一种基于多轴无轨电车循迹跟踪系统及具有其的电车的制作方法

本发明涉及电动汽车
技术领域：
，特别是涉及一种基于多轴无轨电车循迹跟踪系统及具有其的电车。
背景技术：
：自上世纪70年代起，伴随着智能技术的迅速发展，无人驾驶汽车在世界各国受到重视，也逐步取得了突破性进展。汽车智能化已经在汽车辅助驾驶和交通安全领域起到了越来越重要的作用。公共交通现在已经成为城市交通最重要的一部分，其中地铁作为快速、便捷的交通工具而受到各大城市的欢迎。而地铁由于修建成本高、工期长等原因只在大城市中普及，中小城市以及大城市的偏远郊区则无力修建。解决城市的快速而大运量的公共交通将会大大提升城市的运行效率和经济效益。因此多轴无轨电车的研究便应运而生。同时，电车作为绿色无污染的新能源汽车，将是未来汽车的发展方向。作为新型汽车，无轨电车可以在普通道路上沿固定轨迹行驶，但是如何实现多轴无轨车的循迹跟踪仍然是技术上的最大难点。因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种基于多轴无轨电车循迹跟踪系统来克服或至少减轻现有技术中的至少一个上述缺陷。为实现上述目的，本发明提供一种基于多轴无轨电车循迹跟踪系统，所述多轴无轨电车包括至少三节车轮组件，每一节车轮组件包括车轴以及所述车轴两端的车轮，所述基于多轴无轨电车循迹跟踪系统包括车轮驱动装置、信息采集装置和计算机控制器，其中：每一所述车轮驱动装置驱动连接一所述车轮，所述信息采集装置设于车辆上，用于采集各车轴状态信 息和实际轮速；所述计算机控制器连接所述信息采集装置，并用于根据所述车轴状态信息、预期路径和预设车轴轮速获得与各所述车轴相对应的车轮的期望轮速，再根据所述期望轮速和所述实际轮速调整输送给所述车轮驱动装置的驱动信号，以使各所述车轮的实际轮速达到期望轮速。进一步地，相邻的两所述车轮组件中的所述车轴通过铰接杆连接，所述信息采集装置还用于采集每一所述车轴与该车轴连接的铰接杆之间的夹角，所述计算机控制器还用于根据其中一所述车轮组件的预设车轴轮速以及该车轮组件中的车轴与其连接的铰接杆之间的夹角，获得其它所述车轮组件的车轴期望轮速。进一步地，所述计算机控制器包括计算模块、修正模块和控制模块，其中：所述计算模块用于根据所述车轴状态信息、预期路径和预设车轴轮速获得相应的车轮的期望轮速；所述修正模块用于根据所述预期路径与车辆的角度偏差和/或距离偏差对所述期望轮速进行修正；所述控制模块用于根据修正后的所述期望轮速和所述实际轮速信息调整输送给所述车轮驱动装置的驱动信号，以使车轮的实际轮速达到期望轮速。进一步地，所述控制模块包括速度比例关系判断子模块和速度比例控制子模块，其中：所述速度比例关系判断子模块用于接收所述信息采集装置输入的实际轮速信息以及所述修正模块修正后的所述期望轮速并比较，若每一所述车轮组件中左轮和右轮的实际轮速满足其修正后的所述期望轮速的比例关系时，则左轮的当前比较轮速和右轮的当前比较轮速分别设定为其对应的修正后的所述期望轮速，并输出加速控制指令或电制动减速控制指令；否则，由所述速度比例控制子模块根据实际轮速与修正后的所述期望轮速来计算和控制当前应达到的速度比例，并输出加速控制指令或电制动减速控制指令。进一步地，所述控制模块还包括PID电压驱动子模块，所述PID电压驱动子模块用于接收到所述速度比例关系判断子模块或速度比例控制子模块给出的加速控制指令或电制动减速控制指令，如果是加速，则根据车轮的期望轮速和实际轮速，获得输送给所述车轮驱动装置中的电压控制器的电压信号，如果是电制动，则将所述电压控制器输出的电压信号设为0。进一步地，所述PID电压驱动子模块根据车轮的期望轮速和实际轮速，获得输送给所述车轮驱动装置的电压信号u公式如下：其中，e(k)为期望轮速和实际轮速的差值，kp为比例系数，ki为积分系数。进一步地，所述速度比例控制子模块根据所述实际轮速与修正后的所述期望轮速，计算左轮的当前比较轮速vlc和右轮的当前比较轮速vrc，分别为：当vl>vlt/vrt·vr时，vlc＝vlt/vrt·vr，vrc＝vrt；当vr>vrt/vlt·vl时，vlc＝vlt，vrc＝vrt/vlt·vl，vlt为修正后的左轮期望轮速，vrt为修正后的右轮期望轮速，vl为左轮的实际轮速，vr为右轮的实际轮速。进一步地，所述基于多轴无轨电车循迹跟踪系统还包括继电器，所述继电器连接在所述速度比例控制子模块与所述电机控制器之间，用于接收所述速度比例控制子模块发出的高低电平信号，以控制所述电机控制器中的正转和反转档位。进一步地，所述信息采集装置包括导航子模块和轮速检测子模块，其中：所述导航子模块设在所述车辆上，用于检测各所述车轴状态信息并输入到所述计算机控制器；所述轮速检测子模块设在所述车轮驱动装置上，用于检测车轮的实际轮速并输入到所述计算机控制器。本发明还提供一种电车，所述电车包括如上所述的基于多轴无轨电车循迹跟踪系统。应用本发明提供的技术方案后，通过信息采集装置采集各车轴状态信息和实际轮速，并通过计算机控制器根据车轴状态信息、预期路径和预设车轴轮速获得与各车轴相对应的车轮的期望轮速，再根据期望轮速、实际轮速和车辆控制指令调整输送给车轮驱动装置的驱动信号，以使各所述车轮的实际轮速达到期望轮速，及时准确地纠正车辆的偏移，使电车平稳地行驶，并且使得每轴电车都能较好地跟踪轨迹而不受或少受前后车轴的影响，进而解决了在无轨情况下多轴独立车辆的横向控制，为多轴车辆的行驶提供了技术支撑。附图说明图1为本发明所应用的多轴无轨电车中各车轴的轮速关系示意图；图2为图1中的一车轮组件与预期路径之间的关系示意图；图3为本发明一优选实施方式的基于多轴无轨电车循迹跟踪系统的原理示意图；图4为图3中计算机控制器的原理示意图；图5为图4中控制模块的原理示意图。附图标记：A车轴A0车轴的中点B1右轮B2左轮C铰接杆1车轮驱动装置2信息采集装置3计算机控制器31计算模块32修正模块33控制模块331速度比例关系判断子模块332速度比例控制子模块333PID电压驱动子模块4继电器具体实施方式在附图中，使用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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。本发明中，以车辆的前进方向为参照方向，车辆的前进方向的左侧为下文中的“左”，车辆的前进方向的右侧为下文中的“右”。如图1和图2所示，本实施方式所提供的基于多轴无轨电车循迹跟踪系统中的多轴无轨电车的车身较长，且由多节车轮组件组成，其具体包括至少三节车轮组件，每一节车轮组件包括车轴A以及车轴A两端的车轮(右轮B1和左轮B2)，相邻的两车轮组件中的车轴A通过铰接杆C连接。图1和图2中的多轴无轨电车是由三节两轮车轮组件组合在一起的，每一节的车轮组件中的右轮B1和左轮B2均为独立的驱动轮，且与自身车轴A始终保持垂直，并外 接供电设备整车，没有方向盘，转弯时主要依靠右轮B1和左轮B2的轮速差进行。如图3所示，所述基于多轴无轨电车循迹跟踪系统包括车轮驱动装置1、信息采集装置2和计算机控制器3，其中：车轮驱动装置1包括电机控制器11和轮毂电机12，每个轮毂电机12，都有一个电机控制器11与之对应。每一车轮驱动装置1驱动连接一所述车轮，即每一个右轮B1和左轮B2都独立由一个轮毂电机12驱动，以保证车轴A两端的右轮B1和左轮B2之间的轮速差，从而使得该车轴A按照预设的轮速和方向运动，进而在车身没有安装方向盘的情况下实现电子差速运动和转向。信息采集装置2设于车辆上，用于采集各车轴状态信息和实际轮速。信息采集装置2的输出端连接计算机控制器3的输入端，计算机控制器3用于接收信息采集装置2采集到的各车轴状态信息和实际轮速，并根据所述车轴状态信息、预期路径和预设车轴A轮速获得与各车轴A相对应的车轮的期望轮速，再根据所述期望轮速、所述实际轮速和车辆控制指令调整输送给车轮驱动装置1的驱动信号，以使各所述车轮的实际轮速达到期望轮速。上述“状态信息”至少包括位置信息和朝向信息。通过上述实施方式，可以使得各所述车轮的实际轮速达到期望轮速，及时准确地纠正车辆的偏移，使电车平稳地行驶，并且使得每轴电车都能较好地跟踪轨迹而不受或少受前后车轴的影响。作为信息采集装置2的一种优选实施方式，信息采集装置2包括导航子装置和轮速检测子模块，其中：导航子装置设在车辆的相应的车轴A上，导航子装置用于采集车轴A的状态信息并输出。导航子装置的输出端连接计算机控制器3的输入端，导航子装置将采集到的车轴A的状态信息输出给计算机控制器3。本实施方式中，导航子装置包括GPS移动站和基准站，其中：GPS移动站设在每一根车轴A上，GPS移动站的输出端和GPS基准站的输出端均与差分模块的输入端信号连接，差分模块的输出端与计算机控制器3的输入端连接。由于单点(一个)GPS定位会存在相对偏差，因此，本实施方式通过两个GPS联合定位则可以消除相对偏差的影响，提高相对定位精度。GPS基准站和GPS移动站同时接收来自卫星的GPS信号，基准站位置固定不变。GPS移动站安装在每一根车轴A上，随车运动。运行时分别得到自身的经纬度信息，由于单点GPS得到的经纬度存在固定误差，所以通过差分模块对移动站和基准 站的经纬度信息做差分运算，可以得到移动站相对于基准站的位置信息，从而获得车轴A的状态信息。差分模块可以采用相应的差分电路实现。作为信息采集装置2的另一种优选实施方式，信息采集装置2还包括轮速检测子装置，轮速检测子模块设在车轮驱动装置1上，用于检测车轮的实际轮速并输入到计算机控制器3。例如：轮速检测子装置设在左轮的轮毂电机和右轮的轮毂电机上，轮速检测子装置的输出端连接计算机控制器3的输入端。轮速检测子装置用于检测左轮和右轮实际轮速。作为信息采集装置2的又一种优选实施方式，信息采集装置2还包括角度记，其设在每一车轴A与铰接杆C的连接处，用于采集车轴A与铰接杆C的夹角。如图4所示，作为计算机控制器3的一种优选实施方式，计算机控制器3包括计算模块31、修正模块32和控制模块33，其中：计算模块31用于根据所述车轴状态信息、预期路径和预设车轴A轮速获得相应的车轮的期望轮速，该期望轮速获取方法具体如下：再次参阅图2，图2示出了一车轮组件包括车轴A,车轴的中点A0,车轴A两端的右轮B1和左轮B2,虚线部分示意的该车轴A的预期路径,该车轴A的前方距离h范围内的一系列点P1～Pn(n为自然数)，车轴的中点A0的垂线与预期路径之间的夹角θ(下问提及的“角度偏差θ”)，车轴A的中点A0与预期路径之间的距离偏差d(下问提及的“距离偏差d”)。由于信息采集装置2用于采集各车轴A的状态信息，根据车轴A的状态信息，便可以通过现有的计算方法获得前方距离h范围内的预期路径的曲率半径R、车轴的中点A0的垂线与预期路径之间的夹角θ以及车轴A的中点A0与预期路径之间的距离偏差d。比如：曲率半径R是根据车轴A所对应的预期路径当前点的前方距离h范围内的一系列点P1～Pn进行圆弧拟合，并用最小二乘法得出整体的曲率半径R。再根据以上各数据获得车轮(右轮B1和左轮B2)的期望轮速，该期望轮速计算方法具体如下：设定车轴A的目标轮速vt后，在保证车轴的中点A0的轮速vm等于预设轮速vt的情况下，根据前方距离h范围内的预期路径的曲率半径R得出内外轮的期望轮速为：vmin,R＝(1-L/R)·vm，vmax,R＝(1+L/R)·vm(1)式(1)中，L为右轮B1和左轮B2的间距的一半。如果前方距离h范围内的预期路径给出的曲率半径R在车辆的右方，则左轮B2的期望轮速为vlt,R＝vmax,R，右轮B1的期望轮速为vrt,R＝vmin,R。如果前方距离h范围内的预期路径给出的曲率半径R在车辆的左方，则左轮B2的期望轮速为vlt,R＝vmin,R，右轮B1的期望轮速为vrt,R＝vmax,R。如果电车没有偏离预期路径，则依据(1)式得出的车轮的期望轮速即可沿着轨迹行驶，但当存在距离偏差d和/或角度偏差θ时，需要修正模块32对(1)式中和左轮B2的右轮B1的期望轮速分别进行修正，具体地，修正模块32用于接收计算模块31计算得到的右轮B1的期望轮速vrt,R和左轮B2的期望轮速vlt,R，并根据所述预期路径与车辆的距离偏差d和/或角度偏差θ分别对右轮B1的期望轮速vrt,R和左轮B2的期望轮速vlt,R进行修正，修正后的左轮B2的期望轮速vlt和右轮B1的期望轮速vrt分别为：vlt＝(1+kd·d+kangle·θ)·vlt,R，vrt＝2·vm-vlt(2)式(2)中，对于左轮B2而言，当电车偏移到预期路径的左方时，距离偏差d为正值，反之为负值；当偏差角度是朝着增大距离偏差的方向行驶时，角度偏差θ为正值，反之为负值；kd和kangle分别为距离偏差d和角度偏差θ的系数，kd和kangle的大小和数量级选取与vlt的大小和单位相对应，但kd和kangle的相对大小基本不变。例如，vlt的单位为cm/s，大小为300cm/s，d的单位为m，θ的单位为rad，那么kd为0.1，kangle为0.5。此外，应限制左右轮的最大轮速，以防两轮轮速差过大，例如当左轮速度较快时限制vlt_max＝1.3·vm。控制模块33用于接收修正模块32修正后的右轮B1的期望轮速vrt和左轮B2的期望轮速vlt，并根据修正后的右轮B1的期望轮速vrt、左轮B2的期望轮速vlt、所述实际轮速和车辆控制指令调整输送给车轮驱动装置1的驱动信号，以使车轮的实际轮速达到期望轮速。进一步地，如图5所示，在一个优选实施方式中，控制模块33包括速度比例关系判断子模块331和速度比例控制子模块332，其中：速度比例关系判断子模块331用于接收信息采集装置2输入的实际轮速信息以及修正模块32修正后的所述期望轮速并比较。若每一所述车轮组件中左轮和右轮的实际轮速满足其修正后的所述期望轮速的比例关系时，则左轮的当前比较轮速和右轮的当前比较轮速分别设定为其对应的修正后的所述期望轮速，并输出加速控制指令或电制动减速控制指令；否则，在每一所述车轮组件中左轮和右轮的实际轮速不满足其修正后的所述期望轮速的比例关系的情形下，由速度比 例控制子模块332根据实际轮速与修正后的所述期望轮速来计算和控制当前应达到的速度比例，以设定车轮的当前比较轮速，并输出加速控制指令或电制动减速控制指令。具体如下：速度比例关系判断子模块331接收到的信息采集装置2输入的实际轮速信息以及修正模块32修正后的左轮B2的期望轮速vlt和右轮B1的期望轮速vrt，以获得左轮B2的当前比较轮速vlc和右轮B1的当前比较轮速vrc，左轮B2的当前比较轮速vlc和右轮B1的当前比较轮速vrc的获得方法具体如下：在每一所述车轮组件中左轮和右轮的实际轮速满足其修正后的所述期望轮速的比例关系的情形下，即当每一所述车轮组件中左轮B2的实际轮速vl、左轮B2的期望轮速vlt、右轮B1的实际轮速vr和右轮B1的期望轮速vrt满足关系：vl/vr≈vlt/vrt，则左轮B2的当前比较轮速vlc和右轮B1的当前比较轮速vrc分别为：vlc＝vlt。在每一所述车轮组件中左轮和右轮的实际轮速不满足其修正后的所述期望轮速的比例关系的情形下，速度比例控制子模块332根据车轮的实际轮速与期望轮速，计算左轮B2的当前比较轮速vlc和右轮B1的当前比较轮速vrc，其具体如下：当vl>vlt/vrt·vr时，则设定左轮B2的当前比较轮速vlc和右轮B1的当前比较轮速vrc分别为：vlc＝vlt/vrt·vr，vrc＝vrt(3)并且，速度比例控制子模块332将设定好的左轮B2的当前比较轮速vlc和右轮B1的当前比较轮速vrc输送给PID电压驱动子模块333。当vr>vrt/vlt·vl时，则设定左轮B2的当前比较轮速vlc和右轮B1的当前比较轮速vrc分别为：vlc＝vlt，vrc＝vrt/vlt·vl(4)并且，速度比例控制子模块332将设定好的左轮B2的当前比较轮速vlc和右轮B1的当前比较轮速vrc输送给PID电压驱动子模块333。在另一个优选实施方式中，控制模块33还包括PID电压驱动子模块333，其中：PID电压驱动子模块333用于接收到所述速度比例关系判断子模块331或速度比例控制子模块332给出的加速控制指令或电制动减速控制指令，如果是加速，则根据车轮的期望轮速和实际轮速，获得输送给车轮驱动装置1中的电压控制器11的电压信号，如果是电制动，则将所述电压控制器11 输出的电压信号设为0。也就是说，在本实施方式中，通过速度比例控制子模块332和PID电压驱动子模块333对左轮B2的实际轮速vl和右轮B1的实际轮速vr进行调整，其具体如下：在左轮B2或右轮B1的实际轮速小于其当前比较轮速时，速度比例控制子模块332向PID电压驱动子模块333输入加速控制指令，此时由PID电压驱动子模块333对相应的车轮进行加速。在左轮B2或右轮B1的实际轮速大于其当前比较轮速时，速度比例控制子模块332向PID电压驱动子模块333和继电器4输入电制动减速控制指令，此时PID电压驱动子模块333对相应车轮的输入电压设为0，并由继电器4控制相应的电机控制器的反转档位，进行电制动减速，此时保持车轮驱动装置1中轮毂工作，则轮毂会有一个与前进方向的反向作用力，从而使速度降低。上述实施方式中，PID电压驱动子模块333根据车轮的期望轮速和实际轮速，获得输送给车轮驱动装置1中的轮毂电机的驱动信号为电压信号，该电压信号u计算公式如下：其中，kp为比例系数，ki为积分系数，e(k)为当前比较轮速和实际轮速之差。kp和ki是根据经验以及现场测试得到，具体数值根据轮速单位和电压单位来确定，例如：速度的单位为cm/s，电压的单位为mV，则kp为10，ki为0.2。由于积分部分很容易饱和，所以需要为上式中的积分项设定一个上限值Imax，即，当时，设定Imax基本上是根据期望轮速对应得到的稳定电压，可以稍大于该稳定电压值。上述各实施方式中，所述基于多轴无轨电车循迹跟踪系统还包括继电器4，继电器4连接在控制模块33与车轮驱动装置1之间，用于接收控制模块33中的速度比例控制子模块332输出的高低电平信号，控制自身触点的断开与闭合，以控制车轮驱动装置1中的电机控制器11的正转和反转档位。具体地，电机控制器11接受计算机控制器3中的PID电压驱动子模块333给的0～5V加速电压和/或继电器4控制的正反转档位以及电源电压360V，经电机控制器11转变电压后驱动轮毂电机12，最终轮毂电机12带动相应的车轮组件转动。如图1和图2所示，由于相邻的前、后两车轴A是由刚性的铰接杆C连接，并且每个车轮都是驱动轮，为了保证铰接杆C不受两车轴A之间的拉伸压缩的影响，相邻的前、后两车轴A的轮速需要满足一定关系。由图1可以看 出，为了使铰接杆C不受拉伸或压缩力，以第一根铰接杆C连接的第一车轴A和第二车轴A为例，两车轴A的轮速关系需满足：vm1t·cosθ11＝vm2t·cosθ21式中，vm1t是第一车轴A的中点AO的期望轮速，vm2t是第二车轴A的中点AO的期望轮速，θ11是第一车轴A的垂线与铰接杆C之间的夹角，θ21是第二车轴A的垂线与铰接杆C之间的夹角。如果第二车轴A的中点AO的期望轮速vm2t确定，则第一车轴A的中点AO的期望轮速vm1t为：vm1t＝vm2t·cosθ21/cosθ11再次参阅图2，另外，第一车轴A位置的确定方法如下：第二车轴A的位置坐标由信息采集装置2给出，则第二车轴A与预期路径(图2中的虚线部分)的横向偏差和角度偏差便可得出。而第一车轴A的中点A0的坐标(xm1，ym1)则是以第二车轴A的中点A0的坐标(xm2，ym2)为基准，通过铰接杆C的长度和角度记给出的夹角算出：xm1＝xm2+d·sinθ21，ym1＝ym2+d·cosθ21其中d为铰接杆C的长度。第一车轴A与第二车轴A的夹角α12为α12＝θ21+θ11因此，第一车轴A的右轮B1和左轮B2各自的期望轮速则以第一车轴A的中点A0的期望轮速vm1t为基准，根据式(1)和式(2)计算。第一车轴A的轮速跟随也是根据轮速跟随控制指令式(3)和式(4)执行。与第一车轴A和第二车轴A类似，第三车轴A的中点A0期望轮速vm3t是根据第二车轴A的期望轮速vm2t为基准而获得：vm3t＝vm2t·cosθ22/cosθ32第三车轴A的右轮B1和左轮B2各自的期望轮速和轮速跟随控制与上述的第一车轴A获得方法相同，在此不再赘述。上述选择第二车轴A的中点A0的轮速为基准的原因：从基准轮速计算得到的其它轮速值都是逐级波动越来越剧烈的。如果以第一车轴A的中点A0的期望轮速为基准，第二车轴A的中点A0的期望轮速会有一定的波动，而第三车轴A又是以第二车轴A的中点A0的期望轮速为基准，所得到的第三车轴A的中点A0的期望轮速就会有很大波动，对运动控制和轮速跟随是不利的。但如果选择第二车轴A的中点A0的期望轮速为基准，第一车轴A和第三车轴A 的中点A0的期望轮速都是直接从精确的的第二车轴A的中点A0的期望轮速计算得到，从而第一车轴A和第三车轴A的中点A0的期望轮速都不会波动太大，比较容易实现稳定的运动控制。需要说明的是，上述仅为优选方式，当然也不排除以第二车轴A以外的车轴A的中点A0的期望轮速为基准，来确定其它车轴A的期望轮速和轮速跟随控制。因此，信息采集装置2还用于角度记(图中未示出)，角度记设在每一车轴A与该车轴A连接的铰接杆C之间，用于采集每一车轴A与该车轴A连接的铰接杆C之间的夹角。计算机控制器3还用于根据其中一所述车轮组件的预设车轴A轮速以及该车轮组件中的车轴A与其连接的铰接杆C之间的夹角，获得其它所述车轮组件的车轴A轮速。本发明还提供一种电车，该电车包括上述各实施方式中所述的基于多轴无轨电车循迹跟踪系统。所述电车的其它部分均为现有技术，在此不再展开描述。最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页1 2 3