CN105292257A - 用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法，在胶轮低地板智能轨道列车的行进过程中，实时计算列车在行进过程中的各车轮转角，实时控制转角驱动转向系统转向，以保证各车轮行进在相同的轨迹上。本发明具有控制更加精确、能够减小转弯半径、提高行驶灵活性等优点。

Description

用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法

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列车轨迹跟随的控制方法。

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更加精确、能够减小转弯半径、提高行驶灵活性的用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法，在胶轮低地板智能轨道列车的行进过程中，实时计算列车在行进过程中的各车轮转角，实时控制转角驱动转向系统转向，以保证各车轮行进在相同的轨迹上。

作为本发明的进一步改进：在计算各车轮转角之前，先建立车辆模型；即，将铰接式汽车列车的静态模型降阶为“单轮模型”，这样铰接式汽车列车的运动特性就用轮子位于车辆中轴线的“单车”的运动特性来描述。

作为本发明的进一步改进：当胶轮低地板智能轨道列车进行曲线行驶时，delta₁、delta₂、delta₃、delta₄......为各车轴的转角，即第一轴转角delta₁、第二轴转角delta₂、第三轴转角delta₃、第四轴转角delta₄；计算各个转向轴转角的步骤为：

I、第二轴车轴转角；对于第一节车厢，当车辆的第二轴满足与第一轴轨迹一致时，即第一轴转弯半径R1等于第二轴转弯半径R2，则有delta1与delta2大小相等方向相反；那么，delta2的大小为：

delta₂＝delta₁

其中，R1为第一轴转弯半径，R2为第二轴转弯半径，delta1为第一轴转角，delta2为第二轴转角；

II、第四轴车轴转角；第四轴与第二轴并不在同一个车身上，有它们的转向并不共圆心，第二轴与第四轴的之间的关系只能通过第一节车身与第二节车身之间的共同点铰接点G1来联系；在铰接点处构建一个虚拟车轴，通过计算可知虚拟车轴相对于第一节车厢的转向角为deltaV1g1，同时利用角度传感器检测第一节车厢与第二节车厢的铰接角度beta1，虚拟车轴相对于第一节车厢、第二节车厢的转向角deltaV1g1、deltaV2g1大小为：

$deltaV1g1=atan\left(\frac{L1g+\frac{L1}{2}}{\frac{L1}{2tan\left(delta1\right)}}\right)$

deltaV2g1＝deltaV1g1+beta1

其中，deltaV1g1为铰接点G1处构建的虚拟车轴相对于第一节车厢的转角，deltaV2g1为铰接点G1处构建的虚拟车轴相对于第二节车厢的转角，L1g为第二轴到铰接点G1的距离，L1为第一轴到第二轴的距离，beta1为第一节车厢与第二节车厢的铰接角；

令delta4大小等于deltaV2g1，方向与deltaV2g1相反，则有第四轴行驶的轨迹会与铰接点G1的轨迹相同，由第一节车厢上车轴与铰接点转弯半径关系可知，Rg1要大于R2，令delta4的大小为k*deltaV2g1，0.5<K<1；其中，delta4为第四轴转角，k为常量；

III、第三轴车轴转角：由于第四轴与铰接点G1两点决定一条直线，因此第二节车厢的车身姿态已全部确定，第三轴车轮转角为适应当前车身姿态所需的最佳转角；delta3的大小为：

$delta3=a\tan \left(\frac{\frac{L2-L2g}{2}}{\frac{L2+L2g}{\tan \left(delta4\right)+\tan \left(deltaV2g1\right)}}\right)$

其中，delta3为第三轴的转角，L2为第三轴到第四轴的距离，L2g为第三轴到铰接点G1的距离。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法，通过计算车辆行进过程中各车轮的转角驱动转向系统转向，保证各车轮行进在相同的轨迹上。即，使各车轮行进在相同的轨迹上重合，迫使铰接盘向列车行驶通道的中间位置靠拢，避免传统控制方式中铰接盘位置会偏向列车行驶通道的外侧，从而带来的安全隐患。

2、本发明的用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法，在使用之后，使得铰接式汽车列车能够充分展现城市轨道交通工具载客能力大的优点，同时具有传统公交车成本低的特点，并且转弯半径小、转弯通道小、行驶灵活，另外通过对铰接盘的控制具有较好的行车安全性。

附图说明

图1是本发明方法的控制原理示意图。

图2是铰接式汽车列车当中车厢转向时内侧车轮与外侧车轮之间的关系示意图。

图3是转换为单车模型后车厢转向时内侧车轮与外侧车轮之间的关系示意图。

图4是本发明在具体应用实例中delta2的计算示意图。

图5是本发明在具体应用实例中delta4的计算示意图。

图6是本发明在具体应用实例中delta3的计算示意图。

图7是采用本发明控制方法后铰接式汽车列车在转弯时最终的轨迹跟随示意图。

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。

如图1所示，本发明的用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法，主要适用于铰接式汽车列车，它是通过计算车辆行进过程中各车轮的转角驱动转向系统转向，用来保证各车轮行进在相同的轨迹上。具体步骤为：

S1：建立车辆模型；将铰接式汽车列车的静态模型降阶为“单轮模型”，可以称之为单车模型(bicycle-model)；

在建立车辆模型之前，与实际的车辆模型相比，在此先进行了一些假设，其满足以下条件：

1)忽略轮胎与道路之间的侧偏角，即轮子的方向决定了车辆的方向；

2)无其它外力作用；

3)车辆行驶速度低，质量和惯性被忽略。

当上述假设完成后，即可建立关于铰接式汽车列车的“单轮模型”。

如图2所示，为铰接式汽车列车当中，车厢转向时内侧车轮与外侧车轮之间的关系示意图。图中：

$\cot \left({\mathrm{delta}}_{11}\right)-\cot \left({\mathrm{delta}}_1\right)=\frac{W_1}{2L_1}$

$\cot \left({\mathrm{delta}}_1\right)-\cot \left({\mathrm{delta}}_{12}\right)=\frac{W_1}{2L_1}$

其中，delta₁₁为外侧车轮转角，delta₁₂为内侧车轮转角，W₁为内外侧车轮之间的距离，L₁为第一轴到第二轴的距离。delta₁为简化为单轮模型后第一轴转角。

通过车辆模型以及图2的示意可知，铰接式汽车列车的运动特性可以用轮子位于车辆中轴线的“单车”的运动特性来描述。因此，N节铰接的汽车列车可由图3所示的单车模型来描述，图3中展现了转换为单车模型后车厢转向时内侧车轮与外侧车轮之间的关系。

S2：当进行曲线行驶时，计算各个转向轴的转角；其中，delta₁、delta₂、delta₃、delta₄......为各车轴的转角，即第一轴转角delta₁、第二轴转角delta₂、第三轴转角delta₃、第四轴转角delta₄。beta₁、beta₂……beta_n为各铰接角，即beta₁为第一个铰接角，beta₂为第二个铰接角，beta_n为第n个铰接角。

第二轴车轴转角；参见图4，对于第一节车厢，当车辆的第二轴需满足与第一轴轨迹一致时，即第一轴转弯半径R1等于第二轴转弯半径R2，则有delta1与delta2大小相等方向相反。delta2的大小为：

delta₂＝delta₁

第四轴车轴转角；第四轴与第二轴并不在同一个车身上，有它们的转向并不共圆心，第二轴与第四轴的之间的关系只能通过第一节车身与第二节车身之间的共同点铰接点G1来联系。

只考虑稳态时，若第一轴、第二轴、第四轴行进在同一轨迹时有delta4＝delta2＝delta1；参见图5，在铰接点处构建一个虚拟车轴，通过计算可知虚拟车轴相对于第一节车厢的转向角为deltaV1g1，同时可利用角度传感器检测第一节车厢与第二节车厢的铰接角度beta1，由图可知虚拟车轴相对于第一节车厢、第二节车厢的转向角deltaV1g1、deltaV2g1大小为：

$deltaV1g1=atan\left(\frac{L1g+\frac{L1}{2}}{\frac{L1}{2\tan \left(delta1\right)}}\right)$

deltaV2g1＝deltaV1g1+beta1

对于第一节车厢铰接点G1与第二轴共圆心，但半径不同，有Rg1>R2，即deltaV1g1>delta2,其中Rg1为铰接点G1的转弯半径，R2为第二轴转弯半径，deltaV1g1为在铰接点G1构建的虚拟车轴相对于第一节车厢的转角；对于第二节车厢deltaV2g1＝deltaV1g1+beta1>deltaV1g1>delta2＝delta4，因此构建一个常量k，大于0.5小于1，另delta4＝k*deltaV2g1，确保计算的delta4跟delta2近似相等，运行在同一轨迹，其中deltaV2g1为在铰接点G1构建的虚拟车轴相对于第二节车厢的转角；具体k的取值需要通过仿真与试验获得。

在本实施例中，具体操作时，由上可知如果令delta4大小等于deltaV2g1，方向与deltaV2g1相反，则有第四轴行驶的轨迹会与铰接点G1的轨迹相同，由第一节车厢上车轴与铰接点转弯半径关系可知，Rg1要大于R2，因此要想第四轴运行的轨迹与第二轴相近，则需令delta4的大小为k*deltaV2g1，0.5<K<1。

第三轴车轴转角；由于第四轴与铰接点G1两点决定一条直线，因此第二节车厢的车身姿态已全部确定，因此第三轴车轮转角为适应当前车身姿态所需的最佳转角。delta3的大小为：

$delta3=a\tan \left(\frac{\frac{L2-L2g}{2}}{\frac{L2+L2g}{\tan \left(delta4\right)+\tan \left(deltaV2g1\right)}}\right)$

同理可以推出其它车厢车轴的转角。

如图6所示，为本实施例中采用上述控制方法的铰接式汽车列车在转弯时最终的轨迹跟随示意图。使用该控制方法的铰接式汽车列车具有城市轨道交通工具载客能力大的优点，编组多，同时具有传统公交车成本低的特点，并且转弯半径小、转弯通道小、行驶灵活，另外通过对铰接盘的控制具有较好的行车安全性。

在具体应用实例中，当进行直线行驶时；

所有车轴的转角均为0，即：

delta₁＝delta₂＝delta₃＝delta₄＝0

delta₁、delta₂、delta₃、delta₄......为各车轴的转角，即第一轴转角delta₁、第二轴转角delta₂、第三轴转角delta₃、第四轴转角delta₄。

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。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 (3)

1.一种用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法，其特征在于，在胶轮低地板智能轨道列车的行进过程中，实时计算列车在行进过程中的各车轮转角，实时控制转角驱动转向系统转向，以保证各车轮行进在相同的轨迹上。

2.根据权利要求1所述的用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法，其特征在于，在计算各车轮转角之前，先建立车辆模型；即，将铰接式汽车列车的静态模型降阶为“单轮模型”，这样铰接式汽车列车的运动特性就用轮子位于车辆中轴线的“单车”的运动特性来描述。

3.根据权利要求2所述的用于胶轮低地板智能轨道列车的轨迹跟随控制方法，其特征在于，当胶轮低地板智能轨道列车进行曲线行驶时，delta₁、delta₂、delta₃、delta₄......为各车轴的转角，即第一轴转角delta₁、第二轴转角delta₂、第三轴转角delta₃、第四轴转角delta₄；计算各个转向轴转角的步骤为：

I、第二轴车轴转角；对于第一节车厢，当车辆的第二轴满足与第一轴轨迹一致时，即第一轴转弯半径R1等于第二轴转弯半径R2，则有delta1与delta2大小相等方向相反；那么，delta2的大小为：

delta₂＝delta₁

其中，R1为第一轴转弯半径，R2为第二轴转弯半径，delta1为第一轴转角，delta2为第二轴转角；

II、第四轴车轴转角；第四轴与第二轴并不在同一个车身上，有它们的转向并不共圆心，第二轴与第四轴的之间的关系只能通过第一节车身与第二节车身之间的共同点铰接点G1来联系；在铰接点处构建一个虚拟车轴，通过计算可知虚拟车轴相对于第一节车厢的转向角为deltaV1g1，同时利用角度传感器检测第一节车厢与第二节车厢的铰接角度beta1，虚拟车轴相对于第一节车厢、第二节车厢的转向角deltaV1g1、deltaV2g1大小为：

$deltaV1g1=atan\left(\frac{L1g+\frac{L1}{2}}{\frac{L1}{2tan\left(delta1\right)}}\right)$

deltaV2g1＝deltaV1g1+beta1

其中，deltaV1g1为铰接点G1处构建的虚拟车轴相对于第一节车厢的转角，deltaV2g1为铰接点G1处构建的虚拟车轴相对于第二节车厢的转角，L1g为第二轴到铰接点G1的距离，L1为第一轴到第二轴的距离，beta1为第一节车厢与第二节车厢的铰接角；

令delta4大小等于deltaV2g1，方向与deltaV2g1相反，则有第四轴行驶的轨迹会与铰接点G1的轨迹相同，由第一节车厢上车轴与铰接点转弯半径关系可知，Rg1要大于R2，令delta4的大小为k*deltaV2g1，0.5<K<1；其中，delta4为第四轴转角，k为常量；

III、第三轴车轴转角：由于第四轴与铰接点G1两点决定一条直线，因此第二节车厢的车身姿态已全部确定，第三轴车轮转角为适应当前车身姿态所需的最佳转角；delta3的大小为：

$delta3=atan\left(\frac{\frac{L2-L2g}{2}}{\frac{L2+L2g}{tan\left(delta4\right)+tan\left(deltaV2g1\right)}}\right)$

其中，delta3为第三轴的转角，L2为第三轴到第四轴的距离，L2g为第三轴到铰接点G1的距离。