CN116039762A - 一种队列行驶的多轴车辆系统及其转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种队列行驶的多轴车辆系统，包括行驶于首位的领航车，跟随领航车行驶的若干跟随车，转向控制模块、铰连机构和阻尼装置；所述各车辆均具有多个车轴，且只有前轴具有转向功能；本发明还包括一种队列行驶的多轴车辆系统的转向控制方法，使各车辆保持同轨迹行驶。本发明使仅具单轴转向功能的多轴车辆在队列行驶时获得恰当的运动自由度，能够保持协同稳定的运动关系，可有效控制行车队列的轨迹偏差，降低系统控制的复杂度，优化车辆的安全性。

Description

一种队列行驶的多轴车辆系统及其转向控制方法

技术领域

本发明涉及车辆工程技术领域，特别涉及一种队列行驶的多轴车辆系统及其转向控制方法。

背景技术

车辆队列行驶是提升交通效率，降低交通成本的重要手段。近年来，车辆间同轨迹行驶技术有所发展，但通常需要建设地基定位靶标等车路协同设施，或是需要对车辆各车轮转向角等进行精准测量和控制，相关技术或是需要巨额投资，或是因技术难度较大，测量控制精度较低而难以推广应用。同时，为保障队列行驶车辆间距稳定和行车安全，可采用雷达测距、主动加减速等方式控制前后车辆的距离，但该技术对系统延时、通信系统的兼容性保密性具有极高的要求，目前相关技术尚不成熟。为保障车辆安全，可将前后车辆通过铰连机构进行铰接，依据车辆运动原理，车辆铰连后，对于具有多个车轴的大载运量车辆，需使每个车轮均具有转向功能才能保障车辆的运动协同和运行平稳，这对相关测量器件、控制模块的精度要求极高，相关成本和系统复杂度成倍提升，且一旦出现测量、计算和控制偏差将导致车辆受力扭曲，车辆测滑等安全风险；同时全轴转向的车辆并不常见，且相关部件系统成本昂贵，难以推广应用。为使仅前轴具有转向功能的多轴车辆实现稳定队列行驶，在保障行车队列的稳定运行和行车安全的前提下，降低车辆系统的复杂度和相关成本，本发明提出了一种队列行驶的多轴车辆系统及其转向控制方法，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：提供一种队列行驶的多轴车辆系统及其转向控制方法，以解决现有技术中难以实现仅单轴转向的多轴车辆队列行驶时，设施设备投入巨大、车辆控制系统复杂度高、控制精度低、安全稳定性不足等问题。

本发明的技术方案是：一种队列行驶的多轴车辆系统，其创新点在于：包括行驶于首位的领航车、跟随领航车行驶的若干跟随车，植入各车辆用于控制各跟随车转向的转向控制模块、用于连接前后相邻车辆并保持前后车辆运动平衡的铰连机构、用于保障车辆安全的阻尼装置；所述铰连机构具有前后两个铰接运动副，分别称为前铰接副和后铰接副；

所述领航车和所述跟随车均具有多个车轴，且各车辆只有前轴具有转向功能，称为转向轴；其余车轴均不具有转向功能，称为非转向轴；

一种队列行驶的多轴车辆系统，还应包括同步制动模块、同步驱动模块、信号灯同步模块和通讯模块，以保持前后车辆同步制动驱动和信号灯同步；相关技术是现有成熟技术，在此不详述；

所述领航车可人工驾驶，也可自动驾驶；可为各后方跟随车辆规划合理的行驶轨迹，引领后方车辆跟随其行驶；通过所述通信模块向后方车辆发出同步驱动制动和信号灯同步指令；

各车辆中，选取任一车辆为基准车，选取所述基准车任一非转向轴为基准轴，该基准轴中心点称为基准点；所述基准车还包括陀螺仪和速度计，分别用于测量所述基准车的水平旋转角速度和所述基准点的速度；

定义基准坐标系，其中，基准点为坐标原点，在水平面内，朝向基准车前方为Y轴正方向，朝向基准车右侧为X轴正方向；

所述转向控制模块的作用是，基于基准坐标系，获取各跟随车与领航车的轨迹偏差，并据此控制各跟随车转向，以控制各跟随车与领航车的轨迹偏差。

优选的，所述转向控制模块包括定位模块和轨迹控制模块；

定位模块，其作用是，基于基准坐标系获取各车辆前轴中心点的实时坐标信息；具体的定位方法包括机器视觉定位、激光定位、射频定位等方法，均是现有成熟技术，在此不赘述；

轨迹控制模块，其作用是，基于基准坐标系，解算领航车前轴中心点运行轨迹，并根据各跟随车前轴中心点位置坐标与该轨迹的偏差，控制各跟随车转向，使各跟随车前轴中心点沿该轨迹行驶。

优选的，所述铰连机构包括前铰连件、后铰连件和中间铰连件，所述前铰连件与其前方车辆尾部固定连接，所述后铰连件与其后方车辆前部固定连接，所述中间铰连件的两端分别与所述前铰连件和所述后铰连件铰接，并形成前后两个铰接运动副，分别称为前铰接副和后铰接副。

优选的，所述阻尼装置包括液压减震器、万向连接件；所述液压减震器的一端通过所述万向连接件与所述铰连机构中的中间铰连件连接，另一端通过所述万向连接件与该铰连机构前方的车辆或该铰连机构后方的车辆连接；所述阻尼装置的两端还可以通过万向连接件分别与其前方车辆和后方车辆连接；

所述液压减震器包括：工作缸、插入所述工作缸的中空活塞、位于所述中空活塞端面的节流孔以及充满所述中空活塞和所述工作缸的液压油；

当所述液压减震器被压缩或拉伸时，所述中空活塞在所述工作缸内运动，所述液压油会通过所述节流孔在所述中空活塞及所述工作缸间流动并在所述节流孔的两端形成压强差，从而使所述液压减震器在被拉伸或被压缩过程中产生阻尼力；根据流体动力学原理和伯努利方程，所述压强差与液体通过所述节流孔的速度平方成正比，故当所述液压减震器长度变化越快时，通过所述节流孔的液体流速越快；所述中空活塞及所述工作缸之间的液体压强差越大，即所述液压减震器产生的阻尼力越大，反之越小；

本发明所述的阻尼装置正是基于这一流体动力学原理，不同于弹簧等阻尼装置，本发明所述阻尼装置产生的阻尼力与机构的变形量并不直接相关，而是与所述阻尼装置的变形速度正相关。当车辆正常转弯时，所述中间铰连件与前后车辆间会发生角度变化，并带动所述液压减震器长度变化，但此时所述角度及所述长度的变化速度比较缓慢，相应的阻尼力较小，不会影响所述铰连机构的正常工作及车辆的正常行驶；但在领航车紧急制动或碰撞等危险状况发生的瞬间，后方的车辆会因惯性急速冲向前方车辆，并带动所述中间铰连件急速运动，并使所述液压减震器长度急速变化，从而使所述阻尼装置产生巨大阻尼力，吸收车辆间的冲击能量，并使车辆保持姿态稳定，减少行车队列发生严重折叠、大副偏离原有车道等危险状况的发生概率。

就力学特性而言，当车辆正常行驶时，本发明提出的所述阻尼装置几乎不起阻尼作用；而当前车发生紧急制动、碰撞等危险情况时，所述阻尼装置可产生巨大阻尼力，有效限制所述铰连机构的运动，从而使各车辆保持姿态稳定，防止危险状况的发生。

优选的，所述跟随车包括线控转向机构；所述线控转向机构设置于所述跟随车前轴，通过所述转向控制模块控制各跟随车前轮沿所述领航车前轮轨迹行驶；

在车辆转弯时，由于所述非转向轴及其对应的非转向轮不具有转向功能，所述非转向轮通常也不与所述领航车前轮运行于同一轨迹，此时所述铰连机构的前、后两个铰接副通常也不运行于同一轨迹；而传统的铰连机构在水平投影面内只有一个铰接副，故在本发明中，不能采用传统的铰连机构将与前后车辆位置固定的两个运动轨迹不同的铰接副连接在一起，否则会造成车辆受力扭曲和车轮侧滑等安全隐患；而是使用本发明提出的所述铰连机构，采用所述中间铰连件将前后两个铰接副连接，充许其运动于不同轨迹，以保持车辆的稳定运行；

就平面运动机构自由度原理而言，队列行驶车辆系统可以抽象为水平投影面内的运动机构，各车辆和中间铰连件为运动构件，铰接副、车轮可抽象为运动副；其中所述铰接副为低副，车辆转弯时沿不同轨迹行驶的前、后车轮为高副；当车辆后方具有多个非转向轴时，属于不同车轴且距离较近的相邻车轮可等效为一个对车辆的高副约束；在某一瞬时，车辆应仅有一个速度瞬心，前轴车轮的实际运动方向与后方任一车轴对应车轮的实际运动方向即可确定车辆瞬心，其余车轴及对应车轮对车辆不起实质约束作用，是虚约束；或可理解为不具有转向功能的后方各车轮实际上克服轮胎钢度产生微小车轮偏转，并实质上对车辆共同形成了一个高副约束；依据平面机构自由度方程，机构自由度=3*构件数量-2*低副-高副；所述领航车受其前轮和后轮两高副约束，其自由度为3*1-2共1个；所述领航车后每增加一辆所述跟随车需同时增加一套所述铰连机构并形成跟随车组合体；所述跟随车组合体包括所述跟随车及所述中间铰连件共两个运动构件，受到前铰接副和后铰接副两低副运动副，前轮转向轮和后轮非转向轮两高副运动副约束；其自由度为3*2-2*2-2恰好等于0个，故增加所述跟随车组合体的数量时，车辆运动机构的总自由度始终等于1；在车辆运动机构中，领航车是唯一的原动构件，由机构运动原理可知，当原动机构的数量与机构自由度相等时，可实现各构件间协同且确定的运动关系；本发明基于运动学原理，通过对车辆系统的巧妙设计形成的所述运动机构的总自由度数量和作为唯一原动机构的领航车的数量始终都等于1，故完全可实现车辆间协同且确定的运动关系。

同样基于平面运动机构自由度原理，在水平投影面内，所述阻尼装置同样可抽象为运动机构；每增加一套所述液压减震器，同时增加了所述中空活塞、工作缸两个运动构件，中空活塞与工作缸形成的一个低副滑移运动副，以及两个万向连接件形成的两个低副铰接副，增加的自由度等于3*2-2*3恰好也是0个；故车辆正常行驶时，所述阻尼装置不会影响车辆运动系统的总自由度和协同运动关系；但是当车辆发生碰撞等紧急情况时，所述液压减震器会产生巨大的阻尼力，从而在一定程度上锁定所述工作缸与中空活塞间的相对滑移运动，此时液压减震器相当于一个钢性构件，受前后两个低副万向连接件约束，总自由度为3*1-2*2等于-1个；因此当碰撞等紧急情况发生时，每个阻尼装置均会限制车辆运动机构的自由度，使车辆运动系统总体自由度小于0；因此，在以百分之一秒为单位的碰撞瞬间，所述阻尼装置在相当程度上起到了对车辆运动系统的瞬间锁定作用，能够使车辆系统实现自我锁定并保持位姿稳定；在其它ABS、ESP、EBD等安全控制系统因延时等因素无法瞬时启动之前，所述阻尼装置使队列行驶车辆系统产生了内在稳定性，保障车辆安全稳定运行。

就车辆的运动学原理而言，车辆在行驶过程中，任意两相邻车辆中，行驶于前方的车辆记为前方车辆，行驶于后方的车辆记为后方车辆，所述前方车辆的运动状态可确定其运动瞬心及与其尾部位置固定的所述前铰接副速度的大小和方向；后方车辆前轮跟随领航车前轮轨迹行驶，由所述转向控制模块确定所述后方车辆前轮的运动方向，所述后方车辆非转向轮的方向与车体固定，从而可确定所述后方车辆的运动瞬心，进而确定与所述后方车辆前部位置固定的所述后铰接副的速度方向；前后两个铰接副的速度方向确定后，可以确定所述中间铰连件的速度瞬心、瞬时角速度和所述后铰接副的速度大小，进而推算出所述后方车辆前轮、后轮的速度大小。因此，本发明提出的具有两个铰接副的铰连机构和仅单轴具有转向功能的车辆组成的队列行驶车辆系统完全符合车辆运动学原理，前后车辆及中间铰连件之间能够建立起相互协同的运动关系和相互关联的运动参数。该系统能够有效避免队列行驶的各车辆间发生运动失稳和受力扭曲等安全风险。与之相反，若采用现有技术中只有一个铰接副的铰连机构，因相关车辆系统不符合运动学原理，无法建立起前后车辆间的运动关系模型，更无法保障车辆的平稳安全运行。

当前车发生紧急制动等危险情况时，后方车辆会冲向前方车辆，由车辆运动学原理及以上分析可知，所述后方车辆的速度与前方车辆速度存在明显的关联关系。正常情况下，在紧急制动的瞬间，各车辆车轮方向和速度方向不会改变，各车辆速度瞬心也不会变化；当前方车辆因紧急制动速度突然降低时，其绕速度瞬心的角速度也随之减小，并带动所述中间铰连件、所述后方车辆绕各自速度瞬心的角速度变小，同时后方车辆及各车轮的速度都应减小。因此，就车辆运动学而言，本发明提出的队列行驶车辆系统可以保障车辆在紧急制动时前后车辆同时减速，保障行车安全。

就车辆力学特性而言，当前方车辆突然制动时，后方车辆因惯性冲向前方车辆，使所述中间连接件受到冲击压力；依据牛顿运动定律，与车辆前后相连的两个所述中间铰连件会向该车辆前后施加一组反作用力，当两个所述中间铰连件与车辆前后方向存在一定角度时，所述一组反作用力存在沿车辆左右方向的一组侧向分力，所述一组侧向分力会对该车辆形成一个旋转力矩，称为第一旋转力矩；与此同时该车辆前后车轮会在所述第一旋转力矩的作用下，与地面间产生一组对应的静摩擦力，该组静摩擦力也对车辆产生与所述第一旋转力矩平衡的第二旋转力矩；第一、第二旋转力矩的平衡作用可保障车辆的侧向稳定性，保持车辆的姿态平稳；另外，所述阻尼装置也会在发生紧急制动时对所述中间铰连件产生巨大阻尼力，阻止其与车辆前后方向的夹角增大，避免所述侧向分力及所述第一转向力矩继续增加，进一步保障车辆的安全稳定性能；

优选的，跟随车的多个车轴中，所述转向轴设置于跟随车前部且位于该车质心之前，所述非转向轴均设置于所述跟随车质心之后，以保证车辆转弯时，不具转向功能的非转向轴获得足够的转向力矩；

所述跟随车辆在转弯时，虽然所述后方非转向轴及对应的非转向轮不具有转向功能，但依据运动学原理，后方非转向轮仍然会在所述转向轮的带动下克服轮胎钢度发生方向偏转，这需要较大的转向力矩；前轮转向轮在转向时，会向所述跟随车施加一个侧向分力，该侧向分力乘以前轴转向轴到后方非转向轴的距离，即作用力臂，就得到了后轮非转向轮的转向力矩；显然，前轴转向轴与后轴非转向轴的距离越远，转向力矩越充足；本发明中，将前轴转向轴设置于所述跟随车的前端，将所述非转向轴设置于所述跟随车的质心之后，可保证所述力臂的长度，从而保证所述转向力矩的充足；

各非转向轴距离所述跟随车尾部的平均距离应控制在所述跟随车长度的30%-40%之间，以减少同一车辆中，与该车位置固定的所述后铰接副和所述前铰接副的轨迹偏差，同时兼顾所述跟随车各车轴的载荷平衡；

依据车辆运动学原理，在本发明中，车辆转弯时，当所述跟随车前轴转向轴位置确定后，后轴非转向轴自车尾向车辆中间移动过程中，与所述跟随车前后位置固定的两个铰接副的轨迹差逐渐变小；但若后轴非转向轴的位置接近车辆中间时，车辆载荷会集中于后方车轴，可通过增加所述非转向轴的数量或单轴车轮数量的方式改善前后轴及车轮间的载荷平衡；综合考虑前后轴载荷分布，车体结构空间，以及前后铰接副轨迹偏差等因素，设定所述非转向轴距所述跟随车尾部的平均距离为所述跟随车长度的30%-40%。

优选的，所述跟随车还包括驱动机构，所述驱动机构设置于跟随车的任意车轴，用于为车辆提供动力；所述驱动机构包括驱动电机、传动机构和驱动轮；所述驱动电机与所述驱动轮通过所述传动机构连接；在具体的工程实践中，所述传动机构的具体形式是成熟技术，在此不赘述；所述驱动机构可以设置于一个车轴，也可以设置于多个车轴；

在所述跟随车上设置驱动机构不仅可使行车队列驱动力更加均衡，动力性能得以优化；同时相较于只在领航车设置集中驱动机构的情况，在所述跟随车设置动力机构增加了所述跟随车的动力来源，减少了车辆间的牵引作用力及其侧向分力，特别是车辆转弯时，车辆间牵引力的侧向分力较大，因此，车辆间牵引力的减小可有效减小车辆所受的侧向力，并降低车辆侧滑侧倾的风险，改善了车辆的安全性能；

所述跟随车还应包括制动机构和信号灯；所述驱动机构、制动机构和信号灯通过所述通信模块接收所述领航车指令，控制所述跟随车保持与所述领航车同步制动驱动和信号灯同步；相关技术是现有成熟技术，在此不详述。

基于上述一种队列行驶的多轴车辆系统，本发明还研发了一种队列行驶的多轴车辆系统的转向控制方法，具体步骤如下：

（1）定义基准坐标系和时间序列，以所述基准车的基准点为坐标原点，在水平投影面内，朝向车头方向为Y轴正方向，朝向车身右侧为X轴正方向，建立基准坐标系；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；

（3）经过某一时间Δt后，k=k+1；

（4）定位模块解算在当前k时刻基准坐标系下，各车辆前轴中心点F_N的坐标值F_Nk（x_Nk，y_Nk）,N 取自然数1，2，…；其中领航车前轴中心点F₁的坐标值为F_1k（x_1k，y_1k），记录轨迹点F_1k；

（5）推算从k-1时刻到k时刻基准坐标系的变化参数，其中，解算从k-1时刻到k时刻基准车及基准坐标系转角为θ_k，θ_k=Δt*ω_k，其中ω_k为基准车的水平旋转角速度，其值可由安装于该车的陀螺仪测得，定义坐标系转角逆时针旋转为正，顺时针为负；安装于所述基准轴的速度计可测得该轴左右车轮的速度，取其均值可得基准点的速度为ϑ_k；依据平面运动原理，可解算出坐标原点的变化参数，其中：

X轴变化量a=-Δt*ϑ_k*sin(θ_k/2）；

Y轴变化量b=Δt*ϑ_k*cos(θ_k/2）；

（6）坐标变换，选取领航车前轴中心点经过的n个轨迹点F_1k-1，F_1k-2，…，F_1k-n，并依次将其k-1时刻的坐标值变换成当前k时刻基准坐标系下的坐标值，同时舍弃行车队列中最后一台跟随车已经经过的轨迹点；依坐标变换方程，经变换的X轴和Y轴坐标值分别为:

x_1k-m=（x_1k-m-a）*cosθ_k+（y_1k-m-b）*sinθ_k；

y_1k-m=（y_1k-m-b）*cosθ_k-（x_1k-m-a）*sinθ_k；

其中，等式左右两侧的坐标值x_1k-m、y_1k-m分别为k时刻和k-1时刻基准坐标系下轨迹点F_1k-m的两组坐标值；m取值依次为1，2，……，n；

需要进行坐标变换的轨迹点个数n的取值方法是，随着m取值的增加，当轨迹点F_1k-m的坐标变换完成后，在当前k时刻基准坐标系下，从F_1k至F_1k-m共m+1个轨迹点，计算该m+1个轨迹点中，前后相邻轨迹点距离之和，即F_1k至F_1k-m的轨迹长度H_m，当H_m大于行车队列总长度H时，m的取值不再增加，n=m；此时选取的最后一个轨迹点F_1k-n已在行车队列之后，即最后一辆跟随车已经过该轨迹点，其余未选取的轨迹点，不影响转向控制，不需要进行坐标变换，以节省计算资源；

（7）在当前k时刻基准坐标系下，基于n+1个轨迹点F_1k及F_1k-1，F_1k-2，…，F_1k-n拟合领航车前轴中心点的行驶轨迹，依据此轨迹及定位模块解算取得的各跟随车前轴中心点的实际坐标信息，控制各跟随车转向，使各跟随车前轴中心点沿该轨迹行驶；

（8）若车辆退出队列行驶状态，步骤结束；若车辆继续队列行驶，回到步骤（3）。

与现有技术相比，上述转向控制方法的显著创新及进步性在于：

首先，步骤（4）中是基于基准车坐标系“同时”对领航车前轴中心点及各跟随车的前轴中心点进行坐标解算；对领航车前轴中心点进行位置解算的目的是获取轨迹点的坐标值，通过适时坐标变换获取领航车的“动态”行驶轨迹；对各跟随车前轴中心点进行坐标定位的目的是，获取各跟随车与“动态”轨迹的偏差，用于对各跟随车进行转向控制；因此，整个行车队列仅需一套高精度陀螺仪，可有效降低系统成本和复杂度；步骤（1）建立基准坐标系时，任一车辆均可作为基准车，均可建立基准坐标系，提升了车辆成组的灵活性；步骤（1）将坐标原点设置于非转向轴，无需引入难以精确测量的车轮转角参数，可提升系统鲁棒性。

其次，步骤（5）坐标系变换参数的推算过程是基于车辆运动学原理；而现有技术中，是基于车辆折线运动规律，在该规律中，假定车辆运动轨迹是由连续的直线段组成的折线，车辆在转折点“突然”转向，其余里程沿直线行驶；这并不符合车辆运动学的一般规律；真实情况下，车辆运动时，是沿以车辆速度瞬心为圆心的圆弧线运动的，转弯过程是连续的，不是“突然”转向的；从坐标变换参数结果看，X、Y轴变化量a、b的解算公式亦不相同；公式的不同反映的是物理运动规律的差异，不仅仅是简单的系数差异。现有技术的坐标系变换参数推算方法，并不能真实的反映车辆运动的一般规律，故坐标系变换参数的推算结果亦存在较大的误差，最终会造成严重的轨迹解算偏差。

优选的，步骤（6）中，轨迹点的坐标变换过程及确定需要坐标变换的轨迹点个数n的具体步骤为：

（61）m=0；

（62）m=m+1；

（63）坐标变换，依据坐标变换参数及平面坐标系变换方程，将k-1时刻基准坐标系下，轨迹点F_1k-m的坐标值变换成当前k时刻基准坐标系下的坐标值；

（64）计算相邻轨迹点F_1k-m-1与F_1k-m的距离为h_m；

（65）计算从F_1k至F_1k-m的轨迹长度H_m：

H_m=H_m-1+h_m；其中H₀=0；

设定行车队列总长度为H；

（66）当H_m<=H时，回到步骤（62），当H_m>H时，下一步；

（67）n=m。

本发明一种队列行驶的多轴车辆系统及其转向控制方法，基于车辆运动机构原理的巧妙设计，使队列行驶车辆系统获得恰当运动自由度，并符合车辆运动学原理，能够建立起车辆间相互协同稳定的运动关系，使仅有单轴转向功能的多轴车辆能够实现平稳的队列行驶，降低了相关控制系统的复杂度；同时还具有内在的运动学和动力学稳定性，自动保持车辆间的速度平衡和姿态稳定；基于流体动力学的阻尼装置，既不影响车辆的正常行驶，又可在紧急情况下提供巨大阻尼力，吸收车辆间冲击动能，限制车辆运动系统总体自由度，对车辆系统起到瞬时运动锁定作用，进一步提升了行车队列的安全稳定性；基于车载控制系统和基准车辆坐标系研发的转向控制方法，能够有效控制前后车辆的轨迹偏差，同时具有成本低、精度高、复杂度低和可靠性强等优势。

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队列行驶的多轴车辆系统的结构示意图；

图2为本发明所述铰连机构和阻尼装置的结构示意图；

图3为本发明所述液压减震器结构局部剖视图；

图4为本发明所述跟随车底盘结构示意图；

图5为本发明所述一种队列行驶的多轴车辆系统，车辆运动自由度模型示意图，其中（a）为领航车运动自由度模型示意图，（b）为跟随车组合体运动自由度模型示意图，（c）为阻尼装置运动自由度模型示意图；

图6为本发明一种队列行驶的多轴车辆系统，前后车辆运动模型原理图；

图7为本发明一种队列行驶的多轴车辆系统，车辆受力模型原理图；

图8为本发明所述跟随车转向力矩模型原理图；

图9为本发明所述跟随车转向运动模型原理图；

图10为本发明所述一种队列行驶的多轴车辆系统的转向控制方法流程图；

图11为本发明所述坐标系变化参数推算原理图；

图12为现有技术中坐标系变换参数推算原理图；

图13为本发明坐标系变换参数推算结果与现有技术坐标系变换参数推算结果的对比图；

图14为假定以转向轴中心点为坐标原点时，坐标系变换参数推算原理图；

图15为案例，队列行驶的多轴货运车辆系统结构示意图。

其中：1、领航车，101、领航车前轮，102、领航车后轮；

2、跟随车，21、线控转向机构，211、转向电机，212、转向机，213、转向轮，214、非转向轮，22、驱动机构，221、驱动电机，222、传动机构，223、驱动轮；

3、铰连机构，31、前铰连件，32、后铰连件，33、中间铰连件；

4，阻尼装置，41液压减震器，411工作缸，412、中空活塞，413、节流孔，414、液压油，42，万向连接件。

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：

如图1所示，一种队列行驶的多轴车辆系统，其特征在于：包括行驶于首位的领航车1，跟随领航车1行驶的若干跟随车2，用于连接前后相邻车辆并保持前后车辆运动平衡的铰连机构3，用于保障车辆安全的阻尼装置4，植入各车辆用于控制各跟随车2转向并跟随领航车轨迹行驶的转向控制模块；所述铰连机构具有前后两个铰接运动副，分别称为前铰接副和后铰接副；

所述领航车1和所述跟随车2均具有多个车轴，且各车辆只有前轴具有转向功能，称为转向轴；其余车轴均不具有转向功能，称为非转向轴；

一种队列行驶的多轴车辆系统还应包括同步制动模块，同步驱动模块，信号灯同步模块以及通信模块等，用于控制后方各跟随车的制动系统、驱动系统和信号灯系统，使其与所述领航车保持同步；相关具体技术为现有成熟技术方案，在此不赘述；

所述领航车1可人工驾驶，也可自动驾驶；可为各后方跟随车2规划合理的行驶轨迹，引领后方车辆跟随其行驶，并通过所述通信模块向后方车辆发出同步驱动制动和信号灯同步指令；

各车辆中，选取任一车辆为基准车，选取所述基准车任一非转向轴为基准轴，该基准轴中心点称为基准点；所述基准车还包括陀螺仪和速度计，分别用于测量所述基准车的水平旋转角速度和所述基准点的速度；

定义基准坐标系，其中，基准点为坐标原点，水平面内，朝向基准车前方为Y轴正方向，朝向基准车右侧为X轴正方向；

所述转向控制模块包括定位模块和轨迹控制模块；

定位模块作用是：基于基准坐标系获取各车辆前轴中心点的实时坐标信息；具体的定位技术包括视觉定位、激光定位、射频定位等，均是现有成熟技术，在此不赘述；

轨迹控制模块，其作用是，基于基准坐标系，解算领航车1前轴中心点运行轨迹，并根据各跟随车2前轴中心点位置坐标与该轨迹的偏差，控制各跟随车转向，使各跟随车前轴中心点沿该轨迹行驶，以减少各跟随车与领航车的轨迹偏差。

如图2所示，所述铰连机构3包括：前铰连件31、后铰连件32、中间铰连件33；所述前铰连件31与其前方车辆T₁尾部固定连接，所述后铰连件32与其后方车辆T₂前部固定连接，所述中间铰连件33的两端分别与所述前铰连件31和所述后铰连件32铰接，并形成前后两个铰接副，记为前铰接副 A和后铰接副B；

结合图2、图3所示，所述阻尼装置4包括若干液压减震器41、万向连接件42；任一液压减震器41的一端通过所述万向连接件42与所述铰连机构3的中间铰连件33连接，另一端通过所述万向连接件42与该铰连机构3前方的车辆T₁或该铰连机构3后方的车辆T₂连接；本实施例中包括两套液压减震器41，其一端均与所述中间铰连件33连接，另一端均与其后方的车辆T₂连接；若需增加阻尼强度，也可再增加所述液压减震器41，使其两端分别与所述中间铰连件33和其前方的车辆T₁连接；

所述阻尼装置的两端也可以通过万向连接件分别与其前方的车辆和后方的车辆连接；

所述液压减震器41包括：工作缸411、插入所述工作缸411的中空活塞412、位于所述中空活塞412端面的节流孔413以及充满所述中空活塞412和所述工作缸411的液压油414；

当所述液压减震器41被压缩或拉伸时，所述中空活塞412在所述工作缸411内运动，所述液压油414会通过所述节流孔413在所述中空活塞412及所述工作缸411间流动并在所述节流孔413的两端形成压强差，从而使所述液压减震器41在被拉伸或被压缩过程中产生阻尼力；

根据流体动力学原理和伯努利方程，所述压强差与所述液压油414通过所述节流孔413的速度平方成正比，故当所述液压减震器41长度变化越快时，通过所述节流孔413的所述液压油414流速越快；所述中空活塞412及所述工作缸411之间的液体压强差越大，即所述液压减震器41产生的阻尼力越大，反之越小；

本发明所述的阻尼装置4正是基于这一流体动力学原理，不同于弹簧橡胶等弹性阻尼装置，本发明所述阻尼装置4产生的阻尼力与机构的变形量并不直接相关，而是与所述阻尼装置4的变形速度正相关。当车辆正常转弯时，所述中间铰连件33与前方车辆T₁和后方车辆T₂间会发生角度变化，并带动所述液压减震器41长度变化，但此时所述角度及所述长度的变化速度比较缓慢，相应的阻尼力较小，不会影响所述铰连机构3的正常工作及车辆的正常行驶；但在领航车1突然制动或碰撞等紧急情况发生时，后方的车辆T₂会因惯性急速冲向前方车辆T₁，并带动所述中间铰连件33急速运动，并使所述液压减震器41长度急速变化，从而使所述阻尼装置4产生巨大阻尼力，同时吸收车辆间的冲击能量，限制所述铰连机构3及其中间铰连件33的运动，并使行车队列保持正常姿态，减少行车队列发生严重折叠、大副偏离原有车道等危险状况的发生概率。

就力学特性而言，当车辆正常行驶时，本发明提出的所述阻尼装置4几乎不起阻尼作用，不影响车辆正常行驶；而当前车发生紧急制动、碰撞等危险情况时，所述阻尼装置4可产生巨大阻尼力，有效限制所述铰连机构3的运动，从而使各车辆保持姿态稳定，避免车辆侧滑、侧倾等危险状况的发生。

如图4所示，所述跟随车2包括线控转向机构21，包括转向电机211，转向机212，转向轮213；所述转向轮213和转向电机211通过转向机212连接；所述跟随车2还包括设置于所述非转向轴的若干组非转向轮214；

结合图1、图2、图4所示，所述线控转向机构21设置于所述跟随车2前轴，通过所述转向控制模块控制各跟随车2的转向轮213沿领航车前轮101轨迹S₁行驶；

在车辆转弯时，由于跟随车2的非转向轴及其对应的非转向轮214不具有转向功能，所述非转向轮214通常也不与领航车前轮101运行于同一轨迹S₁，此时所述铰连机构3的后铰接副B通常也不运行于所述前铰接副A的运动轨迹S₂；而传统的铰连机构在水平投影面内只有一个铰接副，故在本发明中，不能采用传统的铰连机构将与前后车辆位置固定的两个运动轨迹不同的铰接副连接在一起，否则会造成车辆受力扭曲和车轮侧滑等安全隐患；而是使用本发明提出的所述铰连机构3，采用所述中间铰连件33将前铰接副A和后铰接副B连接，允许前后两个铰接幅运行于不同的轨迹，以保持车辆的稳定运行；

如图5中的（a）、（b）所示，就平面运动机构自由度原理而言，队列行驶车辆系统可以抽象为水平投影面内的运动机构，各车辆及中间铰连件为运动构件，铰接副、车轮可抽象为运动副；其中所述铰接副为低副PL，车辆转弯时沿不同轨迹行驶的前、后车轮为高副PH；结合图4，当车辆后方具有多个非转向轴时，属于不同车轴且距离较近的多个非转向轮214可等效为一个对车辆的高副约束PH；在某一瞬时，车辆应仅有一个速度瞬心，前轮转向轮213的实际运动方向与后方任一车轴对应非转向轮214的实际运动方向即可确定车辆瞬心，其余非转向车轴及对应的非转向轮对车辆不起实质约束作用，在车辆实际运动过程中，此类车轮实际上克服轮胎钢度发生了偏转 ，仅对车辆形成虚约束；或可理解为不具有转向功能的后方各车轮克服轮胎钢度产生微小车轮转向，并实质上对车辆共同形成了一个高副约束PH：依据平面机构自由度方程，机构自由度=3*构件数量-2*低副PL-高副PH；如合图5中（a）所示，领航车1受所述领航车前轮101和所述领航车后轮102两高副PH约束，其自由度为3*1-2共1个；结合图5中（b）所示，所述领航车1后每增加一辆所述跟随车2需同时增加一套所述铰连机构3并形成跟随车组合体5；所述跟随车组合体5包括所述跟随车2及所述中间铰连件33共两个运动构件，受到前铰接副和后铰接副两个低副运动副PL，转向轮213和非转向轮214两个高副运动副PH约束；其自由度为3*2-2*2-2恰好等于0个，故增加所述跟随车组合体5的数量时，车辆运动机构的总自由度始终等于1；在所述运动机构中，领航车1是唯一的原动构件，由机构运动原理可知，当原动机构的数量与机构自由度相等时，可实现各构件间协同且确定的运动关系；本发明基于运动学原理，通过对车辆系统的巧妙设计形成的所述运动机构的总自由度数量和作为唯一原动机构的领航车的数量始终都等于1，故完全可实现车辆间协同且确定的运动关系。需要特别指出的是，若连接前后多轴车辆的铰连机构不是如本发明一样恰好具有两个铰接副，无论铰接副数量是一个或三个以上都不能使车辆间形成协同稳定的运动关系；由以上分析可知，领航车作为唯一原动构件其自由度也等于1，若车辆间通过具有一个或三个以上铰接副的铰连机构连接时，由跟随车及铰连机构组成的跟随车组合体的自由度不能等于0，作为唯一原动构件的领航车的数量就不等于车辆系统的总自由度数量；各车辆间就不能建立协同稳定的运动关系，也难以保障行车队列的稳定安全运行。

结合图2、图5中（c）所示，同样基于平面运动机构自由度原理，在水平投影面内，所述阻尼装置4同样可抽象为运动机构；每增加一套所述液压减震器41，同时增加了所述中空活塞412、工作缸411两个运动构件，中空活塞与工作缸形成的一个低副PL滑移运动副，以及两个万向连接件形成的两个低副PL铰接副，增加的自由度等于3*2-2*3恰好也是0个；故车辆正常行驶时，所述阻尼装置4不会影响车辆运动系统的总自由度和协同运动关系；但是当车辆发生碰撞等紧急情况时，所述液压减震器41会产生巨大的阻尼力，从而在一定程度上锁定所述工作缸与中空活塞间的相对滑移运动，此时液压减震器相当于一个钢性构件，受前后两个低副万向连接件约束，总自由度为3*1-2*2等于-1个；因此当碰撞等紧急情况发生时，每个阻尼装置均会限制车辆运动机构的自由度，使车辆运动系统总体自由度小于0；因此，在以百分之一秒为单位碰撞瞬间，所述阻尼装置在相当程度上起到了对车辆运动系统的瞬间锁定作用，能够使车辆系统实现自我锁定并保持位姿稳定；在其它AB、ESP、EBD等安全控制系统因延时等因素无法瞬时启动之前，所述阻尼装置使队列行驶车辆系统产生了内在稳定性，保障车辆安全稳定运行。

如图6所示，就车辆的运动学原理而言，车辆在行驶过程中，任意两相邻车辆中，行驶于前方的车辆记为前方车辆T₁，行驶于后方的车辆记为后方车辆T₂，所述前方车辆T₁的运动状态可确定其运动瞬心O₁及与其位置尾部固定的所述前铰接副A速度ϑ₁的大小和方向；所述后方车辆T₂前轮跟随领航车前轮轨迹行驶，并可确定后方跟随车辆T₂前轮转向轮213的运动方向，后方车辆非转向轮214的方向与车体固定，从而可确定后方跟随车辆T₂的运动瞬心O₃；连接O₃B，可确定与所述后方车辆前部位置固定的所述后铰接副B的速度方向；前后两个铰接副A、B的速度方向确定后，可以确定所述中间铰连件33的速度瞬心O₂及其瞬时角速度和所述后铰接副B的速度ϑ₂大小，进而推算出所述后方车辆前轮、后轮的速度ϑ₃、ϑ₄的大小。因此，本发明提出的具有两个铰接副的铰连机构3和仅单轴具有转向功能的车辆组成的队列行驶车辆系统完全符合车辆运动学原理，可建立起车辆间相互协同的运动关系和相互关联的运动参数关系模型，能够有效防止队列行驶的各车辆间发生运动失稳和受力扭曲等安全风险。

当前方车辆T₁发生紧急制动等危险情况时，后方车辆T₂会冲向前方车辆，由以上分析可知，所述后方车辆的速度与前方车辆速度存在明显的关联关系。正常情况下，在紧急制动的瞬间，各车辆车轮方向和速度方向不会改变，各车辆速度瞬心也不会变化；当前方车辆T₁因紧急制动速度突然降低时，其绕速度瞬心的角速度也随之减小，并带动所述中间铰连件33、所述后方车辆T₂绕各自速度瞬心的角速度变小，同时后方车辆T₂及各车轮的速度都应减小。因此，就车辆运动学而言，本发明提出的队列行驶车辆系统可以保障车辆在紧急制动时前后车辆同时减速，无需通过复杂的控制系统对后方车辆进行实时监控和制动控制，避免了因控制系统的延时、偏差等缺陷造成的安全隐患，而是具有内在的车辆运动学同步性和稳定性。

如图7所示，就车辆力学特性而言，当前方车辆突然制动时，后方车辆因惯性冲向前方车辆，使所述中间铰连件33受到冲击压力；依据牛顿运动定律，与车辆T前后相连的两个所述中间铰连件33会向该车辆T前后施加一组反作用力N，当所述中间铰连件33与车辆T间存在一定角度时，所述一组反作用力N存在沿车辆左右方向的一组侧向分力N_L，所述一组侧向分力N_L会对该车辆T形成一个旋转力矩，称为第一旋转力矩M₁；与此同时该车辆前后车轮会在所述第一旋转力矩M₁的作用下，与地面间产生一组对应的摩擦力f，该组摩擦力f也对车辆产生与所述第一旋转力矩M₁平衡的第二旋转力矩M₂；第一、第二旋转力矩M₁、M₂的平衡作用可减少车辆T的侧向失稳风险，保持车辆的姿态平稳；另外，结合图2、图7所示，所述阻尼装置4也会在发生紧急制动时对所述中间铰连件33产生巨大阻尼力，阻止其与车辆T前后的夹角增大，避免所述侧向分力N_L及所述第一转向力矩M₁继续增加，进一步保障车辆的安全稳定性能；

如图8所示，就车辆各车轴位置关系而言，所述跟随车2的多个车轴中，前轴转向轴设置于所述跟随车2的质心G之前，并位于跟随车2前部，所述非转向轴均设置于所述跟随车2质心G之后，以保证车辆转弯时，不具转向功能的非转向轴及对应的所述非转向轮214获得足够的转向力矩M₃；

所述跟随车2在转弯时，虽然后方非转向轴及对应的非转向轮214不具有转向功能，但依据运动学原理，后方非转向轮214仍然会在所述转向轮213的带动下克服轮胎钢度发生方向偏转，这需要较大的转向力矩；所述转向轮213转向时，会给所述跟随车2作用一个沿车轮方向的作用力F₁，该作用力F₁沿车辆左右方向的侧向分力为F_1L，该侧向分力F_1L乘以前轴转向轴到后方非转向轴的距离，即作用力臂d，就得到了后方非转向轮214的转向力矩M₃；显然，前轴转向轴与后方非转向轴的距离d越远，转向力矩M₃越充足，车辆行驶轨迹越接近理想运动学轨迹，以免出现转向不足，车辆前后轮的轨迹偏差增大；本发明中，将前轴转向轴设置于所述跟随车2的前端，将非转向轴设置于所述跟随车2的质心G之后，可保证所述力臂d的长度，从而保证所述转向力矩M₃充足，保障车辆正常转向；

如图9所示，依据车辆运动学原理，在本发明中，车辆转弯时，当所述跟随车2前轮转向轮213位置确定后，后方非转向轮214自车尾向车辆中间移动过程中，与所述跟随车位置固定的前后两个铰接副B、A的轨迹差逐渐变小，即铰接副B、A至车辆速度瞬心O的距离R_B、R_A的差值会变小，当所述非转向轮214位于车辆中间时，R_A与R_B相等，此时铰接副B和铰接副A的轨迹差最小，相关过程可通过简单的三角关系进行推导，在此不赘述；但在后方非转向轮的位置接近车辆中间时，则车辆载荷会集中于后轴，可通过增加非转向轴的数量或单轴车轮数量的方式加以改善前后轴及车轮间的载荷平衡；综合考虑前后轴载荷分布，车体结构空间，转向轮附着力，以及前后铰接副轨迹偏差等因素，设定所述非转向轮214距所述跟随车2尾部的距离L₀为所述跟随车2长度L的30%-40%；如图4所示，当所述跟随车2质心后方具有多个非转向车轴时，设定各非转向车辆距离车辆尾部的平均距离L_e为车体长度L的30%-40%；图4中，所述跟随车有两个非转向轴，两非转向轴距离车辆尾部的距离分别为L₁、L₂，则此时L_e取值为L₁、L₂平均值。

如图4所示，所述跟随车2还包括驱动机构22，所述驱动机构22可设置于跟随车2的任意车轴，用于为车辆提供动力；所述驱动机构22包括驱动电机221、传动机构222和驱动轮223；所述驱动电机221与所述驱动轮223通过所述传动机构222连接；在具体的工程实践中，所述驱动机构22可以设置于一个车轴，也可以设置于多个车轴；

如图7所示，在所述跟随车2上设置驱动机构22不仅可使行车队列驱动力更加均衡，动力性能得以优化；同时相较于只在领航车设置集中驱动机构的情况，在所述跟随车2设置动力机构增加了跟随车的动力来源，减少了车辆间的牵引作用力F₂及其侧向分力F_2L；特别是当车辆转弯时，同时叠加爬坡加速等工况，如果所述跟随车没有驱动力或驱动力不足，车辆间牵引力F₂及其侧向分力F_2L会成倍增加，此时若同时遭遇雨雪天气，路面打滑等极端工况，容易造成车辆侧滑等危险状况。因此，在跟随车2设置驱动机构22，可减小车辆间牵引力F₂及其侧向分力F_2L，并降低车辆侧滑侧倾的风险，改善了车辆的安全性能；需要指出的是，本发明中设置铰连机构的主要目的并不是传递牵引力，而是队列行驶车辆系统的辅助部件，主要起到保持前后车辆间安全距离，支持前后车辆运动协同，紧急情况保持车辆位姿稳定，保障车辆安全的作用；

所述跟随车还应包括制动机构和信号灯；所述驱动机构、制动机构和信号灯通过所述通信模块接收所述领航车指令，控制所述跟随车保持与所述领航车同步制动驱动和信号灯同步；相关技术是现有成熟技术，在此不详述。

如图10所示，基于上述一种队列行驶的多轴车辆系统，本发明还研发了一种队列行驶的多轴车辆系统的转向控制方法，具体步骤如下：

（1）定义基准坐标系和时间序列，以所述基准车的基准点为坐标原点，在水平投影面内，朝向车头方向为Y轴正方向，朝向车身右侧为X轴正方向，建立基准坐标系；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；

（3）经过某一时间Δt后，k=k+1；

（4）定位模块解算在当前k时刻基准坐标系下，各车辆前轴中心点F_N的坐标值F_Nk（x_Nk，y_Nk）,N 取自然数1，2，…；其中领航车前轴中心点F₁的坐标值记为F_1k（x_1k，y_1k）；

（5）推算从k-1时刻到k时刻基准坐标系的变化参数，其中，解算从k-1时刻到k时刻基准车及基准坐标系转角为θ_k，θ_k=Δt*ω_k，其中ω_k为基准车的水平旋转角速度，其值可由安装于该车的陀螺仪测得，定义坐标系转角逆时针旋转为正，顺时针为负；安装于所述基准轴的速度计可测得该轴左右车轮的速度，取其均值可得基准点的速度为ϑ_k；若该基准轴为驱动轴，亦可通过速度计测量驱动电机的转速，并结合传动比和车轮直径，解算该基准点的速度ϑ_k；

结合图11所示，设坐标原点（基准点）为F_M，基于车辆平面运动原理，从k-1时刻至k时刻，坐标原点F_M沿圆弧线W由F_Mk-1运动至F_Mk，F_M在前后两点的速度分别为ϑ_k-1、ϑ_k，，速度方向均应与所述圆弧线W相切；由于F_M速度方向与Y轴方向一致，坐标系旋转θ_k，故F_M速度转角也为θ_k；在较短运动时间Δt内，可假设速度ϑ_k-1与ϑ_k近似相等，所述圆弧线W长度与线段F_{Mk- 1}F_Mk近似相等，其值为Δt*ϑ_k；可以证明线段F_Mk-1F_Mk与k-1时刻的Y轴夹角应为θ_k/2；基于以上几何关系可解算出坐标原点的变化参数，其中：

X轴变化量a=-Δt*ϑ_k*sin(θ_k/2）；

Y轴变化量b=Δt*ϑ_k*cos(θ_k/2）；

然而在现有技术中，坐标系变换参数推算方法并非基于车辆运动学原理，而是假定车辆行驶轨迹是由直线段组成的折线，假定车辆转向过程不是连续的，而是认为车辆在转折点“突然”转向，其余里程沿直线行驶。借用现有技术中的方法，结合图12所示，同样以基准点F_M为坐标原点，基于折线运动规律，从k-1时刻至k时刻，坐标原点F_M沿直线段F_Mk-1F_Mk由F_Mk-1运动至F_Mk，前后两点的速度分别为ϑ_k-1、ϑ_k，F_M的速度方向在转折点F_Mk-1“突然”转向,转向角与坐标系转角相等，均为θ_k；在较短运动时间Δt内，可假设速度ϑ_k-1与ϑ_k近似相等，轨迹线段F_Mk-1F_Mk的值为Δt*ϑ_k；基于以上几何关系，现有技术解算的坐标原点变化参数为，：

X轴变化量a=-Δt*ϑ_k*sin(θ_k）；

Y轴变化量b=Δt*ϑ_k*cos(θ_k）；

显然，本发明的坐标系变换参数的推算原理、过程、结果均与现有技术存在显著差异。

如图13所示，假定在k-4时刻，坐标原点（基准点）F_M位于F_Mk-4，此时步骤（4）中获取的一个轨迹点为F_1k-4；当基准点沿圆弧轨迹线W₁运动时，基于本发明的坐标系变换参数推算方法，忽略参数测量误差，坐标原点F_M可沿轨迹线W₁依次变换至F_Mk-3，F_Mk-2，F_Mk-1，F_Mk；而若依据现有技术的坐标系变换参数推算方法，则坐标原点依次变换至F_M1k-3，F_M1k-2，F_M1k-1，F_M1k；如图可见，现有技术推算的坐标原点并未沿基准点的圆弧轨迹线W₁运动，而是与轨迹线W₁越来越远，偏差越来越大，说明该方法存在缺陷，甚至错误；现有技术中，由于坐标原点的推算偏差，会造成轨迹点F_1k-4的坐标值在接下来的坐标变换时亦产生较大偏差，最终影响转向控制精度。究其原因，主要是，若依据现有技术中的坐标系变换参数推算方法，当坐标原点F_M由某一位置变换至下一位置时，如由F_Mk-4运动至F_M1k-3时，此过程中，车身及坐标系的转角为θ_k-3，按现有技术，线段F_M1k-3F_Mk-4与原坐标系（k-4时刻坐标系）Y轴的夹角为θ_k-3，依上述推算过程，这并不符合车辆运动学原理，依据车辆运动学原理，该夹角应为θ_k-3/2。显然，这是造成现有技术中，坐标系变换参数偏差的主要原因。

在本发明中，没有选择转向轴中心点作为坐标原点，主要原因是，若选择转向轴中心点作为基准点，需要引入车轮转向角作为新的坐标系变换参数，而该角度较难精准获取。如图14所示，设定基准车转向轴的中心点为F_Q，借用本发明的坐标系变换参数推算方法，将坐标原点改为F_Q，同样基于车辆平面运动原理，从k-1时刻至k时刻，坐标原点F_Q沿圆弧线W由F_Qk-1运动至F_Qk，F_Q在前后两点的速度分别为ϑ_k-1、ϑ_k，，速度方向均应与所述圆弧线W相切，车轮转角分别为C_k-1、C_k；由于F_Q速度方向与Y轴方向的夹角应为车轮转角，由于在较短的时间Δt内，车轮转角C_k-1与C_k近似相等，所以当坐标系旋转角度为θ_k时， F_Q速度转角也为θ_k；在较短运动时间Δt内，可假设速度ϑ_k-1与ϑ_k近似相等，所述圆弧线W长度与线段F_Qk-1F_Qk近似相等，其值为Δt*ϑ_k；可以证明线段F_Qk-1F_Qk与k-1时刻的Y轴夹角应为C_k-1+θ_k/2；基于以上几何关系可解算出坐标原点的变化参数，其中：

X轴变化量a=-Δt*ϑ_k*sin(C_k-1+θ_k/2）；

Y轴变化量b=Δt*ϑ_k*cos(C_k-1+θ_k/2）；

由上述公式可知，车轮转角C_k-1是一个重要的参数，该参数对X轴、Y轴变化量a、b的影响较大，因为车轮转向角的取值通常可达10-20度以上，是一个不可忽略的物理量。但是，在具体的工程实践中，车轮是通过悬架系统与车身连接，实际运动过程中，车轮不仅存在水平投影面内的转向角，还存在沿各个方向的跳动，前后摆角和侧向摆角；为相对精准的测量该角度，北京科技大学提出了“基于双GNSS天线及单陀螺的车轮转角测量系统”，详见同名论文；该系统不仅需要高价值的双频天线GNSS模块，陀螺仪，而且计算过程极为复杂，需要结合复杂的测角理论，杆臂误差补偿，卡尔曼滤波，马尔卡夫链才可相对准确的测量车轮转向角。由于车轮转向角的获取过于复杂，因此本发明未将坐标原点设置于转向轴中心点。

本发明将坐标原点设置于基准轴（非转向轴）中点，该轴不具转向功能，不需要对车轮转向角进行测量，可大幅降低坐标变换参数推算的复杂度，减少误差累积因素，有效提升推算的精度和鲁棒性。（6）坐标变换，选取领航车前轴中心点经过的n个轨迹点F_1k-1，F_1k-2，…，F_1k-n，并依次将其k-1时刻的坐标值变换成当前k时刻基准坐标系下的坐标值，同时舍弃行车队列中最后一台跟随车已经经过的轨迹点；依坐标变换方程，经变换的X轴和Y轴坐标值分别为:

x_1k-m=（x_1k-m-a）*cosθ_k+（y_1k-m-b）*sinθ_k；

y_1k-m=（y_1k-m-b）*cosθ_k-（x_1k-m-a）*sinθ_k；

其中，等式左右两侧的坐标值x_1k-m、y_1k-m分别为k时刻和k-1时刻基准坐标系下轨迹点F_1k-m的两组坐标值；m取值依次为1，2，……，n；

需要进行坐标变换的轨迹点个数n的取值方法是，随着m取值的增加，当轨迹点F_1k-m的坐标变换完成后，在当前k时刻基准坐标系下，从F_1k至F_1k-m共m+1个轨迹点，计算该m+1个轨迹点中，前后相邻轨迹点距离之和，即F_1k至F_1k-m的轨迹长度H_m，当H_m大于行车队列总长度H时，m的取值不再增加，n=m；此时选取的最后一个轨迹点F_1k-n已在行车队列之后，即最后一辆跟随车已经过该轨迹点，其余未选取的轨迹点，不影响转向控制，不需要进行坐标变换，以节省计算资源；

（7）在当前k时刻基准坐标系下，基于n+1个领航车前轴中心点F₁经过的轨迹点F_1k，F_1k-1，F_1k-2，…，F_1k-n拟合领航车前轴中心点的行驶轨迹，依据此轨迹及定位模块解算取得的各跟随车前轴中心点的实际坐标信息，控制各跟随车转向，使各跟随车前轴中心点沿该轨迹行驶；

（8）若车辆退出队列行驶状态，步骤结束；若车辆继续队列行驶，回到步骤（3）。

其中步骤（6）轨迹点坐标变换过程及确定需要坐标变换的轨迹点个数n的具体步骤为：

（61）m=0；

（62）m=m+1；

（63）坐标变换，依据坐标变换参数及平面坐标系变换方程，将k-1时刻基准坐标系下，轨迹点F_1k-m的坐标值变换成当前k时刻基准坐标系下的坐标值；

（64）计算相邻轨迹点F_1k-m-1与F_1k-m的距离为h_m；

（65）计算从F_1k至F_1k-m的轨迹长度H_m：

H_m=H_m-1+h_m；其中H₀=0；

设定行车队列总长度为H；

（66）当H_m<=H时，回到步骤（62），当H_m>H时，下一步；

（67）n=m。

上述车辆转向控制方法，主要优势如下：

1）大幅提升了轨迹解算精度，坐标变换参数推算时，由于采用了基于车辆运动学原理的坐标系变换参数推算方法，相较于现有技术，推算过程更符合车辆的实际运动状态，相关参数的推算更加精准，进而有效的提升了轨迹解算精度和车辆控制精度；

2）在坐标系变换参数推算过程中，无需引入难以精确测量的车轮转角进行参数解算，降低了系统的复杂度；参数变量的减少，又可实质上缩短误差传递尺寸链，既提升了轨迹解算及控制精度，又可降低相关设备成本；

3）整个行车队列仅基准车需要设置价格相对较高的陀螺仪，可大幅降低系统成本；

4）在轨迹点的选取时，给出了明确的轨迹点选取与舍弃方法，在车辆掉头，大角度转弯时，可有效的避免必要轨迹点的丢失，防止轨迹解算失败和车辆失控的风险。

事实上，本发明提出的车辆转向控制方法是一个有机的整体，坐标系的定义，轨迹点及各跟随车的定位，坐标系变换参数的推算，轨迹点的选取及坐标变换均是相互联系的有机整体。例如，只有坐标系定义于车辆非转向轴，才可以省去车轮转角测量设备，并提升系统的解算控制精度；只有同时对轨迹点和各跟随车前轴中心点进行定位才能使整个车辆系统仅需要一套高价值的陀螺仪等。

案例，队列行驶的多轴货运车辆系统

结合图2、图15所示，队列行驶的多轴货运车辆系统由三台货运车辆组成，其中领航车1有前后两个车轴，其余两台跟随车2有三个车轴，且各车辆仅前轴是转向轴，其余车轴均为非转向轴；为增加车辆行驶时的安全性和稳定性，在车辆间安装铰连机构3，并在铰连机构3与车辆间安装阻尼装置4；此案例中，领航车1由人工驾驶并行驶于首位，其余两台跟随车2自动跟随领航车1行驶；设定领航车1为基准车，以该车后轴非转向轴中心点F_M为坐标原点建立基准坐标系；转向控制模块基于基准坐标系获取领航车前轴中心点F₁经过的一组轨迹点F_1k，F_1k-1，F_1k-2，…，F_1k-n的坐标值，并据此拟合其行驶轨迹S；同时获取两跟随车前轴中心点F₂、F₃的坐标信息；根据F₂、F₃与轨迹S的偏差，控制两跟随车转向，使其前轴中心点F₂、F₃沿该轨迹S行驶。在行驶过程中，队列行驶的车辆系统可获得恰当的运动自由度，紧急情况下可保持正常车距并保持车辆位姿稳定，同时可有效控制并减少前后车辆间的轨迹偏差。本实施例中，相比于三台车辆分别行驶，车辆队列行驶可减小空气阻力，三台车辆仅需要一名驾驶员，可大副降低人工成本和能源成本，同时提升单次行程的运载效率。

本发明一种队列行驶的多轴车辆系统及其转向控制方法，基于车辆运动机构原理的巧妙设计，使队列行驶车辆系统获得恰当运动自由度，并符合车辆运动学原理，能够建立起车辆间相互协同稳定的运动关系模型，使仅有单轴转向功能的多轴车辆能够实现平稳的队列行驶，降低了相关控制系统的复杂度；同时还具有内在的运动学和动力学稳定性，自动保持车辆间的速度平衡和姿态稳定；基于流体动力学的阻尼装置，既不影响车辆的正常行驶，又可在紧急情况下提供巨大阻尼力，吸收车辆间冲击动能，限制车辆运动系统总体自由度，对车辆系统起到瞬时运动锁定作用，进一步提升了行车队列的安全稳定性；基于车载控制系统和基准车辆坐标系研发的转向控制方法，能够有效控制前后车辆的轨迹偏差，同时具有成本低、精度高、复杂度低和可靠性强等优势。

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，能够以其他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，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种队列行驶的多轴车辆系统，其特征在于：包括行驶于首位的领航车，跟随领航车行驶的若干跟随车，植入各车辆内的转向控制模块，用于连接前后相邻车辆保持车辆运动平衡的铰连机构，用于保障车辆安全的阻尼装置；所述铰连机构具有前后两个铰接运动副，分别称为前铰接副和后铰接副；

所述领航车和所述跟随车均具有多个车轴，且各车辆只有前轴具有转向功能，称为转向轴；其余车轴均不具有转向功能，称为非转向轴；

各车辆中，选取任一车辆为基准车，选取所述基准车任一非转向轴为基准轴，该基准轴中心点称为基准点；所述基准车还包括陀螺仪和速度计，分别用于测量所述基准车的水平旋转角速度和所述基准点的速度；

定义基准坐标系，其中，基准点为坐标原点，朝向基准车前方为Y轴正方向，朝向基准车右侧为X轴正方向；

所述转向控制模块的作用是，基于基准坐标系，获取各跟随车与领航车的轨迹偏差，并据此控制各跟随车转向。

2.根据权利要求1所述的一种队列行驶的多轴车辆系统，其特征在于，所述转向控制模块包括定位模块和轨迹控制模块；

定位模块，其作用是，基于基准坐标系获取各车辆前轴中心点的实时坐标信息；

轨迹控制模块，其作用是，基于基准坐标系，解算领航车前轴中心点运行轨迹，并根据各跟随车前轴中心点位置坐标与该轨迹的偏差，控制各跟随车转向，使各跟随车前轴中心点沿该轨迹行驶。

3.根据权利要求1所述的一种队列行驶的多轴车辆系统，其特征在于，所述铰连机构包括前铰连件、后铰连件和中间铰连件，所述前铰连件与其前方的车辆尾部固定连接，所述后铰连件与其后方的车辆前部固定连接，所述中间铰连件的两端分别与所述前铰连件和所述后铰连件铰接，并形成前后两个铰接运动副，分别称为前铰接副和后铰接副。

4.根据权利要求1所述的一种队列行驶的多轴车辆系统，其特征在于，所述阻尼装置包括液压减震器、万向连接件；所述液压减震器的一端通过所述万向连接件与所述铰连机构中的中间铰连件连接，另一端通过所述万向连接件与该铰连机构前方的车辆或该铰连机构后方的车辆连接；

所述阻尼装置的两端也可以通过万向连接件分别与其前方车辆和后方车辆连接；

所述液压减震器包括：工作缸、插入所述工作缸的中空活塞、位于所述中空活塞端面的节流孔以及充满所述中空活塞和所述工作缸的液压油。

5.根据权利要求1所述的一种队列行驶的多轴车辆系统，其特征在于，所述跟随车包括线控转向机构；所述线控转向机构设置于所述跟随车前轴，通过所述转向控制模块控制各跟随车前轮跟随所述领航车前轮轨迹行驶。

6.根据权利要求1所述的一种队列行驶的多轴车辆系统，其特征在于，

所述跟随车的多个车轴中，所述转向轴设置于车辆前部并位于质心之前；所述非转向轴均设置于所述跟随车质心之后，以保证车辆转弯时，不具转向功能的所述非转向轴及对应的非转向轮获得足够的转向力矩；

各非转向轴距离所述跟随车尾部的平均距离应控制在所述跟随车长度的30%-40%之间，以减少同一车辆中，与该车位置固定的所述后铰接副和所述前铰接副的轨迹偏差，同时兼顾所述跟随车各车轴的载荷平衡。

7.根据权利要求1所述的一种队列行驶的多轴车辆系统，其特征在于，所述跟随车还包括驱动机构；

所述驱动机构设置于跟随车的任意车轴，用于为车辆提供动力。

8.基于权利要求1-7任意一项，一种队列行驶的多轴车辆系统的转向控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）定义基准坐标系和时间序列，以所述基准车的基准点为坐标原点，在水平投影面内，朝向车头方向为Y轴正方向，朝向车身右侧为X轴正方向，建立基准坐标系；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；

（3）经过某一时间Δt后，k=k+1；

（4）定位模块解算在当前k时刻基准坐标系下，各车辆前轴中心点F_N的坐标值F_Nk（x_Nk，y_Nk）,N 取自然数1，2，…；其中领航车前轴中心点F₁的坐标值为F_1k（x_1k，y_1k），记录轨迹点F_1k；

（5）推算从k-1时刻到k时刻基准坐标系的变化参数，其中，解算从k-1时刻到k时刻基准车及基准坐标系转角为θ_k，θ_k=Δt*ω_k，其中ω_k为基准车的水平旋转角速度，其值可由安装于该车的陀螺仪测得，定义坐标系转角逆时针旋转为正，顺时针为负；安装于所述基准轴的速度计可测得该轴左右车轮的速度，取其均值可得基准点的速度为ϑ_k；依据平面运动原理，可解算出坐标原点的变化参数，其中：

X轴变化量a=-Δt*ϑ_k*sin(θ_k/2）；

Y轴变化量b=Δt*ϑ_k*cos(θ_k/2）；

（6）坐标变换，选取领航车前轴中心点经过的n个轨迹点F_1k-1，F_1k-2，…，F_1k-n，并依次将其k-1时刻的坐标值变换成当前k时刻基准坐标系下的坐标值，同时舍弃行车队列中最后一台跟随车已经经过的轨迹点；依坐标变换方程，经变换的X轴和Y轴坐标值分别为:

x_1k-m =（x_1k-m-a）*cosθ_k+（y_1k-m-b）*sinθ_k；

y_1k-m=（y_1k-m-b）*cosθ_k-（x_1k-m-a）*sinθ_k；

其中，等式左右两侧的坐标值x_1k-m、y_1k-m分别为k时刻和k-1时刻基准坐标系下轨迹点F_1k-m的两组坐标值；m取值依次为1，2，……，n；

需要进行坐标变换的轨迹点个数n的取值方法是，随着m取值的增加，当轨迹点F_1k-m的坐标变换完成后，在当前k时刻基准坐标系下，从F_1k至F_1k-m共m+1个轨迹点，计算该m+1个轨迹点中，前后相邻轨迹点距离之和，即F_1k至F_1k-m的轨迹长度H_m，当H_m大于行车队列总长度H时，m的取值不再增加，n=m；此时选取的最后一个轨迹点F_1k-n已在行车队列之后，即最后一辆跟随车已经过该轨迹点，其余未选取的轨迹点，不影响转向控制，不需要进行坐标变换，以节省计算资源；

（7）在当前k时刻基准坐标系下，基于n+1个轨迹点F_1k及F_1k-1，F_1k-2，…，F_1k-n拟合领航车前轴中心点的行驶轨迹，依据此轨迹及定位模块解算取得的各跟随车前轴中心点的实际坐标信息，控制各跟随车转向，使各跟随车前轴中心点沿该轨迹行驶；

（8）若车辆退出队列行驶状态，步骤结束；若车辆继续队列行驶，回到步骤（3）。

9.根据权利要求8，一种队列行驶的多轴车辆系统的转向控制方法，其特征在于，步骤（6）中，轨迹点的坐标变换过程及确定需要坐标变换的轨迹点个数n的具体步骤为：

（61）m=0；

（62）m=m+1；

（63）坐标变换，依据坐标变换参数及平面坐标系变换方程，将k-1时刻基准坐标系下，轨迹点F_1k-m的坐标值变换成当前k时刻基准坐标系下的坐标值；

（64）计算相邻轨迹点F_1k-m-1与F_1k-m的距离为h_m；

（65）计算从F_1k至F_1k-m的轨迹长度H_m：

H_m=H_m-1+h_m；其中H₀=0；

设定行车队列总长度为H；

（66）当H_m<=H时，回到步骤（62），当H_m>H时，下一步；

（67）n=m。

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