CN110696913A - 双向驱动多编组电车及其多轴全轮转向控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向驱动多编组电车及其多轴全轮转向控制方法和系统，其中，电车的N‑2个独立车辆之间通过铰接及贯通道连接成一列车，第一驾驶室和第二驾驶室分别位于列车的两端，整车控制单元与转向控制单元相连；转向控制单元分别与N‑2个液压转向控制器相连，N‑2个液压转向控制器分别与N个轴转向器相连，N个轴转向器分别与N个转向轴一一相连；N个转向角传感器分别与N‑2个液压转向控制器相连。本发明能够双向驱动行驶，解决城市道路掉头困难的问题；能够解决超长电车带来转弯半径过大的问题；能够解决多编组电车转弯过程中由于后续车辆不跟随而导致的甩尾等安全问题。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通技术领域，尤其涉及一种双向驱动多编组电车及其多轴全轮转向控制方法和系统。
背景技术
目前，随着城市建设的不断发展，人们对公共交通的需求在不断地升级，从最初的解决基本的需求，逐步过渡到追求舒适与环保。有轨电车与无轨电车是解决城市路面公共交通的两种重要交通工具，储能式超长无轨电车与有轨电车相比，具有工程造价更低、载客量接近、建设周期短等的特点。相比小运量的无轨电车产品具有载客量数倍的优势，成为城市公共交通的有益补充，具有潜在的市场推广前景。但是，储能式超长无轨电车由于具有多节车厢编组，车身结构长等特点，使得其驾驶过程中的转弯半径较大，无法实现城市道路的灵活转弯。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双向驱动多编组电车及其多轴全轮转向控制方法和系统，能够双向驱动行驶，解决城市道路掉头困难的问题；能够解决超长电车带来转弯半径过大的问题；能够解决多编组电车转弯过程中由于后续车辆不跟随而导致的甩尾等安全问题。
本发明提供了一种双向驱动多编组电车，包括：N-2个独立车辆、第一驾驶室、第二驾驶室、N个转向轴、整车控制单元、转向控制单元、N-2个液压转向控制器、N个轴转向器和N个转向角传感器；其中：
N-2个所述独立车辆之间通过铰接及贯通道连接成一列车；
所述第一驾驶室和第二驾驶室分别位于列车的两端；
所述整车控制单元与所述转向控制单元相连；
所述转向控制单元分别与N-2个所述液压转向控制器相连；
N-2个所述液压转向控制器分别与N个所述轴转向器相连；
N个所述轴转向器分别与N个所述转向轴一一相连；
N个所述转向角传感器分别与N-2个液压转向控制器相连。
优选地，所述双向驱动多编组电车还包括：N-1个铰接控制单元、N-1个铰接角传感器和N-1个铰接控制器；其中：
所述转向控制单元分别与N-1个所述铰接控制单元相连；
N-1个所述铰接控制单元分别与N-1个所述铰接角传感器一一相连；
N-1个所述铰接控制单元分别与N-1个所述铰接控制器一一相连。
一种双向驱动多编组电车多轴全轮转向控制方法，应用于双向驱动多编组电车，所述方法包括：
所述转向控制单元接收所述整车控制单元发送的报文，并获取转向角传感器的测量值；
所述转向控制单元根据所述报文和所述转向角传感器的测量值，通过转向控制算法实时计算各车轴的转向角；
判断控制各车轴液压转向的液压泵是否正常，若是，则：
所述液压转向控制器根据计算出的各车轴的转向角控制各车轴转向运动。
优选地，所述方法还包括：
所述转向控制单元获取铰接角传感器的测量值；
铰接控制单元基于所述报文和铰接角传感器的测量值计算各铰接的阻尼大小；
铰接控制器基于所述阻尼大小控制各铰接处的阻尼大小。
优选地，所述方法还包括：
判断双向驱动多编组电车的生命信号是否正常，若否，则：
发送制动报警信息，并控制所述双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
优选地，所述方法还包括：
当判断控制各车轴液压转向的液压泵不正常时，发送制动报警信息，并控制所述双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
一种双向驱动多编组电车多轴全轮转向控制系统，包括：
整车控制单元，用于发送报文；
转向控制单元，用于接收所述整车控制单元发送的报文，并获取转向角传感器的测量值；
所述转向控制单元，还用于根据所述报文和所述转向角传感器的测量值，通过转向控制算法实时计算各车轴的转向角；
第一判断模块，用于判断控制各车轴液压转向的液压泵是否正常；
液压转向控制器，用于当控制各车轴液压转向的液压泵正常时，根据计算出的各车轴的转向角控制各车轴转向运动。
优选地，所述转向控制单元，还用于获取铰接角传感器的测量值；
铰接控制单元，用于基于所述报文和铰接角传感器的测量值计算各铰接的阻尼大小；
铰接控制器，用于基于所述阻尼大小控制各铰接处的阻尼大小。
优选地，所述系统还包括：
第二判断模块，用于判断双向驱动多编组电车的生命信号是否正常；
紧急处理模块，用于当双向驱动多编组电车的生命信号不正常时，发送制动报警信息，并控制所述双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
优选地，所述紧急处理模块，还用于当所述第一判断模块判断控制各车轴液压转向的液压泵不正常时，发送制动报警信息，并控制所述双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
综上所述，本发明公开了一种双向驱动多编组电车，包括：N-2个独立车辆、第一驾驶室、第二驾驶室、N个转向轴、整车控制单元、转向控制单元、N-2个液压转向控制器、N个轴转向器和N个转向角传感器；其中：N个独立车辆之间通过铰接及贯通道连接成一列车；第一驾驶室和第二驾驶室分别位于列车的两端，整车控制单元与转向控制单元相连，转向控制单元分别与N-2个液压转向控制器相连；N-2个液压转向控制器分别与N个轴转向器相连，N个轴转向器分别与N个转向轴一一相连，N个转向角传感器分别与N-2个液压转向控制器相连。本发明能够双向驱动行驶，解决城市道路掉头困难的问题；能够解决超长电车带来转弯半径过大的问题；能够解决多编组电车转弯过程中由于后续车辆不跟随而导致的甩尾等安全问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的一种双向驱动多编组电车的结构示意图；
图2为本发明公开的一种多轴全轮转向控制的网络拓扑图；
图3为本发明公开的一种双向驱动多编组电车多轴全轮转向控制方法的流程图；
图4为本发明公开的一种双向驱动多编组电车多轴全轮转向控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明公开的一种双向驱动多编组电车的结构示意图，所述双向驱动多编组电车可以包括：N-2个独立车辆、第一驾驶室、第二驾驶室、N个转向轴、整车控制单元、转向控制单元、N-2个液压转向控制器、N个轴转向器、N个转向角传感器、N-1个铰接控制单元、N-1个铰接角传感器和N-1个铰接控制器；其中：
N-2个独立车辆之间通过铰接及贯通道连接成一列车；
第一驾驶室和第二驾驶室分别位于列车的两端；
整车控制单元与转向控制单元相连；
转向控制单元分别与N-2个液压转向控制器相连；
N-2个液压转向控制器分别与N个轴转向器相连；
N个轴转向器分别与N个转向轴一一相连；
N个转向角传感器分别与N-2个液压转向控制器相连；
转向控制单元分别与N-1个铰接控制单元相连；
N-1个铰接控制单元分别与N-1个铰接角传感器一一相连；
N-1个铰接控制单元分别与N-1个铰接控制器一一相连。
如图2所示，为本发明公开的一种多轴全轮转向控制的网络拓扑图。下面结合图1和图2对本发明公开的双向驱动多编组电车的工作原理进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明公开的双向驱动多编组电车通过铰接及贯通道将多个独立的车辆连接成一列车，该列电车的车轮为胶轮。双向驱动行驶的多编组电车两端均设有驾驶室以及驱动电机，行驶过程中两端均可产生驱动力，可以减少其转弯等所需场地空间，同时无需掉头行驶，仅需在车辆另一端驾驶车辆即可，大大增加城市内运行的灵活性。若当前行驶方向为A方向，则驾驶室为A，第一轴为轴1，反之若当前行驶方向为B，则驾驶室为B，第一轴为轴n。图1中黑色车轮轴1和轴n为驱动转向轴，连接车辆两端的驱动电机，为行驶过程中提供动力及转向，轴2至轴n-1为被动转向轴，行驶过程中无动力，仅接收相应轴转向器的控制信号，进行转向。行驶过程中，除了车辆的第一轴的转向由驾驶员通过方向盘控制，其他后续轴的转向均是通过液压转向控制器来控制。
行驶方向A和B的判断是根据当前驾驶员启动车辆的那一端作为判断依据，若A端驾驶室的钥匙开关打到ON位置时，并在仪表台上的方向按钮，向前按钮按下时，表明占用该驾驶室的方向。方向信号通过整车网络发送整车控制单元(VCU)，则当前行驶方向为A方向；同理，若是B端驾驶室的钥匙开关打到ON位置时，并在仪表台上的方向按钮，向前按钮按下时，表明占用该驾驶室的方向，则当前行驶方向为B方向。
方向冲突：当两端驾驶室钥匙开关都打在ON位置，都按向前时，方向信号无效。当车辆方向无效时车辆禁止牵引。表1列出了车辆行驶方向的定义。
表1车辆行驶方向的定义
方向作用：
由于车辆双向行驶，因此方向信号将对车辆的运行有重要作用。
牵引电机的旋转方向有影响：
当方向为A时，A端驾驶室电机为正转，B端驾驶室电机为反转；
当方向为B时，A端驾驶室电机为反转，B端驾驶室电机为正转；
电机的旋转方向由整车控制单元统一分发给各电机控制器MCU。
转向系统的转向控制影响：
当方向为A时，轴1为主动转向轴，轴2～轴n轴为被动转向轴；
当方向为B时，轴n为主动转向轴，轴1～轴n-1为被动转向轴；
由整车控制单元统一分发给转向控制单元(STCU)。
本发明为确保实现全轮转向，需要每个车轴均能实现主动转向，且各车轴上均安装有转向角传感器，转向角传感器属于液压回路控制传感器组，提供实际转向角信息。实际转向角信息被用来计算除第一根车轴外(驱动轴)的其他车轴的正确角度，然后发送给控制各车轴的转向角。每个车轴转上均安装有转向角传感器，其供电由主板上的供电系统提供。转向角传感器能够提供一个冗余的测量值，这个值可以通过信号线传输给相应的液压回路控制单元。
铰接角传感器属于液压回路控制传感器组，提供实际铰接角度信息。实际铰接角度信息被用来计算除第一根车轴外的其他车轴的正确角度。每个铰接处转上均安装有铰接角传感器，其供电由主板上的供电系统提供。传感器将提供一个冗余的测量值。这个值应该通过每个通道的连线提供给相应的液压回路控制。
多轴全轮转向控制的网络拓扑如图2所示：
转向控制单元(STCU)为多轴全轮转向的核心单元，其作用为：
接收整车控制单元向转向控制单元发送的报文，其数据包含车辆当前速度、两个驱动电机的速度、车辆行驶方向(A或者B)、车辆行驶里程以及液压泵状态等，同时接收其生命信号，用于通信故障报警；
接收各铰接控制单元读取的铰接角度传感器数值，用于转向控制算法确定各车轴的转向角度；
接收各车轴的转向角传感器测量得到的角度数值以及加速度传感器的值，用于转向控制算法计算，同时向整车控制单元发送车轴转角实际值以及生命信号；
将计算得到的各车轴转角数值发送给车轴液压转向控制器，用于各车轴的液压转向控制，实现全轮转向。
每个铰接处均配备一个铰接控制单元，其作用为：
用于接收铰接角传感器的数据，将铰接处的角度信息发送给转向控制单元，用于整车各车轴的转向控制；
与整车控制单元进行通讯，根据车辆的行驶方向和行驶速度控制各铰接处的阻尼值，防止出现低速行驶情况下各车厢铰接处由于阻尼过大而车身不直，高速行驶情况下各车厢铰接处阻尼值过小而出现车厢摆动等不稳定现象。
车辆启动后，整车控制单元根据车辆的启动端方向行驶，启动端的方向盘控制第一车轴的转向角作为转向控制的输入，其他输入还包括转向控制器以及铰接控制器根据各传感器采集到的角度、速度、加速以及位移等信息，计算除了第一轴以外的各车轴转角以及铰接处的阻尼，然后将转向信号等发送给各个车轴液压转向控制器以及铰接控制器，使得多编组电车的后续车辆能够以较小的转弯半径跟随第一节车厢的运动轨迹，实现双向驱动行驶的多编组电车的多车轴全轮转向跟随控制。
如图3所示，为本发明公开的一种双向驱动多编组电车多轴全轮转向控制方法实施例的流程图，所述方法可以包括以下步骤：
S101、判断双向驱动多编组电车的生命信号是否正常，若否，则进入S108，若是则进入S102：
S102、转向控制单元接收整车控制单元发送的报文，并获取转向角传感器的测量值和铰接角传感器的测量值；
S103、转向控制单元根据报文和转向角传感器的测量值，通过转向控制算法实时计算各车轴的转向角；
S104、铰接控制单元基于报文和铰接角传感器的测量值计算各铰接的阻尼大小；
S105、判断控制各车轴液压转向的液压泵是否正常，若是，则进入S106：
S106、液压转向控制器根据计算出的各车轴的转向角控制各车轴转向运动；
S107、铰接控制器基于阻尼大小控制各铰接处的阻尼大小；
S108、发送制动报警信息，并控制双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
上述实施例的工作流程为：
检查双向驱动多编组电车的生命信号是否正常，若正常则读取当前车辆行驶方向、速度、加速度以及运行里程等信息，转向角传感器以及铰接角传感器测量值。否则，认为当前整车网络通信出现故障，向驾驶员发送制动警报并且控制制动系统紧急制动；
然后，转向控制单元根据获取的速度、方向、加速度以及转角等值，通过转向控制算法实时计算各车轴的转向角，转向控制算法主要是根据扩展阿克曼原理以及整车运动学求解各车轴的转角；铰接控制单元根据当前行驶方向以及行驶速度计算各铰接的阻尼大小。
然后，判断控制各车轴液压转向的液压泵是否工作正常，如果正常，则转向控制单元将各车轴转角发送给相应的液压转向控制器，控制各车轴转向运动。铰接控制单元将铰接处的阻尼大小发送给相应的铰接控制器，控制各铰接处的阻尼大小。否则，认为液压泵转向故障，需要向驾驶员发送制动警报并且控制制动系统紧急制动，避免无法转向而导致轮胎磨损，甚至甩尾、翻车等安全问题；
然后，根据车辆当前速度以及整车控制单元信号判断车辆是否停止运动，继续运行则跳转至步骤S101，继续转向控制流程。否则，认为车辆停止运动，结束此流程。
综上所述，本发明能够控制每个车轴实现主动转向，使得多编组电车的后续车辆能够以较小的转弯半径跟随第一节车厢的运动轨迹，实现双向驱动行驶的多编组电车的多车轴全轮转向跟随控制。同时，双向驱动行驶，可以减少其掉头等所需场地空间，大大增加城市内运行的灵活性。
如图4所示，为本发明公开的一种双向驱动多编组电车多轴全轮转向控制系统实施例的结构示意图，所述系统可以包括：
第二判断模块401，用于判断双向驱动多编组电车的生命信号是否正常；
整车控制单元402，用于当双向驱动多编组电车的生命信号正常时，发送报文；
转向控制单元403，用于接收整车控制单元401发送的报文，并获取转向角传感器的测量值和铰接角传感器的测量值；
转向控制单元403，还用于根据报文和转向角传感器的测量值，通过转向控制算法实时计算各车轴的转向角；
铰接控制单元404，用于基于报文和铰接角传感器的测量值计算各铰接的阻尼大小；
第一判断模块405，用于判断控制各车轴液压转向的液压泵是否正常；
液压转向控制器406，用于当控制各车轴液压转向的液压泵是否正常时，根据计算出的各车轴的转向角控制各车轴转向运动；
铰接控制器407，用于基于阻尼大小控制各铰接处的阻尼大小；
紧急处理模块408，用于第二判断模块判断当双向驱动多编组电车的生命信号不正常，或当第一判断模块判断控制各车轴液压转向的液压泵不正常时，发送制动报警信息，并控制所述双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
上述实施例公开的双向驱动多编组电车多轴全轮转向控制系统的工作原理与图1、图2和图3对应的内容的原理相同，在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种双向驱动多编组电车，其特征在于，包括：N-2个独立车辆、第一驾驶室、第二驾驶室、N个转向轴、整车控制单元、转向控制单元、N-2个液压转向控制器、N个轴转向器和N个转向角传感器；其中：
N-2个所述独立车辆之间通过铰接及贯通道连接成一列车；
所述第一驾驶室和第二驾驶室分别位于列车的两端；
所述整车控制单元与所述转向控制单元相连；
所述转向控制单元分别与N-2个所述液压转向控制器相连；
N-2个所述液压转向控制器分别与N个所述轴转向器相连；
N个所述轴转向器分别与N个所述转向轴一一相连；
N个所述转向角传感器分别与N-2个液压转向控制器相连。
2.根据权利要求1所述的双向驱动多编组电车，其特征在于，还包括：N-1个铰接控制单元、N-1个铰接角传感器和N-1个铰接控制器；其中：
所述转向控制单元分别与N-1个所述铰接控制单元相连；
N-1个所述铰接控制单元分别与N-1个所述铰接角传感器一一相连；
N-1个所述铰接控制单元分别与N-1个所述铰接控制器一一相连。
3.一种双向驱动多编组电车多轴全轮转向控制方法，其特征在于，应用于双向驱动多编组电车，所述方法包括：
转向控制单元接收整车控制单元发送的报文，并获取转向角传感器的测量值；
所述转向控制单元根据所述报文和转向角传感器的测量值，通过转向控制算法实时计算各车轴的转向角；
判断控制各车轴液压转向的液压泵是否正常，若是，则：
所述液压转向控制器根据计算出的各车轴的转向角控制各车轴转向运动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
所述转向控制单元获取铰接角传感器的测量值；
铰接控制单元基于所述报文和铰接角传感器的测量值计算各铰接的阻尼大小；
铰接控制器基于所述阻尼大小控制各铰接处的阻尼大小。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
判断双向驱动多编组电车的生命信号是否正常，若否，则：
发送制动报警信息，并控制所述双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
当判断控制各车轴液压转向的液压泵不正常时，发送制动报警信息，并控制所述双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
7.一种双向驱动多编组电车多轴全轮转向控制系统，其特征在于，包括：
整车控制单元，用于发送报文；
转向控制单元，用于接收所述整车控制单元发送的报文，并获取转向角传感器的测量值；
所述转向控制单元，还用于根据所述报文和所述转向角传感器的测量值，通过转向控制算法实时计算各车轴的转向角；
第一判断模块，用于判断控制各车轴液压转向的液压泵是否正常；
液压转向控制器，用于当控制各车轴液压转向的液压泵正常时，根据计算出的各车轴的转向角控制各车轴转向运动。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述转向控制单元，还用于获取铰接角传感器的测量值；
铰接控制单元，用于基于所述报文和铰接角传感器的测量值计算各铰接的阻尼大小；
铰接控制器，用于基于所述阻尼大小控制各铰接处的阻尼大小。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：
第二判断模块，用于判断双向驱动多编组电车的生命信号是否正常；
紧急处理模块，用于当双向驱动多编组电车的生命信号不正常时，发送制动报警信息，并控制所述双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述紧急处理模块，还用于当所述第一判断模块判断控制各车轴液压转向的液压泵不正常时，发送制动报警信息，并控制所述双向驱动多编组电车的制动系统紧急制动。
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