机械行走装置的转向系统及机械行走装置的制作方法

本公开涉及一种转向系统，进一步涉及一种电子控制的转向系统，适用于四轮单独控制的应用中。

背景技术：

在四轮行走机构中，转向需要满足转向梯形原理才能在轮胎没有硬蹭地面的情况下顺利转向。转向梯形图如图1所示，满足转向梯形原理。

一般汽车由机械结构实现前轮两轮转角的不同，转向时后轮的不同速度通过差速器实现。

在四轮单独控制的场合，没有条件安装差速器和机械式转向梯形机构，因此无法通过上述方式实现良好的转向。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本公开的目的在于提供一种电子控制的转向系统和转向方法，以解决以上所述的至少部分技术问题。

(二)技术方案

本公开公开一种机械行走装置的转向系统，包括两个前转向轮、两个转向电机、两个驱动电机、两个后驱动轮、转向信号输入装置、速度信号输入装置以及控制器，其中，

所述两个前转向轮分别设置于所述装置的前端两侧，分别独立连接至所述两个转向电机的一个以实现各前转向轮的独立转向，所述转向电机电性连接至所述控制器；

所述两个后驱动轮设置于所述装置的后端两侧，分别独立连接至所述两个驱动电机的一个以实现各后驱动轮的独立驱动，所述驱动电机也电性连接至所述控制器；

所述转向信号输入装置和速度信号输入装置分别与所述控制器电性连接。

在本公开的一些实施例中，所述转向信号输入装置包括以下至少一种：

方向摇杆、方向盘和遥控器。

在本公开的一些实施例中，所述速度信号输入装置包括以下至少一种：速度摇杆、油门踏板和遥控器。

在本公开的一些实施例中，所述前转向轮之间的轮距和所述后驱动轮之间轮距相同或者不同。

在本公开的一些实施例中，所述两个转向电机包括第一转向电机，所述前转向轮包括左转向轮，左转向轮连接第一转向电机，由第一转向电机控制其左转或者右转，第一转向电机还电性连接至控制器，由控制器间接控制左转向轮左转或右转，以及转向的角度。

在本公开的一些实施例中，所述两个转向电机包括第二转向电机，所述前转向轮包括右转向轮，右转向轮连接第二转向电机，由第二转向电机控制其左转或者右转，第二转向电机还电性连接至控制器，由控制器间接控制右转向轮左转或右转，以及转向的角度。

在本公开的一些实施例中，所述两个驱动电机包括第一驱动电机，所述后驱动轮包括左驱动轮，左驱动轮设置在一机械行走装置底盘的后端左侧，其电性连接第一驱动电机，由其进行驱动，第一驱动电机电性连接至控制器，由其间接控制左驱动轮的前转和后转，以及左驱动轮的转速。

在本公开的一些实施例中，所述两个驱动电机包括第二驱动电机，所述后驱动轮包括右驱动轮，右驱动轮设置在一机械行走装置底盘的后端右侧，其电性连接第二驱动电机，由其进行驱动，第二驱动电机电性连接至控制器，由其间接控制右驱动轮的前转和后转，以及右驱动轮的转速。

本公开还提供一种机械行走装置，包括以上任一所述的转向系统。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开机械行走装置的转向系统及机械行走装置至少具有以下有益效果其中之一：

(1)相对于传统的机械式转向，每个轮独立控制，方便很多情况下的独立调试，单独某个轮的故障容易排查和检修。

(2)机械式差速和转向无法应用于四轮完全独立驱动的场合，本公开可以良好的应用于这种场景。

附图说明

图1是现有技术的四轮行走机构原理示意图。

图2是本公开实施例的机械行走装置的转向系统原理示意图。

图3是图2中转向系统的部分组件示意图。

图4是本公开实施例的机械行走装置的转向方法流程图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

根据本公开的基本构思，提供一种机械行走装置的转向方法，包括独立各转向轮的转向和独立控制各驱轮独，方便很多情况下的独立调试，单独某个轮的故障容易排查和检修。

图1是现有技术的四轮行走机构原理示意图。根据图1所示的现有技术的转向方式，其满足基本的阿克曼原理公式，但是两个后轮的速度控制不是通过不同的电机实现速度差，而是由于两个后轮通过装置连接在一起，通过差速器实现不同转速。

图2是本公开实施例的机械行走装置的转向系统原理示意图。图3是图2中转向系统的部分组件示意图。如图2和图3所示，机械行走装置的转向系统，包括两个前转向轮(包括左转向轮5和右转向轮8)、两个转向电机(包括第一转向电机6和第二转向电机7)、两个驱动电机(包括第一驱动电机2和第二驱动电机3)、两个后驱动轮(包括左驱动轮1和右驱动轮4)、转向信号输入装置、速度信号输入装置以及控制器(图中未示出)，其中：

两个前转向轮分别设置于所述装置的前端两侧，分别独立连接至所述两个转向电机的一个以实现各前转向轮的独立转向，所述转向电机电性连接至所述控制器。具体来说可以为：左转向轮5连接第一转向电机6后，由第一转向电机6控制其左转或者右转，另外，第一转向电机6还电性连接至控制器，由控制器间接控制左转向轮5左转或右转，以及转向的角度。另外，右转向轮8连接第二转向电机7后，由第二转向电机7控制其左转或者右转，另外，第二转向电机7还电性连接至控制器，由控制器间接控制右转向轮8左转或右转，以及转向的角度。

进一步的，两个后驱动轮设置于所述装置的后端两侧，分别独立连接至所述两个驱动电机的一个以实现各后驱动轮的独立驱动，所述驱动电机也电性连接至所述控制器。具体来说可以为：左驱动轮1设置在机械行走装置底盘的后端左侧，其电性连接第一驱动电机2，由其进行驱动，另外，第一驱动电机2电性连接至控制器，由其间接控制左驱动轮1的前转和后转，以及左驱动轮1的转速。右驱动轮4设置在机械行走装置底盘的后端左侧，其电性连接第二驱动电机3，由其进行驱动，另外，第二驱动电机 3电性连接至控制器，由其间接控制右驱动轮4的前转和后转，以及右驱动轮4的转速。

而且，转向信号输入装置和速度信号输入装置分别与所述控制器电性连接。外部的转向/速度动作，或者外部转向/驱动的控制信号，经过转向信号输入装置和速度信号输入装置作为电信号进入械行走装置内部电路，经过处理后形成控制信号，以控制转向轮或者驱动轮。

其中，机械行走装置可以是各种类型的含轮部结构的行走机器人、汽车等运输工具、玩具车等含有轮部结构的各种装置

在一些实施例中，在转向信号输入装置与控制器之间设置有滤波电路，对输入的控制信号进行滤波，避免误操作引起的转向和后轮驱动。

在一些实施例中，转向信号输入装置包括以下至少一种：方向摇杆、方向盘和遥控器。至于上述例举装置具体的设置方式，可参照现有的摇杆、方向盘和遥控器进行连接和设置。

在一些实施例中，速度信号输入装置包括以下至少一种：速度摇杆、油门踏板和遥控器。至于上述例举装置具体的设置方式，可参照现有的摇杆、油门踏板和遥控器进行连接和设置。需要说明的是，对于转向信号输入装置和速度信号装置都采用遥控器时，可以集成在一个遥控器中通过不同案件实现不同功能。这里的遥控器可以为仅实现遥控功能的单一性遥控器，或者是遥控功能只是为其部分功能的遥控装置(例如预装有遥控功能 app的智能手机、平板电脑或者笔记本)。

在一些实施例中，所述前转向轮之间的轮距和所述后驱动轮之间轮距相同或者不同，宽窄可以自由变换。

根据本公开实施例的另一方面，提供一种转向方法。图4是本公开实施例的机械行走装置的转向方法流程图。如图4所示，机械行走装置的转向方法，其中包括：

根据转向信号，确定两个前转向轮各自的转向角；

根据驱动信号以及两个前转向轮各自的转向角，确定两个后驱动轮各自的驱动电机转速。

在一些实施例中，所述转向信号来自以下至少一种：方向摇杆输入的动作信号；方向盘输入的转动信号；以及外部控制装置传输的转向控制信号。这些信号与上述的转向信号输入装置相对应，可以通过不同的输入装置确定不同的转向信号。

进一步的，根据转向信号，确定两个前转向轮各自的转向角包括：

根据转向信号确定转向为右转或左转；根据转向信号对应的数字量大小计算相应的目标转角；根据转向和对应的左前转向轮的当前转角确定左前转向轮的转角；根据阿克曼原理确定右前转向轮的转角。

上述过程中，对于根据转向信号确定转向为右转或左转可包括：将外部的转向信号转化为数字信号，数字信号值b1大于第一阈值(例如1080) 则判定进行两个前转向轮右转，数字信号值b1小于第二阈值(例如1050)，则判定两个前转向轮进行左转。

上述过程中，根据转向信号对应的数字量大小计算相应的目标转角，可以根据设定的比例关系k，将数字量确定相应的转动的角度，例如将数字量乘以k则获得对应的转动角度。

如图2所示，这里假设向右前进行转动，以及机械行走装置的转向系统原理，θ₀为左前转向轮A(也即左转向轮)的转角，θ_i为右前转向轮B (也即右转向轮)的转角，K为两个前转向轮之间的距离，L为两个前转向轮连线至两个后驱动轮连线之间的距离，左驱动轮C速度(也即左后驱动轮速度)为v2，右驱动轮速度D(也即右后驱动轮速度)为v1，右后驱动轮与瞬时转向中心O之间的距离为R1，左后驱动轮与瞬时转向中心 O之间的距离为R2，R为转动半径，左驱动轮和右驱动轮中心点分别为E 和F，左驱动轮和右驱动轮轮距离为M，依据阿克曼原理，满足如下条件：

OC＝L/tanθ₀

EC＝DF＝(M-L)/2

R2＝OC+EC＝L/tanθ₀+(M-L)/2

R1＝R2-M＝L/tanθ₀-(M+L)/2

ctgθ₀-ctgθ_i＝K/L

在一些实施例中，根据阿克曼原理确定右前转向轮的转角包括：

根据公式ctgθ₀-ctgθ_i＝K/L计算右前转向轮的转角；

其中，θ₀为左前转向轮的转角，θ_i为右前转向轮的转角，K为两个前转向轮之间的距离，L为两个前转向轮连线至两个后驱动轮连线之间的距离。当四轮位置固定后，K和L为固定值，对于左前转向轮的转角

在一些实施例中，驱动信号包括以下至少一种：驱动杆或者油门踏板输入的驱动信号；外部控制装置输入的驱动控制信号。这些信号与上述的驱动信号输入装置相对应，可以通过不同的输入装置确定不同的转向信号。

在一些实施例中，确定两个后驱动轮各自的驱动电机转速包括：根据驱动信号确定后驱动轮为正转或反转；根据驱动信号对应的数字量大小计算相应的目标速度；根据所述目标速度、左后驱动轮当前速度以及右前转向轮的转角确定右后驱动轮速度。

上述过程中，对于根据驱动信号确定驱动轮正转或反转可包括：将外部的转向信号转化为数字信号，数字信号值b0大于第三阈值(例如1080) 则判定进行两个后驱动正转，数字信号值b0小于第四阈值(例如1050)，则判定两个后驱动轮反转。

上述过程中，根据转向信号对应的数字量大小计算相应的目标转角，可以根据设定的比例关系m，将数字量确定相应的线速度，例如将数字量乘以m则获得对应的线速度。

在一些实施例中，根据所述目标速度、左后驱动轮当前速度以及右前转向轮的转角确定右后驱动轮速度包括：根据上述阿克曼原理的公式，计算相应的右后驱动轮速度V1以及左后驱动轮速度V2。

当然，上述转动过程中，由于瞬时转向中心O在不停变化，相应的转向速度和转向角度也在随时变化，因此需要间隔一段时间即进行转向角度和速度的调整，直至两个前转向轮回正，两个后驱动轮停止，目标速度为 0，则整体转动停止。

本公开实施例还提供一种行走装置，包括以上实施例所述的转向系统。其中，该机械行走装置可以为机器人、仿真动物或者任意具有行走功能的装置。

应该注意的是，本文中使用的“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分不同对象，而不意味着这些对象之间具有任何特定顺序关系。

实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本公开实施方式的说明旨在对本公开的总体公开构思进行解释，而不应当理解为对本公开的一种限制。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。