Полноприводная транспортная платформа с электроприводом поворота колес и регулируемой колеёй

Изобретение относится к полноприводной транспортной платформе с электроприводом поворота колес и регулируемой колеей. Платформа включает в себя блоки колес, бортовой аккумулятор, органы управления транспортным средством, блок управления. Блоки колес содержат мотор-колеса, установленные на электроприводы поворота колес. Блок управления содержит бортовой компьютер и модули микроконтроллеров электроприводов. Блоки колес содержат электроприводы регулирования колеи. Оси вращения электроприводов поворота установлены на электроприводы регулирования колеи, к которым присоединены мотор-колеса, пересекают перпендикулярно оси вращения мотор-колес и смещены относительно плоскости вращения мотор-колес. Достигается повышение эксплуатационной безопасности транспортного средства за счет адаптивного реагирования на изменение скоростного режима и траектории движения транспортного средства. 12 ил.

 

Изобретение относится к устройствам колесных транспортных средств и наиболее эффективно может быть использовано в конструкции электромобильных и роботизированных транспортных шасси, в инвалидных колясках с электроприводом.

Известно устройство транспортного средства, оборудованного мотор-колесами, установленными на поворотное устройство. (Поворотные колеса. [Электронный ресурс]. // Веб-сайт «Поворотные колеса» - Режим доступа: https://stasjok.wixsite.com/sslava/--cllwz - (дата обращения 25.02.2021)). Данное устройство оборудовано блоками колес, представляющими гидрообъемную систему поворота колеса, управляемую сервомотором (гидроусилителем крутящего момента), расположенной над колесом в подвеске и удерживающей мотор-колесо.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции системы поворота колеса, а также то, что в случае ее поломки блок колеса полностью утрачивает управляемость.

Известно также устройство блока колеса, содержащего электроповоротный привод (Protean-360 + Fact Sheet. [Электронный ресурс]. // Веб-сайт фирмы «Protean Electric Automotive Technology)) - Режим доступа: https://www.proteanelectric.com/f/2019/07/Protean-360-Fact-Sheet-ENG-160719.pdf - (дата обращения 25.02.2021)). Данный блок колеса содержит электрическое мотор-колесо, установленное на электропривод поворота колеса, причем электропривод поворота расположен над мотор-колесом в плоскости его вращения, а ось вращения электропривода поворота проходит через центр тяжести мотор-колеса. Такое расположение электропривода поворота позволяет поворачивать мотор-колесо на 360 градусов без смещения относительно оси вращения электропривода. Платформа, оборудованная такими блоками колес, сможет выполнять не тривиальные маневры, например, парковаться перпендикулярно продольной оси транспортного средства (Мотор-колесо Protean360 + позволит электромобилям будущего парковаться любым боком. [Электронный ресурс]. // Автомобильный портал «Третий Рим» - Режим доступа: https://rim3.ru/avtonovosti/elektromobili/motor-koleso-protean360-pozvolit-elektromobilyam-budushchego-parkovatsva-lvubym-bokom/ - (дата обращения 25.02.2021)).

Недостатком данного устройства является то, что при поломке электропривода поворота колеса колесо становится абсолютно не управляемым. Для транспортного средства, оборудованного такими блоками колес, при движении со скоростью выше 40...50 км/час последствия будут носить катастрофические последствия.

Из известных устройств транспортных средств, оборудованных мотор-колесами, установленными на поворотный электропривод наиболее близким по технической сущности, является электромобиль, созданный в НАСА (Патент США Patent Title: Modular robotic vehicle; Patent Number: 9,085,302; B60V 1/00, B60/30/18; Date of Patent: Jul. 21, 2015). Данное устройство представляет собой транспортную платформу, имеющую блоки колес, содержащие тяговые мотор-колеса, установленные на электроприводы поворота колес, причем электропривод поворота расположен над мотор-колесом в плоскости его вращения, а ось вращения электропривода поворота перпендикулярно пересекает ось вращения мотор-колеса в плоскости его вращения, бортовой аккумулятор, органы управления транспортным средством, блок управления, содержащий бортовой компьютер и модули микроконтроллеров электроприводов. Исходя из управляющих сигналов, поступающих от органов управления транспортным средством, бортовой компьютер формирует управляющие сигналы, которые через модули микроконтроллеров электроприводов устанавливают угловую скорость вращения мотор-колес и их углы поворота. Электропитание всех узлов осуществляет бортовой аккумулятор. Электроприводы поворота колес обеспечивают возможность поворота мотор-колес на 360 градусов, что позволяет реализовать разворот транспортного средства на месте или двигаться транспортному средству перпендикулярно его продольной оси.

К недостаткам указанного прототипа относятся высокая вероятность катастрофических последствий в случае поломки электропривода поворота колеса пропорционально возрастающая по мере повышения скорости движения и отсутствие адаптивного реагирования на изменение скорости и траектории движения транспортного средства.

Техническая проблема заключается в расширении арсенала устройствам колесных транспортных средств за счет создания полноприводной транспортной платформы с электроприводом поворота колес и регулируемой колеей, обладающей повышенной эксплуатационной безопасность, в том числе за счет способности адаптивно реагировать на изменение скорости и траектории движения транспортного средства.

Техническим результатом изобретения являются повышенная эксплуатационная безопасность транспортного средства и адаптивное реагирование на изменение скоростного режима и траектории движения транспортного средства.

Поставленная проблема решается за счет того, что создается устройство полноприводной транспортной платформы с электроприводом поворота колес и регулируемой колеей, включающее в себя блоки колес, содержащие мотор-колеса установленные на электроприводы поворота колес, бортовой аккумулятор, органы управления транспортным средством, блок управления, содержащий бортовой компьютер и модули микроконтроллеров электроприводов, отличающееся тем, что в блоки колес дополнительно введены электроприводы регулирования колеи, причем оси вращения электроприводов поворота, установленных на электроприводы регулирования колеи к которым присоединены мотор-колеса, пересекает перпендикулярно оси вращения мотор-колес и смещены относительно плоскости вращения мотор-колес.

Проведенный заявителем анализ техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяют установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами, на которых изображено:

Фиг. 1 изображает блок колеса транспортной платформы.

Фиг. 2 изображает структурную блок схему транспортной платформы.

Фиг. 3 изображает схему поворота управлением угловой скоростью мотор-колес.

Фиг. 4 изображает схему изменения колеи транспортной платформы в зависимости от скорости ее движения.

Фиг. 5 изображает схему изменения колеи транспортной платформы при прохождении виража.

Фиг. 6 изображает действующий макет электромобиля на базе предлагаемой транспортной платформы.

Фиг. 7 изображает пример выполнения блок колеса транспортной платформы.

Позициями на чертежах обозначены: блок колес 1, электропривод поворота колес 2, электропривод регулирования колеи 3, мотор-колесо 4, блок управления 5, бортовой компьютер 6, модули микроконтроллеров электроприводов 7, органы управления транспортным средством 8, бортовой аккумулятор 9, транспортная платформа 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Полноприводная транспортная платформа оснащена блоками колес 1, содержащими электропривод поворота колес 2, установленный на электропривод регулирования колеи 3 к которому присоединено мотор-колесо 4 (фиг. 1). Электропривод поворота колес 2 позволяет осуществлять поворот мотор-колеса 4, установленного на электропривод регулирования колеи 3, вокруг своей оси вращения. Электропривод регулирования колеи 2 позволяет приближать или отдалять плоскость вращения мотор-колеса 3 к оси вращения электропривода поворота колеса 2. На фиг. 1, а представлено положение мотор-колеса 4, плоскость вращения которого расположена на минимальном расстоянии от оси вращения электропривода поворота колес 2. На фиг. 1, б представлено положение мотор-колеса 4, плоскость вращения которого расположена на максимальном расстоянии от оси вращения электропривода поворота колес 2.

Управление блоками колес 1 транспортной платформы осуществляется блоком управления 5 исходя из сигналов, поступающих от органов управления транспортным средством 8, с помощью которых водитель задает траекторию и скорость движения транспортного средства (фиг. 2). Сигналы управления с органов управления транспортным средством 8 поступают в бортовой компьютер 6, в который через модули микроконтроллеров 7 поступает также информация о текущем положении электроприводов всех блоков колес 1, а именно, о угловом положении каждого электропривода поворота колеса 2 относительно курсового направления транспортного средства, о расстоянии от оси вращения каждого электропривода поворота колеса 2 до плоскости вращения соответствующих мотор-колес 4, которое задается электроприводами регулирования колеи 3, и о угловой скорости каждого мотор-колеса 4. Бортовой компьютер 6, в соответствии с пожеланиями водителя, передаваемыми через органы управления транспортным средством 8, и текущим положением электроприводов блоков колес 1, осуществляет расчет и через модули микроконтроллеров 7 передает на соответствующие электроприводы блоков колес 1 управляющие сигналы и, тем самым, обеспечивает требуемые скорость и траекторию движения транспортного средства. Электропитание блока управления 5 и электроприводов осуществляется от бортового аккумулятора 9, для упрощения цепи питания на структурной блок схеме транспортной платформы не показаны.

Благодаря тому, что ось вращения электропривода поворота колеса 2 смещена относительно плоскости вращения мотор-колеса 4 возникает возможность управлять угловым положением мотор-колеса 4 относительно курсового направления транспортного средства тремя способами.

Во-первых, мотор-колесо 4 можно поворачивать с помощью электропривода поворота колеса 2.

Во-вторых, изменять угловое положение мотор-колеса 4 относительно курсового направления транспортного средства можно, если увеличить или уменьшить значение маршевой угловую скорости мотор-колеса 4. На фиг. 3, а показано положение мотор-колес 4 относительно транспортной платформы 10 при прямолинейном движении. Для обеспечения прямолинейного курсового движения транспортной платформы 10 угловые скорости мотор-колес 4 ω₁ и ω₂ имеют равные значения. В случае, когда водитель через органы управления транспортным средством 8 подает команду на изменение траектории транспортного средства, бортовой компьютер 6 в соответствии с поступившим от водителя сигналом выдает на мотор-колеса 4 соответствующие корректировки их угловой скорости. На фиг. 3, б представлен случай, когда от водителя поступила команда осуществить поворот влево. Бортовой компьютер 6 ускоряет движение правого мотор-колеса 4₁, увеличив его угловую скорость ω на Δω₁, и замедляет движение левого мотор-колеса 4₂, уменьшив его угловую скорость ω на Δω₂, причем, в соответствии с принципом Аккермана для устойчивого без проскальзывания прохождения поворота значение Δω₁ будет меньше значения Δω₂, так как правое мотор-колесо 4₁ движется по большему радиусу поворота, чем левое мотор-колесо 4₂, а значит должно быть повернуто на угол α₁ меньший, чем угол поворота α₂ левого мотор-колеса 4₂. После того как транспортное средство выйдет на курсовое направление, заданное водителем, бортовой компьютер 6 выдаст моторам-колесам 4 корректировки угловой скорости Δω₁ и Δω₂ обратного знака. Мотор-колеса 4 вернутся в положение прямолинейного движения транспортного средства.

В-третьих, управлять поворотом мотор-колес 4 можно комбинированно, используя первый и второй варианты изменения углового положения мотор-колес 4 относительно курсового направления транспортного средства. Данный вариант наиболее приемлем, так как при нем угловое положение колеса дублировано контролируется и управляется двумя электроприводами (электроприводом поворота колеса 2 и мотор-колесом 4). При выходе из строя одного из них второй гарантировано продолжит управлять угловым положением колеса. Кроме того, при этом варианте электропривод поворота колеса 2 работает в более щадящем режиме, так как часть нагрузки с него снимает мотор-колесо 4, а сама операция поворота колеса происходит более динамично.

Электропривод регулирования колеи 3 изменяет расстояние между осью вращения электропривода поворота колеса 2 и плоскости вращения мотор-колеса 4. Благодаря этому есть возможность динамично, в зависимости от скорости движения транспортного средства адаптировано изменять колею транспортного средства, получая соответствующие команды бортового компьютера 6.

При небольшой скорости движения транспортного средства электропривод регулирования колеи 3 устанавливает максимально возможное расстояние λ_max между осью вращения электропривода поворота колеса 2 и плоскостью вращения мотор-колеса 4, что обеспечивает устойчивое движение транспортного средства (фиг. 4, а). По мере возрастания скорости движения транспортного средства бортовой компьютер 6 выдает на электропривод регулирования колеи 3 соответствующие команды, и электропривод регулирования колеи 3 обратно пропорционально увеличению скорости движения транспортного средства уменьшает расстояние λ между осью вращения электропривода поворота колеса 2 и плоскостью вращения мотор-колеса 4, тем самым уменьшаю колею транспортного средства.

При высоких скоростях движения транспортного средства электропривод регулирования колеи 3 устанавливает минимально возможное расстояние λ_min между осью вращения электропривода поворота колеса 2 и плоскостью вращения мотор-колеса 4 (фиг. 4, б). Это обеспечивает улучшение аэродинамических характеристик транспортного средства и сокращает время реакции на осуществление поворота колес, что критически важно при высоких скоростях движения транспортного средства. Сокращение времени реакции на осуществление поворота колес объясняется тем, что уменьшается радиус проката колеса относительно оси вращения электропривода поворота колеса 2 и соответственно уменьшается время при выходе на требуемое значение угла поворота мотор-колеса 4.

Кроме того, электроприводы регулирования колеи 3 способствуют повышению поперечной устойчивости транспортного средства при прохождении виражей. При вхождении в поворот, радиус кривизны которого менее определенной величины, бортовой компьютер 6 выдает на электроприводы регулирования колеи 3 корректирующие команды таким образом, что электроприводы регулирования колеи 3 устанавливают минимально возможное расстояние λ_min между осью вращения электропривода поворота колеса 2 и плоскостью вращения мотор-колеса 4 для колес, движущихся по внутреннему радиусу поворота, и максимально возможное расстояние λ_max между осью вращения электропривода поворота колеса 2 и плоскостью вращения мотор-колеса 4 для колес, движущихся по внешнему радиусу поворота (фиг. 5, а).

Такая установка колес транспортного средства повышает его поперечную устойчивость в связи тем, что центр масс транспортного средства смещается от внешнего радиуса поворота колес в сторону внутреннего радиуса поворота колес (фиг. 5, б). Это увеличивает противодействие опрокидывающему моменту F_o, возникающему под воздействием центробежной силы F_ц.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого способа следующей совокупности условий:

- Заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в конструкции электромобильных и роботизированных транспортных средствах, в инвалидных колясках с электроприводом;

- для заявленного устройство в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- заявленное устройство при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, состоящего в повышенной эксплуатационной безопасности транспортного средства и адаптивном реагирование на изменение скоростного режима и траектории движения транспортного средства.

Предложенное устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышенную эксплуатационную безопасность транспортного средства за счет того, что поворот колес в нем осуществляется дублировано двумя электроприводами, а именно, электроприводом поворота колеса и изменением угловой скорости мотор-колеса. В случае выхода из строя любого из них, транспортному средству не грозят фатальные последствия, так как оно будет управляемо с помощью работоспособного привода. В прототипе поворот колеса производится только электроприводом поворота колеса. В случае его поломки колесо абсолютно неуправляемо, что делает весьма высокой вероятность катастрофичных последствий.

Дублирование электропривода поворота колеса за счет изменения угловой скорости мотор-колеса для осуществления поворота колеса разгружает электропривод поворота колеса и обеспечивает ему более щадящий режим работы, что тоже повышает эксплуатационную надежность транспортного средства. Кроме того, дублированная работа электроприводов обеспечивает более быстрый и динамичный поворот колеса.

Благодаря наличию электроприводов регулирования колеи предлагаемое устройство транспортной платформы обладает свойством адаптивного реагирования на изменение скоростного режима и траектории движения транспортного средства.

Бортовой компьютер в зависимости от скорости движения транспортного средства адаптивно устанавливает величину его колеи. При низких скоростях движения устанавливается максимальная величина колеи, обеспечивающая максимально устойчивое движение транспортного средства, в особенности в условиях плохой дороги, что зачастую и определяет необходимость низкой скорости движения. По мере возрастания скорости движения бортовой компьютер уменьшает величину колеи, тем самым улучшая аэродинамические характеристики транспортного средства. Кроме того, уменьшение колеи по мере роста скорости движения повышает скорость реакции при выполнении поворота колес транспортного средства за счет более быстрого выхода мотор-колес на требуемый угол поворота.

Кроме того, бортовой компьютер при вхождении транспортного средства в крутой поворот с помощью электроприводов регулирования колеи смещает центр масс транспортного средства в сторону выполнения поворота и тем самым повышает поперечную устойчивость транспортного средства и препятствует его опрокидыванию под воздействием центробежной силы.

Дополнительным преимуществом и достоинством предложенного устройства транспортной платформы является возможность построения на ее основе беспилотных транспортных средств.

Пример. Возможность практической реализации предлагаемого устройства транспортной платформы была проверена путем изготовления на ее основе действующей модели электромобиля в масштабе 1:5 (фиг. 6). В электромобиле были использованы: в качестве ходовых мотор-колес - мотор-колеса от гироскутера Smart Balance Pro 10 диаметром 10,5 дюймов; в качестве электропривода поворота колес - мотор-колеса от гироскутера Gold Wheels 6 Black диаметром 6,5 дюймов; в качестве электропривода регулирования колеи был использован имитатор с ручной регулировкой; управление мотор-колесами, включая используемые в качестве электропривода поворота колес, осуществлялось с помощью микроконтроллеров Brushless dc motor controller, model S6-11; бортовой компьютер был выполнен с использованием платы Arduino Due на основе 32-битного микроконтроллера Atmel SAM3X8E с ARM-процессором на базе ядра ARM Cortex-М3. На фиг. 7 представлен вариант реализации блока колеса, в котором в качестве электропривода поворота колес используется шаговый двигатель SUMTOR 57HS7630A6D8. На фиг. 7, а показано положение минимального смещения плоскости вращения мотор-колеса относительно оси вращения электропривода поворота колеса, а на фиг. 7, б показано положение максимального смещения.

Собранная модель электромобиля позволила проверить режимы управления поворотом колес как отдельно с помощью электропривода поворота колеса или изменением угловой скорости вращения мотор-колеса, так и их комплексным их использованием. Кроме того, было изучено изменение скорости выполнения поворота колеса в зависимости от смещения плоскости вращения мотор-колеса относительно оси вращения электропривода поворота колеса и использования различных комбинаций приводов поворота.

Устройство полноприводной транспортной платформы с электроприводом поворота колес и регулируемой колеей, включающее в себя блоки колес, содержащие мотор-колеса, установленные на электроприводы поворота колес, бортовой аккумулятор, органы управления транспортным средством, блок управления, содержащий бортовой компьютер и модули микроконтроллеров электроприводов, отличающееся тем, что в блоки колес дополнительно введены электроприводы регулирования колеи, причем оси вращения электроприводов поворота, установленных на электроприводы регулирования колеи, к которым присоединены мотор-колеса, пересекают перпендикулярно оси вращения мотор-колес и смещены относительно плоскости вращения мотор-колес.