基于GPS/INS的虚拟轨道列车首车循迹控制研究

摘要

虚拟轨道列车融合轨道车辆和传统汽车的技术特征，具有环保，运量大，建设周期短等优点，可用于城市公共交通，缓解日趋严重的交通拥堵。虚拟轨道列车集成了全轮驱动，多轴转向，灵活编组，自主导向循迹等关键技术，由首车引导可在城市既有道路上运行。本文针对列车首车的循迹控制问题，开展如下主要工作：　　(1)建立虚拟轨道列车首车循迹控制模型，实现车辆在运动过程中纵向和横向控制的解耦：基于线性二次型调节(LQR)原理和预瞄控制理论，提出车辆横向运动控制模型；研究匹配车辆前后轮独立转向特性的四轮电子差速分配原则，并进一步结合车辆动力学理论，提出车辆纵向运动控制模型，确定各车轮的目标转速；建立轮毂电机传递函数模型，并基于车轮的目标转速，采用转速和电流双闭环的控制方式，建立轮毂电机调速模型。　　(2)基于CarSim和Simulink搭建四轮独立驱动四轮转向的列车首车循迹动力学的联合仿真平台。研究车辆在两种典型工况下的动力学行为，即匀加速直线运动以及前后轮以等大反向且按正弦规律变化的转角转向时的匀速运动，通过对上述两种工况下车辆车速和各轮转速的理论分析，初步验证了车辆纵向控制模型的有效性；进一步研究了车辆在低速条件下沿直线轨迹、圆形轨迹和直线—圆组成的复合轨迹的循迹问题以及车辆以中高车速跟踪双移线轨迹的动力学问题。仿真结果表明本文提出的车辆循迹控制模型针对多种典型轨迹均有效，并且可以快速稳定消除车辆纵向车速与目标速度的偏差；保证车辆具有较好横向稳定性，及时校正轨迹、跟踪目标轨迹。　　(3)基于LabVIEW和VisualStudio平台设计和开发车辆循迹控制软件系统，编写GPS/INS数据采集模块、车辆循迹控制模块以及上位机与电机控制主板的信息交互模块。结合GPS/INS定位感知技术，研究车辆与虚拟轨道的相对位置关系，并形成基于PID的预瞄横向控制决策和基于阿克曼原理的车辆四轮转速分配决策。开展原理样车在7km/h和10km/h速度条件下的循迹试验研究，并取得较好的循迹效果，有效验证了车辆循迹控制系统，为后续深入开展基于GPS/INS的车辆循迹控制研究奠定试验基础。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 虚拟轨道列车研究背景

1.2 虚拟轨道列车首车主要技术特征

1.3 国内外研究现状

1.3.1 智能驾驶车辆感知技术的发展现状

1.3.2 国外轮毂电机电动车的发展现状

1.3.3 国内轮毂电机电动车的发展现状

1.3.4 车辆循迹控制国内外研究现状

1.4 本文主要研究工作

第2 章 虚拟轨道列车首车循迹控制

2.1 引言

2.2 基于LQR的预瞄横向控制模型

2.2.1 四轮转向车辆2DOF 动力学模型

2.2.2 基于LQR的预瞄横向控制

2.3 四轮转向车辆的四轮差速分配

2.3.1 现有的四轮转向电子差速分配方式

2.3.2 基于车辆动力学模型的电子差速分配

2.4 轮毂电机调速控制建模

2.4.1 无刷直流电机数学模型

2.4.2 无刷直流电机转速电流双闭环控制

2.5 本章小结

第3 章 虚拟轨道列车首车循迹控制仿真

3.1 引言

3.2 基于Matlab/Simulink 和CarSim的联合仿真平台

3.2.1 CarSim软件简介

3.2.2 循迹控制联合仿真平台

3.3 仿真结果与分析

3.3.1 车辆四轮差速分配控制仿真分析

3.3.2 车辆循迹控制仿真分析

3.4 本章小结

第4 章基于GPS/INS 的车辆循迹控制试验系统

4.1 引言

4.2 GPS/INS硬件设备构成与安装

4.2.1 简介

4.2.2 硬件构成

4.2.3 硬件设备的安装与指令配置

4.3 基于LabVIEW的车辆状态数据采集上位机软件设计

4.3.1 主程序设计

4.3.2 串口通讯子程序设计

4.3.3 数据解析与参数计算子程序设计

4.4 基于GPS/INS的车辆循迹控制软件系统设计

4.4.1 车辆循迹控制模块设计

4.4.2 上位机与电机控制主板信息交互模块

4.5 本章小结

第5 章试验验证

5.1 引言

5.2 试验车辆硬件设备介绍

5.3 车辆循迹控制试验

5.3.1 基于PID的预瞄横向控制算法

5.3.2 试验设计与试验结果

5.4 本章小结

总结与展望

1 总结

2 展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

学位论文数据集