CN105292256A - 胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法，步骤为：S1：依据驾驶员输入的第一轴的第一轮转角δ₁，控制第二轴的转动角度，令第二轴轨迹与第一轴轨迹重合；S2：通过控制铰接点夹角φ，令第三轴轨迹与第二轴和第一轴在同一圆弧上以保证轨迹重合，其中铰接点为两节车厢之间的铰接点。本发明具有控制效果好、稳定性高等优点。

Description

胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法

技术领域

本发明主要涉及到城市公共交通设备领域，特指一种适用于胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法，以实现列车行进过程中各轴轨迹跟随。

背景技术

城市轨道交通是指具有连续导向能力的专线公共交通系统，其特点表现为拥有特定轨道，车辆沿轨道运行。常见的城市轨道交通有地铁、轻轨、有轨电车等。其中，地铁、轻轨大都建造于地下或者高架桥上，通过使用闭塞模式实现其在轨道专线中自由运行，它们虽然运输力强大，但前期基础设施及车辆购置成本较大，使得其在中小城市不能广泛应用。有轨电车则需要专门的电力系统和轨道配合设计，无论是设计建设成本或者维护成本相对较大、且易受制于运行环境。

除了上述轨道交通之外，其它的公共交通系统常见的有传统公交车、铰接式汽车列车。传统公交车成本低、行驶灵活，当前方有障碍物时，能够很方便的躲开障碍物继续行驶，当车辆发生故障时，可以靠边，不会影响其他车辆行驶。但传统公交车运力少，通常会通过铰接多节车厢来组成汽车列车增加运力。在中小城市中发展汽车列车替代传统的公交车，在保证汽车列车通过性和转向性能等安全因素条件下，其不仅能够提高运输能力而且能降低运输成本30％左右。铰接式汽车列车客车虽然载客能力大，但是它和单体客车相比，最大的差别是因车身长度加长带来的道路通过性的变化，具体表现为转弯半径增加，转弯所占车道面积增大，易与旁边的道路交通其它元素发生干涉，从而不能顺利通过，甚至恶化交通运行环境，无法快速、高效地实现公交运输。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种控制效果好、稳定性高的胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法，步骤为：

S1：依据驾驶员输入的第一轴的第一轮转角δ₁，控制第二轴的转动角度，令第二轴轨迹与第一轴轨迹重合；

S2：通过控制铰接点夹角φ，令第三轴轨迹与第二轴和第一轴在同一圆弧上以保证轨迹重合，其中铰接点为两节车厢之间的铰接点。

作为本发明的进一步改进：假定胶轮低地板智能轨道列车由两节车厢组成，中间通过铰接点E连接，第一节车厢有两轴，车轮分别在A,B位置，第二节车厢有一个轴，在C点位置；上述圆弧的圆心为O，半径为R，则OA,OB,OC的长度都为R；

第一轮转角δ₁为驾驶员输入转角，δ₂为第二轴转角，为使第二轴轨迹与第一轴轨迹重合根据卡尔曼原理得到：

δ₂＝δ₁(1)

第一节车厢长度为：

L＝L₁+L₂(2)

且：

$h=\frac{L_1}{tan\left({\mathrm{\δ}}_1\right)}=\frac{L_2}{tan\left({\mathrm{\δ}}_2\right)}---\left(3\right)$

由上式(2)和式(3)得到：

$L_2=\frac{Ltan\left({\mathrm{\δ}}_2\right)}{tan\left({\mathrm{\δ}}_1\right)+\tan \left({\mathrm{\δ}}_2\right)}---\left(4\right)$

得到转弯半径R为：

$R=\frac{L_1}{sin\left({\mathrm{\δ}}_1\right)}=\frac{L_2}{sin\left({\mathrm{\δ}}_2\right)}---\left(5\right)$

圆心O距离第一节车厢的距离h为：

$h=\sqrt{R^2-L_2^2}=Rcos\left({\mathrm{\δ}}_2\right)---\left(6\right)$

${\mathrm{\θ}}_1=atan\left(\frac{h}{L_2+L_3}\right)---\left(7\right)$

L₃为第二轴到铰接点E的距离；

那么，圆心O到铰接点E的距离R’为：

$R^{\′}=\sqrt{h^2+{(L_2+L_3)}^2}---\left(8\right)$

由余弦定理得到：

${\mathrm{\θ}}_2=acos\left(\frac{L_4^2+R^{\′2}-R^2}{2L_4{R}^{\′}}\right)---\left(9\right).$

作为本发明的进一步改进：所述步骤S2的步骤为：

L₄为铰接点E到第三轴的距离，铰接点夹角φ为：

φ＝π-θ₁-θ₂(10)

在车辆行进过程中，不断调整第三轴的转角，使得铰接点夹角φ满足式(10)。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S2采用闭环PID控制，令第三轴转角δ₃为：

δ₃＝PID(φ_t,φ_r)(11)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法，通过闭环控制使得各轮轨迹在一条曲线上，实现了多轴转向轨迹跟随，整个控制过程原理简单、稳定可靠。同时，因为在列车实际行驶过程中，轮胎存在侧偏等影响，所以本发明方法所采用的闭环控制方法相比开环控制性能更稳定，效果更好。

附图说明

图1是本发明控制方法的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中运动轨迹的原理示意图。

图3是本发明在具体应用实例中对铰接点夹角进行闭环控制的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

胶轮低地板智能轨道列车，整个车身长达35米，整车可以分为多节车厢(如三节)、两个车头，整个车辆可实现双向行驶，每节车厢至少包括一个轴，本发明的控制方法目标就是为了让整个列车在行进转向过程中所有轴均实现轨迹跟随。

如图1所示，本发明胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法，其步骤为：

S1：依据驾驶员输入的第一轴的第一轮转角δ₁，控制第二轴的转动角度，令第二轴轨迹与第一轴轨迹重合；

参见图2，假设在具体应用实例中，胶轮低地板智能轨道列车由两节车厢组成，中间通过铰接点E连接，第一节车厢有两轴，车轮分别在A,B位置，第二节车厢有一个轴，在C点位置，为了使胶轮低地板智能轨道列车的三轴都在同一轨迹上，则胶轮低地板智能轨道列车在行驶过程中三轴必定在同一个圆弧上。

假设上述圆弧的圆心为O，半径为R，则OA,OB,OC的长度都为R。

第一轮转角δ₁为驾驶员输入转角，为使第二轴轨迹与第一轴轨迹重合根据卡尔曼原理得到：

δ₂＝δ₁(1)

第一节车厢长度为：

L＝L₁+L₂(2)

且：

$h=\frac{L_1}{tan\left({\mathrm{\δ}}_1\right)}=\frac{L_2}{tan\left({\mathrm{\δ}}_2\right)}---\left(3\right)$

由上式(2)和式(3)得到：

$L_2=\frac{Ltan\left({\mathrm{\δ}}_2\right)}{tan\left({\mathrm{\δ}}_1\right)+\tan \left({\mathrm{\δ}}_2\right)}---\left(4\right)$

得到转弯半径R为：

$R=\frac{L_1}{sin\left({\mathrm{\δ}}_1\right)}=\frac{L_2}{sin\left({\mathrm{\δ}}_2\right)}---\left(5\right)$

圆心O距离第一节车厢的距离h为：

$h=\sqrt{R^2-L_2^2}=Rcos\left({\mathrm{\δ}}_2\right)---\left(6\right)$

${\mathrm{\θ}}_1=atan\left(\frac{h}{L_2+L_3}\right)---\left(7\right)$

L₃为第二轴到铰接点E的距离。

那么，圆心O到铰接点E的距离R’为：

$R^{\′}=\sqrt{h^2+{(L_2+L_3)}^2}---\left(8\right)$

由余弦定理得到：

${\mathrm{\θ}}_2=acos\left(\frac{L_4^2+R^{\′2}-R^2}{2L_4{R}^{\′}}\right)---\left(9\right)$

S2：通过控制铰接点夹角φ，令第三轴轨迹与第二轴和第一轴在同一圆弧上以保证轨迹重合，其中铰接点为两节车厢之间的铰接点；

L₄为铰接点E到第三轴的距离，铰接点夹角φ为：

φ＝π-θ₁-θ₂(10)

因此，为了保证第三轴与第二轴和第一轴在同一圆弧上必须保证铰接点夹角φ满足式(10)的关系，所以在车辆行进过程中，不断调整第三轴的转角，使得铰接点夹角φ满足式(10)。

在本实施例中，为了保证铰接点满足式(10)的关系，如图3所示，可以采用闭环PID控制。所以第三轴的转角为：

δ₃＝PID(φ_t,φ_r)(11)

通过本发明的上述控制方法，就可以解决列车轨迹跟随的效果，因为车轮侧偏影响，相比开环控制该方法更稳定，更可靠。同理可知，在其他应用实例中，如果具有多个车厢或是多根轴，其基本原理也如上，能够实现轨迹跟随控制。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。例如说，本发明还能够适用于其他类型的多轴汽车列车，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法，其特征在于，步骤为：

S1：依据驾驶员输入的第一轴的第一轮转角δ₁，控制第二轴的转动角度，令第二轴轨迹与第一轴轨迹重合；

S2：通过控制铰接点夹角φ，令第三轴轨迹与第二轴和第一轴在同一圆弧上以保证轨迹重合，其中铰接点为两节车厢之间的铰接点。

2.根据权利要求1所述的胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法，其特征在于，假定胶轮低地板智能轨道列车由两节车厢组成，中间通过铰接点E连接，第一节车厢有两轴，车轮分别在A,B位置，第二节车厢有一个轴，在C点位置；上述圆弧的圆心为O，半径为R，则OA,OB,OC的长度都为R；

第一轮转角δ₁为驾驶员输入转角，δ₂为第二轴转角，为使第二轴轨迹与第一轴轨迹重合根据卡尔曼原理得到：

δ₂＝δ₁(1)

第一节车厢长度L为：

L＝L₁+L₂(2)

L1为第一轴距离转弯圆心垂直车身点的距离，L2为转弯圆心垂直车身的点距离第二轴的距离，且圆心距离车身的距离h为：

$h=\frac{L_1}{tan\left({\mathrm{\δ}}_1\right)}=\frac{L_2}{tan\left({\mathrm{\δ}}_2\right)}---\left(3\right)$

由上式(2)和式(3)得到：

$L_2=\frac{Ltan\left({\mathrm{\δ}}_2\right)}{tan\left({\mathrm{\δ}}_1\right)+\tan \left({\mathrm{\δ}}_2\right)}---\left(4\right)$

得到转弯半径R为：

$R=\frac{L_1}{sin\left({\mathrm{\δ}}_1\right)}=\frac{L_2}{sin\left({\mathrm{\δ}}_2\right)}---\left(5\right)$

圆心O距离第一节车厢的距离h为：

$h=\sqrt{R^2-L_2^2}=Rcos\left({\mathrm{\δ}}_2\right)---\left(6\right)$

车身与铰接点到圆心的直线夹角θ₁为

${\mathrm{\θ}}_1=atan\left(\frac{h}{L_2+L_3}\right)---\left(7\right)$

L₃为第二轴到铰接点E的距离；

那么，圆心O到铰接点E的距离R’为：

$R^{\′}=\sqrt{h^2+{(L_2+L_3)}^2}---\left(8\right)$

由余弦定理得到第二节车厢与圆心到铰接点的夹角θ₂为：

${\mathrm{\θ}}_2=acos\left(\frac{L_4^2+R^{\′2}-R^2}{2L_4{R}^{\′}}\right)---\left(9\right).$

3.根据权利要求2所述的胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S2的步骤为：

L₄为铰接点E到第三轴的距离，铰接点夹角φ为：

φ＝π-θ₁-θ₂(10)

在车辆行进过程中，不断调整第三轴的转角，使得铰接点夹角φ满足式(10)。

4.根据权利要求3所述的胶轮低地板智能轨道列车的多轴转向轨迹跟随闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S2采用闭环PID控制，令第三轴转角δ₃为：

δ₃＝PID(φ_t,φ_r)(11)

其中，Φ_t为理想目标值，Φ_r为实际值。