一种电驱动转向底盘及其行走控制方法与流程

本发明涉及电驱动转向底盘及其行走控制方法，尤其是一种用于农业、林业等领域中装载或牵引植保机械及其它农用设备的行走转向底盘和行走控制方法。

背景技术：

随着农业机械化的进展，农用设备行走装置应具有跨越障碍、壕沟，在软土、水田行走及在各种复杂工作面上行走等特点。现有的车辆行走装置的行走和转向机构一般采用机械式传动、操作及控制。车辆的动力装置通常采用内燃式发动机，其输出轴的旋转方向是固定不变的，自一个固定不变旋转方向的输出轴实现车辆向前进或后退，通常采用机械式换挡方式，即要实现车辆向左转向或向右转向，通常采用人工手动控制方向盘通过机械式传动，实现向左转向或向右转向。

有的底盘采用车轮四连杆机构，通过转向机构传递扭矩使底盘的两个前轮同向偏转．再通过差速器差速，使两个后轮适应前轮偏转变实现被动转向。这种转向方式原理简单，技术成熟，但是，由于底盘的两个前轮或两个后轮分别平行固定在底盘的两侧，其相对位置固定，底盘与两个前轮或两个后轮组成一体，两个前轮或两个后轮与底盘不会产生相对转动，而是连接成整体一起转动，因此，底盘转向时，底盘转弯半径相对较大，不能实现底盘原地转弯和小半径转弯，也不能横向移动，其底盘灵活性差；由于底盘的两个前轮或两个后轮分别平行固定在底盘上，其相对位置固定，两个前轮或两个后轮位置与底盘不能产生回转，各个车轮只是绕自身发生偏转，因此，由于底盘与两个前轮或两个后轮组成一体，只能整体回转．其转向的扭转力大，操作不灵活，由于车轮与地面的相对运动产生的摩擦力增大，轮胎会出现横滑拖现象，导致轮胎磨损严重。

对此，研究人员为了提高底盘的转向性能进行了研究开发，例如，中国专利申请号为：2015105315765，名称为：具备独立转向和轮边驱动的汽车单轮装置及控制方法。但是该汽车单轮装置仍然存在以下缺点：1、汽车单轮装置的底盘与两个前轮或两个后轮位置相对固定，两个前轮或两个后轮位置与底盘不能产生回转，仅仅是各个车轮绕自身发生偏转，因此，底盘与两个前轮或两个后轮组成一体，只能整体回转，因此底盘转向时，车轮与地面的相对运动产生的摩擦力增大，转向时轮胎由于车轮外倾或内倾，出现横向滑拖现象，导致轮胎磨损严重：2、汽车单轮装置的独立转向和轮边驰动的汽车单轮装置中，汽车的转向和汽车的行走分别由转向电机驱动单轮转向、由轮边驱动电机直径驱动单轮转动。一辆汽车具有四个转向电机、四个轮边驱动电机，不仅占据底盘空间，而且不便于其它构件的布置，其结构复杂。例如，中国专利申请号为2012100487422，名称为：无刷行星减速轮载电机，该轮载电机所采用的行星减速机构存在传动比较小、输出扭矩小、结构不紧凑，体积大的缺点。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种电驱动转向底盘，该底盘不仅操作灵活方便，能够根据需要实现车辆底盘快速或慢速前进、后退或转向，且其转弯灵活，转弯半径极小，减速比大、扭矩大、体积小、结构紧凑，尤其是前后车轮的宽度很小，特别适合于农作物行距较小的水田作业。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案：

本发明所述的电驱动转向底盘，包括底盘、前车架、后车架，在前车架两端设置两个前轮，在后车架两端设置两个后轮，两个前轮是由两个前驱动电机分别驱动的前主动轮，用于控制两个前驱动电机动作的控制器与所述前驱动电机电连接；前车架与底盘之间形成以竖直的前轴线为中心线的转动连接；两个前轮关于前轴线对称。

使用时，通过控制器分别控制两个前驱动电机，使得两个前轮转速相同，实现该电驱动转向底盘的前进或后退。

若需要转弯时，

a：转向：通过控制器对两个前驱动电机的控制，使得两个前轮的转速差增大，前车架相对于正常行走时的前车架转动一个角度x；

b：回正：通过控制器对两个前驱动电机的控制，使得两个前轮的转速差缩小，所述角度x逐渐缩小为0，前车架相对于底盘逐渐恢复到正常行走时的前车架状态。

也就是说，是以控制器控制两个前驱动电机使得两个前轮的转速不同，实现该电驱动转向底盘的转弯。举例来说，当右前轮比左前轮转动快时，前支架就开始绕前轴线相对于底盘逆时针转动（从上往下看），底盘前端就开始向左转弯。

在本电驱动转向底盘行走或转弯时，尤其是地面有坑洼不平、突然一个前轮碰到较大的土块、石块等现象，此时就会出行两个前轮转速会发生意料之外的变化，从而导致无法正常行进，为了避免发生这种现象，对本发明作进一步改进，设置用于检测前车架相对于正常行走时的前车架位置转动角度的前车架角度传感器，前车架角度传感器的输出接控制器。

这时，该电驱动转向底盘的行走控制方法是：

正常行走时，若检测到前车架转动一定角度时，则通过控制器对前驱动电机的控制，使得前车架转动角度逐渐缩小，前车架相对于底盘逐渐转动到正常行走时的前车架状态；

需要转弯时，在步骤a进行的同时，若后一时刻检测到的前车架转动角度≤前一时刻检测到的前车架转动角度，则通过控制器对前驱动电机的控制，使得两个前轮转速差增大，直到前车架转动角度达到x；

在步骤b进行的同时，若后一时刻检测到的前车架转动角度＞前一时刻检测到的前车架转动角度，则通过控制器对前驱动电机的控制，使得两个前轮转速差减小；直到前车架转动角度达到0。

另外，底盘在前车轮的带动下前进或后退时，由于两个前轮接触的地面条件不可能完全相同，导致两个前轮遇到的阻力不可能完全相同，这时候就会出现两个前轮的速度不同步的现象，一会儿左前轮快、右前轮慢，一会儿又左前轮慢、右前轮快，导致前车架相对于正常行走时的前车架位置随机摆动，方向忽左忽右。

在底盘转弯时，也会出现类似现象。举例来说，在底盘需要左转时，我们希望通过控制器的控制使得左前轮转速为n左前、右前轮转速为n右前，n左前＜n右前，但是由于两个前轮接触的地面条件不可能完全相同等各种原因，导致n左前和n右前随机地忽大忽小，导致前车架相对于正常转弯时的前车架位置随机摆动。

为了避免或减小在正常行走或转弯时前车架随机摆动，在底盘与前车架之间设置有对前车架绕前轴线相对于底盘的转动施加阻尼的前阻力装置。通过前阻力装置对前车架的随机转动施加一定的阻力，减小或消除前车架随机摆动。

本发明由于两个前轮分别独立转动，只需要分别控制各自的转速，即可转弯，转弯灵活。

上述的电驱动转向底盘，前阻力装置包括设置在前车架上的以前轴线为中心线的前阻尼齿圈，设置在底盘上的与前阻尼齿圈配合的前阻尼齿轮，设置在底盘上的用于驱动前阻尼齿轮转动的包括前阻尼电机在内的前阻尼动力装置；控制器与前阻尼电机电连接，以控制前阻尼电机动作。

当前阻尼电机不通电时，前阻尼动力装置的系统阻力形成阻尼，阻止或降低了前车架的随机转动。

当前阻尼电机通电时，前车架只能在控制器的控制下按需要的速度和方向转动，进一步的阻止或降低了前车架的随机转动。

该前阻尼动力装置还可以为转弯提供辅助动力，使得转弯更加便于控制，响应快捷。

有该前阻尼动力装置时的电驱动转向底盘的行走控制方法是，

需要转弯时，在步骤a进行的同时，控制器控制前阻尼电机转动，使得前车架同时在前阻尼动力装置的驱动下和两个前轮的转速差的作用下，前车架相对于正常行走时的前车架转动一个角度x；

在步骤b进行的同时，控制器控制前阻尼电机转动，使得前车架同时在前阻尼动力装置的驱动下和两个前轮的转速差的作用下，所述角度x逐渐缩小，前车架相对于底盘逐渐恢复到正常行走时的前车架状态。

也就是说，需要转弯时，使得前车架转动的原因有两个方面，一个方面是通过控制器控制前驱动电机，使得两个前轮出现转速差，使得前车架转动；另外一个方面是，前阻尼动力装置在控制器的控制下通电工作，通过前阻尼齿轮带动前车架按需要的目的转动，实现转弯助力功能。

上述的电驱动转向底盘，所述前主动轮包括固定在前车架上的轮轴、相对于轮轴转动的轮毂；轮毂内周设置驱动齿圈；太阳轮空套在轮轴上；驱动该前主动轮的前驱动电机的转子与太阳轮固定连接，前驱动电机的定子固定在轮轴上；与太阳轮配合的大行星轮和与驱动齿圈配合的小行星轮共同固定在一行星轮轴上；行星轮轴转动设置在行星轮架上；行星轮架与轮轴固定相连。

该结构不但紧凑，而且经过太阳轮与大行星轮的一级减速、小行星轮与驱动齿圈的二级减速，减速比大，驱动前轮毂转动的扭矩较大。

上述的电驱动转向底盘，轮毂的两侧固定封板，轮毂通过封板转动设置在轮轴上；前驱动电机、太阳轮、大行星轮、行星轮架均位于两侧的封板之间。

这样有效的利用了轮毂内的空间，把前驱动电机、太阳轮、大行星轮、行星轮架等有机的布置在不超过轮毂宽度的内部空间，进一步缩小了整个前轮的宽度，特别适合于农作物行距较小的农田作业。

上述的电驱动转向底盘，两个后轮也可以由两个后驱动电机分别驱动的后主动轮，控制器与所述后驱动电机电连接以控制两个后驱动电机动作；后车架与底盘之间形成以竖直的后轴线为中心线的转动连接；两个后轮关于后轴线对称。

这样，后轮与底盘之间的连接机构与前轮与底盘之间的连接机构类同，四个车轮均为独立转动的主动轮，对地面的适应性更强，行车更通畅自如，而且，能够进一步减小转弯半径，尤其适合于行距有限的林地、农田作业。举例来说，若需要右转弯，通过控制器调节各驱动电机转速，使得右前轮比左前轮转动慢，右后轮比左后轮转动快，前支架就开始绕前轴线相对于底盘顺时针转动，后支架就开始绕后轴线相对于底盘逆时针转动（从上往下看），从而快速实现本底盘的快速右转，且转弯半径极小。

上述的电驱动转向底盘，在底盘与后车架之间设置有对后车架绕后轴线相对于底盘的转动施加阻尼的后阻力装置；后阻力装置包括设置在后车架上的以后轴线为中心线的后阻尼齿圈，设置在底盘上的与后阻尼齿圈配合的后阻尼齿轮，设置在底盘上的用于驱动后阻尼齿轮转动的包括后阻尼电机在内的后阻尼动力装置；控制器与后阻尼电机电连接，以控制后阻尼电机动作。

上述的电驱动转向底盘，所述后主动轮包括固定在后车架上的轮轴、相对于轮轴转动的轮毂；轮毂内周设置驱动齿圈；太阳轮空套在轮轴上；驱动该后主动轮的后驱动电机的转子与太阳轮固定连接，后驱动电机的定子固定在轮轴上；与太阳轮配合的大行星轮和与驱动齿圈配合的小行星轮共同固定在一行星轮轴上；行星轮轴转动设置在行星轮架上；行星轮架与轮轴固定相连。

该结构不但紧凑，而且经过太阳轮与大行星轮的一级减速、小行星轮与驱动齿圈的二级减速，减速比大，驱动后轮毂转动的扭矩较大。

上述的电驱动转向底盘，轮毂的两侧固定封板，轮毂通过封板转动设置在轮轴上；后驱动电机、太阳轮、大行星轮、行星轮架均位于两侧的封板之间。

这样有效的利用了轮毂内的空间，把后驱动电机、太阳轮、大行星轮、行星轮架等有机的布置在不超过轮毂宽度的内部空间，进一步缩小了整个后轮的宽度，特别适合于农作物行距较小的农田作业。

附图说明

图1是本电驱动转向底盘的示意图。

图2是图1的俯视示意图。

图3是前车轮的示意图。

图4是前阻力装置的示意图。

图5是左转弯时的本电驱动转向底盘的状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

参见图1、2所示的电驱动转向底盘，包括底盘1、前车架2、后车架3，在前车架两端设置两个前轮4，在后车架两端设置两个后轮5，两个前轮是由两个前驱动电机6分别驱动的前主动轮，两个后轮是由两个后驱动电机（未示出）分别驱动的后主动轮，用于控制两个前驱动电机、两个后驱动电机各自独立动作的控制器与所述各驱动电机分别电连接；前车架通过旋转支撑（如轴承）8设置在底盘下部，前车架2与底盘1之间形成以竖直的前轴线10为中心线的转动连接；后车架3通过旋转支撑（如轴承-未示出）设置在底盘1下部，后车架3与底盘1之间形成以竖直的后轴线（未示出）为中心线的转动连接；在底盘1与前车架2之间设置有对前车架绕前轴线10相对于底盘1的转动施加阻尼的前阻力装置12；两个前轮关于前轴线10对称；在底盘1与后车架3之间设置有对后车架绕后轴线相对于底盘1的转动施加阻尼的后阻力装置（未示出）；两个后轮关于后轴线对称。

前阻力装置与后阻力装置机构相同，现仅仅以前阻力装置为例进行说明。

参见图4所示，前阻力装置12包括设置在前车架2上的以前轴线10为中心线的前阻尼齿圈121，与前阻尼齿圈121配合的前阻尼齿轮122，和前阻尼齿轮122同轴相连的伞齿轮123，与伞齿轮123配合的固定在前阻尼电机125输出轴上的伞齿轮124。前阻尼电机125壳体固定在与底盘下方相连的支撑架126上。控制器与前阻尼电机125电连接，以控制前阻尼电机125动作。当前阻尼电机125得电，通过啮合的伞齿轮124与伞齿轮123、啮合的前阻尼齿轮122与前阻尼齿圈121实现减速，驱动前车架2绕前轴线10转动。

前驱动电机与后驱动电机结构相同；各车轮均为主动轮，且结构相同；前驱动电机驱动前轮的结构与后驱动电机驱动后轮的结构相同。现仅仅以一个由前驱动电机驱动的前车轮为例进行说明。

参见图3所示，所述前主动轮4包括固定在前车架2上的轮轴41、相对于轮轴41转动的轮毂42；轮毂内周设置驱动齿圈43；太阳轮44空套在轮轴41上；驱动该前主动轮4的前驱动电机6的转子61与太阳轮44固定连接，前驱动电机6的定子固定在轮轴41上；与太阳轮44配合的大行星轮45和与驱动齿圈43配合的小行星轮46共同固定在一行星轮轴47上；行星轮轴47转动设置在行星轮架48上；行星轮架48与轮轴41固定相连。

轮毂42的两侧固定封板49，轮毂42通过封板49转动设置在轮轴上；前驱动电机6、太阳轮44、大行星轮45、行星轮架48均位于两侧的封板49之间。

轮毂外圈固定与地面接触的轮圈410。

本电驱动转向底盘还包括前车架角度传感器和后车架角度传感器，前车架角度传感器用于实时检测前车架相对于正常行走时的前车架位置转动角度，正常行走时的前车架位置也就是与两个前轮的轴线与底盘的纵向轴线相垂直时的前车架位置。后车架角度传感器用于实时检测后车架相对于正常行走时的后车架位置转动角度，正常行走时的后车架位置也就是与两个后轮的轴线与底盘的纵向轴线相垂直时的后车架位置。

前车架角度传感器和后车架角度传感器有多种多样，如可以是霍尔传感器。前车架角度传感器和后车架角度传感器的输出接控制器。

该电驱动转向底盘的行走控制方法如下。

正常行走时，通过控制器对两个前驱动电机的控制，使得两个前轮的转速相同。若检测到前车架相对于正常行走时的前车架位置转动一定角度时，则通过控制器对前驱动电机的控制，使得前车架转动角度逐渐缩小，前车架相对于底盘逐渐转动到正常行走时的前车架状态。例如，前车架转动相对于正常行走时的前车架位置逆时针（从上往下看）转动角度y时，则通过控制器对前驱动电机的控制，使得n左前增大、n右前减小，这样y逐渐缩小直到等于0°，使得前车架顺时针转动到正常行走时的前车架状态，再使得n左前等于n右前。

为了说明的方便，下面仅仅以需要向左转弯为例进行说明。

参见图5，需要左转弯时，

a：转向：通过控制器对两个前驱动电机的控制，使得两个前轮的转速差增大，如使得n左前减小、n右前增大，使得前车架逆时针转动；同时，前阻尼动力电机在控制器的控制下通电工作，通过前阻尼齿轮带动前车架也逆时针转动，实现转弯助力功能，使得前车架相对于正常行走时的前车架逆时针转动一个角度x，也就是说，使得前车架转动角度从0°逐渐变化到角度x；

在前车架转动角度从0°逐渐变化到角度x的过程中，若后一时刻检测到的前车架转动角度≤前一时刻检测到的前车架转动角度，则通过控制器对前驱动电机的控制，使得两个前轮转速差增大（如进一步减小n左前，或者进一步增大n右前，或者使得左前轮停止转动，或者左前轮反向转动等方法），直到前车架转动角度达到x；

同时，通过控制器对两个后驱动电机的控制，使得两个后轮的转速差增大，如使得n左后增大、n右后减小，使得后车架顺时针转动；同时，后阻尼动力电机在控制器的控制下通电工作，通过后阻尼齿轮带动后车架也顺时针转动，实现转弯助力功能，使得后车架相对于正常行走时的后车架顺时针转动一个角度z，也就是说，使得后车架转动角度从0°逐渐变化到角度z；

在后车架转动角度从0°逐渐变化到角度z的过程中，若后一时刻检测到的后车架转动角度≤前一时刻检测到的后车架转动角度，则通过控制器对后驱动电机的控制，使得两个后轮转速差增大（如进一步增大n左后，或者进一步减小n右后，或者使得右后轮停止转动，或者右后轮反向转动等方法），直到后车架转动角度达到z。

b：回正：通过控制器对两个前驱动电机的控制，使得两个前轮的转速差缩小，如使得n左前增大、n右前减小，使得前车架顺时针转动；同时，前阻尼动力电机在控制器的控制下通电工作，通过前阻尼齿轮带动前车架也顺时针转动，实现转弯助力功能，角度x逐渐缩小直到0°，使得前车架相对于底盘逐渐转动到正常行走时的前车架状态。

在前车架转动角度从x逐渐变化到角度0°的过程中，若后一时刻检测到的前车架转动角度≥前一时刻检测到的前车架转动角度，则通过控制器对前驱动电机的控制，使得两个前轮转速差减小（如进一步增大n左前，或者进一步减小n右前，或者使得右前轮停止转动，或者右前轮反向转动等方法），直到前车架转动角度逐渐缩小到0°。

同时，通过控制器对两个后驱动电机的控制，使得两个后轮的转速差缩小，如使得

n左后减小、n右后增大，使得后车架逆时针转动；同时，后阻尼动力电机在控制器的控制下通电工作，通过后阻尼齿轮带动后车架也逆时针转动，实现转弯助力功能，角度z逐渐缩小直到0°，使得后车架相对于底盘逐渐转动到正常行走时的后车架状态。

在后车架转动角度从z逐渐变化到角度0°的过程中，若后一时刻检测到的后车架转动角度≥前一时刻检测到的后车架转动角度，则通过控制器对后驱动电机的控制，使得两个后轮转速差减小（如进一步减小n左后，或者进一步增大n右后，或者使得左后轮停止转动，或者左后轮反向转动等方法），直到后车架转动角度逐渐缩小到0°。