一种差速液压联合转向控制方法、系统及工程车辆与流程

本发明属于工程机械技术领域，具体涉及一种差速液压联合转向控制方法、系统及工程车辆。

背景技术：

工程车辆在现代工程建设和施工中十分重要，主要用于工地、矿山、隧道工程，作业工况主要是往复铲掘、运输等，为高效作业，工程车辆需要频繁进行左右转向。转向系统的优劣不仅影响整车的机动性、转向稳定性，更直接关系到车辆的运行安全性和可靠性。作业环境的复杂恶略情况要求转向系统响应速度快、灵敏、操作简便。

现在的工程车辆逐步趋向于大吨位、大尺寸、大载重发展，自身重量大结构复杂。目前工程车辆转向系统主要有液压转向和差速转向两种，液压转向由液压泵提供动力，通过液压系统控制转向油缸的伸缩实现转向。差速转向采用轮毂电机实现各个车轮的单独控制，通过控制左右车轮的速度差实现转向。采用液压转向方式，转向油缸所需压力较大，使得液压泵、液压缸、液压杆等液压元件尺寸和重量较大，同时液压管路需要承受较大的系统压力容易出故障，转向时车轮在路面上多次往复拖滑轮胎磨损严重。采用差速转向方式，需要轮毂电机提供很大力矩，导致电机尺寸较大，安装空间受限，同时转向半径也比较大转向不灵活。在转向过程中，如果转向油缸位移和左右车轮差速同时工作，并进行合理的匹配可以使得油缸压力和轮毂电机功率最小、最大程度的减少轮胎磨损、降低能耗、减小液压元件和轮毂电机尺寸，因此，设计一种差速液压联合转向控制系统十分迫切。

目前工程车辆转向方式主要有两种，液压转向和差速转向，液压转向由液压泵提供动力，通过液压系统控制转向油缸的伸缩实现转向。差速转向采用轮毂电机实现各个车轮的单独控制，通过控制左右车轮的速度差实现转向。

现有技术存在以下缺陷：(1)工程车辆趋向于大吨位、大尺寸、大载重发展，纯液压转向系统，转向时左右油缸分别做伸出和缩回的动作，完成车辆的转向，这种转向方式所需油缸压力较大、液压元件尺寸较大、轮胎磨损严重、且转向灵敏度不高。

(2)工程车辆趋向于大吨位、大尺寸、大载重发展，纯差速转向，转向时通过轮毂电机提供左右车轮不同的转速实现转向，这种转向方式所需电机功率大、电机尺寸较大、转向半径大、转向不灵活。

(3)工程车辆一般只有一套转向系统，当转向系统出现故障时，转向过程无法完成，在一些紧急场合可能会发生危险。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种差速液压联合转向控制方法、系统及工程车辆。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种差速液压联合转向控制方法，包括：

获取方向盘转角，根据方向盘转角得到期望的车身转向角β；

在转向过程中，获取实时转向角α；

a)响应于β不超过设定角度，发出指令控制电磁开关阀关闭转向液压系统，通过差速转向作用实现：将实时转向角α和期望的车身转向角β进行比对，响应于α小于β或α大于β，发出指令给电机驱动器控制增大或减小左右侧车轮速度差，直到α等于β；即:α小于β时，发出指令给电机驱动器控制增大左右侧车轮的速度差，直到α等于β；α大于β时，发出指令给电机驱动器控制减小左右侧车轮速度差，直到α等于β；

b)或，响应于β大于设定角度，通过液压转向和差速转向共同作用实现：根据实时转向角α得到对应的预期油缸位移s预和预期左右轮速度差δv预；

获取实时油缸位移st，响应于st小于s预，发出指令控制比例电磁阀增大液压系统压力从而增大转向油缸位移，直到st等于s预；响应于st大于s预，则控制比例电磁阀减小液压系统压力从而减小转向油缸位移，直到st等于s预；

获取左驱动轮、右驱动轮的速度v左和v右；根据v左和v右计算得到实时左右轮速度差δv实，并将δv实与δv预进行比对，根据比对结果，发出指令给一侧电机驱动器控制对应轮毂电机增大或降低转速，直到δv实等于δv预。

所述的差速液压联合转向控制方法，将δv实与δv预进行比对，根据比对结果，发出指令给一侧电机驱动器控制对应轮毂电机增大或降低转速，直到δv实等于δv预，包括：

响应于δv实小于δv预，左转时发出指令给左电机驱动器控制左轮毂电机降低转速，右电机驱动器控制右轮毂电机增大转速，直到δv实等于δv预；或，右转时发出指令给左电机驱动器控制左轮毂电机增大转速，右电机驱动器控制右轮毂电机降低转速，直到δv实等于δv预；

响应于δv实大于δv预，左转时发出指令给左电机驱动器控制左轮毂电机增大降低转速，右电机驱动器控制右轮毂电机降低转速，直到δv实等于δv预；或，右转时发出指令给左电机驱动器控制左轮毂电机降低转速，右电机驱动器控制右轮毂电机增大转速，直到δv实等于δv预。

在一些实施例中，所述的差速液压联合转向控制方法，在转向过程中，响应于转向液压系统出现故障，导致实时油缸位移st无法达到s预停止变化，发出指令控制增大δv实，当α小于β时，继续增大左右侧车轮的速度差，直到α等于β。进一步的，还包括：获取电机转速信息，响应于电机转速已经达到轮毂电机最高转速的80％仍然不能满足期望的车身转向角β所对应的预期左右轮速度差δv预时，左转时则发出指令给左电机驱动器控制左轮毂电机反转，或，右转时则发出指令给右电机驱动器控制右轮毂电机反转，直到α等于β。

在一些实施例中，所述的差速液压联合转向控制方法，在转向过程中，响应于左轮毂电机或右轮毂电机出现故障无法达到所对应的预期左右轮速度差δv预，发出指令控制比例电磁阀增大液压系统压力，增大转向油缸位移st，同时将α与β进行比对，响应于α小于β，继续控制比例电磁阀增大油缸位移，直到α等于β。

所述的差速液压联合转向控制方法，设定角度根据实际情况确定，在一些实施例中设定角度为5度。

第二方面，提供一种差速液压联合转向控制系统，包括控制器，所述控制器包括存储器和处理器，存储器用于存储指令，所述指令用于控制所述处理器进行操作，以执行所述的差速液压联合转向控制方法。

在一些实施例中，所述的差速液压联合转向控制系统，还包括左转向油缸、右转向油缸、左轮毂电机、右轮毂电机、左驱动轮、右驱动轮、车身转向角传感器、油缸位移传感器、方向盘转角传感器、左电机转速传感器、右电机转速传感器、左电机驱动器、右电机驱动器、转向液压系统；车身转向角传感器、油缸位移传感器、方向盘转角传感器、左电机转速传感器、右电机转速传感器、左电机驱动器、右电机驱动器分别与控制器连接；

所述方向盘转角传感器用于检测方向盘转角，并上传给控制器；

所述车身转向角传感器安装于车架上，用于检测实时转向角，并上传给控制器；

所述油缸位移传感器安装于左转向油缸或右转向油缸上，用于检测左转向油缸、右转向油缸油缸杆的位移；

所述左转向油缸、右转向油缸通过油路与转向液压系统连接，转向液压系统包括电磁开关阀、比例电磁阀，其中，电磁开关阀用于接收控制器的指令，开启或关闭液压转向功能；比例电磁阀用于接收控制器的指令，调节液压系统压力从而控制油缸位移；

所述左电机转速传感器、右电机转速传感器分别用于检测左轮毂电机、右轮毂电机的实时转速，从而得到左驱动轮、右驱动轮的实时速度；

所述左轮毂电机、右轮毂电机分别为左驱动轮、右驱动轮提供动力，左电机驱动器、右电机驱动器用于接收控制器的指令，分别控制左轮毂电机、右轮毂电机的转速。

进一步的，在一些实施例中，所述转向液压系统包括双向液压泵、电磁溢流阀、电磁开关阀、比例电磁阀、安全阀组、单向阀；双向液压泵的进油口连通油箱，双向液压泵的出油口依次通过单向阀、电磁开关阀与比例电磁阀连接，比例电磁阀通过安全阀组分别与左转向油缸、右转向油缸连接，双向液压泵的出口通过电磁溢流阀连接回油通道，其中电磁开关阀、比例电磁阀、电磁溢流阀分别与控制器连接。

第三方面，提供一种工程车辆，包括上述的差速液压联合转向控制方法。

有益效果：本发明提供的差速液压联合转向控制方法、系统及工程车辆，控制器对多个传感器信号进行实时处理，同时将响应信号实时传输至对应的执行元件，在转向过程中，实时控制转向油缸位移和左右车轮差速进行合理的匹配，使得转向更加灵活、油缸压力最小、轮毂电机力矩最小、减小液压元件和轮毂电机尺寸、最大程度的减少轮胎磨损、提高液压系统效率、降低整车能耗。同时，在转向过程中差速系统或液压系统其中之一出现故障时，依然可以保证转向的顺利完成。

附图说明

图1为实施例差速液压联合转向控制系统图；

图2为实施例差速液压联合转向控制系统的原理结构拓扑示意图；

图中：左转向油缸1、右转向油缸2、左轮毂电机3、右轮毂电机4、左驱动轮5、右驱动轮6、车身转向角传感器7、油缸位移传感器8、方向盘转角传感器9、左电机转速传感器10、右电机转速传感器11、左电机驱动器12、右电机驱动器13、转向液压系统14：双向液压泵141、电磁溢流阀142、电磁开关阀143、比例电磁阀144、安全阀组145、单向阀146，控制器15：计算模块151、比较模块152、检测模块153。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以还包括不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例1

如图1至图2所示，一种差速液压联合转向控制方法，包括：

获取方向盘转角，根据方向盘转角得到期望的车身转向角β；

在转向过程中，获取实时转向角α；

a)响应于β不超过设定角度，发出指令控制电磁开关阀143关闭转向液压系统，通过差速转向作用实现：发出指令给电机驱动器控制增大或减小左右侧车轮速度差，直到α等于β；α小于β时，发出指令给电机驱动器控制增大左右侧车轮的速度差，直到α等于β；α大于β时，发出指令给电机驱动器控制减小左右侧车轮速度差，直到α等于β；

b)响应于β大于设定角度，通过液压转向和差速转向共同作用实现：根据实时转向角α得到对应的预期油缸位移s预和预期左右轮速度差δv预；

获取实时油缸位移st，响应于st小于s预，发出指令控制比例电磁阀144增大液压系统压力从而增大转向油缸位移，直到st等于s预；响应于st大于s预，则控制比例电磁阀144减小液压系统压力从而减小转向油缸位移，直到st等于s预；

获取左驱动轮5、右驱动轮6的速度v左和v右；根据v左和v右计算得到实时左右轮速度差δv实，并将δv实与δv预进行比对，根据比对结果，发出指令给一侧电机驱动器控制对应轮毂电机增大或降低转速，直到δv实等于δv预。

当δv实小于δv预时，左转时发出指令给左电机驱动器12控制左轮毂电机3降低转速，右电机驱动器13控制右轮毂电机4增大转速，直到δv实等于δv预；或，右转时发出指令给左电机驱动器12控制左轮毂电机3增大转速，右电机驱动器13控制右轮毂电机4降低转速，直到δv实等于δv预；

当δv实大于δv预时，左转时发出指令给左电机驱动器12控制左轮毂电机3增大降低转速，右电机驱动器13控制右轮毂电机4降低转速，直到δv实等于δv预；或，右转时发出指令给左电机驱动器12控制左轮毂电机3降低转速，右电机驱动器13控制右轮毂电机4增大转速，直到δv实等于δv预。

在转向过程中，响应于油缸位移st无法达到s预停止变化，发出指令控制增大δv实，当α小于β时，继续增大左右侧车轮的速度差，直到α等于β。

进一步的，当控制器15检测到右轮毂电机4转速已经达到最高转速的80％仍然不能满足期望的车身转向角β所对应的预期左右轮速度差δv预时，左转时则发出指令给左电机驱动器12控制左轮毂电机3反转，或，右转时则发出指令给右电机驱动器13控制右轮毂电机4反转，直到α等于β；

在转向过程中，响应于左轮毂电机3或右轮毂电机4出现故障无法达到所对应的预期左右轮速度差δv预，发出指令控制比例电磁阀144增大液压系统压力，增大转向油缸位移st，同时将α与β进行比对，响应于α小于β，继续控制比例电磁阀144增大油缸位移，直到α等于β。

设定角度根据实际情况确定，在一些实施例中设定角度为5度。

实施例2

一种差速液压联合转向控制系统，包括控制器15，所述控制器15包括存储器和处理器，存储器用于存储指令，所述指令用于控制所述处理器进行操作，以执行所述的差速液压联合转向控制方法。

在一些实施例中，如图2所示，系统还包括左转向油缸1、右转向油缸2、左轮毂电机3、右轮毂电机4、左驱动轮5、右驱动轮6、车身转向角传感器7、油缸位移传感器8、方向盘转角传感器9、左电机转速传感器10、右电机转速传感器11、左电机驱动器12、右电机驱动器13、转向液压系统14；车身转向角传感器7、油缸位移传感器8、方向盘转角传感器9、左电机转速传感器10、右电机转速传感器11、左电机驱动器12、右电机驱动器13、转向液压系统14分别与控制器连接；

所述方向盘转角传感器9用于检测方向盘转角，并上传给控制器；

所述车身转向角传感器7安装于车架上，用于检测实时转向角，并上传给控制器；

所述油缸位移传感器8安装于左转向油缸1或右转向油缸2上，用于检测左转向油缸1、右转向油缸2油缸杆的位移；

所述左转向油缸1、右转向油缸2通过油路与转向液压系统14连接，转向液压系统14包括电磁开关阀143、比例电磁阀144，其中，电磁开关阀143用于接收控制器的指令，开启或关闭液压转向功能；比例电磁阀144用于接收控制器的指令，调节液压系统压力从而控制油缸位移；

所述左电机转速传感器10、右电机转速传感器11分别用于检测左轮毂电机3、右轮毂电机4的实时转速，从而得到左驱动轮5、右驱动轮6的实时速度；

所述左轮毂电机3、右轮毂电机4分别为左驱动轮5、右驱动轮6提供动力，左电机驱动器12、右电机驱动器13用于接收控制器的指令，分别控制左轮毂电机3、右轮毂电机4的转速。

在一些实施例中，如图2所示，所述转向液压系统14包括双向液压泵141、电磁溢流阀142、电磁开关阀143、比例电磁阀144、安全阀组145、单向阀146。双向液压泵141的进油口连通油箱，双向液压泵141的出油口依次通过单向阀146、电磁开关阀143与比例电磁阀144连接，比例电磁阀144通过安全阀组145分别与左转向油缸1、右转向油缸2连接，双向液压泵141的出口通过电磁溢流阀142连接回油通道，其中电磁开关阀143、比例电磁阀144、电磁溢流阀142分别与控制器连接。

在一些实施例中，如图2所示，所述控制器15包括计算模块151、比较模块152、检测模块153。

计算模块151，通过方向盘转角计算期望的车身转向角β；通过实时转向角α得到出对应的预期油缸位移s预和预期左右轮速度差δv预，作出相应指令并传输至对应的执行元件。

比较模块152，用于比较期望的车身转向角β是否大于设定角度(5度)、将实时转向角α和期望的车身转向角β进行比对、将实时的油缸位移st和预期油缸位移s预进行比对、将实时左右轮速度差δv实与预期左右轮速度差δv预进行比对，根据比对结果作出相应指令并传输至对应的执行元件。

检测模块153，用于检测差速系统故障、液压系统故障，作出相应指令并传输至对应的执行元件。

所述控制器15分别与车身转向角传感器7、方向盘转角传感器9、油缸位移传感器8、左电机转速传感器10、右电机转速传感器11、左电机驱动器12、右电机驱动器13、比例电磁阀144、电磁开关阀143进行连接，控制器15接收各传感器传来的信号，经计算后将指令传递至各相应的执行元件。

具体方案实施如下：

(1)建立装载机转向动力学仿真模型，以转向油缸压力最小和轮胎拖滑最小为目标进行多目标优化分析，得到不同转向角α对应的最佳预期油缸位移s预和预期左右轮速度差δv预，并进行实车测试验证，预存在控制器中。

(2)以工程车辆左转向为例，当转向开始时，方向盘转动一定的角度稳定后，方向盘转角传感器9将方向盘转角信号传送至控制器15，控制器15根据方向盘转角信号计算出期望的车身转向角β。

当β小于或等于5度时，只需差速转向即可实现，控制器输送信号至电磁开关阀143，停止给转向油缸左转向油缸1、右转向油缸2供油，同时控制器输送信号至左电机驱动器12、右电机驱动器13，左电机驱动器12控制左轮毂电机3降低转速、右电机驱动器13控制右轮毂电机4增大转速，使得左驱动轮5、右驱动轮6产生速度差，实现差速转向。车身转向角传感器7将车身实时的转向角α输送至控制器15，并与期望的车身转向角β进行比对，当α小于β时，继续增大左右侧车轮的速度差；当α大于β时，则减小左右侧车轮速度差，直到α等于β。

当β大于5度时，需要液压和差速同时作用，此时车身转向角传感器7将车身实时的转向角α输送至控制器15，控制器根据转向角α查找出对应的预期油缸位移s预和预期左右轮速度差δv预。同时油缸位移传感器8将实时的油缸位移st传输至控制器15，并与预期油缸位移s预进行比对，当st小于s预时，控制器传输信号至比例电磁阀144，控制比例电磁阀144增大液压系统压力；当st大于s预时，则控制比例电磁阀144减小液压系统压力，直到st等于s预。与此同时，左电机转速传感器10、右电机转速传感器11将左轮毂电机3、右轮毂电机4的实时转速传输至控制器15，控制器15根据电机转速分别计算出左驱动轮5和右驱动轮6的速度v左和v右，根据v左和v右计算得到实时左右轮速度差δv实＝v右-v左，并将δv实与预期左右轮速度差δv预进行比对，当δv实小于δv预时，控制器传输信号至左电机驱动器12、右电机驱动器13，左电机驱动器12控制左轮毂电机3降低转速、右电机驱动器13控制右轮毂电机4增大转速；当δv实大于δv预时，控制器15传输信号至左电机驱动器12、右电机驱动器13，电机驱动器13控制左轮毂电机3增大转速、右电机驱动器13控制右轮毂电机4降低转速。直到δv实等于δv预。

工程车辆在转向过程中，如果转向液压系统出现故障无法提供给转向油缸所需压力，油缸位移传感器8检测到油缸位移停止变化，并将信号传输至控制器15，需进一步加大差速数值δv实，控制器15将信号传输给左电机驱动器12、右电机驱动器13，增大左右轮速度差δv实，同时车身转向角传感器7将车身实时的转向角α输送至控制器，并与期望的车身转向角β进行比对，当α小于β时，继续增大左右侧车轮的速度差，直到α等于β。当控制器15检测到右轮毂电机4转速已经达到最高转速的80％仍然不能满足期望的车身转向角β所对应的预期左右轮速度差δv预时，则将信号传输给左电机驱动器12控制左轮毂电机3反转，直到α等于β。

工程车辆在转向过程中，如果左轮毂电机3或右轮毂电机4出现故障，无法提供车轮所需的车速时，控制器15检测到故障信号，控制器15将信号传输给比例电磁阀144，控制比例电磁阀144增大液压系统压力，增大转向油缸位移，同时车身转向角传感器7将车身实时转向角α输送至控制器，并与期望的车身转向角β进行比对，当α小于β时，继续控制比例电磁阀144增大油缸位移，直到α等于β。

工程车辆右转向时，其转向系统控制原理与左转向时相类似。

实施例3

一种工程车辆，包括上述的差速液压联合转向控制系统。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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