本发明涉及一种车辆全轮转向系统及车辆。
背景技术：
全轮转向是解决车辆(含挂车、平板转运车)转向内轮差的问题、提高车辆行驶安全性和通过性的有效方法。然而，到目前为止，全轮转向全都依靠机械连杆机构实现，这种方法在一定程度上减少了转向的内轮差，但由于结构复杂，难以推广应用。
对于一体长车，传统机械连杆机构按照阿克曼转向原理设计计算，理论上应该按照一个转向中心做圆周运动，但在实际转向过程中，由于重型车辆质量大、惯性矩大、质心高，轴数多，对于不同的转向速度和转向角度往往会与阿克曼转向理论有较大差异。
对于拖挂、半拖挂、汽车列车等另类长车，机械式连杆机构则完全无法对前车和后车的转向实施控制。因为机械连杆式转向理论的前提是车辆围绕同一转向中心进行转向，而实际行驶中，由于车辆较长，很多时候前车和后车所处的弯道并不属于同一个圆周，有时甚至方向完全相反。
由此可知，随着运输业的发展，车辆长度越来越长，使得车辆的转弯越来越困难，转弯时内轮差大，严重威胁其他道路参与者的生命财产安全，引发的交通事故不断增加，因此，需要提供一种新的车辆全轮转向系统。
技术实现要素：
本发明提供一种新的车辆全轮转向系统及车辆。
本发明提供一种车辆全轮转向系统，包括左前轮、右前轮、至少一组左跟随车轮及至少一组右跟随车轮，该系统还包括车轮位置定位单元、车轮轨迹运算处理单元、跟随车轮转向控制单元及车轮转向执行器，各组左、右跟随车轮分别对应有所述车轮转向执行器，所述车轮位置定位单元实时采集所述左、右前轮的地理位置信息，所述车轮轨迹运算处理单元根据所述地理位置信息确定出所述左、右前轮的行驶轨迹，所述跟随车轮转向控制单元控制所述车轮转向执行器，使所述左跟随车轮循着所述左前轮的行驶轨迹运动，使所述右跟随车轮循着所述右前轮的行驶轨迹运动。
跟随车轮是指循着对应前轮的行驶轨迹运动的车轮。
左、右前轮均可以有一个或同轴而能够同步转向的至少两个车轮。每组跟随车轮可以有一个或同轴而能够同步转向的至少两个车轮。各组跟随车轮均分别对应有车轮转向控制器，即每个车轮转向执行器可以对应单独车轮，也可以对应处于同一轴上的一组车轮，从而实现各组跟随车轮的独立转向控制。
所述车轮转向执行器包括驱动机构和减速机构，所述驱动机构通过所述减速机构带动与其对应的跟随车轮转向。
所述左、右跟随车轮上均设有车轮转向角度传感器，所述车轮转向角度传感器与所述跟随车轮转向控制单元信号连接。通过该传感器可以时刻检测本车轮实际转向角度，计算与设定转向角度的偏差，通过独立的车轮转向执行器不断修正转向角度，保持其对设定轨迹的追循。
左、右跟随车轮上还可以设有车轮位置定位单元。通过该定位单元时刻反馈本车轮实际位置，从而能够保持本车轮对规划轨迹的追循。
一种车辆，包括所述的车辆全轮转向系统。
一种车辆，包括左前轮、右前轮、左后轮、右后轮、位于所述左前轮和左后轮之间的至少一组左中间车轮及位于所述右前轮和右后轮之间的至少一组右中间车轮，所述车辆还包括车轮位置定位单元、车轮轨迹运算处理单元、跟随车轮转向控制单元及车轮转向执行器，所述左后轮、右后轮及左、右中间车轮均分别对应所述车轮转向执行器，所述车轮位置定位单元实时采集所述左、右前轮的地理位置信息，所述车轮轨迹运算处理单元根据所述地理位置信息确定出所述左、右前轮的行驶轨迹，所述跟随车轮转向控制单元控制所述车轮转向执行器，使所述左后轮循着所述左前轮的行驶轨迹运动，使所述右后轮循着所述右前轮的行驶轨迹运动。
车辆可以设置至少三根车轴，其中，最前轴对应左右前轮、中间轴对应左右中间车轮、及最后轴对应左右后轮，车辆可以是一个刚性车体。每组中间车轮对应一中间轴。当然，也可以不设置车轴。
一种车辆，包括主车和挂车，所述主车的后部与挂车的前部连接，所述主车包括左、右前轮和左、右后轮，所述挂车包括左前、右前随动转向轮及左后、右后随动转向轮，所述车辆还包括车轮位置定位单元、车轮轨迹运算处理单元、跟随车轮转向控制单元及车轮转向执行器，所述左、右后轮分别对应有所述车轮转向执行器，所述左前随动转向轮、右前随动转向轮、左后随动转向轮、右后随动转向轮均分别对应有所述车轮转向执行器，所述车轮位置定位单元实时采集所述左、右前轮的地理位置信息，所述车轮轨迹运算处理单元根据所述地理位置信息确定出所述左、右前轮的行驶轨迹，所述跟随车轮转向控制单元控制所述车轮转向执行器，使所述左后轮、左前随动转向轮、左后随动转向轮循着所述左前轮的行驶轨迹运动，使所述右后轮、右前随动转向轮、右后随动转向轮循着所述右前轮的行驶轨迹运动。
一种车辆全轮转向方法，包括：
用于实时采集车辆左、右前轮的地理位置信息的步骤；
用于根据所述地理位置信息确定出所述左、右前轮行驶轨迹的步骤；
用于根据所述左、右前轮行驶轨迹确定出左、右跟随车轮转向角度的步骤；
用于控制所述左、右跟随车轮按照所述转向角度转向、而使所述左、右跟随车轮分别追循所述左、右前轮的行驶轨迹运动的步骤。
一种车辆全轮转向方法，车辆包括左、右前轮及左、右跟随车轮，其使左跟随车轮追循左前轮的行驶轨迹运动，使右跟随车轮追循右前轮的行驶轨迹运动。
车辆可以是柴油发动机机动车、汽油发动机机动车、电动车、新能源车或者其它由动力装置驱动、牵引的车辆及拖车和挂车。
本发明的有益效果是：能够实现多轮长车的全轮转向，减少车辆转向时的内轮差，减少转弯半径，提高车辆行驶时的安全性和通过性。
附图说明
图1是本实施方式车辆全轮转向方法的流程框图；
图2是本实施方式车辆全轮转向系统的结构框图；
图3是本实施方式车辆全轮转向系统在转向时的示意图；
图4是本实施方式车辆全轮转向系统的车轮转向执行器的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施方式车辆全轮转向方法，其包括如下步骤：1)实时采集各车轮的地理位置信息；2)计算主动转向车轮的行驶轨迹，即确定出左、右前轮的行驶轨迹；3)计算出各跟随车轮的行驶路线，该行驶路线根据左、右前轮的行驶轨迹确定；4)控制各跟随车轮按照各自路线转向行驶，主要用于控制各跟随车轮的转向角度，使左侧的跟随车轮追循左前轮的行驶轨迹运动，使右侧的跟随车轮追循右前轮的行驶轨迹运动。
左、右前轮的地理位置信息可以用于确定左、右前轮的行驶轨迹。各跟随车轮的地理位置信息可以用于实时反馈跟随车轮的实际位置，从而能够对其转向角度进行实时调整。
如图2所示，本实施方式车辆全轮转向系统，包括车轮位置定位单元、车速传感器、车轮转向角度传感器、车轮轨迹运算处理单元、跟随车轮转向控制单元及车轮转向执行器。车轮位置定位单元、车速传感器及车轮转向角度传感器均与车轮轨迹运算处理单元连接，车轮轨迹运算处理单元、跟随车轮转向控制单元及车轮转向执行器顺次连接，车轮转向执行器控制跟随车轮的转向角度。
车轮位置定位单元实时采集每个车轮的地理位置信息，为确定各车轮行驶轨迹提供原始数据。车速传感器和车轮转向角度传感器为车轮轨迹运算处理单元提供车辆行驶速度和各车轮转向角度信息，便于计算和规划跟随车轮预计的行驶路线。车轮转向角度传感器还可以作为各跟随车轮转向控制的反馈元件来提供各跟随车轮实时转向角度信息。
车轮轨迹运算处理单元根据各车轮地理位置、车速及各车轮的转向角度，来负责对各车轮的行驶轨迹进行运算处理并将各跟随车轮将要经过的轨迹进行运算和规划。
跟随车轮转向控制单元依据车轮轨迹运算处理单元的规划路线，输出控制参数给各车轮转向执行器，由各车轮转向执行器实现对应跟随车轮的不同转向角度。
车轮转向执行器是能够将上述控制参数转换成转向角度的机构，该车轮转向执行器可以采用电力驱动或液压驱动，其目的是实现按轨迹行驶。如图4所示，车轮转向执行器3可以包括驱动机构31及减速机构32，驱动机构31通过减速机构32驱动与其对应的跟随车轮33转向。
车轮轨迹运算处理单元确定出车辆左前轮和右前轮的行驶轨迹，该左前轮和右前轮的行驶轨迹分别是左跟随车轮和右跟随车轮的规划轨迹。跟随车轮转向控制单元控制跟随车轮的转向角度，使各左跟随车轮按照左前轮的行驶轨迹运动，使各右跟随车轮按照右前轮的行驶轨迹运动，即，左跟随车轮循着左前轮的行驶轨迹运动，右跟随车轮循着右前轮的行驶轨迹运动。
在车辆全轮转向系统的另一种实施方式中，车辆全轮转向系统包括车轮位置定位单元、车轮轨迹运算处理单元、跟随车轮转向控制单元及车轮转向执行器，车轮位置定位单元与车轮轨迹运算处理单元连接，车轮轨迹运算处理单元、跟随车轮转向控制单元及车轮转向执行器顺次连接。
车辆具有左前轮、右前轮、左跟随车轮及右跟随车轮，左前轮和左跟随车轮均位于车辆的左侧，右前轮和右跟随车轮均位于车辆的右侧。左前轮可以仅有一个；也可以有同轴而能够同步转向的一组车轮。左跟随车轮可以仅有一个，也可以有至少一组车轮，各组的车轮同轴而能够同步转向。右前轮可以仅有一个，也可以有同轴而能够同步转向的一组车轮。右跟随车轮可以仅有一个，也可以有至少一组车轮，各组的车轮同轴而能够同步转向。
车轮位置定位单元实时采集左、右前轮的地理位置信息。车轮轨迹运算处理单元根据左、右前轮的实时地理位置，得出左、右前轮的行驶轨迹。跟随车轮转向控制单元根据该行驶轨迹，输出控制参数给车轮转向执行器，车轮转向执行器改变对应跟随车轮的转向角度，使其保持对左、右前轮行驶轨迹的追循。每个跟随车轮均由与其对应的车轮转向执行器控制，从而实现各自独立转向。
本实施方式中，每个跟随车轮分别对应一个车轮转向执行器，也可以同轴的多个跟随车轮对应同一个车轮转向执行器。
如图3所示，其是本发明应用于主车后轮转向及挂车全轮转向的实施例。整车是汽车列车，其包括两个刚性车体，分别是主车1和挂车2，主车的后部与挂车的前部连接。主车包括左、右前轮11、12和左、右后轮13、14，挂车2包括左前、右前随动转向轮21、22及左后、右后随动转向轮23、24，左、右前轮位于主车的前部，左、右后轮位于主车的后部，左前、右前随动转向轮位于挂车的前部，左后、右后随动转向轮位于挂车的后部。左后轮13、左前随动转向轮21、左后随动转向轮23均是前述的左跟随车轮，即左跟随车轮有三组(三个)车轮；右后轮14、右前随动转向轮22、右后随动转向轮24均是前述的右跟随车轮，即右跟随车轮有三组(三个)车轮。整车在过s型弯时，当主车和挂车分别位于方向完全相反的两个弯道时，主车各车轮围绕转向中心o1转向，挂车各车轮围绕转向中心o2转向，各组左跟随车轮均追循左前轮行驶轨迹，各组右跟随车轮均追循右前轮行驶轨迹，从而大大减小了汽车列车的转弯半径和内轮差，在提高车辆通过性的同时，降低了大内轮差导致交通事故的风险。
对于车辆全轮转向系统，左、右前轮为主动转向轮，由司机通过方向盘或其它智能机构操作，车轮位置定位单元实时采集各车轮位置信息，车轮轨迹运算处理单元记录运算出左、右前轮的行驶轨迹，并计算和设计出各跟随车轮在每个位置对应的转向角度，跟随车轮控制单元依据车辆轨迹运算处理单元的运算结果控制各跟随车轮按规划路线行驶，车轮转向执行器以动力(液压或电动)完成跟随车轮转向角度的执行运作。
前述轨迹或路线均可以指以经纬度参数表示的数据组合，类似现有的电子地图和卫星定位导航。该数据可由现有的定位及导航电子模块直接获得。
车轮的行驶轨迹可由车轮位置定位单元获得，理论上只要采样时间足够短，各点的连线即可作为其所驶过的轨迹。通常，考虑成本问题，可以采取较少的点，运用差分计算或曲线拟合等数学方法计算出车轮驶过的轨迹。车轮位置定位单元如现有的高精度北斗定位芯片或高精度gps定位芯片(定位传感器)，或结合差分方法等，均可获得每时每刻该车轮的地理坐标数据。定位数据的采样时间可以根据需要设计，如：设定每10ms采集一组数据，这些经纬度数据的连接便构成此车轮的行驶轨迹。对于一个刚性车体(主车和挂车各为一个刚性车体)，可以采用每个车轮安装一组定位传感器的方式，也可以借助惯性陀螺仪传感器器所提供的车身角度数据，由一个车轮的位置，结合车体结构计算出其他车轮所在的位置和所驶过的轨迹。
对于各车轮的前进行驶路线，如果整车只有前后两个轴，则只需控制左跟随车轮追循左前轮轨迹行驶、右跟随车轮追循右前轮轨迹行驶即可。对于整车有三个或以上轴的情况，可先按刚体转动原理(车辆转向按照阿克曼转向原理—即转向时各车轮绕同一个转向中心旋转)计算出各中间车轮每时每刻应该到达的位置，再由各自独立设置的转向执行器控制中间车轮转向，该按刚体转动原理的计算可以由跟随车轮转向控制单元进行，或者由车轮轨迹运算处理单元进行。
在制定出各跟随车轮应该追循的轨迹后，循迹转向行驶便可由现有的技术实现。最简单办法采用反馈控制方法，即，时刻检测本跟随车轮实际位置，计算与设定轨迹的偏差，通过独立转向执行器不断修正转向角度，保持其对设定轨迹的追循。
对于车辆全轮转向系统，控制参数最直接的目的是追循由经纬度确定的左、右前轮的行驶轨迹，再往上追溯就是各跟随车轮每时每刻的转向角度，具体控制参数通常根据不同驱动动力源确定，如，电力参数通常包括电流、电压、方向，液力参数通常包括流量、压力、方向。由转向执行器实现各车轮的不同转向角度。
对于车辆全轮转向系统，车轮转向执行器的驱动机构可以是电机或液压马达。本系统可以采用每个跟随车轮一组执行器的方式，实际应用中可以设计成每个车轴一组执行器的方式，或者把几个车轴设计成一组转向架，采用一组执行器的方式。
车辆前进行驶过程中，前轮的轨迹类似于通俗意义上所说的车辙，后面的车轮只需要按前轮的轨迹循迹行驶即可。左侧的跟随车轮沿左前轮轨迹行驶，右侧的跟随车轮沿右前轮轨迹行驶。如果每个车体只有前后两个车轴，只需控制左跟随车轮按左前轮轨迹行驶，右跟随车轮按右前轮轨迹行驶即可。对于一个车体有至少三个车轴的情况，最前轴和最后轴的车轮追循左、右前轮的行驶轨迹，中间轴各中间车轮由于受到车体牵制，不能沿各自前方车轮轨迹行驶，可先按刚体转动原理(车辆转向按照阿克曼转向原理—即转向时各车轮绕同一个转向中心旋转)计算出各中间车轮每时每刻应该到达的位置，再由各自独立设置的转向执行器控制中间车轮转向来实现循迹行驶。在倒车行驶时，可人工操作最后一组车轮的转向角度，其它车轮由控制系统控制来随着最后一组车轮运动。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。