CN108058726B - 一种全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全轴转向的全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。该方法包括：实时获取目标路线信息及列车各子车厢位置和各子车厢方位角信息，计算各子车厢前轴车轮转向速度和后轴车轮转向速度，并通过各子车厢的前轴转向执行机构控制车辆前轴车轮转向，通过后轴转向执行器控制后轴车轮转向，实现列车的路线跟踪控制。本方法可控制车辆各车厢前轴中点和后轴中点沿目标路线运动，实现具有多节车厢的全轴转向的全挂式汽车列车的精确路线跟踪，提高车辆运动安全性，本方法对车厢数量没有限制，可有效提高车辆的单程运载量，对车辆外形尺寸无特殊要求，可根据实际需求合理配置列车的各子车厢，有益于提高车辆的运输效率。

Description

一种全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种全轴转向的全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。

背景技术

随着人类社会的进步与发展，人们因工作与生活短距离出行次数也在不断上升，解决交通拥堵、提高运输效率是公共交通系统面临的重大问题。

在现代城市中主要的公共交通系统有地铁、轻轨、公共汽车等。地铁和轻轨分别建设在地下和高架桥上，有效地利用了城市地下和上部空间，且单程运输量大，编组灵活，但建设成本较高。公共汽车基础设施建设车本低，但单程运输量小，不能有效解决公共交通大客流量快速输送问题。为提高传统公共汽车单程乘客运送量，部分城市采用双层、单铰接公共汽车提高客流运输效率，但依然未能满足城市居民出行需求。增加单车厢长度或增加车厢数量，可提高车辆单程运输量，但随着车辆长度增加，车辆灵活度下降，车辆操作难度增加。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前轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法。该方法通过控制各子车厢前轴的车轮的转向，使车辆的后轴中点沿目标路线运动，实现全挂式汽车列车的后轴中点沿目标路线运动，可用于不要求汽车列车车辆各子车厢前轴沿目标路线的运动的工况场地。但是当工作空间狭小且要求汽车列车各子车厢的前轴中点和后轴中点都沿目标路线运动时，需要对各子车厢的前轴车轮和后轴车轮进行转向控制，使汽车列车的各子车厢的前轴中点和后轴中点均沿目标路线运动，避免车辆与周围物体发生碰撞。但是目前还没有适用于全轴转向的全挂式汽车列车路线跟踪控制方法，无法实现汽车列车的各子车厢的前轴中点和后轴中点均沿着目标路线运动。

发明内容

本发明的目的是为填补已有技术的空白之处，提出一种全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法。本发明提出一种适用于全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，使汽车列车的各子车厢的前轴中点和后轴中点均沿目标路线运动，避免与周围物体发生碰撞，提高汽车列车在狭小空间运动的行驶安全性。本发明可以提高车辆单程运输量，并控制车辆所有车轴的中点均沿目标路线智能行驶，提高车辆运动过程中的安全性，降低车辆操作难度，并可根据客流量/货流量合理配置列车车厢数量，有益于提高车辆的运输效率。

本发明提出的一种全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，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，则使全挂式汽车列车的各子车厢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，使各局部的待跟踪路线在对应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，全挂式汽车列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

(2)全轴转向的全挂式汽车列车的各子车厢控制器分别实时获取待跟踪路线信息以及子车厢位置和方位角信息，根据下式，分别计算得到各子车厢前轴车轮的转向速度和后轴车轮的转向速度

其中，n为全轴转向的全挂式汽车列车的子车厢的数量，i为子车厢的编号，为第i节子车厢前轴的车轮转向角度，为第i节子车厢后轴的车轮转向角度，为第i节子车厢前轴的车轮转向速度，为第i节子车厢后轴的车轮转向速度，θ_i是第i节子车厢的方位角，即第i节子车厢行驶方向沿顺时针方向到第i子车厢所在的当前局部坐标系的X轴的夹角，是第i节子车厢的方位角速度，是第i节子车厢前轴中点的行驶速度，是第i节子车厢后轴中点的行驶速度；记点为第i节子车厢前轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i ^F点为穿过点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，为第i子车厢前轴中点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是P_i ^F点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是当前待跟踪路线在P_i ^F点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，是当前待跟踪路线在P_i ^F点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为0，为第i节子车厢前轴的位置偏差增益系数，的取值范围为0.001～20，β_i ^F为第i子车厢前轴的方位角偏差增益系数，β_i ^F的取值范围为0.001～20；记点为第i子车厢后轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i ^R点为穿过点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，为第i子车厢后轴中点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是P_i ^R点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是当前待跟踪路线在P_i ^R点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，是当前待跟踪路线在P_i ^R点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为0，为第i子车厢后轴的位置偏差增益系数，的取值范围为0.001～20，β_i ^R为第i子车厢后轴的方位角偏差增益系数，β_i ^R的取值范围为0.001～20；

(3)将步骤(2)计算得到的各子车厢的前轴车轮的转向速度和后轴车轮的转向速度实时发送给对应子车厢中的前轴转向执行机构和后轴转向执行机构，实现全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制。

本发明提出的一种全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，其优点是：

1、本发明方法可以控制全轴转向的全挂式汽车列车的所有车轴的中点沿着目标路线行驶，实现全部车厢沿着目标路线行驶，避免车辆与周围物体发生碰撞，提高车辆行驶安全性，降低了车辆操作难度，提高了车辆的可控制性和灵活度。

2、使用本发明方法控制全轴转向的全挂式汽车列车行驶，对子车厢数量无限制，因此可以有效地提高全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全轴转向的全挂式汽车列车行驶，对子车厢的外形尺寸无限制，可根据实际需求合理配置全挂式汽车列车的子车厢，提高车辆的单程运输效率。

附图说明

图1是本发明的一种全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法的整体流程框图。

图2是本发明方法涉及的全轴转向的全挂式汽车列车的子车厢的结构示意图。

图3是本发明方法中任意路线局部坐标系设置方法示例图。

图4是本发明的全挂式汽车列车各子车厢的前轴和后轴的路线跟踪控制示意图。

图5是本发明的一个实施例中具有4个子车厢的全轴转向的全挂式汽车列车结构示意图。

图6是图5所示的全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪效果图。

具体实施方式

本发明提出的一种全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出的一种全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，整体流程如图如1所示，可用于全挂式多铰接车辆的各子车厢前轴的车轮转角控制，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，则使全轴转向的全挂式汽车列车的各子车厢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，使各局部的待跟踪路线在对应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，全轴转向的全挂式汽车列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)。

(2)全轴转向的全挂式汽车列车的各子车厢控制器分别实时获取待跟踪路线信息以及子车厢位置和方位角信息，根据下式，分别计算得到各子车厢前轴车轮的转向速度和后轴车轮的转向速度

其中，n为全轴转向的全挂式汽车列车的子车厢的数量，i为子车厢的编号，为第i节子车厢前轴的车轮转向角度，为第i节子车厢后轴的车轮转向角度，为第i节子车厢前轴的车轮转向速度，为第i节子车厢后轴的车轮转向速度，θ_i是第i节子车厢的方位角，即第i节子车厢行驶方向沿顺时针方向到第i节子车厢所在的当前局部坐标系(若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，则当前局部坐标系等同全局坐标系)的X轴的夹角，是第i节子车厢的方位角速度，是第i节子车厢前轴中点的行驶速度，是第i节子车厢后轴中点的行驶速度。记点为第i节子车厢前轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i ^F点为穿过点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，为第i节子车厢前轴中点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是P_i ^F点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是当前待跟踪路线在P_i ^F点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，是当前待跟踪路线在P_i ^F点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为0，为第i节子车厢前轴的位置偏差增益系数，的取值范围为0.001～20，为第i子车厢前轴的方位角偏差增益系数，β_i ^F的取值范围为0.001～20。记点为第i节子车厢后轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i ^R点为穿过点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，为第i子车厢后轴中点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是P_i ^R点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是当前待跟踪路线在P_i ^R点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，是当前待跟踪路线在P_i ^R点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为0，为第i子车厢后轴的位置偏差增益系数，k_i ^R的取值范围为0.001～20，β_i ^R为第i子车厢后轴的方位角偏差增益系数，β_i ^R的取值范围为0.001～20。(注：若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，本步骤(2)中的当前局部坐标系等同全局坐标系。)

(3)将步骤(2)计算得到的各子车厢的前轴车轮的转向速度和后轴车轮的转向速度实时发送给对应子车厢中的前轴转向执行机构和后轴转向执行机构，实现全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制。

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全轴转向的全挂式汽车列车的子车厢结构，全轴转向的全挂式汽车列车的子车厢通过铰接机构分别与前方和后方的子车厢连接，该全轴转向的全挂式汽车列车可用于城市及工厂的客流、货流运输。如图2所示，全轴转向的全挂式汽车列车的子车厢结构包括：全轴转向的全挂式汽车列车的子车厢21、前轴左轮211、前轴右轮212、后轴左轮214、后轴右轮213、前轴转向执行机构215、后轴转向执行机构216、子车厢控制器217、车厢21与前方车厢铰接点218、车厢21与后方车厢铰接点219。在路线跟踪控制过程中，子车厢控制器217实施获取待跟踪路线信息和子车厢21位置及方位角信息，计算各子车厢前轴的车轮211和212的转向角速度，同时计算各子车厢后轴车轮213和214的转向角速度，并将前轴车轮211和212的转向角速度发送给前轴转向执行机构215，将后轴车轮213和214的转向角速度发送个后轴执行器216，前轴转向执行机构215控制前轴车轮211和车轮212转向，后轴转向控制器216控制后轴车轮213和214转向。

本发明的全轴转向的全挂式汽车列车路线跟踪控制方法的工作流程如图1所示，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，则使全挂式汽车列车的各子车厢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，使各局部的待跟踪路线在对应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，全挂式汽车列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

如图3所示，在全局坐标系31中，有三条路线：路线32、路线33、路线34，其中路线32的起点为O₃₂₀，终点为O₃₂₁；路线33的起点为O₃₃₀，终点为O₃₃₁；路线34的起点为O₃₄₁，终点为O_34x。由图3可知，在全局坐标系31中：路线32在全局坐标系31中的X轴坐标值沿路线单调递增；路线33与目标路线34在全局坐标系中的X轴坐标非单调递增。

若待跟踪目标路线如图3中路线32所示，在全局坐标系中路线32的X轴坐标值单调递增，则使全挂式汽车列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪目标路线如路线33所示，在全局坐标系中路线33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31逆时针旋转90度，并将选择路线33的起点O330为局部坐标系原点建立路线33的局部坐标系330，使路线33在局部坐标系330中的X轴坐标值单调递增，若待跟踪目标路线如路线34所示，在全局坐标系中路线34的X轴坐标值和Y轴坐标值都非单调递增，则在路线34上选取合适的点O₃₄₁、O₃₄₂、O₃₄₃、O₃₄₄、O₃₄₅、O₃₄₆，此时路线34可以看作由局部路线O₃₄₁O₃₄₂、局部路线O₃₄₂O₃₄₃、局部路线O₃₄₃O₃₄₄、局部路线O₃₄₄O₃₄₅、局部路线O₃₄₅O₃₄₆、局部路线O₃₄₆O_34x依次连接组成，分别在各点O₃₄₁、O₃₄₂、O₃₄₃、O₃₄₄、O₃₄₅、O₃₄₆建立局部坐标系，即在O₃₄₁点建立局部坐标系341，在O₃₄₂点建立局部坐标系342，在O₃₄₃点建立局部坐标系343、在O₃₄₄点建立局部坐标系344、在O₃₄₅点建立局部坐标系345、在O₃₄₆点建立局部坐标系346，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O₃₄₁O₃₄₂的X轴坐标值在局部坐标系341中单调递增、局部路线O₃₄₂O₃₄₃的X轴坐标值在局部坐标系342中单调递增、局部路线O₃₄₃O₃₄₄的X轴坐标值在局部坐标系343中单调递增、局部路线O₃₄₄O₃₄₅的X轴坐标值在对应的局部坐标系344中单调递增、局部路线O₃₄₅O₃₄₆的X轴坐标值在局部坐标系345中单调递增、局部路线O₃₄₆O_34x的X轴坐标值在局部坐标系346中单调递增。全挂式汽车列车的各子车厢的控制器，将控制各子车厢依次在局部坐标系341中跟踪局部目标路线O₃₄₁O₃₄₂，在局部坐标系342中跟踪局部目标路线O₃₄₂O₃₄₃，在局部坐标系343中跟踪局部目标路线O₃₄₃O₃₄₄，在局部坐标系344中跟踪局部目标路线O₃₄₄O₃₄₅，在局部坐标系345中跟踪局部目标路线O₃₄₅O₃₄₆、在局部坐标系346中跟踪局部路标路线O₃₄₆O_34x

(2)全轴转向的全挂式汽车列车的各子车厢控制器分别实时获取待跟踪路线信息以及子车厢位置和方位角信息，根据下式，分别计算得到各子车厢前轴车轮的转向速度和后轴车轮的转向速度

其中，n为全轴转向的全挂式汽车列车的子车厢的数量，i为子车厢的编号，为第i节子车厢前轴的车轮转向角度，为第i节子车厢后轴的车轮转向角度，为第i节子车厢前轴的车轮转向速度，为第i节子车厢后轴的车轮转向速度，θ_i是第i节子车厢的方位角，即第i节子车厢行驶方向沿顺时针方向到第i子车厢所在的当前局部坐标系(若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，当前局部坐标系等同全局坐标系)的X轴的夹角，是第i节子车厢的方位角速度，是第i节子车厢前轴中点的行驶速度，是第i节子车厢后轴中点的行驶速度。记点为第i子车厢前轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i ^F点为穿过点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，为第i子车厢前轴中点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是P_i ^F点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是当前待跟踪路线在P_i ^F点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，是当前待跟踪路线在P_i ^F点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为0，为第i子车厢前轴的位置偏差增益系数，的取值范围为0.001～20，β_i ^F为第i子车厢前轴的方位角偏差增益系数，β_i ^F的取值范围为0.001～20。记点为第i节子车厢后轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i ^R点为穿过点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，为第i子车厢后轴中点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是P_i ^R点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是当前待跟踪路线在P_i ^R点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，是当前待跟踪路线在P_i ^R点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为0，为第i子车厢后轴的位置偏差增益系数，的取值范围为0.001～20，β_i ^R为第i子车厢后轴的方位角偏差增益系数，β_i ^R的取值范围为0.001～20。(注：若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，本步骤(2)中的当前局部坐标系等同全局坐标系。)

全轴转向的全挂式汽车列车的各子车厢控制器分别实时获取待跟踪路线信息以及子车厢位置和方位角信息，根据下式，分别计算得到各子车厢前轴车轮的转向速度和后轴车轮的转向速度

本步骤(2)中，全轴转向的全挂式汽车列车的各子车厢控制器分别实时获取待跟踪路线信息以及子车厢位置和方位角信息，并采用上述公式计算各子厢前轴车轮的转向速度和后轴车轮的转向速度本步骤(2)结合图4进行说明。

图4包括：全轴转向的全挂式汽车列车的第i子车厢4i，前轴的左轮4i1、前轴的右轮4i2、后轴的右轮4i3、后轴的左轮4i4、转向执行机构4i5、子车厢4i的控制器4i6、当前局部坐标系4i9、当前待跟踪路线4i8。图4中：θ_i为全轴转向的全挂式汽车列车的第i子车厢4i的方位角，即子车厢4i行驶方向沿顺时针方向到当前局部坐标系4i9的夹角；点为第i子车厢4i的前轴的右轮4i1和左轮4i2的轮心连线的中点，P_i ^F点为过点且平行当前局部坐标系4i9的直线与当前待跟踪路线4i8的交点；和分别为点在当前局部坐标系4i9中的X轴坐标值和Y轴坐标值；为P_i ^F点在当前局部坐标系4i9中的Y轴坐标值；为P_i ^F点处当前待跟踪路线4i8的切线沿顺时针方向到当前局部坐标系X轴的夹角；为P_i ^F点处当前待跟踪路线4i8的曲率；点为第i子车厢4i的后轴的右轮4i3和左轮4i4的轮心连线的中点，P_i ^R点为过点且平行当前局部坐标系4i9的直线与当前待跟踪路线4i8的交点；和分别为点在当前局部坐标系4i9中的X轴坐标值和Y轴坐标值；为P_i ^R点在当前局部坐标系4i9中的Y轴坐标值；为P_i ^R点处当前待跟踪路线4i8的切线沿顺时针方向到当前局部坐标系X轴的夹角；为P_i ^R点处当前待跟踪路线4i8的曲率。

全轴转向的全挂式汽车列车的第i子车厢4i在当前局部坐标系4i9中跟踪当前待跟踪路线4i8时，实时获取在当前局部坐标系4i9中的子车厢4i的方位角θ_i、前轴中点的X轴坐标值和Y轴坐标值P_i ^F点的Y轴坐标值P_i ^F点处当前待跟踪路线4i8的切线沿顺时针方向到当前局部坐标系X轴的夹角P_i ^F点处当前待跟踪路线4i8的曲率后轴中点的X轴坐标值和Y轴坐标值P_i ^R点的Y轴坐标值P_i ^R点处当前待跟踪路线4i8的切线沿顺时针方向到当前局部坐标系X轴的夹角P_i ^R点处当前待跟踪路线4i8的曲率根据上述公式计算全轴转向的全挂式汽车列车的第i子车厢4i前轴的车轮的转向角速度和后轴的车轮的转向角速度。

(3)将步骤(2)计算得到的各子车厢的前轴车轮的转向速度和后轴车轮的转向速度实时发送给对应子车厢中的前轴转向执行机构和后轴转向执行机构，实现全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制。

本发明的一个实施例中以具有4节车厢的全轴转向的全挂式汽车列车为例，来说明全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4节车厢的全轴转向的全挂式汽车列车，还可应用于具有2节、3节及4节以上车厢的可全轴转向的全挂式汽车列车。具有4节车厢的全挂式汽车列车结构如图5所示。

图5中，全轴转向的全挂式汽车列车50的第1子车厢51、第2子车厢52、第3子车厢53、第4子车厢54，各子车厢之间通过铰接机构连接；第1子车厢51包括前轴左轮511、前轴右轮512、后轴右轮513、后轴左轮514、前轴转向执行机构515、后轴转向执行机构516、控制器517；第2子车厢52包括前轴左轮521、前轴右轮522、后轴右轮523、后轴左轮524、前轴转向执行机构525、后轴转向执行机构526、控制器5/7；第3子车厢53包括前轴左轮531、前轴右轮532、后轴右轮533、后轴左轮534、前轴转向执行机构535、后轴转向转向机构536、控制器537；第4子车厢54包括前轴左轮541、前轴右轮542、后轴右轮543、后轴左轮544、前轴转向执行机构545、后轴转向执行机构546、控制器547；点为第1子车厢51前轴左轮511和右轮512的轮心连线的中点，点为第1子车厢51后轴左轮514和右轮513的轮心连线的中点；点为第2子车厢52前轴左轮521和右轮522的轮心连线的中点，点为第2子车厢52后轴左轮524和右轮523的轮心连线的中点；点为第3子车厢53前轴左轮531和右轮532的轮心连线的中点，点为第3子车厢53后轴左轮534和右轮533的轮心连线的中点；点为第4子车厢54前轴左轮541和右轮542的轮心连线的中点，点为第4子车厢54后轴左轮544和右轮543的轮心连线的中点。

图6为图5所示具有4个子车厢的全轴转向的全挂式汽车列车的路径跟踪控制效果。图6中：曲线60为全挂式汽车列车在当前局部坐标系65中的当前待跟踪路径；点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第1子车厢前轴中点起始位置，点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第1子车厢后轴中点的起始位置；点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第2子车厢前轴中点的起始位置，点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第2子车厢后轴中点点的起始位置；点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第3子车厢前轴中点的起始位置，点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第3子车厢后轴中点点的起始位置；点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第4子车厢前轴中点的起始位置，点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第4子车厢后轴中点点的起始位置；点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第5子车厢前轴中点的起始位置，点为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第5子车厢后轴中点点的起始位置；曲线611为图5所示全轴转向的全挂式汽车列车的第1子车厢前轴中点的运动轨迹，曲线612为图5所示全挂式汽车列车的第1子车厢后轴中点的运动轨迹；曲线621为图5所示全挂式汽车列车的第2子车厢前轴中点点的运动轨迹，曲线622为图5所示全挂式汽车列车的第2子车厢后轴中点点的运动轨迹；曲线631为图5所示全挂式汽车列车的第3子车厢前轴中点的运动轨迹，曲线632为图5所示全挂式汽车列车的第3子车厢后轴中点的运动轨迹；曲线641为图5所示全挂式汽车列车的第4子车厢前轴中点的运动轨迹，曲线642为图5所示全挂式汽车列车的第4子车厢后轴中点的运动轨迹。点为图5所示全挂式汽车列车的第1子车厢前轴中点的终止位置，点为图5所示全挂式汽车列车的第1子车厢后轴中点点的终止位置；点为图5所示全挂式汽车列车的第2子车厢前轴中点的终止位置，点为图5所示全挂式汽车列车的第2子车厢后轴中点点的终止位置；点为图5所示全挂式汽车列车的第3子车厢前轴中点的终止位置，点为图5所示全挂式汽车列车的第3子车厢后轴中点点的终止位置；点为图5所示全挂式汽车列车的第4子车厢前轴中点的终止位置，点为图5所示全挂式汽车列车的第4子车厢后轴中点点的终止位置。

Claims (1)

1.一种全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制方法，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，则使全挂式汽车列车的各子车厢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，使各局部的待跟踪路线在对应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，全挂式汽车列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

(2)全轴转向的全挂式汽车列车的各子车厢控制器分别实时获取待跟踪路线信息以及子车厢位置和方位角信息，根据下式，分别计算得到各子车厢前轴车轮的转向角速度和后轴车轮的转向角速度

其中，n为全轴转向的全挂式汽车列车的子车厢的数量，i为子车厢的编号，为第i节子车厢前轴的车轮转向角度，为第i节子车厢后轴的车轮转向角度，为第i节子车厢前轴的车轮转向角速度，为第i节子车厢后轴的车轮转向角速度，θ_i是第i节子车厢的方位角，即第i节子车厢行驶方向沿顺时针方向到第i子车厢所在的当前局部坐标系的X轴的夹角，是第i节子车厢的方位角速度，是第i节子车厢前轴中点的行驶速度，是第i节子车厢后轴中点的行驶速度；记点为第i节子车厢前轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i ^F点为穿过点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，为第i子车厢前轴中点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是P_i ^F点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是当前待跟踪路线在P_i ^F点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，是当前待跟踪路线在P_i ^F点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线在P_i ^F点处曲率为0，为第i节子车厢前轴的位置偏差增益系数，的取值范围为0.001～20，β_i ^F为第i子车厢前轴的方位角偏差增益系数，β_i ^F的取值范围为0.001～20；记点为第i子车厢后轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i ^R点为穿过点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，为第i子车厢后轴中点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是P_i ^R点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，是当前待跟踪路线在P_i ^R点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，是当前待跟踪路线在P_i ^R点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线在P_i ^R点处曲率为0，为第i子车厢后轴的位置偏差增益系数，的取值范围为0.001～20，β_i ^R为第i子车厢后轴的方位角偏差增益系数，β_i ^R的取值范围为0.001～20；

(3)将步骤(2)计算得到的各子车厢的前轴车轮的转向角速度和后轴车轮的转向角速度实时发送给对应子车厢中的前轴转向执行机构和后轴转向执行机构，实现全轴转向的全挂式汽车列车的路线跟踪控制。