CN114162123B - 一种自动成列行驶车辆系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动成列行驶车辆系统，包括若干成列行驶的车辆、定位及转向控制模块、协同驱动与制动模块、安全模块、铰连件与充电模块；同时还涉及一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，采用各模块驱动，实现车辆在高精度定位下成列行驶；本发明可大幅减轻驾驶负荷，提升安全操控性能、降低行驶能耗，提升行驶里程；自动成列行驶车辆系统特有的流场特性可节能10％～30％，应用于电动车，大幅提升里程，应用于货车，大幅降低成本。

Description

一种自动成列行驶车辆系统及控制方法

技术领域

本发明涉及车辆工程技术领域，特别涉及一种自动成列行驶车辆系统及控制方法。

背景技术

减轻驾驶员的驾驶负荷、降低能源消耗、提升道路通行效率是汽车技术发展三大方向和目标。第一、目前，解决驾驶员负荷的研发热点是辅助驾驶ADAS和无人驾驶技术，然而这一研究方向尚不成熟，存在较大的安全隐患，即便取得了较大的进展，但短期内难以成熟应用，大规模的应用更是遥远；第二、节能降耗是汽车技术发展的另一个方向，我国大约每隔五年就会提出一个阶段性的节能减排目标，现有节能减排方式包括电动化、混合动力、主动隔栅、各类发动机节油技术、整车运动学控制等等；每项技术都能取得一定的成效，不过现有各项节能技术均或多或少接近瓶颈期；开创性的提出新的节能技术路线，是进一步降低汽车能耗，突破节能降耗瓶颈的重要手段；第三、道路通行效率不仅直接影响着人民的驾乘体验，更直接影响着国民经济的运行效率，同时也会对汽车的能耗有着直接的影响。

据不完全统计，我国每年的交通流量约1.3万亿车公里，驾驶人力总成本在1.5万亿以上；汽车能源消耗量1万亿以上，新建道路基础设施投入5000亿以上。若能开发出新的汽车技术，并实现新型的行驶方案，降低汽车的驾驶负荷和劳动成本、降低行驶能耗、提升通行效率，或将带来巨大的经济社会效益；因此本发明研制了一种自动成列行驶车辆系统及控制方法，以解决现有技术中存在的问题，经检索，未发现与本发明相同或相似的技术方案。

发明内容

本发明目的是：提供一种自动成列行驶车辆系统及控制方法，以解决现有技术中车辆在行驶时由于驾驶员负荷引发的安全问题，车辆行驶能耗高的问题，以及通行效率相对较低的问题。

本发明的技术方案是：一种自动成列行驶车辆系统，包括：

若干成列行驶的车辆，包括行驶于首位的领航车和若干跟随车，其中，设定所述车辆总数为N，N≥2，设定行车队列中第Q辆车的前轴中心点为F_Q，该第Q辆车记为车辆Q，1＜Q≤N，其中N和Q均为自然数；领航车的前轴中心点为F₁；

定位及转向控制模块，植入所有车辆内，通过获取领航车行驶过程中其前轴中心点F₁经过的一组坐标点，并据此拟合出各跟随车前轴中心点F_Q的行驶轨迹，根据此行驶轨迹控制跟随车的转向；

协同驱动与制动模块，跟随车通过驱动和制动操作，保持与领航车运动特性一致。

优选的，所述定位及转向控制模块，包括摄像头，安装于车辆前部的若干定位标记码A，陀螺仪，测距传感器，车速传感器，电动方向盘，电动转向机构，跟随车转向控制器，安装于车辆尾部的若干定位标记码B；其中行车队列中安装于车辆Q前部的一组定位标记码A记为A_Q，安装于车辆Q尾部的一组定位标记码B记为B_Q；

所述协同驱动与制动模块，包括安装于各跟随车上的跟随车车距传感器、跟随车电动油门踏板、跟随车电动制动踏板、领航车协同控制器、跟随车协同控制器。

优选的，还包括安全模块，所述安全模块包括领航车安全模块及跟随车控制模块；所述跟随车控制模块根据领航车安全模块发出的安全信息，对跟随车进行同步控制。

优选的，所述领航车安全模块中包括信号灯信息、制动信息、主动安全控制信息，其中所述信号灯信息包括转向灯信息、制动灯信息、紧急双跳灯信息、雾灯信息；所述跟随车控制模块包括跟随车信号灯控制模块、跟随车制动模块、跟随车安全气囊模块、跟随车安全带控制模块、跟随车紧急呼叫模块。

优选的，还包括铰连件与充电模块；

所述铰连件安装于相邻车辆之间，包括前侧连接件、后侧连接件、中间连杆、磁吸耦合件、顺直弹簧片；所述前侧连接件固定于前方车辆后部，所述后侧连接件固定于后方车辆前部，所述中间连杆一端与前侧连接件铰接，另一端与磁吸耦合件铰接，所述磁吸耦合件与后侧连接件采用磁力吸附实现耦合；所述顺直弹簧片共设置两处，一处安装于前侧连接件与中间连杆之间，另一处安装于磁吸耦合件与中间连杆之间；

所述充电模块具有内置于铰连件内的电源线及信号线，所述磁吸耦合件与后侧连接件吸附耦合时完成相邻车辆之间的电源和信号的对接。

优选的，所述铰连件还包括一对限位吸能块，一对所述限位吸能块固定于中间连杆上，并呈V字型设置，V字型开口方向朝向前方车辆。

基于上述的一种自动成列行驶车辆系统，本发明还研制了一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，所述控制方法具体如下：

a、车辆Q的定位及转向控制方法：

(1)定义坐标系和时间序列，所有跟随车均以自身前轴中心点为坐标原点，定义车辆Q的前轴中心点为F_Q，并将其设定为车辆Q的坐标原点，建立坐标系Z_Q，其中沿车身方向且朝向车头的一侧为Y轴正方向，垂直于车身方向且朝向车身右侧为X轴正方向；定义任一时刻为k时刻，经过时间Δt后变为k+1时刻；

(2)初始化，k＝0，θ_Qk＝θ_Q0＝0，v_Qk＝v_Q0＝0；

(3)经过某一时间Δt后，时刻从k时刻变化为k+1时刻；

(4)解算在坐标系Z_Q下，领航车前轴中心点F₁的坐标值F₁(x₁，y₁)；

(5)推算从k-1时刻到k时刻坐标系Z_Q的变化参数，其中，解算从k-1时刻到k时刻车辆Q的转角θ_Qk，安装于车辆Q的车速传感器监测到其前轴中心点F_Q在k时刻的速度为v_Qk，解算出：

X轴变化量a＝-Δt*v_Qk*sinθ_Qk，

Y轴变化量b＝Δt*v_Qk*cosθ_Qk；

(6)变换坐标系Z_Q，将k-1时刻前，且包含k-1时刻，F₁(F_1k-1,F_1k-2,…,F_1k-n)的坐标值变换成当前k时刻坐标系的坐标值，其中，坐标原点由F_Qk-1变换到F_Qk，坐标系的转角θ_Qk，经变换的X轴和Y轴坐标值分别为:

x_1m’＝(x_1m-a)*cosθ_Qk+(y_1m-b)*sinθ_Qk，

y_1m’＝(y_1m-b)*cosθ_Qk-(x_1m-a)*sinθ_Qk；

其中，m取值依次为k-1，k-2，……，k-n，且保证y_1m’＞0，当y_1m’＜0时，此时该点已经在跟随车前轴的后方；

(7)若车辆退出成列行驶状态，步骤结束；若车辆继续成列行驶，回到步骤(3)；

b、车辆Q的跟随车转向控制器、电动方向盘的控制方法：

基于任一跟随车的坐标系Z_Q，其定位及转向模块均能确定领航车行驶过程中前轴中心点F₁在该坐标系下经过的一组坐标点，F_1k,F_1k-1,F_1k-2,…,F_1k-n；每辆跟随车依据对应得到的这组坐标点的坐标值，拟合出各自对应的行驶轨迹，并据此行驶轨迹控制安装于该车的电动方向盘的转向；

c、车辆Q的协同驱动与制动控制方法：

通过采集领航车BCU信息进行控制。

优选的，所述车辆Q还具有其它任一轴，设定其中心点为F_Q’，并以该点为坐标原点，X轴、Y轴与坐标系Z_Q同向，建立坐标系Z_Q’,定位及转向模块均能确定领航车行驶过程中前轴中心点F₁在该坐标系Z_Q’下经过的一组坐标点，F_Q’依据对应得到的这组坐标点的坐标值，拟合出对应的行驶轨迹，并据此轨迹控制与该轴对应的电动转向机构，使该轴中心点F_Q’按此轨迹行驶。

优选的，所述车辆Q的定位及转向控制方法中，步骤(4)中，解算在坐标系Z_Q下，领航车前轴中心点F₁的坐标值F₁(x₁，y₁)的方法为：

(1)确定前Q辆车中，前后车相对几何位置关系，确定方法包括视觉定位、射频定位、超声定位、激光定位、机械定位中的任意一种或多种的组合；

(2)根据上述获取的前后车相对几何位置关系，及车身尺寸链推算出在Z_Q坐标系下，F₁的坐标值F_1k(x_1k，y_1k)。

优选的，所述步骤(1)中，前后车相对几何位置关系的确认方法为：

在车辆尾部设置两个测距传感器，且其与该车尾部中点的距离分别为L₁、L₂,并分别测出与后方车辆的距离为L₃、L₄；

在车辆前部中心位置设置一个距离传感器，并测得与前方车辆尾部的距离为L₅；

根据L₁、L₂、L₃、L₄、L₅可推算出前后车几何位置关系，即可确定前方车辆尾部两个测距传感器在其后方相邻车辆坐标系下的坐标值。

优选的，所述步骤(1)中，前后车相对几何位置关系确认的方法为：

从第2辆车开始到第Q辆车，各跟随车上的摄像头同时对安装于其车身前部的定位标记码A和安装于前方车辆尾部的定位标记码B进行拍照，共解算出Q-1组后车前部定位标记码A与前车后部定位标记码B的几何位置关系，即：定位标记码A₂与B₁，A₃与B₂，……，A_Q与B_Q-1的几何位置关系,其中领航车尾部的定位标记码B定义为B₁；

所述步骤(2)中，F₁的坐标值F_1k(x_1k，y_1k)的推算方法为：

定位标记码A_Q和定位标记码B_Q在坐标系Z_Q下是提前标定的，因此定位标记码A_Q和定位标记码B_Q的相对位置关系是确定的；基于此，领航车前轴中心点F₁与其尾部的定位标记码B₁的位置关系是已知的，同一跟随车前部的定位标记码A与尾部的定位标记码B之间的位置关系是已知的，即：A₂与B₂，A₃与B₃，……，A_Q-1与B_Q-1之间的几何位置关系是已知的；从而可以通过上述尺寸链解算出领航车前轴中心点F₁与车辆Q前部定位标记码A_Q之间的几何位置关系，由于定位标记码A_Q在坐标系Z_Q下的坐标值是已知的，据此可以解算出在k时刻下，领航车前轴中心点F₁在坐标系Z_Q下的坐标值F_1k(x_1k，y_1k)。

优选的，所述车辆Q的定位及转向控制方法中，步骤(5)中，车辆Q的转角θ_Qk的解算方法为：

在车辆Q上安装陀螺仪，陀螺仪在k时刻监测到其角速度为ω_Qk，从k-1时刻到k时刻车辆Q的转角θ_Qk＝Δt*ω_Qk。

优选的，所述车辆Q的定位及转向控制方法中，步骤(5)中，车辆Q的转角θ_Qk的解算方法为：

在车辆Q上安装轮速传感器，轮速传感器在k时刻测出同一车轴左右车轮的轮速分别为v_a、v_b，通过轮速差及轮间距L₆推算出转角

优选的，所述协同驱动与制动模块工作时，通过采集领航车BCU信息进行控制的方法为：

(1)领航车协同控制器、跟随车协同控制器分别采集对应车辆车速、制动踏板行程、油门踏板行程数据，并且具有信息传递功能；

(2)设定车间距为d₀，行驶时，跟随车读取领航车油门踏板行程，并跟随其变化，同时观测与前方车辆的实时车间距d，当d＜d₀时，减小油门行程，当d＞d₀时，加大油门行程；

(3)设定车间距为d₀，制动时，跟随车读取领航车协同控制器传输的行车数据，读取领航车制动踏板行程，并跟随其变化，同时观测与前方车辆的实时车间距d，当d＞d₀时，减少制动行程，当d＜d₀时，加大制动行程。

优选的，还包括车辆Q的安全控制方法，具体如下：

(1)跟随车读取领航车信号灯信息，并通过跟随车信号灯控制模块对该车各种信号灯进行同步控制；

(2)跟随车读取领航车制动信息，根据领航车制动行程和相邻车间距对该车进行制动；

(3)主动安全控制信息，当领航车启动ABS、ESP，或触发安全气囊、预紧安全带时，跟随车越过该车控制模块直接同步启动相关模块。

优选的，还包括车辆Q的铰连件与充电模块控制方法，具体如下：

磁吸耦合件与后侧连接件可采用人工搭接或行驶时自动搭接的方式连接，关于行驶时自动搭接方式连接，需要成列行驶时，后方车辆在定位及转向模块的控制下主动跟随前方车辆运行，当前方车辆沿直线行驶时，前方车辆、后方车辆及铰连件运动于同一轴线上，当后方车辆不断靠近前方车辆时，磁吸耦合件与后侧连接件吸附耦合，并完成前方车辆与后方车辆之间的电源和信号的对接。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明在现有汽车智能控制的基础上，开发了一种自动成列行驶车辆系统及控制方法，实现车辆的成列行驶，可大幅减轻驾驶负荷，提升安全操控性能、降低行驶能耗，提升行驶里程；自动成列行驶车辆系统特有的流场特性可节能10％～30％，应用于电动车，大幅提升里程，应用于货车，大幅降低成本。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明所述的一种自动成列行驶车辆系统的结构示意图；

图2为本发明所述铰连件的结构示意图；

图3为本发明所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法中定位及转向模块工作流程图；

图4为本发明采用测距传感器确认前后车相对几何位置关系的原理图；

图5为本发明依据跟随车前轴中心点F_Q的坐标变化量推算从k-1时刻到k时刻坐标系的变化原理图；

图6为本发明变换坐标系时的原理图；

图7为本发明所述跟随车跟随领航车时拟合的行驶轨迹图；

图8为本发明所述铰连件对接前的车辆结构示意图。

其中：1、车辆，11、领航车，12、跟随车，13、摄像头，14、定位标记码A，15、定位标记码B；

2、铰连件，21、前侧连接件，22、后侧连接件，23、中间连杆，24、磁吸耦合件，25、顺直弹簧片，26、限位吸能块。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：

一种自动成列行驶车辆系统，包括若干成列行驶的车辆1、定位及转向控制模块、协同驱动与制动模块、安全模块、铰连件与充电模块。

如图1所示，若干成列行驶的车辆1，包括行驶于首位的领航车11和若干跟随车12，其中，设定车辆总数为N，N≥2，设定行车队列中第Q辆车的前轴中心点为F_Q，该第Q辆车记为车辆Q，1＜Q≤N，其中N和Q均为自然数；领航车11的前轴中心点为F₁；行驶时，领航车11有人驾驶或无人驾驶，跟随车12无人驾驶。

定位及转向控制模块，植入所有车辆1内，领航车11的定位转向由驾驶员完成，也可采用无人驾驶完成，跟随车12的转向控制由定位及转向控制模块自动完成，通过获取领航车11行驶过程中其前轴中心点F₁经过的一组坐标点，并据此拟合出各跟随车12前轴中心点F_Q的行驶轨迹，根据此行驶轨迹控制跟随车的转向；具体的，该定位及转向控制模块包括摄像头13，安装于车辆前部的若干定位标记码A14，陀螺仪，测距传感器，车速传感器，电动方向盘，电动转向机构，跟随车转向控制器，安装于车辆尾部的若干定位标记码B15；其中，安装于跟随车12上的摄像头13可以是双目摄像头，也可以是单目摄像头；行车队列中安装于车辆Q前部的一组定位标记码A14记为定位标记码A_Q，安装于车辆Q尾部的一组定位标记码B15记为定位标记码B_Q。

协同驱动与制动模块，跟随车12通过驱动和制动操作，保持与领航车11运动特性一致，运动特性包括速度、加速度等；具体的，包括跟随车车距传感器、跟随车电动油门踏板、跟随车电动制动踏板、领航车协同控制器、跟随车协同控制器；跟随车车距传感器可以是红外传感器、超声波传感器、激光传感器等非接触式传感器，也可以是接触式结构，如铰连式结构，通过测量铰连式结构各部件间的夹角及尺寸推算出车间距。

安全模块，包括领航车安全模块及跟随车控制模块，跟随车控制模块根据领航车安全模块发出的安全信息，对跟随车进行同步控制；其中，领航车安全模块中包括信号灯信息、制动信息、主动安全控制信息，其中信号灯信息包括转向灯信息、制动灯信息、紧急双跳灯信息、雾灯信息；跟随车控制模块包括跟随车信号灯控制模块、跟随车制动模块、跟随车安全气囊模块、跟随车安全带控制模块、跟随车紧急呼叫模块。

铰连件与充电模块，如图1、图2所示，铰连件2安装于相邻车辆1之间，包括前侧连接件21、后侧连接件22、中间连杆23、磁吸耦合件24、顺直弹簧片25；前侧连接件21固定于前方车辆后部，后侧连接件22固定于后方车辆前部，且呈喇叭状，用于实现导向作用；中间连杆23一端与前侧连接件21铰接，另一端与磁吸耦合件24铰接，磁吸耦合件24与后侧连接件22采用磁力吸附实现耦合，此时呈喇叭状的后侧连接件22在与磁吸耦合件24对接吸附时起导向作用；顺直弹簧片25共设置两处，一处安装于前侧连接件21与中间连杆23之间，另一处安装于磁吸耦合件24与中间连杆23之间；在没有外力的作用下，保证铰连件中的各部件沿同一轴线设置；充电模块具有内置于铰连件内的电源线及信号线，磁吸耦合件24与后侧连接件22吸附耦合时完成相邻车辆之间的电源和信号的对接。

作为进一步的优化，如图2所示，铰连件还包括一对限位吸能块26，一对限位吸能块26固定于中间连杆23上，并呈V字型设置，V字型开口方向朝向前方车辆；其功能是限制铰连件的运行范围，从而控制领航车11与跟随车12之间的车间距和姿态，防止两车发生碰撞；在紧急状况下，如领航车11发生碰撞，跟随车12追尾前方车辆时，限位吸能块26被压溃，中间连杆23折弯，可以起到吸能作用，从而在一定程度上起到对驾驶员、乘员的保护作用。

基于上述的一种自动成列行驶车辆系统，本发明还研制了一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，所述控制方法具体如下：

a、如图3所示，车辆Q的定位及转向控制方法：

(1)定义坐标系和时间序列，所有跟随车均以自身前轴中心点为坐标原点，定义车辆Q的前轴中心点为F_Q，并将其设定为车辆Q的坐标原点，建立坐标系Z_Q，其中沿车身方向且朝向车头的一侧为Y轴正方向，垂直于车身方向且朝向车身右侧为X轴正方向；定义任一时刻为k时刻，经过时间Δt后变为k+1时刻；

(2)初始化，k＝0，θ_Qk＝θ_Q0＝0，v_Qk＝v_Q0＝0；

(3)经过某一时间Δt后，时刻从k时刻变化为k+1时刻；

(4)解算在坐标系Z_Q下，领航车前轴中心点F₁的坐标值F₁(x₁，y₁)，具体方法为：

第一步：确定前Q辆车中，前后车相对几何位置关系，确定方法包括视觉定位、射频定位、超声定位、激光定位、机械定位中的任意一种或多种的组合；

第二步：根据上述获取的前后车相对几何位置关系，及车身尺寸链推算出在Z_Q坐标系下，F₁的坐标值F_1k(x_1k，y_1k)。

关于上述第一步中，可采用如下方法确认前后车相对几何位置关系：

结合图4所示，在车辆尾部设置两个测距传感器，即图中的S₁、S₂，且其与该车尾部中点的距离分别为L₁、L₂,并分别测出与后方车辆的距离为L₃、L₄；在车辆前部中心位置设置一个距离传感器，即图中的S₃，并测得与前方车辆尾部的距离为L₅；根据L₁、L₂、L₃、L₄、L₅可推算出前后车几何位置关系，即可确定前方车辆尾部两个测距传感器在其后方相邻车辆坐标系下的坐标值。

需要注意的是，为保证计算精度，三个测距传感器及前车尾部中点均设置于同一水平面内；同时，也可采用在车辆尾部中心位置设置一个距离传感器，在车辆前部设置两个距离传感器的方式。

关于上述第一步中，还可采用另一种方法确认前后车相对几何位置关系：

从第2辆车开始到第Q辆车，各跟随车上的摄像头同时对安装于其车身前部的定位标记码A和安装于前方车辆尾部的定位标记码B进行拍照，共解算出Q-1组后车前部定位标记码A与前车后部定位标记码B的几何位置关系，即：定位标记码A₂与B₁，A₃与B₂，……，A_Q与B_Q-1的几何位置关，其中领航车尾部的定位标记码B定义为B₁；

与之对应的第二步中，F₁的坐标值F_1k(x_1k，y_1k)的推算方法为：

定位标记码A_Q和定位标记码B_Q在坐标系Z_Q下是提前标定的，因此定位标记码A_Q和定位标记码B_Q的相对位置关系是确定的；基于此，领航车前轴中心点F₁与其尾部的定位标记码B₁的位置关系是已知的，同一跟随车前部的定位标记码A与尾部的定位标记码B之间的位置关系是已知的，即：A₂与B₂，A₃与B₃，……，A_Q-1与B_Q-1之间的几何位置关系是已知的；从而可以通过上述尺寸链解算出领航车前轴中心点F₁与车辆Q前部定位标记码A_Q之间的几何位置关系，由于定位标记码A_Q在坐标系Z_Q下的坐标值是已知的，据此可以解算出在k时刻下，领航车前轴中心点F₁在坐标系Z_Q下的坐标值F_1k(x_1k，y_1k)。

(5)如图5所示，推算从k-1时刻到k时刻坐标系Z_Q的变化参数，其中，F_QK-1为k-1时刻F_Q点的位置，F_QK为k时刻F_Q点的位置；解算从k-1时刻到k时刻车辆Q的转角θ_Qk，安装于车辆Q的车速传感器监测到其前轴中心点F_Q在k时刻的速度为v_Qk，解算出：

X轴变化量a＝-Δt*v_Qk*sinθ_Qk，

Y轴变化量b＝Δt*v_Qk*cosθ_Qk；

其中，车辆Q的转角θ_Qk的解算方法有如下两种：

第一，在车辆Q上安装陀螺仪，陀螺仪在k时刻监测到其角速度为ω_Qk，从k-1时刻到k时刻车辆Q的转角θ_Qk＝Δt*ω_Qk；

此方法中，关于X轴变化量中的“-”原因在于：通过陀螺仪对跟随车转角进行测量时，基于三维坐标系内，其中Z轴垂直于地面朝上，根据右手法则原理，当车辆向左转弯时，测量的转角为正值，而此时坐标在X轴方向的变化量为负值；当车辆向右转弯时，测量的角度为负值，而此时坐标在X轴方向的变化量为正值。

第二，在车辆Q上安装轮速传感器，轮速传感器在k时刻测出同一车轴左右车轮的轮速分别为v_a、v_b，通过轮速差及轮间距L₆推算出转角

此方法中，关于X轴变化量中的“-”原因在于：由于车辆左轮轮速为v_a，右轮轮速为v_b，当车辆左转时，v_a＜v_b，此时计算的转角为正值，而此时坐标在X轴方向的变化量为负值；当车辆向右转弯时，计算的角度为负值，而此时坐标在X轴方向的变化量为正值。

(6)变换坐标系Z_Q，将k-1时刻前，且包含k-1时刻，F₁(F_1k-1,F_1k-2,…,F_1k-n)的坐标值变换成当前k时刻坐标系的坐标值，其中，坐标原点由F_Qk-1变换到F_Qk，坐标系的转角θ_Qk，经变换的X轴和Y轴坐标值分别为:

x_1m’＝(x_1m-a)*cosθ_Qk+(y_1m-b)*sinθ_Qk，

y_1m’＝(y_1m-b)*cosθ_Qk-(x_1m-a)*sinθ_Qk；

其中，m取值依次为k-1，k-2，……，k-n，且保证y_1m’＞0，当y_1m’＜0时，此时该点已经在跟随车前轴的后方；

同时，(x_1m，y_1m)为F₁点在原坐标系下的坐标值，即以F_Qk-1为原点的坐标系下的坐标值；(x_1m’，y_1m’)为F₁点在变换后的坐标系下的坐标值，即以F_Qk为原点的坐标系下的坐标值；上述两个坐标值属于F₁点同一时刻下在不同坐标系内的坐标值；

具体的，结合图6所示，以m＝k-1为例，坐标系由x₁y₁变换为x₃y₃，经历了坐标系的平移与旋转，因此增加辅助坐标系x₂y₂，F₁由x₁y₁坐标系变换至x₂y₂坐标系下时，x_1m’＝(x_1m-a)，y_1m’＝(y_1m-b)，之后由x₂y₂坐标系旋转至x₃y₃坐标系时，以横轴x_1m为例，并以两个具有阴影的三角形做辅助，图示中线段“Ⅰ”与线段“Ⅱ”的长度之和为F₁在x₃y₃坐标系下的x轴坐标，其中线段“Ⅰ”的长度为(x_1m-a)*cosθ_Qk，线段“Ⅱ”的长度为(y_1m-b)*sinθ_Qk，因此：

x_1m’＝(x_1m-a)*cosθ_Qk+(y_1m-b)*sinθ_Qk；

同理，图示中线段“Ⅲ”与线段“Ⅳ”的长度之差为F₁在x₃y₃坐标系下的y轴坐标，其中线段“Ⅲ”的长度为(y_1m-b)*cosθ_Qk，线段“Ⅳ”的长度为(x_1m-a)*sinθ_Qk，因此：

y_1m’＝(y_1m-b)*cosθ_Qk-(x_1m-a)*sinθ_Qk；

(7)若车辆退出成列行驶状态，步骤结束；若车辆继续成列行驶，回到步骤(3)。

b、车辆Q的跟随车转向控制器、电动方向盘的控制方法：

基于任一跟随车的坐标系Z_Q，其定位及转向模块均能确定领航车行驶过程中前轴中心点F₁在该坐标系下经过的一组坐标点，F_1k,F_1k-1,F_1k-2,…,F_1k-n；每辆跟随车依据对应得到的这组坐标点的坐标值，拟合出各自对应的行驶轨迹，并据此行驶轨迹控制安装于该车的电动方向盘的转向。

结合图7所示，跟随车的行驶轨迹拟合方法为，该行驶轨迹以跟随车前轴中心点F_Q为起点，参照领航车前轴中心点F₁经过点的坐标，拟合出一条曲线轨迹，F₁经过的各点坐标到该曲线轨迹的偏差值小于设定值e，通常情况下e≤10cm，但不仅限于该范围值；同时，该曲线轨迹的总曲率变化尽量小，即电动方向盘在行驶过程中总转角最小；曲线轨迹解算完成后，该曲线轨迹即为跟随车的行驶轨迹，跟随车转向控制器则对电动方向盘进行控制。

车辆Q还具有其它任一轴，设定其中心点为F_Q’，并以该点为坐标原点，X轴、Y轴与坐标系Z_Q同向，建立坐标系Z_Q’,定位及转向模块均能确定领航车行驶过程中前轴中心点F₁在该坐标系Z_Q’下经过的一组坐标点，F_Q’依据对应得到的这组坐标点的坐标值，拟合出对应的行驶轨迹，并据此轨迹控制与该轴对应的电动转向机构，使该轴中心点F_Q’按此轨迹行驶。

c、车辆Q的协同驱动与制动控制方法：

通过采集领航车BCU信息进行控制，具体控制方法为：

(1)领航车协同控制器、跟随车协同控制器分别采集对应车辆车速、制动踏板行程、油门踏板行程数据，并且具有信息传递功能；

(2)设定车间距为d₀，行驶时，跟随车读取领航车油门踏板行程，并跟随其变化，同时观测与前方车辆的实时车间距d，当d＜d₀时，减小油门行程，当d＞d₀时，加大油门行程；

(3)设定车间距为d₀，制动时，跟随车读取领航车协同控制器传输的行车数据，读取领航车制动踏板行程，并跟随其变化，同时观测与前方车辆的实时车间距d，当d＞d₀时，减少制动行程，当d＜d₀时，加大制动行程。

d、车辆Q的安全控制方法：

(1)跟随车读取领航车信号灯信息，并通过跟随车信号灯控制模块对该车各种信号灯进行同步控制；

(2)跟随车读取领航车制动信息，根据领航车制动行程和相邻车间距对该车进行制动；当领航车制动行程超过某一设定值s时，例如s＝90％，跟随车直接将制动行程运行至100％；当车间距d小于某一安全值d₁时，无论领航车是否处于行驶或制动状态，都开始制动，跟随车随d值的减少而加大制动行程，直至d＞d₁；

(3)主动安全控制信息，当领航车启动ABS、ESP，或触发安全气囊、预紧安全带时，跟随车越过该车控制模块直接同步启动相关模块。

e、车辆Q的铰连件与充电模块控制方法：

磁吸耦合件24与后侧连接件22可采用人工搭接或行驶时自动搭接的方式连接，关于行驶时自动搭接方式连接，需要成列行驶时，后方车辆在定位及转向模块的控制下主动跟随前方车辆运行，如图8所示当前方车辆沿直线行驶时，前方车辆、后方车辆及铰连件运动于同一轴线上，当后方车辆不断靠近前方车辆时，磁吸耦合件24与后侧连接件22吸附耦合，并完成前方车辆与后方车辆之间的电源和信号的对接；本发明定位精度在毫米级，所以在车辆进行低速行驶时，很容易实现自动对接。

综合一种自动成列行驶车辆系统及控制方法，用于实现在无轨的条件下，实现领航车有人驾驶，其余跟随车主动寻迹无人驾驶，从而大幅的降低了驾驶员的劳动成本；如果仅两车成列，则两车由原来的两人驾驶变为一人驾驶，驾驶员成本降低50％，三车成列则降低67％，五车成列降80％；在降低能耗方面，当车辆成列行驶时，依据空气动力学原理，其平均风阻会降低；以某一特定车型轿车为例，单车行驶时，风阻系数为0.372；两车成列行驶时，平均风阻系数为0.32；五车成列时，平均风阻系数仅为0.24，两车成列和五车成列分别可节能15％～30％以上；在道路通行效率方面，车辆成列行驶后，显然会使平均车距变小，故通行效率会显著提升，且道路的拥堵状况也会有明显改善，进一步提升车辆的运行速度，节约能源消耗。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明，因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (16)

1.一种自动成列行驶车辆系统，其特征在于，包括：

若干成列行驶的车辆，包括行驶于首位的领航车和若干跟随车，其中，设定所述车辆总数为N，N≥2，设定行车队列中第Q辆车的前轴中心点为F_Q，该第Q辆车记为车辆Q，1＜Q≤N，其中N和Q均为自然数；领航车的前轴中心点为F₁；

定位及转向控制模块，植入所有车辆内，基于各跟随车自身坐标系，通过获取领航车行驶过程中其前轴中心点F₁经过的一组坐标点，并据此拟合出各跟随车前轴中心点F_Q的行驶轨迹，根据此行驶轨迹控制跟随车的转向；

协同驱动与制动模块，跟随车通过驱动和制动操作，保持与领航车运动特性一致。

2.根据权利要求1所述的一种自动成列行驶车辆系统，其特征在于：所述定位及转向控制模块，包括摄像头，安装于车辆前部的若干定位标记码A，陀螺仪，测距传感器，车速传感器，电动方向盘，电动转向机构，跟随车转向控制器，安装于车辆尾部的若干定位标记码B；其中行车队列中安装于车辆Q前部的一组定位标记码A记为A_Q，安装于车辆Q尾部的一组定位标记码B记为B_Q；

所述协同驱动与制动模块，包括安装于各跟随车上的跟随车车距传感器、跟随车电动油门踏板、跟随车电动制动踏板、领航车协同控制器、跟随车协同控制器。

3.根据权利要求1所述的一种自动成列行驶车辆系统，其特征在于：还包括安全模块，所述安全模块包括领航车安全模块及跟随车控制模块；所述跟随车控制模块根据领航车安全模块发出的安全信息，对跟随车进行同步控制。

4.根据权利要求3所述的一种自动成列行驶车辆系统，其特征在于：所述领航车安全模块中包括信号灯信息、制动信息、主动安全控制信息，其中所述信号灯信息包括转向灯信息、制动灯信息、紧急双跳灯信息、雾灯信息；所述跟随车控制模块包括跟随车信号灯控制模块、跟随车制动模块、跟随车安全气囊模块、跟随车安全带控制模块、跟随车紧急呼叫模块。

5.根据权利要求1所述的一种自动成列行驶车辆系统，其特征在于：还包括铰连件与充电模块；

所述铰连件安装于相邻车辆之间，包括前侧连接件、后侧连接件、中间连杆、磁吸耦合件、顺直弹簧片；所述前侧连接件固定于前方车辆后部，所述后侧连接件固定于后方车辆前部，所述中间连杆一端与前侧连接件铰接，另一端与磁吸耦合件铰接，所述磁吸耦合件与后侧连接件采用磁力吸附实现耦合；所述顺直弹簧片共设置两处，一处安装于前侧连接件与中间连杆之间，另一处安装于磁吸耦合件与中间连杆之间；

所述充电模块具有内置于铰连件内的电源线及信号线，所述磁吸耦合件与后侧连接件吸附耦合时完成相邻车辆之间的电源和信号的对接。

6.根据权利要求5所述的一种自动成列行驶车辆系统，其特征在于：所述铰连件还包括一对限位吸能块，一对所述限位吸能块固定于中间连杆上，并呈V字型设置，V字型开口方向朝向前方车辆。

7.基于权利要求1-6任一项的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法具体如下：

a、车辆Q的定位及转向控制方法：

（1）定义坐标系和时间序列，所有跟随车均以自身前轴中心点为坐标原点，定义车辆Q的前轴中心点为F_Q，并将其设定为车辆Q的坐标原点，建立坐标系Z_Q，其中沿车身方向且朝向车头的一侧为Y轴正方向，垂直于车身方向且朝向车身右侧为X轴正方向；定义任一时刻为k时刻，经过时间Δt后变为k+1时刻；

（2）初始化，k=0，θ_Qk=θ_Q0=0，v_Qk=v_Q0=0；

（3）经过某一时间Δt后，时刻从k时刻变化为k+1时刻；

（4）解算在坐标系Z_Q下，领航车前轴中心点F₁的坐标值F_1k（x_1k，y_1k）；

（5）推算从k-1时刻到k时刻坐标系Z_Q的变化参数，其中，解算从k-1时刻到k时刻车辆Q的转角θ_Qk，安装于车辆Q的车速传感器监测到其前轴中心点F_Q在k时刻的速度为v_Qk，解算出：

X轴变化量a=-Δt*v_Qk*sinθ_Qk，

Y轴变化量b=Δt*v_Qk*cosθ_Qk；

（6）变换坐标系Z_Q，将k-1时刻前，且包含k-1时刻获取的轨迹点F₁（F_1k-1，F_1k-2，…，F_1k-n）在k-1时刻的坐标值变换成当前k时刻坐标系的坐标值，其中，坐标原点由F_Qk-1变换到F_Qk，坐标系的转角θ_Qk，经变换的X轴和Y轴坐标值分别为:

x_1m’=（x_1m-a）*cosθ_Qk+（y_1m-b）*sinθ_Qk，

y_1m’=（y_1m-b）*cosθ_Qk-（x_1m-a）*sinθ_Qk；

其中，m取值依次为k-1，k-2，……，k-n，且保证y_1m’＞0，当y_1m’＜0时，此时该点已经在跟随车前轴的后方；

（7）若车辆退出成列行驶状态，步骤结束；若车辆继续成列行驶，回到步骤（3）；

b、车辆Q的跟随车转向控制器、电动方向盘的控制方法：

基于任一跟随车的坐标系Z_Q，其定位及转向模块均能确定领航车行驶过程中前轴中心点F₁在该坐标系下经过的一组坐标点，F_1k,F_1k-1,F_1k-2,…,F_1k-n；每辆跟随车依据对应得到的这组坐标点的坐标值，拟合出各自对应的行驶轨迹，并据此行驶轨迹控制安装于该车的电动方向盘的转向；

c、车辆Q的协同驱动与制动控制方法：

通过采集领航车BCU信息进行控制。

8.根据权利要求7所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：所述车辆Q还具有其它任一轴，设定其中心点为F_Q’，并以该点为坐标原点，X轴、Y轴与坐标系Z_Q同向，建立坐标系Z_Q’,定位及转向模块均能确定领航车行驶过程中前轴中心点F₁在该坐标系Z_Q’下经过的一组坐标点，F_Q’依据对应得到的这组坐标点的坐标值，拟合出对应的行驶轨迹，并据此轨迹控制与该轴对应的电动转向机构，使该轴中心点F_Q’按此轨迹行驶。

9.根据权利要求7所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：所述车辆Q的定位及转向控制方法中，步骤（4）中，解算在坐标系Z_Q下，领航车前轴中心点F₁的坐标值F₁（x₁，y₁）的方法为：

（1）确定前Q辆车中，前后车相对几何位置关系，确定方法包括视觉定位、射频定位、超声定位、激光定位、机械定位中的任意一种或多种的组合；

（2）根据上述获取的前后车相对几何位置关系，及车身尺寸链推算出在Z_Q坐标系下，F₁的坐标值F_1k（x_1k，y_1k）。

10.根据权利要求9所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中，前后车相对几何位置关系的确认方法为：

在车辆尾部设置两个测距传感器，且其与该车尾部中点的距离分别为L₁、L₂,并分别测出与后方车辆的距离为L₃、L₄;

在车辆前部中心位置设置一个距离传感器，并测得与前方车辆尾部的距离为L₅；

根据L₁、L₂、L₃、L₄、L₅可推算出前后车几何位置关系，即可确定前方车辆尾部两个测距传感器在其后方相邻车辆坐标系下的坐标值。

11.根据权利要求9所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中，前后车相对几何位置关系确认的方法为：

从第2辆车开始到第Q辆车，各跟随车上的摄像头同时对安装于其车身前部的定位标记码A和安装于前方车辆尾部的定位标记码B进行拍照，共解算出Q-1组后车前部定位标记码A与前车后部定位标记码B的几何位置关系，即：定位标记码A₂与B₁，A₃与B₂，……，A_Q与B_Q-1的几何位置关系,其中领航车尾部的定位标记码B定义为B₁；

所述步骤（2）中，F₁的坐标值F_1k（x_1k，y_1k）的推算方法为：

定位标记码A_Q和定位标记码B_Q在坐标系Z_Q下是提前标定的，因此定位标记码A_Q和定位标记码B_Q的相对位置关系是确定的；基于此，领航车前轴中心点F₁与其尾部的定位标记码B₁的位置关系是已知的，同一跟随车前部的定位标记码A与尾部的定位标记码B之间的位置关系是已知的，即：A₂与B₂，A₃与B₃，……，A_Q-1与B_Q-1之间的几何位置关系是已知的；从而可以通过上述尺寸链解算出领航车前轴中心点F₁与车辆Q前部定位标记码A_Q之间的几何位置关系，由于定位标记码A_Q在坐标系Z_Q下的坐标值是已知的，据此可以解算出在k时刻下，领航车前轴中心点F₁在坐标系Z_Q下的坐标值F_1k（x_1k，y_1k）。

12.根据权利要求7所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：所述车辆Q的定位及转向控制方法中，步骤（5）中，车辆Q的转角θ_Qk的解算方法为：

在车辆Q上安装陀螺仪，陀螺仪在k时刻监测到其角速度为ω_Qk，从k-1时刻到k时刻车辆Q的转角θ_Qk=Δt*ω_Qk。

13.根据权利要求7所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：所述车辆Q的定位及转向控制方法中，步骤（5）中，车辆Q的转角θ_Qk的解算方法为：

在车辆Q上安装轮速传感器，轮速传感器在k时刻测出同一车轴左右车轮的轮速分别为v_a、v_b，通过轮速差及轮间距L₆推算出转角θ_Qk= arcsin[Δt* (v_b-v_a)/ L₆]。

14.根据权利要求7所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：所述协同驱动与制动模块工作时，通过采集领航车BCU信息进行控制的方法为：

（1）领航车协同控制器、跟随车协同控制器分别采集对应车辆车速、制动踏板行程、油门踏板行程数据，并且具有信息传递功能；

（2）设定车间距为d₀，行驶时，跟随车读取领航车油门踏板行程，并跟随其变化，同时观测与前方车辆的实时车间距d，当d＜d₀时，减小油门行程，当d＞d₀时，加大油门行程；

（3）设定车间距为d₀，制动时，跟随车读取领航车协同控制器传输的行车数据，读取领航车制动踏板行程，并跟随其变化，同时观测与前方车辆的实时车间距d，当d＞d₀时，减少制动行程，当d＜d₀时，加大制动行程。

15.根据权利要求7所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：还包括车辆Q的安全控制方法，具体如下：

（1）跟随车读取领航车信号灯信息，并通过跟随车信号灯控制模块对该车各种信号灯进行同步控制；

（2）跟随车读取领航车制动信息，根据领航车制动行程和相邻车间距对该车进行制动；

（3）主动安全控制信息，当领航车启动ABS、ESP，或触发安全气囊、预紧安全带时，跟随车越过该车控制模块直接同步启动相关模块。

16.根据权利要求7所述的一种自动成列行驶车辆系统的控制方法，其特征在于：还包括车辆Q的铰连件与充电模块控制方法，具体如下：

磁吸耦合件与后侧连接件可采用人工搭接或行驶时自动搭接的方式连接，关于行驶时自动搭接方式连接，需要成列行驶时，后方车辆在定位及转向模块的控制下主动跟随前方车辆运行，当前方车辆沿直线行驶时，前方车辆、后方车辆及铰连件运动于同一轴线上，当后方车辆不断靠近前方车辆时，磁吸耦合件与后侧连接件吸附耦合，并完成前方车辆与后方车辆之间的电源和信号的对接。

Images