤，摆杆与摆锤能够绕旋转轴的轴线自由摆动，摆角就是旋转轴转过的角度，所述摆锤的材质为强力磁铁且位于两个金属板之间；所述旋转轴与所述编码器电连接；
进一步，所述金属板包括扇形板本体，两个所述金属板的顶端上有对应设置的第二螺孔用于穿过旋转轴；所述板本体的底端，即远离所述第二螺孔的一侧边有两个第一螺孔，其位置与所述板固件上的螺孔对应，用于通过螺栓固定所述金属板和基座。
进一步的，所述连接件的宽度小于等于两个所述金属板的间距。
进一步的，所述长孔用于通过螺丝固定连接可调节基座、壳体和车体。
进一步，所述金属板的材质为铜或铝。
利用所述自动倾斜车辆的惯性检测装置的车辆摇摆调节方法，所述车辆为电动摇摆三轮车，包括驾驶厢、货厢、摇摆机构、惯性检测装置和控制器；所述控制器分别和所述摇摆机构和惯性检测装置电连接；所述惯性检测装置安装在可摇摆的车体上，用于检测车辆转弯时引起的离心加速度，摆锤的摆动面与车辆的前进方向垂直；包括如下步骤：
步骤一：将所述惯性检测装置固定在车辆厢体内，乘车人根据车辆允许的摇摆的角度范围调节两个金属板间的间距从而改变强力磁铁在双金属板之间的摆动时的磁场强度，用于增大或减少摆锤摆动的阻尼，当两金属板的间距越近，所述摆锤摆动的阻尼越大从而限制摆锤的快速振荡，当两金属板的间距越远，所述摆锤摆动的阻尼越小；
步骤二：当所述车辆转向从而改变其行驶方向做圆弧运动时，会产生离心力，所述惯性检测装置的摆锤摆动，所述摆锤摆动的角度通过旋转轴传输至编码器，所述编码器将摆锤的摆角传输至所述车辆的控制器；
步骤三：根据获得的摆锤相对于车辆驾驶厢的摆角θ，所述控制器指示摇摆机构使车辆的可摇摆车体进行主动摇摆，跟踪惯性检测装置的摆锤相对于车辆摇摆车体的摆角，直到可摇摆车体的倾斜的角度与摆锤的摆角θ一致为止；当车辆结束转弯回正时，车辆驾驶厢将跟随摆锤的摆动，从而使摇摆车体摇摆至竖直位置。
进一步的，所述摆锤朝向所述金属板的侧壁上设置挡块，用于减小摆锤摆动的范围，所述挡块为塑料或橡胶材质。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1.与传统的惯性检测装置相比，所述装置结构简单，利用楞次定律原理，采用具有可调节基座的双金属板和磁力摆锤作为阻尼调节机构，通过调节双金属板的相对位置，从而改变强力磁铁在双金属板之间的摆动时的磁场强度，达到调节阻尼系数的目的；
2.本发明通过摆锤和编码器直接检测车辆的惯性，摆锤摆角的大小实时反应了惯性力的大小，而不必通过实时检测车辆的车速、车重、转弯半径来进行计算获得，方法简单实用、测量准确，能为主动摇摆***提供可靠的反馈信息，从而通过车辆主动摇摆实现对离心力的实时弥补，提升驾乘舒适性和安全性；
3.本发明车辆惯性检测装置的动力特性可简化为一阶线性***，可能通过增大阻尼、降低摆锤重量等措施，增大***的时间常数，提高***对的高频外力的抑制能力，提高***反馈信息的稳定性。
附图说明
图1是连本发明所述的车辆惯性检测装置的结构示意图；
图2是图1所示的车辆惯性检测装置中金属板的结构示意图；
图3示出图1所示的车辆惯性检测装置的仰视图；
图4是车辆惯性检测装置的动力分析简化结构示意图。
图中：
1：金属板 101：板本体 102：板固件
103：第一螺孔 104：第二螺孔 21：连接件
22：摆锤 23：摆杆 3：旋转轴
4：编码器 5：基座 6：长孔
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，3所示，一种用于自动倾斜摩托车的惯性检测装置，所述惯性检测装置安装在厢体内，用以检测车辆等运动物体的转弯时的离心状态。当适用于摩托车时，所述惯性检测装置安装在摩托车座桶内，当适用于电动三轮车时，惯性检测装置安装在驾驶厢后背部，包括壳体(图中未示出)，所述壳体通过螺栓与可以摇摆的车体固定连接，和设置在壳体内的双金属板结构、摆动机构和编码器。所述双金属板结构包括两个导电且不导磁的金属板1和可调节基座5，两个所述金属板相互平行设置，所述可调节基座为L型基座，底面有长孔6用于固定在壳体底部，所述基座5沿长孔6移动从而调节两个基座之间的距离，为此所述长孔6的长径垂直于所述基座5的竖直的面板，即垂直于金属板1设置。所述可调节基座上有竖直的板固件102用于固定金属板，通过调整基座5的相对位置从而调节两个所述金属板的相对位置；所述长孔6用于通过螺丝固定连接可调节基座、壳体和车体。两个所述金属板1相互平行设置。
如图2所示，所述金属板1包括扇形板本体101，两个所述金属板1的顶端上有对应设置的第二螺孔104用于穿过旋转轴；所述板本体101的底端，即远离所述第二螺孔104的一侧边有两个第一螺孔103，用于通过螺栓固定所述金属板1和基座5。由于摆锤22为强力磁铁材质且设置在金属板1之间，为实现摆锤22的摆动，因此金属板1为导电且不导磁的金属，优选铜或铝。
所述摆动机构包括从上至下依次固定连接的旋转轴3、摆杆23和摆锤22，所述旋转轴3安装在所述金属板的顶端上的孔中，并能够自由旋转，所述旋转轴3一端有轴帽，另一端为自由端，带有轴帽的一端卡在所述金属板1的外侧，所述旋转轴3的自由端穿过所述金属板1后，继续通过连接件21、另一个金属板后，穿过所述编码器4。所述编码器4与所述旋转轴3电连接，用于读取所述摆动机构的摆动角度。所述摆杆23通过连接件21安装在所述旋转轴3的中部并通过螺钉与旋转轴3固定连接，所述摆杆23的另一端固连所述摆锤22，摆杆23与摆锤33能够绕旋转轴3的轴线自由摆动，摆角就是旋转轴转过的角度，所述摆锤的材质为强力磁铁且位于两个金属板之间；所述旋转轴3与所述编码器4电连接。所述连接件21的宽度小于等于两个所述金属板的间距。
所述摆锤22能够随车辆改变行驶方向而自由摆动，当调节双金属板1间距时，会改变摆锤摆的阻尼力。
当车辆行驶方向改变而形成圆弧运动时，会产生离心力，从而使得摆锤向外摆动，通过编码器4可以读出摆锤22摆动的角度，摆动的角度与车辆的离心加速度是一一对应的函数关系，由此可以得到车辆离心加速度的大小，如果以其摆角作为车辆车身在圆弧运动时的姿态跟踪目标，可以实现车身自主倾斜的自适应控制，从而提升车辆的驾乘舒适性。本发明可以准确检测车辆离心加速度，而且本发明利用楞次定律原理，采用具有可调节基座的双金属板和磁力摆锤作为阻尼调节机构，通过调节双金属板的相对位置，从而改变强力磁铁在双金属板之间的摆动时的磁场强度，达到调节阻尼系数的目的，因此，适当调整阻尼大小，可以达到高频滤波的功能。
实施例：电动摇摆三轮车
利用所述自动倾斜车辆的惯性检测装置的车辆摇摆调节方法，所述车辆为电动摇摆三轮车，包括驾驶厢、货厢、摇摆机构、惯性检测装置和控制器；所述控制器分别和所述摇摆机构和惯性检测装置电连接；所述惯性检测装置安装在可摇摆的车体上，用于检测车辆转弯时引起的离心加速度，摆锤摆动面与车辆的前进方向垂直，当车辆转弯时，摆锤就会向外侧摆动，车辆的主动摇摆控制***得到摆锤的摆角反馈后，对车辆的可摇摆的车体进行主动摇摆，以跟踪车辆惯性检测装置的摆锤的摆角，当车身与摆锤的倾斜方向一致时停止摇摆，此时，车身通过摇摆倾斜，使得其重力与离心力相抵消或部分抵消，从而提升驾乘舒适性和安全性。
包括如下步骤：包括：
步骤一：将所述惯性检测装置安装在摇摆电动三轮车的驾驶厢后背部；乘车人根据车辆允许的摇摆的角度范围调节两个金属板间的间距，当两金属板的间距越近，所述摆锤摆动的阻尼越大从而限制摆锤的快速振荡，当两金属板的间距越远，所述摆锤摆动的阻尼越小；
步骤二：当所述电动三轮车左转弯时，车轮轨迹是圆弧状，所述车辆做圆弧运动时，会产生离心力，摆锤22在离心力的作用下，会向右摆动，就会形成一个摆角θ。所述摆锤22摆动的摆角θ的数值通过旋转轴21传输至编码器4并被所述编码器4读出，所述编码器4将摆锤22的摆角数值通过通讯线缆传输至所述车辆的控制器用于操纵车辆的摇摆机构。
由于摆角与车辆的离心加速度是一一对应的函数关系，离心力的大小与车速V和转变半径R有关，产生的离心加速度为
其中，V是车速，R是转变半径。
由于摆锤22的重量一定，因此摆锤22的摆角θ与离心加速度a的关系为：
其中，g为重力加速度。
步骤三：所述控制器将摆角作为车辆车身在圆弧运动时的姿态跟踪目标，根据摆锤的摆角θ，指示电动三轮车的摇摆机构使三轮车驾驶厢主动向左倾斜，直到厢体的倾斜的角度与摆锤的摆角θ一致为止，从而使得车辆驾驶厢倾斜后的重力作用与车辆转弯所形成的离心力平衡；
步骤四：随着车辆的侧倾，所述编码器获取摆锤相对于车辆驾驶厢的摆角θ趋于0度，从而停止侧倾，当车辆回正结束转弯时，车辆驾驶厢将跟随摆锤的摆动，从而使驾驶厢摇摆至竖直位置。
图4示出摆动机构动力分析简化结构示意图，所述惯性检测装置是一个可调阻尼系数的非线性振荡***，其数学模型为
其中，F为摆锤所受外力，当车辆转弯时，F是车辆的离心加速度作用在摆锤上的力，θ为旋转轴的摆角，Fc为摆锤摆动时摆锤与金属板之间的阻尼力，其大小与摆动的速度成正比，即
c为摆锤摆动的阻尼系数，当双金属板间距变小时阻尼系数增大，反之减小，m为摆锤的质量，g为重力加速度；
在摆角较小时，得到线性化传递函数为
其中，Θ(s)表示摆锤输出角度的拉氏变换，
当阻尼系数c越大，摆锤质量越小时，时间常数T越大，对高频振荡抑制能力越强，高频振荡一般由路面颠簸等不良行驶状况引起的外力F的快速变化；因此，本发明的惯性检测装置具有高频抑制作用，在适当的阻尼条件下，摆锤22摆角的大小直接反映了车辆的惯性变化，且摆锤对由于恶劣路况的颠簸反应迟钝，从而抑制了摆锤的剧烈摇抖动或摆动。
额外的，为进一步限制摆锤摆动的角度，所述摆锤朝向所述金属板的两个侧壁上均粘接有挡块，用于进一步减小摆锤摆动的范围，防止由于摆角过大而引起失控，所述挡块为橡胶或塑料材质。
以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种用于自动倾斜车辆的惯性检测装置，其特征在于包括壳体和设置在壳体内的双金属板结构、摆动机构和编码器(4)；
所述双金属板结构包括两个导电且不导磁的金属板(1)和可调节基座(5)，两个所述金属板(1)相互平行设置，所述可调节基座(5)的底面有长孔(6)用于固定在壳体底部，所述基座(5)沿长孔(6)移动从而调节两个基座之间的距离，所述可调节基座(5)上有板固件(102)用于固定金属板(1)，通过调整基座的相对位置从而调节两个所述金属板(1)的相对位置；
所述摆动机构包括从上至下依次固定连接的旋转轴(3)、摆杆(23)和摆锤(22)，所述旋转轴(3)安装在所述金属板的顶端上的孔中，并能够自由旋转，所述旋转轴的一个端部穿过两个金属板后继续外延伸穿过一编码器，所述编码器用于读取所述旋转轴的转动角度；所述摆杆(23)通过连接件(21)安装在所述旋转轴3的中部并通过螺钉与旋转轴(3)固定连接，所述摆杆(23)的另一端固连所述摆锤(22)，摆杆(23)与摆锤(22)能够绕旋转轴(3)的轴线自由摆动，摆角就是旋转轴(3)转过的角度，所述摆锤(22)的材质为强力磁铁且位于两个金属板(1)之间；所述旋转轴(3)与所述编码器(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述金属板(1)包括扇形板本体，两个所述金属板的顶端上有对应设置的第二螺孔(104)用于穿过旋转轴(3)；所述板本体(101)的底端，即远离所述第二螺孔(104)的一侧边有两个第一螺孔(103)，其位置与所述板固件上的螺孔对应，用于通过螺栓固定所述金属板(1)和基座(5)。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述长孔(6)通过螺丝固定连接可调节基座、壳体和车体。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述金属板(1)材质为铜或铝。
5.利用权利要求1所述的惯性检测装置的车辆摇摆调节方法，其特征在于所述车辆为电动摇摆三轮车，包括驾驶厢、货厢、摇摆机构、惯性检测装置和控制器；所述控制器分别和所述摇摆机构和惯性检测装置电连接；所述惯性检测装置安装在可摇摆的车体上，用于检测车辆转弯时引起的离心加速度，摆锤的摆动面与车辆的前进方向垂直；包括如下步骤：
步骤一：将所述惯性检测装置固定在车辆厢体内，乘车人根据车辆允许的摇摆的角度范围调节两个金属板间的间距从而改变强力磁铁在双金属板之间的摆动时的磁场强度，用于增大或减少摆锤摆动的阻尼，当两金属板的间距越近，所述摆锤摆动的阻尼越大从而限制摆锤的快速振荡，当两金属板的间距越远，所述摆锤摆动的阻尼越小；
步骤二：当所述车辆转向从而改变其行驶方向做圆弧运动时，会产生离心力，所述惯性检测装置的摆锤摆动，所述摆锤摆动的角度通过旋转轴传输至编码器，所述编码器将摆锤的摆角传输至所述车辆的控制器；
步骤三：根据获得的摆锤相对于车辆驾驶厢的摆角θ，所述控制器指示摇摆机构使车辆的可摇摆车体进行主动摇摆，跟踪惯性检测装置的摆锤相对于车辆摇摆车体的摆角，直到可摇摆车体的倾斜的角度与摆锤的摆角θ一致为止；当车辆结束转弯回正时，车辆驾驶厢将跟随摆锤的摆动，从而使摇摆车体摇摆至竖直位置。
6.根据权利要求5所述的车辆摇摆调节方法，其特征在于，所述摆锤(22)朝向所述金属板的侧壁上设置挡块，用于进一步减小摆锤摆动的范围，所述挡块为橡胶或塑料材质。
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