CN105564447A - 一种虚拟轨道汽车列车的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟轨道汽车列车的控制系统，包括：车头状态检测组件，安装于车头组件上，用来采集车头的状态信号；车厢状态检测组件，安装于车厢组件上，用来采集车厢的状态信号；车尾状态检测组件，安装于车尾组件上，用来采集车尾的状态信号；轨迹跟随控制器，通过上述状态检测组件检测出的数据推算出各个厢体质心处的坐标信息以及各个车轴的坐标信息；所述轨迹跟随控制器通过通讯网络向各个车桥的线控转向器发送转向指令，实现后车轮与前轮的轨迹跟随。本发明具有原理简单、操作简便、能够实现最佳控制效果等优点。

Description

一种虚拟轨道汽车列车的控制系统

技术领域

本发明主要涉及到城市轨道交通系统领域，特指一种适用于虚拟轨道列车的控制系统。

背景技术

城市轨道交通系统是具有连续导向能力的专线公共交通系统，其特点表现为拥有整条专用轨道，并且不可与机动车混行。比如：无十字路口，其道路路基建设不设人行横道，无自行车专道和无机动车线路。通常情况，城市轨道交通系统大都建造于地下或者高架桥之上。通过使用闭塞模式实现其在轨道专线中的自由运行。城市轨道交通系统也可以使用全自动化运行模式。此外，城市轨道交通系统又分为重型和轻型两种，比如地铁和轻轨。然而这种形式显然基础设施建设投入较大。

现代城市交通系统主要构成为地铁、有轨电车、公交车等，地铁虽然运输力强大，但其成本巨大，使得其在中小城市不能广泛应用；有轨电车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。

传统公交车成本更低，且相对于有轨车辆非常灵活，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胶轮列车增加运力。在中小城市中发展胶轮列车替代传统的公交车，在保证胶轮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。铰接式胶轮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，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。

四轮转向技术，尤其是后轮转向技术出现为实现汽车的全轮转向功能提供技术支持。目前针对四轮转向和线性转向控制系统的研究也日益受到重视，通过采用线控多轴转向技术，可以使得胶轮列车的车轮轨迹可控，可以显著的增加胶轮列车的通过性。然而，如何利用线控全轴技术来实现胶轮列车的车轮轨迹可控，甚至于保证前进方向车轮的轨迹重合率，来增加前进方向上后车轮与前轮的轨迹重合率，减小转向“内轮差”，降低“视线死角”，则是一直没有很好解决的技术问题。

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，本发明提供一种原理简单、操作简便、能够实现最佳控制效果的虚拟轨道汽车列车的控制系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种虚拟轨道汽车列车的控制系统，包括：

车头状态检测组件，安装于车头组件上，用来采集车头的状态信号；

车厢状态检测组件，安装于车厢组件上，用来采集车厢的状态信号；

车尾状态检测组件，安装于车尾组件上，用来采集车尾的状态信号；

轨迹跟随控制器，通过上述状态检测组件检测出的数据推算出各个厢体质心处的坐标信息以及各个车轴的坐标信息；所述轨迹跟随控制器通过通讯网络向各个车桥的线控转向器发送转向指令，实现后车轮与前轮的轨迹跟随。

作为本发明的进一步改进：所述车头状态检测组件包括定位单元、第一转向桥转向角度传感器、第一轮速传感器、第二转向桥转向角度传感器、第二轮速传感器、第一铰接角度传感器以及方向盘转角传感器；所述定位单元为卫星定位系统或加速度计、陀螺仪、磁性方向传感器；所述第一转向桥转向角度传感器与第二转向桥转向角度传感器安装于车头组件的转向桥上，用来测量转向桥的转向角度；所述第一轮速传感器与第二轮速传感器安装于车头组件的车轮上，用来测量车轮的轮速；所述第一铰接角度传感器安装于车头组件与车厢组件之间的铰接处，用来测量车头组件与车厢组件之间的夹角。

作为本发明的进一步改进：所述车厢状态检测组件包括第三转向桥转向角度传感器、第三轮速传感器及第二铰接角度传感器，所述第三转向桥转向角度传感器安装于车厢组件的转向桥上，用来测量转向桥的转向角度；所述第三轮速传感器安装于车厢组件上的车轮上，用来测量车轮的轮速；所述第二铰接角度传感器安装于相邻车厢组件之间的铰接处，用来测量相邻车厢组件之间的夹角。

作为本发明的进一步改进：所述车尾状态检测组件包括第三转向桥转向角度传感器、第四轮速传感器及第四铰接角度传感器，所述第四转向桥转向角度传感器安装于车尾组件的转向桥上，用来测量转向桥的转向角度；所述第四轮速传感器安装于车尾组件的车轮上，用来测量车轮的轮速；所述第三铰接角度传感器安装于车尾组件与车厢组件之间的铰接处，用来测量车尾组件与车厢组件之间的夹角。

作为本发明的进一步改进：所述车头状态检测组件、车厢状态检测组件、车尾状态检测组件均安装有采样板，并通过模拟量采样的方式采集各个传感器的信息，然后再通过通讯网络传输给轨迹跟随控制器。

作为本发明的进一步改进：所述轨迹跟随控制器采用微型计算机或者数字信号控制器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的虚拟轨道汽车列车的控制系统，可以用于采用线控多轴转向的胶轮列车上来控制车轮的转向，来增加前进方向上后车轮与前轮的轨迹重合率，减小转向“内轮差”，降低“视线死角”带来的影响，从而降低因车身变长造成的事故率，在保障其整体通过性和转向性能的前提下提升整体运输力。

2、本发明的虚拟轨道汽车列车的控制系统，针对整列车辆而言采用分散采样、集中控制的思路，单节车辆的采样数据与转向控制器的反馈数据均可通过CAN总线的方式或者其他高速通讯的方式传输给轨迹跟随控制器；同时，轨迹跟随控制器的控制数据与对采样的配置数据均可通过CAN总线或者其他高速通讯的方式传输给转向控制器与采样控制板，这种控制结构将轨迹跟随控制主要两块采样与控制分散化，再通过通讯联系起来，可以大大简化轨迹跟随控制系统的结构，同时也便于车辆的模块化配置，如需增加车辆的节数，只需将采样控制器与转向控制器连接在CAN总线上或者其他高速通讯总线上。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的结构框架原理示意图。

图2是本发明的控制逻辑示意图。

图3是本发明在具体应用实例中轨迹跟随控制器的轨迹跟随控制流程图。

图例说明：

1、车头状态检测组件；101、定位单元；102、第一转向桥转向角度传感器；103、第一轮速传感器；104、第二转向桥转向角度传感器；105、第二轮速传感器；106、方向盘转角传感器；2、车厢状态检测组件；201、第三转向桥转向角度传感器；202、第三轮速传感器；203、第一铰接角度传感器；3、车尾状态检测组件；301、第四转向桥转向角度传感器；302、第四轮速传感器；303、第二铰接角度传感器；4、车头组件；5、车厢组件；6、车尾组件；7、轨迹跟随控制器；8、第二转向桥电控转向装置；9、第三转向桥电控转向装置；10、第四转向桥电控转向装置。

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和图2所示，本发明的虚拟轨道汽车列车的控制系统，包括：

车头状态检测组件1，安装于车头组件4上，包括定位单元101、第一转向桥转向角度传感器102、第一轮速传感器103、第二转向桥转向角度传感器104、第二轮速传感器105、方向盘转角传感器106及第二转向桥电控转向装置8。定位单元101为卫星定位系统或加速度计、陀螺仪、磁性方向传感器等传感器用来获取车辆位置信息；第一转向桥转向角度传感器102与第二转向桥转向角度传感器104安装于车头组件4的转向桥上，用来测量转向桥的转向角度；第一轮速传感器103与第二轮速传感器105安装于车头组件4的车轮上，用来测量车轮的轮速；第一铰接角度传感器203安装于车头组件4与车厢组件5之间的铰接处，用来测量车头组件4与车厢组件5之间的夹角。

车厢状态检测组件2，安装于车厢组件5上，包括第三转向桥转向角度传感器201、第三轮速传感器202、第一铰接角度传感器203及第三转向桥电控转向装置9，第三转向桥转向角度传感器201安装于车厢组件5的转向桥上，用来测量转向桥的转向角度；第三轮速传感器202安装于车厢组件5上的车轮上，用来测量车轮的轮速；第一铰接角度传感器203安装于相邻车厢组件5之间的铰接处，用来测量相邻车厢组件5之间的夹角。多个车厢组件5的目的是通过增加标准扩展车厢来对汽车列车进行加长。

车尾状态检测组件3，安装于车尾组件6上，包括第四转向桥转向角度传感器301、第四轮速传感器302、第二铰接角度传感器303及第四转向桥电控转向装置10。第四转向桥转向角度传感器301安装于车尾组件6的转向桥上，用来测量转向桥的转向角度；第四轮速传感器302安装于车尾组件6的车轮上，用来测量车轮的轮速；第二铰接角度传感器303安装于车尾组件6与车厢组件5之间的铰接处，用来测量车尾组件6与车厢组件5之间的夹角。

车头状态检测组件1、车厢状态检测组件2、车尾状态检测组件3均安装有采样板，并通过模拟量采样的方式采集各个传感器的信息，然后再通过通讯网络传输给轨迹跟随控制器7。

结合图3，轨迹跟随控制器7采用微型计算机或者数字信号控制器，轨迹跟随控制器7通过车头状态检测组件1检测的数据推算出胶轮列车第一轴坐标数据，其中数据包括接收卫星定位系统、高性能陀螺仪、加速度计及磁传感器等惯性元件、车轮的轮速数据、车轮转角以及铰接盘转角（以上传感器数据并不需全部包含，可能部分包含），然后通过卡尔曼滤波等多传感器融合算法来获取虚拟轨道汽车列车中第一节车辆（车头）质心的坐标信息（以胶轮列车为例，开动前为原点，胶轮列车第一节车辆车身方向为X轴，垂直车身为Y轴方向）。同时，通过采集安装在车厢铰接处的角度传感器信息来获取胶轮列车后一节车厢与前一节车厢之间的夹角从而推算出各个车厢质心处的坐标信息以及各个车轴的坐标信息。最后，轨迹跟随控制器7通过通讯网络向各个车桥的电控转向装置发送转向指令；即，通过获取各个车轴的坐标信息可以在轨迹跟随控制器7中通过前馈控制与反馈闭环控制获得除第一个车轴以外各个车轴的转向角，通过线控转向装置驱动车轮转向以修正除第一个车轴以外各个车轴的相对于第一个车轴轨迹的侧向位移，从而实现轨迹跟随的控制目标。最终，汽车列车通过轨迹跟随控制器7实现了后车轮与前轮的轨迹跟随。

轨迹跟随控制器7可以根据实际需要安装于车头组件4上，或其他车厢上，又或者安装于汽车列车的其他位置处。

由上可知，本发明的虚拟轨道汽车列车的控制系统，可以用于采用线控多轴转向的胶轮列车上来控制车轮的转向，来增加前进方向上后车轮与前轮的轨迹重合率，减小转向“内轮差”，降低“视线死角”带来的影响，从而降低因车身变长造成的事故率，在保障其整体通过性和转向性能的前提下提升整体运输力。这种方案针对整列车辆而言采用分散采样、集中控制的思路，单节车辆的采样数据与转向控制器的反馈数据均可通过CAN总线的方式或者其他高速通讯的方式传输给轨迹跟随控制器7；同时，轨迹跟随控制器7的控制数据与对采样的配置数据均可通过CAN总线或者其他高速通讯的方式传输给转向控制器与采样控制板，这种控制结构将轨迹跟随控制主要两块采样与控制分散化，再通过通讯联系起来，可以大大简化轨迹跟随控制系统的结构，同时也便于车辆的模块化配置，如需增加车辆的节数，只需将采样控制器与转向控制器连接在CAN总线上或者其他高速通讯总线上。

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 (6)

1.一种虚拟轨道汽车列车的控制系统，其特征在于，包括：

车头状态检测组件（1），安装于车头组件（4）上，用来采集车头的状态信号；

车厢状态检测组件（2），安装于车厢组件（5）上，用来采集车厢的状态信号；

车尾状态检测组件（3），安装于车尾组件（6）上，用来采集车尾的状态信号；

轨迹跟随控制器（7），通过上述状态检测组件检测出的数据推算出各个厢体质心处的坐标信息以及各个车轴的坐标信息；所述轨迹跟随控制器（7）通过通讯网络向各个车桥的线控转向器（8）（9）（10）发送转向指令，实现后车轮与前轮的轨迹跟随。

2.根据权利要求1所述的虚拟轨道汽车列车的控制系统，其特征在于，所述车头状态检测组件（1）包括定位单元（101）、第一转向桥转向角度传感器（102）、第一轮速传感器（103）、第二转向桥转向角度传感器（104）、第二轮速传感器（105）以及方向盘转角传感器（106）；所述定位单元（101）为卫星定位系统或加速度计、陀螺仪、磁性方向传感器；第一转向桥转向角度传感器（102）与第二转向桥转向角度传感器（104）安装于车头组件（4）的转向桥上，用来测量转向桥的转向角度；所述第一轮速传感器（103）与第二轮速传感器（105）安装于车头组件（4）的车轮上，用来测量车轮的轮速。

3.根据权利要求1所述的虚拟轨道汽车列车的控制系统，其特征在于，所述车厢状态检测组件（2）包括第三转向桥转向角度传感器（201）、第三轮速传感器（202）及第一铰接角度传感器（203），所述第三转向桥转向角度传感器（201）安装于车厢组件（5）的转向桥上，用来测量转向桥的转向角度；所述第三轮速传感器（202）安装于车厢组件（5）上的车轮上，用来测量车轮的轮速；所述第一铰接角度传感器（203）安装于相邻车厢组件（5）之间的铰接处，用来测量相邻车厢组件（5）之间或者测量车头组件（4）与车厢组件（5）的夹角。

4.根据权利要求1所述的虚拟轨道汽车列车的控制系统，其特征在于，所述车尾状态检测组件（3）包括第四转向桥转向角度传感器（301）、第四轮速传感器（302）及第二铰接角度传感器（303），所述第四转向桥转向角度传感器（301）安装于车尾组件（6）的转向桥上，用来测量转向桥的转向角度；所述第四轮速传感器（302）安装于车尾组件（6）的车轮上，用来测量车轮的轮速；所述第二铰接角度传感器（303）安装于车尾组件（6）与车厢组件（5）之间的铰接处，用来测量车尾组件（6）与车厢组件（5）之间的夹角。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的虚拟轨道汽车列车的控制系统，其特征在于，所述车头状态检测组件（1）、车厢状态检测组件（2）、车尾状态检测组件（3）均安装有采样板，并通过模拟量采样的方式采集各个传感器的信息，然后再通过通讯网络传输给轨迹跟随控制器（7）。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的虚拟轨道汽车列车的控制系统，其特征在于，所述轨迹跟随控制器（7）采用微型计算机或者数字信号控制器。