一種高效側(cè)方位停車輔助裝置設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

趙金國，閻治安，周美麗，焦文芳

(1.西京學(xué)院，西安 710123；2.西安交通大學(xué)，西安 710049；3.延安大學(xué)，延安 716000)

0 引 言

隨著汽車擁有量的增加，停車已成為中國汽車司機(jī)的一個(gè)痛點(diǎn)。停車資源不足，導(dǎo)致停車空間不足。加之，停車空間不能有效利用，造成了公共資源的浪費(fèi)[1]。目前，作為側(cè)方位停車輔助裝置有自動(dòng)泊車和人工機(jī)械式泊車輔助裝置。雖然在一定程度上增加了側(cè)方位泊車的功能，提高了效率，部分解決了人力難度，但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)：自動(dòng)泊車在停車位置有極限的時(shí)候是很難做到的，人工機(jī)械式側(cè)方位泊車耗時(shí)費(fèi)力。上述2種狀況在側(cè)方位停車位置極限難度時(shí)很難做到，使用效率不高。

本文設(shè)計(jì)了一種輔助裝置來實(shí)現(xiàn)汽車高效率側(cè)方位停車，其采用電動(dòng)推桿作為執(zhí)行器，由遙控器操作，可以有序、安全、快速、高效地完成側(cè)方位停車[2]，也可減輕道路停車壓力。電動(dòng)推桿不僅可以降低氣動(dòng)和液壓要求的氣/液源設(shè)備和輔助設(shè)備，還可以減少執(zhí)行器的質(zhì)量。使用電動(dòng)推桿執(zhí)行器，在起動(dòng)可變控制系統(tǒng)時(shí)需要電源，起動(dòng)后不再需要電源，而且電動(dòng)推桿具有相對明顯的節(jié)能優(yōu)勢[3]。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

本文研究了一種轎車側(cè)方位停車輔助裝置，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。將停車輔助裝置分別設(shè)置在轎車底盤的左前、右前、左后和右后位置，通過定位臂和活動(dòng)搖臂固定在車梁上，在汽車停車制動(dòng)、熄火后使用。該裝置可以有效利用空間，便于在停車位置極限難度的情況下使用，操作方便，具有節(jié)能環(huán)保、節(jié)省車輛占地空間等優(yōu)點(diǎn)。在車輛更換輪胎的過程中，停車輔助系統(tǒng)可起到替換機(jī)械式千斤頂?shù)淖饔?，減少更換輪胎的操作時(shí)間，提高工作效率。

(a) 支撐圖

(b) 收縮圖

1.2 工作原理

利用遙控器控制水平電動(dòng)推桿和垂直電動(dòng)推桿配合使用，起到升降車身的作用。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)支撐輪轉(zhuǎn)動(dòng)，橫向移動(dòng)汽車整體車身。起動(dòng)控制器控制水平電動(dòng)推桿收縮至末端，活動(dòng)搖臂在水平電動(dòng)推桿作用下左旋，然后垂直電動(dòng)推桿伸出，直至電動(dòng)推桿與支撐輪垂直，支撐起汽車整體車身，使汽車車輪離開地面一定距離時(shí)自行停止，再由輪轂電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)汽車整體左移，移位至用戶所需位置后停止運(yùn)動(dòng)。再起動(dòng)控制器控制垂直控制電動(dòng)推桿向上收縮至末端，然后控制水平電動(dòng)推桿向左伸出，活動(dòng)搖臂在水平電動(dòng)推桿的作用下右旋，將垂直電動(dòng)推桿與支撐輪收至車底與車梁平行且定位，此時(shí)水平電動(dòng)推桿自行停止工作，控制器自動(dòng)斷電。反之，則亦然。轎車橫向泊車裝置工作流程，如圖2所示。直接橫向入位的側(cè)方位停車輔助裝置顛覆傳統(tǒng)側(cè)方位停車入位方式，屬于全新的停車入位方式，如圖3所示。

圖2 轎車橫向泊車裝置工作流程圖

(a) 橫向入位前圖

1.3 側(cè)方位停車輔助裝置工作原理

遙控發(fā)生器設(shè)置按鈕分別標(biāo)記為“起動(dòng)”、 “上升鍵”、“下降鍵”、“左移鍵”、“右移鍵”、“停止”，遙控器操作示意圖，如圖4所示。

圖4 遙控器操作示意圖

電路原理圖，如圖5所示。蓄電池為側(cè)方位停車輔助裝置提供電源，按下遙控器起動(dòng)鍵，控制器通電工作；按下遙控器面板下降鍵，控制器控制水平電動(dòng)推桿收縮至末端;按下遙控器右移(或左移)鍵控制支撐輪在驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)正(反)向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)汽車整體右移(或左移)，移位至用戶所需位置時(shí)，松開按鍵，支撐輪和驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)停止工作；按下遙控器面板上升鍵，控制器控制該裝置復(fù)位，將垂直電動(dòng)推桿與支撐輪收至車底與車梁平行且定位，此時(shí)水平電動(dòng)推桿自行停止工作，控制器自動(dòng)斷電。停車入位完成。

圖5 電路原理圖

2 主要部件的設(shè)計(jì)及選型

2.1 升降推桿電機(jī)的選擇

安裝在新能源汽車“比亞迪秦”上，轎車車重m按1.72 t計(jì)算：

G=mg=16 856 N

該側(cè)方位停車輔助裝置安裝在轎車底盤車架最低處，即接近4個(gè)懸架處的相關(guān)位置點(diǎn)。計(jì)算升降推桿裝置所需推力：

F=G×1/4=4 214 N

從以上計(jì)算數(shù)據(jù)中，選擇了推力DC12V,5kN直線電動(dòng)推桿示意圖，如圖6所示。

圖6 直線電動(dòng)推桿示意圖

2.2 支撐輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

采用無刷直流輪轂電機(jī)，無刷直流輪轂電機(jī)具有較大的靜轉(zhuǎn)矩和良好的調(diào)速性能，機(jī)械效率高，易于控制，驅(qū)動(dòng)電路簡單[4]。

根據(jù)輪轂電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)力與輪轂電機(jī)輪胎所受滾動(dòng)摩擦力f相同(μ=0.02)，所選擇直流輪轂電機(jī)參數(shù)計(jì)算如下：

f=μmg×1/4=84.3 N

所選擇輪轂電機(jī)直徑D=0.14 m，輪轂電機(jī)所需最小轉(zhuǎn)矩：

選擇輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置n=265r/min，該輪轂電機(jī)效率η=0.9，故輪轂電機(jī)所需最小功率：

因此，選擇DC12V，200W的無刷直流輪轂電機(jī)。該電機(jī)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 直流無刷輪轂電機(jī)系統(tǒng)

3 多電機(jī)系統(tǒng)同步控制

3.1 同側(cè)電機(jī)控制措施

同步控制系統(tǒng)在并行運(yùn)行中的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的同步性能較好，在一定的條件下，不同的單元不受距離的限制。在同步控制系統(tǒng)的同步運(yùn)行中，系統(tǒng)直接給出各單元的輸入信號，各單元的輸入信號相同。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的輸入信號不受任何其他因素的影響。除參考信號外，任何單元的干擾都不會(huì)影響到其他單元的工作狀態(tài)[4]。通過速度差補(bǔ)償各電機(jī)間的不同慣量，在一定程度上解決了同步協(xié)調(diào)問題，雙電機(jī)同步系統(tǒng)耦合控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 雙電機(jī)同步系統(tǒng)耦合控制結(jié)構(gòu)示意圖

只有當(dāng)每個(gè)單元的性能與給定的參考信號變化相似，且不會(huì)受到任何驅(qū)動(dòng)電機(jī)的干擾時(shí)，該方案才能實(shí)現(xiàn)更好的同步功能，并行同步控制系統(tǒng)如圖9所示。然而，若某一個(gè)單元電機(jī)受到干擾時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)不同步，直接影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行[5]。由此，改進(jìn)控制系統(tǒng)如圖10所示。

圖9 并行同步控制系統(tǒng)

圖10 一種改進(jìn)的耦合控制系統(tǒng)

3.2 多電機(jī)數(shù)據(jù)分析

由于本裝置應(yīng)用中存在著多個(gè)電機(jī)使用，系統(tǒng)工作中可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定和相互干擾，通過仿真環(huán)境設(shè)計(jì)，采用前述電機(jī)模型，建立以多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的仿真框圖[5]。圖11為采用模糊控制補(bǔ)償器的情況下同一側(cè)2臺(tái)輪轂電機(jī)速度響應(yīng)曲線圖。

圖11 1#與2#輪轂電機(jī)速度響應(yīng)曲線圖

仿真結(jié)果表明，采用模糊控制器補(bǔ)償方法，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的同步性和抗干擾能力，適合于同步精度高的控制系統(tǒng)。

對車輛同側(cè)的1#輪轂電機(jī)和2#輪轂電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量分析，在與地面接觸運(yùn)行中受到滾動(dòng)阻力，出現(xiàn)輕微速度波動(dòng)的問題，但不影響2臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行，仿真數(shù)據(jù)如表1所示，解決了車輛較高難度側(cè)位停車技術(shù)的問題。

表1 仿真數(shù)據(jù)表

另外，在輪轂電機(jī)輸出端增設(shè)減速機(jī)，轉(zhuǎn)速比變?yōu)?0∶1，解決了穩(wěn)定準(zhǔn)確停車問題。在側(cè)方位停車距離為2m時(shí)，預(yù)駛?cè)胲囄?，?shù)據(jù)保證同一側(cè)的2臺(tái)電機(jī)時(shí)間誤差在0.1～0.2s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 語

本文采用電動(dòng)推桿作為執(zhí)行元件，配合無線遙控控制，設(shè)計(jì)出高效側(cè)方位停車輔助裝置，并對多電機(jī)同步系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析，制造出該系統(tǒng)樣機(jī)，如圖12所示。通過綜合實(shí)驗(yàn)，證明了該裝置設(shè)計(jì)的可操作性。

圖12 系統(tǒng)樣機(jī)

綜上所述，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，性能可靠，使小空間停車更加安全快捷，具有節(jié)能環(huán)保、車輛面積節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，有助于緩解停車壓力。該裝置在汽車技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。