CN107336759A - 一种半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，属于智能车辆路线跟踪控制技术领域，该方法包括：实时获取待跟踪路线信息及汽车列车各车厢位置和各车厢方位角信息，计算各车厢车轴的车轮的转向控制律，并通过转向器实现各车厢车轴的车轮转向控制，实现具有多个半挂车厢的汽车列车的路线跟踪控制。本方法可实现通过多个铰接结构连接的半挂式汽车列车的路线跟踪，提高车辆运动灵活性，并增加汽车列车的单程客流/货流运输量，且本方法对车厢数量没有限制，因此可根据客流量/货流量合理配置汽车列车车厢数量，有益于提高车辆的运输效率。相比全挂式汽车列车，半挂式汽车列车结构简单，制造成本低。

Description

一种半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，属于城市公共交通技术领域，特别涉及适用城市公共交通车辆、工厂货物运输车辆等，具有一个牵引车厢和多个半挂式车厢的轮式走行运载装置的路线跟踪控制。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，城市居住人口迅速增加，交通拥堵已成为人们工作和生活中的重大问题。为解决城市居民出行问题，公共汽车、地铁、轻轨等交通方式已经应用于公共交通系统中。相比传统公共汽车，地铁和轻轨单程运输量大，编组灵活，并增加了城市空间利用率，但建设成本较高。为提高传统汽车单程客流运输量，部分城市通过加长车身长度或采用双层、单铰接公交客车，虽然在一定程度上增加了车辆的客流运输量，但依然未能有效解决城市交通问题。另外，随着车辆长度增加，车辆运动灵活度下降，导致车辆驾驶操作困难，无法在有限的城市空间灵活运行。相比全挂式汽车列车，半挂式汽车列车结构简单，制造成本低。本申请人于2017年06月15日提出了一种适用于全挂式汽车列车路线跟踪控制的专利申请，申请号为201710453856.8，名称为“一种全挂式列车的路线跟踪控制方法”，该专利申请公开了对全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法。由于半挂式汽车列车与全挂式汽车列车的结构区别较大，半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法与全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法不同。

发明内容

本发明的目的是提出一种半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，提高半挂式汽车列车的灵活度和可操纵性能，使车辆沿待跟踪路线行驶，以实现自动驾驶功能；并提高车辆单程乘客/或货物运载能力和运输效率。

本发明提出的半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，该半挂式汽车列车包括一个牵引车厢和多个半挂车厢，该方法包括以下步骤：

(1)设定一个待跟踪路线的全局坐标系，对待跟踪路线进行判断，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，则分别使半挂式汽车列车的牵引车厢和半挂车厢的控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为非单调递增，则将待跟踪路线划分为多个局部路线，并建立与各局部路线相对应的局部坐标系，使各局部待跟踪路线在相应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，分别使半挂式汽车列车的牵引车厢和半挂车厢的控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

(2)半挂式汽车列车的牵引车厢控制器，实时获取当前待跟踪路线信息及自身车厢位置和方位角信息，根据下面公式计算得到牵引车厢的前轴等效转角牵引车厢的转向执行器根据前轴等效转角控制牵引车厢的前轴车轮转向：

其中，L₁是牵引车厢的前轴和后轴之间的距离，记o₁点为牵引车厢的后轴左轮、右轮轮心连线的中点，P₁点是穿过o₁点并与当前坐标系的Y轴相平行的直线与待跟踪路线的交点，y₁是牵引车厢的o₁点在当前坐标系中Y轴的坐标值，θ₁是牵引车厢的方位角，即牵引车厢行驶方向与牵引车厢所在当前坐标系的X轴之间的夹角，记y_1p为P₁点在当前坐标系中Y轴的坐标值，θ_1p是当前待跟踪路线在P₁点处的切线沿顺时针方向与当前坐标系的X轴之间的夹角，ρ_1p是当前待跟踪路线在P₁点处的曲率，并设定在当前坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则ρ_1p为负，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则ρ_1p为正，若当前待跟踪路线的曲线为直线，则ρ_1p为0，k₁是牵引车厢的位置偏差增益，k₁的取值范围为0.01～10，β₁是牵引车厢的方位角偏差增益，β₁的取值范围为0.01～10；

定义半挂式汽车列车中牵引车厢的后轴为第1轴，记第一轴的等效转角为半挂式汽车列车中牵引车厢的第1轴为非转向轴，即

(3)半挂式汽车列车中各半挂车厢的控制器，分别实时获取各半挂车厢当前待跟踪路线信息、各半挂车厢运动状态信息和前方相邻的车厢的运动状态信息，根据下面公式计算得到各半挂车厢的车轴等效转速ω_i，各半挂车厢的转向执行器根据各车轴的等效转速ω_i，控制各半挂车厢车轴的车轮转向：

其中，n是汽车列车的车厢总数量，包括1个牵引车厢和n-1个半挂车厢，i是半挂车厢的编号，取值为2～n，ω_i是第i车厢的车轴的等效转速，即ω_i是汽车列车第i车轴的等效转速，记o_i点为第i车轴的左轮和右轮的轮心连线的中点，L_i是第i车厢的左轮和右轮的轮心连线的中点o_i与相邻前方车厢的连接点之间的距离，P_i点是穿过o_i点并平行当前坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，v_i是第i车厢的o_i点的运动速度，y_i是第i车厢的o_i点在当前坐标系中的Y轴坐标值，θ_i是第i车厢的方位角，即第i车厢行驶方向沿顺时针方向与第i车厢所在的当前坐标系X轴的夹角，y_ip是P_i点在当前坐标系中的Y轴坐标值，θ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的切线沿顺时针方向与当前坐标系的X轴的夹角，ρ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的曲率，设定在当前坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则ρ_ip为负，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则ρ_ip为正，若当前待跟踪路线的曲线为直线，则ρ_ip为0，是第i车厢的车轴等效转角，即是汽车列车第i车轴的等效转角，是汽车列车第i-1车轴的等效转角，θ_i-1是汽车列车的第i-1车厢的行驶方向沿顺时针方向与第i车厢所在的当前坐标系X轴的夹角，k_i是第i车厢的位置偏差增益，k_i的取值范围为0.01～10，β_i是第i车厢的方位角偏差增益，β_i的取值范围为0.01～10。

本发明提出的半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，能够适用于目前的单铰接公交客车，使现有单铰接公交客车运动更加灵活，并可以控制车辆沿待跟踪路线行驶，以实现自动驾驶功能。本发明方法具有以下优点：

1、本发明方法可以控制半挂式汽车列车自动跟踪路线行驶，降低了车辆操作难度，提高了车辆的可控制性。

2、使用本发明方法控制半挂式汽车列车行驶，对半挂式车厢的数量无限制，因此可以有效地提高半挂式汽车列车的单程客流/货流的运输量。

3、使用本发明方法控制半挂式汽车列车行驶，对各车厢的外形尺寸无限制，可根据实际需求合理配置汽车列车的车厢，因此有益于提高车辆的单程运输效率。

4、本方法适用于半挂式汽车列车，而半挂式汽车列车结构简单，制造成本比全挂式汽车列车低，因此本发明方法具有很好的社会效益。

附图说明

图1是本发明的半挂式汽车列车路线跟踪控制方法实施流程示意图。

图2是半挂式汽车列车的牵引车厢结构的示意图。

图3是半挂式汽车列车的半挂车厢结构的示意图。

图4本实施例中任意路线的局部坐标系的设置方法示例图。

图5是具半挂式汽车列车的牵引车厢的路线跟踪控制示意图。

图6是具半挂式汽车列车的半挂车厢的路线跟踪控制示意图。

图7是本实施例具有4车厢的半挂式汽车列车结构示意图。

图8是本实施例具有4车厢的半挂式汽车列车路线跟踪仿真效果。

具体实施方式

本发明提出的半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，其流程框图如1所示，该半挂式汽车列车包括一个牵引车厢和多个半挂车厢，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)设定一个待跟踪路线的全局坐标系，对待跟踪路线进行判断，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，则分别使半挂式汽车列车的牵引车厢和半挂车厢的控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为非单调递增，则将待跟踪路线划分为多个局部路线，并建立与各局部路线相对应的局部坐标系，使各局部待跟踪路线在相应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，分别使半挂式汽车列车的牵引车厢和半挂车厢的控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

(2)半挂式汽车列车的牵引车厢控制器，实时获取当前待跟踪路线信息及自身车厢位置和方位角信息，根据下面公式计算得到牵引车厢的前轴等效转角牵引车厢的转向执行器根据前轴等效转角控制牵引车厢的前轴车轮转向：

其中，L₁是牵引车厢的前轴和后轴之间的距离，记o₁点为牵引车厢的后轴左轮、右轮轮心连线的中点，P₁点是穿过o₁点并与当前坐标系的Y轴相平行的直线与待跟踪路线的交点，y₁是牵引车厢的o₁点在当前坐标系中Y轴的坐标值，θ₁是牵引车厢的方位角，即牵引车厢行驶方向与牵引车厢所在当前坐标系的X轴之间的夹角，记y_1p为P₁点在当前坐标系中Y轴的坐标值，θ_1p是当前待跟踪路线在P₁点处的切线沿顺时针方向与当前坐标系的X轴之间的夹角，ρ_1p是当前待跟踪路线在P₁点处的曲率，并设定在当前坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则ρ_1p为负，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则ρ_1p为正，若当前待跟踪路线的曲线为直线，则ρ_1p为0，k₁是牵引车厢的位置偏差增益，k₁的取值范围为0.01～10，β₁是牵引车厢的方位角偏差增益，β₁的取值范围为0.01～10；

定义半挂式汽车列车中牵引车厢的后轴为第1轴，记第一轴的等效转角为半挂式汽车列车中牵引车厢的第1轴为非转向轴，即

(3)半挂式汽车列车中各半挂车厢的控制器，分别实时获取各半挂车厢当前待跟踪路线信息、各半挂车厢运动状态信息和前方相邻的车厢的运动状态信息，根据下面公式计算得到各半挂车厢的车轴等效转速ω_i，各半挂车厢的转向执行器根据各车轴的等效转速ω_i，控制各半挂车厢车轴的车轮转向：

其中，n是汽车列车的车厢总数量，包括1个牵引车厢和n-1个半挂车厢，i是半挂车厢的编号，取值为2～n，ω_i是第i车厢的车轴的等效转速，即ω_i是汽车列车第i车轴的等效转速，记o_i点为第i车轴的左轮和右轮的轮心连线的中点，L_i是第i车厢的左轮和右轮的轮心连线的中点o_i与相邻前方车厢的连接点之间的距离，P_i点是穿过o_i点并平行当前坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，v_i是第i车厢的o_i点的运动速度，y_i是第i车厢的o_i点在当前坐标系中的Y轴坐标值，θ_i是第i车厢的方位角，即第i车厢行驶方向沿顺时针方向与第i车厢所在的当前坐标系X轴的夹角，y_ip是P_i点在当前坐标系中的Y轴坐标值，θ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的切线沿顺时针方向与当前坐标系的X轴的夹角，ρ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的曲率，设定在当前坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则ρ_ip为负，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则ρ_ip为正，若当前待跟踪路线的曲线为直线，则ρ_ip为0，是第i车厢的车轴等效转角，即是汽车列车第i车轴的等效转角，是汽车列车第i-1车轴的等效转角，θ_i-1是汽车列车的第i-1车厢的行驶方向沿顺时针方向与第i车厢所在的当前坐标系X轴的夹角，k_i是第i车厢的位置偏差增益，k_i的取值范围为0.01～10，β_i是第i车厢的方位角偏差增益，β_i的取值范围为0.01～10。

以下结合附图，详细介绍本发明控制方法的工作原理：

图2所示为本发明实施例的半挂式汽车列车的牵引车厢的结构，半挂式汽车列车的牵引车厢通过铰接机构与后方的半挂式车厢连接，该具有一个牵引车厢和多个半挂式的汽车列车可用于城市及工厂的客流、货流运输。如图2所示，半挂式汽车列车的牵引车厢21包括：牵引车厢前轴211、前轴左轮212、前轴右轮213、牵引车厢的转向执行器214、牵引车厢的控制器215、牵引车厢的后轴216、后轴右轮218、后轴左轮217、连接后方车厢的铰接点219。在路线跟踪控制过程中，牵引车厢的控制器215实施获取待跟踪路线信息和牵引车厢21的位置和方位角信息，计算牵引车厢21的前轴211的等效转角，牵引车厢21的转向执行器214控制前轴211的左轮212和右轮213转向，牵引车厢的后轴216为非转向轴，后轴216的左轮217和右轮218不转向。

图3所示为本发明实施例的半挂式汽车列车的半挂车厢的结构，半挂式汽车列车的半挂车厢通过铰接机构分别与前方和后方相邻的其他车厢连接。如图3所示，半挂式汽车列车的半挂车厢31包括：车厢车轴311、车轴左轮312、车轴右轮313、半挂车厢的转向执行器314、半挂车厢的控制器315、连接前方车厢的铰接点316、连接后方车厢的交接点317。在路线跟踪控制过程中，半挂车厢的控制器515实施获取待跟踪路线信息、半挂车厢31的位置和方位角信息、半挂车厢31的车轴311的等效转角、前方相邻的一个车厢的方位角信息、前方相邻的一个车轴的等效转角信息，计算半挂车厢31的车轴311的等效转速，半挂车厢31的转向执行器314根据车轴311的等效转速控制车轴311的左轮312和右轮313转向。

以下结合附图，详细介绍本发明的内容：

(1)设定一个待跟踪路线的全局坐标系，对待跟踪路线进行判断，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，则分别使半挂式汽车列车的牵引车厢和半挂车厢的控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为非单调递增，则将待跟踪路线划分为多个局部路线，并建立与各局部路线相对应的局部坐标系，使各局部待跟踪路线在相应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，分别使半挂式汽车列车的牵引车厢和半挂车厢的控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

如图4所示，在全局坐标系41中，有3条路线：路线42、路线43、路线44，其中路线42的起点为O₄₂₀，终点为O₄₂₁；路线43的起点为O₄₃₀，终点为O₄₃₁；路线44的起点为O₄₄₁，终点为O_44x。由图4可知，在全局坐标系41中：路线42在全局坐标系41中的X轴坐标值沿路线单调递增；路线43与待跟踪路线44在全局坐标系中的X轴坐标值非单调递增。

若待跟踪待跟踪路线如图4中路线42所示，在全局坐标系中路线42的X轴坐标值单调递增，则分别使半挂式汽车列车的牵引车厢和各半挂车厢的控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪待跟踪路线如路线43所示，在全局坐标系中路线43的X轴坐标值非单调递增，但Y轴坐标值单调递增，则将全局坐标系41逆时针旋转90度，并将选择路线43的起点O₄₃₀为局部坐标系原点建立路线43的局部坐标系430，使路线43在局部坐标系430中的X轴坐标值单调递增，若待跟踪待跟踪路线如路线44所示，在全局坐标系中路线44的X轴坐标值和Y轴坐标值都非单调递增，则在路线44上选取合适的点O₄₄₁、O₄₄₂、O₄₄₃、O₄₄₄、O₄₄₅、O₄₄₆，此时路线44可以看作由局部路线O₄₄₁O₄₄₂、局部路线O₄₄₂O₄₄₃、局部路线O₄₄₃O₄₄₄、局部路线O₄₄₄O₄₄₅、局部路线O₄₄₅O₄₄₆、局部路线O₄₄₆O_44x依次连接组成，分别在各点O₄₄₁、O₄₄₂、O₄₄₃、O₄₄₄、O₄₄₅、O₄₄₆建立局部坐标系，即在O₄₄₁点建立局部坐标系441，在O₄₄₂点建立局部坐标系442，在O₄₄₃点建立局部坐标系443、在O₄₄₄点建立局部坐标系444、在O₄₄₅点建立局部坐标系445、在O₄₄₆点建立局部坐标系446，使局部路线的X轴坐标值在局部坐标系中单调递增，即局部路线O₄₄₁O₄₄₂的X轴坐标值在局部坐标系441中单调递增、局部路线O₄₄₂O₄₄₃的X轴坐标值在局部坐标系442中单调递增、局部路线O₄₄₃O₄₄₄的X轴坐标值在局部坐标系443中单调递增、局部路线O₄₄₄O₄₄₅的X轴坐标值在对应的局部坐标系444中单调递增、局部路线O₄₄₅O₄₄₆的X轴坐标值在局部坐标系445中单调递增、局部路线O₄₄₆O_44x的X轴坐标值在局部坐标系446中单调递增。半挂式汽车列车的各车厢的控制器，将控制各车厢依次在局部坐标系441中跟踪局部待跟踪路线O₄₄₁O₄₄₂，在局部坐标系442中跟踪局部待跟踪路线O₄₄₂O₄₄₃，在局部坐标系443中跟踪局部待跟踪路线O₄₄₃O₄₄₄，在局部坐标系444中跟踪局部待跟踪路线O₄₄₄O₄₄₅，在局部坐标系445中跟踪局部待跟踪路线O₄₄₅O₄₄₆、在局部坐标系446中跟踪局部路标路线O₄₄₆O_44x。

(2)半挂式汽车列车的牵引车厢控制器，实时获取当前待跟踪路线信息及自身车厢位置和方位角信息，根据下面公式计算得到牵引车厢前轴的等效转角牵引车厢的转向执行器根据前轴的等效转角控制牵引车厢前轴的车轮转向：

其中，L₁是牵引车厢的前轴和后轴之间的距离，记o₁点为牵引车厢的后轴左轮、右轮轮心连线的中点，P₁点是穿过o₁点并与当前坐标系的Y轴相平行的直线与待跟踪路线的交点，y₁是牵引车厢的o₁点在当前坐标系中Y轴的坐标值，θ₁是牵引车厢的方位角，即牵引车厢行驶方向沿顺时针方向与牵引车厢所在当前坐标系的X轴之间的夹角，y_1p为P₁点在当前坐标系中Y轴的坐标值，θ_1p是当前待跟踪路线在P₁点处的切线沿顺时针方向与当前坐标系的X轴之间的夹角，ρ_1p是当前待跟踪路线在P₁点处的曲率，并设定在当前坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则ρ_1p为负，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则ρ_1p为正，若当前待跟踪路线的曲线为直线，则ρ_1p为0，k₁是牵引车厢的位置偏差增益，k₁的取值范围为0.01～10，β₁是牵引车厢的方位角偏差增益，β₁的取值范围为0.01～10；

定义半挂式汽车列车中牵引车厢的后轴为第1轴，记第1轴的等效转角为半挂式汽车列车中牵引车厢的第1轴为非转向轴，即

本步骤(2)中，半挂式汽车列车的牵引车厢，实时获取牵引车的当前待跟踪路线信息及牵引车厢的位置和方位角信息，并采用上述公式计算牵引车厢的前轴等效转角，后轴不转向，即后轴转角为本步骤(2)结合图5进行说明。

图5包括：半挂式汽车列车的牵引车厢51，牵引车厢51的前轴511，前轴511的左轮512、前轴511的右轮513、牵引车厢51的转向执行器514，牵引车厢51的控制器515，牵引车厢51的后轴516，后轴516的右轮517、后轴516的左轮518、牵引车厢51的当前待跟踪路线52、牵引车厢51的当前局部坐标系53。图5中：O₁点是牵引车厢51的后轴516的右轮517和左轮518的轮心连线的中点，P₁点是过O₁点且平行当前局部坐标系53Y轴的直线与当前待跟踪路线52的交点；x₁和y₁分别是O₁点在当前局部坐标系53中的X轴坐标值和Y轴坐标值；θ₁是半挂式汽车列车的牵引车厢51的方位角，即牵引车厢51的行驶方向沿顺时针方向与当前局部坐标系53的X轴的夹角；y_1p是P₁点在当前局部坐标系53中的Y轴坐标值；θ_1p是P₁点处牵引车厢51的当前待跟踪路线52的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系53的X轴的夹角；ρ_1p是P₁点处牵引车厢51的当前待跟踪路线52的曲率；L₁是牵引车厢51的前轴511和后轴516之间的距离。

在路径跟踪控制过程中，半挂式汽车列车的牵引车厢51的控制器515，实时获取牵引车的位置信息x₁和y₁、当前待跟踪路线上P₁的Y轴坐标y_1p、P₁点处牵引车厢51的当前待跟踪路线52的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系53的X轴的夹角θ_1p、P₁点处牵引车厢51的当前待跟踪路线52的曲率ρ_1p，根据本步骤中的公式计算牵引车厢51的前轴511的等效转角，牵引车厢51的转向执行器514根据计算出的前轴511的等效转角控制前轴511的左轮512和右轮513转向。

(3)半挂式汽车列车中各半挂车厢的控制器，分别实时获取各半挂车厢当前待跟踪路线信息、各半挂车厢运动状态信息和前方相邻的车厢的运动状态信息，根据下面公式计算得到各半挂车厢车轴的等效转速ω_i，各半挂车厢的转向执行器根据各车轴的等效转速ω_i，控制各半挂车厢车轴的车轮转向：

其中，n是汽车列车的车厢总数量，包括1个牵引车厢和n-1个半挂车厢，i是半挂车厢的编号，取值为2～n，ω_i是第i车厢的车轴的等效转速，即ω_i是汽车列车第i车轴的等效转速，记o_i点为第i车轴的左轮和右轮的轮心连线的中点，L_i是第i车厢的左轮和右轮的轮心连线的中点o_i与相邻前方车厢的连接点之间的距离，P_i点是穿过o_i点并平行当前坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，v_i是第i车厢的o_i点的运动速度，y_i是第i车厢的o_i点在当前坐标系的Y轴坐标值，θ_i是第i车厢的方位角，即第i车厢行驶方向与第i车厢所在的当前坐标系X轴的夹角，y_ip是P_i点在当前坐标系中的Y轴坐标值，θ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的切线沿顺时针方向与当前坐标系的X轴的夹角，ρ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的曲率，设定在当前坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则ρ_ip为负，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则ρ_ip为正，若当前待跟踪路线的曲线为直线，则ρ_ip为0；是第i车厢的车轴等效转角，即是汽车列车第i车轴的等效转角，是汽车列车第i-1车轴的等效转角，θ_i-1是汽车列车的第i-1车厢的行驶方向与第i车厢所在的当前坐标系X轴的夹角，k_i是第i车厢的位置偏差增益，k_i的取值范围为0.01～10，β_i是第i车厢的方位角偏差增益，β_i的取值范围为0.01～10。

本步骤(3)中，半挂式汽车列车的各半挂车厢的控制器，实时获取各半挂车厢的当前待跟踪路线信息、各半挂车厢的位置和方位角信息、前方相邻的1个车厢的方位角信息、前方相邻的1个车轴的等效转角信息，并采用上述公式计算各半挂车厢车轴的等效转角，下面结合图6对步骤(3)进行说明。

图6包括：半挂式汽车列车的第i车厢6i，车厢6i的车轴6i1，车轴6i1的左轮6i2，车轴6i1的右轮6i3，第i车厢6i的转向执行器6i4，第i车厢6i的控制器6i5，第i车厢6i的当前待跟踪路线6i6，第i车厢6i的当前局部坐标系6i8，第i车厢6i的前方相邻的车厢6i-1，车轴6i1前方相邻的车轴6i-11，车轴6i-11的左轮6i-12，车轴6i-11的右轮6i-13。图6中：O_i点是车厢6i的车轴6i1的左轮6i2和右轮6i3的轮心连线的中点，P_i点6i7是过O_i点且平行当前局部坐标系6i8Y轴的直线与当前待跟踪路线6i6的交点，O_i-1点是车轴6i-11的左轮6i-12和右轮6i-13中心连线的中点，x_i和y_i分别是O_i点在当前局部坐标系6i8中的X轴坐标值和Y轴坐标值，θ_i是半挂式汽车列车的第i车厢6i的方位角，即第i车厢6i的行驶方向沿顺时针方向与当前局部坐标系6i8的X轴的夹角，y_ip是P_i点6i7在当前局部坐标系6i8中的Y轴坐标值；θ_ip是P_i点6i7处当前待跟踪路线6i6的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系6i8的X轴的夹角；ρ_ip是P_i点6i7处当前待跟踪路线6i6的曲率，L_i是第i车厢6i的车轴6i1到与前方车厢6i-1连接点的距离，即O_i点和O_i-1点之间的距离，v_i是第i车厢6i的O_i点的运动速度，是第i车厢6i的车轴6i1的等效转角，ω_i是车轴6i1的等效转速，是车轴6i-11的等效转角。

在路线跟踪控制过程中，半挂式汽车列车的第i车厢6i的控制器6i5，实时获取第i车厢6i的位置信息x_i和y_i、第i车厢6i的方位角θ_i、P_i点6i7的Y轴坐标值y_ip、P_i点6i7处当前待跟踪路线6i6的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系53的X轴的夹角θ_1p、P_i点6i7处当前待跟踪路线6i6的曲率ρ_ip、车厢6i-1的方位角θ_i-1、车轴6i-11的等效转角根据步骤(3)中的公式计算第i车厢6i的车轴6i1的等效转速，第i车厢6i的转向执行器6i4根据计算出的车轴6i1的等效转速，控制车轴6i1的左轮6i2和右轮6i3转向。

4)若汽车列车到达全局路线终点，控制结束。

本发明的一个实施例中，以具有1个牵引车厢和3个半挂车厢的半挂式汽车列车为例，来说明半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法的控制效果，但本发明提出的控制方法不限于具有3节半挂车厢的半挂式汽车列车，还可应用于具有2节、4节及4节以上半挂车厢的半挂式汽车列车。具有1个牵引车厢和3个半挂车厢的半挂式汽车列车结构如图7所示。

图7所示的半挂式汽车列车70包括牵引车厢71、第2车厢72、第3车厢73、第4车厢74，各车厢之间通过铰接机构连接；牵引车厢71包括前轴711，前轴711的左轮712、前轴711的右轮713、牵引车厢的转向执行器714、牵引车厢的控制器715、牵引车厢71的后轴716、后轴716的左轮718、后轴716的右轮717；第2车厢72包括车轴721，车轴721的左轮722、车轴721的右轮723、第2车厢72的转向执行器724、第2车厢72的控制725；第3车厢73包括车轴731、车轴731的左轮732、车轴731的右轮733、第3车厢73的转向执行器734、第3车厢73的控制器735；第4车厢74包括车轴741、车轴741的左轮742、车轴741的右轮743、第4车厢74的转向执行器744、第4车厢74的控制器745；O₁点为第1车厢71后轴左轮718和右轮717的轮心连线的中点；O₂点为第2车厢72的车轴721的左轮722和右轮723的轮心连线的中点；O₃点为第3车厢73的车轴731的左轮732和右轮733的轮心连线的中点；O₄点为第4车厢74的车轴741的左轮742和右轮743的轮心连线的中点。本实施例中，牵引车厢71即第1车厢的前轴711和后轴716的中点之间的距离为10米，即L₁＝10，O₁点和O₂点的距离为10米，即L₂＝10，O₂点和O₃点的距离为10米，即L₃＝10，O₃和O₄点的距离为10米，即L₄＝10，牵引车厢71的位置偏差增益k₁的取值是0.5，方位角偏差增益β₁的取值是0.3，第2车厢72的位置偏差增益k₂的取值是0.5，方位角偏差增益β₂的取值是0.3，第3车厢73的位置偏差增益k₃的取值是0.5，方位角偏差增益β₃的取值是0.3，第4车厢74的位置偏差增益k₄的取值是0.5，方位角偏差增益β₄的取值是0.3。

图8为图7所示具有4个车厢的半挂式汽车列车的路径跟踪控制效果。图8中：曲线80为半挂式汽车列车在当前局部坐标系85中的当前目标路径；a1点为图7所示半挂式汽车列车的第1车厢O₁点的起始位置，a2点为图7所示半挂式汽车列车的第2车厢O₂点的起始位置，a3点为图7所示半挂式汽车列车的第3车厢O₃点的起始位置，a4点为图7所示半挂式汽车列车的第4车厢O₄点的起始位置；曲线81为图7所示半挂式汽车列车的第1车厢O₁点的运动轨迹，曲线82为图7所示半挂式汽车列车的第2车厢O₂点的运动轨迹，曲线83为图7所示半挂式汽车列车的第3车厢O₃点的运动轨迹，曲线84为图7所示半挂式汽车列车的第4车厢O₄点的运动轨迹；b1点为图7所示半挂式汽车列车的第1车厢O₁点的终止位置，b2点为图7所示半挂式汽车列车的第2车厢O₂点的终止位置，b3点为图7所示半挂式汽车列车的第3车厢O₃点的终止位置，b4点为图7所示半挂式汽车列车的第4车厢O₄点的终止位置。

Claims (1)

1.一种半挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，该半挂式汽车列车包括一个牵引车厢和多个半挂车厢，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)设定一个待跟踪路线的全局坐标系，对待跟踪路线进行判断，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，则分别使半挂式汽车列车的牵引车厢和半挂车厢的控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为非单调递增，则将待跟踪路线划分为多个局部路线，并建立与各局部路线相对应的局部坐标系，使各局部待跟踪路线在相应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，分别使半挂式汽车列车的牵引车厢和半挂车厢的控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

(2)半挂式汽车列车的牵引车厢控制器，实时获取当前待跟踪路线信息及自身车厢位置和方位角信息，根据下面公式计算得到牵引车厢的前轴等效转角牵引车厢的转向执行器根据前轴等效转角控制牵引车厢的前轴车轮转向：

其中，L₁是牵引车厢的前轴和后轴之间的距离，记o₁点为牵引车厢的后轴左轮、右轮轮心连线的中点，P₁点是穿过o₁点并与当前坐标系的Y轴相平行的直线与待跟踪路线的交点，y₁是牵引车厢的o₁点在当前坐标系中Y轴的坐标值，θ₁是牵引车厢的方位角，即牵引车厢行驶方向与牵引车厢所在当前坐标系的X轴之间的夹角，记y_1p为P₁点在当前坐标系中Y轴的坐标值，θ_1p是当前待跟踪路线在P₁点处的切线沿顺时针方向与当前坐标系的X轴之间的夹角，ρ_1p是当前待跟踪路线在P₁点处的曲率，并设定在当前坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则ρ_1p为负，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则ρ_1p为正，若当前待跟踪路线的曲线为直线，则ρ_1p为0，k₁是牵引车厢的位置偏差增益，k₁的取值范围为0.01～10，β₁是牵引车厢的方位角偏差增益，β₁的取值范围为0.01～10；

定义半挂式汽车列车中牵引车厢的后轴为第1轴，记第一轴的等效转角为半挂式汽车列车中牵引车厢的第1轴为非转向轴，即

(3)半挂式汽车列车中各半挂车厢的控制器，分别实时获取各半挂车厢当前待跟踪路线信息、各半挂车厢运动状态信息和前方相邻的车厢的运动状态信息，根据下面公式计算得到各半挂车厢的车轴等效转速ω_i，各半挂车厢的转向执行器根据各车轴的等效转速ω_i，控制各半挂车厢车轴的车轮转向：

其中，n是汽车列车的车厢总数量，包括1个牵引车厢和n-1个半挂车厢，i是半挂车厢的编号，取值为2～n，ω_i是第i车厢的车轴的等效转速，即ω_i是汽车列车第i车轴的等效转速，记o_i点为第i车轴的左轮和右轮的轮心连线的中点，L_i是第i车厢的左轮和右轮的轮心连线的中点o_i与相邻前方车厢的连接点之间的距离，P_i点是穿过o_i点并平行当前坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，v_i是第i车厢的o_i点的运动速度，y_i是第i车厢的o_i点在当前坐标系中的Y轴坐标值，θ_i是第i车厢的方位角，即第i车厢行驶方向沿顺时针方向与第i车厢所在的当前坐标系X轴的夹角，y_ip是P_i点在当前坐标系中的Y轴坐标值，θ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的切线沿顺时针方向与当前坐标系的X轴的夹角，ρ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的曲率，设定在当前坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则ρ_ip为负，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则ρ_ip为正，若当前待跟踪路线的曲线为直线，则ρ_ip为0，是第i车厢的车轴等效转角，即是汽车列车第i车轴的等效转角，是汽车列车第i-1车轴的等效转角，θ_i-1是汽车列车的第i-1车厢的行驶方向沿顺时针方向与第i车厢所在的当前坐标系X轴的夹角，k_i是第i车厢的位置偏差增益，k_i的取值范围为0.01～10，β_i是第i车厢的方位角偏差增益，β_i的取值范围为0.01～10。