CN105629968A - 一种无轨自导向汽车列车的自导向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其步骤为：步骤(1)：记录车辆在行进中的各个车轴的实时位置信息；步骤(2)：通过调整对应轴上车轮的转向角来使得车轴运行于一定轨迹，各个车轴需运行于第一轴运行的轨迹上。本发明具有原理简单、控制精度高、能够提高多节车厢车轮跟随性、提高汽车列车道路通过性等优点。

Description

一种无轨自导向汽车列车的自导向控制方法

技术领域

本发明主要涉及到城市交通工具领域，特指一种适用于无轨自导向汽车列车的自导向控制方法。

背景技术

在现代社会中，道路变得越来越拥挤，常年的被堵在拥挤道路上，必然造成人们巨大的经济与精神上的损失。因此廉价、快速、可靠以及准时的公共交通***变有越来越有吸引力。

在现代城市中主要的公共交通***有地铁、轻轨、有轨电车、公共汽车等。这些类型的公共交通***都有其固有的优点和缺点。地铁和轻轨***由于建设在地下或者高架桥上，不会妨碍其他的车辆和行人，且准点性强。但其最大缺点是前期投入巨大，且轨道上由于发生意外事故出现障碍物时，只能停止运行。与地铁和轻轨相比，有轨电车所需的基础设施建设便宜很多(但轨道及架空线的建设费用仍然庞大)，有轨电车可以与其他车辆共用行车道，不需额外占用空间，然而正是因为如此，可能导致延误。有轨电车同样需要轨道和电力供应，当前方出现障碍物时，只能停止运行。有轨电车、地铁、轻轨都能准确的停靠站点，车辆与平台的间距很小，旅客们上下车非常方便。

相比于地铁、轻轨和电车，传统公交车的运力要小很多，而转弯时后轮的偏移使得汽车需要更宽的道路空间，为了增加运力将传统公交车铰接延长后，其通过性会变得更差。但是传统公交车相比于有轨车辆非常灵活，当前方有障碍物时，能够很方便的躲开障碍物继续行驶，当车辆发生故障时，可以靠边，不会影响其他车辆行驶。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、控制精度高、能够提高多节车厢车轮跟随性、提高汽车列车道路通过性的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其步骤为：

步骤(1)：记录车辆在行进中的各个车轴的实时位置信息；

步骤(2)：通过调整对应轴上车轮的转向角来使得车轴运行于一定轨迹，各个车轴需运行于第一轴运行的轨迹上。

作为本发明的进一步改进：所述步骤(1)的具体流程为：

车辆在行进中的各个车轴的位置信息通过已知前车质心处的实时坐标T₁(x₁,y₁)、通过测量到的各个车辆的横摆角ψ₁,ψ₂,ψ₃…..ψ_n以及车辆的尺寸实时计算出来：

x₂＝x₁-(l_f1+l_r1)cosψ₁

y₂＝y₁-(l_f1+l_r1)sinψ₁

x₃＝x₁-(l_f1+l_g1)cosψ₁-(l_f2+l_r2)cosψ₂

y₃＝y₁-(l_f1+l_g1)sinψ₁-(l_f2+l_r2)sinψ₂

……

x_n＝x₁-(l_f1+l_g1)cosψ₁......-(l_f(n-2)+l_g(n-2))cosψ_n-2-(l_f(n-1)+l_r(n-1))cosψ_n-1

y_n＝y₁-(l_f1+l_g1)sinψ₁......-(l_f(n-2)+l_g(n-2))sinψ_n-2-(l_f(n-1)+l_r(n-1))sinψ_n-1

通过上述表达式得出自导向列车各个车轴中点的位置信息。

作为本发明的进一步改进：所述步骤(2)的具体流程为：

步骤(2.1)：以第一节车为例，车辆在行驶时第一轴中心处的坐标T₁(x₁,y₁)不断更新，将其以数组的形式存储在车辆控制器内存内；

步骤(2.2)：后一个转向轴中心的坐标通过步骤(1)进行实时计算；通过查询车辆控制器内存中存储的所有前转向轴中心的坐标，找出与前转向轴中心距离为前后轴轴距的、且与此时后一转向轴中心最近的坐标点A(x^*,y^*)，将其作为目标坐标，用来调整车辆的后一转向轴的转向角；

步骤(2.3)：将目标坐标A(x^*,y^*)变换到第一节车辆坐标系Xv1-Yv1上，得到A点在Xv1-Yv1坐标系下Yv1向距离为：

$y_{X_{v1}-Y_{v1}}^{*}=y^{*}\cos {\mathrm{\ψ}}_1-x^{*}\sin {\mathrm{\ψ}}_1$

当将控制为零时，即可使得后轮行进在前轮的轨迹上；

步骤(2.4)：重复步骤(2.2)～(2.3)，得到其他所有各节车辆转向轴转向角的控制方案。

作为本发明的进一步改进：所述数组的长度根据车辆的怠速速度以及车辆控制器控制周期确定。

作为本发明的进一步改进：所述自导向控制方法包括对第一个转向轴的轨迹确定，当确定方式为自动驾驶模式时，通过在车头安装摄像机实时的识别前方路径边界，自动调整方向盘，调整车辆第一个转向轴的转向，确保车辆第一个转向轴始终行驶在路径内。

作为本发明的进一步改进：所述自导向控制方法包括对第一个转向轴的轨迹确定，当确定方式为自动驾驶模式时，采用全球卫星定位***，将期望路径的经纬度曲线事先存储于车辆控制器的内存内，同时在车辆第一轴中心处安装全球卫星定位***，通过自动调整方向盘控制车辆第一个转向轴的转向，确保车辆第一轴的经纬度与存储的期望路径经纬度曲线一致；同时其他轴通过第一轴安装的高精度全球卫星定位***与各节车辆上安装的定位元件推算出其他各轴的经纬度坐标。

作为本发明的进一步改进：所述自导向控制方法包括对第一个转向轴的轨迹确定，当确定方式为手动驾驶模式时，采用路面-人-车辆闭环***，人用眼睛识别路径，用手调整方向盘控制车辆第一个转向轴的方向，使车辆行驶在路径内；车上控制器记录第一轴相对于起点的相对坐标，以用作导向控制。

作为本发明的进一步改进：所述自导向控制方法包括站台停靠流程，其方法为：在自导向列车的侧向安装微波探测器进行精确测距，在客车靠站时通过控制全轮转向***，使车辆斜行停靠以实现停靠，实现车辆地板与站台地板的小缝隙对接。

作为本发明的进一步改进：所述自导向控制方法包括红绿灯检测流程，其方法为：在安装有红绿灯的路口，安装交互式点式应答***，将前方红绿灯信号传递给整车控制器，由交互式点式应答***完成红绿灯应答后的车辆行走控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出了一种无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，基于自导向汽车列车的结构，原理简单、控制精度高，可以使拥有线控全轮转向汽车列车根据预定义的轨迹自动调整方向盘控制车辆第一轴的转向，亦可以通过人工调整方向盘控制车辆第一轴的转向，而其它轴均跟随第一轴的轨迹行进；该行进方式可以使得具有两个及以上的车厢的汽车列车在道路上行驶时具有良好的道路通过性和安全性，能够提高多节车厢车轮跟随性，实现了自导向功能，真正形成无轨自导向汽车列车。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的无轨自导向汽车列车的导向原理示意图。

图2是在具体应用实例中车厢转向时单个内侧车轮与外侧车轮之间的关系示意图。

图3是本发明在具体应用实例中车厢转向时所有内侧车轮与外侧车轮之间的关系示意图。

图4是本发明在具体应用实例中调整转向角来使车轴运行于同一轨迹时的示意图。

图5是本发明在具体应用实例中进行转向角控制目标的原理示意图。

图6是本发明自导向列车导向控制的原理示意图。

图7是本发明在具体应用实例中进行斜行靠站的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明将地铁轻轨电车以及传统公共汽车的优势进行互补，提出一种无轨汽车列车，这种列车被称为自导向列车，自导向列车为汽车，具有简单传统铰接型公交车相近的结构，可以与传统公共汽车零件通用，不需要大的基础设施建设，无需轨道和电力网的架设，成本低廉，采用本发明后该列车能够实现自动导向像有轨电车沿可控轨迹行驶，当前方出现障碍物时该列车可以脱离轨迹也可以像传统公共汽车一样绕过障碍物。这种自导向列车与传统铰接型公交列车有稍许不同，该列车需要具有全轴转向(或全轮转向技术)。当自导向列车拥有全轴驱动(或全轮驱动)能力时，该列车的运行更为稳定。以典型三节编组自导向车为例，该车由前车、后车、中车组成，其中前车包含有驾驶室，可供司机进行操作，中车的前后均采用铰接盘与前车及后车相连，当采用混合动力时，后车后部安装有发电装置且实现全封闭，以保证乘客的安全，当采用纯电动配制时，亦可以安装电池以给电动机供电。

基于自导向汽车列车的结构，本发明提出了一种无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，利用本发明的方法可以使拥有线控全轮转向汽车列车根据预定义的轨迹自动调整方向盘控制车辆第一轴的转向，亦可以通过人工调整方向盘控制车辆第一轴的转向，而其它轴均跟随第一轴的轨迹行进；该行进方式可以使得具有两个及以上的车厢的汽车列车在道路上行驶时具有良好的道路通过性和安全性，实现自导向功能，真正形成无轨自导向汽车列车，如图1所示，图中A为预设轨迹，B为车轮行驶路径，C为车轮，D为车身。

在阐述本发明的自导向控制方法之间，先做一些假设，即与实际的车辆模型相比：

(1)轮胎与道路之间无侧偏角，即轮子的方向决定了车辆的方向；

(2)无内力与外力的作用；

(3)质量和惯性被忽略；

(4)车辆的移动速度非常小。

当上述假设完成后，自导向列车的静态模型可以降阶为“单轮模型”，常称之为“单车模型”(bicycle-model)，单车模型简化过程如图2所示。

由图2所示有：

$\cot {\mathrm{\δ}}_{11}-\cot {\mathrm{\δ}}_1=\frac{W_1}{2L_1}---\left(1\right)$

$\cot {\mathrm{\δ}}_1-\cot {\mathrm{\δ}}_{12}=\frac{W_1}{2L_1}---\left(2\right)$

式中δ₁₁，δ₁₂为车辆两侧轮胎转角，δ₁为等效车轮转角，W₁为两侧车轮之间的轮距，L₁为前后轴轴距。下标1为表示第一轴，下标11表示第一轴左侧车轮，下标12表示为第一轴右侧车轮。

因此，自导向列车的运动特性可以用轮子位于车辆中轴线的“单车”的运动特性来描述。因此N节铰接的公交列车可由图3所示的单车模型来描述。

由于，车辆的同轴车轮通过连杆连接，因此同轴车轮只需给定一个转向角，来调整该轴车轮的转向，这个转向角同样可以用单车模型中的等效轮的转向角来表述。

如图6所示，本发明的一种无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，通过控制可以实现自导向列车所有后轮跟随前轮轨迹从而实现导向，其步骤为：

步骤(1)：记录车辆在行进中的各个车轴的位置信息；车辆在行进中的各个车轴的位置信息可以通过已知前车质心处的实时坐标T₁(x₁,y₁)、通过测量到的各个车辆的横摆角ψ₁,ψ₂,ψ₃…..ψ_n以及车辆的尺寸实时计算出来。

x₂＝x₁-(l_f1+l_r1)cosψ₁(3)

y₂＝y₁-(l_f1+l_r1)sinψ₁(4)

x₃＝x₁-(l_f1+l_g1)cosψ₁-(l_f2+l_r2)cosψ₂(5)

y₃＝y₁-(l_f1+l_g1)sinψ₁-(l_f2+l_r2)sinψ₂(6)

……

x_n＝x₁-(l_f1+l_g1)cosψ₁......-(l_f(n-2)+l_g(n-2))cosψ_n-2-(l_f(n-1)+l_r(n-1))cosψ_n-1(7)

y_n＝y₁-(l_f1+l_g1)sinψ₁......-(l_f(n-2)+l_g(n-2))sinψ_n-2-(l_f(n-1)+l_r(n-1))sinψ_n-1(8)

式中x₁、x₂、x₃….x_n分别表示第1、2、3、…n轴在坐标x轴上的坐标；

式中y₁、y₂、y₃….y_n分别表示第1、2、3、…n轴在坐标y轴上的坐标；

式中ψ₁,ψ₂,ψ₃…..ψ_n分别表示第1、2、3、…n节车厢的横摆角；

式中l_f1表示第一节车厢质心到第一个车轴的距离；

式中l_g1表示第一节车厢质心到第一节车厢与第二节车厢交接处的距离；

式中l_f2表示第二节车厢与第一节车厢铰接处到第二节车厢质心之间的距离；

式中l_r2表示第二节车厢上的车轴到质心的距离；

式中l_f(n-2)表示第(n-2)节车厢上质心到第(n-2)节车厢与第(n-3)节车厢之间交接处的距离；

式中l_g(n-2)表示第(n-2)节车厢上质心到第(n-2)节车厢与第(n-1)节车厢之间交接处的距离；

式中l_f(n-1)表示第(n-2)节车厢上质心到第(n-2)节车厢与第(n-1)节车厢之间交接处的距离；

式中l_r(n-1)表示第(n-2)节车厢上车轴到该节车厢质心的距离；

通过上述表达式就得出自导向列车各个车轴中点的位置信息。

步骤2：通过调整对应轴上车轮的转向角来使得车轴运行于一定轨迹；如图4所示，对于自导向列车而言，各个车轴需运行于第一轴运行的轨迹上。

在具体应用实例中，其详细的步骤为：

步骤(2.1)：以第一节车为例，车辆在行驶时第一轴中心处的坐标T₁(x₁,y₁)不断更新，将其以数组的形式存储在车辆控制器内存内。其中，数组的长度可根据车辆的怠速速度以及车辆控制器控制周期确定。例如：对于第一节车而言，以其轴距为7m，怠速车速0.1m/s，控制周期为0.01s，则数组长度需大于7000。

步骤(2.2)：后一个转向轴中心的坐标可根据上述公式(3)～(4)进行实时计算。通过查询车辆控制器内存中存储的所有前转向轴中心的坐标，找出与前转向轴中心距离为前后轴轴距的、且与此时后转向轴中心最近的坐标点A(x^*,y^*)，将其作为目标坐标，来用来调整车辆的后一转向轴的转向角。

步骤(2.3)：将目标坐标A(x^*,y^*)变换到第一节车辆坐标系Xv1-Yv1上，得到A点在Xv1-Yv1坐标系下Yv1向距离为：

$y_{X_{v1}-Y_{v1}}^{*}=y^{*}\cos {\mathrm{\ψ}}_1-x^{*}\sin {\mathrm{\ψ}}_1---\left(9\right)$

如图5所示，图中E为期望轨迹，当将控制为零时，即可使得后轮行进在前轮的轨迹上。

步骤(2.4)：重复步骤步骤(2.2)～(2.3)，可得到其他所有各节车辆转向轴转向角的控制方案。

在本实施例中，进一步对第一个转向轴的轨迹进行确定，可以采用两种模式：

3.1自动驾驶模式；

在该模式下，采用路径识别技术(如图像识别技术)，通过在车头安装摄像机实时的识别前方路径边界，通过自动调整方向盘，从而调整车辆第一个转向轴的转向，从而确保车辆第一个转向轴始终行驶在路径内。当采用图像识别技术、激光检测、光反射检测等技术来实现自动驾驶时，由于不能直接获取实时经纬度信息，因此常采用相对坐标的方式，车辆控制器通过车辆上安装的车速传感器、惯性导航元件，以及其他传感器来实时计算车辆第一轴在以起点为原点，在起点时第一节车辆中轴线为X轴，垂直于中轴线方向为Y轴的地面坐标系下的实时坐标，存储于控制器内存内，以用作导向控制。

当直接采用高精度全球卫星定位***，将期望路径的经纬度曲线事先存储于车辆控制器的内存内，同时在车辆第一轴中心处安装全球卫星定位***，通过自动调整方向盘控制车辆第一个转向轴的转向，从而确保车辆第一轴的经纬度与存储的期望路径经纬度曲线一致。同时，其他轴通过第一轴安装的高精度全球卫星定位***与各节车辆上安装惯性导航元件，角度传感器，车速传感器等推算出其他各轴的经纬度坐标。

3.2手动驾驶模式；

在该模式下，与传统汽车车辆驾驶方式一样，采用路面-人-车辆闭环***，人用眼睛识别路径，用手调整方向盘控制车辆第一个转向轴的方向，使车辆行驶在路径内。车上控制器记录第一轴相对于起点的相对坐标，以用作导向控制。

在本实施例中，本发明的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，进一步包括站台停靠流程，其方法为：在自导向列车的侧向安装微波探测器进行精确测距，在客车靠站时通过控制全轮转向***，使车辆斜行停靠以实现高精度停靠，实现车辆地板与站台地板的小缝隙对接，如图7所示，图中F为站台。

由于自导向列车是有可能与传统汽车车辆共道行驶，因此红绿灯的信号***对其同样适用，红绿灯的识别也是自导向列车的一项必备技术。在本实施例中，本发明的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，进一步包括红绿灯检测流程，其方法为：在安装有红绿灯的路口，安装交互式点式应答***，将前方红绿灯信号传递给整车控制器，由交互式点式应答***完成红绿灯应答后的车辆行走控制，以实现红灯停，绿灯行。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其特征在于，步骤为：

步骤(1)：记录车辆在行进中的各个车轴的实时位置信息；

步骤(2)：通过调整对应轴上车轮的转向角来使得车轴运行于一定轨迹，各个车轴需运行于第一轴运行的轨迹上。

2.根据权利要求1所述的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体流程为：

车辆在行进中的各个车轴的位置信息通过已知前车质心处的实时坐标T₁(x₁,y₁)、通过测量到的各个车辆的横摆角ψ₁,ψ₂,ψ₃.....ψ_n以及车辆的尺寸实时计算出来：

x₂＝x₁-(l_f1+l_r1)cosψ₁

y₂＝y₁-(l_f1+l_r1)sinψ₁

x₃＝x₁-(l_f1+l_g1)cosψ₁-(l_f2+l_r2)cosψ₂

y₃＝y₁-(l_f1+l_g1)sinψ₁-(l_f2+l_r2)sinψ₂

……

x_n＝x₁-(l_f1+l_g1)cosψ₁......-(l_f(n-2)+l_g(n-2))cosψ_n-2-(l_f(n-1)+l_r(n-1))cosψ_n-1

y_n＝y₁-(l_f1+l_g1)sinψ₁......-(l_f(n-2)+l_g(n-2))sinψ_n-2-(l_f(n-1)+l_r(n-1))sinψ_n-1

通过上述表达式得出自导向列车各个车轴中点的位置信息。

3.根据权利要求2所述的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体流程为：

步骤(2.1)：以第一节车为例，车辆在行驶时第一轴中心处的坐标T₁(x₁,y₁)不断更新，将其以数组的形式存储在车辆控制器内存内；

步骤(2.2)：后一个转向轴中心的坐标通过步骤(1)进行实时计算；通过查询车辆控制器内存中存储的所有前转向轴中心的坐标，找出与前转向轴中心距离为前后轴轴距的、且与此时后一转向轴中心最近的坐标点A(x^*,y^*)，将其作为目标坐标，用来调整车辆的后一转向轴的转向角；

步骤(2.3)：将目标坐标A(x^*,y^*)变换到第一节车辆坐标系Xv1-Yv1上，得到A点在Xv1-Yv1坐标系下Yv1向距离为：

$y_{X_{v1}-Y_{v1}}^{*}=y^{*}\cos {\mathrm{\ψ}}_1-x^{*}\sin {\mathrm{\ψ}}_1$

当将控制为零时，即可使得后轮行进在前轮的轨迹上；

步骤(2.4)：重复步骤步骤(2.2)～(2.3)，得到其他所有各节车辆转向轴转向角的控制方案。

4.根据权利要求3所述的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其特征在于，所述数组的长度根据车辆的怠速速度以及车辆控制器控制周期确定。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其特征在于，所述自导向控制方法包括对第一个转向轴的轨迹确定，当确定方式为自动驾驶模式时，通过在车头安装摄像机实时的识别前方路径边界，自动调整方向盘，调整车辆第一个转向轴的转向，确保车辆第一个转向轴始终行驶在路径内。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其特征在于，所述自导向控制方法包括对第一个转向轴的轨迹确定，当确定方式为自动驾驶模式时，采用全球卫星定位***，将期望路径的经纬度曲线事先存储于车辆控制器的内存内，同时在车辆第一轴中心处安装全球卫星定位***，通过自动调整方向盘控制车辆第一个转向轴的转向，确保车辆第一轴的经纬度与存储的期望路径经纬度曲线一致；同时其他轴通过第一轴安装的高精度全球卫星定位***与各节车辆上安装的定位元件推算出其他各轴的经纬度坐标。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其特征在于，所述自导向控制方法包括对第一个转向轴的轨迹确定，当确定方式为手动驾驶模式时，采用路面-人-车辆闭环***，人用眼睛识别路径，用手调整方向盘控制车辆第一个转向轴的方向，使车辆行驶在路径内；车上控制器记录第一轴相对于起点的相对坐标，以用作导向控制。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其特征在于，所述自导向控制方法包括站台停靠流程，其方法为：在自导向列车的侧向安装微波探测器进行精确测距，在客车靠站时通过控制全轮转向***，使车辆斜行停靠以实现停靠，实现车辆地板与站台地板的小缝隙对接。

9.根据权利要求1～4中任意一项所述的无轨自导向汽车列车的自导向控制方法，其特征在于，所述自导向控制方法包括红绿灯检测流程，其方法为：在安装有红绿灯的路口，安装交互式点式应答***，将前方红绿灯信号传递给整车控制器，由交互式点式应答***完成红绿灯应答后的车辆行走控制。