CN102712326A - 铁路车辆用主动转向控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁路车辆用主动转向控制装置及方法，更详细地，涉及一种列车在曲线区间行驶时，实时推定曲线的曲率半径，并根据推定的曲率半径控制轮轴具有最佳的轮轴转向角，从而顺畅地使行驶中的铁路车辆转向，能够大幅减小曲线区间与轮轴之间存在的迎角的铁路车辆用主动转向控制装置及方法。本发明的铁路车辆用主动转向控制装置，其特征在于，包括：测定部，其用于测定行驶中的铁路车辆的行驶数据；推定部，其利用由上述测定部测定的数据来推定铁路车辆行驶的曲线线路的曲率半径；计算部，其利用由上述推定部推定的曲率半径来设定行驶中的铁路车辆的轮轴转向角的目标值；控制部，其对由上述计算部设定的轮轴转向角的目标值与实际轮轴转向角进行比较，使轮轴产生转向控制信号；以及促动器，其借助上述控制部的转向信号使轮轴转向。

Description

铁路车辆用主动转向控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种铁路车辆用主动转向控制装置及方法，更详细地，涉及一种列车在曲线区间行驶时，实时推定曲线的曲率半径，并根据推定的曲率半径控制轮轴具有最佳的轮轴转向角，从而顺畅地使行驶中的铁路车辆转向，能够大幅减小曲线区间与轮轴之间存在的迎角（angle of attack）的铁路车辆用主动转向控制装置及方法。

背景技术

以往在铁路车辆曲线部行驶时，如图1所示，在轨道与轮轴之间存在迎角（angle of attack），此迎角对车辆的顺畅的曲线行驶造成坏影响，从而在曲线行驶时不仅因车轮的突缘与轨道侧面之间的摩擦而引发高的噪音，而且由此加快车轮和轨道的磨耗，严重时导致车轮和轨道的破损，从而还存在可能发生列车脱轨的大型事故的问题。

因此，作为用于解决这种问题的方案，公开了用于谋求曲线部行驶时与曲率半径的顺畅的适应的轮轴主动转向（activesteering）方法。

作为第一方法，如图2所示，有一种通过使轮轴以Δy程度朝向外轨方向移动而使外轨车轮的滚动半径大于内轨车轮的滚动半径，来谋求顺畅的行驶的轮轴横位移控制方法。

作为第二方法，如图1所示，开发了一种赋予轮轴的侧滑方向旋转扭矩而使其以与曲线垂直的方向（radial position，径向）定位，从而除去迎角的轮轴径向位置（radial position）控制方法。

作为这种控制方法的一例，有一种记载于如图3所示的授权专利第10-0916594号的技术，其技术特征在于，对于借助促动器21来转向的铁路车辆用主动台车10来说，包括：前方转向装置20，其与前方轮轴12的两侧轴箱进行铰链结合来使上述前方轮轴12转向，后方转向装置20A，其与后方轮轴12的两侧轴箱14进行铰链结合来使上述后方轮轴12转向；上述前方转向装置20和后方转向装置20A与促动器21和台车构架11进行铰链结合，并且包括：驱动构件23、23a，用于传达在上述促动器21产生的作用力；从动构件24、24a，与上述驱动构件23、23a进行铰链结合，并用于使轴箱14转向；传达构件25，其用于连接设置在台车10的两侧的上述驱动构件23、23a。

但是，就记载于授权专利第10-0916594号的技术而言，通过向轮轴12的侧滑方向赋予旋转扭矩而检测是否为直线线路还是曲线线路，来调节轮轴12的转向角，并在曲线线路行驶时减小迎角来减少轨道与车轮的突缘的摩擦，从而具有使乘车感变好且减少轨道与车轮的磨耗的效果，但是由于曲线线路的曲率根据位置而都不同，因此应根据曲率设定轮轴的转向角，但以往没有对于按照行驶的曲线以多少的角度设定转向角的结构，因此曲线行驶时仍然存在迎角，从而存在产生车轮的突缘与轨道侧面之间的摩擦且产生由此导致的噪音以及车轮和轨道的磨耗的问题。

发明内容

技术问题

本发明是为了解决上述问题而提出的，本发明的目的在于，提供一种列车在曲线区间行驶时，实时测定曲线的曲率半径，设定据此的轮轴的转向角，从而大幅减小迎角（angle of attack）而能够减少车轮和轨道的磨耗，由此乘车感也能够变好的铁路车辆用主动转向控制装置及方法。

解决问题的手段

就为了解决这种问题的本发明而言，其特征在于，包括：测定部，其用于测定行驶中的铁路车辆的行驶数据；推定部，其利用由上述测定部测定的数据来推定铁路车辆行驶的曲线线路的曲率半径；计算部，其利用由上述推定部推定的曲率半径来设定行驶中的铁路车辆的轮轴转向角的目标值；控制部，其对由上述计算部设定的轮轴转向角的目标值与实际轮轴转向角进行比较，使轮轴产生转向控制信号；以及促动器，其借助上述控制部的转向信号使轮轴转向。

其中，就上述测定部而言，其特征在于，包括：相对位移及相对角测定装置，其设置在台车的一侧面，用于测定车体与前/后部台车之间长度方向相对位移和车体与前/后部台车之间的相对角；或者全球定位系统（GPS，Global Positioning System），其设置在车体的前部台车的中心。

并且，就上述测定部而言，其特征在于，还包括转向角测定装置，上述转向角测定装置通过测定促动器的驱动位移来推定实际转向的轮轴的转向角。

而且，就上述推定部而言，其特征在于，利用由相对位移及相对角测定装置测定的相对位移及相对角，并借助

推定曲率半径。

并且，就上述推定部而言，其特征在于，利用由全球定位系统测定的前部台车的中心位置，并借助推定曲率半径。

并且，就上述计算部而言，其特征在于，利用由推定部推定的曲率半径，并借助

设定行驶中的铁路车辆的轮轴转向角目标值。

而且，就上述控制部而言，其特征在于，包括：比较部，其用于比较由计算部设定的轮轴转向角目标值与通过上述转向角推定装置推定的实际轮轴的转向角；信号产生部，其利用在上述比较部中获得的比较结果，使促动器产生轮轴转向信号。

另一方面，就本发明的铁路车辆用主动转向控制方法而言，其特征在于，包括以下步骤：行驶数据测定步骤，测定行驶中的铁路车辆的行驶数据；曲率半径推定步骤，利用所测定的行驶数据来推定铁路车辆行驶的曲线线路的曲率半径；目标值设定步骤，利用上述曲率半径来设定行驶中的铁路车辆的轮轴转向角目标值；转向角比较步骤，将上述轮轴转向角目标值与实际轮轴转向角进行比较；以及转向角控制步骤，根据轮轴转向角的比较结果来控制轮轴转向角。

其中，就上述行驶数据测定步骤而言，其特征在于，包括以下步骤：相对角测定步骤，利用位移传感器测定铁路车辆在曲线区间行驶时产生的车体与前/后部台车之间的相对角；相对位移测定步骤，利用位移传感器测定铁路车辆在曲线区间行驶时产生的车体与前/后部台车之间的长度方向相对位移。

并且，就上述行驶数据测定步骤而言，其特征在于，包括以下步骤：位置信息获取步骤，在铁路车辆的前部台车的中心附着全球定位系统（GPS），实时获取台车的中心的位置信息；位置信息推定步骤，利用上述前部台车的中心的位置信息来推定后部台车的中心的位置信息。

而且，就上述转向角比较步骤中的实际轮轴转向角而言，其特征在于，通过转向角测定装置测定促动器的驱动位移而获取。

并且，就上述转向角控制步骤而言，其特征在于，持续控制轮轴转向角，直到在转向角比较步骤中比较的轮轴转向角目标值与实际轮轴转向角的差异不存在为止。

发明的效果

根据本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法，具有如下卓越的效果：列车在曲线区间行驶时，实时推定曲线的曲率半径，并能够根据推定的曲率半径控制轮轴，以使其具有最佳的轮轴转向角。

并且，根据本发明还具有如下效果：顺畅地使实时行驶中的铁路车辆转向，并能够大幅减小曲线区间与轮轴之间存在的迎角（angle of attack），从而不仅可以减少车轮和轨道的磨耗，而且据此乘车感也变好。

并且，根据本发明还具有如下效果：对轮轴进行转向控制时所需的输入参数都由可以在实际铁路车辆上测定的数据组成，因此现实上可以应用于现有的所有车辆，从而实用性非常卓越。

附图说明

图1是关于在曲线线路中轮轴的径向位置控制的示意图。

图2是关于以往的轮轴的横位移控制的示意图。

图3是以往的主动转向台车的立体图。

图4至图6是简要表示铁路车辆的曲线区间行驶时的样态的俯视图。

图7是概念性表示本发明的铁路车辆用主动转向控制装置的框图。

图8是概念性表示本发明的铁路车辆用主动转向控制方法的图。

图9是表示本发明的铁路车辆用主动转向控制方法的流程图。

图10是表示根据本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法的应用与否的曲线行驶模拟结果中轮轴的相对角解析结果的曲线图。

图11是对根据本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法的应用与否的曲线行驶模拟结果中的长度方向力进行比较而表示的曲线图。

图12是对根据本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法的应用与否的曲线行驶模拟结果中的横向力进行比较而表示的曲线图。

图13是表示应用本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法来驱动促动器的情况的前部及后部轮轴的凹角变化的曲线图。

具体实施方式

下面，将参照附图对本发明的优选实施例进行更加详细的说明。对图上的相同的结构元件使用相同的附图标记，对相同的结构元件省略重复的说明。而且，应理解为本发明能够以多个相异的形态体现，并不局限于记述的实施例。

图4至图6是简要表示铁路车辆的曲线区间行驶时的样态的俯视图，图7是概念性表示本发明的铁路车辆用主动转向控制装置的框图，图8是概念性表示本发明的铁路车辆用主动转向控制方法的附图，图9是表示本发明的铁路车辆用主动转向控制方法的流程图，图10是表示根据本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法的应用与否的曲线行驶模拟结果中轮轴的相对角解析结果的曲线图，图11是对根据本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法的应用与否的曲线行驶模拟结果中的长度方向力进行比较而表示的曲线图，图12是对根据本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法的应用与否的曲线行驶模拟结果中的横方向力进行比较而表示的曲线图，图13是表示应用本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法来驱动促动器的情况的前部及后部轮轴的凹角变化的曲线图。

本发明涉及一种铁路车辆用主动转向控制装置及方法，根据存在于实际的线路的多种曲率适当地调节轮轴120的转向角，而不是像以往一样通过检测是否为曲线线路还是直线线路，来根据线路的状况对转向角进行二进制变更，由此大幅减小存在于曲线区间与轮轴120之间的迎角（angle of attack）来减少轨道与车轮的突缘的摩擦，从而不仅可以减少轨道和车轮的磨耗，而且还可以提高乘车感。

首先，对用于设定本发明中根据曲线线路的曲率的轮轴120的转向角的原理进行说明，如图4所示，前/后部台车112、114的中心（A、B）位于曲率半径为R的曲线上时，曲率半径（R）远远大于前/后部台车112、114的中心之间的距离（2L），因此在三角形OAB中成立以下式。

（其中，L：台车的中心之间距离的一半（m），R：曲率半径（m），Ψ：台车之间旋涡角（rad））

而且，铁路车辆行驶在曲率半径R的曲线时，为了使设在台车110的两个轮轴120能够顺畅地转向控制的轮轴120的目标转向角（δdesire）如同（1）式，借助图4中所示的几何学上关系可表示为如下。

${2\mathrm{\δ}}_{\mathrm{desire}}=\frac{2d}{R}=\frac{2d}{(1000/C)}=\frac{2\mathrm{dC}}{1000}---\left(2\right)$

（其中，δ_desire：轮轴转向角目标值，d：固定轴距的一半（m），C：曲率（Curvature，1/Km），C定义为1/R）

其中，为了使用上述（1）式和（2）式来计算轮轴120的目标转向角（δ_desire），应测定曲率半径（R）或者曲率（C），应用利用另行的方法实时推定（estimate）的曲率半径推定值（R_est）和曲率推定值（C_est）。其中，曲率（C）定义为1/R，因此若求出曲率半径推定值（R_est），则可以自动地获得曲率推定值（C_est）。

用于计算上述曲率半径的推定值（R_est）的方法如下。

首先，第一种方法利用铁路车辆行驶在曲线区间时产生的车体100与台车110之间的相对角（θ₁、θ₂）和长度方向相对位移（△₁、△₂）来推定曲线区间的曲率半径（R），如图5所示，铁路车辆行驶在曲线区间时，在车体100与前部及后部台车112、114之间产生相对角（θ₁、θ₂）和长度方向相对位移（△₁、△₂），如此，该方法使用于通过测定在铁路车辆行驶在曲线区间时产生的车体100与前部及后部台车112、114之间的相对角（θ₁、θ₂）和长度方向相对位移（△₁、△₂）来推定曲率半径（R）。

其中，上述相对角（θ₁、θ₂）和相对位移（△₁、△₂）利用多种元件检测对象物的物理变化量并将此变化量换算为距离，从而借助在传感器中计测对象物的距离的位移传感器210来测定，作为上述位移传感器210可以使用光学式位移传感器、超声波位移传感器等。并且，在铁路车辆行驶途中为了防止上述位移传感器210被破损，在台车的一侧面设置额外的托架（未图示），优选地设置在上述托架的内侧。

另一方面，如上所述利用位移传感器210来测定相对角（θ₁、θ₂）和相对位移（△₁、△₂）之后，利用测定数据来推定铁路车辆行驶的曲线区间的曲率半径（R），就上述曲率半径（R）而言，如图5所示，借助铁路车辆在曲线区间行驶时车体100与前部及后部台车112、114所构成的几何学上关系进行如下推定。

其中，实际铁路车辆在曲线区间行驶时，借助铁路车辆的动态特性，假设车体100与前部及后部台车112、114之间的相对角（θ₁、θ₂）和相对位移（Δ₁、Δ₂）不完全相同，但是在其差异微小且前部及后部台车112、114以线路构成的曲线为中心进行垂直定位（radial position）的条件下推定曲率半径（R）。

首先，假设为，曲率半径：R，曲率半径的中心：O，前部及后部台车112、114的中心：A、B，前部及后部台车112、114的中心之间的最短距离的一半：L，并假设为，位移传感器与台车110的中心之间的距离：x’，车体100与前部及后部台车112、114之间的相对角（rad）：θ₁、θ₂，车体100与前部及后部台车112、114之间的长度方向相对位移：Δ₁、Δ₂，车体100与前部及后部台车112、114之间的旋涡角度（rad）：Ψ₁、Ψ₂时，在径向位置（Radialposition）假设下，成为

借助三角形的相似原理成为θ₁=Ψ₁，θ₂=Ψ₂。

并且，在图5中三角形OPA与三角形Aab相似，三角形OPB与三角形Bef相似，因此借助三角函数的原理，可以如下分别表示相对角和旋涡角度。

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}_1}{x},{\mathrm{\θ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δ}}_2}{x},{\mathrm{\ψ}}_1={\mathrm{\ψ}}_2=\mathrm{\ψ}=\frac{L}{R}$

因此，可以表示为

假设Δ₁+Δ₂＝Δ，可以如下表示铁路车辆行驶的曲线区间的曲率半径（R）。

$R=\frac{2\mathrm{Lx}}{\mathrm{\Δ}}---\left(3\right)$

如果借助如上所述的式（3）测定行驶中的铁路车辆的车体100与台车110之间的长度方向相对位移（Δ₁、Δ₂），则可以实时推定铁路车辆行驶的曲线区间的曲率半径（R）而求得曲率半径推定值（R_est）。

其次，作为用于实时推定铁路车辆行驶的曲线区间的曲率半径（R）的其他方法，有一种测定铁路车辆台车110的中心位置，并利用上述中心位置来推定铁路车辆行驶的曲线区间的曲率半径（R）的方法。

更详细地，通过在车体100的前部台车112的中心附着全球定位系统（GPS，Global Positioning System）220来实时获取前部台车112中心的位置，利用获取的前部台车112中心的位置信息来推定后部台车114中心的位置信息后，利用前部及后部台车112、114中心的位置信息来推定铁路车辆行驶的曲线区间的曲率半径（R）。

即，后部台车114的中心位于前部台车112的中心经过的曲率半径（R）上，按规定时间间隔获得通过全球定位系统220获取的前部台车112中心的位置信息数据，考虑到行驶中的铁路车辆的移动速度与前部台车112和后部台车114之间的距离，可以在获得的位置信息数据中推定后部台车114的中心位置，利用上述前部及后部台车112、114中心的位置信息和行驶在图6所示的曲线区间的铁路车辆的几何学形状来推定曲率半径（R）。其中也一样，铁路车辆的台车110在满足径向转向的条件的假设下推定曲率半径（R）。

更详细地进行说明，如图6所示，假设为，曲率半径：R，曲率半径的中心：O，前部及后部台车112、114的中心：A、C，前部及后部台车112、114的中心之间的最短距离的一半：L，并假设的中心：B，线段AC与B点之间的距离为Δ时，上述Δ成为在曲率半径（R）减去线段AC和曲率半径的中心，即O点之间的距离的值，因此可以利用勾股定理表示为Δ＝R-√(R²-L²)，将此对R进行整理，用于推定曲率半径（R）的式为如下。

$R=\frac{{\mathrm{\Δ}}^2+L^2}{2\mathrm{\Δ}}---\left(4\right)$

因此，如果利用附着在前部台车112的中心的全球定位系统220持续获取A点（前部台车112的中心）的位置信息（在图6的x-y坐标系中的位置），则考虑到铁路车辆的移动速度和前部及后部台车112、114的中心之间的距离可以获取C点（后部台车114的中心）的位置信息，以A点和C点的位置信息为基准还可以获取B点的位置信息，从而可以获取Δ值（以图6中的A点为基准的y方向位移），利用上述Δ值（在图6中，连接前部台车112与后部台车114的中心的线段和前部台车112中心的移动路径之间的最大距离）可以推定铁路车辆行驶的曲线区间的曲率半径（R）。

如此，重新将推定的曲率半径推定值（R_est）代入到前述的式（2）

来计算轮轴120的目标转向角（δ_desire），如果根据计算的轮轴120的目标转向角（δ_desire）控制轮轴120，则与以往仅区分曲线线路和直线线路的情况不同，根据多种曲线线路控制轮轴120的转向角（δ）而大幅减小迎角，因此可以减少车轮和线路的摩擦而减少车轮和线路的磨耗，并可以提高乘车感。

其次，对用于通过如前述推定的曲率半径（R）得出的轮轴120的目标转向角（δ_desire）使铁路车辆转向的本发明的铁路车辆用主动转向控制装置进行说明，如图7所示，其结构大体上包括测定部200、推定部300、计算部400、控制部500以及促动器600。

其中，上述测定部200用于测定行驶中的铁路车辆的行驶数据，特别是测定轮轴120的转向角（δ）所产生的曲线区间中的行驶数据。

其中，上述测定部200由位移传感器210和全球定位系统220中的任意一个构成，或者都包括上述位移传感器210和全球定位系统220，就上述位移传感器210而言，如上所述，铁路车辆行驶在曲线区间时，在车体100与前部及后部台车112、114之间，用于测定相对角（θ₁、θ₂）和长度方向相对位移（Δ₁、Δ₂），上述位移传感器210包括：相对位移测定装置212，其用于测定根据线路的曲率（C）而变的车体100与前部及后部台车112、114之间的长度方向相对位移（Δ₁、Δ₂）；相对角测定装置214，其在曲线线路测定车体与前/后部台车构成的相对角（θ₁、θ₂）。

其中，借助由上述相对位移测定装置212及相对角测定装置214构成的位移传感器210来测定的相对位移（Δ₁、Δ₂）及相对角（θ₁、θ₂），使用于借助前述的式（3）来实时推定铁路车辆行驶的曲线区间的曲率半径（R）。

并且，上述全球定位系统220设置于前部台车的中心，起到以规定时间间隔测定前部台车112的中心位置的作用，上述全球定位系统220的测定数据使用于借助前述的式（4）来推定铁路车辆行驶的曲线区间的曲率半径（R）。

另一方面，上述测定部200还可以包括转向角测定装置230，上述转向角测定装置230起到能够得到为了与利用通过借助前述的全球定位系统220或者位移传感器210来测定的测定数据推定的曲线区间的曲率半径（R）计算的轮轴转向角的目标值（δ_desire）进行比较的轮轴转向角（δ）的推定值，即借助促动器600的驱动来实际转向的轮轴转向角（δ）的推定值的作用，更详细地，起到测定要后述的促动器600的驱动位移而能够得到基于促动器600的启动的轮轴转向角（δ）的推定值的作用。其中，测定上述促动器600的驱动位移来推定根据促动器600的驱动的轮轴的转向角（δ）的过程，根据促动器600的设置位置，驱动位移与轮轴转向角（δ）之间的相关关系可能会变化，本领域所属的普通技术人员可以容易地进行推定，因此省略对其的详细说明。

并且，当然也可以将上述转向角测定装置230直接设置在轮轴120来实时测定实际驱动的轮轴的转向角（δ）。

另一方面，上述推定部300起到利用由测定部200测定的行驶中的铁路车辆的行驶数据来推定铁路车辆行驶的曲线线路的曲率半径（R）的作用，如上所述，将在由相对位移测定装置212及相对角测定装置214构成的位移传感器210测定的车体100与前部及后部台车112、114之间长度方向相对位移（Δ₁、Δ₂）以及车体100与前部及后部台车112、114构成的相对角（θ₁、θ₂）代入到式

来推定曲率半径（R_est），或者可以将由全球定位系统220测定的前部台车112的中心位置代入到式

来推定曲率半径（R_est）。

接着，上述计算部400起到利用由推定部300推定的曲率半径（R）来计算行驶中的铁路车辆的轮轴转向角目标值（δ_desire）而设定的作用，将通过式（3）或者式（4）推定的曲率半径（R_est）或者利用上述推定的曲率半径（R_est）而得到的曲率的推定值（C_est）代入到式

中，并可以借助

求出轮轴转向角的目标值（δ_desire）。

另一方面，上述控制部500起到将由计算部400设定的轮轴转向角的目标值（δ_desire）与实际驱动的轮轴的转向角（δ）进行比较，使与轮轴120连接设置的促动器600产生转向控制信号的作用，上述控制部500包括比较部510和信号产生部520。

更详细地说明，上述比较部510起到将由计算部400设定的轮轴转向角的目标值（δ_desire）与实际驱动的轮轴的转向角（δ）进行比较的作用，其中，实际驱动的轮轴的转向角（δ），如上所述利用通过在转向角测定装置230测定的促动器600的驱动位移推定的轮轴的转向角（δ）。

并且，上述信号产生部520起到利用在比较部510比较的轮轴转向角的目标值（δ_desire）与实际驱动的轮轴的转向角（δ）的比较结果，给促动器600产生相当于其误差的轮轴转向信号的作用，这种轮轴转向信号将会持续产生，直到在上述比较部510比较的误差为0的时点，即轮轴转向角的目标值（δ_desire）与实际驱动的轮轴的转向角（δ）一致为止。

最后，上述促动器600与铁路车辆的轮轴120连接设置，并起到借助控制部500的控制信号使轮轴120转向的作用，对此的详细说明与记载于为本申请人的在先专利申请即专利申请号第10-2008-0134796号及第10-2008-0134843号的内容相同，因此省略详细的说明。

如果利用本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法，驱动具有记载于在先专利申请的结构的促动器来使轮轴120产生转向角，如图13所示，则设在台车110的前部轮轴的转向角（frt_yaw）与后部轮轴的转向角（rr_yaw)以相互相反的方向体现，从而使前部及后部轮轴呈扇形来实现轮轴的转向。

下面，观察使用如上所述的本发明的铁路车辆用主动转向控制装置，对行驶在曲线区间的铁路车辆的轮轴转向角（δ）进行控制的铁路车辆用主动转向控制方法，如下。

首先，如图9所示，本发明的铁路车辆用主动转向控制方法大体上包括：行驶数据测定步骤（S10）、曲率半径推定步骤（S20）、目标值设定步骤（S30）、转向角比较步骤（S40）以及转向角控制步骤（S50），上述行驶数据测定步骤（S10）是测定行驶中的铁路车辆的行驶数据的步骤，其中，所测定的行驶数据中包括车体100与台车110之间的相对角（θ₁、θ₂）和长度方向相对位移（Δ₁、Δ₂）或者台车110的位置信息。

其中，作为上述行驶数据利用车体100与台车110之间的相对角（θ₁、θ₂）和长度方向相对位移（Δ₁、Δ₂）时，上述行驶数据测定步骤（S10）包括相对角测定步骤（S12）和相对位移测定步骤（S14），在上述相对角测定步骤（S12）中，利用设置在台车110的一侧面的位移传感器210，特别是利用相对角测定装置214来测定铁路车辆行驶在曲线区间时产生的车体100与前部及后部台车112、114之间的相对角（θ₁、θ₂），在上述相对位移测定步骤（S14）中，同样利用设置在台车110的一侧面的位移传感器210，特别是利用相对位移测定装置212来测定铁路车辆行驶在曲线区间时产生的车体100与前部及后部台车112、114之间的长度方向相对位移（Δ₁、Δ₂）。

并且，作为上述行驶数据利用台车110的位置信息时，上述行驶数据测定步骤（S10）包括位置信息获取步骤（S16）和位置信息推定步骤（S18），上述位置信息获取步骤（S16）是利用全球定位系统220来获取台车110的位置信息的步骤，能够在车体100的前部台车112的中心附着全球定位系统220实时获取前部台车112中心的位置。

并且，上述位置信息推定步骤（S18）是利用通过全球定位系统220获取的前部台车112中心的位置信息来推定后部台车114中心的位置信息的步骤，后部台车114的中心位于前部台车112的中心经过的曲率半径（R）上，因此按规定时间间隔获得通过全球定位系统220获取的前部台车112中心的位置信息数据，考虑到行驶中的铁路车辆的移动速度和前部台车112与后部台车114之间的距离，可以在获得的位置信息数据中推定后部台车114的中心位置。

其次，上述曲率半径推定步骤（S20）是利用在行驶数据测定步骤（S10）测定的铁路车辆的行驶数据来推定铁路车辆行驶的曲线线路的曲率半径（R）的步骤，上述测定的行驶数据为车体100与台车110之间的相对角（θ₁、θ₂）和长度方向相对位移（Δ₁、Δ₂）时，利用前述的式

来推定曲率半径（R_est），行驶数据为前部及后部台车112、114中心的位置信息时，利用前述的式来推定曲率半径（R_est）。

接着，上述目标值设定步骤（S30）是利用在曲率半径推定步骤（S20）中获取的曲率半径（R）来设定行驶中的铁路车辆的轮轴转向角目标值（δ_desire）的步骤，将利用前述的式（3）或者式（4）推定的曲线线路的曲率半径（R_est）或者定义为上述曲率半径（R_est）的倒数的曲率（C_est）代入到前述的式中，并借助

设定轮轴转向角的目标值（δ_desire）。

之后，上述转向角比较步骤（S40）是对轮轴转向角的目标值（δ_desire）与在铁路车辆的行驶中实际转向的轮轴转向角（δ）进行比较的步骤，将在上述目标值设定步骤（S30）中借助式（2）而推定的轮轴转向角的目标值（δ_desire）与在行驶中的铁路车辆中转向的实际轮轴的转向角（δ）进行比较的步骤。

其中，行驶中的铁路车辆的实际轮轴转向角（δ）是通过测定与轮轴120连接设置且使轮轴120转向的促动器600的驱动位移而推定，上述促动器600的驱动位移可以通过转向角测定装置230获取。

最后，上述转向角控制步骤（S50）是根据轮轴转向角（δ）的比较结果来控制轮轴转向角（δ）的步骤，更详细地，将相当于比较在转向角比较步骤（S40）中产生的轮轴转向角目标值（δ_desire）与实际轮轴转向角（δ）时产生的误差的信号，传送给与轮轴120连接设置的促动器600，从而可以控制成以相当的误差使轮轴120转向。

其中，在上述转向角控制步骤（S50）中，持续控制轮轴转向角（δ），直到轮轴转向角目标值（δ_desire）与实际轮轴转向角（δ）之间的误差值为0，即直到在转向角比较步骤（S40）中比较的轮轴转向角目标值（δ_desire）与实际轮轴转向角（δ）的差异不存在为止，从而可以将铁路车辆的行驶中实际转向的轮轴转向角（δ）控制成能够以最大限度接近于轮轴转向角的目标值（δ_desire）。

以下，通过试验，对根据本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法调节轮轴的转向角（δ）的情况与借助以往的转向控制方法调节轮轴的转向角（δ）的情况进行比较。

首先，比较了曲线行驶时进行主动转向控制的情况与未进行主动转向控制的情况的相对角。其结果如图10所示，与曲率半径R300相应的相对转向角的目标值（δ_desire）为0.4°，使用本发明的主动转向控制装置及方法时，测定出轮轴转向角（δ）为0.38°，使用以往的转向控制方法时，测定出轮轴转向角（δ）为0.08°，由此显现出显著的差异。

其次，在曲率半径R300的曲线线路进行行驶试验，并对作用于外轨车轮的长度方向力（longitudina force）与横向力（Lateralforce）进行了比较，其结果如图11及图12所示，可知应用本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法时，作用于台车110的长度方向力（longitudina force）和横向力（Lateral force）显著很少。

因此，根据如上所述构成的本发明的铁路车辆用主动转向控制装置及方法，列车行驶在曲线区间时实时推定曲线的曲率半径（R），并根据推定的曲率半径（R）可以将轮轴120控制成具有最佳的轮轴转向角（δ），从而可以顺畅地使行驶中的铁路车辆实时转向，并且大幅减小存在于曲线区间与轮轴120的之间的迎角（angle of attack）而减少车轮和轨道的磨耗，并可以提高乘车感，而且将对轮轴120进行转向控制时所需的输入参数都由可以在铁路车辆上测定的数据组成，从而可以现实性地应用于现有的所有车辆，从而具有实用性非常突出的优点。

以上对本发明的优选实施例进行了说明，但是本发明的权利范围不局限于此，本发明的权利范围波及到与本发明的实施例实质上均等的范围的内容，在不脱离本发明的主旨的范围内，借助本发明所属的技术领域的普通技术人员能够实施多种变形。

产业上可利用性

本发明涉及一种铁路车辆用主动转向控制装置及方法，更详细地，涉及一种列车在行驶曲线区间时，实时推定曲线的曲率半径，并根据推定的曲率半径控制轮轴具有最佳的轮轴转向角，从而可以顺畅地使行驶中的铁路车辆转向，并可以大幅减小曲线区间与轮轴之间存在的迎角（angle of attack）的铁路车辆用主动转向控制装置及方法。

Claims (12)

1.一种铁路车辆用主动转向控制装置，其特征在于，包括：

测定部，其用于测定行驶中的铁路车辆的行驶数据；

推定部，其利用由上述测定部测定的数据来推定铁路车辆行驶的曲线线路的曲率半径；

计算部，其利用由上述推定部推定的曲率半径来设定行驶中的铁路车辆的轮轴转向角的目标值；

控制部，其对由上述计算部设定的轮轴转向角的目标值与实际轮轴转向角进行比较，使轮轴产生转向控制信号；以及

促动器，其借助上述控制部的转向信号使轮轴转向。

2.根据权利要求1所述的铁路车辆用主动转向控制装置，其特征在于，

上述测定部包括：

相对位移及相对角测定装置，其设置在台车的一侧面，用于测定车体与前/后部台车之间长度方向相对位移和车体与前/后部台车之间的相对角，或者

全球定位系统，其设置在车体的前部台车的中心。

3.根据权利要求2所述的铁路车辆用主动转向控制装置，其特征在于，上述测定部还包括转向角测定装置，上述转向角测定装置通过测定促动器的驱动位移来推定实际转向的轮轴的转向角。

4.根据权利要求2所述的铁路车辆用主动转向控制装置，其特征在于，上述推定部利用由相对位移及相对角测定装置测定的相对位移及相对角，并借助

推定曲率半径，

（其中，R_est：曲率半径推定值，2L：前部台车与后部台车的中心之间的距离，x：相对位移及相对角测定装置与台车的中心之间的距离，△：车体与前、后部台车之间的长度方向相对位移（△₁、△₂）之和）。

5.根据权利要求2所述的铁路车辆用主动转向控制装置，其特征在于，上述推定部利用由全球定位系统测定的前部台车的中心位置，并借助推定曲率半径，

（其中，R_est：曲率半径推定值，L：前部台车与后部台车的中心之间的距离的一半，△：连接前部台车与后部台车的中心的线段与前部台车的中心的移动路径之间的最大距离）。

6.根据权利要求1所述的铁路车辆用主动转向控制装置，其特征在于，上述计算部利用由推定部推定的曲率半径，并借助

设定行驶中的铁路车辆的轮轴转向角目标值，

（其中，δ_desire：轮轴转向角目标值，d：固定轴距的一半（m），R：曲率半径，C：曲率（1/Km），C定义为1/R）。

7.根据权利要求3所述的铁路车辆用主动转向控制装置，其特征在于，

上述控制部包括：

比较部，其用于比较由计算部设定的轮轴转向角目标值与通过上述转向角推定装置推定的实际轮轴的转向角；

信号产生部，其利用在上述比较部中获得的比较结果，使促动器产生轮轴转向信号。

8.一种铁路车辆用主动转向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

行驶数据测定步骤，测定行驶中的铁路车辆的行驶数据；

曲率半径推定步骤，利用所测定的行驶数据来推定铁路车辆行驶的曲线线路的曲率半径；

目标值设定步骤，利用上述曲率半径来设定行驶中的铁路车辆的轮轴转向角目标值；

转向角比较步骤，将上述轮轴转向角目标值与实际轮轴转向角进行比较；以及

转向角控制步骤，根据轮轴转向角的比较结果来控制轮轴转向角。

9.根据权利要求8所述的铁路车辆用主动转向控制方法，其特征在于，

上述行驶数据测定步骤包括如下步骤：

相对角测定步骤，利用位移传感器测定铁路车辆在曲线区间行驶时产生的车体与前、后部台车之间的相对角；

相对位移测定步骤，利用位移传感器测定铁路车辆在曲线区间行驶时产生的车体与前、后部台车之间的长度方向相对位移。

10.根据权利要求8所述的铁路车辆用主动转向控制方法，其特征在于，

上述行驶数据测定步骤包括如下步骤：

位置信息获取步骤，在铁路车辆的前部台车的中心附着全球定位系统，实时获取台车的中心的位置信息；

位置信息推定步骤，利用上述前部台车的中心的位置信息来推定后部台车的中心的位置信息。

11.根据权利要求8所述的铁路车辆用主动转向控制方法，其特征在于，上述转向角比较步骤中的实际轮轴转向角是通过转向角测定装置测定促动器的驱动位移而获取的。

12.根据权利要求8所述的铁路车辆用主动转向控制方法，其特征在于，在上述转向角控制步骤中，持续地控制轮轴转向角，直到在转向角比较步骤中比较的轮轴转向角目标值与实际轮轴转向角的差异不存在为止。

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