一种高效侧方位停车辅助装置设计及实现

赵金国，阎治安，周美丽，焦文芳

(1.西京学院，西安 710123；2.西安交通大学，西安 710049；3.延安大学，延安 716000)

0 引 言

随着汽车拥有量的增加，停车已成为中国汽车司机的一个痛点。停车资源不足，导致停车空间不足。加之，停车空间不能有效利用，造成了公共资源的浪费[1]。目前，作为侧方位停车辅助装置有自动泊车和人工机械式泊车辅助装置。虽然在一定程度上增加了侧方位泊车的功能，提高了效率，部分解决了人力难度，但同时也存在一些缺点：自动泊车在停车位置有极限的时候是很难做到的，人工机械式侧方位泊车耗时费力。上述2种状况在侧方位停车位置极限难度时很难做到，使用效率不高。

本文设计了一种辅助装置来实现汽车高效率侧方位停车，其采用电动推杆作为执行器，由遥控器操作，可以有序、安全、快速、高效地完成侧方位停车[2]，也可减轻道路停车压力。电动推杆不仅可以降低气动和液压要求的气/液源设备和辅助设备，还可以减少执行器的质量。使用电动推杆执行器，在起动可变控制系统时需要电源，起动后不再需要电源，而且电动推杆具有相对明显的节能优势[3]。

1 基本结构和工作原理

1.1 基本结构

本文研究了一种轿车侧方位停车辅助装置，其结构图如图1所示。将停车辅助装置分别设置在轿车底盘的左前、右前、左后和右后位置，通过定位臂和活动摇臂固定在车梁上，在汽车停车制动、熄火后使用。该装置可以有效利用空间，便于在停车位置极限难度的情况下使用，操作方便，具有节能环保、节省车辆占地空间等优点。在车辆更换轮胎的过程中，停车辅助系统可起到替换机械式千斤顶的作用，减少更换轮胎的操作时间，提高工作效率。

(a) 支撑图

(b) 收缩图

1.2 工作原理

利用遥控器控制水平电动推杆和垂直电动推杆配合使用，起到升降车身的作用。轮毂电机驱动支撑轮转动，横向移动汽车整体车身。起动控制器控制水平电动推杆收缩至末端，活动摇臂在水平电动推杆作用下左旋，然后垂直电动推杆伸出，直至电动推杆与支撑轮垂直，支撑起汽车整体车身，使汽车车轮离开地面一定距离时自行停止，再由轮毂电机反向转动，带动汽车整体左移，移位至用户所需位置后停止运动。再起动控制器控制垂直控制电动推杆向上收缩至末端，然后控制水平电动推杆向左伸出，活动摇臂在水平电动推杆的作用下右旋，将垂直电动推杆与支撑轮收至车底与车梁平行且定位，此时水平电动推杆自行停止工作，控制器自动断电。反之，则亦然。轿车横向泊车装置工作流程，如图2所示。直接横向入位的侧方位停车辅助装置颠覆传统侧方位停车入位方式，属于全新的停车入位方式，如图3所示。

图2 轿车横向泊车装置工作流程图

(a) 横向入位前图

1.3 侧方位停车辅助装置工作原理

遥控发生器设置按钮分别标记为“起动”、 “上升键”、“下降键”、“左移键”、“右移键”、“停止”，遥控器操作示意图，如图4所示。

图4 遥控器操作示意图

电路原理图，如图5所示。蓄电池为侧方位停车辅助装置提供电源，按下遥控器起动键，控制器通电工作；按下遥控器面板下降键，控制器控制水平电动推杆收缩至末端;按下遥控器右移(或左移)键控制支撑轮在驱动旋转电机正(反)向转动，带动汽车整体右移(或左移)，移位至用户所需位置时，松开按键，支撑轮和驱动轮毂电机停止工作；按下遥控器面板上升键，控制器控制该装置复位，将垂直电动推杆与支撑轮收至车底与车梁平行且定位，此时水平电动推杆自行停止工作，控制器自动断电。停车入位完成。

图5 电路原理图

2 主要部件的设计及选型

2.1 升降推杆电机的选择

安装在新能源汽车“比亚迪秦”上，轿车车重m按1.72 t计算：

G=mg=16 856 N

该侧方位停车辅助装置安装在轿车底盘车架最低处，即接近4个悬架处的相关位置点。计算升降推杆装置所需推力：

F=G×1/4=4 214 N

从以上计算数据中，选择了推力DC12V,5kN直线电动推杆示意图，如图6所示。

图6 直线电动推杆示意图

2.2 支撑轮驱动电机的选择

采用无刷直流轮毂电机，无刷直流轮毂电机具有较大的静转矩和良好的调速性能，机械效率高，易于控制，驱动电路简单[4]。

根据轮毂电机所需驱动力与轮毂电机轮胎所受滚动摩擦力f相同(μ=0.02)，所选择直流轮毂电机参数计算如下：

f=μmg×1/4=84.3 N

所选择轮毂电机直径D=0.14 m，轮毂电机所需最小转矩：

选择轮毂电机转速设置n=265r/min，该轮毂电机效率η=0.9，故轮毂电机所需最小功率：

因此，选择DC12V，200W的无刷直流轮毂电机。该电机系统如图7所示。

图7 直流无刷轮毂电机系统

3 多电机系统同步控制

3.1 同侧电机控制措施

同步控制系统在并行运行中的优点是系统的同步性能较好，在一定的条件下，不同的单元不受距离的限制。在同步控制系统的同步运行中，系统直接给出各单元的输入信号，各单元的输入信号相同。每个驱动单元的输入信号不受任何其他因素的影响。除参考信号外，任何单元的干扰都不会影响到其他单元的工作状态[4]。通过速度差补偿各电机间的不同惯量，在一定程度上解决了同步协调问题，双电机同步系统耦合控制结构示意图如图8所示。

图8 双电机同步系统耦合控制结构示意图

只有当每个单元的性能与给定的参考信号变化相似，且不会受到任何驱动电机的干扰时，该方案才能实现更好的同步功能，并行同步控制系统如图9所示。然而，若某一个单元电机受到干扰时，系统将会出现不同步，直接影响系统的正常运行[5]。由此，改进控制系统如图10所示。

图9 并行同步控制系统

图10 一种改进的耦合控制系统

3.2 多电机数据分析

由于本装置应用中存在着多个电机使用，系统工作中可能会出现不稳定和相互干扰，通过仿真环境设计，采用前述电机模型，建立以多电机同步控制系统的仿真框图[5]。图11为采用模糊控制补偿器的情况下同一侧2台轮毂电机速度响应曲线图。

图11 1#与2#轮毂电机速度响应曲线图

仿真结果表明，采用模糊控制器补偿方法，系统具有较强的同步性和抗干扰能力，适合于同步精度高的控制系统。

对车辆同侧的1#轮毂电机和2#轮毂电机进行实验测量分析，在与地面接触运行中受到滚动阻力，出现轻微速度波动的问题，但不影响2台电机同步运行，仿真数据如表1所示，解决了车辆较高难度侧位停车技术的问题。

表1 仿真数据表

另外，在轮毂电机输出端增设减速机，转速比变为50∶1，解决了稳定准确停车问题。在侧方位停车距离为2m时，预驶入车位，数据保证同一侧的2台电机时间误差在0.1～0.2s，实验数据如表2所示。

表2 样机实验实测数据表

4 结 语

本文采用电动推杆作为执行元件，配合无线遥控控制，设计出高效侧方位停车辅助装置，并对多电机同步系统控制的稳定性进行了仿真分析，制造出该系统样机，如图12所示。通过综合实验，证明了该装置设计的可操作性。

图12 系统样机

综上所述，该装置结构简单，操作方便，性能可靠，使小空间停车更加安全快捷，具有节能环保、车辆面积节省等优点，有助于缓解停车压力。该装置在汽车技术开发领域具有较强的应用价值。