一种多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道车辆转向控制技术领域，尤其涉及一种多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

多编组虚拟轨道车辆是一种新型的城市公交客运车辆，其特点为无需铺设铁轨的实体轨道，只需要预设虚拟路线便可运行，既能保证大运量，又能减少基础设施建设的投入，虚拟轨道车辆采用图像识别、激光雷达定位、磁钉感应等方式对线路信息进行采集，然后控制车辆沿既定线路行驶。由于其多编组形式车辆长度较长，因此需要车辆采用全轴转向以减少其转弯半径，车辆的全轴转向控制需要考虑车辆循迹精度以及车辆转弯姿态。

但是，车辆循迹精度与车辆转弯姿态的协调性是相矛盾的，车辆的循迹控制点越多，循迹控制就越精确，但是区域间的协调性也越差。现有控制方法无法做到循迹精度与车辆曲线运行姿态的完美协调，往往会出现顾此失彼的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制方法及系统，将全轴划分为多个阿克曼(Ackermann)转向几何区域，实现了多轴偏差反馈控制，选取多个循迹控制点可以提高车辆循迹精度，并且各转向几何下的互相协调，使各轮协调运行通过曲线。

根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制方法，包括：

将多轴轨道车辆划分为多个转向几何区域，对设定的转向几何区域通过速度瞬心共线的方法弱耦合到一起；根据几何关系确定每一个转向几何区域内各轴转角关系；

每一个转向区域选取至少一个循迹控制点，通过循迹控制点偏差确定每一个转向几何区域内某一轴的转角，根据所述的转向几何区域内各轴转角关系得到该转向几何区域内其他轴的转角；

基于得到的各轴转角控制多编组虚拟轨道车辆的全轴转向。

将多轴轨道车辆划分为多个转向几何区域，具体为：

将头车前端的第一轴和第二轴划分到一个转向几何区域，称为第一区域；

将头车的第三轴与中间车的靠近第三轴的第四轴划分到一个转向几何区域，称为第二区域；

将中间车的靠近尾车的第五轴与尾车的靠近第五轴的第六轴划分到一个转向几何区域，称为第三区域；

将尾车后端的第七轴和第八轴划分到一个转向几何区域，称为第四区域。

对设定的转向几何区域通过速度瞬心共线的方法弱耦合到一起，具体为：

第一区域和第二区域均选取头车的车铰侧垂线为转向中心线；

第三区域和第四区域均选取尾车的车铰侧垂线为转向中心线。

根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制系统，包括：

区域划分与耦合模块，用于将多轴轨道车辆划分为多个转向几何区域，对设定的转向几何区域通过速度瞬心共线的方法弱耦合到一起；根据几何关系确定每一个转向几何区域内各轴转角关系；

全轴转向控制模块，用于在每一个转向区域选取至少一个循迹控制点，通过循迹控制点偏差确定每一个转向几何区域内某一轴的转角，根据所述的转向几何区域内各轴转角关系得到该转向几何区域内其他轴的转角；基于得到的各轴转角控制多编组虚拟轨道车辆的全轴转向。

根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种多编组虚拟轨道车辆控制器，采用上述的多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制方法，控制多编组虚拟轨道车辆的全轴转向。

根据本发明实施例的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明将多编组虚拟轨道车辆全轴划分为多个Ackermann转向几何区域，实现了多轴偏差反馈控制，选取多个循迹控制点可以提高车辆循迹精度；同时将划分的多个Ackermann转向几何通过速度瞬心共线的方法弱耦合到一起，实现各转向几何下的互相协调，使各轮协调运行通过曲线，提高车辆运行稳定性。

(2)本发明通过速度瞬心共线弱耦合的方法，能够控制车间铰速度同向，降低车铰磨耗，在提高车循迹控制精度的同时，提高车辆稳定性和曲线通过效果。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中循迹控制的基本原理；

图2为本发明实施例中八轴车转向几何区域划分示意图；

图3为本发明实施例中第二区域转角关系几何示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制方法，具体包括：

将多轴轨道车辆划分为多个转向几何区域，对设定的转向几何区域通过速度瞬心共线的方法弱耦合到一起；根据几何关系确定每一个转向几何区域内各轴转角关系；

本实施例中，将头车前端的第一轴和第二轴划分到一个转向几何区域，称为第一区域；将头车的第三轴与中间车的靠近第三轴的第四轴划分到一个转向几何区域，称为第二区域；将中间车的靠近尾车的第五轴与尾车的靠近第五轴的第六轴划分到一个转向几何区域，称为第三区域；将尾车后端的第七轴和第八轴划分到一个转向几何区域，称为第四区域。

第一区域和第二区域均选取头车的车铰侧垂线为转向中心线；第三区域和第四区域均选取尾车的车铰侧垂线为转向中心线。

每一个转向区域选取至少一个循迹控制点，通过循迹控制点偏差确定每一个转向几何区域内某一轴的转角，根据所述的转向几何区域内各轴转角关系得到该转向几何区域内其他轴的转角；基于得到的各轴转角控制多编组虚拟轨道车辆的全轴转向。

具体地，在多编组胶轮智能车辆上选取多个点，循迹控制目标是使车辆行驶时，这些点与车辆预设轨迹线重合，我们称这些点为循迹控制点。

循迹控制的基本原理如图1所示，通过传感器监测循迹点是否存在偏差，若有偏差则控制循迹轴反向转向，使监测点偏差缩小，然后继续监测继续修正的闭环控制。

本实施例控制方法将各轴划分为多个转向几何，由Ackermann转向原理知，每个Ackermann转向几何有唯一的转向中心(速度瞬心)线，即无论车轮转向角大或小，各车轮轴线相交的点必然在这条直线上。因此在同一个转向几何下的各车轮转角存在固有对应关系，且一个转向几何区域只能保证对区域附近的某一点的循迹控制，转向几何区域越多，车辆的循迹控制点越多，循迹控制就越精确；各转向几何区域互相独立，可以满足区域内的各轴的协调，但区域间协调较差，转向几何区域越少，整车运行姿态就越好，因此控制精度与整车协调性是相矛盾的，必须兼顾循迹与姿态，合理划分转向几何区域。

以图2的八轴车为例，将车辆的8个轴划分为多个转向几何区域。第一轴和第二轴位于头车前端且距离较近，因此第一轴和第二轴划分到一起便于对车辆前端循迹点的控制，又能保证第一轴和第二轴的协调性。而第三轴距车头较远，若强行加入到第一轴和第二轴的耦合中配合转向，只取一个控制点不利于对头车的循迹控制；若要通过第四轴附近循迹点控制头车尾端的循迹，在控制系统下头车车尾横向偏差大，中间车前端横向偏差小，两车通过车铰连接，会造成第三轴和第四轴之间轮胎拖拽问题，同时也会增大车铰负担，进而影响车辆运行稳定性。中间车前后有车辆铰接，因此是无法与前后车独立开的，且每个几何区域只能控制一个循迹点，因此第四轴和第五轴若是划分到同一个转向几何也是不合理的。第三轴和第四轴相距较近，且两轴之间有车铰，因此将二者划分到一起同时对循迹精度与姿态进行控制是较为合理的。同样，第五轴和第六轴划分到同一转向几何，第七轴和第八轴划分到同一转向几何为较优方案。

每个转向几何区域均可由一个监测点的循迹偏差为参考，控制该区域内双轴四车轮的转向角度，即符合局部曲线平面运动规律，又对循迹偏差有较强控制。但各转向几何间是相互独立的，这种状态下的控制虽然考虑到同区域下各轴车轮的协调及循迹控制精度，却无法兼顾到整车的姿态。

本实施例进一步将第一区域和第二区域(即前4轴)，第三区域和第四区域(即后4轴)进行弱耦合处理：第一区域、第二区域均选取头车的车铰侧垂线为转向中心线，第三区域、第四区域均选取尾车的车铰侧垂线为转向中心线。通过弱耦合处理，使得铰接的两个车铰速度方向始终沿首尾车的车辆中轴线方向，从而减少车铰的多余横向运动，保证中间车稳定性，减少车铰的磨耗。

在此理论体系下，各轴转角关系可通过转向几何推导得出：

第一区域内，第一轴和第二轴车轮转角关系如下(同轴内外轮转角关系通过Ackermann转向几何便可得出，此处不做推导)：

L

其中，δ

第二轴到距其最近车铰的距离。

第二区域的转角关系几何如图3所示，延长一车中轴线与四轴车轮轴线相较于一点做辅助三角形。图2和图3中，O

中间实线曲线为车辆运行线路，3个方框代表车体，8个黑色圆角方框代表各轴车轮(同轴车轮内外转角不同，这里用一个车轮做简化代表)，两条虚线分别为首、尾车车铰处的侧垂线(同时也是Ackermann转向几何的转向中心线)。

根据转向几何可知：

由正弦定理得：

由式(2)～(6)可得到三四轴车轮转角关系：

其中，δ

对于第三区域，第五轴与第六轴的转角关系具体为：(请给出关系式)

其中，δ

对于第四区域，第七轴与第八轴的转角关系具体为：(请给出关系式)

其中，δ

在本实施例的控制方法下，四个区域保留其各自独立性，可以根据需求选取四个循迹控制点，对其横向偏差进行控制，通过偏差大小通过PID控制等方法获得各区域内某一轴转角，其余角度由上述公式确定，即控制器输出四个转向角度便可完成车辆的全轴控制，而且精度提高的同时，车辆姿态也可以得到保证。

本实施例融合偏差反馈控制与多轴协调控制技术，将多个轴的转向角耦合到一起，既能降低车辆循迹行驶的偏差，又可以使车轮处于较好的曲线运行状态，避免车轮拖行问题，降低车轮磨耗，从而提高车辆的动力学性能。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制系统，包括：

区域划分与耦合模块，用于将多轴轨道车辆划分为多个转向几何区域，对设定的转向几何区域通过速度瞬心共线的方法弱耦合到一起；根据几何关系确定每一个转向几何区域内各轴转角关系；

全轴转向控制模块，用于在每一个转向区域选取至少一个循迹控制点，通过循迹控制点偏差确定每一个转向几何区域内某一轴的转角，根据所述的转向几何区域内各轴转角关系得到该转向几何区域内其他轴的转角；基于得到的各轴转角控制多编组虚拟轨道车辆的全轴转向。

需要说明的是，上述各模块的具体实现方式已经在实施例一中进行了详细的说明，此处不再详述。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种多编组虚拟轨道车辆控制器，采用实施例一中所述的多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制方法，控制多编组虚拟轨道车辆的全轴转向。

实施例四

在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的多编组虚拟轨道车辆的全轴转向控制方法。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。