CN107933470A - 一种双挂汽车列车防折叠实时监测及主动干预系统 - Google Patents

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张义花
赵东
房纪涛
安延涛
杨玉娥
郗传凯
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D53/00—Tractor-trailer combinations; Road trains

Abstract

本发明公布了一种双挂汽车列车防折叠的实时监测及主动干预系统，包括牵引车、一挂车、拖台和二挂车的实时监测模块、数据处理及预测模块、各铰接点处的吸能模块、主动制动模块。通过对双挂汽车列车车速、前轮转角、四个车辆单元横摆角的实时监测，利用数据处理及预测模块确定三个铰接角大小，并与各铰接角阈值进行实时对比，同时根据模型预测控制得到下一时刻的各铰接角大小；根据比较结果确定车辆达到的危险级别，进而利用铰接角处的吸能模块及主动制动模块对整车进行有效的主动干预控制。该系统具有成本低、易于布置、监测精度高等优点，能够满足双挂汽车列车紧急转向及制动过程中防折叠的要求。

Description

一种双挂汽车列车防折叠实时监测及主动干预系统
技术领域
本发明涉及了一种利用模型预测控制、吸能模块及主动制动模块实现双挂汽车列车在行驶中防折叠失稳的实时监测及主动干预系统，尤其涉及一种基于陀螺仪传感器、方向盘转角传感器、车速传感器、以及模型预测控制方法对双挂汽车列车进行实时监测、预测、主动干预的系统。
背景技术
双挂汽车列车由牵引车、一挂车、拖台和二挂车组成，具有运载量大、运输效率高、成本低等优势，在欧洲、美洲、澳大利亚等国家和地区得到广泛应用。随着我国物流业的飞速发展及长距离运输的需要，双挂汽车列车以其拖带挂车多、运输成本低、燃油消耗少等优势，将得到大量应用。
双挂汽车列车具有铰接点多、质心高等结构特点，在紧急制动或转弯时易发生折叠失稳，导致道路堵塞同时给道路行驶的其它车辆造成安全隐患。单纯通过改变铰接点处的设计方法及连接形式很难达到提高稳定性的效果。因此，通过各个车辆单元中陀螺仪传感器的实时监测，利用模型预测控制方法提前求解并预知下一时刻的铰接角，对预防双挂汽车列车的折叠失稳具有重要意义。此外，根据求解得到的铰接角对危险级别进行预判，进而利用吸能模块或主动制动模块进行主动干预，对提高双挂汽车列车的行车安全性具有重要实际意义。
发明内容
本发明是为了弥补传统双挂汽车列车出现折叠失稳时监测不及时的不足，同时针对现在方法中监测设备成本高、准确率低的问题，提供一种成本低、监测效率高、实时性好的双挂汽车列车防折叠主动干预系统。
本发明采用的技术方案如下：一种双挂汽车列车防折叠实时监测及主动干预系统，其特征在于：包括牵引车、一挂车、拖台和二挂车的实时监测模块，数据处理及预测模块，主动干预模块；其中，四个车辆单元实时监测模块的输出端与中央处理单元的输入端电连接，中央处理单元的输出端与主动干预模块的输入端电连接，根据危险级别确定吸能模块与主动制动模块的主动干预顺序。
进一步地，上述实时监测模块包括牵引车中方向盘转角传感器、车速传感器、陀螺仪传感器所测得的方向盘转角、车速、横摆角，利用一挂车、拖台和二挂车中的陀螺仪传感器分别测得三个车辆单元的横摆角。
进一步地，上述数据处理模块包括三个铰接角的求解、车速及方向盘转角的数值变化采集。其中，牵引车、一挂车、拖台和二挂车的横摆角分别为φ 1，φ 2，φ 3，φ 4，求解三个铰接角的方法：
牵引车与一挂车之间的铰接角1：ψ 1=φ 1-φ 2
一挂车与拖台之间的铰接角2：ψ 2=φ 2-φ 3
拖台与二挂车之间的铰接角3：ψ 3=φ 3-φ 4
根据求解得到的铰接角与出厂时的铰接角阈值进行比较，确定是否应用主动干预模块，如果是，则实施主动干预模块；如果否，则实施预测模块。
进一步地，上述的预测模块以当前时刻的三个铰接角为输入，利用模型预测控制方法，以双挂汽车列车的经典动力学模型作为预测模型，求解下一时刻各个铰接角的大小，并与铰接角阈值比较，如果超出阈值，则实施主动干预。
进一步地，上述的主动干预模块包括危险级别确定、吸能模块及主动制动模块。其中危险级别分为临界危险和危险，当铰接角在阈值的百分之九十与阈值之间时，处于临界危险，启动安装于铰接点处两侧的吸能装置工作；当铰接角大于等于阈值时，处于危险状态，启动主动制动模块。
本发明的有益效果：通过双挂汽车列车铰接角的实时监测，危险级别确定，并进行吸能模块控制以及主动制动模块的干预，同时可利用预测模型确定下一时刻各个铰接角的大小，提前对双挂汽车列车紧急转向及制动过程中可能出现的折叠危险进行主动干预。
附图说明
图1双挂汽车列车防折叠系统组成及原理图；
图2数值处理及预测过程；
图3牵引车中各传感器的安装位置；
图4 一挂车中传感器及吸能装置的安装位置；
图5 拖台中传感器及吸能装置的安装位置；
图6 二挂车中传感器及吸能装置的安装位置；
图中所示：
1、实时监测模块；11、牵引车；11.1、陀螺仪传感器；11.2、方向盘转角传感器；11.3、车速传感器；12、一挂车；13、拖台；14、二挂车；2、数值处理及预测模块；21、中央处理单元；22、铰接角阈值；23、模型预测控制；3、主动干预模块；31、危险级别确定；32、吸能模块；33、主动制动模块；A、吸能装置。
具体实施方式
下面将参照说明书附图，对本发明的实施方式作更详细的说明。
如图1所示，本发明包括实时监测模块（1）、数值处理及预测模块（2）、主动干预模块（3）。其中实时监测模块包括牵引车（11）中的陀螺仪传感器（11.1）、方向盘转角传感器（11.2）、车速传感器（11.3）的实时监测、一挂车（12）、拖台（13）和二挂车（14）中各个陀螺仪传感器（11.1）的实时监测；数值处理及预测模块（2）包括中央处理单元（21）、铰接角阈值（22）的使用，以进行模型预测控制（23）；主动干预模块（3）包括危险级别确定（31）、吸能模块（32）、主动制动模块（33）。通过对双挂汽车列车中三个铰接角的实时监测，及与其对应铰接角阈值的比较结果，结合方向盘转角及车速，确定车辆是否出现危险，并根据铰接角范围判断危险级别，从而确定吸能模块（32）及主动制动模块（33）的使用顺序；以当前时刻三个铰接角大小作为输入，利用模型预测控制方法预测下一个时刻铰接角的大小并与阈值比较，确定危险级别（31），从而确定是否应用主动干预模块（33）。实时监测模块（1）中各个传感器的输出端与数据处理及预测模块（2）的输入端电连接，数据处理及预测模块（2）的输出端与主动干预模块（3）的输入端电连接。
所述的双挂汽车列车数据处理及预测模块（2）需要根据铰接角阈值（22）、预测的下一时刻铰接角大小确定主动干预模块（33）的实施。如图2所示，利用陀螺仪传感器（11.1）实时监测得到的横摆角，间接计算得到实时的铰接角。牵引车（11）、一挂车（12）、拖台（13）和二挂车（14）的横摆角分别为φ 1，φ 2，φ 3，φ 4，求解三个铰接角的方法：
牵引车与一挂车之间的铰接角1：ψ 1=φ 1-φ 2
一挂车与拖台之间的铰接角2：ψ 2=φ 2-φ 3
拖台与二挂车之间的铰接角3：ψ 3=φ 3-φ 4
通过与出厂时设定的铰接角阈值比较，确定是否使用主动干预模块；以实时监测得到的三个铰接角作为输入，根据模型预测控制（23）方法，利用双挂汽车列车的经典动力学模型作为预测模型，求解下一时刻的铰接角并与阈值比较，确定是否使用主动干预模块（3）。
所述的双挂汽车列车的危险级别包括临界危险和危险，主动干预模块（3）中包括吸能模块（32）和主动制动模块（33）。其中，临界危险为：铰接角阈值*90%≤铰接角值<铰接角阈值，此时吸能模块（32）工作；危险级别为：铰接角阈值≤铰接角值，此时主动制动模块（33）工作。
图3为牵引车中方向盘转角传感器（11.2）、车速传感器（11.3）、陀螺仪传感器（11.1）的安装位置；图4，图5，图6分别为一挂车（12）、拖台（13）和二挂车（14）中陀螺仪传感器（11.1）及吸能装置（A）的安装位置。利用这些传感器实时监测的信息，结合吸能装置（A）及主动制动模块（33），可实现双挂汽车列车防折叠失稳的主动干预控制。

Claims (5)

1.一种双挂汽车列车防折叠实时监测及主动干预系统，其特征在于：包括牵引车（11）、一挂车（12）、拖台（13）和二挂车（14）的实时监测模块（1），数据处理及预测模块（2），主动干预模块（3）；其中，四个车辆单元实时监测模块（1）的输出端与中央处理单元（21）的输入端电连接，中央处理单元（21）的输出端与主动干预模块（3）的输入端电连接，根据危险级别确定（31）吸能模块（32）与主动制动模块（33）的主动干预顺序。
2.根据权利要求1所述的一种双挂汽车列车防折叠实时监测及主动干预系统，其特征在于：上述实时监测模块（1）包括牵引车中方向盘转角传感器（11.2）、车速传感器（11.3）、陀螺仪传感器（11.1）所测得的方向盘转角、车速、横摆角，根据安装于一挂车（12）、拖台（13）和二挂车（14）上的陀螺仪传感器（11.1）分别测得三个车辆单元的横摆角。
3.根据权利要求1所述的一种双挂汽车列车防折叠实时监测及主动干预系统，其特征在于：上述数据处理模块（2）包括中央处理单元（21）处三个铰接角的求解、车速及方向盘转角的数值采集；其中，牵引车（11）、一挂车（12）、拖台（13）和二挂车（14）的横摆角分别为φ 1，φ 2，φ 3，φ 4，求解三个铰接角的方法：
牵引车与一挂车之间的铰接角1：ψ 1=φ 1-φ 2
一挂车与拖台之间的铰接角2：ψ 2=φ 2-φ 3
拖台与二挂车之间的铰接角3：ψ 3=φ 3-φ 4
将三个铰接角与出厂时各个铰接角阈值（22）比较，确定是否进行主动干预控制。
4.根据权利要求1所述的一种双挂汽车列车防折叠实时监测及主动干预系统，其特征在于：
上述的预测模块以当前时刻的三个铰接角为输入，利用模型预测控制（23）方法预测下一时刻车辆铰接角的大小，并与出厂时各个铰接角阈值比较，确定是否进行主动干预控制。
5.根据权利要求1所述的一种双挂汽车列车防折叠实时监测及主动干预系统，其特征在于：上述的主动干预模块（3）包括危险级别确定（31）、吸能模块（32）及主动制动模块（33）；其中危险级别分为临界危险和危险，在临界危险时，启动安装于各铰接点处两侧的吸能装置（A）工作；在危险时，启动主动制动模块（33）进行主动干预控制。
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