1.本发明涉及一种电动正三轮车的摇摆机构，尤其涉及一种主动摇摆正三轮车及其前馈反馈控制方法。
背景技术：2.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。
3.wo2020/117043公开了一种自平衡的摇摆车，包括具有两个驱动轮的后车架部分和具有至少一个车轮的前车架部分，后车架部分包括用于旋转驱动轮的推进驱动器、用于使前车架部分围绕倾斜轴倾斜的倾斜驱动器和用于基于驾驶员转向输入控制倾斜驱动器的控制器，其中倾斜驱动器包括位于距倾斜轴线预定距离处的电动机和带有齿轮的倾斜构件，倾斜构件具有与齿轮啮合的齿面，使得倾斜构件可以通过旋转轴横向于倾斜轴移动，从而倾斜驱动器和倾斜构件连接到相应的前框架部分和后框架部分。上述自平衡的摇摆车的倾斜构件为带有齿轮组件，加工复杂，长期使用时齿轮易于磨损，从而对摇摆车的安全性带来隐患；此外，上述自平衡的摇摆车采用力矩传感器、采集车辆行驶速度、车把转身角等信息，通过解算获得车辆转弯半径、离心加速度，以得到合适的摇摆控制，计算误差大。
技术实现要素：4.本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种主动摇摆正三轮车及其前馈反馈控制方法，本发明的三轮车采用连杆式摇摆机构，结构简单，反应速度快，控制方法采用基于阻尼摆的惯性检测装置检测车辆离心力的大小，作为反馈信息，并以前叉编码器检测车辆转向，作为前馈信息，进行主动摇摆的实时控制，从而提高了摇摆控制的快速性、灵活性和准确性，增加摇摆的安全性。本发明所述的控制方法能够在行驶过程中根据三轮车的行驶状态自动调整驾驶厢的倾角，以弥补转弯过程中产生的离心力，或者弥补由于倾斜路面造成的车辆侧倾。
5.本发明的第一个方面公开了一种主动摇摆正三轮车，包括正三轮车本体、摇摆机构、正三轮车离心惯性检测装置、前叉编码器和摇摆控制系统；
6.所述正三轮车本体包括驾驶厢和货厢，所述货厢上安装两个后轮，相对地面不能产生摇摆；所述驾驶厢的前端安装前轮，所述驾驶厢和货厢通过旋转轴连接，所述驾驶厢能够绕旋转轴与货厢产生相对转动，转动的角度为
±
20
°
；
7.所述摇摆机构安装在驾驶厢与货厢之间，包括电缸推杆和用于推动所述电缸推杆
做直线运动的电机，所述电机固设在电缸推杆上；所述电缸推杆的两端均为可转动连接结构，所述电缸推杆的上端通过铰链与固定在所述驾驶厢上的支架连接，所述电缸推杆的下端通过铰链与固定在货厢上的基座连接；所述摇摆机构用于根据所述摇摆控制系统的指令伸长、缩短所述电缸推杆从而带动驾驶厢与货箱产生相对旋转，形成摇摆运动；
8.所述正三轮车离心惯性检测装置包括双金属板机构、摆动机构和惯性机构编码器，安装在驾驶厢后部，利用惯性机构编码器检测摆动机构相对于驾驶厢的摆动角度，从而检测车辆行驶过程中由于转弯面产生的离心力，为三轮车的主动摇摆控制提供反馈信息；
9.所述前叉编码器安装在三轮车的前轮转向轴上，用以检测车辆行驶过程中的前轮的转动与转向，为三轮车的主动摇摆控制提供前馈信息；
10.所述摇摆控制系统用于：车辆侧倾时的摇摆控制，包括电机驱动器、信息采集模块、和微处理器模块；所述信息采集模块用于采集前馈信息和反馈信息；
11.微处理器模块用于：综合所述信息采集模块获得的前馈和反馈信息，利用前馈pid控制器和反馈pid控制器计算摇摆所需要的电缸推杆伸缩量并输出给电机驱动器；
12.所述电机驱动器用于：根据微处理器模块得出的电缸推杆伸缩量驱动摇摆机构的电机，指示电缸推杆伸出或者缩回，从而对三轮车进行摇摆控制，使驾驶厢朝向车辆转弯/转向形成的圆弧的圆心方向侧倾；所述电机驱动器与所述电机电连接。
13.进一步的，所述反馈信息包括车身摇摆的角度信息，所述前馈信息包括前叉转角信息。
14.所述正三轮车离心惯性检测装置包括双金属板机构、摆动机构和惯性机构编码器，安装在所述摇摆机构上且所述装置与地面平行设置，所述双金属板结构包括两个平行设置、导电且不导磁的金属板，所述摆动机构具有第二旋转轴和摆锤，所述第二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，所述第二旋转轴一端连接有惯性机构编码器，所述摆锤为强力磁铁且位于两个金属板之间，且所述摆锤的摆动面与车辆的前进方向垂直；利用惯性机构编码器检测摆动机构相对于驾驶厢的摆动角度，从而检测车辆行驶过程中由于转弯而产生的离心力，为三轮车的主动摇摆控制提供离心惯性摆角信息。
15.额外的，所述正三轮车上安装有电子陀螺仪，所述电子陀螺仪设置在货厢上用于检测货厢的倾角，并将倾角信息作为反馈信息，其通过串口与主动摇摆控制系统连接。
16.本发明的第二个方面公开了一种主动摇摆正三轮车的前馈反馈控制方法，包括：
17.步骤一：当所述正三轮车转弯/转向时，车把带动前叉转动，所述前叉编码器检测车辆行驶过程中前轮的前叉转角获得车身的前馈信息，所述惯性检测装置的摆锤在离心力的作用下摆动，所述惯性机构编码器检测摆锤相对于驾驶厢的摆角获得反馈信息；所述摇摆控制系统的信息采集模块采集行驶中的前馈和反馈信息；
18.步骤二：摇摆控制系统综合步骤一获得的前馈和反馈信息，利用前馈pid控制器和反馈pid控制器计算摇摆所需要的电缸推杆伸缩量；
19.步骤三：将步骤二获得的电缸推杆伸缩量发送至电机驱动器驱动摇摆机构的电机，指示电缸推杆伸出或者缩回，从而对三轮车的驾驶厢进行摇摆控制，使驾驶厢朝向车辆转弯/转向形成的圆弧的圆心方向侧倾，产生重心偏移，以弥补由于转弯/转向产生的离心力；
20.步骤四：随着车辆的侧倾，所述惯性机构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，当车辆结束转弯回正时，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。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
22.1)当三轮车转弯时，所述驾驶厢、摇摆机构和货厢形成三连杆机构，驾驶厢可以自动朝向车辆转弯/转向形成的圆弧的圆心方向侧倾，产生重心偏移，形成偏心力矩，以弥补由车辆转弯所产生的离心力，减小由于离心力而导致驾乘人员的不适感；
23.2)三轮车转弯行驶过程中驾驶厢的主动摇摆，使得驾驶厢的重心偏向内侧，从而抵消离心力，并减小由于离心力而产生的向外侧翻的可能性，增强三轮的驾乘安全性；
24.3)当三轮车在倾斜路面上行驶时，驾驶厢自动摇摆至竖直位置，增强驾乘舒适性。
附图说明
25.图1是本发明所述的主动摇摆正三轮车的结构示意图；
26.图2是本发明所述的主动摇摆正三轮车的摇摆机构的结构示意图；
27.图3是本发明所述的主动摇摆正三轮车的离心惯性检测装置的结构示意图；
28.图4是本发明所述的主动摇摆正三轮车的离心惯性检测装置的动力分析简化结构示意图；
29.图5是本发明的主动摇摆正三轮车的摇摆控制系统的控制流程图。
30.图中：
31.1001：车架 1002：车把 1003：车头管
32.1004：车梁管 1005：前叉 1006：前轮
33.1007：后轮 1008：货厢 1009：驾驶厢
34.17：旋转轴 32：前叉编码器 2001：第一连杆
35.2002：第二连杆 2003：第一连接构件 2004：电缸推杆
36.2041：电机 2005：固定支架 2006：基座
37.2007：第三连杆 2081：第二横向连接部 2082：纵向连接部
38.2083：第一横向连接部 1081：货厢框架 3001：金属板
39.3003：第二旋转轴 3102：板固件 3021：连接件
40.3022：摆锤 3023：摆杆
41.3004：惯性机构编码器 3005：基座 3006：长孔
具体实施方式
42.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。
43.图1示出一种主动摇摆正三轮车，包括正三轮车本体、如图2所示的摇摆机构、图3所示的正三轮车离心惯性检测装置、前叉编码器32和摇摆控制系统。
44.所述正三轮车本体包括车架1001、车把1002、车头管1003，车梁管1004、前叉1005、
前轮1006、两个后轮1007、刹车机构、摇摆锁定机构、驾驶厢1009和货厢1008，所述车把1002安装在车头管1003的一端，所述车头管1003的另一端连接所述前叉1005的上端，所述前叉1005的下端连接所述前轮1006，所述车架1001的一端连接在车头管1003上，所述车架1001的另一端连接旋转轴17，所述货厢的货厢框架1081上安装两个后轮1007，所述货厢相对地面不能产生摇摆；所述驾驶厢安装在前叉1005与货厢框架1081之间，用于驾驶员坐在驾驶厢内操控车把1002，货厢安装在两个同轴的后轮1007上部，用于承载货物；所述驾驶厢和货厢通过旋转轴17连接，所述驾驶厢和货厢之间还安装有摇摆机构，在行驶中当车把转动方向时，所述摇摆机构带动所述驾驶厢与货厢产生相对转动，转动的角度为
±
20
°
。
45.如图2所示，所述摇摆机构包括一平行于所述驾驶厢的支架、电缸推杆2004和用于推动所述电缸推杆做直线运动的电机2041，所述电机固设在电缸推杆上。所述支架由第一连杆2001、与所述第一连杆平行的第二连杆2002和两个第三连杆2007组成，所述第三连杆套设在所述第一连杆和第二连杆的端部，其中所述第一连杆2001和第二连杆2002为长边，两个第三连杆2007为短边。其中，所述第一连杆2001上套设一第一连接构件2003，所述第一连接构件2003一端固定在正三轮车的驾驶厢1009的背部，另一端为轴部用于活动连接电缸推杆2004的上端，电缸推杆2004的上端通过铰链与固定在所述驾驶厢上的所述支架连接，所述电缸推杆2004的下端通过铰链与固定在货厢上的基座2006连接。
46.所述基座2006为工字型结构，包括一体成型的第一横向连接部2083、第二横向连接部2081和纵向连接部2082，所述纵向连接部2082的两端分别连接两个横向连接部并垂直于所述横向连接部；所述第一横向连接部2083、第二横向连接部2081分别固定在货厢上，所述驾驶厢能够绕所述旋转轴17旋转。所述第一横向连接部2083具有向所述驾驶厢方向伸出的支架用于固定所述旋转轴17，且所述支架的宽度与所述旋转轴17的外径适配，所述固定支架5的另一端固定在所述第一横向连接部2083上。在所述电机的作用下，所述电缸推杆2004能够相对第一连接构件2003左右摆动，从而带动与所述第一连杆2001固定连接的驾驶厢左右摆动，所述驾驶厢的摆动的角度为
‑
20～+20度。所述电机与摇摆控制系统的电机驱动器电连接，用于根据所述主动摇摆控制系统的指令伸长、缩短推杆从而带动驾驶厢与货厢产生相对旋转，形成摇摆运动。
47.如图3所示，所述正三轮车离心惯性检测装置包括双金属板机构、摆动机构和惯性机构编码器3004，通过连接件安装在所述摇摆机构的第一连杆2001和第二连杆2002上，使所述装置与地面平行设置。所述双金属板结构包括两个导电且不导磁的金属板3001和可调节基座3005，两个所述金属板3001相互平行设置，所述可调节基座3005为l型基座，底面有长孔(图中未示出)，所述基座3005沿长孔3006移动从而调节两个基座3005之间的距离，为此所述长孔3006的长径垂直于所述基座3005的竖直的面板，即垂直于金属板3001设置。所述可调节基座3005上有竖直的板固件3102用于固定金属板3001，通过调整基座3005的相对位置从而调节两个所述金属板3001的相对位置；所述长孔3006用于通过螺丝固定连接可调节基座。两个所述金属板3001相互平行设置。具体的，所述金属板3001的顶端上有对应设置的第二螺孔用于穿过第二旋转轴3003；由于摆锤3022为强力磁铁材质且设置在金属板3001之间，为实现摆锤3022的摆动，因此金属板3001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第二旋转轴3003、摆杆3023和摆锤3022，所述第二旋转轴3003安装在所述金属板3001的顶端上的孔中，并能够自由旋转，所述第二旋转轴
3003一端有轴帽，另一端为自由端，带有轴帽的一端卡在所述金属板3001的外侧，所述第二旋转轴3003的自由端穿过所述金属板3001后，继续通过连接件3021、另一个金属板3001后，穿过所述惯性机构编码器3004。所述惯性机构编码器3004与所述第二旋转轴3003电连接，用于读取所述摆动机构的摆动角度。所述摆杆3023通过连接件3021安装在所述第二旋转轴3003的中部并通过螺钉与第二旋转轴3003固定连接，所述摆杆3023的另一端固连所述摆锤3022，摆杆3023与摆锤3022能够绕第二旋转轴3003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；所述第二旋转轴3003与所述惯性机构编码器3004电连接。所述摆锤3022能够随车辆改变行驶方向而自由摆动，当调节双金属板3001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3022向外摆动，通过惯性机构编码器3004可以读出摆锤3022摆动的角度，从而检测车辆行驶过程中由于转弯面产生的离心力，为三轮车的主动摇摆控制提供反馈信息。
48.如图1所示，所述前叉编码器32安装在三轮车的前轮转向轴上，用以检测车辆行驶过程中的前轮的转动与转向，为三轮车的主动摇摆控制提供前馈信息。
49.所述正三轮车的摇摆控制系统包括电机驱动器、信息采集模块、和微处理器模块；所述信息采集模块用于采集前馈信息和反馈信息；所述反馈信息包括车身摇摆的角度信息，所述前馈信息包括前叉转角信息。所述微处理器模块综合所述信息采集模块获得的前馈和反馈信息，利用前馈pid控制器和反馈pid控制器计算摇摆所需要的电缸推杆伸缩量并输出给电机驱动器；所述电机驱动器根据微处理器模块得出的电缸推杆伸缩量驱动摇摆机构的电机2041，指示电缸推杆2004伸出或者缩回，从而对三轮车进行摇摆控制，使驾驶厢朝向车辆转弯/转向形成的圆弧的圆心方向侧倾；所述电机驱动器与所述电机电连接。
50.实施例1：车辆转弯/转向时的摇摆控制
51.如图4
‑
5所示，车辆转弯/转向时所述主动摇摆正三轮车的前馈反馈控制方法，包括：
52.所述主动摇摆正三轮车的驾驶厢和货厢之间安装有摇摆机构，在所述摇摆机构的长杆之间安装所述惯性检测装置，在前轮转向轴上安装前叉编码器32；乘车人根据车辆允许的摇摆的角度范围调节所述惯性检测装置的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；
53.步骤一：当所述三轮车右转弯时，车把1002带动前叉1005转动，所述前叉编码器32检测车辆行驶过程中的前轮的前叉转角信息作为前馈信息，由于车轮轨迹是圆弧状，所述车辆做圆弧运动时，会产生离心力，所述惯性检测装置的摆锤3022在离心力的作用下摆动，就会形成一个摆角θ。所述摆锤3022摆动的摆角θ的数值通过连接件3021传输至惯性机构编码器3004并被所述惯性机构编码器3004读出，所述惯性机构编码器3004将摆锤3022的摆角数值作为反馈信息通过通讯线缆传输至所述车辆的摇摆控制系统。
54.图4示出惯性检测装置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系统，其数学模型为
[0055][0056]
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，f
c
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；
[0057]
在摆角较小时，得到线性化传递函数为
[0058][0059]
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3022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。
[0060]
利用所述摇摆控制系统的信息采集模块采集行驶中的前馈和反馈信息。
[0061]
步骤二：摇摆控制系统综合步骤一获得的前馈和反馈信息，利用前馈pid控制器和反馈pid控制器计算摇摆所需要的电缸推杆伸缩量；
[0062]
步骤三：将步骤二获得的电缸推杆伸缩量发送至电机驱动器驱动摇摆机构的电机，指示电缸推杆伸出或者缩回，从而对三轮车的驾驶厢进行摇摆控制，使驾驶厢朝向车辆转弯/转向形成的圆弧的圆心方向侧倾，产生重心偏移，以弥补由于转弯/转向产生的离心力；
[0063]
步骤四：随着车辆的侧倾，所述惯性机构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。
[0064]
本发明的摇摆控制其实就是对摆锤摆角的跟随控制。将所述惯性检测装置安装摇摆电动三轮车的驾驶厢后背部，且摆锤的摆动的平面与车辆前进的方向垂直；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相对于驾驶厢的摆角θ一致为止，此时编码器读出的θ＝0，或者接近0度，也就是，车辆摇摆是对摆锤的摆角跟随，从而使得车辆轿箱倾斜后的重力作用与车辆转弯所形成的离心力平衡；然而，基于摆锤的惯性检测装置为一阶惯性系统，其摆角响应不及时，为此，本发明采用编码器检测前叉转向角度，构造前馈控制，同时以摆锤的摆角构造反馈控制器，前馈控制提高控制的快速性，反馈控制保证了摇摆的幅度；如图5所示，为主动摇摆的前馈
‑
反馈控制原理框图，α为前叉转向角，θ为摆锤相对于驾驶厢的摆角，u为系统对电缸伺服电机的控制输出，那么，有
[0065][0066]
其中为前馈控制器参数，为反馈控制器参数，λ为饱和系数，以上参数需根据三轮车实际实验整定得到。
[0067]
此外，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可
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。
[0068]
实施例2：车辆行驶在倾斜路面上时的摇摆控制
[0069]
步骤一：当所述三轮车行驶在倾斜路面上时，所述惯性检测装置的摆锤3022在重力的作用下，会保持竖直方向，就会与驾驶厢形成一个相对角度，即摆角θ，所述摆锤3022摆动的摆角θ的数值作为反馈信息发送至摇摆控制系统，驾驶厢会跟随摆捶的方向摇摆，从而使驾驶厢摇摆至竖直。
[0070]
步骤二：摇摆控制系统综合步骤一获得的前馈和反馈信息，利用前馈pid控制器和反馈pid控制器计算摇摆所需要的电缸推杆伸缩量；
[0071]
步骤三：将步骤二获得的电缸推杆伸缩量发送至电机驱动器驱动摇摆机构的电机，指示电缸推杆伸出或者缩回，从而对三轮车的驾驶厢进行摇摆控制，使驾驶厢自动摇摆至竖直位置。
[0072]
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。