CN103237676A - 电力牵引车辆行驶中自动升降受电弓系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自动升降用于在架空接触网(1)上运行的车辆的至少一根受电弓(3)的装置和方法，该装置包括至少一个移动受电弓(3)的促动器(9)和至少一个这样地控制促动器(9)的图像采集分析单元(6、7)，使得受电弓(3)与架空接触网(1)连接和断开。本发明的优点是：可以自动地使车辆的受电弓(3)在架空接触网(1)上可靠且安全地升降弓。

Description

电力牵引车辆行驶中自动升降受电弓系统

该发明涉及一种由数字摄影机、作用于受电弓上的促动器以及电力控制装置组成的系统，该系统通过使用电力牵引车辆通过对应的操作方法，尤其是立体光学模式识别以及动态目标跟踪的技术能够实现在行驶过程中按照具体需求自动在架空接触网上升、降受电弓。

电力驱动的车辆比起能量主要来自内燃机的车辆有着众多优势。由于电力发动机的能源储存以及通常认为用燃料电池发电的效率还不尽人意，所以通过架空接触网或者其它种类的接触导线或电轨的供电就成为了重要的备选。有轨交通工具，如火车或者有轨电车，已在一个多世纪以来，以其广为人知的行驶方式受到欢迎并得到广泛传播。对于没有轨道限制的交通工具，尤其是无轨电车，则在广为人知的行驶方式中有着巨大的局限性，以至于在许多城市中现存的系统甚至被拆除，并被柴油发动的公共汽车所取代。无轨电车最重要的局限性在于灵活性不足，即在没有架空接触网的情况下，无轨电车即使在短时内也无法运行或仅用很大的耗费运行。

电动巴士，亦称为无轨电车、架空接触网巴士或者拖铃巴士，主要通过两级电网系统以架空接触网的形式供能。电网通常以预定的高度居中地导引经过预先设定的路线。在此，由于在电网架设下，电网不可能一次性绝对平行，也就是说，通常电线之间有60cm的距离，所以会产生十厘米甚至更多的误差。而高度具有更大的误差，即5到6米之间。路线中心到实际行驶的轨道产生的误差就更大了，这一高达4.5米的轨道误差要通过6.2米长的受电弓来矫正。这一切因素都阻碍了受电弓自动接入接触网功能，尤其影响城市电动交通按照意愿灵活运营的功能。

受电弓外观通常有U形滑板触靴，围绕一个水平和垂直的轴可转动地分别布置在两根受电弓顶端上。滑板触靴通过受电弓被垂直向上顶压到接触网上，以保证升弓过程中电力接触不中断。

已知的系统的设计要求是，受电弓要在整个行驶路程中保持升弓，或仅在停车时降弓或至少升弓。由于连续供电的电网在整个行驶运行时，尤其在空中道岔、在双向与多向运营路线中有着双倍甚至多倍的电网铺设时，不仅安装以及维护耗费，而且还带来了其它缺陷，比如破坏美感，尤其在历史悠久的城市地段或者具有代表性的地区，人们都希望交通工具可以尽量短距离地进行无线运营。

这便要求车辆应具有额外自主的能源供给，比如借助蓄电池、电容器、带有发电机的内燃机、燃料电池或者飞轮，另一方面也需要一种可自动、迅速并且安全地离开或尤其是接触电网的集电系统。而目前有不同的方法来解决能源供给问题，比如说双系统车辆，它在车内装有一个柴油发动机，或者在专利DE 30 15 754 C中描述的飞轮能储器，它能提供自主运行的电能。

针对自动升弓的难题，即如何将受电弓接入接触网的问题，公开了一些解决建议：在专利DE 24 60 843中建议，在受电弓触靴侧面装有一个垂直的、平行于行驶方向布置的啮合辅助设备“旗标”，该辅助设备有利于啮合，并在接触到电网后向下扣合。该系统的缺点一个在于，仅在停车时才可与该装置进行自动对接，因为旗标在开启的状态下伸入触线悬挂区域。再一个缺点就是接入触线仍然需要手动完成。

在专利FR 2 506 234中进一步尝试将这一过程自动化，并同时减少测量与操控难度，即将两个受电弓触靴装配在一个共同的支架上。但该转变还是与开头设计一样是失败的，触线由原理限制地始终不能按照预先给定的间距精准地安置。

即使在专利DE 100 54 766中所提出的建议能够解决两根触线不可靠地平行铺设的问题，但是只能减少在架空接触网上对滑板触靴移动控制的耗费，却没有给出在下面两种情况下的解决方案，其一，在架空接触网没有居于车辆正上方或一条窄道上，其二，架空接触网在行驶中起始或终止。

主题类似的专利发明DE 100 12 039 C还具有一个缺点，即前提是一种全新的、更复杂的触线引导和悬置技术与配置。

以上所述驱动系统共性在于，前提是受电弓与车辆以及接触网之间的位置能被检测并且转化成运动控制，而对此并没有拿出有效的解决方案。

因此，上述几个系统至终未能得到真正的实施：或者整个行车路线都由架空接触网供电，或者车辆在某段指定路程，比如隧道完全靠电力驱动，而其它路段则全以柴油驱动，受电弓触靴以手动或者半自动的方式与被称为“漏斗”的固定装置啮合。起始仅有数米轨道路段供电的结构一致地避免路口、地下通道、左拐弯、上坡等等，至后还要在行驶中保证安全迅速的全自动重新对接受电弓，这一设想无论在理论上还是实践中都还是一片空白。

因此本发明所要解决的技术问题是，描述一种结合所使用的方法的受电弓系统，该系统正好解决车辆在行驶过程中受电弓可全自动地升、降弓的问题。

该发明的技术问题由相应装置与按独立要求的控制方法所解决。

发明的核心在于借助于图像采集、图像处理与图像分析来让受电弓自动接入以及断开接触网。

该发明包括一种可自动升、降至少一根用于在至少一条接触网上运行的车辆的受电弓的装置，该装置带有至少一个让受电弓移动的促动器，以及至少一部控制促动器正确操纵受电弓的升、降弓的图像采集分析单元。该发明具有使得接入接触网的车辆受电弓安全可靠地自动升、降弓的优势。

该发明还包括一种可自动升、降至少一根用于在至少一条接触网上运行的车辆的受电弓的方法，该方法借助受电弓与接触网的图像采集器以及能确定受电弓与接触网位置的图像分析器，还有借助图像处理器控制与受电弓作用连接的促动器使得受电弓接入、断开接触网实现。

优先考虑到的是装备双臂式受电弓的车辆，其余两根架空架空接触网接触获取电源。两个受电弓中的每一个都与至少一个促动器作用连接。在这里，“接触网”的定义与“触线”的定义相同。

这一技术问题还靠一个包括立体光学运动图像摄像机、受电弓即触靴运动控制促动器以及一个智能电子控制系统来解决。该系统借助光学模式识别装置基于由摄像机采集的数据确定触线与车辆的相对位置，就像触靴或受电弓触头的位置，按照计算结果以及与其它系统的通讯，发出对受电弓根据要求升、降弓而进行机动、液动或者气动定位的指令。

以上所述的电子控制系统可发出高级指令，断定要升弓还是降弓，以及一个次级指令来控制受电弓即触靴的运动。两级指令均利用摄像机采集到的信息，即移动图像，并必要时利用其它传感器，以帮助确定触靴与接触网的相对位置，尤其是触靴与接触网之间的阻碍物。高级层次中还可另外进入一个全球导航卫星系统，以便确定车辆的地理位置，该地理位置用记录有带有和不带接触网中断的地图补偿。此外，高级层次还可通过无线电与其它装置相同的车辆进行车间通讯，以便在资源矛盾情况（两车共享同一接触网）时协商，哪部车辆应保持升弓，哪部车辆应（短时）降弓。

高级层次还可根据统计上的（从至今为止的使用过程中采集的）或者其它数据，尤其是运行图上标明的上坡或者下坡位置，在节省资源，也就是优化能源与磨损的情况下，向次级发出升、降弓的指令。

根据实施例进一步描述本发明。

图1是与无轨巴士有关的机械部件的侧视图。

图2是与图1同种情况的后视图。

图3是确定接触网位置的方法。

这些图示对该发明在架空接触网无轨巴士上的使用，其中，受电弓(3)通过吊索电机(9)与绷紧的吊索(4)结合由挤压弹簧(5)所产生的力进行主动移动。立体光学摄像机(6)安装在巴士车顶，并且向顶置电控设备(7)传送图像数据，该电控设备本身可向促动器，在这里即吊索电机发送控制指令。

在此，电子控制系统使用该发明以下所描述的操作方法，使得受电弓与触靴(2)一起按实际需求与现成的接触网(1)尽量紧密地定位，以产生电力接触。反过来，对于在电力控制计算下的运行路况有对升弓行驶不利或者甚至有害的区域，比如在受电弓长度可及范围中没有架空接触网时，则产生一个使促动器降弓或必要时固定在弓锁定装置(8)上的指令。

同时上述摄像机中的录像图片中以模式识别的方式，将两根触线视作二维图中两根实质上平直的直线，来确定其位置。两根触线对应地被看作“左边”与“右边”的线。两条线通过三维逆向投影确定与车辆相对的阴影区(10)。在三维空间中两部摄像机采集的两个图像左边和右边的阴影区经过计算得到剪切，即左边与左边，右边与右边，得到一个始终与车辆的位置相对的三维左线与右线(11)。这两条线上，两条受电弓为了升弓必须从下方被紧固。为此，受电弓上的触靴位置也在该空间以立体光学原理类似地确定，并计算后确定空间中触靴向触线滑行的曲线，并且受电弓机械组件调节成，使得触靴沿所计算的曲线接近触线。因为这一切都在行驶过程中进行，也就是说，尤其是触线距离车辆的相对位置总在变动之中，所以实际位置与额定位置以及由此产生的控制指令要不断重新计算。

降弓的操作方式是类似的，这里只有触线的位置视转变而定是无关紧要的。

为此，控制系统在升降弓的状态下通过以下目标提问来监控触线：

-触线是否相对车辆移出了触靴可及的轨道，即，车辆是否离开了车道区？

-触线还能回到该轨道吗？

-触线到尽头了吗？

-触线又开始伸展了吗？

-触线下是否有障碍物？比如说另外一辆车的触靴，其中同时测定障碍物相对车辆的运动方向与运动速度。

-车辆当下处于升弓状态还是降弓状态？

该发明具有的优势在于，显著简化了电网布线，却可将车辆从接触网取得能量的时间增至最大。

这里可在机械运作区域使用性能良好的标准部件。

另一个优势在于，可提前几秒钟首次规定升降弓，以便实现带有和不带接触网的行驶模式常切换以及也对没有预见的行驶状况（绕开如事故之后短时出现的障碍物行驶）灵活地反应。

通过全自动化的运行，所有这些效果可不用驾驶员负担或手动操纵便可实现。

以上所述的光学模式识别是利用一种对缓慢移动目标追踪方法，根据其以往的运动规律推断其下一步行动，这样可在视线不清情况下，如暴雨大雪时，也能保证安全可靠的触线识别。在黑暗中，集成在监视摄像头中的小灯，比如红外线LED灯便对行驶安全绰绰有余了。

目标追踪方法根据以下原理：

基于之前识别情况，即在二维录像范围内根据之前运动规律，运用外推法预测架空架空接触网动态位置在计算后续形势时以明显更高的概率证明，在此(又)符合寻找的样本。

此外，在升弓情况下，计算好的和必要时也通过感应器确定的受电弓以及触靴位置可以用于确定触线位置。

为了控制，可在仪表盘中向巴士司机显示摄像机所拍摄的带有已识别接触网与集电网的图像。如未识别到接触网，则不升弓或自动解除连接。

通过一部全球导航卫星系统，比如GPS即美国全球定位系统，或者未来的欧洲对接伽利略系统，以及一张储存地图来识别是否车辆将要驶入应升弓行驶的区域、即原则上设有架空接触网的区域。而驶出这些区域，比如接触网末端、地下通道和具有对架空接触网不足的外部尺寸的隧道，以及偏离正常轨迹的施工现场，都能类似地地被识别并且导致按计划地降弓。而遇到道岔情况时也是如此，这样就不需要真正昂贵又易于磨损的空中道岔了：分岔的电网等于仅仅在分岔处断开，紧接着重新开始，分岔的车辆在该区域短暂降弓，之后在新开始的电网重新升弓。同样也适用于其它架空接触网的交叉处和有轨电车或者火车的这些交叉处，其中，一个或两个交叉的架空接触网对之一只要短暂中断。还有架空接触网出于视觉或其它原因被干扰的区域，也可以运用同样方法节省资源。

在降弓运营中，车辆的能源来自储能器（飞轮、蓄电池或者电容器）和/或额外内燃机（APU辅助动力装置、混合动力驱动或者燃料电池）。

可能存在的储能器利用从架空接触网获得的、也可能从APU中获得的热量借助控制系统中的智能储启发器通过后来期望的储能器使用进行再充电，其中，车辆预行驶路线以及其能量需求变化是已知的。

此外还必须能够在行驶中，通过数字无线电（GSM/UMTS或者集群无线电）按照需求来更新已存入的地图。

借助光学控制，可以随时比较地图（设定值）与实际情况（实际值）。在有误差时，比如“架空接触网出乎意料地缺失”时，必要时向驾驶员反馈，并且通过一个数字无线电反馈到运行中心。

光学拍摄的数据不间断地在一个环形储存器（硅胶磁盘）中保存（作为日志的录像），以便在之后的分析中调出并处理问题所用。

在需要烧的驱动能量或反馈很少回收热能的(更长的)区域内（比如长距离降坡）按计划的降弓可以用于减少受电弓与接触网的磨损。

相应的，这种路段必要时完全不用架空接触网行驶。

在有对面来车的区域内，可以在具有相应局部比例条件下，双向共享一部架空接触网。在两辆巴士相遇时。两部车辆控制系统以数字无线电自动通讯，确定哪辆巴士在两车汇交时短暂降弓（车间通讯）。这样可在上述地图中预先储存，以决定让从电网集电较少的巴士降弓。而会车是否真的发生，则通过数字无线电（每辆巴士所配的位置信号通报器）或者发射机应答器探测到。自动通讯失效（比如数字无线电失灵）可通过光学控制系统识别并致使两辆巴士紧急降弓。

而在自动识别或由驾驶员明确通知的超车情况下或在平行同向行车中也启动降弓，以使用同一架接触网。

自动降弓还发生在目标地域超过了受电弓目标范围时。比如工地绕道行驶或者交通事故现场绕道行驶时。当巴士再次驶入架空接触网区域中，马上再次自动升弓。

结果产生了一套运行安全性高，且成本低廉的系统。

Claims (16)

1.一种用于自动升降设计用于在架空接触网(1)上运行的车辆的至少一根受电弓(3)的装置，该装置包括至少一个使受电弓(3)移动的促动器(9)，其特征在于：该装置具有至少一个这样地控制促动器(9)的图像采集分析单元(6和7)，使得所述受电弓(3)在架空接触网(1)上进行升、降弓。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于：该装置具有采集所述受电弓(3)与架空接触网(1)的立体光学图像的、图像采集与图像分析单元(6)的立体光学摄影机。

3.按权利要求2所述的装置，其特征在于：所述图像采集与分析单元(6、7)利用模式识别装置来控制促动器(9)。

4.按权利要求2或3所述的装置，其特征在于：具有一带有通讯与储存组件的电路，该电路根据一个立体光学摄像机(6)发出的信号以及其它输入参数，通过对促动器(9)的控制指令这样地定位所述受电弓(3)的触靴(2)，使得能够产生所述触靴(2)与所述架空接触网(1)的电接触。

5.按以上权利要求之一所述的装置，其特征在于：

-两根受电弓(3)，每根带一个触靴(2)，

-两部架空接触网(1)，以及

-分别或者共同移动两根所述受电弓(3)的至少两个促动器(9)。

6.一种用于自动升降设计用于在至少一部架空接触网(1)上运行的车辆的至少一根受电弓(3)的方法，其特征在于：

-对受电弓(3)与架空接触网(1)进行图像采集，

-进行图像分析以便确定受电弓(3)与架空接触网(1)的位置以及

-根据图像分析结果这样地控制与受电弓(3)作用连接的促动器(9)，使得所述受电弓(3)在架空接触网(1)上的升、降弓。

7.按权利要求6所述的操作方法，其特征在于：通过立体光学技术完成所述图像采集与图像分析。

8.按权利要求6或7所述的操作方法，其特征在于：通过模式识别技术完成所述样本分析。

9.按权利要求8所述的操作方法，其特征在于：所述控制系统基于所计算出的架空接触网(1)以及受电弓(3)的一个触靴(2)的位置向所述促动器(9)发出指令，其中，根据摄像机(6)拍摄的二维图像，将架空接触网(1)分别识别为尽可能直的直线，由此在一个相对车辆的三维空间中计算两个几乎平坦的面(10)，这两个面的投影在二维图像中是尽可能直的直线，因此架空接触网(1)必须沿所述直线延伸，然后，使两个平面相交，并因此得到作为交集(11)的空间中一个相对车辆尽可能直的直线，并再次类似地运用立体光学技术确定空间中受电弓(3)的对应触靴(2)的位置作为空间中直线近似的交点。这些直线通过两个二维图像中触靴(2)相应被选的点的投影确定。

10.按权利要求9所述的操作方法，其特征在于：升、降弓的指令，也就是受电弓(3)与架空接触网(3)接触以及缩回或在弓锁定装置(8)上锚定的指令，通过控制系统中的更高一级确定。其中，该更高一级得到一份事先保存的数字地图的支持，并在运行图上在车辆原则上应升弓运行的区域做路线标明，并在车辆离开该区域时自动给出降弓的指令。反过来，在车辆到达带有架空接触网(1)的区域时，根据车辆在连接全球导航卫星系统的数字地图上的位置给出自动升弓的指令。

11.按权利要求9或10所述的操作方法，其特征在于：代替用于转弯的架空接触网(1)的传统道岔，所述架空接触网(1)在拐弯路段之后又重新开始，并且所述控制系统负责拐弯车辆在道岔路段短时降弓，然后在架空接触网(1)重新开始的位置再次升弓。这也可类似地用于车辆经过十字路口并且与其对应的架空接触网(1)中断时。

12.按权利要求9－11之一所述的操作方法，其特征在于：短时降弓还可由控制系统促动，当车辆遇上或超过另一辆装备同样技术装置、并使用同一架空接触网(1)的车辆时，两辆车通过一个数字无线电连接装置(7)进行通讯，并协商哪辆车降弓。

13.按权利要求9－12之一所述的操作方法，其特征在于：该控制系统可在如下情况下开始降弓，

光学模式识别装置传递事先未预料到的中断或者障碍物信号，尤其是在数字无线电受到干扰情况下其它车辆的受电弓(3)信号，

通过机械感应器识别到障碍物，例如光学不能识别的其它车辆的受电弓(3)，或者其它车辆驾驶员给出指令。

14.按权利要求9－13之一所述的操作方法，其特征在于：该控制系统基于架空接触网(1)至今为止作为空间中几乎平直的直线位置以及车辆之前以及当前在道路空间中的差速与差向并因此相对架空接触网(1)获得的运动矢量确定，以提高的可能性占据作为摄像机(6)所拍摄二维图像中的直线的、架空接触网(1)相应可能的新位置，并将这一结果用于光学模式识别中。

15.按权利要求9－14之一所述的操作方法，其特征在于：控制系统借助储存的包括车辆行驶路段的数字地图，结合位置检测技术与连续抽样经验值的形式的统计方法，以能量优化为目的计算在哪些区域需要使用能源存储器中的辅助能源，其中路面的高度变化也用于确定上坡和下坡路段，以便在后者情况下断开架空接触网还能将磨损减至最小。

16.按权利要求9－15之一所述的操作方法，其特征在于：控制系统根据预先估计的车辆能量流消耗确定即使在升弓状态下，也将一部分来自能源存储器中的工作能量，或者来自行驶电机中的热量回收能量，或者甚至从能源存储器中反馈到电网中，相反，同时再通过架空接触网(1)给能源存储器充电。

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