CN110239579B - 一种虚拟轨道列车转向轮偏转角的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种虚拟轨道列车转向轮偏转角的测量方法，属于多轴转向车辆控制技术领域。一、构建悬架横臂物理结构：悬架横臂的一端通过球铰D与转向节连接，另一端通过位于同一水平面内的球铰A与车架连接；悬架横臂的前方设有直线位移传感器，二、构建直线位移传感器物理结构：直线位移传感器为两端带球铰活塞结构，其活塞杆的一端通过球铰B与所述车架连接,活塞缸的一端通过球铰C与转向节连接；三、构建车架与转向节之间物理结构：所述车架、直线位移传感器、转向节和悬架横臂构成一个平面四边形，四、测量直线位移传感器同步伸缩移动，实时测量球铰B中心和球铰C中心之间的距离。

Description

一种虚拟轨道列车转向轮偏转角的测量方法
技术领域
本发明属于多轴转向车辆控制技术领域，具体涉及一种测量虚拟轨道列车在自主导向行驶过程中的实时感知车轮偏转角的方法。
技术背景
虚拟轨道列车是一种具备中等运量的新型城市轨道交通列车，在公共路权下，虚拟轨道列车沿着预设轨道进行自主导向行驶。其采用了胶轮承载、轮毂电机独立驱动、多轴转向及灵活编组技术。为了提高虚拟轨道列车在现有城市道路环境中的灵活性和适应性，多轴转向能大幅度地提高虚拟轨道列车的曲线通过能力和主动安全控制能力。准确地实时感知每个转向车轮的转向角是虚拟轨道列车多轴协同转向反馈控制的关键环节。现有的车轮转角感知技术均采用了间接测量的方法，将传感器安装于转向传动机构中，如通过测量转向齿条、转向柱或转向摇臂的位移，然后通过线性传动比折算为车轮转向角，简单可靠，成本低。但是由于车轮具有空间运动特性，目标转向角与实际车轮转向角之间的关系是强非线性的，同时受到转向机构变形和转向传动间隙等因素的影响，因此间接测量法的测量精度不够高。
发明内容
本发明的目的是提供一种虚拟轨道列车转向轮偏转角的测量方法，它能有效地解决虚拟轨道列车偏转角的实时问题。
本发明的目的是这样实现的：一种虚拟轨道列车转向轮偏转角的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、构建悬架横臂物理结构：
虚拟轨道列车的车架与转向节之间设有悬架横臂，它由悬架上横臂和悬架下横臂构成，所述悬架上横臂的一端通过一个球铰D与转向节连接，另一端通过位于同一水平面内的球铰A和球铰与车架连接；所述悬架上横臂的前方设有直线位移传感器，并保证所述直线位移传感器的轴线与车架纵轴线在水平面的投影相垂直；同时，直线位移传感器(5)的轴线位于所述车架和转向节之间的悬架上横臂的三个球铰中心A、D及A′确定的平面内。
步骤二、构建直线位移传感器物理结构：
所述直线位移传感器为两端带球铰活塞结构，其活塞杆的一端通过球铰B与所述车架连接,活塞缸的一端通过球铰C与转向节连接，活塞体上设有信号采集传感装置；
步骤三、构建车架与转向节之间物理结构：
所述车架、直线位移传感器、转向节和悬架横臂构成一个平面四边形，记录静态测量球铰A中心与球铰B中心，球铰A中心与球铰D中心，以及球铰D中心与球铰C中心之间的距离，该距离由所述球铰安装位置决定；
步骤四、测量过程：
当车轮未发生偏转时，BC与CD相互垂直；当车轮发生偏转时，直线位移传感器构成的CB边长度发生变化，通过该四边形的几何关系即可实时计算出CD边与车辆纵轴线之间的夹角，即车轮的偏转角；车轮围绕主销轴线l偏转的过程中，直线位移传感器同步伸缩移动，实时测量球铰B中心和球铰C中心之间的距离；
当车轮向左侧偏转时，根据车轮转向几何关系，推导车轮偏转角的计算关系式：可得
Figure BDA0002099582310000021
其中，lAB、lAD为可测量边的长度。
过D点作平行于车架纵轴线的平行线，然后过B点作该平行线的垂线，垂足为E，因此可得
Figure BDA0002099582310000022
其中，lBE为车轮在偏转角为零时的CB边的长度。
Figure BDA0002099582310000023
其中，lBD、lCD和lBC分别为ΔBCD三条边的长度，且为已知量。
由式(2)和(3)即可计算出车轮的偏转角δ，可表示为δ＝∠CDE＝∠BDE-∠BDC (8)
综上，根据直线位移传感器的反馈信号和车轮转向几何关系，即可实时计算出车轮的偏转角，用于虚拟轨道列车的多轴转向协同控制。
与现有技术相比有益效果
由于采用上述测量方案，能在转向角传递的末端实时测量车轮的偏转角，测量精度高、可靠性好、实时性好，有效避免了转向角在传递过程中时间迟滞。为虚拟轨道列车的多轴协同转向控制提供了实时高精度的车轮转角反馈信号。同时，这种测量两个物体相对转向角度的方法，可以用于其他类似的测量场合，如测量虚拟轨道列车中相邻两节车的夹角。其测量精度高，实时性好。同时，能有效地消除转向角在传递过程中由于车轮空间运动、转向机构变形以及传动间隙引起的测量误差。
附图说明
图1是本发明转向轮系俯视图
图2是本发明转向轮系前视图
图3是本发明车轮向左偏转时的车轮转向几何示意图
图4是本发明车轮向右偏转时的车轮转向几何示意图
图5是本发明车轮向左偏转时的转角计算示意图
图6是本发明车轮向右偏转时的转角计算示意图
图7是本发明轮系三维视图
具体实施方式
下面对照附图对发明做进一步描述：一种虚拟轨道列车转向轮偏转角的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、构建悬架横臂物理结构：
虚拟轨道列车的车架1与转向节4之间设有悬架横臂，它由悬架上横臂2和悬架下横臂8构成，所述悬架上横臂的一端通过一个球铰D与转向节4连接，另一端通过位于同一水平面内的球铰A和球铰A′与车架1连接；所述悬架上横臂2的前方设有直线位移传感器5，并保证所述直线位移传感器5的轴线与车架1纵轴线在水平面的投影相垂直；同时，直线位移传感器5的轴线位于所述车架1和转向节4之间的悬架上横臂的三个球铰中心A、D及确定的平面内。
步骤二、构建直线位移传感器物理结构：
所述直线位移传感器5为两端带球铰活塞结构，其活塞杆的一端通过球铰B与所述车架1连接,活塞缸的一端通过球铰C与转向节4连接，活塞体上设有信号采集传感装置；
步骤三、构建车架与转向节之间物理结构：
所述车架1、直线位移传感器5、转向节4和悬架横臂构成一个平面四边形，记录静态测量球铰A中心与球铰B中心，球铰A中心与球铰D中心，以及球铰D中心与球铰C中心之间的距离，该距离由所述球铰安装位置决定；
步骤四、测量过程：
当车轮3未发生偏转时，BC与CD相互垂直；当车轮3发生偏转时，直线位移传感器5构成的CB边长度发生变化，通过该四边形的几何关系即可实时计算出CD边与车辆纵轴线之间的夹角，即车轮3的偏转角；车轮3围绕主销轴线l偏转的过程中，直线位移传感器5同步伸缩移动，实时测量球铰B中心和球铰C中心之间的距离；
当车轮向左侧偏转时，根据车轮转向几何关系，推导车轮偏转角的计算关系式：可得
Figure BDA0002099582310000031
其中，lAB、lAD为可测量边的长度。
过D点作平行于车架纵轴线的平行线，然后过B点作该平行线的垂线，垂足为E，因此可得
Figure BDA0002099582310000032
其中，lBE为车轮在偏转角为零时的CB边的长度。
Figure BDA0002099582310000033
其中，lBD、lCD和lBC分别为ΔBCD三条边的长度，且为已知量。
由式(2)和(3)即可计算出车轮的偏转角δ，计算关系式为δ＝∠CDE＝∠BDE-∠BDC(12)
因此，根据直线位移传感器的反馈信号和车轮转向几何关系，即可实时计算出车轮的偏转角，将信号传递给控制器，用于虚拟轨道列车的多轴转向协同控制。

Claims (1)

1.一种虚拟轨道列车转向轮偏转角的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、构建悬架横臂物理结构：
虚拟轨道列车的车架(1)与转向节(4)之间设有悬架横臂，它由悬架上横臂(2)和悬架下横臂(8)构成，所述悬架上横臂的一端通过一个球铰D与转向节(4)连接，另一端通过位于同一水平面内的球铰A和球铰A′与车架(1)连接；所述悬架上横臂(2)的前方设有直线位移传感器(5)，并保证所述直线位移传感器(5)的轴线与车架(1)纵轴线在水平面的投影相垂直；同时，直线位移传感器(5)的轴线位于所述车架(1)和转向节(4)之间的悬架上横臂的三个球铰中心A、D及A′确定的平面内；
步骤二、构建直线位移传感器物理结构：
所述直线位移传感器(5)为两端带球铰活塞结构，其活塞杆的一端通过球铰B与所述车架(1)连接,活塞缸的一端通过球铰C与转向节(4)连接，活塞体上设有信号采集传感装置；
步骤三、构建车架与转向节之间物理结构：
所述车架(1)、直线位移传感器(5)、转向节(4)和悬架横臂构成一个平面四边形，记录静态测量球铰A中心与球铰B中心，球铰A中心与球铰D中心，以及球铰D中心与球铰C中心之间的距离，该距离由所述球铰安装位置决定；
步骤四、测量过程：
当车轮(3)未发生偏转时，BC与CD相互垂直；当车轮(3)发生偏转时，直线位移传感器(5)构成的CB边长度发生变化，通过该四边形的几何关系即可实时计算出CD边与车辆纵轴线之间的夹角，即车轮(3)的偏转角；车轮(3)围绕主销轴线l偏转的过程中，直线位移传感器(5)同步伸缩移动，实时测量球铰B中心和球铰C中心之间的距离；
当车轮(3)向左侧偏转时，根据车轮转向几何关系，推导车轮偏转角的计算关系式：可得
Figure FDA0002354400480000011
其中，lAB、lAD为AB边、AD边的测量边的长度；
过D点作平行于车架纵轴线的平行线，然后过B点作该平行线的垂线，垂足为E，夹角BDE由下式得到：
Figure FDA0002354400480000012
其中，lBE为车轮在偏转角为零时的CB边的长度；夹角BDC由下式得到：
Figure FDA0002354400480000013
其中，lBD、lCD和lBC分别为ΔBCD三条边的长度，且为已知量；
由式(2)和(3)即可计算出车轮的偏转角δ，可表示为
δ＝∠CDE＝∠BDE-∠BDC (4)
综上，根据直线位移传感器的反馈信号和车轮转向几何关系，即可实时计算出车轮的偏转角，用于虚拟轨道列车的多轴转向协同控制。
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