本發(fā)明涉及消防車輛轉(zhuǎn)向控制，更具體地，涉及一種消防車四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、消防車作為應(yīng)急救援的重要工具，必須具備較高的機(jī)動(dòng)性、靈活性以及在復(fù)雜城市環(huán)境中的通行能力。傳統(tǒng)的消防車大多數(shù)采用前輪轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)雖然在大多數(shù)普通路面上足夠使用，但像在老舊城區(qū)這種狹長街道、狹小街道或者在城市隧道環(huán)境下，其轉(zhuǎn)彎半徑大、操控性差，影響了消防車的快速響應(yīng)與救援效率。

2、為了提高消防車在狹小空間和復(fù)雜環(huán)境中的機(jī)動(dòng)性，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)被逐步引入消防車領(lǐng)域。四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)通過對四個(gè)車輪的協(xié)同控制，能夠顯著減少轉(zhuǎn)彎半徑，提高操控性和穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、系統(tǒng)重、操作不夠精準(zhǔn)等問題。并且還需要復(fù)雜的硬件和多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，才能滿足不同車輪轉(zhuǎn)向角度的需求。這樣不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，還提升了成本和重量，對于消防車這種對速度和靈活性要求較高的車輛來說，可能并不是最優(yōu)的選擇。特別是在一些特殊場合，如狹窄空間或障礙物密集的區(qū)域，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度直接影響著消防車的表現(xiàn)。

3、其次，現(xiàn)有的控制方法多依賴于簡單的閉環(huán)控制策略，缺乏對不同環(huán)境、不同工況下的智能調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)消防車行駛在復(fù)雜的城市街道或者山路等特殊環(huán)境中時(shí)，現(xiàn)有控制算法可能無法根據(jù)實(shí)時(shí)情況自動(dòng)優(yōu)化控制參數(shù)，導(dǎo)致操控體驗(yàn)不夠流暢，甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度或不足的現(xiàn)象。因此，如何提升四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的智能化、精準(zhǔn)化和適應(yīng)性，是當(dāng)前該技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的難題。

4、因此，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于pid控制且基于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的消防車四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制方法，旨在提升四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)速度、精度以及整體控制性能，以更好地滿足消防車在緊急救援中的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的至少一種缺陷(不足)，提供一種消防車四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制方法及系統(tǒng)，提升了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)速度、精度以及整體控制性能，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角度，避免轉(zhuǎn)向過度或不足，能夠更好地滿足消防車在緊急救援中的需求。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種消防車四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制方法，所述方法包括以下步驟：

3、s1：接收方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并轉(zhuǎn)化為輸入信號；

4、s2：根據(jù)輸入信號采用pid控制器來將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)信號；

5、s3：采用機(jī)械傳遞函數(shù)模型對轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性差異補(bǔ)償，獲得電機(jī)在未受轉(zhuǎn)向比控制狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

6、s4：將電機(jī)在未受轉(zhuǎn)向比控制狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行比較，若兩者相等或者在誤差允許區(qū)間±5％內(nèi)，則判斷合格進(jìn)入下一個(gè)步驟進(jìn)行處理；若兩者不相等且不在誤差允許區(qū)間±5％內(nèi)，則判斷不合格，需要對輸入的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行誤差計(jì)算并重復(fù)步驟s2-s4；

7、s5：根據(jù)輸入的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度來進(jìn)行轉(zhuǎn)向比控制，輸出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

8、s6：根據(jù)接收到的電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，利用四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來對車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

9、在本技術(shù)中通過pid控制算法和機(jī)械傳遞函數(shù)模型的設(shè)置，將方向盤的輸入信號轉(zhuǎn)化為單電機(jī)的控制信號，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)四個(gè)車輪按照預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)路況動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)向策略，確保消防車在復(fù)雜環(huán)境中的轉(zhuǎn)向精度和穩(wěn)定性。該方法不僅簡化了四輪轉(zhuǎn)向的控制系統(tǒng)，還提高了轉(zhuǎn)向的精度和響應(yīng)速度，使消防車在狹窄空間或復(fù)雜路況下靈活行駛，四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的同步協(xié)調(diào)還大幅提高了車輛的轉(zhuǎn)向能力，尤其在停車、掉頭及窄路行駛時(shí)，能顯著提高機(jī)動(dòng)性，減少車輛轉(zhuǎn)向半徑，從而節(jié)省操作時(shí)間并提高應(yīng)急反應(yīng)效率；并且通過pid控制算法和機(jī)械傳遞函數(shù)模型進(jìn)行相關(guān)處理來得到電機(jī)在未受轉(zhuǎn)向比控制狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并將其與方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行比較，從而判斷所輸入的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度是否合格，若合格，才可以進(jìn)行后續(xù)處理來得到電機(jī)的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度來控制消防車轉(zhuǎn)向，若不合格則進(jìn)行誤差計(jì)算來得到合格的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可以實(shí)現(xiàn)對方向盤的輸入信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得消防車能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角度，避免轉(zhuǎn)向過度或不足。

10、優(yōu)選地，在步驟s2所述pid控制器中包括采用pid控制算法來調(diào)節(jié)信號，其中所述pid控制算法的公式為：

11、

12、其中，kp為比例增益，ki為積分增益，kd為微分增益，s為拉普拉斯變換中的復(fù)頻率變量。

13、通過采用pid控制算法來調(diào)節(jié)信號實(shí)現(xiàn)對四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)控制，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)四輪的轉(zhuǎn)向角度，保證轉(zhuǎn)向的精確性和穩(wěn)定性。pid控制器能夠有效抑制轉(zhuǎn)向過程中可能出現(xiàn)的超調(diào)、振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而提升消防車在復(fù)雜環(huán)境下的行駛安全性和穩(wěn)定性。

14、優(yōu)選地，在所述步驟s3中包括機(jī)械傳遞函數(shù)模型的構(gòu)建，其步驟為：

15、s31：使用二階微分方程來描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并對其進(jìn)行拉普拉斯變換，同時(shí)引入自然頻率和阻尼系數(shù)來描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，得到標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械傳遞函數(shù)模型；

16、s32：引入傳遞系數(shù)和阻尼頻率對機(jī)械傳遞函數(shù)模型進(jìn)行拓展，從而構(gòu)建得到最終的機(jī)械傳遞函數(shù)模型。

17、在本技術(shù)所述機(jī)械傳遞函數(shù)模型中，還引入了傳遞系數(shù)和阻尼頻率來對模型作進(jìn)一步拓展，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，補(bǔ)償了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征差異，優(yōu)化了轉(zhuǎn)向性能，提升機(jī)動(dòng)性，使得消防車的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

18、優(yōu)選地，在所述步驟s32中，所述機(jī)械傳遞函數(shù)模型的公式為：

19、

20、其中，k為傳遞系數(shù)，表示系統(tǒng)的增益；為傳遞阻尼系數(shù)；wn為傳遞自然頻率；為傳遞阻尼系數(shù)；wd為阻尼頻率，s為拉普拉斯變換中的復(fù)頻率變量。

21、優(yōu)選地，所述四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，包括：

22、車架，用于支撐整個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；

23、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)模塊：使用單個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用于提供轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)力；

24、轉(zhuǎn)向控制模塊：與所述轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)模塊連接，用于將所述驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)；

25、阿克曼轉(zhuǎn)向模塊：包括前輪轉(zhuǎn)向組件和后輪轉(zhuǎn)向組件，用于控制內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)向角度大于外側(cè)輪，其中所述前輪轉(zhuǎn)向組件與所述轉(zhuǎn)向控制模塊相連；

26、轉(zhuǎn)向傳遞模塊：連接前輪轉(zhuǎn)向組件和后輪轉(zhuǎn)向組件，用于將前輪的轉(zhuǎn)向動(dòng)作傳遞到后輪。

27、在本技術(shù)中，僅通過一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)提供動(dòng)力源，簡化了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少了機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的成本，同時(shí)降低了維護(hù)難度和故障率，大大降低了消防車在長期運(yùn)行中的運(yùn)維成本。

28、優(yōu)選地，在步驟s5中，所述轉(zhuǎn)向比為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度與電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度的比值，其比值范圍設(shè)為12：1到18：1。

29、通過進(jìn)行轉(zhuǎn)向比控制，從而將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)化為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，保證了轉(zhuǎn)向的精確性和穩(wěn)定性，提升了消防車的轉(zhuǎn)向性能、操作便捷性和安全性，為消防車的智能化、自動(dòng)化和高效作業(yè)提供了有效技術(shù)支持。

30、優(yōu)選地，所述方法還包括利用simulink來進(jìn)行仿真驗(yàn)證，根據(jù)仿真結(jié)果來優(yōu)化pid控制器的傳遞函數(shù)和機(jī)械傳遞函數(shù)模型的參數(shù)。

31、為了進(jìn)一步驗(yàn)證轉(zhuǎn)向的可靠性和有效性，在本技術(shù)中還利用simulink來進(jìn)行仿真驗(yàn)證，根據(jù)仿真結(jié)果從而優(yōu)化pid控制器的傳遞函數(shù)和機(jī)械傳遞函數(shù)模型的參數(shù)，使得轉(zhuǎn)向的精確性更高，進(jìn)一步提升了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性和有效性能。

32、另一方面，本技術(shù)還提供一種消防車四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

33、輸入模塊：用于接收方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并轉(zhuǎn)化為輸入信號；

34、pid控制器模塊：用于將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)信號；

35、轉(zhuǎn)向主控模塊：用于采用機(jī)械傳遞函數(shù)模型對轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性差異補(bǔ)償，獲得電機(jī)在未受轉(zhuǎn)向比控制狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

36、比較模塊：用于將電機(jī)在未受轉(zhuǎn)向比控制狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行比較，若合格則進(jìn)入轉(zhuǎn)向比控制模塊中進(jìn)行處理，若不合格則通過反饋通路將矯正角度傳輸?shù)秸`差計(jì)算模塊中進(jìn)行誤差計(jì)算；

37、誤差計(jì)算模塊：用于接收反饋通路傳輸?shù)某C正角度，并根據(jù)所述矯正角度來對輸入的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行矯正；

38、轉(zhuǎn)向比控制模塊：用于根據(jù)輸入的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度來進(jìn)行轉(zhuǎn)向比控制，輸出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

39、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊：用于根據(jù)接收到的電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，利用四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來對車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

40、在本系統(tǒng)中，通過不同模塊的相互配合實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角度，避免轉(zhuǎn)向過度或不足，減少了駕駛員在操作中的人為干預(yù)，降低了操作難度，尤其在緊急情況下能夠提高駕駛員對車輛的控制性，使其更加專注于其他重要任務(wù)；增強(qiáng)了緊急響應(yīng)能力，在消防車執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，快速的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和高精度的控制有助于提高消防車在城市街區(qū)或復(fù)雜場景中的靈活度。通過精確控制四輪轉(zhuǎn)向角度，可以幫助消防車快速改變行駛方向，迅速應(yīng)對突發(fā)狀況，最大限度地提高作業(yè)效率。

41、優(yōu)選地，在所述pid控制器模塊中包括采用pid控制算法來調(diào)節(jié)信號，其中所述pid控制算法的公式為：

42、

43、其中，kp為比例增益，ki為積分增益，kd為微分增益，s為拉普拉斯變換中的復(fù)頻率變量。

44、在本模塊中，通過采用pid控制算法對四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)控制，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)四輪的轉(zhuǎn)向角度，保證轉(zhuǎn)向的精確性和穩(wěn)定性。pid控制器能夠有效抑制轉(zhuǎn)向過程中可能出現(xiàn)的超調(diào)、振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而提升消防車在復(fù)雜環(huán)境下的行駛安全性和穩(wěn)定性。

45、優(yōu)選地，在所述轉(zhuǎn)向主控模塊中，還包括構(gòu)建機(jī)械傳遞函數(shù)，通過使用二階微分方程來描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)并對其進(jìn)行拉普拉斯變換，同時(shí)引入自然頻率和阻尼系數(shù)來描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，接著引入傳遞系數(shù)和阻尼頻率來對機(jī)械傳遞函數(shù)模型進(jìn)行拓展，從而構(gòu)建得到最終的機(jī)械傳遞函數(shù)模型；

46、其中，所述機(jī)械傳遞函數(shù)模型的公式為：

47、

48、其中，k為傳遞系數(shù)，表示系統(tǒng)的增益；為傳遞阻尼系數(shù)；wn為傳遞自然頻率；為傳遞阻尼系數(shù)；wd為阻尼頻率，s為拉普拉斯變換中的復(fù)頻率變量。

49、在本模塊中，利用機(jī)械傳遞函數(shù)模型來優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，使得轉(zhuǎn)向精度更高，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。

50、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

51、1.提高轉(zhuǎn)向精度和穩(wěn)定性：通過采用pid控制算法對四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)控制，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)四輪的轉(zhuǎn)向角度，保證轉(zhuǎn)向的精確性、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性；pid控制器能夠有效抑制轉(zhuǎn)向過程中可能出現(xiàn)的超調(diào)、振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而提升消防車在復(fù)雜環(huán)境下的行駛安全性和穩(wěn)定性。

52、2.優(yōu)化轉(zhuǎn)向性能，提升機(jī)動(dòng)性：該控制方法能夠使消防車在狹窄空間或復(fù)雜路況下靈活行駛，四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的同步協(xié)調(diào)能大幅提高車輛的轉(zhuǎn)向能力，尤其在停車、掉頭及窄路行駛時(shí)，能顯著提高機(jī)動(dòng)性，減少車輛轉(zhuǎn)向半徑，從而節(jié)省操作時(shí)間并提高應(yīng)急反應(yīng)效率。

53、3.簡化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：與傳統(tǒng)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式不同，本發(fā)明通過一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)提供動(dòng)力源，簡化了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少了機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的成本，同時(shí)降低了維護(hù)難度和故障率。這一設(shè)計(jì)大大降低了消防車在長期運(yùn)行中的運(yùn)維成本。

54、4.自動(dòng)化控制，減少人為干預(yù)：通過pid控制算法的引入，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)反饋，從而可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角度，避免轉(zhuǎn)向過度或不足，減少了駕駛員在操作中的人為干預(yù)，降低了操作難度，尤其在緊急情況下能夠提高駕駛員對車輛的控制性，使其更加專注于其他重要任務(wù)。

55、5.增強(qiáng)緊急響應(yīng)能力：在消防車執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)路況動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)向策略，并進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和高精度的控制有助于提高消防車在城市街區(qū)或復(fù)雜場景中的靈活度。通過精確控制四輪轉(zhuǎn)向角度，本發(fā)明可以幫助消防車快速改變行駛方向，迅速應(yīng)對突發(fā)狀況，最大限度地提高作業(yè)效率。

56、附圖說明

57、圖1為本發(fā)明的方法流程圖。

58、圖2為本發(fā)明的四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

59、圖3為本發(fā)明的simulink仿真結(jié)構(gòu)示意圖。

60、圖4為本發(fā)明的仿真結(jié)果圖。

61、圖5為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。