CN102874310A - 一种推土机差速转向的控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于推土机差速转向的控制方法和控制系统，以减小转弯半径，提高转向过程的可操控性。本发明的控制方法，包括以下步骤：11)接收转向信号，并获取分别驱动推土机两侧车轮转动的电机的当前转速；12)根据所述转向信号和当前转速的大小计算转向时各电机所需的目标转速；13)各电机根据与各自对应的当前转速和目标转速信号工作，以使两侧车轮执行差速转向动作。本发明的控制系统包括：分别驱动两侧车轮的电机；检测各电机转速的转速检测器；控制器，用于接收转向信号，并与转速检测器信号连接，以执行转向控制。上述方法和系统分别驱控两侧车轮进行转向，其可控性高，转弯半径较小，转弯精度和灵活性均较高。

Description

一种推土机差速转向的控制方法和系统

技术领域

本发明涉及工程机械电子控制技术领域，特别是涉及一种用于推土机差速转向的控制方法。本发明还涉及一种执行上述方法的控制系统。

背景技术

现有的推土机，大都采用机械装置和液压装置相结合的方式控制转向执行机构或者离合器实现转向，转向具体通过推土机两侧转向制动阀配合的动作来实现：转向时，开启推土机一侧的制动阀，从而切断一侧行走动力，而推土机的另一侧则输出行走动力，进而能够实现推土机的转向。

上述现有的转向系统中，各个转向装置的安装比较复杂，成本较高；同时，在转向的过程中，推土机的制动轮在惯性力的作用下继续向前运动，该运动的可控性较差，也就是说，推土机在转向的过程中存在不可控因素，则其操作的平稳性能较低；此外，转向的实现完全依靠另一侧轮体的运动，其转向半径较大，工作效率低下，转向过程中，车体履带还会对地面造成较大损伤；并且，上述现有的转向系统，其转向装置采用机械连接，使用时间较长时，所述转向装置容易磨损，进而影响转向功能的顺利实现；另外，要启动转向程序，操作人员需要对转向装置进行机械操作，而该机械操作相对复杂，且比较费力。

综上可知，如何减小推土机转弯半径、提高转向的可操控性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于推土机差速转向的控制方法，以减小转弯半径，提高转向过程的可操控性。

本发明的另一目的是提供一种推土机差速转向的控制系统，能够实现小半径转向，其结构简单，转向精度较高。

为解决上述技术问题，本发明提供一种推土机差速转向的控制方法，包括以下步骤：

11)接收转向信号，并获取分别驱动推土机两侧车轮转动的电机的当前转速；

12)根据所述转向信号和当前转速的大小计算转向时各电机所需的目标转速；

13)各电机根据与各自对应的当前转速和目标转速信号工作，以使两侧车轮执行差速转向动作。

本发明的控制方法根据分别驱动两侧车轮转动的电机所对应的当前转速和目标转速工作，从而使得两侧车轮执行差速转向动作，两侧车轮的行驶速度在转弯过程中能够得到有效控制，以减小转弯过程中的不可控因素，转弯控制精度较高，转向平稳；且相较于传统的转向方式，该实施例中两侧车轮在转向时始终处于行驶状态，即作纯滚动运动，可以节省能量，在不同地面情况下也能够快速、灵活地转向，且不会对地面或是车轮本身造成损伤；采用电机驱动车轮差速转向，不易磨损；同时，由于转弯时两侧车轮的行驶速度和方向均可以进行调整，从而能够使得推土机在低速大扭矩下工作，以实现小半径甚至是原地中心转向；再次，整个转向动作均在上述控制方法的控制下实现，其智能化程度较高，操作更加精准，也能够更好的满足操作者的转向需求。

优选地，所述步骤11)和步骤12)之间还包括下述步骤：

111)检测制动信号，并根据所述制动信号判断是否处于制动状态，否，则执行步骤12)。

由于推土机只有在非制动状态下才能转向，因此，在进行转向动作之前，可以首先对其制动状态进行检测，以确保转向的安全性，避免转向受阻，从而提高控制方法的逻辑性。

优选地，所述步骤111)和步骤12)之间还包括下述步骤：

112)检测档位信号，如果处于前进挡，则执行步骤12)；如果处于倒退档，则降低行驶速度，然后执行步骤12)。

不同的档位状态下转向的要求会有所差异，当推土机处于倒退档时，应首先降低行使速度，以保证转向能够安全有效的进行，因此，可以设置档位检测的步骤，以提高转向的针对性。

优选地，所述步骤11)和步骤12)之间还包括下述步骤：

113)获取推土机的行驶速度，并根据电机的转速和行驶速度判断是否处于失速状态，是，则停止，否，则执行步骤13)。

优选地，所述步骤11)和步骤12)之间还包括下述步骤：

114)根据电机的转速判断电机转速是否可控，是，则执行步骤13)，否，则停止。

在进行转向之前，可以首先判断推土机是否处于失速状态或者转速是否可控，只有在推土机不处于失速状态或者其转速可控的情况下，才执行转向动作，也就是说，可以为转向设置相应的条件以确保转向的安全性。

优选地，所述步骤11)之前具有下述步骤：

10)预存转向的触发阈值；

所述步骤11)和步骤12)之间还具有下述步骤：

115)判断接收到的转向信号是否小于触发阈值，是，则返回步骤11)，否，则执行步骤12)。

可以采用触发阈值的方法判断是否进行转向，只要对触发阈值与转向信号比较即可得出转向与否的结论，其操作简单，可靠性较高。

本发明还提供一种推土机差速转向的控制系统，所述控制系统包括：

分别驱动推土机两侧车轮转动的电机；

转速检测器，用于检测各电机的转速；

控制器，用于接收转向信号并与所述转速检测器信号连接，以执行转向控制：根据电机的转速和转向信号计算各电机的目标转速，并输出各电机按照对应的目标转速工作的指令，以使两侧车轮执行差速转向动作。

本发明的控制系统，其控制器能够根据电机的转速和转向信号计算电机的目标转速，各电机按照对应的目标转速分别驱动两侧车轮执行差速转向动作，其智能化程度较高；且能够依据推土机当前的状态和转向信号执行转向动作，其实时性较强，故转向的精度较高，转向的可控程度也较高；另外，推土机具有分别驱动两侧车轮的电机，各个电机分别完成对两侧车轮的驱动，其针对性较高，以实现对两侧车轮有区别的驱动，进而通过两侧车轮行驶速度和方向的改变实现小半径转弯，其操作的灵活性和便捷性均较高。

优选地，所述控制器内预存转向的触发阈值，仅当接收到的转向信号不小于触发阈值时，执行转向控制。

将触发阈值预存在控制器内，然后通过比较转向信号和触发阈值的大小判断是否执行转向控制，以便提高转向信号的准确度。

优选地，还包括与所述控制器信号连接的制动状态检测器，所述控制器仅在接收到推土机处于非制动状态的信号时执行转向控制。该种设置能够避免系统内部逻辑矛盾，减小不可控因素，提高转向的安全性。

优选地，所述控制系统进一步包括与所述控制器信号连接的档位检测器，当控制器接收到倒退档的信号时，所述控制器输出降低车速的指令至所述电机。针对不同的档位进行相应调整之后再执行转向控制，能够降低转向风险，以适应不同情况下转向的需求。

优选地，控制系统还包括与所述控制器信号连接的电机故障检测器，所述电机故障检测器对各电机进行故障检测。增加故障检测器能够对电机的故障进行自检，以及时有效地发现故障并进行改正，以维护系统正常运行，且电机故障检测器的信息能够为是否适合转向提供参考。

附图说明

图1为本发明所提供控制系统在一种具体实施方式中的结构框图；

图2为本发明所提供控制方法在一种具体实施方式中的流程图；

图3为本发明所提供控制器中触发阈值一种设置方式的示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于推土机差速转向的控制方法，以减小转弯半径，提高转向过程的可操控性。

本发明的另一核心是提供一种推土机差速转向的控制系统，能够实现小半径转向，其结构简单，转向精度较高。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本发明所提供控制系统在一种具体实施方式中的结构框图；图2为本发明所提供控制方法在一种具体实施方式中的流程图。

本发明的控制系统包括电机，如图1所示的第一电机5和第二电机6。控制系统还包括转向信号检测器2、转速检测器和控制器1，转速检测器包括分别与第一电机5和第二电机6对应的第一电机转速传感器52和第二电机转速传感器62。其中，第一电机5和第二电机6分别驱动推土机两侧的车轮进行转动，两电机可以分别安装在两侧车轮上，也可以安装在其他位置。该实施例中驱动一侧车轮转动的电机数目为一个，可以想到，当一侧具有一个以上驱动车轮时，可以为各驱动车轮均配置电机。第一电机转速传感器52和第二电机转速传感器62分别对第一电机5和第二电机6的转速进行检测，电机数目增加时，转速传感器的数目可以相应地增加。

控制器1用于接收转向信号，比如，推土机设置电控手柄时，操作人员通过操控电控手柄控制转向，此时，控制器1可以与电控手柄信号连接，电控手柄将操作人员的转向动作转化为转向信号传递至控制器1。控制器1还与第一电机转速传感器52以及第二电机转速传感器62信号连接，以便对推土机的转向进行控制。

文中所谓信号连接是指以有线或者无线的方式在两个或者多个部件之间实现信号传递的一种连接方式。

可以想到，第一电机转速传感器52和第二电机转速传感器62的设置只是转速检测器检测转速的一种方式，还可以采用其他常规方式对第一电机5和第二电机6的转速进行检测。此外，还可以设置第一电机控制模块51和第二电机控制模块61，两电机控制模块分别对第一电机5和第二电机6进行控制，两电机控制模块可以与控制器1以及两电机转速传感器连接，如图1中所示。

为实现转向控制，控制器1中可以预存转向的触发阈值，此时，上述控制系统可以按照图2所示的控制方法实现转向控制：

首先可以对程序进行初始化处理，然后执行S10；

S10：将触发阈值预存在控制器1中，然后执行S11；

S11：控制器1接收到转向信号，并获取分别驱动两侧车轮转动的电机在当前状态下的转速，即获取第一电机5和第二电机6的转速；

S12：控制器1将转向信号与触发阈值进行比较，判断接收到的转向信号是否小于触发阈值，如果是，则转向信号较弱，不满足触发条件，则返回S11；如果否，说明需要进行差速转向控制，则此时可以直接执行S18，进入差速转向的控制程序；

S18：控制器1根据转向信号和当前转速的大小计算转向时两电机所需的目标转速，即第一电机5和第二电机6的目标转速大小，并输出使两电机按照对应的目标转速进行转向的指令；

根据转向信号能够判断驾驶员的转向意图，即左转或是右转，以及转动的幅度大小，预达此目标，两侧车轮的速度满足一定关系即可，可以根据理论建模或是模拟仿真建立两侧车轮根据车速、转向信号的差速算法，而两侧车轮的车速与电机的转速之间满足一定关系，故实际上可以建立电机当前转速、转向信号、目标转速的差速算法，并与存在控制器1中，以便控制器1执行S18。

S19：第一电机5和第二电机6根据接收到的当前转速和目标转速的信号进行工作，分别驱动两侧车轮转动，以使两侧车轮执行差速转向动作。

步骤S18中控制器1的指令可以直接输出至上述的两电机控制模块，两电机控制模块根据电机的当前转速和目标转速，分别控制两电机达到目标转速。

当控制器1未接收到转向信号时，则相应地转向动作停止。也可以在转向控制中，将转向信号的消除作为转向停止的明确指令，如图2所示，S19之后还执行步骤S20，设置电控手柄时，控制器1检测是否接收到电控手柄的回位信号，回位时，表明不需要执行转向，无转向信号输出，此时，可以停止转向。

采用上述控制系统和控制方法，可以通过控制器1对整个转向过程进行控制，转向时的目标转速经过准确计算得出，且通过两个电机分别实现对两侧车轮的驱动，整个转向过程都能够得到有效控制，故其智能化程度高，转向更为精准可靠；而且，相较于传统的机械转向方式，该实施例中两侧车轮在转向时始终处于行驶状态，即作纯滚动运动，可以节省能量，在不同地面情况下也能够快速、灵活地转向；另外，由于第一电机5和第二电机6分别驱动两侧车轮改变速度和方向，其可控性较高，故其转弯半径不会受到不可控因素干扰，也就是说，在分别控制两侧车轮差速转向的情况下，避免了一侧车轮因惯性力而运动的不可控因素，从而实现小半径转向。

比如，本发明控制系统实现原地转向时，控制系统可以控制两电机驱动两侧车轮以同一速率转动，且转动方向相反，最终实现差速转向，此时的转向半径仅为整车宽度的1/2，而背景技术中机械转向方式的转向半径最小值为整车宽度。

在上述控制系统和控制方法中，可以省去S10，但步骤S10的设置，为转向的触发设置一个标准。本文中，为了实现稳定转向，且减小转弯半径，差速转向时可以使非转向侧的电机控制该侧车轮以V+Δv的速度行驶，而转向侧以V-Δv的速度行驶，控制器1可以根据转向需求和当前速度计算出Δv。出于进一步提高转向安全平稳的目的，可以设置按照上述方式转向的阈值，即执行步骤S10，低于该阈值时，进行微转向处理，使非转向侧车轮继续按照V速度行驶，而转向侧车轮按照V-Δv的速度行驶，以达到微转向的目的。当然，根据车辆的整体行走性能，可以对车速进行限制，比如，限定车辆在车速小于5km/h时才可以进行微转向。当转向信号高于该阈值时，可以进行原地转向，如上所述。可以理解，原地转向和微转向也属于广义的差速转向。

可以对上文所述的本发明的控制系统和控制方法进行进一步的改进。

本发明的控制系统可以进一步包括制动状态检测器3，制动状态检测器3与控制器1信号连接，制动状态检测器3对推土机是否处于制动状态进行检测，并将检测信号传递该控制器1，只有当控制器1接收到非制动状态的信号时，控制器1才执行上述转向控制。比如，制动状态检测器3可以检测制动踏板的信号，或是直接检测制动器的信号。

还可以设置档位检测器4，档位检测器4与控制器1信号连接，档位检测器4对推土机的档位信号进行检测并将该信号传递给控制器1。

在执行完S12的触发阈值判断之后，可以首先采用上述制动状态检测器3和档位检测器4进行制动和档位状态的检测，其具体过程可以按照图2所示的S13-S15进行：

S13：制动状态检测器3检测制动信号；

S14：控制器1根据接收到的制动信号判断推土机是否处于制动状态，如果处于非制动状态，则控制器1进行转向控制，可以直接执行S18，也可以进一步执行S15；如果处于制动状态，则可以返回步骤S13，直至处于非制动状态才继续进行与转向相关的操作；处于制动状态时，也可以直接停止，不对转向操作作任何响应。

S15：档位检测器4检测档位信号，并将档位信号传递给控制器1，控制器1根据接收到的档位信号进行相应的控制，如果处于前进挡，则可以直接执行S18，控制器1进行转向控制；如果处于倒退档，则控制器1输出降低行使速度的指令到第一电机5和第二电机6，两电机分别控制两侧车轮进行减速动作，然后再执行S18。

当然，当档位检测器4指示处于前进挡时，控制器1可以不发出减速的指令，也可以发出减速的指令，因为推土机在低速的情况下能够实现大扭矩转向，其转弯半径会相对较小；而处于倒退档时最好进行减速，以提高转向的安全性，确保转向顺利完成。此外，上述制动信号检测和档位信号检测的顺序可以互调，两者并无执行的先后顺序限制。

上述实施方式表明，可以将制动信号作为能否转向的一个条件，在转向之前首先对制动信号进行检测，如果推土机处于制动状态，即使控制器1接收到转向信号也不能进行转向。推土机处于制动状态时，转向操作无法顺利进行，还会影响安全，故将制动信号作为转向条件能够提高转向的安全性，减小故障发生。

还可以想到，本发明的控制系统还可以设置电机故障检测器7，电机故障检测器7与控制器1信号连接，电机故障检测器7能够对两电机进行故障检测，并将检测信号传递给控制器1，以便控制器1进行相应的控制。例如，控制器1可以安装显示器，并将电机的故障予以显示，也可以在电机出现故障时予以警示等。电机故障检测器7能够对电机的故障进行检测，可以防止过压过流烧坏电机，相应地也保证两电机能够在正常状态下驱动两侧车轮完成转向。

电机故障检测器7可以是一个单独的故障检测元件，也可以是安装在控制器1上的一个故障信号检测模块，还可以是设置在电机上的一个检测元件等，不管采用何种形式，电机故障检测器7一般要与两电机信号连接，从而完成对两电机的故障检测。

针对上述各实施例，还可以将失速信号和转速的控制信号作为能否转向的控制条件，如图2所示，可以在S15和S18之间增加S16和S17：

S16：控制器1获取推土机的行使速度，并根据两电机的转速和获取的行使速度判断推土机是否处于失速状态，如果否，则可以直接执行S18，也可以进一步执行S17的转速判断；如果是，则可以停止，不执行转向控制；

S17：控制器1根据两电机的转速判断电机的转速是否可控，如果电机转速可控，则执行S18，如果转速不可控，则可以停止，不执行转向控制。

根据电机的转速可以计算出推土机在正常情况下的理论行驶速度，当获取的实际行驶速度远远大于与当前电机转速对应的理论速度时，表明推土机处于失速状态，若执行转向操作，会影响行车安全。因此，步骤S16可以进一步提高转向操作的安全性；而电机转速的可控与否可以通过上述电机故障信号检测模块检测，也可以由控制器1直接分析。电机是不可控的参考因素有多种，比如，电机未按照电机驱动模块指令转动，则电机实际转速不符合理论值范围，或者电机转速检测信号失真、无信号输出等，该类情形均会导致电机转速不可控，控制器1可以根据电机的角速度、定子速度、电机转矩和电机电压、电机速度控制的PWM(脉宽调制)值等，确保电机工作状态符合控制要求，以防电机失速或者存在安全隐患，影响行驶和转向。电机转速不可控时，转向操作无法得到正常执行，即无法按照预期使两侧车轮进行差速转向。因此，该步骤S17同样可以提高转向操作的安全性。

显然，转向时，可以执行步骤S16和/或S 17，二者均执行为优选方案。

上述S13-S17不仅可以按照图2所示的顺序依次执行，也可以按照任意顺序依次进行，甚至有些步骤可以同时进行：例如，上述的失速检测和转速是否可控的检测就可以通过控制器1内的两个模块分别同时进行。也就是说，上述S13-S17之间并无顺序的限制，其可以按照任意顺序设置于S12与S18之间。当然，上述S13和S17也可以有选择的执行，甚至是都不予执行，但是，都执行的方案显然为一种较为优选的方案。

请参考图3，图3为本发明所提供控制器中触发阈值一种设置方式的示意图。

本发明的转向触发装置可以为电控手柄，通过电控手柄的转向和转角大小判断转向的幅度，而转向信号检测器2检测的信号即为电控手柄的转角。以下以电控手柄为例，对本发明的转向触发系统进行简要介绍：触发阈值为图2中所示的S_min，触发阈值可以是处于正极和负极的两个端值，当电控手柄的转角大于等于±S_min时，电控手柄就能够触发转向操作，即此时的转向信号大于触发阈值；需要说明的是，此时的触发阈值与转向信号的比较为其绝对值的比较，即此处的正负仅表示方向，并不代表大小。显然，本发明的控制器还可以设置转向幅值，也就是图2中所示的S_max，当电控手柄的转角超出转向幅值时停止转向。

当然，上述说明仅以转向信号检测器2检测的转向信号为转角信号为例进行说明，当转向信号检测器2检测的转向信号为其他信号时，触发阈值相应的就变为其他信号，其原理和操作可以借鉴上文，此处不再赘述。

以上对本发明所提供的推土机差速转向的控制系统及其控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种推土机差速转向的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)接收转向信号，并获取分别驱动推土机两侧车轮转动的电机的当前转速；

12)根据所述转向信号和当前转速的大小计算转向时各电机所需的目标转速；

13)各电机根据与各自对应的当前转速和目标转速信号工作，以使两侧车轮执行差速转向动作。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤11)和步骤12)之间还包括下述步骤：

111)检测制动信号，并根据所述制动信号判断是否处于制动状态，否，则执行步骤12)。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤111)和步骤12)之间还包括下述步骤：

112)检测档位信号，如果处于前进挡，则执行步骤12)；如果处于倒退档，则降低行驶速度，然后执行步骤12)。

4.如权利要求1至3任一项所述的控制方法，其特征在于，所述步骤11)和步骤12)之间还包括下述步骤：

113)获取推土机的行驶速度，并根据电机的转速和行驶速度判断是否处于失速状态，是，则停止，否，则执行步骤13)。

5.如权利要求1至3任一项所述的控制方法，其特征在于，所述步骤11)和步骤12)之间还包括下述步骤：

114)根据电机的转速判断电机转速是否可控，是，则执行步骤13)，否，则停止。

6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤11)之前具有下述步骤：

10)预存转向的触发阈值；

所述步骤11)和步骤12)之间还具有下述步骤：

115)判断接收到的转向信号是否小于触发阈值，是，则返回步骤11)，否，则执行步骤12)。

7.一种推土机差速转向的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

分别驱动推土机两侧车轮转动的电机；

转速检测器，用于检测各电机的转速；

控制器，用于接收转向信号并与所述转速检测器信号连接，以执行转向控制：根据电机的转速和转向信号计算各电机的目标转速，并输出各电机按照对应的目标转速工作的指令，以使两侧车轮执行差速转向动作。

8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制器内预存转向的触发阈值，仅当接收到的转向信号不小于触发阈值时，执行转向控制。

9.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，还包括与所述控制器信号连接的制动状态检测器，所述控制器仅在接收到推土机处于非制动状态的信号时执行转向控制。

10.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统进一步包括与所述控制器信号连接的档位检测器，当控制器接收到倒退档的信号时，所述控制器输出降低车速的指令至各电机。

11.如权利要求7至10任一项所述的控制系统，其特征在于，控制系统还包括与所述控制器信号连接的电机故障检测器，所述电机故障检测器对各电机进行故障检测。

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