CN111661048B - 多铰接式车辆及其轨迹跟随控制方法与系统 - Google Patents

多铰接式车辆及其轨迹跟随控制方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

多铰接式车辆及其轨迹跟随控制方法与系统
技术领域
本发明属于车辆控制技术领域，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。
背景技术
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。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明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。
本发明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。
本发明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：
Figure BDA0002532643980000031
其中，R表示引领点或跟随点，
Figure BDA0002532643980000032
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)，
Figure BDA0002532643980000033
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：
Figure BDA0002532643980000034
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。
本发明还提供一种多铰接式车辆的轨迹跟随控制系统，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，所述轨迹跟随控制系统包括：
数据获取单元，用于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相适应；
坐标系建立单元，用于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，根据右手定则建立引领车厢的全局坐标系；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，根据右手定则建立跟随车厢的全局坐标系；
参数计算单元，用于在所述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；
以及用于在所述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；
跟随控制单元，用于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。
进一步地，所述轨迹跟随控制系统还包括曲线拟合单元，所述曲线拟合单元用于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；
跟随控制单元替代为用于根据运动路径长度-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。
本发明还提供一种多铰接式车辆，包括上述多铰接式车辆的轨迹跟随控制系统。
有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中一种多铰接式车辆的轨迹跟随控制方法的控制流程图；
图2是本发明实施例中全局坐标系的建立示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的一种多铰接式车辆的轨迹跟随控制方法，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：
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，引领点为引领车厢上的某个测量点，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(即如果引领点在引领车厢的中部，那么跟随点则在跟随车厢的中部；如果引领点在引领车厢的前端，那么跟随点则在跟随车厢的前端)，保证了引领点与跟随点分别位于不同车厢上的同一位置，提高了跟随精度。例如，第一节子车厢以母车厢为引领车厢，第一节子车厢为跟随车厢，引领点就是母车厢上的测量点，跟随点就是第一节子车厢上的测量点。多铰接式车辆的轨迹跟随就是第一节子车厢跟随母车厢，第二节子车厢跟随第一节子车厢，依次类推，实现所有子车厢的跟随。
引领点或跟随点为车厢上的测量点，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，传感器(是指横摆角速度传感器和三轴加速度传感器)的安装位置作为测量点，即引领点或跟随点即为传感器在对应车厢上的安装位置。横摆角速度传感器和三轴加速度传感器均安装在车厢(车厢是指引领车厢或跟随车厢)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。例如，当第一节子车厢跟随母车厢时，横摆角速度传感器和三轴加速度传感器在母车厢上的安装位置为引领点，横摆角速度传感器和三轴加速度传感器在第一节子车厢上的安装位置为跟随点。
横摆角速度是指车辆绕垂直路面的轴的旋转，该旋转的大小代表车辆的稳定程度，纵向加速度是指沿着车辆前进方向的加速度，横向加速度是垂直车辆行驶方向的加速度。
2、在引领车厢的全局坐标系下，根据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。
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，根据右手定则建立引领车厢的全局坐标系；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，根据右手定则建立跟随车厢的全局坐标系。
如图2所示，以第一节子车厢跟随母车厢为例，A点表示母车厢上的引领点，B点表示第一节子车厢上的跟随点。以引领点A指向母车厢头部的方向为x1轴，以引领点A指向引领车厢左侧的方向为y1轴，建立了母车厢的全局坐标系x1 y1；以跟随点B指向第一节子车厢头部的方向为x2轴，以跟随点B指向第一节子车厢左侧的方向为y2轴，建立了第一节子车厢的全局坐标系x2 y2。L为引领点A与跟随点B之间的距离。引领点A的横摆角的计算表达式为：
Figure BDA0002532643980000071
其中，
Figure BDA0002532643980000072
为引领点A在时刻t的横摆角，ωA为引领点A在时刻t的横摆角速度。
引领点A的侧偏角的计算表达式为：
βA＝tan-1(vAy/vAx)，
Figure BDA0002532643980000073
其中，βA为引领点A在时刻t的侧偏角，vAy、vAx分别为引领点A在时刻t的纵向速度、横向速度，αAy、αAx分别为引领点A在时刻t的纵向加速度、横向加速度.
引领点A的运动路径长度的计算表达式为：
Figure BDA0002532643980000074
其中，SA分别为引领点A在时刻t的运动路径长度。引领点的运动路径长度是以跟随点B为起点，这样就避免了由于跟随点B与引领点A之间存在距离L导致的跟随点B还未到达引领点A(相差L)就进行跟随的跟随误差，进一步提高了跟随精度。
设定采样周期，每个采样周期得到一组引领点A的运动路径长度、横摆角以及侧偏角数据，并将该数据保存，多次采样得到多组运动路径长度、横摆角以及侧偏角数据，以便于后面的跟随车厢的目标横摆角和目标侧偏角的索引。
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。
跟随点B的横摆角的计算表达式为：
Figure BDA0002532643980000075
其中，
Figure BDA0002532643980000076
为跟随点B在时刻t的横摆角，ωB为跟随点B在时刻t的横摆角速度。
跟随点B的侧偏角的计算表达式为：
βB＝tan-1(vBy/vBx)，
Figure BDA0002532643980000081
其中，βB为跟随点B在时刻t的侧偏角，vBy、vBx分别为跟随点B在时刻t的纵向速度、横向速度，αBy、αBx分别为跟随点B在时刻t的纵向加速度、横向加速度.
跟随点B的运动路径长度的计算表达式为：
Figure BDA0002532643980000082
其中，SB分别为跟随点B在时刻t的运动路径长度。
3、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。
利用插值法或者其他拟合方法将多组运动路径长度、横摆角以及侧偏角数据进行拟合，可以得到运动路径长度-横摆角曲线以及运动路径长度-侧偏角曲线。通过曲线拟合可以得到当引领点的运动路径长度小于L时所对应的横摆角和侧偏角，以及无论哪个运动路径长度下的横摆角和侧偏角，这样就解决了当跟随点的运动路径长度小于L时的跟随问题，使跟随点无论在何时(即无论跟随点的运动路径长度为何值(即使小于L))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。
4、以横摆角和侧偏角为控制对象，进行跟随车厢对引领车厢的轨迹跟随控制。
无论是否进行曲线拟合，均可以由以下步骤来确定目标值：当跟随点在当前时刻T1的运动路径长度等于引领点在某个历史时刻T2的运动路径长度时，以引领点在该历史时刻T2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T1>历史时刻T2。
当引领点的采样周期小于跟随点的采样周期，且引领点的采样周期设定的足够小时，跟随点的每个大于或等于距离L的运动路径长度始终会存在与其相等的引领点的历史运动路径长度，即都能找到目标横摆角和目标侧偏角。
如果以引领点的多组运动路径长度、横摆角以及侧偏角数据为离散点进行了曲线拟合，并得到了运动路径长度-横摆角曲线以及运动路径长度-侧偏角曲线，则可以由以下步骤来确定目标值：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在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。
通过曲线拟合可以得到，引领点的运动路径长度小于L时所对应的横摆角和侧偏角，根据该曲线可以得到跟随点的运动路径长度为任意值(包括小于L时的运动路径长度)的目标横摆角和目标侧偏角。
本实施例中，横摆角和侧偏角的控制均采用PID控制，控制过程简单，适应性强，对于复杂工况也具有较好的适应性。具体的控制过程为：
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；根据第一转角和第二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。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，
Figure BDA0002532643980000091
△δ2＝PID2(β'B,βB)，
Figure BDA0002532643980000092
β'B分别为目标横摆角、目标侧偏角。k为与车速和侧偏角相关的系数，当低速转弯时，车厢的侧偏角较小，此时横摆角速度能够反映车辆的运动状态，可以取k＝0，当高速转弯时，车厢的侧偏角较大，此时需要增大k值。
本发明还提供一种多铰接式车辆的轨迹跟随控制系统，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，所述轨迹跟随控制系统包括：
数据获取单元，用于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相适应；
坐标系建立单元，用于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，根据右手定则建立引领车厢的全局坐标系；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，根据右手定则建立跟随车厢的全局坐标系；
参数计算单元，用于在所述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；
以及用于在所述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；
跟随控制单元，用于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。
轨迹跟随控制系统还包括曲线拟合单元，所述曲线拟合单元用于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；跟随控制单元替代为用于根据运动路径长度-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在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。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

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。
3.如权利要求2所述的轨迹跟随控制方法，其特征在于：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。
4.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s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：
Figure FDA0004056328170000011
其中，R表示引领点或跟随点，
Figure FDA0004056328170000012
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：
Figure FDA0004056328170000021
其中，βR为引领点或跟随点在时刻t的侧偏角，νRy、νRx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：
Figure FDA0004056328170000022
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，νAx、νBx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。
5.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。
6.如权利要求5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-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。
7.如权利要求1或6所述的轨迹跟随控制方法，其特征在于：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。
8.如权利要求7所述的轨迹跟随控制方法，其特征在于：所述跟随点的实时转角的计算表达式为：
δ＝(1-k)Δδ1+k·Δδ2
其中，δ为跟随点的实时转角，Δδ1为第一控制转角，Δδ2为第二控制转角，k为与车速和侧偏角相关的系数。
9.一种多铰接式车辆的轨迹跟随控制系统，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，其轨迹跟随控制系统包括：
数据获取单元，用于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相适应；
坐标系建立单元，用于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，根据右手定则建立引领车厢的全局坐标系；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，根据右手定则建立跟随车厢的全局坐标系；
参数计算单元，用于在所述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；
以及用于在所述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；
跟随控制单元，用于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。
10.如权利要求9所述的轨迹跟随控制系统，其特征在于：还包括曲线拟合单元，所述曲线拟合单元用于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；
跟随控制单元替代为用于根据运动路径长度-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。
11.一种多铰接式车辆，其特征在于：包括权利要求9或10中所述的多铰接式车辆的轨迹跟随控制系统。
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