一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置

摘要

本发明公开了一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,包括转向组件、固定组件、动力组件、车辆自动驾驶组件和移动电源，转向组件包括转向轴、第一套筒、第二套筒和连接齿套，第一套筒、第二套筒和连接齿套均套设在转向轴上，固定组件用于将转向装置与车辆进行连接，动力组件包括传动电机、连接电机和转向电机，传动电机用于带动转向电机的移动，连接电机用于控制连接齿套在第二套筒上移动，转向电机用于带动转向轴转动，车辆自动驾驶组件用于控制动力组件运行，移动电源为动力组件提供电源；本发明结构设计合理，车辆转向精度高且安全可靠，适宜大量推广。

权利要求

1.一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，包括转向组件(1)、固定组件(2)、动力组件(3)、车辆自动驾驶组件和移动电源；所述转向组件(1)包括转向轴(10)、第一套筒(11)、第二套筒(12)和连接齿套(13)，所述转向轴(10)包括第一轴部(100)和第二轴部(101)，所述第一轴部(100)用于与车辆驾驶盘连接，所述第二轴部(101)固定连接在第一轴部(100)下端，第二轴部(101)用于与车辆转向架连接，第一轴部(100)下端设置有第一齿圈(102)，所述第一齿圈(102)上端设置有限位块(1020)，所述第一套筒(11)活动套设在第一轴部(100)上，且位于所述第一齿圈(102)上端，所述第二套筒(12)可转动卡接在第二轴部(101)上端，第二套筒(12)上设置有第二齿圈(120)和转向齿轮(121)，所述转向齿轮(121)位于第二齿圈(120)下端，所述连接齿套(13)套设在第二轴部(101)上端，且与第二齿圈(120)啮合连接，连接齿套(13)侧壁周向设置有转动槽(130)，所述转动槽(130)内活动卡接有转动杆(131)；所述固定组件(2)包括连接横梁(20)和法兰盘(21)，所述连接横梁(20)水平固定设置在第一套筒(11)的两侧，所述法兰盘(21)通过第一拉杆(22)固定设置在连接横梁(20)下端，第二轴部(101)贯穿法兰盘(21)；所述动力组件(3)包括传动电机(30)、连接电机(31)和转向电机(32)，所述传动电机(30)和连接电机(31)均固定设置在法兰盘(21)上，传动电机(30)的输出轴上设置有传动齿轮(300)，连接电机(31)的输出轴上设置有丝杠(310)，所述转动杆(131)下端设置有螺纹套(132)，所述丝杠(310)与螺纹套(132)螺纹连接，所述转向电机(32)的输出轴上设置有副齿轮(320)，转向电机(32)的下端设置有滑块(321)，法兰盘(21)上设置有滑动槽(210)，转向电机(32)通过所述滑块(321)活动卡接在滑动槽(210)内，转向电机(32)上设置有连接板(322)，连接板(322)上设置有齿条(323)，所述齿条(323)与传动齿轮(300)啮合连接；所述车辆自动驾驶组件包括自动导航模块和分数阶PID控制模块，所述分数阶PID控制模块分别与自动导航模块、传动电机(30)、连接电机(31)和转向电机(32)无线连接；所述移动电源为传动电机(30)、连接电机(31)和转向电机(32)提供电源；所述自动导航模块包括速度传感器、距离传感器和红外探测传感器，所述速度传感器、距离传感器和红外探测传感器分别与分数阶PID控制模块电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，所述第一套筒(11)与第一轴部(100)连接处设置有转动轴承(110)，所述转动轴承(110)设置有两个，两个转动轴承(110)分别位于第一套筒(11)内部上下两端。

3.根据权利要求1所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，所述转向电机(32)设置有两个，两个转向电机(32)的输出轴上均设置有副齿轮(320)，两个转向电机(32)的下端均设置有滑块(321)，法兰盘(21)上设置有滑动槽(210)，两个转向电机(32)分别通过所述滑块(321)活动卡接在滑动槽(210)内，两个转向电机(32)上均设置有连接板(322)，连接板(322)上均设置有齿条(323)，两个所述齿条(323)相对设置，且分别与所述传动齿轮(300)啮合连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，两个所述齿条(323)上端均设置有卡槽(3230)和拉板(324)，所述拉板(324)底部设置有滚轮(3240)，拉板(324)通过所述滚轮(3240)与卡槽(3230)活动卡接。

5.根据权利要求4所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，所述拉板(324)内部活动设置有第二拉杆(3241)，所述第二拉杆(3241)与滚轮(3240)固定连接，第二拉杆(3241)上套设有弹簧(3242)，所述弹簧(3242)一端与拉板(324)抵接，另一端与第二拉杆(3241)端部抵接。

6.根据权利要求1所述的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,其特征在于，所述传动电机(30)和连接电机(31)与法兰盘(21)连接处均设置有止震垫。

说明书

一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置

技术领域

[0001] 本发明涉及车辆转向控制技术领域，具体涉及一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置。

背景技术

[0002] 汽车转向系统是决定汽车安全系统的关键总成。由于传统转向机械系统中，转向盘与转向轮之间是由机械连接的，存在着转向系统中的传动比固定、传动比不能随车速变
化以及转向柱的存在威胁着驾驶员的人身安全等缺陷。汽车自动转向技术由于具有极强的
舒适性以及安全性，已被广泛应用，在公开的技术中，当选择自动转向控制时，在后轮转向
控制已经在中性位置处停止之后，前轮转向控制装置开始自动转向控制。当取消对自动转
向控制的选择时，在自动转向控制已经停止之后后轮转向控制装置开始后轮转向控制。

[0003] 现有技术中车辆自动控制技术大多采用整数阶PID控制模块，由于实际的研究对象一般都不是理想的整数阶系统，而是由任意阶次的微分方程与积分方程构成的，使得整
数阶PID控制模块在使用过程中具有一定的局限性，使得车辆自动转向不够精准和线性，增
加了安全隐患。

发明内容

[0004] 针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种转向精准、安全性高的基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置。

[0005] 本发明的技术方案为：一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,包括转向组件、固定组件、动力组件、车辆自动驾驶组件和移动电源；转向组件包括转向轴、第一
套筒、第二套筒和连接齿套，转向轴包括第一轴部和第二轴部，第一轴部用于与车辆驾驶盘
连接，第二轴部固定连接在第一轴部下端，第二轴部用于与车辆转向架连接，第一轴部下端
设置有第一齿圈，第一齿圈上端设置有限位块，第一套筒活动套设在第一轴部上，且位于第
一齿圈上端，第二套筒可转动卡接在第二轴部上端，第二套筒上设置有第二齿圈和转向齿
轮，转向齿轮位于第二齿圈下端，连接齿套套设在第二轴部上端，且与第二齿圈啮合连接，
连接齿套侧壁周向设置有转动槽，转动槽内活动卡接有转动杆；固定组件包括连接横梁和
法兰盘，连接横梁水平固定设置在第一套筒的两侧，法兰盘通过第一拉杆固定设置在连接
横梁下端，第二轴部贯穿法兰盘；动力组件包括传动电机、连接电机和转向电机，传动电机
和连接电机均固定设置在法兰盘上，传动电机的输出轴上设置有传动齿轮，连接电机的输
出轴上设置有丝杠，转动杆下端设置有螺纹套，丝杠与螺纹套螺纹连接，转向电机的输出轴
上设置有副齿轮，转向电机的下端设置有滑块，法兰盘上设置有滑动槽，转向电机通过滑块
活动卡接在滑动槽内，转向电机上设置有连接板，连接板上设置有齿条，齿条与传动齿轮啮
合连接；车辆自动驾驶组件包括自动导航模块和分数阶PID控制模块，分数PID控制模块分
别与自动导航模块、传动电机、连接电机和转向电机无线连接；移动电源为传动电机、连接
电机和转向电机提供电源。

[0006] 进一步地，第一套筒与第一轴部连接处设置有转动轴承，转动轴承设置有两个，两个转动轴承分别位于第一套筒内部上下两端，通过设置转动轴承，减小第一轴套与第一轴
部的磨损，同时提高第一轴部转动时的稳定性。

[0007] 进一步地，转向电机设置有两个，两个转向电机的输出轴上均设置有副齿轮，两个转向电机的下端均设置有滑块，法兰盘上设置有滑动槽，两个转向电机分别通过滑块活动
卡接在滑动槽内，两个转向电机上均设置有连接板，连接板上均设置有齿条，两个齿条相对
设置，且分别与传动齿轮啮合连接，使用时，传动电机上的传动齿轮带动两个齿条相对运
动，使得两个转向电机上的副齿轮与转向齿轮啮合连接，通过设置两个转向电机，使得转向
轴转动时更加线性。

[0008] 进一步地，两个齿条上端均设置有卡槽和拉板，拉板底部设置有滚轮，拉板通过滚轮与卡槽活动卡接，通过上述拉板，使得两个齿条与传动齿轮紧密连接。

[0009] 更进一步地，拉板内部活动设置有第二拉杆，第二拉杆与滚轮固定连接，第二拉杆上套设有弹簧，弹簧一端与拉板抵接，另一端与第二拉杆端部抵接，通过设置第二拉杆和弹
簧，使得两个齿条始终紧靠传动齿轮，提高转向安全性。

[0010] 进一步地，传动电机和连接电机与法兰盘连接处均设置有止震垫，通过设置止震垫，减小了传动电机和连接电机工作时产生的震动，进而减小了噪音，提高行车舒适性。

[0011] 进一步地，自动导航模块包括速度传感器、距离传感器和红外探测传感器，速度传感器、距离传感器和红外探测传感器分别与分数阶PID控制模块电性连接，通过红外探测传
感器感测车辆前方障碍物，通过速度传感器、距离传感器感测车辆速度以及与障碍物的距
离，将信号传递给分数阶PID控制模块，由分数阶PID控制模块控制传动电机、连接电机和转
向电机启动，控制车辆转向。

[0012] 本发明的工作原理为：使用时，通过移动电源为传动电机、连接电机和转向电机提供电源，通过分数阶PID控制模块与传动电机、连接电机和转向电机电性连接，通过红外探
测传感器感测车辆前方障碍物，通过速度传感器、距离传感器感测车辆速度以及与障碍物
的距离，将信号传递给分数阶PID控制模块，由分数阶PID控制模块控制传动电机、连接电机
和转向电机开始工作；连接电机带动丝杠转动，使得连接齿套在转动杆和螺纹套的作用下
上升，将第二套筒与第一轴部进行连接；通过传动电机上的传动齿轮带动两个齿条相对运
动，使得两个转向电机在滑动槽上滑动，两个转向电机上的副齿轮与转向齿轮啮合连接，实
现车辆自动转向。

[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构设计合理，通过分数阶PID控制模块控制电机启动，进而控制车辆自动转向，提高了车辆转向时更加线性，提高了车辆转向
的稳定性和安全性，节省了驾驶者的体力，提高了经济效益；而且本发明的两个转向电机与
转向轴为活动连接，当车辆无需进行自动转向时，两个转向电机远离转向轴，从而不会影响
车辆的主动转向，提高了车辆转向的可选择性。

附图说明

[0014] 图1是本发明的结构示意图；

[0015] 图2是本发明的纵剖图；

[0016] 图3是本发明的连接齿套与第一齿圈的连接示意图

[0017] 图4是本发发明的传动电机、连接电机和转向电机在法兰盘上的分布图；

[0018] 图5是本发明的拉板的结构示意图；

[0019] 图6是本发明的拉板与齿条的连接示意图；

[0020] 其中，1‑转向组件、10‑转向轴、100‑第一轴部、101‑第二轴部、102‑第一齿圈、1020‑限位块、11‑第一套筒、110‑转动轴承、12‑第二套筒、120‑第二齿圈、121‑转向齿轮、
13‑连接齿套、130‑转动槽、131‑转动杆、132‑螺纹套、2‑固定组件、20‑连接横梁、21‑法兰
盘、210‑滑动槽、22‑第一拉杆、3‑动力组件、30‑传动电机、300‑传动齿轮、31‑连接电机、
310‑丝杠、32‑转向电机、320‑副齿轮、321‑滑块、322‑连接板、323‑齿条、3230‑卡槽、324‑拉
板、3240‑滚轮、3241‑第二拉杆、3242‑弹簧。

具体实施方式

[0021] 实施例：如图1、2所示的一种基于分数阶微积分变换的车辆自动化转向装置,包括转向组件1、固定组件2、动力组件3、车辆自动驾驶组件和移动电源；转向组件1包括转向轴
10、第一套筒11、第二套筒12和连接齿套13，转向轴10包括第一轴部100和第二轴部101，第
一轴部100用于与车辆驾驶盘连接，第二轴部101固定连接在第一轴部100下端，第二轴部
101用于与车辆转向架连接，第一轴部100下端设置有第一齿圈102，第一齿圈102上端设置
有限位块1020，第一套筒11活动套设在第一轴部100上，且位于第一齿圈102上端，第一套筒
11与第一轴部100连接处设置有转动轴承110，转动轴承110设置有两个，两个转动轴承110
分别位于第一套筒11内部上下两端，通过设置转动轴承110，减小第一轴套11与第一轴部
100的磨损，同时提高第一轴部100转动时的稳定性；第二套筒12可转动卡接在第二轴部101
上端，第二套筒12上设置有第二齿圈120和转向齿轮121，转向齿轮121位于第二齿圈120下
端，连接齿套13套设在第二轴部101上端，且与第二齿圈120啮合连接，连接齿套13侧壁周向
设置有转动槽130，转动槽130内活动卡接有转动杆131；

[0022] 如图1所示，固定组件2包括连接横梁20和法兰盘21，连接横梁20水平固定设置在第一套筒11的两侧，法兰盘21通过第一拉杆22固定设置在连接横梁20下端，第二轴部101贯
穿法兰盘21；

[0023] 如图1、2、3、4、5、6所示，动力组件3包括传动电机30、连接电机31和转向电机32，传动电机30和连接电机31与法兰盘21连接处均设置有止震垫，通过设置止震垫，减小了传动
电机30和连接电机31工作时产生的震动，进而减小了噪音，提高行车舒适性；传动电机30和
连接电机31均固定设置在法兰盘21上，传动电机30的输出轴上设置有传动齿轮300，连接电
机31的输出轴上设置有丝杠310，转动杆131下端设置有螺纹套132，丝杠310与螺纹套132螺
纹连接，转向电机32设置有两个，两个转向电机32的输出轴上均设置有副齿轮320，两个转
向电机32的下端均设置有滑块321，法兰盘21上设置有滑动槽210，两个转向电机32分别通
过滑块321活动卡接在滑动槽210内，两个转向电机32上均设置有连接板322，连接板322上
均设置有齿条323，两个齿条323相对设置，且分别与传动齿轮300啮合连接，使用时，传动电
机30上的传动齿轮300带动两个齿条323相对运动，使得两个转向电机32上的副齿轮320与
转向齿轮121啮合连接，通过设置两个转向电机32，使得转向轴10转动时更加线性；转向电
机32设置有两个，两个转向电机32的输出轴上均设置有副齿轮320，两个转向电机32的下端
均设置有滑块321，法兰盘21上设置有滑动槽210，两个转向电机32分别通过滑块321活动卡
接在滑动槽210内，两个转向电机32上均设置有连接板322，连接板322上均设置有齿条323，
两个齿条323相对设置，且分别与传动齿轮300啮合连接，使用时，传动电机30上的传动齿轮
300带动两个齿条323相对运动，使得两个转向电机32上的副齿轮320与转向齿轮121啮合连
接，通过设置两个转向电机32，提高转向轴10转动时更加线性，两个齿条323上端均设置有
卡槽3230和拉板324，拉板324底部设置有滚轮3240，拉板324通过滚轮3240与卡槽3230活动
卡接，通过上述拉板324，使得两个齿条322与传动齿轮300紧密连接；拉板324内部活动设置
有第二拉杆3241，第二拉杆3241与滚轮3240固定连接，第二拉杆3241上套设有弹簧3242，弹
簧3242一端与拉板324抵接，另一端与第二拉杆3241端部抵接，通过设置第二拉杆3241和弹
簧3242，使得两个齿条322始终紧靠传动齿轮300，提高转向安全性；车辆自动驾驶组件包括
自动导航模块和分数阶PID控制模块，分数PID控制模块分别与自动导航模块、传动电机30、
连接电机31和转向电机32无线连接；自动导航模块包括速度传感器、距离传感器和红外探
测传感器，速度传感器、距离传感器和红外探测传感器分别与分数阶PID控制模块电性连
接，通过红外探测传感器感测车辆前方障碍物，通过速度传感器、距离传感器感测车辆速度
以及与障碍物的距离，将信号传递给分数阶PID控制模块，由分数阶PID控制模块控制传动
电机30、连接电机31和转向电机32启动，控制车辆转向；移动电源为传动电机30、连接电机
31和转向电机32提供电源，移动电源选用伯朗克电源设备有限公司生产的BIK12‑120型UPS
电免维铅酸电池；传动电机30、连接电机31和转向电机32均选用苏州西格玛机电有限公司
生产的永磁同步电动机，速度传感器选用基恩士有限公司生产的LR‑Z系列放大器内置型
CMOS激光传感器，距离传感器选用北醒激动雷达生产的TF03激光雷达长距离传感器，红外
探测传感器深圳市海王传感器有限公司生产的P916型热释电红外传感器。

[0024] 使用时，通过移动电源为传动电机30、连接电机31和转向电机32提供电源，通过分数阶PID控制模块与传动电机30、连接电机31和转向电机32电性连接，通过红外探测传感器
感测车辆前方障碍物，通过速度传感器、距离传感器感测车辆速度以及与障碍物的距离，将
信号传递给分数阶PID控制模块，由分数阶PID控制模块控制传动电机30、连接电机31和转
向电机32开始工作；连接电机31带动丝杠310转动，使得连接齿套13在转动杆131和螺纹套
132的作用下上升，将第二套筒12与第一轴部100进行连接；通过传动电机30上的传动齿轮
300带动两个齿条323相对运动，使得两个转向电机32在滑动槽210上滑动，两个转向电机32
上的副齿轮320与转向齿轮121啮合连接，实现车辆自动转向。