多铰接式车辆及其轨迹跟随控制方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多铰接式车辆及其轨迹跟随控制方法与系统，通过运动路径长度判断跟随车厢的当前位置是否处于引领车厢的历史位置，当跟随车厢的当前位置处于引领车厢的历史位置时，以引领车厢历史位置的运动路径长度所对应的横摆角和侧偏角为目标值，控制跟随车厢的横摆角和侧偏角，从而控制跟随车厢对引领车厢的轨迹跟随；该控制方法通过对横摆角和侧偏角的控制实现了多铰接式车辆的轨迹跟随，不仅提高了车辆行驶的安全性和可靠性，还提高了跟随控制精度；同时，引领点和跟随点的运动路径长度均是以跟随点为起点，避免了由于跟随点与引领点之间的距离导致的跟随误差，进一步提高了跟随精度。

【技术实现步骤摘要】
多铰接式车辆及其轨迹跟随控制方法与系统
本专利技术属于车辆控制
，尤其涉及一种多铰接式车辆的轨迹跟随控制方法与系统，多铰接式车辆。
技术介绍
随着城市规模的不断扩大，公共交通的压力也越来越大，常规的两轴、三轴公交车单程运输量有限，虽然增加公交班次能在一定程度上缓解运输压力，但在运输成本和管理上给公交公司提出了额外的问题。多铰接式客车作为一种公共交通解决方案，逐渐被国内地方政府重视。多铰接式客车由两个或三个铰接系统进行连接，通常有三或四节车厢，实现车体的增加拓展，提高了运输能力，并且不需要前期的轨道建设。但由于车体的长度增加，客车操纵稳定性较差，在转弯、变道等工况下对司机的经验提出相当高的要求，必须制定子车厢的轨迹跟随控制，否则会严重影响道路运营安全。公开号为CN1052922449A的专利文献公开了一种“胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法”，公开号为CN105292256A的专利文献公开了一种“胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法”，这两份文献主要根据列车各轴的转角关系进行跟随的策略制定，忽略了汽车实际运行过程中存在的轮胎侧偏特性以及非线性特性等情况，容易导致计算出的转向理想值与实际值偏差较大，跟随精度低，且对于复杂的工况，适应性不够好。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种多铰接式车辆及其轨迹跟随控制方法与系统，以解决跟随精度低，适应性差等问题。本专利技术是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种多铰接式车辆的轨迹跟随控制方法，所述多铰接式车辆包括一节母车厢以及N节子车厢，且N≥2，其轨迹跟随控制方法为：步骤1：获取引领点和跟随点的横摆角速度、纵向加速度以及横向加速度；当前车厢以前一节车厢为引领车厢，当前车厢为跟随车厢，所述引领点为引领车厢上的某个测量点，所述跟随点为跟随车厢上的某个测量点，且跟随点的位置与引领点的位置对应；步骤2：在引领车厢的全局坐标系下，根据所述引领点的横摆角速度、纵向加速度以及横向加速度分别计算引领点的横摆角、纵向速度以及横向速度，再根据所述纵向速度和横向速度分别计算引领点的侧偏角，以及以跟随点为起点的引领点的运动路径长度；所述引领车厢的全局坐标系是以引领点为原点而建立的坐标系；在跟随车厢的全局坐标系下，根据跟随点的横摆角速度、纵向加速度以及横向加速度分别计算跟随点的横摆角、纵向速度以及横向速度，再根据所述纵向速度和横向速度分别计算跟随点的侧偏角，以及以跟随点为起点的跟随点的运动路径长度；所述跟随车厢的全局坐标系是以跟随点为原点而建立的坐标系；步骤3：当跟随点在当前时刻的运动路径长度等于引领点在某个历史时刻的运动路径长度时，以引领点在该历史时刻的运动路径长度所对应的横摆角和侧偏角作为目标横摆角和目标侧偏角，控制跟随点在当前时刻的横摆角和侧偏角，实现跟随车厢对引领车厢的轨迹跟随，其中，当前时刻>历史时刻。本专利技术的轨迹跟踪控制方法，根据运动路径长度判断跟随车厢的当前位置是否处于引领车厢的历史位置，当跟随车厢的当前位置处于引领车厢的历史位置时，以引领车厢历史位置的运动路径长度所对应的横摆角和侧偏角为目标值，控制跟随车厢的横摆角和侧偏角，从而控制跟随车厢对引领车厢的轨迹跟随；该控制方法通过对横摆角和侧偏角的控制实现了多铰接式车辆的轨迹跟随，即第一节车厢跟随母车厢，第二节车厢跟随第一节车厢，以此类推，实现了多节车厢的轨迹跟随；由于横摆角和侧偏角是车辆稳定性控制的重要状态参数，以横摆角和侧偏角为控制对象来实现轨迹跟随，不仅提高了车辆行驶的安全性和可靠性，还提高了跟随控制精度；同时，引领点和跟随点的运动路径长度均是以跟随点为起点，避免了由于跟随点与引领点之间的距离导致的跟随误差，进一步提高了跟随精度。进一步地，所述步骤1中，采用横摆角速度传感器测量横摆角速度，采用三轴加速度传感器测量纵向加速度和横向加速度。优选的，所述横摆角速度传感器和三轴加速度传感器均安装在车厢的中部，车厢中部更好地反映了车厢的姿态或轨迹，因此将传感器设置在车厢中部能够更为准确地获得车厢的姿态或轨迹，进一步提高了轨迹跟随精度。进一步地，所述步骤2中，所述引领车厢的全局坐标系是以引领点指向引领车厢头部且平行于引领车厢的方向为x轴，以引领点指向引领车厢左侧的方向为y轴，根据右手定则来建立的；所述跟随车厢的全局坐标系是以跟随点指向跟随车厢头部且平行于跟随车厢的方向为x轴，以跟随点指向跟随车厢左侧的方向为y轴，根据右手定则来建立的；横摆角的计算表达式为：其中，R表示引领点或跟随点，为引领点或跟随点在时刻t的横摆角，ωR为引领点或跟随点在时刻t的横摆角速度；侧偏角的计算表达式为：βR＝tan-1(vRy/vRx)，其中，βR为引领点或跟随点在时刻t的侧偏角，vRy、vRx分别为引领点或跟随点在时刻t的纵向速度、横向速度，αRy、αRx分别为引领点或跟随点在时刻t的纵向加速度、横向加速度；引领点和跟随点的运动路径长度的计算表达式分别为：其中，A、B分别表示引领点、跟随点，SA、SB分别为引领点A、跟随点B在时刻t的运动路径长度，vAx、vBx分别为引领点A、跟随点B在时刻t的横向速度，L为引领点A与跟随点B之间的距离。进一步地，所述控制方法还包括在所述步骤2与步骤3之间的曲线拟合的步骤，具体为：根据引领点的运动路径长度、横摆角以及侧偏角拟合出运动路径长度-横摆角曲线，以及运动路径长度-侧偏角曲线。进一步地，所述步骤3替代为：根据运动路径长度-横摆角曲线和运动路径长度-侧偏角曲线，确定跟随点当前时刻的运动路径长度分别在运动路径长度-横摆角曲线和运动路径长度-侧偏角曲线上所对应的横摆角和侧偏角，以曲线上所对应的横摆角和侧偏角作为目标横摆角和目标侧偏角，控制跟随点在当前时刻的横摆角和侧偏角，实现跟随车厢对引领车厢的轨迹跟随。通过拟合使离散的数据变成连续的曲线，再以曲线上所对应的横摆角和侧偏角作为目标值，解决了当跟随点的运动路径长度小于跟随点与引领点之间距离L时的跟随问题，使跟随点无论在何时都有跟随对象，且都能跟随引领点的姿态或轨迹，进一步提高了跟随精度。进一步地，所述步骤3中，以目标横摆角和跟随点的横摆角作为第一PID控制单元的输入，第一控制转角作为第一PID控制单元的输出，以目标侧偏角和跟随点的侧偏角作为第二PID控制单元的输入，第二控制转角作为第二PID控制单元的输出；根据所述第一控制转角和第二控制转角计算跟随点的实时转角，通过实时转角的控制实现跟随车厢对引领车厢的轨迹跟随。该控制方法采用PID控制，控制简单，适应性强，对于复杂工况也具有较好的适应性。进一步地，所述跟随点的实时转角的计算表达式为：δ＝(1-k)△δ1+k·△δ2其中，δ为跟随点的实时转角，△δ1为第一控制转角，△δ2为第二控制转角，k为与车速和侧偏角相关的系数。本专利技术还提供一种多铰接式车辆的轨迹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多铰接式车辆的轨迹跟随控制方法，其特征在于：所述多铰接式车辆包括一节母车厢以及N节子车厢，且N≥2，其轨迹跟随控制方法为：/n步骤1：获取引领点和跟随点的横摆角速度、纵向加速度以及横向加速度；/n当前车厢以前一节车厢为引领车厢，当前车厢为跟随车厢，所述引领点为引领车厢上的某个测量点，所述跟随点为跟随车厢上的某个测量点，且跟随点的位置与引领点的位置对应；/n步骤2：在引领车厢的全局坐标系下，根据所述引领点的横摆角速度、纵向加速度以及横向加速度分别计算引领点的横摆角、纵向速度以及横向速度，再根据所述纵向速度和横向速度分别计算引领点的侧偏角，以及以跟随点为起点的引领点的运动路径长度；/n所述引领车厢的全局坐标系是以引领点为原点而建立的坐标系；/n在跟随车厢的全局坐标系下，根据跟随点的横摆角速度、纵向加速度以及横向加速度分别计算跟随点的横摆角、纵向速度以及横向速度，再根据所述纵向速度和横向速度分别计算跟随点的侧偏角，以及以跟随点为起点的跟随点的运动路径长度；/n所述跟随车厢的全局坐标系是以跟随点为原点而建立的坐标系；/n步骤3：当跟随点在当前时刻的运动路径长度等于引领点在某个历史时刻的运动路径长度时，以引领点在该历史时刻的运动路径长度所对应的横摆角和侧偏角作为目标横摆角和目标侧偏角，控制跟随点在当前时刻的横摆角和侧偏角，实现跟随车厢对引领车厢的轨迹跟随，其中，当前时刻>历史时刻。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多铰接式车辆的轨迹跟随控制方法，其特征在于：所述多铰接式车辆包括一节母车厢以及N节子车厢，且N≥2，其轨迹跟随控制方法为：
步骤1：获取引领点和跟随点的横摆角速度、纵向加速度以及横向加速度；
当前车厢以前一节车厢为引领车厢，当前车厢为跟随车厢，所述引领点为引领车厢上的某个测量点，所述跟随点为跟随车厢上的某个测量点，且跟随点的位置与引领点的位置对应；
步骤2：在引领车厢的全局坐标系下，根据所述引领点的横摆角速度、纵向加速度以及横向加速度分别计算引领点的横摆角、纵向速度以及横向速度，再根据所述纵向速度和横向速度分别计算引领点的侧偏角，以及以跟随点为起点的引领点的运动路径长度；
所述引领车厢的全局坐标系是以引领点为原点而建立的坐标系；
在跟随车厢的全局坐标系下，根据跟随点的横摆角速度、纵向加速度以及横向加速度分别计算跟随点的横摆角、纵向速度以及横向速度，再根据所述纵向速度和横向速度分别计算跟随点的侧偏角，以及以跟随点为起点的跟随点的运动路径长度；
所述跟随车厢的全局坐标系是以跟随点为原点而建立的坐标系；
步骤3：当跟随点在当前时刻的运动路径长度等于引领点在某个历史时刻的运动路径长度时，以引领点在该历史时刻的运动路径长度所对应的横摆角和侧偏角作为目标横摆角和目标侧偏角，控制跟随点在当前时刻的横摆角和侧偏角，实现跟随车厢对引领车厢的轨迹跟随，其中，当前时刻>历史时刻。


2.如权利要求1所述的轨迹跟随控制方法，其特征在于：所述步骤1中，采用横摆角速度传感器测量横摆角速度，采用三轴加速度传感器测量纵向加速度和横向加速度；
优选的，所述横摆角速度传感器和三轴加速度传感器均安装在车厢的中部。


3.如权利要求1所述的轨迹跟随控制方法，其特征在于：所述步骤2中，所述引领车厢的全局坐标系是以引领点指向引领车厢头部且平行于引领车厢的方向为x轴，以引领点指向引领车厢左侧的方向为y轴，根据右手定则来建立的；所述跟随车厢的全局坐标系是以跟随点指向跟随车厢头部且平行于跟随车厢的方向为x轴，以跟随点指向跟随车厢左侧的方向为y轴，根据右手定则来建立的；
横摆角的计算表达式为：



其中，R表示引领点或跟随点，为引领点或跟随点在时刻t的横摆角，ωR为引领点或跟随点在时刻t的横摆角速度；
侧偏角的计算表达式为：
βR＝tan-1(vRy/vRx)，
其中，βR为引领点或跟随点在时刻t的侧偏角，vRy、vRx分别为引领点或跟随点在时刻t的纵向速度、横向速度，αRy、αRx分别为引领点或跟随点在时刻t的纵向加速度、横向加速度；
引领点和跟随点的运动路径长度的计算表达式分别为：



其中，A、B分别表示引领点、跟随点，SA、SB分别为引领点A、跟随点B在时刻t的运动路径长度，vAx、vBx分别为引领点A、跟随点B在时刻t的横向速度，L为引领点A与跟随点B之间的距离。


4.如权利要求1所述的轨迹跟随控制方法，其特征在于：还包括在所述步骤2与步骤3之间的曲线拟合的步骤，具体为：
根据引领点的运动路径长度、横摆角以及侧偏角拟合出运动路径长度-横摆角曲线，以及运动路径长度-侧偏角曲线。


5.如权利要求4所述的轨迹跟随控制方法，其特征在于：所述步骤3替代为：根据运动路径长度-横摆角曲线和运动路径长度-侧偏角曲线，确定跟随点当前时刻的运动路径长度分别在运动路径长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈龙江，陶功安，张建全，喻佳文，孔媛媛，汪林峰，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43