CN109823364A - 提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统，在曲线段或直线段运行时都能够主动对车体的倾摆幅度进行修正，同时，能够在修正倾摆后再次通过未被平衡的离心加速度对车体倾摆程度进行复检，实现了车体横向偏角的有效补偿后的未被平衡离心加速度的实时抵消，有效改善乘坐体验，直接的提高乘客的舒适度，避免过度降低小半径曲线下的列车通过速度，提高对线路和天气状况等因素的适应性，并且能够针对不同车厢给出不同的倾摆指令，然后各节车厢各自完成对应的倾摆动作，保证不同位置处的车厢均能抵消未被平衡离心加速度的影响。

Description

提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统及实现方法

技术领域

本发明涉及悬挂式单轨列车技术领域，特别涉及一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统及实现方法。

背景技术

悬挂式单轨作为一种近年来国内新型的轨道交通制式，由于其车体悬挂于轨道梁下方行驶，能够有效提高城市空间利用率，且不受地形条件的限制，可弥补城市立体交通存在的不足，与城市高架桥等规划相得益彰。

当悬挂式单轨列车通过曲线段时，由于轨道不设超高，其独特的结构决定了车辆完全依靠车体的倾摆去平衡离心加速度。但受限于车体与转向架之间的弹簧和减振阻尼的作用，车体不会根据离心力大小而完全进行自由偏转，当实际偏角无法满足完全完全平衡离心力所需偏角时，产生的未被平衡离心加速度就会被乘客所承受，并且由于悬挂式单轨车辆是悬吊在空中运行，相比传统轮轨其作用在人身上的未被平衡离心加速度效果会更大，因此，受限于相关铁路设计规范中的舒适度指标，一般通过降低小半径曲线段的列车通过速度来满足，故如何避免过度降低列车通过曲线的速度，同时又能够有效减小未被平衡离心加速度来提高乘坐舒适度指标，是悬挂式单轨列车的研究重点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中主要通过降低列车曲线通过速度来保证乘客的乘坐舒适度的上述不足，提供一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统及实现方法。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统，包含控制装置、定位部件、陀螺仪、倾角测量仪、转速传感器、横向加速度传感器、作动器和倾摆机构；控制装置同时与定位部件、陀螺仪、倾角测量仪、转速传感器、横向加速度传感器相连；

所述定位部件用于获取受控车厢实时的位置信息；所述陀螺仪用于获取受控车厢实时的方位信息；所述转速传感器设置于受控车厢的齿轮箱上，用于获取受控车厢走行轮实时的转速信息，所述偏角测量仪用于获取受控车厢实时的侧滚角信息，所述横向加速度传感器用于获取受控车厢实时的横向加速度信息；

所述控制装置预存有运行线路参数，而且，所述控制装置用于根据受控车厢实时的位置信息结合方位信息，确定受控车厢所处的实时位置，以及受控车厢所处位置对应的车厢运行线路参数；用于根据受控车厢所处位置对应的车厢运行线路参数，并结合转速和侧滚角，计算出受控车厢在曲线段的目标偏角，或结合侧滚角，确定受控车厢在直线段的目标偏角，进而控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆目标偏角，并判断倾摆后实时的离心加速度信息是否满足预设值，若不满足，则根据倾摆后实时的离心加速度与预设值的差值计算出目标偏角，并继续控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆，直到倾摆后实时的离心加速度满足预设值为止。

采用本发明所述的一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统，在控制装置中存有运行线路参数，在悬挂式单轨列车运行过程中，控制装置根据定位部件对每个受控车厢的实时位置进行监测和定位，陀螺仪测定的受控车厢实时的方位信息，以便确定每个受控车厢对应的实时的线路曲率、线路曲线段的起、终点信息，能够用于修正定位部件获取的定位信息，提高检测精度，以便提升后续倾摆指令的准确性，确定受控车厢所处位置为直线段或曲线段对应的车厢运行线路参数后，若位于曲线段，则利用转速传感器和倾角测量仪分别获取每个车厢各个时刻的走行轮转速和每个车厢各个时刻的车体侧滚角，将其反馈给所述控制装置，所述控制装置根据预设的算法公式，计算出对应受控车厢在曲线段的目标偏角，若位于直线段，则结合侧滚角，确定受控车厢在直线段的目标偏角，然后所述控制装置判断受控车厢的作动器是否需要动作以及作动器需要施加多大的力给倾摆机构或作动器沿轴向需要移动多少距离，然后生成倾摆指令，控制所述受控车厢的作动器带动对应倾摆机构完成倾摆指令，即让受控车厢倾摆到目标偏角，由于横向加速度传感器能够用于测量实时的离心加速度，在受控车厢倾摆后获得的离心加速度为未被平衡的离心加速度，将其反馈给所述控制装置，判断此时的离心加速度数值在预设的误差控制范围内，若满足要求，结束整个倾摆动作，若不满足，则根据倾摆后实时的离心加速度与预设值的差值计算出目标偏角，所述控制装置再次发出倾摆指令，直至未被平衡的离心加速度数值满足预设条件，采用本系统不仅能够主动对在曲线段运行时的车体倾摆幅度进行修正，当车体在直线区段运行时，若受到横风影响，车体会顺着横风方向偏转一个角度，在该控制系统的作用下，也能主动将车体拉回中心位置，实现了车体横向偏角的有效补偿，并且能够对未被平衡离心加速度的实时抵消，有效改善乘坐体验，直接的提高乘客的舒适度，使车辆运行过程中实时显著的超越舒适度指标要求，因此能够有效提高小半径曲线下的列车通过速度，使列车在各种情况下，都可以保持较为均匀的速度运行，从而提高列车运行稳定性和运行效率，提高对线路和天气状况等因素的适应性，并且由于悬挂式单轨各节车辆在线路中所处位置及运行速度存在一定差异，各节车辆的实际侧滚角会有所不同，根据本系统能够针对不同车厢给出不同的倾摆指令，然后各节车厢各自完成对应的倾摆动作，保证不同位置处的车厢均能抵消未被平衡离心加速度的影响，达到提高不同车厢旅客的乘坐舒适性的目的。

优选的，所述运行线路参数包含曲线半径、线路里程、缓和曲线长度、曲率变化、道岔位置。

优选的，所述转速传感器设置于受控车厢的其中一个转向架的齿轮箱外壁上。

进一步优选的，所述转速传感器正对走行轮的内侧。

每个车厢前后均有转向架，所述转速传感器设置于受控车厢的其中一个转向架的齿轮箱外壁上即可，如设于每个车厢的前方的转向架的齿轮箱外壁上，所述转速传感器正对走行轮的内侧，便于收集脉冲信号，提高准确度。

优选的，所述倾角测量仪设于受控车厢底板的纵向中心线上，所述横向加速度传感器设于受控车厢纵向中心线一侧的底板上。

优选的，所述控制装置为车载计算机，所述定位部件为车载GPS或线路设标定位装置。

一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的实现方法，包含以下步骤：

a、在列车运行过程中，根据受控车厢实时的位置信息、方位信息，与预存的运行线路参数进行对比，确定受控车厢的实时定位，其中，运行线路参数包括曲线半径、线路里程坐标、缓和曲线长度、曲率变化、道岔位置；

b、当受控车厢位于直线区段，则根据实时的车体侧滚角φ₀控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆φ₀；当受控车厢位于曲线段，结合受控车厢走行轮实时的转速n和实时的车体侧滚角φ₀，根据公式

计算出平衡受控车厢实时离心加速度所需的偏角φ₁，式中，R为曲线半径，g为重力加速度，V＝2πrn，式中，r为所述走行轮的半径，根据φ₁-φ₀得到受控车厢的补偿偏角φ₂，然后控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆偏角φ₂；

c、受控车厢倾摆后，结合所述横向加速度传感器获取实时的离心加速度α₁，若|α₁|≤α₀，其中α₀为预设值，控制作动器带动倾摆机构停止倾摆。

采用本发明所述的方法，能够针对直线段和曲线段分别进行角度修正，并且在修正倾摆后再次通过未被平衡的离心加速度对车体倾摆程度进行复检，实现了对不同位置处的车厢横向偏角的有效补偿后的未被平衡离心加速度的实时抵消，通过未被平衡的离心加速度对车体倾摆程度进行再次复检，提高倾摆机构动作的可靠性和准确性，无论在直线段或曲线段都能够实时有效的改善乘坐体验，保证乘客的舒适度，保障并提高现有小半径曲线下的列车通过速度，提高对线路和天气状况等因素的适应性。

优选的，在步骤b，根据作动器施加给倾摆机构的作动力F与倾摆角度之间的对应关系来控制作动器的作动力F。

由于在不同速度或不同曲线工况下，车体横向偏角有所差异，所需作动器施加给倾摆机构的作动力也会发生变化，因此，需要建立作动力与偏角之间的关系，以达到两者之间的一一对应关系，因此在所述控制装置中预先存储相应的关系曲线，即作动器施加给倾摆机构的力与倾摆机构施加给车厢的偏角之间的对应关系，或倾摆机构动作前后作动器的轴向位移与倾摆机构施加给车厢的偏角之间的对应关系。

优选的，在步骤c中，则根据α₁与α₀之间的差值α₂，结合公式α₂＝g tanφ₃，计算出受控车厢的修正偏角φ₃，然后使受控车厢1倾摆对应的修正偏角φ₃，然后再次检验对应受控车厢1的实时离心加速度，直至离心加速度满足预设值要求。

即根据完成倾摆动作后实时的离心加速度进一步对车厢的倾摆情况进行修正，从而实现对车厢横向倾摆动作的实时修正，进一步保证了倾摆动作的可靠性和准确性，极大的提升了乘坐舒适度。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用本发明所述的一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统，能够实现实时监控，基于监控信息可确定目标偏角，实现在曲线段或直线段运行时都能够主动对车体的倾摆幅度进行修正，同时，通过未被平衡的离心加速度对车体倾摆程度进行再次复检，实现了车体横向偏角的有效补偿和对未被平衡离心加速度的实时抵消，有效改善乘坐体验，直接的提高乘客的舒适度，有效提高小半径曲线下的列车通过速度，提高对线路和天气状况等因素的适应性，并且能够针对不同车厢给出不同的倾摆指令，然后各节车厢各自完成对应的倾摆动作，保证不同位置处的车厢均能抵消未被平衡离心加速度的影响。

2、采用本发明所述的一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的实现方法，能够在修正倾摆后再次通过未被平衡的离心加速度对车体倾摆程度进行复检，实现了对不同位置处的车厢横向偏角的有效补偿后的未被平衡离心加速度的实时抵消，通过未被平衡的离心加速度对车体倾摆程度进行再次复检，提高倾摆机构动作的可靠性和准确性，无论在直线段或曲线段都能够实时有效的改善乘坐体验，保证乘客的舒适度，保障小半径曲线下的列车通过速度，提高对线路和天气状况等因素的适应性。

附图说明：

图1为本发明所述的一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统的结构示意图；

图2为图1的结构侧视图；

图3为本发明所述的一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的实现方法的流程图。

图中标记：1-车厢，2-走行轮，3-控制装置，4-定位部件，5-陀螺仪，6-倾角测量仪，7-转速传感器，8-齿轮箱，9-横向加速度传感器，10-作动器，11-倾摆机构，12-轨道梁。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1-2所示，本发明所述的一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统，包含控制装置3、定位部件4、陀螺仪5、倾角测量仪6、转速传感器7、横向加速度传感器9、作动器10和倾摆机构11；所述控制装置3同时与定位部件4、陀螺仪5、倾角测量仪6、转速传感器7、横向加速度传感器9相连；

每个受控车厢1均设有控制装置3、定位部件4、陀螺仪5、倾角测量仪6、转速传感器7、横向加速度传感器9、作动器10和倾摆机构11，所述控制装置3预存有运行线路参数，所述运行线路参数包含曲线半径、线路里程、缓和曲线长度、曲率变化、道岔位置，所述定位部件4和陀螺仪5设于车厢1内，所述陀螺仪5设于受控车厢1的纵向中心线上，如设于受控车厢1底板的纵向中心线上，所述定位部件4为车载GPS或线路设标定位装置，所述定位部件4用于获取受控车厢1实时的位置信息，所述陀螺仪5用于获取受控车厢1实时的方位信息；所述转速传感器7设置于受控车厢1的其中一个转向架的齿轮箱8外壁上，所述转向架连接于轨道梁12，在走行轮2内侧边缘处粘贴反光条，布置在齿轮箱8处的转速传感器7正对反光条，所述转速传感器7用于获取受控车厢1走行轮2实时的转速信息，所述倾角测量仪6设于受控车厢1底板的纵向中心线上，所述偏角测量仪6用于获取受控车厢1实时的侧滚角信息，所述控制装置3用于根据受控车厢1实时的位置信息结合方位信息，确定受控车厢所处的实时位置，以及受控车厢所处位置对应的车厢运行线路参数；用于根据受控车厢1所处位置对应的车厢运行线路参数，并结合转速和侧滚角，计算出受控车厢1在曲线段的目标偏角，或结合侧滚角，确定受控车厢1在直线段的目标偏角，进而控制作动器10带动倾摆机构11使受控车厢1倾摆目标偏角，并判断倾摆后实时的离心加速度信息是否满足预设值。

所述横向加速度传感器9设于受控车厢1纵向中心线一侧的底板上，如设于图1中的左侧地面，距离纵向中心线1m的位置，所述横向加速度传感器9用于获取受控车厢1实时的横向加速度信息，当受控车厢1实施倾摆动作后，所述横向加速度传感器9测量的横向加速度为未被平衡的离心加速度，将其反馈给控制装置3，控制装置3检查未被平衡离心加速度数值是否在误差控制范围内，若满足条件，结束整个倾摆动作，若不满足，则根据倾摆后实时的离心加速度与预设值的差值计算出目标偏角，并继续控制作动器10带动倾摆机构11使受控车厢1倾摆，直到倾摆后实时的离心加速度满足预设值为止。

所述控制装置3为车载计算机，所有所述受控车厢1可共用一个车载计算机。

实施例2

本发明所述的一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的实现方法，如图3所示，包含如下步骤：

a、在列车运行过程中，根据受控车厢实时的位置信息、方位信息，与预存的运行线路参数进行对比，确定受控车厢的实时定位，其中，运行线路参数包括曲线半径、线路里程坐标、缓和曲线长度、曲率变化、道岔位置；

b、当受控车厢位于直线区段，则根据实时的车体侧滚角φ₀控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆φ₀；当受控车厢位于曲线段，结合受控车厢走行轮实时的转速n和实时的车体侧滚角φ₀，根据公式

计算出平衡受控车厢实时离心加速度所需的偏角φ₁，式中，R为曲线半径，g为重力加速度，V＝2πrn，式中，r为所述走行轮的半径，根据φ₁-φ₀得到受控车厢的补偿偏角φ₂，然后控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆偏角φ₂；

c、受控车厢倾摆后，结合所述横向加速度传感器获取实时的离心加速度α₁，若|α₁|≤α₀，其中α₀为预设值，控制作动器带动倾摆机构停止倾摆。

将运行线路参数、作动器10施加给倾摆机构11的作动力与倾摆角度之间的对应关系和α₀的值预先存入所述控制装置3，转向架中的摇摆止挡装置会使车厢1的偏角保持φ₀≤φ_max，避免角度一直增大，运行线路参数包括曲线半径、线路里程坐标、缓和曲线长度、曲率变化、道岔位置；作动器10施加给倾摆机构11的作动力与倾摆角度之间的对应关系包含作动器施加给倾摆机构的力与倾摆机构施加给车厢的偏角之间的对应关系，或倾摆机构动作前后作动器的轴向位移与倾摆机构施加给车厢的偏角之间的对应关系；

在列车运行过程中，所述控制装置3通过所述定位部件4和陀螺仪5接收受控车厢1实时的位置信息和方位信息，以便确定每个受控车厢1对应的实时的线路曲率、线路曲线段的起、终点信息，能够用于修正定位部件4获取的定位信息，实现对各个车厢1位置的精确定位，可减少长时间的累积误差问题，从而有效提高检测精度，以便后续控制动作的精准；

所述控制装置3通过所述转速传感器7和倾角测量仪6分别获取受控车厢1的走行轮2实时的转速n和实时的车体侧滚角φ₀，结合对应受控车厢1位置的精确定位，当受控车厢1位于直线区段，则根据实时的车体侧滚角φ₀控制作动器10带动倾摆机构11使对应受控车厢1倾摆；当受控车厢1位于曲线段时，所述控制装置3根据公式

计算出平衡受控车厢实时离心加速度所需的偏角φ₁，式中，R为曲线段半径，g为重力加速度，V＝2πrn，式中，r为所述走行轮2的半径，所述控制装置3根据φ₁-φ₀得到受控车厢1的补偿偏角φ₂，所述控制装置3控制作动器10带动倾摆机构11使受控车厢1倾摆偏角φ₂；

当受控车厢倾摆φ₂后，结合所述控制装置3通过所述横向加速度传感器9获取实时的离心加速度α₁，此时的α₁即为未被平衡的离心加速度，由于测量存在误差，α₁无法为0，假设预设值α₀为0.01-0.05m/s²，若|α₁|≤α₀，所述控制装置3控制作动器10带动倾摆机构11停止倾摆；

若|α₁|＞α₀，根据α₁与α₀之间的差值α₂，结合公式α₂＝g tanφ₃，计算出受控车厢1的修正偏角φ₃，然后所述控制装置3控制作动器10带动倾摆机构11使受控车厢1倾摆修正偏角φ₃，然后再次检验对应受控车厢1的实时离心加速度，直至离心加速度满足要求。

本方法能够应用如实施例1所述一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的控制系统，其特征在于，包含控制装置、定位部件、陀螺仪、倾角测量仪、转速传感器、横向加速度传感器、作动器和倾摆机构；控制装置同时与定位部件、陀螺仪、倾角测量仪、转速传感器、横向加速度传感器相连；

所述定位部件用于获取受控车厢实时的位置信息；所述陀螺仪用于获取受控车厢实时的方位信息；所述转速传感器设置于受控车厢的齿轮箱上，用于获取受控车厢走行轮实时的转速信息，所述偏角测量仪用于获取受控车厢实时的侧滚角信息，所述横向加速度传感器用于获取受控车厢实时的离心加速度信息；

所述控制装置预存有运行线路参数，而且，所述控制装置用于根据受控车厢实时的位置信息结合方位信息，确定受控车厢所处的实时位置，以及受控车厢所处位置对应的车厢运行线路参数；用于根据受控车厢所处位置对应的车厢运行线路参数，并结合转速和侧滚角，计算出受控车厢在曲线段的目标偏角，或结合侧滚角，确定受控车厢在直线段的目标偏角，进而控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆目标偏角，并判断倾摆后实时的离心加速度信息是否满足预设值，若不满足，则根据倾摆后实时的离心加速度与预设值的差值计算出目标偏角，并继续控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆，直到倾摆后实时的离心加速度满足预设值为止。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述运行线路参数包含曲线半径、线路里程、缓和曲线长度、曲率变化、道岔位置。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述转速传感器设置于受控车厢的其中一个转向架的齿轮箱外壁上。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述转速传感器正对走行轮的内侧。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述倾角测量仪设于受控车厢底板的纵向中心线上，所述横向加速度传感器设于受控车厢纵向中心线一侧的底板上。

6.根据权利要求1-5任一所述的控制系统，其特征在于，所述控制装置为车载计算机，所述定位部件为车载GPS或线路设标定位装置。

7.一种提高悬挂式单轨列车乘坐舒适度的实现方法，其特征在于，包含以下步骤：

a、在列车运行过程中，根据受控车厢实时的位置信息、方位信息，与预存的运行线路参数进行对比，确定受控车厢的实时定位，其中，运行线路参数包括曲线半径、线路里程坐标、缓和曲线长度、曲率变化、道岔位置；

b、当受控车厢位于直线区段，则根据实时的车体侧滚角φ₀控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆φ₀；当受控车厢位于曲线段，结合受控车厢走行轮实时的转速n和实时的车体侧滚角φ₀，根据公式

计算出平衡受控车厢实时离心加速度所需的偏角φ₁，式中，R为曲线半径，g为重力加速度，V＝2πrn，式中，r为所述走行轮的半径，根据φ₁-φ₀得到受控车厢的补偿偏角φ₂，然后控制作动器带动倾摆机构使受控车厢倾摆偏角φ₂；

c、受控车厢倾摆后，结合所述横向加速度传感器获取实时的离心加速度α₁，若|α₁|≤α₀，其中α₀为预设值，控制作动器带动倾摆机构停止倾摆。

8.根据权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤b中，根据作动器施加给倾摆机构的作动力F与倾摆角度之间的对应关系来控制作动器的作动力F。

9.根据权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤c中，若|α₁|>α₀，则根据α₁与α₀之间的差值α₂，结合公式α₂＝g tanφ₃，计算出受控车厢的修正偏角φ₃，然后使受控车厢1倾摆对应的修正偏角φ₃，然后再次检验对应受控车厢1的实时离心加速度，直至离心加速度满足预设值要求。