CN102582686A - 一种汽车列车铰接角测量及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车列车铰接角测量和控制系统，主要由汽车列车铰接角测量部分和铰接角控制部分组成，具体包括GPS测试仪、输入设备、微处理器、方向盘转角传感器、主动前轮转向控制器、执行机构和供电设备，GPS测试仪、输入设备、方向盘转角传感器分别与微处理器相连，所述方向盘转角传感器还与车辆方向盘相连，微处理器与主动前轮转向控制器相连，主动前轮转向控制器与执行机构相连，执行机构与车辆转向机构相连，整个系统由所述供电设备供电。通过该系统可准确测量汽车列车铰接角，并利用铰接角作为控制变量的控制系统有效控制汽车列车在不足和过度转向时的车辆转向协调性和行驶稳定性。

Description

一种汽车列车铰接角测量及控制系统

技术领域

本发明涉及车辆操纵稳定性，更具体地说，本发明涉及一种包括机动牵引车和挂车的组合式车辆转向行驶铰接角测量及控制系统。

背景技术

汽车列车是由机动牵引车和列车铰接而成的组合式车辆，由于车辆之间通过铰接机构连接相互作用，车辆的动力学特性比单车更加复杂。目前，单车的操纵稳定性控制方法和系统已经较为成熟，在此基础上，针对汽车列车的控制，如车辆主动前轮转向横摆控制、差动制动控制、直接横摆力矩控制、主动侧倾控制技术也逐渐兴起并广泛发展。当前控制方法最重要的控制变量有横摆角速度、侧向加速度、侧偏角及侧倾角等，这对于单车操纵稳定性效果较好，但是对汽车列车，依据单车状态变量并不能很好的控制汽车列车。由于汽车列车转向过程中，铰接角过大或过小都会影响车辆转向协调性、加剧轮胎磨损，高速转向时甚至会发生牵引车与铰接列车折叠等失稳现象，因此有必要将汽车列车的铰接角作为控制变量以保证汽车列车的协调和稳定行驶。目前一般通过角传感器直接测量得到汽车列车铰接角参数，这种测量方法对于全挂汽车列车较为合适，但是对于半挂汽车列车而言，由于鞍座结构的特殊性以及尺寸的不同，所以角传感器安装困难、技术难度较高，从而大大影响了车辆铰接角测量的方便性和实用性，这也增大了将铰接角作为控制变量的控制系统设计难度。

发明内容

为克服传统汽车列车铰接角测量和控制方法的局限性，本发明提供了一种汽车列车铰接角测量及控制系统，通过该系统可以准确测量汽车列车铰接角，并且以铰接角作为控制变量的控制系统可以有效控制汽车列车在不足和过度转向时的车辆转向协调性和行驶稳定性。

为了实现本发明上述目的，提供了一种适用于全挂和半挂汽车列车等组合式车辆的铰接角测量和稳定性控制的系统，该系统利用GPS技术测量汽车列车铰接角、同时将测量的铰接角作为控制输入并通过主动前轮转角控制器控制汽车列车铰接角达到理想状态，从而确保汽车列车转向协调性和行驶稳定性。

本发明所述的一种汽车列车铰接角测量和控制系统，主要由汽车列车铰接角测量部分和铰接角控制部分组成，所述汽车列车铰接角测量部分利用GPS测试仪准确实时测量牵引车和挂车的相对位置，通过三点定位法和几何关系测量汽车列车铰接角，所述铰接角控制部分根据实际测量铰接角与期望铰接角误差控制车辆前轮转角输入，从而控制车辆的铰接角响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致；所述汽车列车铰接角测量部分和铰接角控制部分具体包括GPS测试仪、输入设备、微处理器、方向盘转角传感器、主动前轮转向控制器、执行机构和供电设备，所述GPS测试仪、输入设备4、方向盘转角传感器6分别与微处理器5相连，所述方向盘转角传感器6还与车辆方向盘相连，所述微处理器5与主动前轮转向控制器7相连，所述主动前轮转向控制器7与执行机构8相连，所述执行机构8与车辆转向机构相连，整个系统由所述供电设备9供电。

本发明所述的GPS测试仪采用三套高精度GPS测试仪，用于能准确实时测量牵引车和挂车的行驶轨迹和行驶速度；所述输入设备4将GPS测试仪天线的安装位置参数和车辆参数信息手动输入到微处理器5中进行运算；所述微处理器5采样频率与GPS测试仪采集频率相同，微处理器5包含行驶轨迹校正单元、实际铰接角运算单元和期望铰接角运算单元，用于对牵引车和挂车行驶轨迹校正、计算车辆实际铰接角、期望铰接角和铰接角误差；所述方向盘转角传感器6实时测量车辆方向盘转角；所述主动前轮转向控制器7根据微处理器5输出的铰接角误差信号计算附加的控制转向角输入，并通过执行机构8控制车辆转向盘转角。

本发明所述的三套GPS测试仪的天线分别布置在牵引车和挂车上，其中GPS测试仪I1测量牵引车运动参数，GPS测试仪II2和GPS测试仪III3测量挂车运动参数。

本发明所述的牵引车上的GPS测试仪I天线A布置在牵引车驾驶室顶部水平无遮挡的区域，并位于牵引车的纵轴中心线上，挂车上的GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C选择布置在挂车货箱顶部水平无遮挡区域，并位于挂车纵轴中心线垂直方向的两侧，且两者至纵轴中心线距离相等。

本发明所述的挂车上的GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C布置在无货箱式挂车上时，则选择挂车栏板或货物顶部水平无遮挡的位置，或选择搭建水平台座固定于栏板或货物顶部，由于与GPS测试仪主体相距较远，选用高灵敏度加长车载GPS天线。

本发明所述的GPS测试仪布置完毕后，准确测量和记录GPS测试仪I天线A、GPS测试仪II天线B、GPS测试仪III天线C分别至铰接点的水平距离、挂车上的GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C分别至挂车纵轴中心线的距离，待系统启动后将测量数据通过输入设备4手动输入到微处理器5中。

本发明所述的GPS测试仪I1向微处理器5输入牵引车行驶轨迹和速度信号，GPS测试仪II2和GPS测试仪III3向微处理器5输入挂车行驶轨迹和速度信号，输入设备4通过手动方式向微处理器5输入三套GPS测试仪天线的安装位置参数和车辆参数信息，方向盘转角传感器6向微处理器5输入方向盘转角信号。

本发明所述的微处理器5的行驶轨迹校正单元对GPS测试仪测量的车辆行驶轨迹进行校正，以消除三套GPS测试仪之间的相对定位误差，保证三套GPS测试仪组合时的测量精度，微处理器5将行驶轨迹校正单元得到的轨迹校正参数存储并作为实际铰接角运算单元计算依据，所述实际铰接角运算单元根据轨迹校正参数和GPS测试仪测量的两车行驶轨迹对汽车列车行驶轨迹进行校正并计算实际铰接角，所述期望铰接角运算单元根据车辆的速度信号和方向盘转角信号计算不同速度和转角条件下的期望铰接角，主动前轮转向控制器7根据微处理器5输出的铰接角误差信号计算附加的控制转向角输入并通过执行机构8控制车辆转向盘转角，从而通过主动改变驾驶员给定的方向盘转角使得车辆的铰接角响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致。

参阅图1，汽车列车铰接角测量及控制系统包括：GPS测试仪I1、GPS测试仪II2和GPS测试仪III3、输入设备4、微处理器5、方向盘转角传感器6、主动前轮转向控制器7、执行机构8和供电设备9。三套GPS测试仪、输入设备4以及方向盘转角传感器6分别与微处理器5相连，方向盘转角传感器6与车辆方向盘相连，微处理器5与主动前轮转向控制器7相连，主动前轮转向控制器7与执行机构8相连，执行机构8与车辆转向机构相连，供电设备9与系统相关设备相连，负责对系统供电。GPS测试仪I1用于测量牵引车的行驶轨迹和行驶速度；GPS测试仪II2和GPS测试仪III3用于测量挂车的行驶轨迹和行驶速度；输入设备4可以将GPS测试仪天线的安装位置参数和车辆参数信息手动输入到微处理器中进行运算；微处理器5包含行驶轨迹校正单元、实际铰接角运算单元和期望铰接角运算单元，可以实现对牵引车和挂车行驶轨迹校正、计算车辆实际铰接角、期望铰接角和铰接角误差；方向盘转角传感器6可以实时测量车辆方向盘转角；主动前轮转向控制器7可以根据微处理器输出的铰接角误差信号计算附加的控制转向角输入并通过执行机构8控制车辆转向盘转角；供电设备9对整个系统进行供电。

参阅图2、3，GPS测试仪I天线A、GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C分别布置在牵引车和挂车上，GPS测试仪I天线A布置在牵引车驾驶室顶部水平无遮挡的区域，GPS测试仪I天线A应位于牵引车的纵轴中心线上，GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C可选择布置在挂车货箱顶部水平无遮挡区域，如果是无货箱式挂车则可以选择挂车栏板或货物顶部水平无遮挡的位置，也可选择搭建水平台座固定于栏板或货物顶部，GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C位于挂车纵轴中心线垂直方向的两侧，确保两者至纵轴中心线距离相等，考虑到GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C与GPS测试仪主体相距较远，因此可选用高灵敏度加长车载GPS天线，天线布置完毕后测量和记录各天线位置。

参阅图4、5，图中l₁为GPS测试仪I天线A至铰接点的水平距离；l₂为GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C至铰接点的水平距离；Δl为GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C至挂车纵轴中心线的距离；l为GPS测试仪I天线A至GPS测试仪II天线B的距离；l′为GPS测试仪I天线A至GPS测试仪III天线C的距离；GPS测试仪I天线A点O、GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C连接线与挂车纵轴中心线的交点P、铰接点Q三点可形成关于铰接角的三角形，由于GPS测试仪I天线A至GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C的距离l和l′可以通过GPS测量仪和微处理器5实时获得，并且l₁、l₂和Δl已知，因此通过三点定位法和余弦定理可以实时计算车辆铰接角；另外，通过微处理器5得到l与l′的关系可以判断牵引车和挂车的铰接形态，当汽车列车保持直线行驶时，满足l＝l′；当挂车相对牵引车纵轴顺时针转动一定角度时，满足l＜l′；当挂车相对牵引车纵轴逆时针转动一定角度时，满足l＞l′。

参阅图6，将GPS测试仪测量的牵引车和挂车行驶轨迹和速度信号、方向盘转角信号以及相关参数信息输入到微处理器5中，微处理器5中实际铰接角运算单元和期望铰接角运算单元实时计算车辆运动时的实际铰接角和期望铰接角，最终将铰接角误差输入到控制器7，主动前轮转向控制器7根据该误差信号计算附加的控制转向角输入并通过执行机构8控制车辆转向盘转角，从而通过主动改变驾驶员给定的方向盘转角使得车辆的铰接角响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致。

本发明所述的一种汽车列车铰接角测量及控制系统，适用于全挂和半挂汽车列车等组合式车辆的铰接角测量和稳定性控制的系统，该系统利用GPS技术测量汽车列车铰接角、同时将测量的铰接角作为控制输入并通过主动前轮转角控制器控制汽车列车铰接角达到理想状态，从而确保汽车列车转向协调性和行驶稳定性。该系统具有技术难度低、精确度高、控制效果好的特点。

附图说明

图1为本发明所述的汽车列车铰接角测量及控制系统示意图。

图2和图3分别为本发明所述的全挂汽车列车和半挂汽车列车GPS测试仪天线安放位置示意图。

图4和图5为本发明所述的汽车列车铰接角计算模型示意图。

图6为本发明所述的铰接角测量和控制系统框图。

图中：1.GPS测试仪I；2.GPS测试仪II；3.GPS测试仪III；4.输入设备；5.微处理器；6.方向盘转角传感器；7.主动前轮转向控制器；8.执行机构；9.供电设备；A.GPS测试仪I天线；B.GPS测试仪II天线；C.GPS测试仪III天线

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体内容作进一步的说明。

图1中本发明所述GPS测试仪I1、GPS测试仪II2和GPS测试仪III3、输入设备4以及方向盘转角传感器6与微处理器5相连，GPS测试仪I1向微处理器5输入牵引车行驶轨迹和速度信号，GPS测试仪II2和GPS测试仪III3向微处理器输入挂车行驶轨迹和速度信号，输入设备4可通过手动方式向微处理器输入GPS测试仪I天线A、GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C的安装位置参数和车辆参数信息，方向盘转角传感器向微处理器输入方向盘转角信号，微处理器5对牵引车和挂车行驶轨迹校正、计算车辆实际铰接角、期望铰接角和铰接角误差，主动前轮转向控制器7根据微处理器5输出的铰接角误差信号计算附加的控制转向角输入并通过执行机构8控制车辆转向盘转角，从而通过主动改变驾驶员给定的方向盘转角使得车辆的铰接角响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致，供电设备9对整个系统进行供电。

图2和图3分别为本发明所述的全挂汽车列车和半挂汽车列车GPS测试仪天线安放位置示意图。图中GPS测试仪I天线A、GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C分别布置在牵引车和挂车上，GPS测试仪I天线A布置在牵引车驾驶室顶部水平无遮挡的区域，GPS测试仪I天线A应位于牵引车的纵轴中心线上，GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C可选择布置在挂车货箱顶部水平无遮挡区域，如果是无货箱式挂车则可以选择挂车栏板或货物顶部水平无遮挡的位置，也可选择搭建水平台座固定于栏板或货物顶部，GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C位于挂车纵轴中心线垂直方向的两侧，确保两者至纵轴中心线距离相等，考虑到GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C与GPS测试仪主体相距较远，因此可选用高灵敏度加长车载GPS天线，天线布置完毕后测量和记录GPS测试仪I天线A至铰接点O的水平距离为l₁、GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C至铰接点O的水平距离相等且为l₂、GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C挂车纵轴中心线的距离相等且为Δl，然后将该距离参数通过输入设备4输入到微处理器5中。

图4和图5中实际铰接角计算模型依据为三点定位法和余弦定理，如图4和图5所示，GPS测试仪I天线A点O、GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C连接线与挂车纵轴中心线的交点P、铰接点Q三点可形成关于铰接角的三角形，利用三点定位法，已知GPS测试仪I天线A与铰接角的纵向距离l₁、GPS测试仪II天线B至铰接点的纵向距离l₂以及GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C至挂车纵轴中心线的距离Δl，并通过GPS测试仪和微处理器准确测量和计算GPS测试仪I天线A至GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C的距离l和l′，则汽车列车铰接角可根据余弦定理求出，汽车列车铰接角的形态可根据为GPS测试仪I天线A至GPS测试仪II天线B的距离l和为GPS测试仪I天线A至GPS测试仪III天线C的距离l′关系确定：当l＝l′时，汽车列车保持直线行驶；当l＜l′时，挂车相对牵引车纵轴顺时针转动一定角度；当l＞l′时，挂车相对牵引车纵轴逆时针转动一定角度。一般取挂车相对牵引车纵轴顺时针转动一定角度为正，挂车相对牵引车纵轴逆时针转动一定角度为负，则汽车列车铰接角可表示为：

$\mathrm{\θ}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2,l\≤l^{\′}\\ -(\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_1^{\′}-{\mathrm{\θ}}_2),l>l^{\′}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，

${\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{l_1^2+l_2^2-l^2}{{2l}_1{l}_2}\right)---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_1^{\′}=\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{l_1^2+l_2^2-l^{\′2}}{{2l}_1{l}_2}\right)---\left(3\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δl}}{l_2}\right)---\left(4\right)$

$l=\sqrt{[{(X_1^{\′}-X_2^{\′})}^2+{(Y_1^{\′}-Y_2^{\′})}^2]}---\left(5\right)$

$l^{\′}=\sqrt{[{(X_1^{\′}-X_3^{\′})}^2+{(Y_1^{\′}-Y_3^{\′})}^2]}---\left(6\right)$

式中，X′₁、Y′₁分别为校正后的牵引车(GPS测试仪I天线A位置)行驶轨迹点横、纵坐标；X′₂、Y′₂分别为校正后的挂车(GPS测试仪II天线B位置)行驶轨迹点横、纵坐标；X′₃、Y′₃分别为校正后的挂车(GPS测试仪III天线C位置)行驶轨迹点横、纵坐标；

图6中将GPS测试仪I测量的牵引车行驶轨迹和行驶速度信号、GPS测试仪II2和GPS测试仪III3分别测量的挂车GPS测试仪II天线B位置和GPS测试仪III天线C位置行驶轨迹信号以及GPS测试仪II或GPS测试仪III测量的挂车行驶速度信号、相关参数信息(包括三套GPS测试仪I天线A、GPS测试仪II天线B和GPS测试仪III天线C的安装位置参数和车辆参数信息)以及方向盘转角传感器5测量的方向盘转角信号输入到微处理器中，微处理器中行驶轨迹校正单元可以对GPS测试仪测量的车辆行驶轨迹进行校正，并输出轨迹校正参数作为实际铰接角运算单元计算依据，实际铰接角运算单元根据轨迹校正参数和三套GPS测试仪测量的两车行驶轨迹对汽车列车行驶轨迹进行校正并计算实际铰接角，期望铰接角运算单元根据车辆的速度信号和方向盘转角信号计算不同速度和转角条件下的期望铰接角，微处理器最终将铰接角误差输入到主动前轮转向控制器，控制器根据该误差信号计算附加的控制转向角输入并通过执行机构控制车辆转向盘转角，从而通过主动改变驾驶员给定的方向盘转角使得车辆的铰接角响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致。

Claims (7)

1.一种汽车列车铰接角测量和控制系统，主要由汽车列车铰接角测量部分和铰接角控制部分组成，其特征在于，所述汽车列车铰接角测量部分利用GPS测试仪准确实时测量牵引车和挂车的相对位置，通过三点定位法和几何关系测量汽车列车铰接角，所述铰接角控制部分根据实际测量铰接角与期望铰接角误差控制车辆前轮转角输入，从而控制车辆的铰接角响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致；所述汽车列车铰接角测量部分和铰接角控制部分具体包括GPS测试仪、输入设备、微处理器、方向盘转角传感器、主动前轮转向控制器、执行机构和供电设备，所述GPS测试仪、输入设备(4)、方向盘转角传感器(6)分别与微处理器(5)相连，所述方向盘转角传感器(6)还与车辆方向盘相连，所述微处理器(5)与主动前轮转向控制器(7)相连，所述主动前轮转向控制器(7)与执行机构(8)相连，所述执行机构(8)与车辆转向机构相连，整个系统由所述供电设备(9)供电。

2.根据权利要求1所述的一种汽车列车铰接角测量和控制系统，其特征在于，所述GPS测试仪采用三套高精度GPS测试仪，用于能准确实时测量牵引车和挂车的行驶轨迹和行驶速度；所述输入设备(4)将GPS测试仪天线的安装位置参数和车辆参数信息手动输入到微处理器(5)中进行运算；所述微处理器(5)采样频率与GPS测试仪采集频率相同，微处理器(5)包含行驶轨迹校正单元、实际铰接角运算单元和期望铰接角运算单元，用于对牵引车和挂车行驶轨迹校正、计算车辆实际铰接角、期望铰接角和铰接角误差；所述方向盘转角传感器(6)实时测量车辆方向盘转角；所述主动前轮转向控制器(7)根据微处理器(5)输出的铰接角误差信号计算附加的控制转向角输入，并通过执行机构(8)控制车辆转向盘转角。

3.根据权利要求1或2所述的一种汽车列车铰接角测量和控制系统，其特征在于，所述三套GPS测试仪的天线分别布置在牵引车和挂车上，其中GPS测试仪I(1)测量牵引车运动参数，GPS测试仪II(2)和GPS测试仪III(3)测量挂车运动参数。

4.根据权利要求3所述的一种汽车列车铰接角测量和控制系统，其特征在于，所述牵引车上的GPS测试仪I天线(A)布置在牵引车驾驶室顶部水平无遮挡的区域，并位于牵引车的纵轴中心线上，挂车上的GPS测试仪II天线(B)和GPS测试仪III天线(C)选择布置在挂车货箱顶部水平无遮挡区域，并位于挂车纵轴中心线垂直方向的两侧，且两者至纵轴中心线距离相等。

所述挂车上的GPS测试仪II天线(B)和GPS测试仪III天线(C)布置在无货箱式挂车上时，则选择挂车栏板或货物顶部水平无遮挡的位置，或选择搭建水平台座固定于栏板或货物顶部，由于与GPS测试仪主体相距较远，选用高灵敏度加长车载GPS天线。

5.根据权利要求4所述的一种汽车列车铰接角测量和控制系统，其特征在于，所述GPS测试仪布置完毕后，准确测量和记录GPS测试仪I天线(A)、GPS测试仪II天线(B)、GPS测试仪III天线(C)分别至铰接点的水平距离、挂车上的GPS测试仪II天线(B)和GPS测试仪III天线(C)分别至挂车纵轴中心线的距离，待系统启动后将测量数据通过输入设备(4)手动输入到微处理器(5)中。

6.根据权利要求3所述的一种汽车列车铰接角测量和控制系统，其特征在于，所述GPS测试仪I(1)向微处理器(5)输入牵引车行驶轨迹和速度信号，GPS测试仪II(2)和GPS测试仪III(3)向微处理器(5)输入挂车行驶轨迹和速度信号，输入设备(4)通过手动方式向微处理器(5)输入三套GPS测试仪天线的安装位置参数和车辆参数信息，方向盘转角传感器(6)向微处理器(5)输入方向盘转角信号。

7.根据权利要求2所述的一种汽车列车铰接角测量和控制系统，其特征在于，所述所述行驶轨迹校正单元对GPS测试仪测量的车辆行驶轨迹进行校正，以消除三套GPS测试仪之间的相对定位误差，保证三套GPS测试仪组合时的测量精度，微处理器(5)将行驶轨迹校正单元得到的轨迹校正参数存储并作为实际铰接角运算单元计算依据，所述实际铰接角运算单元根据轨迹校正参数和GPS测试仪测量的两车行驶轨迹对汽车列车行驶轨迹进行校正并计算实际铰接角，所述期望铰接角运算单元根据车辆的速度信号和方向盘转角信号计算不同速度和转角条件下的期望铰接角，主动前轮转向控制器(7)根据微处理器(5)输出的铰接角误差信号计算附加的控制转向角输入并通过执行机构(8)控制车辆转向盘转角，从而通过主动改变驾驶员给定的方向盘转角使得车辆的铰接角响应尽可能与理想的车辆响应特性相一致。

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