CN110615007A - 一种用于轨道交通车辆无人驾驶自适应控制的智能蒙皮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能蒙皮风压测量的轨道交通车辆无人驾驶自适应控制方法，智能蒙皮系统包括柔性智能蒙皮、信号采集模块、信号处理模块和通讯模块。在列车速度传感器数据的基础上，运用智能蒙皮感知车头的风压信息，得到外加环境对列车运行速度的影响，生成风压反馈信息并传送到列车速度控制系统，更新列车的运行速度控制策略，减小高速列车运行速度误差，提高高速列车的无人驾驶可靠性、安全性和环境适应性，将为高速列车无人驾驶走向实际应用提供技术保障。

Description

一种用于轨道交通车辆无人驾驶自适应控制的智能蒙皮

技术领域

本发明涉及智能蒙皮与轨道交通领域，特别涉及一种智能蒙皮风压测试和无人驾驶自适应控制方法。

背景技术

柔性智能蒙皮具有柔软特性，与复杂曲面保持共形，应用于结构健康监测与环境状态测试，将在高速列车领域大有可为。实时记录车头的风压信息，为及时评估列车结构与运动状态提供技术，特别是在轨道交通列车的无人驾驶领域，将采集到的环境信息反馈到列车的列车运动控制系统中，提高列车运动速度的运行稳定性，支持高速列车无人驾驶技术走向应用。

高速列车无人驾驶技术主要集中到列车的速度跟踪控制，研究各类人工智能算法和基于数据驱动的建模技术，实现高速列车运行速度的跟踪控制，希望高速列车根据历史数据信息以相应的速度在指定区间上自主行驶。杨波等发明一种无人驾驶智能交通系统，采用中央调度控制系统的统一调度，结合专用车道，面向公路交通和轨道交通，车辆灵活进出专用车道，车辆实现同速同向零间距行驶，在此前提下实现车辆的无人驾驶，达到经济、安全、高效和环保的目的（一种无人驾驶智能交通系统，CN201310540722.1）。当前轨道交通的无人驾驶技术存在的主要问题是对列车运行过程的环境自主认识不足，有待考虑运行过程的突发事件，对高速列车无人驾驶过程的环境自适应能力有待加强，基于蒙皮风压监测技术的高速列车无人驾驶控制系统研究极具价值。

实际中，柔性智能蒙皮在结构健康监测、安全驾驶等得到了广阔的应用，为高速列车表面风压和外界环境信息提供了监测的技术手段。在不影响列车正常行驶的前提下，同时考虑外部环境与列车自身运动产生的风压信息对列车运动的影响，柔性智能蒙皮系统记录到列车车头表面的风压变化情况，反馈到列车运动控制系统，给出了考虑外界环境的列车速度跟踪控制方法，提高高速列车无人驾驶的自主性，为高速列车无人驾驶的成熟应用提供技术支持。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于发明一种面向高速列车车头表面风压测试的智能蒙皮系统，包括柔性智能蒙皮、信号采集模块、信号处理模块和通讯模块。柔性智能蒙皮层合在高速列车车头表面，用于采集列成运行过程的车头表面的压力信息，同时考虑温度、速度、风速、外加天气等因素对列车运行过程的影响。采集、处理和通讯模块将柔性智能蒙皮感知到信息传输到列车中控系统中，为高速列车的速度跟踪控制和无人驾驶提供技术支撑。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于发明提供一种基于智能蒙皮风压测量的轨道交通车辆无人驾驶自适应控制方法，在列车速度传感器实时记录列车运行状态的基础上，运用柔性智能蒙皮系统感知车头的风压信息，以此解析出外加环境（温度、风速、下雨等天气因素）对列车运行速度的影响，生成风压反馈信息并传送到列车速度控制系统，更新列车的运行速度控制策略，达到列车运行期望速度，减小高速列车运行速度误差，提高高速列车的无人驾驶可靠性与安全性。基于柔性智能蒙皮的无人驾驶控制策略将提高列车运行的环境适应性，将为高速列车无人驾驶走向实际应用提供技术保障。

进一步地，所述一种基于智能蒙皮风压测量的轨道交通车辆无人驾驶自适应控制方法，在列车自带的速度与位置基础上，利用柔性智能蒙皮系统记录外加环境信息对列车运行状态的影响，综合考虑列车自身的运行状态和外加环境的影响，提出考虑环境因素的高速列车无人驾驶自适应控制方法，提高高速列车无人驾驶的鲁棒性和容错性，推动高速列车无人驾驶技术走向应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明基于智能蒙皮的轨道交通车辆无人驾驶自适应控制实现方法，利用柔性智能蒙皮记录列车运行过程的表面风压信息，并将柔性智能蒙皮集成到高速列车的无人驾驶控制系统中，为无人驾驶控制系统提供环境信息以及环境变化对列车速度的影响，提高高速列车无人驾驶运行速度的稳定性。

本发明用于轨道交通车辆无人驾驶自适应控制的智能蒙皮，集成应变和压力感知阵列，均集成到同一柔性基板中，具有柔软特性和变形能力，与高速列车车头表面的复杂结构保持共形接触，柔性蒙皮集成到高速列车车头，不影响列车的正常运行的同时，实时记录车头表面的应变与压力信息，以此解析出列车的运行速度、外加风速以及其他因素的影响。

综上所述，本发明面向用于轨道交通车辆无人驾驶自适应控制的智能蒙皮，实时记录车头的风压信息，考虑外加环境（温度、风速、下雨等天气因素）对列车运行速度的影响，结合列车传感器记录到的速度与位置信息，更新列车的运行速度控制策略，保证列车运行速度的稳定性，提高列车的无人驾驶可靠性、安全性和环境适应性，推导高速列车无人驾驶技术走向工程实际应用。

附图说明

图1为集成柔性智能蒙皮系统的高速列车示意图。（a）为柔性智能蒙皮系统安装在列车车头的复杂曲面表面；（b）为阵列化应变和压力传感阵列的柔性智能蒙皮。

图2为柔性智能蒙皮记录到压力和应变信息与列车运行速度之间的关系。（a）表示车头表面应变与运行速度的关系；（b）表示车头表面压力与运行速度的关系。

图3为基于柔性智能蒙皮的高速列车无人驾驶自适应控制框架。（a）为集成柔性智能蒙皮的列车无人驾驶平台；（b）基于智能蒙皮的列车无人驾驶自适应控制框架。

图中符号意义说明如下：

11-高速列车车头；12-车头复杂曲面结构；13-柔性智能蒙皮；14-智能蒙皮中的感知单元；15-采集模块；16-信号处理模块；17-信号调理与传输模块；18-外界风速；19-压力单元；110-应变单元；111-传感阵列引线；

31-高速列车；32-高速列车车头；33-柔性智能蒙皮；34-外界风压影响因素；35-列车运行的速度与位置传感器系统；36-列车速度控制系统操作界面；37-列车运动控制系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，给出了集成柔性智能蒙皮系统的高速列车车头11（图1a），所设计的柔性智能蒙皮系统主要包括：柔性智能蒙皮13、采集模块15、信号处理模块16和信号传输模块17。柔性智能蒙皮13粘接在高速列车的复杂曲面结构表面12，柔性智能蒙皮与列车车头保持共形接触，不影响列车的正常运行。柔性智能蒙皮阵列中的感知单元14主要包括压力感知单元19和应变感知单元110，柔性智能蒙皮中的多功能传感阵列见图1b，利用柔性导线111将传感阵列中的信号引出，并连接到柔性蒙皮系统中的采集模块15，为进一步分析蒙皮记录到的风压信息18做准备，信号处理模块16将蒙皮采集到的信号进行处理，并将处理好的信号通过通信模块17传输到高速列车的速度控制系统。智能蒙皮实时记录列车行驶过程的风压信息、外加环境信息（温度、风速、下雨等），为高速列车的无人驾驶提供环境信息，提高高速列车无人驾驶运行速度的稳定性。

例如图2，给出了轨道交通车辆运行速度分别与车头表面的应变和压力分布之间的关系（为柔性智能蒙皮中的同一感知单元记录到）。参见图2a，高速列车运行速度从0到350km/h的情形，车头表面应变随着速度的增加而增大，两者之间存在较好的线性关系，可以通过车头蒙皮记录到的应变分布情况，反算出列车的速度情况，也就说明外加环境对列车运行速度的影响。参见图2b，蒙皮中的压力感知单元记录到高速列车运行速度从0到350km/h情形下压力变化情况，直接得到车头表面压力与运行速度的关系，同样具有较好的线性关系，以通过车头蒙皮记录到的压力分布情况，反算出列车的速度情况。柔性智能蒙皮系统感知车头的风压信息，得到外加环境（温度、风速、下雨等天气因素）对列车运行速度的影响，生成风压反馈信息并传送到列车速度控制系统，更新列车的运行速度控制策略，为高速列车环境自适应性提供技术支持。

基于柔性智能蒙皮的高速列车无人驾驶自适应控制框架见图3，结合图3，对柔性智能蒙皮促进高速列车无人驾驶作详细说明。集成柔性智能蒙皮的列车无人驾驶平台（图3a），主要包括高速列车31、高速列车车头32、柔性智能蒙皮33、外界风压影响因素34、列车运行的速度与位置传感器系统35、列车速度控制系统操作界面36和列车运动控制系统37。蒙皮实时记录高速列车车头表面的风压信息，高速列车在运动控制系统的驱动下以期望的速度运行，在列车运动过程会产生风压信息作用在车头表面，也会被智能蒙皮系统采集到速度引起的风压信息，将智能蒙皮记录的风压信息（车头表面应变与压力）构建与列车速度之间的关系（图2），与列车速度传感器系统采集到的速度信息一道，作为反馈信息输入到列车运动控制系统中，提高列车速度跟踪控制精度，提高列车无人驾驶的稳定性。所发明的基于智能蒙皮的列车无人驾驶自适应控制框架见图3b，同时考虑外部环境与列车自身运动产生的风压信息对列车运动的影响，柔性智能蒙皮系统记录到列车车头表面的风压变化情况，反馈到列车运动控制系统，给出了考虑外界环境的列车速度跟踪控制方法，提高高速列车无人驾驶的自主性，为高速列车无人驾驶走向成熟应用提供技术支持。

本领域的技术人员容易理解，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 (4)

1.一种基于智能蒙皮风压测量的轨道交通车辆无人驾驶自适应控制方法，在列车速度传感器实时记录列车运行状态的基础上，运用柔性智能蒙皮系统感知车头的风压信息，得到外加环境（温度、风速、下雨等天气因素）对列车运行速度的影响，生成风压反馈信息并传送到列车速度控制系统，更新列车的运行速度控制策略，达到列车运行期望速度，减小高速列车运行速度误差，提高高速列车的无人驾驶可靠性与安全性。

2.根据权利要求1所述的用于轨道交通车辆无人驾驶自适应控制的智能蒙皮，其特征在于，能制备到任意复杂曲面结构表面，与车头表面的曲面结构保持共形，用于风压测量，实现车头表面结构健康的实时监测。

3.根据权利要求1所述的用于轨道交通车辆无人驾驶自适应控制的智能蒙皮，其特征在于，集成应变和压力感知阵列，具有柔软特性和变形能力，与高速列车车头表面的复杂结构保持共形接触，不影响列车的正常运行的同时，实时记录车头表面的应变与压力信息。

4.一种基于智能蒙皮的轨道交通车辆无人驾驶自适应控制实现方法，将智能蒙皮记录的风压信息（车头表面应变与压力）构建与列车速度之间的关系作为反馈信息输入到列车运动控制系统中，提高列车速度跟踪控制精度，提高列车无人驾驶的稳定性。