技术领域
[0001] 本
发明属于智能交通领域，尤其涉及一种矿用车方阵编队控制系统领域。
背景技术
[0002] 在
煤矿等等作业地区，存在着货物运输量大、地区空旷、运输路线固定等特点，运输车需要将货物在两地或多地之间不断运输，需要大量驾驶员不断往返运输，劳动强度大，工作条件差。为减轻驾驶员负担，改善驾驶员短缺现状，本发明提出一种矿用车方阵编队控制系统，将方阵编队技术用于此类作业地区，提高运输效率，增加产量，加快行业发展。
[0003] 为解决矿区等作业地区运输车工作量大、驾驶员劳动强度大以及驾驶员短缺等现象，本发明提供四种工作模式，根据作业情况有高效模式或者节能模式，在路面情况较差时有湿滑模式或雾夜模式，保证车队的行驶安全性；在非结构化道路及无道路的空地、山间上行驶时，辅助车驾驶员对辅助车进行驾驶控制、跟随车跟随相应的辅助车行驶，扩大矿用车方阵编队控制系统对地形的适应能
力，提高运输效率。
发明内容
[0004] 本发明目的在于提供一种矿用车方阵编队控制系统，以达到保证行驶安全性、提高货物运输效率、改善驾驶员工作强度以及改善驾驶员短缺等目的。
[0005] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，由多列纵向队列组合而成的方阵编队控制系统，被控成员车按功能分为领航车、辅助车和跟随车：
[0006] 领航车完全由驾驶员操作；
[0007] 辅助车配备驾驶员，当辅助车与领航车发出的
信号偏差值超出设定的范围时，辅助车发出警报，由辅助车上驾驶员人为操纵驾驶车辆，当辅助车与领航车发出的信号不存在偏差或偏差没有达到设定目标时，辅助车为自动跟随模式，不需要驾驶员驾驶操纵；
[0008] 跟随车不配备驾驶员，当跟随车与领航车或辅助车发出的信号偏差值超出设定的范围时，跟随车发出警报，辅助车驾驶员操纵辅助车，同时跟随车通过调整协调
加速度系数调整车速。
[0009] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，领航车、辅助车、跟随车的信号传递方式：
[0010] 领航车将信号发送至所有辅助车与跟随车，领航车接收所有辅助车与跟随车的发送信号；领航车向辅助车与跟随车发送的信号包括领航车的车速信号、纵向加速度信号、
位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆
角速度信号、
车身高度信号、由领航车控制单元计算出的所有辅助车与所有跟随车的期望纵向加速度与期望侧向加速度信号；
[0011] 辅助车将信号发送至所有领航车与跟随车，辅助车接收所有领航车与跟随车的发送信号；辅助车发送至领航车的行驶状态信号包括辅助车自车的车速信号、纵向加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、
横摆角速度信号、车身高度信号；辅助车发送至跟随车的信号包括辅助车自车的车速信号、加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、实际
方向盘转角信号以及由辅助车控制单元计算出的所有跟随车的期望纵向加速度信号和期望侧向加速度信号；
[0012] 跟随车将信号发送至所有领航车与辅助车，跟随车接收所有领航车与辅助车的发送信号；跟随车的发送信号包括自车的车速信号、纵向加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号和车身高度信号。
[0013] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，包括：
[0014] 多工作模式切换模
块，通过对期望车间距的控制使矿用车方阵编队控制系统适用于不同的路面、天气等情况；
[0015] 期望车间距计算模块，该模块设计了基于期望
制动间距与期望停车间距的期望车间距控制策略，以防止突发情况下，成员车之间需要紧急制动时易产生的追尾事故；
[0016]
加速度计算模块，综合领航车、辅助车对跟随车的影响，计算被控成员车的加速度；
[0017] 预警模块，设定横向、纵向等运动方向的误差范围，当超出设定范围即发出警报，提醒辅助车驾驶员干预辅助车进行车辆控制，同时通过改变加速度计算模块中的目标加速度，实现对车辆的安全性控制。
[0018] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的多工作模式切换模块中，将路面情况分为三个等级，一级路面为
冰雪路面，二级路面为湿路面，三级路面为良好干燥路面；
[0019] 将车速分为三个等级，车速小于10m/s时为一级车速，车速为10m/s-15m/s之间时为二级车速，大于20m/s时为三级车速；
[0020] 一级路面对应一级车速、二级车速、三级车速的路面附着系数分别为0.25、0.2、0.15；
[0021] 二级路面对应一级车速、二级车速、三级车速的路面附着系数分别为0.55、0.5、0.45；
[0022] 三级路面对应一级车速、二级车速、三级车速的路面附着系数分别为0.75、0.7、0.65。
[0023] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的多工作模式切换模块分为四种工作模式，不同的工作模式对应期望车间距计算模块中的不同控制
算法，四种工作模式具体如下：
[0024] 节能模式，该模式下控制策略减小期望车间距计算模块中的期望停车间距，以减小被控成员车车间距，减小
空气阻力，降低燃油消耗率，降低成本；
[0025] 高效模式，该模式下控制策略增大期望车间距计算模块中的期望停车间距，以增大被控成员车车间距，增加安全性，增大被控成员车车速及加速度变化率，提高运输效率；
[0026] 湿滑模式，该模式下控制策略针对不同路面等级，对应计算得到不同的期望停车间距，以适应冰雪路面和湿路面环境；
[0027] 雾夜模式，该模式适用于夜间或大雾天气，通过增大期望车间距计算模块中的期望停车间距，以提高行驶安全性；
[0028] 本发明公开的控制系统提供两种工作模式切换方式，包括驾驶员手动设置及控制系统自动切换两种方式；驾驶员可手动设置某种工作模式，此时系统行驶过程中按此工作模式工作；若驾驶员没有手动设置，则四种模式可自动切换；在路面等级为三级的情况下，当被控成员车车速为二级时系统自动切换到节能模式，当被控成员车车速为三级时系统自动切换到高效模式，当被控成员车车速为一级时系统自动切换到雾夜模式；当路面等级为二级或一级时系统自动切换到湿滑模式。
[0029] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的期望车间距计算模块，其中，[0030] 该模块控制策略中所需的纵向期望车间距，包括延迟间距、期望制动间距和期望停车间距；
[0031] 延迟间距包括方阵延迟间距和制动延迟间距；
[0032] 方阵延迟的计算考虑了将被控成员车的编号、当前车速、方阵延迟时间系数等方面，表示由于系统中成员车数量较多而产生通讯延迟，方阵延迟间距表示由于方阵延迟，车辆继续运动而产生的距离；
[0033] 制动延迟间距表示在当前路面等级与当前车速情况下，如若发生紧急情况需要急
刹车时，由于制动器动作延迟产生的行驶距离；
[0034] 期望制动间距表示在当前路面等级与当前车速情况下，如若发生紧急情况需要急刹车时所期望的，车辆从制动到停车驶过的距离；
[0035] 期望停车间距的计算考虑了被控成员车的车速、加速度及
载荷量；其中，载荷量通过被控成员车辆的
悬架系统在工作载荷下与静载荷下的高度差值进行计算；期望停车间距表示在当前路面等级与当前车速情况下如若发生紧急情况急刹车停车后所期望的与前车之间的距离，
权利要求2所述的不同的工作模式对应不同的期望停车间距系数；
[0036] 具体计算方法如下：
[0037] 步骤一：所述的延迟间距为：
[0038]
[0039] 其中，所述的方阵延迟间距 为：
[0040]
[0041] 式中，i为第i辆被控成员车，vi为第i辆被控成员车当前车速，为第i辆被控成员车方阵延迟时间系数；
[0042] 其中，所述的制动延迟间距 为：
[0043]
[0044] 式中：vi为第i辆被控成员车当前车速，为第i辆被控成员车的制动器动作延迟与制动器增力到最大的时间，μi为驾驶员手动输入的路面附着系数等级下对应的第i辆被控成员车当前车速下的路面附着系数，g为
重力加速度，Δti为第i辆被控成员车
制动蹄片与
制动鼓接触之后
摩擦力增加的时间；
[0045] 步骤二：所述的期望制动间距Sbi为：
[0046]
[0047] 步骤三：所述的期望停车间距Si为：
[0048]
[0049] 式中：vi为第i辆被控成员车当前车速，ai为第i辆被控成员车的当前加速度；αi为第i辆被控成员车的当前车速系数；βi为第i辆被控成员车的当前加速度系数，hi为第i辆被控成员车的悬架高度，为第i辆被控成员车静载荷时悬架高度，γi为第i辆被控成员车悬架高度系数；
[0050] i.所述的节能模式具体系数为：
[0051] αi＝0.01i+0.1,βi＝0.05i+0.5,γi＝0.01i+2
[0052] ii.所述的高效模式具体系数为：
[0053] αi＝0.02i+0.2,βi＝0.05i+1,γi＝0.1i+1.5
[0054] iii.所述的湿滑模式，具体系数为：
[0055] 路面情况为二级时，αi＝0.02i+0.5,βi＝0.05i+1.5,γi＝0.1i+2.5[0056] 路面情况为一级时，αi＝0.05i+0.5,βi＝0.05i+2,γi＝0.2i+1.5
[0057] iv.所述的雾夜模式，具体系数为：
[0058] αi＝0.05i+1,βi＝0.075i+2,γi＝0.2i+2
[0059] 步骤四：所述的纵向期望车间距 为：
[0060]
[0061] 式中：Si为期望停车间距，Spi为第i辆被控成员车车队延时间距，Sbi为第i辆被控成员车期望制动间距，Spi-1为第i-1辆被控成员车车队延时间距，Sbi-1第i-1辆被控成员车期望制动间距。
[0062] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的纵向期望车间距控制中，路口转向行驶时，每列队列被控成员车纵向位置的控制，以i，j，k三列纵向队列组成的三列四行方阵编队结构为例：
[0063] 向左转弯时，j队列被控成员车质心纵向位置超出i队列被控成员车质心纵向位置k队列质心纵向位置超出j队列被控成员车质心纵向位置
[0064]
[0065]
[0066] 式中：xi、xj、xk代表第i、j、k队列中被控成员车纵向位置坐标， 代表第j、k队列中被控成员车车身长度；
[0067] 向右转弯时，j队列被控成员车质心纵向位置超出k队列被控成员车质心纵向位置i队列被控成员车质心纵向位置超出j队列被控成员车质心纵向位置
[0068]
[0069]
[0070] 式中：xi、xj、xk代表第i、j、k队列中被控成员车纵向位置坐标， 代表第i、j队列中被控成员车车身长度。
[0071] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的期望车间距计算模块中，横向期望车间距通过设计领航车或辅助车横向位置坐标的方式进行横向期望车间距的调整，以适应结构化道路、非结构化道路及无道路的空地、山间等地形：
[0072] 在结构化道路上行驶时，领航车由领航车驾驶员控制，辅助车通过摄像头、红外线
传感器等识别得出车道线中心，控制系统控制车辆按纵向队列沿车道线中心行驶；跟随车横向期望间距为纵向队列中的领航车、辅助车横向位置坐标得到；
[0073] 在非结构化道路及无道路的空地、山间上行驶时，辅助车通过驾驶员控制，跟随车
跟踪所在纵向队列辅助车输出的横向位置坐标。
[0074] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的加速度计算模块中，所计算的加速度包括期望加速度、协调加速度、补偿加速度、目标加速度；加速度计算模块由受控成员车的期望加速度通过算法得到受领航车、辅助车影响与控制的协调加速度，并通过与补偿加速度权重相加得到被控成员车的目标加速度，具体如下所述：
[0075] 期望加速度为被控成员车计算得出，基于第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的实际加速度与位置坐标误差的影响，将第i辆被控成员车实际加速度与位置误差及其微分通过计算得到；
[0076] 协调加速度将领航车对辅助车的控制、领航车和辅助车对跟随车的控制相协调，使方阵编队得到整体的协调控制，基于领航车和跟随车的影响，通过三层BP神经网络训练得到协调加速度，
输入层为领航车、辅助车以及自车计算得到的期望加速度，
输出层为第i辆被控成员车协调加速度；
[0077] 补偿加速度根据被控成员车自车的加速情况，补偿车辆运动过程中由于侧
风、路面障碍物阻力干扰等各种外在因素造成的加速度不足量或过多量，基于第i辆被控成员车实际加速度与期望加速度的差值及其变化率的影响，补偿被控成员车的外在变化；
[0078] 目标加速度由补偿加速度与协调角速度通过权重相加得到，权重值受跟随车与辅助车预警的影响；
[0079] 被控成员车目标加速度的得出过程按如下步骤所述，具体计算方式为：
[0080] 步骤一：所述的期望加速度为
[0081]
[0082]
[0083] 式中： 分别为纵向期望加速度控制参数， 为第i-1辆被控成员车纵向期望加速度， 为第i-1辆被控成员车速度的微分，xi为第i辆被控成员车的纵向坐标，xi-1为第i-1辆被控成员车纵向坐标， 为第i辆被控成员车与第i-1辆成员车纵向相对期望间距；
[0084]
[0085]
[0086] 式中： 分别为横向期望加速度控制参数， 为第i-1辆被控成员车纵向期望加速度， 为第j辆被控成员车横向速度，yj为第j辆被控成员车横向坐标，yi为第i辆被控成员车的横向坐标， 为第i辆被控成员车与第j辆被控成员车两车间横向相对期望距离；
[0087] 步骤二：所述的协调加速度辅助车、跟随车的BP神经网络计算分别如下所述，[0088] 辅助车的输入层为：
[0090] 输出层为被控成员车协调加速度
[0091] 跟随车的输入层为：
[0092] 中间层为 中间层节点个数为：
[0093] 输出层为被控成员车协调加速度
[0094] 式中： 为领航车对第i辆被控成员车发出的纵向、横向期望加速度信号，为第i辆被控成员车自车计算得出的纵向、横向期望加速度信号， 为辅助车对第i辆被控成员车发出的纵向、横向期望加速度信号，mi为第i辆被控成员车中间层节点个数， 为第i辆被控成员车输出的纵向、横向协调加速度；
[0095] 步骤三：所述的补偿加速度为，将第i辆被控成员车的实际加速度与期望加速度差值 和差值变化率 通过模糊语句得到比例增量系数 积分增量系数微分增量系数 通过比例、积分、微分运算得到第i辆被控成员车补偿加速度
[0096] 步骤四：所述的目标加速度为：
[0097]
[0098]
[0099] 式中， 分别为第i辆被控成员车目标加速度系数，
[0100] i.辅助车发出警报时，辅助车跟随模式关闭，辅助车驾驶员对辅助车进行驾驶操纵，跟随车目标加速度系数为
[0101]
[0102] ii.跟随车发出警报时，跟随车目标加速度系数为
[0103]
[0104] iii.辅助车、跟随车均未发出警报时，辅助车、跟随车目标加速度系数为[0105]
[0106] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的预警模块中报警偏差的设定，预警模块中分为纵向偏差、横向偏差、横摆角速度偏差以及侧向加速度偏差四种，分别如下所述：
[0107] 纵向偏差基于被控成员车纵向位置差值正负对纵向期望车间距的影响，将第i辆被控成员车当前车速、
牵引车车身长度和整车车身长度作为纵向偏差设定值的控制因子；
[0108] 横向偏差基于被控成员车横向位置差值正负对横向期望车间距的影响，将第i辆被控成员车当前横向车速和车身宽度作为横向偏差设定值的控制因子；
[0109] 横摆角速度偏差基于横摆角速度差值的影响，将第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的横摆角速度差值与第i辆被控成员车比值作为控制因子；
[0110] 侧向加速度偏差基于侧向加速度差值的影响，将第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的侧向加速度差值与第i辆被控成员车比值作为控制因子；
[0111] 具体计算方式如下所述：
[0112] 所述的纵向偏差具体设定为
[0113]
[0114]
[0115]
[0116] 式中：Δxi为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的车间纵向距离相对误差，xi为第i辆被控成员车纵向位置坐标，xi-1为第i-1辆被控成员车纵向位置坐标， 为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的纵向期望车间距，为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的纵向偏差设定值， 为第i辆被控成员车的纵向速度， 为第i辆被控成员车整车身长度， 为第i辆被控成员车牵引车车身长度；
[0117] 所述的横向偏差具体设定为
[0118]
[0119]
[0120]
[0121] 式中：Δyi为第i辆被控成员车与第j辆被控成员车的横向距离相对误差，yi为第i辆被控成员车纵向位置坐标，yi-1为第i-1辆被控成员车纵向位置坐标， 为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的横向期望车间距， 为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的纵向偏差设定值， 为第i辆被控成员车横向速度， 为第i辆被控成员车车身宽度；
[0122] 所述的横摆角速度偏差具体设定为
[0123]
[0124] 式中：ωi为第i辆被控成员车的横摆角速度，ωi-1为第i辆被控成员车的横摆角速度；
[0125] 所述的侧向加速度偏差具体设定为
[0126]
[0127] 式中： 为第i辆被控成员车与侧向加速度， 为第i-1辆被控成员车侧向加速度。
[0128] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，由多列纵向队列组合而成的方阵编队控制系统，被控成员车的排序方式如下：
[0129] 安装有高清摄像头、红外线传感器、
电子稳定程序的被控成员车设置为领航车或辅助车；载货量少的被控成员车在载货量多的被控成员车之后；安装有防抱死制动装置的被控成员车队列序号在没有安装防抱死制动装置的被控成员车之后。
[0130] 本发明所具有的有益效果如下：
[0131] 1.一种矿用车方阵编队控制系统，跟随车不安排驾驶员，采用少量驾驶员即可控制多辆车的驾驶情况，解决驾驶员短缺的情况；在未发出警报时，辅助车上驾驶员可以不用进行驾驶操作，改善驾驶员工作强度。
[0132] 2.一种矿用车方阵编队控制系统，在计算纵向期望车间距时，考虑被控成员车载荷量、制动器动作延迟以及方阵延迟的影响，考虑当前路面附着情况下的期望制动间距以及期望停车间距，以防止突发情况下系统紧急制动时造成被控成员车之间追尾，保证行驶安全性。
[0133] 3.一种矿用车方阵编队控制系统，设置了不同的工作模式，节能模式减少被控成员车纵向期望车间距，减小风阻，降低燃油消耗率；高效模式增大被控成员车纵向期望车间距，以较高车速行驶，提高运输效率；湿滑模式根据路面情况适当地增加纵向期望车间距，保证安全；雾夜模式在夜间或大雾天气增大纵向期望车间距提高安全性。
[0134] 4.一种矿用车方阵编队控制系统，可以适应不同道路行驶，在非结构化道路及矿区等空地上行驶时可以通过辅助车驾驶员对期望宽度实时标定进行控制，大大提高了矿用车方阵编队控制系统适应能力。
附图说明
[0135] 图1为一种矿用车方阵编队控制系统领航车、辅助车和跟随车之间信息流拓扑结构。
[0136] 图中， 表示领航车向跟随车发送的领航车的车速信号、纵向加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号、车身高度信号以及由领航车计算得出的跟随车期望纵向加速度信号和期望侧向加速度信号；
表示领航车向辅助车发送的领航车的车速信号、纵向加速度
信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号、车身高度信号以及由领航车计算出的跟随车的期望纵向加速度信号和期望侧向加速度信号； 表示辅
助车向领航车发送的辅助车车速信号、纵向加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号、车身高度信号； 表示辅助车向跟随车发送的
辅助车的车速信号、纵向加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号、车身高度信号以及由辅助车计算得出的跟随车的期望纵向加速度信号和期望侧向加速度信号； 表示跟随车向领航车以及辅助车发送的车速信号、纵向加速度信
号、位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号和车身高度信号。
[0137] 图2为一种矿用车方阵编队控制系统加速度计算模块目标加速度的计算过程。
[0138] 图3为一种矿用车方阵编队控制系统12辆不同配置的成员车形成的队列结构。
[0139] 图4为一种矿用车方阵编队控制系统整体控制
框图。
具体实施方式
[0140] 为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。
[0141] 本发明提供一种矿用车方阵编队控制系统，由多列纵向队列组合而成的方阵编队控制系统，编队系统内被控成员车按功能分为领航车、辅助车和跟随车。领航车完全由驾驶员操作；辅助车配备驾驶员，当辅助车与领航车发出的信号偏差值超出设定的范围时，辅助车发出警报，由辅助车上驾驶员人为操纵驾驶车辆，当辅助车与领航车发出的信号不存在偏差或偏差没有达到设定目标时，辅助车为自动跟随模式，不需要驾驶员驾驶操纵；跟随车不配备驾驶员，当跟随车与领航车或辅助车发出的信号偏差值超出设定的范围时，跟随车发出警报，辅助车驾驶员操纵辅助车，同时跟随车通过调整协调加速度系数调整车速。
[0142] 如图1所示，领航车、辅助车、跟随车的信息流拓扑结构为：领航车将信号发送至所有辅助车与跟随车，领航车接收所有辅助车与跟随车的发送信号；领航车向辅助车与跟随车发送的信号包括领航车的车速信号、纵向加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号、车身高度信号、由领航车控制单元计算出的所有辅助车与所有跟随车的期望纵向加速度与期望侧向加速度信号；辅助车将信号发送至所有领航车与跟随车，辅助车接收所有领航车与跟随车的发送信号；辅助车发送至领航车的行驶状态信号包括辅助车自车的车速信号、纵向加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号、车身高度信号；辅助车发送至跟随车的信号包括辅助车自车的车速信号、加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、实际方向盘转角信号以及由辅助车控制单元计算出的所有跟随车的期望纵向加速度信号和期望侧向加速度信号；跟随车将信号发送至所有领航车与辅助车，跟随车接收所有领航车与辅助车的发送信号；跟随车的发送信号包括自车的车速信号、纵向加速度信号、位置坐标信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号和车身高度信号。
[0143] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，包括：
[0144] 多工作模式切换模块，通过对期望车间距的控制使矿用车方阵编队控制系统适用于不同的路面、天气等情况；
[0145] 期望车间距计算模块，该模块设计了基于期望制动间距与期望停车间距的期望车间距控制策略，以防止突发情况下，成员车之间需要紧急制动时易产生的追尾事故；
[0146] 加速度计算模块，综合领航车、辅助车对跟随车的影响，计算被控成员车的加速度；
[0147] 预警模块，设定横向、纵向等运动方向的误差范围，当超出设定范围即发出警报，提醒辅助车驾驶员干预辅助车进行车辆控制，同时通过改变加速度计算模块中的目标加速度，实现对车辆的安全性控制。
[0148] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的多工作模式切换模块中，将路面情况分为三个等级，一级为冰雪路面，二级为湿路面，三级为良好干燥路面，领航车、辅助车驾驶员对路面情况进行预判，手动输入路面等级；将车速分为三个等级，车速小于10m/s时为一级，车速为10m/s-15m/s之间时为二级，大于20m/s时为三级；不同路面等级与不同车速等级对应不同的路面附着系数设置，具体路面附着系数设置如下表所示：
[0149] 三级路面 二级路面 一级路面
一级车速 0.75 0.55 0.25
二级车速 0.7 0.5 0.2
三级车速 0.65 0.45 0.15
[0150] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的多工作模式切换模块分为四种工作模式，不同的工作模式对应期望车间距计算模块中的不同控制算法，四种工作模式具体如下：
[0151] 节能模式，该模式下控制策略减小期望车间距计算模块中的期望停车间距，以减小被控成员车车间距，减小空气阻力，降低燃油消耗率，降低成本；
[0152] 高效模式，该模式下控制策略增大期望车间距计算模块中的期望停车间距，以增大被控成员车车间距，增加安全性，增大被控成员车车速及加速度变化率，提高运输效率；
[0153] 湿滑模式，该模式下控制策略针对不同路面等级，对应计算得到不同的期望停车间距，以适应冰雪路面和湿路面环境；
[0154] 雾夜模式，该模式适用于夜间或大雾天气，通过增大期望车间距计算模块中的期望停车间距，以提高行驶安全性；
[0155] 本发明公开的控制系统提供两种工作模式切换方式，包括驾驶员手动设置及控制系统自动切换两种方式；驾驶员可手动设置某种工作模式，此时系统行驶过程中按此工作模式工作；若驾驶员没有手动设置，则四种模式可自动切换；在路面等级为三级的情况下，当被控成员车车速为二级时系统自动切换到节能模式，当被控成员车车速为三级时系统自动切换到高效模式，当被控成员车车速为一级时系统自动切换到雾夜模式；当路面等级为二级或一级时系统自动切换到湿滑模式。
[0156] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的期望车间距计算模块，其中，[0157] 该模块控制策略中所需的纵向期望车间距，包括延迟间距、期望制动间距和期望停车间距；
[0158] 延迟间距包括方阵延迟间距和制动延迟间距；
[0159] 方阵延迟的计算考虑了将被控成员车的编号、当前车速、方阵延迟时间系数等方面，表示由于系统中成员车数量较多而产生通讯延迟，方阵延迟间距表示由于方阵延迟，车辆继续运动而产生的距离。
[0160] 制动延迟间距表示在当前路面等级与当前车速情况下，如若发生紧急情况需要急刹车时，由于制动器动作延迟产生的行驶距离；
[0161] 期望制动间距表示在当前路面等级与当前车速情况下，如若发生紧急情况需要急刹车时所期望的，车辆从制动到停车驶过的距离；
[0162] 期望停车间距的计算考虑了被控成员车的车速、加速度及载荷量；其中，载荷量通过被控成员车辆的悬架系统在工作载荷下与静载荷下的高度差值进行计算；期望停车间距表示在当前路面等级与当前车速情况下如若发生紧急情况急刹车停车后所期望的与前车之间的距离，权利要求2所述的不同的工作模式对应不同的期望停车间距系数；
[0163] 具体计算方法如下：
[0164] 所述的延迟间距为：
[0165]
[0166] 其中，所述的方阵延迟间距 为：
[0167]
[0168] 式中，i为第i辆被控成员车，vi为第i辆被控成员车当前车速，为第i辆被控成员车方阵延迟时间系数；
[0169] 其中，所述的制动延迟间距 为：
[0170]
[0171] 式中：vi为第i辆被控成员车当前车速，为第i辆被控成员车的制动器动作延迟与制动器增力到最大的时间，μi为驾驶员手动输入的路面附着系数等级下对应的第i辆被控成员车当前车速下的路面附着系数，g为重力加速度，Δti为第i辆被控成员车制动蹄片与制动鼓接触之后摩擦力增加的时间；
[0172] 所述的期望制动间距Sbi为：
[0173]
[0174] 所述的期望停车间距Si为：
[0175]
[0176] 式中：vi为第i辆被控成员车当前车速，ai为第i辆被控成员车的当前加速度；αi为第i辆被控成员车的当前车速系数；βi为第i辆被控成员车的当前加速度系数，hi为第i辆被控成员车的悬架高度， 为第i辆被控成员车静载荷时悬架高度，γi为第i辆被控成员车悬架高度系数；
[0177] 所述的节能模式具体系数为：
[0178] αi＝0.01i+0.1,βi＝0.05i+0.5,γi＝0.01i+2
[0179] 所述的高效模式具体系数为：
[0180] αi＝0.02i+0.2,βi＝0.05i+1,γi＝0.1i+1.5
[0181] 所述的湿滑模式，具体系数为：
[0182] 路面情况为二级时，αi＝0.02i+0.5,βi＝0.05i+1.5,γi＝0.1i+2.5[0183] 路面情况为一级时，αi＝0.05i+0.5,βi＝0.05i+2,γi＝0.2i+1.5
[0184] 所述的雾夜模式，具体系数为：
[0185] αi＝0.05i+1,βi＝0.075i+2,γi＝0.2i+2
[0186] 所述的纵向期望车间距 为：
[0187]
[0188] 式中：Si为期望停车间距，Spi为第i辆被控成员车车队延时间距，Sbi为第i辆被控成员车期望制动间距，Spi-1为第i-1辆被控成员车车队延时间距，Sbi-1第i-1辆被控成员车期望制动间距。
[0189] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的纵向期望车间距控制中，路口转向行驶时，每列队列被控成员车纵向位置的控制，以i，j，k三列纵向队列组成的三列四行方阵编队结构为例：
[0190] 向左转弯时，j队列被控成员车质心纵向位置超出i队列被控成员车质心纵向位置k队列质心纵向位置超出j队列被控成员车质心纵向位置
[0191]
[0192]
[0193] 式中：xi、xj、xk代表第i、j、k队列中被控成员车纵向位置坐标， 代表第j、k队列中被控成员车车身长度；
[0194] 向右转弯时，j队列被控成员车质心纵向位置超出k队列被控成员车质心纵向位置i队列被控成员车质心纵向位置超出j队列被控成员车质心纵向位置
[0195]
[0196]
[0197] 式中：xi、xj、xk代表第i、j、k队列中被控成员车纵向位置坐标， 代表第i、j队列中被控成员车车身长度。
[0198] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的期望车间距计算模块中，横向期望车间距通过设计领航车或辅助车横向位置坐标的方式进行横向期望车间距的调整，以适应结构化道路、非结构化道路及无道路的空地、山间等地形，
[0199] 在结构化道路上行驶时，领航车由领航车驾驶员控制，辅助车通过摄像头、红外线传感器等识别得出车道线中心，控制系统控制车辆按纵向队列沿车道线中心行驶；跟随车横向期望间距为纵向队列中的领航车、辅助车横向位置坐标得到；
[0200] 在非结构化道路及无道路的空地、山间上行驶时，辅助车通过驾驶员控制，跟随车跟踪所在纵向队列辅助车输出的横向位置坐标。
[0201] 如图2所示，所述的加速度计算模块中，所计算的加速度包括期望加速度、协调加速度、补偿加速度、目标加速度；加速度计算模块由受控成员车的期望加速度通过算法得到受领航车、辅助车影响与控制的协调加速度，并通过与补偿加速度权重相加得到被控成员车的目标加速度，具体如下所述：
[0202] 期望加速度为被控成员车计算得出，基于第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的实际加速度与位置坐标误差的影响，将第i辆被控成员车实际加速度与位置误差及其微分通过计算得到；
[0203] 协调加速度将领航车对辅助车的控制、领航车和辅助车对跟随车的控制相协调，使方阵编队得到整体的协调控制，基于领航车和跟随车的影响，通过三层BP神经网络训练得到协调加速度，输入层为领航车、辅助车以及自车计算得到的期望加速度，输出层为第i辆被控成员车协调加速度；
[0204] 补偿加速度根据被控成员车自车的加速情况，补偿车辆运动过程中由于侧风、路面障碍物阻力干扰等各种外在因素造成的加速度不足量或过多量，基于第i辆被控成员车实际加速度与期望加速度的差值及其变化率的影响，补偿被控成员车的外在变化；
[0205] 目标加速度由补偿加速度与协调角速度通过权重相加得到，权重值受跟随车与辅助车预警的影响；
[0206] 被控成员车目标加速度的得出过程按如下步骤所述，具体计算方式为：
[0207] 步骤一：所述的期望加速度为
[0208]
[0209]
[0210] 式中： 分别为纵向期望加速度控制参数， 为第i-1辆被控成员车纵向期望加速度， 为第i-1辆被控成员车速度的微分，xi为第i辆被控成员车的纵向坐标，xi-1为第i-1辆被控成员车纵向坐标， 为第i辆被控成员车与第i-1辆成员车纵向相对期望间距；
[0211]
[0212]
[0213] 式中： 分别为横向期望加速度控制参数， 为第i-1辆被控成员车纵向期望加速度， 为第j辆被控成员车横向速度，yj为第j辆被控成员车横向坐标，yi为第i辆被控成员车的横向坐标， 为第i辆被控成员车与第j辆被控成员车两车间横向相对期望距离；
[0214] 步骤二：所述的协调加速度辅助车、跟随车的BP神经网络计算分别如下所述，[0215] i.辅助车的输入层为：
[0216] 中间层为 中间层节点个数为：
[0217] 输出层为被控成员车协调加速度
[0218] ii.跟随车的输入层为：
[0219] 中间层为 中间层节点个数为：
[0220] 输出层为被控成员车协调加速度
[0221] 式中： 为领航车对第i辆被控成员车发出的纵向、横向期望加速度信号，为第i辆被控成员车自车计算得出的纵向、横向期望加速度信号， 为辅助车对第i辆被控成员车发出的纵向、横向期望加速度信号，mi为第i辆被控成员车中间层节点个数， 为第i辆被控成员车输出的纵向、横向协调加速度；
[0222] 步骤三：所述的补偿加速度为，将第i辆被控成员车的实际加速度与期望加速度差值Δaxi、Δayi和差值变化率 通过模糊语句得到比例增量系数 积分增量系数微分增量系数 通过比例、积分、微分运算得到第i辆被控成员车补偿加速度axbi，aybi；
[0223] 将第i辆被控成员车实际加速度与期望加速度差值Δaxi、Δayi和差值变化率通过模糊语句得到 通过比例、积分、微分运算得到第i辆被控成员车补偿加速度axbi，aybi；axi，ayi为从加速度传感器中得出的被控车辆的实际纵向加速度和实际侧向加速度，Δaxi、Δayi为：
[0224]
[0225]
[0226] 选用模糊
控制器的输入、输出变量为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，用英文缩写为：{NB，NM，NS，PM，PB}，将Δaxi、Δayi和 用Δai和 表示，则模糊语句为：If is NB andΔai NB thenΔKp is PB，ΔKi is NB，ΔKd is PS；If is NM andΔai is NB thenΔKp is PB，ΔKi is NB，ΔKd is PS；If is NS andΔai is NB thenΔKp is PM，ΔKi is NB，ΔKd is ZE；If is ZE andΔai is NB thenΔKp is PM，ΔKi is NM，ΔKd is ZE；If is PS andΔai is NB thenΔKp is PS，ΔKi is NM，ΔKd is ZE；Ifis PM andΔai is NB thenΔKp is PS，ΔKi is ZE，ΔKd is PB；If is PB andΔai is NB thenΔKp is ZE，ΔKi is ZE，ΔKd is PB；If is NB andΔai is NM thenΔKp is PB，ΔKi is NB，ΔKd is NS；If is NM andΔai is NM thenΔKp is PB，ΔKi is NB，ΔKd is NS；If is NS andΔai is NM thenΔKp is PM，ΔKi is NM，ΔKd is NS；If is ZE andΔai is NM thenΔKp is PM，ΔKi is NM，ΔKd is NS；If is PS andΔai is NM thenΔKp is PS，ΔKi is NS，ΔKd is ZE；If is PM andΔai is NM thenΔKp is ZE，ΔKi is ZE，ΔKd is NS；If is PB andΔai is NM thenΔKp is ZE，ΔKi is ZE，ΔKd is PM；If is NB andΔai is NS thenΔKp is PM，ΔKi is NM，ΔKd is NB；If is NM andΔai is NS thenΔKp is PM，ΔKi is NM，ΔKd is NB；If is NS andΔai is NS thenΔKp is PM，ΔKi is NS，ΔKd is NM；If is ZE andΔai is NS thenΔKp is PS，ΔKi is NS，ΔKd is NS；If is PS andΔai is NS thenΔKp is ZE，ΔKi is ZE，ΔKd is ZE；If is PM andΔai is NS thenΔKp is NS，ΔKi is PS，ΔKd is PS；If is PB andΔai is NS thenΔKp is NM，ΔKi is PS，ΔKd is PM；If is NB andΔai is ZE thenΔKp is PM，ΔKi is NM，ΔKd is NB；If is NM andΔai is ZE thenΔK p is PS，ΔKi is NS，ΔKd is NM；If is NS andΔai is ZE thenΔKp is PS，ΔKi is NS，ΔKd is NM；If is ZE andΔai is ZE thenΔKp is ZE，ΔKi is ZE，ΔKd is NS；If is PS andΔai is ZE thenΔKp is NS，ΔKi is PS，ΔKd is ZE；If is PM andΔai is ZE thenΔKp is NS，ΔKi is PS，ΔKd is PS；If is PB andΔai is ZE thenΔKp is NM，ΔKi is PM，ΔKd is PM；If is NB andΔai is PS thenΔKp is PS，ΔKi is NS，ΔKd is NB；If is NM andΔai is PS thenΔKp is PS，ΔKi is NS，ΔKd is NM；If is NS andΔai is PS thenΔKp is ZE，ΔKi is ZE，ΔKd is NS；If is ZE andΔai is PS thenΔKp is NS，ΔKi is PS，ΔKd is NS；If is PS andΔai is PS thenΔK p is NS，ΔKi is PS，ΔKd is ZE；If is PMandΔai is PS thenΔKp is NM，ΔKi is PM，ΔKd is PS；If is PB andΔai is PS thenΔKp is NM，ΔKi is PM，ΔKd is PS；If is NB andΔai is PM thenΔKp is ZE，ΔKi is ZE，ΔKd isNM；If is NM andΔai is PM thenΔKp is ZE，ΔKi is ZE，ΔKd is NS；If is NS andΔai is PM thenΔKp is NS，ΔKi is PS，ΔKd is NS；If is ZE andΔai is PM thenΔKp is NS，ΔKi is PS，ΔKd is NS；If is PS andΔai is PM thenΔKp is NS，ΔKi is PS，ΔKd is ZE；If is PM andΔai is PM thenΔKp is NS，ΔKi is PS，ΔKd is PS；If is PB andΔai is PM thenΔKp is NM，ΔKi is PM，ΔKd is PS；If is NB andΔai is PB thenΔKp is ZE，ΔKi is PB，ΔKd is PS；If is NM andΔai is PB thenΔKp is NS，ΔKi is PB，ΔKd is ZE；Ifis NS andΔai is PB thenΔKp is NS，ΔKi is PM，ΔKd is ZE；If is ZE andΔai is PB thenΔKp is NM，ΔKi is PM，ΔKd is ZE；If is PS andΔai is PB thenΔKp is NM，ΔKi is PS，ΔKd is ZE；If is PM andΔai is PB thenΔKp is NB，ΔKi is PS，ΔKd is PB；If is PB andΔai is PB thenΔKp is NB，ΔKi is ZE，ΔKd is PB。增量Δaxi、Δayi为：
[0227]
[0228]
[0229] 各成员车根据通过反馈控制得出的纵向加速度和侧向加速度调节节气
门开度与方向盘转角达到控制被控成员车的目的。
[0230] 步骤四：所述的目标加速度为：
[0231]
[0232]
[0233] 式中， 分别为第i辆被控成员车目标加速度系数，
[0234] 辅助车发出警报时，辅助车跟随模式关闭，辅助车驾驶员对辅助车进行驾驶操纵，跟随车目标加速度系数为
[0235]
[0236] 跟随车发出警报时，跟随车目标加速度系数为
[0237]
[0238] 辅助车、跟随车均未发出警报时，辅助车、跟随车目标加速度系数为[0239]
[0240] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，所述的预警模块中报警偏差的设定，预警模块中分为纵向偏差、横向偏差、横摆角速度偏差以及侧向加速度偏差四种，分别如下所述：
[0241] 纵向偏差基于被控成员车纵向位置差值正负对纵向期望车间距的影响，将第i辆被控成员车当前车速、牵引车车身长度和整车车身长度作为纵向偏差设定值的控制因子；
[0242] 横向偏差基于被控成员车横向位置差值正负对横向期望车间距的影响，将第i辆被控成员车当前横向车速和车身宽度作为横向偏差设定值的控制因子；
[0243] 横摆角速度偏差基于横摆角速度差值的影响，将第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的横摆角速度差值与第i辆被控成员车比值作为控制因子；
[0244] 侧向加速度偏差基于侧向加速度差值的影响，将第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的侧向加速度差值与第i辆被控成员车比值作为控制因子；
[0245] 具体计算方式如下所述：
[0246] 所述的纵向偏差具体设定为
[0247]
[0248]
[0249]
[0250] 式中：Δxi为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的车间纵向距离相对误差，xi为第i辆被控成员车纵向位置坐标，xi-1为第i-1辆被控成员车纵向位置坐标， 为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的纵向期望车间距， 为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的纵向偏差设定值， 为第i辆被控成员车的纵向速度， 为第i辆被控成员车整车身长度， 为第i辆被控成员车牵引车车身长度；
[0251] 所述的横向偏差具体设定为
[0252]
[0253]
[0254]
[0255] 式中：Δyi为第i辆被控成员车与第j辆被控成员车的横向距离相对误差，yi为第i辆被控成员车纵向位置坐标，yi-1为第i-1辆被控成员车纵向位置坐标， 为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的横向期望车间距， 为第i辆被控成员车与第i-1辆被控成员车的纵向偏差设定值， 为第i辆被控成员车横向速度， 为第i辆被控成员车车身宽度；
[0256] 所述的横摆角速度偏差具体设定为
[0257]
[0258] 式中：ωi为第i辆被控成员车的横摆角速度，ωi-1为第i辆被控成员车的横摆角速度；
[0259] 所述的侧向加速度偏差具体设定为
[0260]
[0261] 式中： 为第i辆被控成员车与侧向加速度， 为第i-1辆被控成员车侧向加速度。
[0262] 所述的一种矿用车方阵编队控制系统，由多列纵向队列组合而成的方阵编队控制系统，被控成员车的排序方式如下：
[0263] 安装有高清摄像头、红外线传感器、电子稳定程序的被控成员车设置为领航车或辅助车；载货量少的被控成员车在载货量多的被控成员车之后；安装有防抱死制动装置的被控成员车队列序号在没有安装防抱死制动装置的被控成员车之后。
[0264] 以12辆被控成员车为例，3辆车安装有高清摄像头、红外线传感器、电子稳定程序以及载货量25吨，3辆车载货量25吨，3辆车安装有防抱死制动装置以及载货量15吨，3辆车安装有防抱死制动装置、电子稳定程序以及载货量15吨，则12辆被控成员车编号如图3所示，i＝1为领航车，j＝1,4和k＝1,4为辅助车。
[0265] 本发明提供的矿用车方阵编队控制系统，领航车、辅助车、跟随车能够实现整体的协调控制，达到方阵编队的纵向横向期望间距的合理控制，通过领航车对辅助车以及领航车、辅助车对跟随车加速度的影响使辅助车与跟随车达到与领航车协调加速度，通过模糊控制补偿被控成员车由于外界干扰造成的控制误差，通过不同成员车的预警模式改变协调加速度与补偿加速度权重，输出目标加速度，达到控制方阵编队行驶安全性。
