CN113696969A - 一种车辆的转向控制方法、转向控制系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车辆的转向控制方法、转向控制系统及车辆，涉及车辆底盘技术领域。本发明先获取各节车厢的转向工况；然后针对处于直线工况的第一目标车厢，根据车辆开始转向时该节车厢的轴线与预设的二维坐标系中X轴之间的初始夹角、以及该节车厢的横向角速度，确定该节车厢的轴线与X轴之间的当前夹角；最后根据当前夹角计算该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角，并控制该从动轴按照第一目标车轮转向角转向。本发明通过控制该节车厢中从动轴的每一时刻的第一目标车轮转向角，实现了同一车厢中从动轴跟随驱动轴的轨迹进行转弯，避免出现多车厢车辆转弯时横扫面积过大的问题。

Description

一种车辆的转向控制方法、转向控制系统及车辆

技术领域

本发明涉及车辆底盘技术领域，特别是涉及一种车辆的转向控制方法、转向控制系统及车辆。

背景技术

随着城镇化的高速发展，在城镇生活的人口数量日益增多，大容量、高效的公共出行需求日益增多，传统公交、快速公交等已不能满足现有需求，因此对公共交通高效、大运力提出了更大的需求。

大城市、特大城市针对公共交通的需求，有条件的城市新建地铁、有轨列车或虚拟轨道列车等公共交通，但由于建设周期长、投资大且占用公共资源，大多数中小城市没有条件建设地铁、有轨列车。因此为满足大容量的公共交通需求，现有解决方案大多采用多车厢铰接客车和双层客车。多车厢铰接客车采用传统单轴转向，通过向后增加一节铰接车厢通过拖拽形式运行。双层客车通过向上增加一层车厢。两者都是以在不改变传动客车行驶结构技术上，通过增加车厢来增加运量，但其运行灵活性、通过性等受到长度、高度限制。

多车厢铰接客车因受车身长度和高度影响导致其通过性较差，转弯半径及横扫面积变大。

发明内容

本发明第一方面的目的是要提供一种车辆的转向控制方法，解决现有技术中车辆在转向时转向半径较大，不容易转向的技术问题。

本发明第二方面的目的是要提供一种车辆的转向控制系统。

本发明第三方面的目的是要提供一种具有上述转向控制系统的车辆。

根据本发明第一方面的目的，本发明提供了一种车辆的转向控制方法，所述车辆包括多节车厢，每节所述车厢包括沿所述车辆行驶方向间隔布置的驱动轴和从动轴，所述转向控制方法包括：

获取各节车厢的转向工况；

针对处于直线工况的第一目标车厢，根据所述车辆开始转向时该节车厢的轴线与预设的二维坐标系中的X轴之间的初始夹角、以及该节车厢的横向角速度，确定该节车厢的轴线与所述X轴之间的当前夹角；

根据所述当前夹角计算该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角，并控制该从动轴按照所述第一目标车轮转向角转向。

可选地，所述获取各节车厢的转向工况之后，还包括：

针对处于所述弯道工况的第二目标车厢，根据该节车厢的驱动轴的当前车轮转向角获得该节车厢中从动轴的第二目标车轮转向角，从而使得该从动轴按照所述第二目标车轮转向角转向。

可选地，所述根据所述车辆开始转向时该节车厢的轴线与预设的二维坐标系中X轴之间的初始夹角、以及该节车厢的横向角速度，确定该节车厢的轴线与所述X轴之间的当前夹角，包括：

按照第一公式计算得到所述当前夹角；

第一公式：

其中，θ_t表示当前时刻该节车厢的轴线与所述X轴之间的当前夹角；

θ₀表示该节车厢的轴线与所述X轴之间的初始夹角；

w表示该节车厢的横向角速度；

t表示当前时刻。

可选地，根据该节车厢中驱动轴的车轮转向角、从动轴的车轮转向角、驱动轴与该节车厢的中心之间的间距、从动轴与该节车厢的中心之间的间距以及驱动轴的速度计算得到该节车厢的横向角速度。

可选地，按照第二公式计算所述当前夹角：

第二公式：

其中，δ₂(t-Δt)表示当前时刻Δt前时刻的该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角；

δ1(t)表示当前时刻该节车厢中驱动轴的车轮转向角；

Δt表示预设时间；

l11表示该节车厢中驱动轴与该车厢中心之间的间距；

l12表示该节车厢中从动轴与该车厢中心之间的间距；

v表示该节车厢中驱动轴的速度。

可选地，所述根据所述当前夹角计算该节车厢中的从动轴的第一目标车轮转向角，包括：

将所述当前夹角的相反数确定为所述第一目标车轮转向角。

可选地，所述根据该节车厢的驱动轴的当前车轮转向角获得该节车厢中从动轴的第二目标车轮转向角，包括：

将驱动轴的当前车轮转向角的相反数确定为所述第二目标车轮转向角。

可选地，令a＝L11+L12，所述a按照第三公式计算获得：

第三公式：

a＝sin(90°-β/2)*(l1+l2)；

l1表示该节车厢中驱动轴与铰接盘之间的间距；

l2表示该节车厢的前一节车厢中从动轴与所述铰接盘之间的间距，所述铰接盘用于连接该节车厢和该节车厢的前一节车厢；

β表示该节车厢的长度方向与所述X轴之间的夹角。

根据本发明第二方面的目的，本发明还提供了一种车辆的转向控制系统，包括：

控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器内存储有控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时用于实现上述的转向控制方法。

根据本发明第三方面的目的，本发明还提供了一种车辆，所述车辆安装有上述的转向控制系统。

本发明先获取各节车厢的转向工况；然后针对处于直线工况的第一目标车厢，根据车辆开始转向时该节车厢的轴线与预设的二维坐标系中的X轴之间的初始夹角、以及该节车厢的横向角速度，确定该节车厢的轴线与X轴之间的当前夹角；最后根据当前夹角计算该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角，并控制该从动轴按照第一目标车轮转向角转向。因此，本发明可以通过控制该节车厢中从动轴的当前时刻的第一目标车轮转向角，从而实现同一节车厢中从动轴跟随驱动轴的轨迹进行转弯，可以避免出现多车厢车辆转弯时横扫面积过大的问题，提升了多车厢车辆转弯时的灵活性。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的双向行驶车辆的示意性侧视图；

图2是根据本发明一个实施例的车辆的转向控制方法的示意性流程图；

图3是根据本发明一个实施例的车厢的轴线与二维坐标系中X轴之间的夹角的示意性简图；

图4是根据本发明一个实施例的车厢的转向工况的示意性简图。

图5是根据本发明另一个实施例的车辆的转向控制方法的示意性流程图；

图6是根据本发明一个实施例的车厢的长度方向与X轴之间的夹角的示意性简图；

图7是根据本发明一个实施例的双向行驶车辆的示意性俯视图；

图8是根据本发明一个实施例的车辆的转向控制系统的示意性连接框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1是根据本发明一个实施例的双向行驶车辆的示意性侧视图，图2是根据本发明一个实施例的车辆的转向控制方法的示意性流程图，图3是根据本发明一个实施例的车厢的轴线与二维坐标系中X轴之间的夹角的示意性简图，图4是根据本发明一个实施例的车厢的转向工况的示意性简图。如图1、图2、图3和图4所示，车辆为双向行驶车辆，且车辆包括多节车厢，每节车厢包括沿车辆行驶方向间隔布置的驱动轴和从动轴。转向控制方法包括以下步骤：

步骤S100，获取各节车厢的转向工况，这里，转向工况包括同一节车厢中驱动轴和从动轴均已经完成转弯的弯道工况和驱动轴已经完成转弯且从动轴处于进入转弯之前的直线工况；可以使用T表示该节车厢中从动轴结束直线工况且进入弯道工况之前的时刻，也就是说，T表示该节车厢中从动轴处于直线工况与弯道工况交界处的时刻，具体参见图4。

步骤S200，针对处于直线工况的第一目标车厢，根据车辆开始转向时该节车厢的轴线与预设的二维坐标系中的X轴之间的初始夹角、以及该节车厢的横向角速度，确定该节车厢的轴线与X轴之间的当前夹角；

步骤S300，根据当前夹角计算该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角，并控制该从动轴按照第一目标车轮转向角转向。这里，初始夹角是根据传感器直接获得的，横向角速度是通过计算获得。

本实施例可以通过控制该节车厢中从动轴的当前时刻的第一目标车轮转向角，从而实现同一节车厢中从动轴跟随驱动轴的轨迹进行转弯，可以避免出现多车厢车辆转弯时横扫面积过大的问题，提升了多车厢车辆转弯时的灵活性。并且本实施例采用双向行驶策略，有效解决了多车厢车辆调头较难的问题，提升了车辆的运行灵活性。

在该实施例中，如图1所示，双向行驶车辆包括3节车厢，3节车厢中的车轴分别为S1、S2、S3、S4、S5和S6。S1轴和S6轴分别与车辆两个方向上的方向盘连接。在一个实施例中，当车辆向左行驶时，驾驶员操作方向盘以控制S1轴进行转向，车辆的控制器根据上述的转向控制方法实时计算出从动轴S2的第一目标车轮转向角，并控制从动轴S2按照第一目标车轮转向角进行转向，从而使得从动轴S2跟随S1轴进行转向。这里，当车辆往左行驶时，S1、S3和S5为驱动轴，S2、S4和S6为从动轴。当车辆往右行驶时，S6、S4和S2为驱动轴，S5、S3和S1为从动轴。

在该实施例中，根据车辆开始转向时该节车厢的轴线与预设的二维坐标系中X轴之间的初始夹角、以及该节车厢的横向角速度，确定该节车厢的轴线与X轴之间的当前夹角，包括：

按照第一公式计算得到当前夹角：

第一公式：

其中，θ_t表示当前时刻该节车厢的轴线与X轴之间的当前夹角；

θ₀表示该节车厢的轴线与X轴之间的初始夹角；

w表示该节车厢的横向角速度；

t表示当前时刻。

具体地，根据该节车厢中驱动轴车轮转向角、从动轴的车轮转向角、驱动轴与该节车厢的中心之间的间距、从动轴与该节车厢的中心之间的间距以及驱动轴的速度计算得到该节车厢的横向角速度。

这里，按照第四公式计算得到该节车厢的横向角速度：

第四公式：

其中，v表示该节车厢中驱动轴的速度；

δ₁表示该节车厢中驱动轴的车轮转向角，δ₂表示该节车厢中从动轴的车轮转向角；

l11表示该节车厢中驱动轴与该车厢的中心之间的间距；

l12表示该节车厢中从动轴与该车厢的中心之间的间距。

进一步地，按照第二公式计算当前夹角：

第二公式：

其中，δ₂(t-Δt)表示当前时刻Δt前时刻的该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角；

δ1(t)表示当前时刻该节车厢中驱动轴的车轮转向角；

Δt表示预设时间；

l11表示该节车厢中驱动轴与该车厢中心之间的间距；

l12表示该节车厢中从动轴与该车厢中心之间的间距；

v表示该节车厢中驱动轴的速度。

在一个实施例中，Δt设为2s，t为5s的话，则δ₂(t-Δt)就表示3s时刻从动轴的车轮转向角。

进一步地，第二公式可以转变为第七公式；

第七公式：

令m1＝1+(v*Δt)/(l11+l12)，m2＝(v*Δt)/(l11+l12)，则上述公式可以简化为第八公式；

第八公式：δ₂(t)＝m1*δ₂(t-Δt)+m2*(-δ₁)。

因此，当该节车厢处于直线工况时，该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角与驱动轴的车轮转向角之间的关系满足第八公式时，从动轴即可按照驱动轴的轨迹行驶，从而实现轨迹跟随。

在该实施例中，为了缩短车辆转向过程中占用路面的宽度(摆动值)，需要确保该节车厢中驱动轴和从动轴的运行轨迹与道路方向一致。并且为了车辆在转向过程中摆动值最小，所以根据当前夹角计算该节车厢中的从动轴的第一目标车轮转向角，包括：

将当前夹角的相反数确定为第一目标车轮转向角。可以理解为，根据第五公式获得第一目标车轮转向角；

第五公式：

δ₂(t)+θ_t＝0；也就是说，δ₂(t)＝-θ_t，此时t＜T；

其中，δ₂(t)表示当前时刻的该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角。

因此，根据第一公式、第四公式、第五公式，以及假设初始夹角θ₀为零，从而可以得到第六公式：

第六公式：

即，假设该节车厢中驱动轴的车轮转向角较小，即δ1≤1，则可以得到tanδ₁≈δ₁，cosδ₁≈1，并根据后向差分法可以将第六公式转变为第二公式。

图5是根据本发明另一个实施例的车辆的转向控制方法的示意性流程图。如图5所示，步骤S100之后还包括以下步骤：

步骤S400，针对处于弯道工况的第二目标车厢，根据该节车厢的驱动轴的当前车轮转向角获得该节车厢中从动轴的第二目标车轮转向角，从而使得该从动轴按照第二目标车轮转向角转向。

具体地，根据该节车厢的驱动轴的当前车轮转向角获得该节车厢中从动轴的第二目标车轮转向角，包括：

将驱动轴的当前车轮转向角的相反数确定为第二目标车轮转向角。可以理解的是，第二目标车轮转向角根据第九公式获得；

第九公式：

δ₂(t)＝-δ₁(t)，此时t≥T；

其中，δ₂(t)表示当前时刻该节车厢中从动轴的第二目标车轮转向角；

δ₁(t)表示当前时刻该节车厢中驱动轴的车轮转向角。

也就是说，当该节车厢处于弯道工况时，该车厢中从动轴的第二目标车轮转向角与驱动轴的车轮转向角之间的关系第九公式时，从动轴即可按照驱动轴的轨迹行驶，从而实现轨迹跟随。图6是根据本发明一个实施例的该节车厢的长度方向与X轴之间的夹角的示意性简图；图7是根据本发明一个实施例的双向行驶车辆的示意性俯视图。如图6和图7所示，令第二公式中a＝L11+L12，a按照第三公式计算获得：

第三公式：

a＝sin(90°-β/2)*(l1+l2)；

l1表示该节车厢中驱动轴与铰接盘20之间的间距；

l2表示该节车厢的前一节车厢中从动轴与铰接盘20之间的间距，铰接盘20用于连接该节车厢和该节车厢的前一节车厢，具体参见图7，图7中示出了铰接盘20；

β表示该节车厢的长度方向与X轴之间的夹角。

也就是说，当需要计算该节车厢中驱动轴的第一目标车轮转向角时根据该节车厢的前一节车厢中从动轮的车轮转向角以及该节车厢的前一节车厢中从动轮的速度确定。相当于将第二公式转变为：

δ₂(t)表示当前时刻该节车厢的前一节车厢中从动轴的车轮转向角；

δ₃(t-Δt)表示当前时刻Δt前时刻的该节车厢中驱动轴的车轮转向角；

δ₃(t)表示当前时刻该节车厢中驱动轴的车轮转向角。

因此，本实施例中不仅可以使得每一节车厢中从动轴跟随驱动轴的轨迹进行转向，还可以使得后一车厢中驱动轴根据前一车厢中从动轴的轨迹进行转向，从而可以更近一步地减小车厢转向时的摆动角度，提高了车厢转向时的灵活性。

具体地，多车厢车辆中设有控制器和传感器，其中，每一节车厢中分别设有一个控制器，用于控制该车厢中驱动轴和从动轴的转向，并且车辆的每一根车轴上均安装有角度传感器和速度传感器，相邻的两节车厢之间的铰接盘20上也安装有角度传感器。车辆上的控制器通过各车轴上的角度传感器信号和速度传感器信号进行闭环控制，通过电信号控制车辆上的转向执行机构推动车轴进行转向，其中，每一车轴均具有独立的转向执行机构，角度传感器用于检测车轴的车轮转向角。例如，3节车厢中各设有一个控制器，分别为控制器1、控制器2和控制器3，控制器1、控制器2和控制器3分别用于根据对应的传感器传递的数据信号并按照上述的转向控制方法计算出S1轴和S2轴、S3轴和S4轴、S5轴和S6轴的目标车轮转向角，并控制对应的车轴按照对应的目标车轮转向角进行转向。这里的3个控制器互为备份，例如若控制器1出现故障时，则控制器3或控制器2代替控制器1进行工作，并输出故障警示信号。

图8是根据本发明一个实施例的车辆的转向控制系统100的示意性连接框图。如图8所示，车辆的转向控制系统100包括控制装置10，控制装置10包括存储器11和处理器12，存储器11内存储有控制程序，控制程序被处理器12执行时用于实现根据上述任一实施例中的转向控制方法。处理器11可以是一个中央处理单元(central processing unit，简称CPU)，或者为数字处理单元等等。处理器11通过通信接口收发数据。存储器12用于存储处理器11执行的程序。存储器12是能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何介质，也可以是多个存储器12的组合。上述计算程序可以从计算机可读存储介质下载到相应计算/处理设备或者经由网络(例如因特网、局域网、广域网和/或无线网络)下载到计算机或外部存储设备。

在一个实施例中，控制装置包括多个控制器，每一车厢中设置一个控制器。例如，三节车厢则设有三个控制器，分别设为控制器1、控制器2和控制器3，控制器2位于第二节车厢中，用于控制S3轴和S4轴；控制器1位于第一节车厢中，用于控制S1轴和S2轴；控制器3位于第三节车厢中，用于控制S5轴和S6轴。例如，当第一节车厢位于前方时，控制器作为与外CAN信息交互的传感器。当控制器1的外CAN信号断线异常时，控制器3作为冗余控制器，从而替代控制器1进行信息传递，并实时监测控制器1的控制指令，以及对该控制指令的准确性进行冗余校验。当该控制指令异常时进行故障报警，防止控制器1异常。同时控制器3还控制S5轴和S6轴的比例阀PID随动闭环。控制器2主要用于控制S3和S4轴的比例阀PID随动闭环以及监测第二节车厢中的传感器以及信息交互处理。同理，当车辆反向行驶时，此时第三节车厢位于前方，控制器3作为与外CAN信息交互的传感器，控制器1作为冗余控制器，控制器2的功能不变。

本发明还提供了一种车辆，车辆安装有上述的转向控制系统100。对于转向控制系统，这里不一一赘述。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种车辆的转向控制方法，所述车辆为双向行驶车辆，所述车辆包括多节车厢，每节所述车厢包括沿车辆行驶方向间隔布置的驱动轴和从动轴，其特征在于，所述转向控制方法包括：

获取各节车厢的转向工况；

针对处于直线工况的第一目标车厢，根据所述车辆开始转向时该节车厢的轴线与预设的二维坐标系中的X轴之间的初始夹角、以及该节车厢的横向角速度，确定该节车厢的轴线与所述X轴之间的当前夹角；

根据所述当前夹角计算该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角，并控制该从动轴按照所述第一目标车轮转向角转向。

2.根据权利要求1所述的转向控制方法，其特征在于，所述获取各节车厢的转向工况之后，还包括：

针对处于所述弯道工况的第二目标车厢，根据该节车厢的驱动轴的当前车轮转向角获得该节车厢中从动轴的第二目标车轮转向角，从而使得该从动轴按照所述第二目标车轮转向角转向。

3.根据权利要求1所述的转向控制方法，其特征在于，所述根据所述车辆开始转向时该节车厢的轴线与预设的二维坐标系中X轴之间的初始夹角、以及该节车厢的横向角速度，确定该节车厢的轴线与所述X轴之间的当前夹角，包括：

按照第一公式计算得到所述当前夹角：

第一公式：

其中，θ_t表示当前时刻该节车厢的轴线与所述X轴之间的当前夹角；

θ₀表示该节车厢的轴线与所述X轴之间的初始夹角；

w表示该节车厢的横向角速度；

t表示当前时刻。

4.根据权利要求3所述的转向控制方法，其特征在于，

根据该节车厢中驱动轴的车轮转向角、从动轴的车轮转向角、驱动轴与该节车厢的中心之间的间距、从动轴与该节车厢的中心之间的间距以及驱动轴的速度计算得到该节车厢的横向角速度。

5.根据权利要求1所述的转向控制方法，其特征在于，

按照第二公式计算所述当前夹角：

第二公式：

其中，δ₂(t-Δt)表示当前时刻Δt前时刻的该节车厢中从动轴的第一目标车轮转向角；

δ1(t)表示当前时刻该节车厢中驱动轴的车轮转向角；

Δt表示预设时间；

l11表示该节车厢中驱动轴与该车厢中心之间的间距；

l12表示该节车厢中从动轴与该车厢中心之间的间距；

v表示该节车厢中驱动轴的速度。

6.根据权利要求4或5所述的转向控制方法，其特征在于，所述根据所述当前夹角计算该节车厢中的从动轴的第一目标车轮转向角，包括：

将所述当前夹角的相反数确定为所述第一目标车轮转向角。

7.根据权利要求2所述的转向控制方法，其特征在于，所述根据该节车厢的驱动轴的当前车轮转向角获得该节车厢中从动轴的第二目标车轮转向角，包括：

将驱动轴的当前车轮转向角的相反数确定为所述第二目标车轮转向角。

8.根据权利要求5所述的转向控制方法，其特征在于，令a＝L11+L12，所述a按照第三公式计算获得：

第三公式：

a＝sin(90°-β/2)*(l1+l2)；

l1表示该节车厢中驱动轴与铰接盘之间的间距；

l2表示该节车厢的前一节车厢中从动轴与所述铰接盘之间的间距，所述铰接盘用于连接该节车厢和该节车厢的前一节车厢；

β表示该节车厢的长度方向与所述X轴之间的夹角。

9.一种车辆的转向控制系统，其特征在于，包括：

控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器内存储有控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时用于实现根据权利要求1-8中任一项所述的转向控制方法。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆安装有如权利要求9所述的转向控制系统。

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