CN107351869B - 一种全挂式列车的路线跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全挂式列车的路线跟踪控制方法，属于城市公共交通技术领域。该方法包括：实时获取目标路线信息及列车各子车厢位置和各子车厢方位角信息，计算各子车厢前轴转向车轮的转角，并通过各子车厢的转向执行机构控制车辆前轴车轮转向，实现列车的路线跟踪控制。本方法可实现多铰接连接的全挂式列车路径跟踪，提高了车辆运动灵活性，本方法对车厢数量没有限制，可有效提高车辆的单程运载量，本方法对车辆外形尺寸无特殊要求，可根据实际需求合理配置列车的各子车厢，有益于提高车辆的运输效率。

Description

一种全挂式列车的路线跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种全挂式列车的路线跟踪控制方法，属于城市公共交通技术领域。

背景技术

随着人类社会的进步与发展，人们因工作与生活短距离出行次数也在不断上升，解决交通拥堵、提高运输效率是公共交通系统面临的重大问题。

在现代城市中主要的公共交通系统有地铁、轻轨、公共汽车等。地铁和轻轨分别建设在地下和高架桥上，有效地利用了城市地下和上部空间，且单程运输量大，编组灵活，但建设成本较高。公共汽车基础设施建设车本低，但单程运输量小，不能有效解决公共交通大客流量快速输送问题。为提高传统公共汽车单程乘客运送量，部分城市采用双层、单铰接公共汽车提高客流运输效率，但依然未能满足城市居民出行需求。增加单车厢长度或增加车厢数量，可提高车辆单程运输量，但随着车辆长度增加，车辆灵活度下降，车辆操作难度增加。

发明内容

本发明的目的是提出一种全挂式列车的路线跟踪控制方法，以提高车辆单程运输量，并实现车辆沿目标路线智能行驶，降低车辆操作难度，并可根据客流量/货流量合理配置列车车厢数量，有益于提高车辆的运输效率。

本发明提出的全挂式列车的路线跟踪控制方法，包括以下步骤：

(1)设定一个待跟踪路线的全局坐标系，对待跟踪路线进行判断，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，则使全挂式列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为非单调递增，则将待跟踪路线划分为多个局部路线，并建立与各局部路线相对应的局部坐标系，使各局部的待跟踪路线在对应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，全挂式列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

(2)全挂式列车的各子车厢控制器分别实时获取待跟踪路线信息以及子车厢位置和方位角信息，根据下式，分别计算得到各子车厢前轴的等效转角

其中，n为全挂式列车的子车厢的数量，i为子车厢的编号，为第i子车厢前轴的等效转角，L_i为第i车厢前轴与后轴之间的距离，记o_i点为第i子车厢后轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i点为穿过o_i点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，y_i为第i子车厢的o_i点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，θ_i是第i节子车厢的方位角，即第i节子车厢行驶方向沿顺时针方向到第i子车厢所在的当前局部坐标系的X轴的夹角，y_ip是P_i点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，θ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，ρ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线曲率为0，k_i为第i子车厢的位置偏差增益系数，k_i的取值范围为0.001～20，β_i为第i子车厢的方位角偏差增益系数，β_i的取值范围为0.001～20；

(3)根据上述步骤(2)计算得到的各子车厢前轴的等效转角采用下式分别计算各子车厢前轴左轮和右轮的转角，并实时将左轮和右轮的转角发送给全挂式列车各子车厢中的转向执行机构，实现全挂式列车的路线跟踪控制：

其中，为第i子车厢前轴左轮的转角，为第i子车厢前轴右轮的转角，L_i为第i子车厢前轴与后轴之间的距离，D_i为第i子车厢前轴左轮和右轮的轮心之间的距离。

本发明提出的全挂式列车的路线跟踪控制方法，其优点是：

1、本发明方法可以控制全挂式列车自动跟踪路线行驶，降低了车辆操作难度，提高了车辆的可控制性。

2、使用本发明方法控制全挂式列车行驶，对子车厢数量无限制，因此可以有效地提高全挂式列车的单程客流/货流的运输量。

3、使用本发明方法控制全挂式列车行驶，对子车厢的外形尺寸无限制，可根据实际需求合理配置全挂式列车的子车厢，提高车辆的单程运输效率。

附图说明

图1是本发明方法的全挂式列车路线跟踪控制流程框图。

图2是本发明方法涉及的全挂式列车的子车厢的结构示意图。

图3是本发明方法中任意路线局部坐标系设置方法示例图。

图4是本发明的全挂式列车各子车厢的路线跟踪控制示意图。

图5是本发明的一个实施例中具有4个子车厢的全挂式列车结构示意图。

图6是图5所示的全挂式列车的路线跟踪效果图。

具体实施方式

本发明提出的全挂式列车的路线跟踪控制方法，其流程框图如1所示，可用于全挂式多铰接车辆的各子车厢前轴的车轮转角控制，包括以下步骤：

(1)设定一个待跟踪路线的全局坐标系，对待跟踪路线进行判断，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，则使全挂式列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为非单调递增，则将待跟踪路线划分为多个局部路线，并建立与各局部路线相对应的局部坐标系，使各局部的待跟踪路线在对应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，全挂式列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

(2)全挂式列车的各子车厢控制器分别实时获取待跟踪路线信息以及子车厢位置和方位角信息，根据下式，分别计算得到各子车厢前轴的等效转角

其中，n为全挂式列车的子车厢的数量，i为子车厢的编号，为第i子车厢前轴的等效转角，L_i为第i车厢前轴与后轴之间的距离，如图2所示，记o_i点为第i子车厢后轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i点为穿过o_i点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，y_i为第i节子车厢的o_i点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，θ_i是第i节子车厢的方位角，即第i节子车厢行驶方向沿顺时针方向到第i子车厢所在的当前局部坐标系的X轴的夹角，y_ip是P_i点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，θ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，ρ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线曲率为0，k_i为第i节子车厢的位置偏差增益系数，k_i的取值范围为0.001～20，β_i为第i子车厢的方位角偏差增益系数，β_i的取值范围为0.001～20；

(3)根据上述步骤(2)中计算得到的各子车厢前轴的等效转角采用下式分别计算各子车厢前轴左轮和右轮的转角，并实时将前轴左轮和右轮的转角发送给全挂式列车各子车厢中的转向执行机构，实现全挂式列车的路线跟踪控制：

其中，为第i子车厢前轴左轮的转角，若第i子车厢前轴左轮向左转向，若<0，第i子车厢前轴右轮向右转向；为第i子车厢右轮的转角，若第i子车厢前轴右轮向左转向，若第i子车厢前轴右轮向右转向；L_i为第i子车厢前轴与后轴之间的距离，D_i为第i子车厢前轴左轮和右轮的轮心之间的距离。

以下结合附图，详细介绍本发明控制方法的工作原理：

图2所示为本发明实施例的全挂式列车的子车厢结构，全挂式列车的子车厢通过铰接机构分别与前方和后方的子车厢连接，该全挂式列车可用于城市及工厂的客流、货流运输。如图2所示，全挂式列车的子车厢结构包括：全挂式列车的子车厢21、前轴左轮211、前轴右轮212、后轴左轮214、后轴右轮213、转向执行机构215、子车厢控制器216。在路线跟踪控制过程中，子车厢控制器216实施获取待跟踪路线信息和子车厢21位置及方位角信息，计算各子车厢前轴的等效转角，再计算出前轴左轮211和右轮212的转角，并将前轴左轮211和右轮212转角发送给转向执行机构215，转向执行机构215控制前轴左轮211和右轮212转向。

本发明的全挂式多铰接列车路线跟踪控制方法的工作流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)设定一个待跟踪路线的全局坐标系，对待跟踪路线进行判断，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，则使全挂式列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为非单调递增，则将待跟踪路线划分为多个局部路线，并建立与各局部路线相对应的局部坐标系，使局部的待跟踪路线在对应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，全挂式列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

如图3所示，在全局坐标系31中，有三条路线：路线32、路线33、路线34，其中路线32的起点为O₃₂₀，终点为O₃₂₁；路线33的起点为O₃₃₀，终点为O₃₃₁；路线34的起点为O₃₄₁，终点为O_34x。由图3可知，在全局坐标系31中：路线32在全局坐标系31中的X轴坐标值沿路线单调递增；路线33与目标路线34在全局坐标系中的X轴坐标非单调递增。

若待跟踪目标路线如图3中路线32所示，在全局坐标系中路线32的X轴坐标值单调递增，则使全挂式列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪目标路线如路线33所示，在全局坐标系中路线33的X轴坐标值非单调递增，但Y轴坐标值单调递增，则将全局坐标系31逆时针旋转90度，并将选择路线33的起点O330为局部坐标系原点建立路线33的局部坐标系330，使路线33在局部坐标系330中的X轴坐标值单调递增，若待跟踪目标路线如路线34所示，在全局坐标系中路线34的X轴坐标值和Y轴坐标值都非单调递增，则在路线34上选取合适的点O₃₄₁、O₃₄₂、O₃₄₃、O₃₄₄、O₃₄₅、O₃₄₆，此时路线34可以看作由局部路线O₃₄₁O₃₄₂、局部路线O₃₄₂O₃₄₃、局部路线O₃₄₃O₃₄₄、局部路线O₃₄₄O₃₄₅、局部路线O₃₄₅O₃₄₆、局部路线O₃₄₆O_34x依次连接组成，分别在各点O₃₄₁、O₃₄₂、O₃₄₃、O₃₄₄、O₃₄₅、O₃₄₆建立局部坐标系，即在O₃₄₁点建立局部坐标系341，在O₃₄₂点建立局部坐标系342，在O₃₄₃点建立局部坐标系343、在O₃₄₄点建立局部坐标系344、在O₃₄₅点建立局部坐标系345、在O₃₄₆点建立局部坐标系346，使局部路线的X轴坐标值在局部坐标系中单调递增，即局部路线O₃₄₁O₃₄₂的X轴坐标值在局部坐标系341中单调递增、局部路线O₃₄₂O₃₄₃的X轴坐标值在局部坐标系342中单调递增、局部路线O₃₄₃O₃₄₄的X轴坐标值在局部坐标系343中单调递增、局部路线O₃₄₄O₃₄₅的X轴坐标值在对应的局部坐标系344中单调递增、局部路线O₃₄₅O₃₄₆的X轴坐标值在局部坐标系345中单调递增、局部路线O₃₄₆O_34x的X轴坐标值在局部坐标系346中单调递增。全挂式列车的各子车厢的控制器，将控制各子车厢依次在局部坐标系341中跟踪局部目标路线O₃₄₁O₃₄₂，在局部坐标系342中跟踪局部目标路线O₃₄₂O₃₄₃，在局部坐标系343中跟踪局部目标路线O₃₄₃O₃₄₄，在局部坐标系344中跟踪局部目标路线O₃₄₄O₃₄₅，在局部坐标系345中跟踪局部目标路线O₃₄₅O₃₄₆、在局部坐标系346中跟踪局部路标路线O₃₄₆O_34x。

(2)全挂式列车的各子车厢的控制器，实时获取待跟踪目标路线信息及各子车厢位置和方位角信息，根据下式，计算得到全挂式列车的各子车厢前轴的等效转角，

其中，n为全挂式列车的子车厢的数量，为任意正整数，i为子车厢编号，取值为1到n的正整数，为第i子车厢控制器计算出的第i子车厢前轴的等效转角，L_i为第i车厢前轴和后轴之间的距离，记o_i点为第i车厢后轴左轮和右轮的轮心连线的中点，P_i点为穿过o_i点并平行当前坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，y_i为第i子车厢的o_i点在当前坐标系中的Y轴坐标值；θ_i是第i车厢的方位角，即第i子车厢行驶方向沿顺时针方向到当前坐标系X轴的夹角，y_ip是P_i点在当前坐标系中的Y轴坐标值，θ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的切线沿顺时针方向到当前坐标系X轴的夹角；ρ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的曲率，在当前坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则路线曲率为负值，若目标路线的曲线下凸，则路线曲率为正值，若目标路线的曲线为直线，则路线曲率为0，k_i为第i节车厢的位置偏差增益系数，k_i的取值范围为0.001～20，β_i为第i子车厢的方位角偏差增益系数，β_i的取值范围为0.001～20；

本步骤(2)中，全挂式列车的各子车厢控制器，实时获取当前待跟踪路线信息及各子车厢的位置和方位角信息，并采用上述公式计算各子车厢前轴的等效转角。本步骤(2)结合图4进行说明。

图4包括：全挂式列车的第i子车厢4i，前轴的左轮4i1、前轴的右轮4i2、后轴的右轮4i3、后轴的左轮4i4、转向执行机构4i5、子车厢4i的控制器4i6、当前局部坐标系4i8、当前待跟踪路线4i7。图4中：O_i点为第i子车厢4i的后轴的右轮4i3和左轮4i4的轮心连线的中点，P_i点为过O_i点且平行当前局部坐标系4i8的直线与当前待跟踪路线4i7的交点；x_i和y_i分别为O_i点在当前局部坐标系4i8中的X轴坐标值和Y轴坐标值；θ_i为全挂式列车的第i子车厢4i的方位角，即子车厢4i行驶方向沿顺时针方向到当前局部坐标系4i8的夹角；y_ip为P_i点在当前局部坐标系4i8中的Y轴坐标值；θ_ip为P_i点处当前待跟踪路线4i7的切线沿顺时针方向到当前局部坐标系X轴的夹角；ρ_ip为P_i点处当前待跟踪路线4i7的曲率；L_i为第i子车厢4i前轴和后轴之间的距离；D_i第i子车厢4i前轴左轮4i1和右轮4i2的轮心之间的距离。

全挂式列车的第i子车厢4i在当前局部坐标系4i8中跟踪当前待跟踪路线4i7时，实时获取在当前局部坐标系4i8中的子车厢4i的X轴坐标值x_i和Y轴坐标值y_i、方位角θ_i、P_i点的Y轴坐标值y_ip，P_i点处当前待跟踪路线4i7的切线沿顺时针方向到当前局部坐标系X轴的夹角θ_ip、P_i点处当前待跟踪路线4i7的曲率ρ_ip，根据上述公式计算全挂式列车的第i子车厢4i前轴的等效转角。

(3)全挂式列车各子车厢控制器，根据步骤(2)中的公式计算出的各子车厢前轴的等效转角，采用下式计算各子车厢的前轴左轮和右轮转角，并实时将左轮和右轮的转角发送给各子车厢的转向执行机构。全挂式列车的各子车厢的转向执行结构控制前轴左轮和右轮转向。若列车到达路径终点，进入步骤(4)。

其中，为全挂式列车的第i车厢的控制器计算出的第i车厢的前轴左轮的转角，若左轮左转，若左轮右转，若左轮不转向；为第i车厢的控制器，计算出的第i车厢的前轴右轮转角，若右轮左转，若右轮右转，若右轮不转；D_i为第i车厢的前轴左轮和右轮的轮心之间的距离。

本步骤(3)中，全挂式列车的各子车厢控制器，实时根据步骤(2)中公式(1)计算出的各子车厢前轴的等效转角，并采用步骤(3)所述公式(2)计算各子车厢的前轴左轮和轮转角。结合图4对本步骤(3)进行说明。全挂式列车的第i子车厢4i在当前局部坐标系4i8中，根据步骤(1)所述的公式(1)计算出的前轴的等效转角，并采用步骤(3)中所述的公式(2)计算前轴左轮4i1和右轮4i2的转角，并将转角信息发送给子车厢4i的转向执行器4i5，转向执行器4i5接到转向信息后控制前轴左轮4i1和右轮4i2转向。

本发明的一个实施例中以具有4节车厢的全挂式列车为例，来说明全挂式列车的路线跟踪控制方法的控制效果，但本发明提出的控制方法不限于具有4节车辆的全挂式列车，还可应用于具有2节、3节及4节以上车辆的全挂式列车。具有4节车厢的全挂式列车结构如图5所示。

图5中，全挂式列车50的第1子车厢51、第2子车厢52、第3子车厢53、第4子车厢54，各子车厢之间通过铰接机构连接；第1子车厢51包括前轴左轮511、前轴右轮512、后轴右轮513、后轴左轮514、转向执行机构515、控制器516；第2子车厢52包括前轴左轮521、前轴右轮522、后轴右轮523、后轴左轮524、转向执行机构525、控制器526；第3子车厢53包括前轴左轮531、前轴右轮532、后轴右轮533、后轴左轮534、转向执行机构535、控制器536；第4子车厢54包括前轴左轮541、前轴右轮542、后轴右轮543、后轴左轮544、转向执行机构545、控制器546；O₁点为第1子车厢51后轴左轮514和右轮513的轮心连线的中点；O₂点为第2子车厢52后轴左轮524和右轮523的轮心连线的中点；O₃点为第3子车厢53后轴左轮534和右轮533的轮心连线的中点；O₄点为第4子车厢54后轴左轮544和右轮543的轮心连线的中点。

图6为图5所示具有4个子车厢的全挂式列车的路径跟踪控制效果。图6中：曲线60为全挂式列车在当前局部坐标系65中的当前待跟踪路径；a1点为图5所示全挂式列车的第1子车厢O₁点的起始位置，a2点为图5所示全挂式列车的第2子车厢O₂点的起始位置，a3点为图5所示全挂式列车的第3子车厢O₃点的起始位置，a4点为图5所示全挂式列车的第4子车厢O₄点的起始位置；曲线61为图5所示全挂式列车的第1子车厢O₁点的运动轨迹，曲线62为图5所示全挂式列车的第2子车厢O₂点的运动轨迹，曲线63为图5所示全挂式列车的第3子车厢O₃点的运动轨迹，曲线64为图5所示全挂式列车的第4子车厢O₄点的运动轨迹；b1点为图5所示全挂式列车的第1子车厢O₁点的终止位置，b2点为图5所示全挂式列车的第2子车厢O₂点的终止位置，b3点为图5所示全挂式列车的第3子车厢O₃点的终止位置，b4点为图5所示全挂式列车的第4子车厢O₄点的终止位置。

Claims (1)

1.一种全挂式列车的路线跟踪控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设定一个待跟踪路线的全局坐标系，对待跟踪路线进行判断，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为单调递增，则使全挂式列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)，若待跟踪路线在全局坐标系中的X轴坐标值为非单调递增，则将待跟踪路线划分为多个局部路线，并建立与各局部路线相对应的局部坐标系，使各局部的待跟踪路线在对应的局部坐标系中的X轴坐标值为单调递增，全挂式列车的各子车厢控制器切换到路线跟踪控制状态，进行步骤(2)；

(2)全挂式列车的各子车厢控制器分别实时获取待跟踪路线信息以及子车厢位置和方位角信息，根据下式，分别计算得到各子车厢前轴的等效转角

其中，n为全挂式列车的子车厢的数量，i为子车厢的编号，为第i子车厢前轴的等效转角，L_i为第i车厢前轴与后轴之间的距离，记o_i点为第i子车厢后轴左轮和右轮的轮心连线的中点，记P_i点为穿过o_i点并平行当前局部坐标系Y轴的直线与当前待跟踪路线的交点，y_i为第i子车厢的o_i点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，θ_i是第i节子车厢的方位角，即第i节子车厢行驶方向沿顺时针方向到第i子车厢所在的当前局部坐标系的X轴的夹角，y_ip是P_i点在当前局部坐标系的Y轴坐标值，θ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的切线沿顺时针方向与当前局部坐标系X轴的夹角，ρ_ip是当前待跟踪路线在P_i点处的曲率，设定在当前局部坐标系中，若当前待跟踪路线的曲线上凸，则当前待跟踪路线曲率为负值，若当前待跟踪路线的曲线下凸，则当前待跟踪路线曲率为正值，若当前待跟踪路线为直线，则当前待跟踪路线曲率为0，k_i为第i节子车厢的位置偏差增益系数，k_i的取值范围为0.001～20，β_i为第i子车厢的方位角偏差增益系数，β_i的取值范围为0.001～20；

(3)根据上述步骤(2)计算得到的各子车厢前轴的等效转角分别计算各子车厢前轴左轮和右轮的转角，并实时将左轮和右轮的转角发送给全挂式列车各子车厢中的转向执行机构，实现全挂式列车的路线跟踪控制：

其中，为第i子车厢前轴左轮的转角，为第i子车厢前轴右轮的转角，L_i为第i子车厢前轴与后轴之间的距离，D_i为第i子车厢前轴左轮和右轮的轮心之间的距离。