[发明专利]汽车自由转向装置及方法

说明书

技术领域

本发明设计汽车控制领域，尤其涉及一种汽车自由转向装置及方法。

背景技术

目前汽车的转向是通过驾驶员转动方向盘来改变汽车前轮或后轮的方向来改变汽车的前进方向。该转向方法依赖于驾驶员的技术，并且该转向方法完成汽车的转向需要低速、较大的转向空间。如果在汽车高速行驶状态下使用该方法进行紧急转弯，例如近似的90度转弯以及180度转弯，需要驾驶员有极高的驾驶技术，如我们通常所说的漂移动作。该转弯过程具有非常大的危险性，很容易造成车祸，绝大多数驾驶员都无法完成紧急转弯。但是，在某些突发情况，如前方出现车祸、桥梁塌方等状态下，使汽车完成紧急转向具有非常重要的意义，它可以有效地保护驾驶员的生命安全。

然而，目前尚未有有效的使汽车完成紧急转向的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有汽车转向技术的不足，应用球形电机、倒立摆控制、陀螺效应控制汽车的转向，提出了一种汽车自由转向装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种汽车自由转向装置，它包括电源模块、微处理器模块、起摆器模块、转向球模块和姿态感知模块；其中，所述电源模块为微处理器模块、起摆器模块、转向球模块和姿态感知模块供电，起摆器模块、转向球模块和姿态感知模块均与微处理器模块相连；转向球模块固定在汽车前端的中心位置，起摆器模块固定在汽车后轮中间位置的下方，姿态感知模块固定在汽车尾部的中心位置。

进一步地，所述微处理器模块由ARM芯片和微处理器模块的蓝牙相连组成。

进一步地，所述转向球模块包括转向球模块的基座、转向球、球形电机转子、球形电机定子、球形电机控制器和转向球模块的蓝牙；其中，基座位于转向球的上方，内有半球形空槽，转向球部分位于该槽内，球形电机转子位于转向球中，球形电机定子位于基座内半球形空心槽的周围。球形电机控制器与球形电机定子相连接，位于球形电机定子的上方；转向球模块的蓝牙与球形电机控制器相连。

进一步地，所述起摆器模块包括控控制板、连接板、弹簧、压缩线、直线电机、直线电机控制器、起摆器模块的蓝牙和壳体；壳体下方有一圆柱形空槽，弹簧位于该空槽内；连接板位于该空槽的出口处，控制板在连接板的上方与连接板相接触；直线电机位于弹簧所处空槽的正上方，压缩线的一端连接弹簧位于空槽出口处的一端，另一端连接直线电机；直线电机驱动器与直线电机连接，起摆器模块的蓝牙与直线电机控制器连接。

进一步地，所述姿态感知模块包括陀螺仪、三维加速度传感器和姿态感知模块的蓝牙；所述陀螺仪和三维加速度传感器均和姿态感知模块的蓝牙直接相连。

一种应用上述装置的汽车自由转向方法，包括以下步骤：

（1）汽车紧急制动，汽车进入起摆状态，转向球触地：当需要转向时，特别是在紧急制动时，用户紧急踩下刹车，汽车迅速制动，此时，在汽车尾部下方的起摆器模块中与汽车制动器相连的控制板向左移动，连接板绕o点转动，压缩的弹簧向外弹出，弹簧接触到地面后，给汽车向上顶起的反作用力F。通过F的作用，汽车后轮离开地面；汽车以前轮为支点做类似杠杆运动，使转向球模块触地。当转向球模块触地后，汽车尾部继续上升，汽车以转向球模块为支点做杠杆运动，进入起摆状态；

（2）转向球对汽车进行调整姿态，维持在倒立摆控制的平衡位置：姿态感知模块将汽车的姿态信息发送给微处理器模块，微处理器模块应用倒立摆的控制方法来调整汽车的姿态，使其达到并维持在平衡位置；调整汽车姿态是通过控制转向球模块（1）中的球形电机实现的；所述倒立摆控制方法是根据汽车当前姿态与平衡位置的差值计算出转向球模块（1）中球形电机的运动控制参数；通过微处理器模块将相应的参数发送给转向球模块，控制球形电机转子（14）运动，即可完成对汽车姿态的调整，使其位置维持在倒立摆控制的平衡位置；

（3）转向球驱动汽车自转，使汽车做陀螺运动：当汽车只有转向球触地后，微处理器模块控制转向球模块驱动汽车绕自身对称轴线迅速产生高速自转，汽车开始做陀螺运动；汽车做陀螺运动以后，根据陀螺效应，物体转动时的离心力会使自身抵抗外界的干扰而保持平衡，即一个做陀螺旋转运动的物体会立于地面而不倒下。

（4）汽车逐渐停止自转转，锁定到期望的着陆姿态：当汽车做稳定陀螺运动后，通过姿态感知模块监测汽车是否保持在倒立摆控制的平衡位置，在汽车维持在倒立摆控制的平衡位置的前提下，微处理器模块将控制转向球模块使汽车逐渐降低转速；最后达到通过转向球控制汽车做速度极低的稳定、匀速自转运动；