CN111071338B - 一种半挂汽车列车直线稳定倒车的铰接角度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半挂汽车列车直线稳定倒车的铰接角度确定方法，是根据半挂汽车列车在倒车行驶时铰接角度变化特性，通过对铰接角度进行稳定域与可行域的划分，从而可以给出诱导提示以避免驾驶员将半挂汽车列车倒车至危险抑或是不合理的工况，继而可以提升半挂汽车列车倒车时的安全性以及直线倒车效率，为驾驶员的安全以及物流效率提供了双重保障。

Description

一种半挂汽车列车直线稳定倒车的铰接角度确定方法

技术领域

本发明属于半挂车转向控制领域，具体的说是一种半挂汽车列车直线稳定倒车的铰接角度确定方法。

背景技术

近十几年来，随着国家公路网的不断完善，公路运输已然成为综合运输体系中的一个重要运输模式，而具有载重量大、运输效率高、节油性好和运输成本低优点的各类半挂汽车列车越来越受社会的重视，已成为全球范围内的公路货运主力。

但同时由牵引车、半挂车组成的半挂汽车列车在直线行驶时的动力学状态是开环稳定的，但由于其本身的非线性、不稳定性、不确定性等因素，半挂汽车列车在倒退行驶时的动力学状态是开环不稳定的，容易发生折叠、碰撞、侧翻等非稳定状态现象。正是因为铰接装置的存在，使得牵引车与半挂车之间形成一定的铰接角度，正是因为铰接角度的存在才导致半挂汽车列车的倒车转向控制异常困难。因此解决半挂汽车列车倒车过程中铰接角度的控制问题即是整个倒车过程中位置姿态的控制问题的关键。

随着我国运输节奏不断加快，市场对于物流运输效率的期望日益提升，半挂汽车列车倒车控制技术的重要性也日益凸显。在使用程度最广泛的直线倒车过程中如何保证稳定性及可行性也是今后的必然趋势。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种半挂汽车列车直线稳定倒车的铰接角度确定方法，以期能通过实时控制倒车过程中铰接角度的值以保证半挂汽车列车的稳定性以及整个直线倒车控制的可行性，从而提升半挂汽车列车倒车安全性、降低倒车时不稳定工况的出现以及提升直线倒车的效率。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种半挂汽车列车直线稳定倒车的铰接角度确定方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、在半挂汽车列车倒车行驶时，确定铰接角度的稳定域θ_wd；

步骤2、在半挂汽车列车倒车行驶时，确定铰接角度的可行域θ_kx；

步骤3、将所述铰接角度的稳定域θ_wd及可行域θ_kx的交集作为直线倒车域；

步骤4、若铰接角度处于所述直线倒车域，则表示可直线稳定倒车；

若铰接角度不处于直线倒车域，则给予驾驶员前进行驶的诱导提示，直至铰接角度进入直线倒车域。

本发明所述的铰接角度确定方法的特点也在于，所述步骤1中的稳定域θ_wd是按以下方法确定：

步骤1.1、利用式(1)得到稳定域θ_wd与方向盘转角δ之间的关系式：

式(1)中，Δx表示半挂汽车列车在倒车过程中的移动单位路径，θ表示铰接角度，L₁表示牵引车的轴距，L₂表示牵引车后轴中心点距铰接点的距离，L₃表示铰接点距半挂车后轴中心点的距离；

步骤1.2、当方向盘转角δ为正向最大值δ_max时，将δ_max作为δ带入式(1)中，从而得到稳定域θ_wd的上确界

步骤1.3、当方向盘转角δ为负向最大值δ_min时，将δ_min作为δ代入式(1)中，从而得到稳定域θ_wd的下确界

步骤1.4、所述半挂汽车列车的稳定域θ_wd即为

所述步骤1.1中的式(1)是按以下方法得到：

利用式(2)得到半挂汽车列车铰接角度的变化趋势Δθ与方向盘转角δ的关系式，并令式(2)为零时，解出铰接角度θ的表达式，即为关系式(1)；

所述式(2)是按以下方法得到：

步骤a、当所述半挂汽车列车在倒车过程中的移动单位路径Δx后，利用式(3)确定牵引车轴线的相对角度变化β：

步骤b、当半挂汽车列车在倒车过程中移动单位路径Δx后，利用式(4)确定半挂车轴线的相对角度变化α：

步骤c、所述铰接角度的变化趋势Δθ＝α-β，即为关系式(2)。

所述步骤2中的可行域是按以下方法进行确定：

步骤2.1、设定从预期的直线轨迹到半挂车轴线经过的锐角为半挂车位姿角

在以大地为面的俯视角度下，以逆时针为正方向，反之为负方向；

设定半挂车部分的质心位置与预期的直线轨迹之间的直线距离为轴线偏移距y；在以大地为面的俯视角度下，以半挂车轴线在预期直线上方时为正方向，反之为负方向；

设定半挂汽车列车在处于铰接角度、半挂车位姿角和轴线偏移距都为零时处于初始工况；

设定以期望直线为X轴，地面上与X轴垂直的直线为Y轴，以牵引车顶部在X轴上的投影点为原点O，建立平面坐标系XOY；

步骤2.2、在初始工况下，当方向盘角度最小时开始倒车，直至半挂车尾部中心点沿着Y轴的速度绝对值等于沿着X轴的速度绝对值时，所获得的铰接角度即为可行域的上确界

步骤2.3、在初始工况下，当方向盘角度最大时开始倒车，直至半挂车尾部中心点沿着Y轴的速度绝对值等于沿着X轴的速度绝对值时，所获得的铰接角度即为可行域的下确界

步骤2.4、所述半挂汽车列车直线倒车可行域即为

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出了铰接角度稳定域与可行域的概念，从倒车时的稳定性与可行性对铰接角度进行分类，确定出铰接角度的稳定域与可行域，通过实时检测铰接角度判断半挂汽车列车倒车时的稳定性以及实现直线倒车的可行性，简化了驾驶员判断倒车工况的步骤，减少了驾驶员因错误操纵方向盘使得直线倒车更加难以进行的可能，同时减少了整个直线倒车过程的耗时，提升了整个倒车过程的安全性与效率。

2、本发明所提出的稳定域是以倒车过程中产生折叠现象为临界条件；因此在倒车过程中控制铰接角度始终在稳定域内即使得半挂汽车列车不会产生折叠现象，大大提升了整车的安全性，同时保证了半挂汽车列车不折叠，让铰接角度始终能够具有归零的趋势。即铰接角度处于稳定域内，方向盘输入就不会失去对于铰接角度的控制，因此大大提升了半挂汽车列车作为一个控制系统的稳定性，从而驾驶员不会失去对于半挂车姿态的控制权。

3、本发明提出的可行域是针对于半挂汽车列车直线倒车工况的实际控制；当铰接角度不处于可行域时，即使方向盘并未失去对于铰接角度的操控，也意味着即使以最正确的方向盘角度输入，半挂汽车列车也会在一段时间内继续偏离目标姿态；可行域的提出即是为了减少直线倒车时的半挂车车身姿态修正时间，当铰接角度处于可行域内时，直线倒车的效率将获得极大程度的提高，同时对于目标直线的追踪也更为精确与简便，大大提升了直线倒车的效率。

4、本发明无需额外加装任何表征稳定性参数的传感器，在通过理论分析得出铰接角度的稳定域及可行域之后，通过监测铰接角度并进行控制即可保证半挂汽车列车在绝大多数工况下的稳定性与直线倒车的可行性；无需改动半挂汽车列车原有的机械结构，只需一个铰接角度传感器即可，改动难度低，成本小，但对于整车稳定性以及直线倒车效率的提升是巨大的，有效地解决了半挂汽车列车直线倒车异常困难的问题。

附图说明

图1为本发明牵引车与半挂车相对偏转示意图；

图2为本发明牵引车单位位移与转弯半径示意图；

图3为本发明牵引车对半挂车的传递关系示意图；

图4为本发明定位参数耦合关系。

具体实施方式

本实施例中，一种半挂汽车列车直线稳定倒车的铰接角度确定方法，是通过考虑整车的稳定性与直线倒车的可行性对铰接角度进行分级，确定出直线倒车时铰接角度的稳定域与可行域，取其交集令为直线倒车域。通过控制铰接角度始终处于直线倒车域以保证半挂汽车列车在直线倒车过程中的稳定性与可行性。值得注意的是：所谓稳定性，除了表示车辆的运动状态是否稳定之外，还包括半挂汽车列车这个控制系统的控制特征是否稳定，即铰接角度不处于稳定域内时，直线倒车的铰接角度已不可控。具体地说，是按如下步骤进行：

步骤1、在半挂汽车列车倒车行驶时，确定铰接角度的稳定域θ_wd；

步骤1.1、考虑到半挂汽车列车作为一个控制系统，其系统的输入只有方向盘角度，因此在对于铰接角度稳定域的确立上首先需要考虑铰接角度θ_wd与δ之间的关系。利用式(1)得到稳定域θ_wd与方向盘转角δ之间的关系式：

式(1)中，Δx表示半挂汽车列车在倒车过程中的移动单位路径，θ表示铰接角度，L₁表示牵引车的轴距，L₂表示牵引车后轴中心点距铰接点的距离，L₃表示铰接点距半挂车后轴中心点的距离；

对于如何得到式(1)，首先需要明确稳定域的确定条件。即什么样的铰接角度临界条件可以在半挂汽车列车直线倒车时既满足车身姿态上的稳定性，又可以保证方向盘的输入对于铰接角度的变化同时具有增大与减小两种响应。本专利着眼于在半挂汽车列车倒车时一种特殊的现象——折叠，当半挂汽车列车进行倒车操作时，若铰接角度大于某一特定阈值，即会产生折叠现象，具体表现为：牵引车与半挂车之间的相对铰接角度不再具有减小的趋势，即铰接角度的减小趋势对于方向盘的输入失去响应。从而在接下来的倒车过程中，铰接角度只能继续增大，牵引车越来越偏转靠向半挂车，整个车身姿态变得异常不稳定，极端情况下，甚至半挂车会顶向牵引车的驾驶舱，使得驾驶员的生命受到威胁。

综上所述，即铰接角度处于稳定域的临界条件为半挂汽车列车在倒车过程中是否会产生折叠现象。

注意到：在倒车过程中，当铰接角度处于稳定域时，则有且仅当方向盘转角最大时，铰接角度的减小趋势最大；有且仅当方向盘转角最小时，铰接角度的增大趋势最大。

从以上论述中可以看出：当

时，有且仅当δ＝δ_max时，θ保持不变，即

当

时亦是如此。

所以，想要求得稳定域的两个临界值。只需要解出当

时，对应δ＝δ_max以及δ＝δ_min工况的铰接角度即可。即：确定铰接角度的变化趋势Δθ为零时铰接角度θ与方向盘转角δ之间的关系。

利用式(2)得到半挂汽车列车铰接角度的变化趋势Δθ与方向盘转角δ的关系式，并令式(2)为零时，解出铰接角度θ的表达式，即为关系式(1)；

在考虑铰接角度的变化趋势时，本专利将铰接角度在牵引车单位位移Δx内的变化Δθ分为两部分考虑，一部分是牵引车在牵引车单位位移内的相对角度变化β；另一部分时半挂车在牵引车单位位移内的相对角度变化α，即有Δθ＝α-β。如图1所示，在极短的单位时间内，可视牵引车以铰接点为圆心作圆周运动；半挂车以其尾部中心点为圆心作圆周运动。具体地说，Δθ是按照以下方法进行确定：

步骤a、当所述半挂汽车列车在倒车过程中的移动单位路径Δx后，利用式(3)确定牵引车轴线的相对角度变化β：

在只考虑牵引车部分的运动时，可以看到瞬时时刻牵引车是围绕着铰接点为圆心旋转的，因此，当Δx足够小时，可以看作在每一个Δx位移内，牵引车转动的相对角度是均匀分布的。因此，设Δx位移引起的牵引车相对角度变化为β，当半挂汽车列车转动一圈时，牵引车位移为2πR，牵引车相对角度变化为360°，即有

其中R为如图2所示的牵引车以铰接点为圆心的转弯半径，在图2中，根据阿克曼定理可知

即根据勾股定理有

综上可以得出

步骤b、当半挂汽车列车在倒车过程中移动单位路径Δx后，利用式(4)确定半挂车轴线的相对角度变化α：

由图3可以看出，牵引车对于半挂车的作用分为两个方面。一方面是在倒车时对于半挂车的推动作用，方向为沿着半挂车轴线；另一方面是使半挂车绕着尾部中心点旋转的作用，方向为垂直于半挂车轴线。如图3所示，当牵引车的单位位移为Δx时，半挂车绕着尾部中心点旋转的位移r＝Δxsinθ。同时，在图1中可以看出，在牵引车位移Δx后，α与r有一定的几何关系，即：

上述两式消去r后，可以得出

步骤c、所述铰接角度的变化趋势Δθ＝α-β，即为关系式(2)。

步骤1.2、当方向盘转角δ为正向最大值δ_max时，将δ_max作为δ带入式(1)中，从而得到稳定域θ_wd的上确界

步骤1.3、当方向盘转角δ为负向最大值δ_min时，将δ_min作为δ代入式(1)中，从而得到稳定域θ_wd的下确界

步骤1.4、所述半挂汽车列车的稳定域θ_wd即为

步骤2、在半挂汽车列车倒车行驶时，确定铰接角度的可行域θ_kx；

步骤2.1、设定从预期的直线轨迹到半挂车轴线经过的锐角为半挂车位姿角

在以大地为面的俯视角度下，以逆时针为正方向，反之为负方向；

设定半挂车部分的质心位置与预期的直线轨迹之间的直线距离为轴线偏移距y；在以大地为面的俯视角度下，以半挂车轴线在预期直线上方时为正方向，反之为负方向；

设定半挂汽车列车在处于铰接角度、半挂车位姿角和轴线偏移距都为零时处于初始工况；

设定以期望直线为X轴，地面上与X轴垂直的直线为Y轴，以牵引车顶部在X轴上的投影点为原点O，建立平面坐标系XOY；

半挂汽车列车的定位参数存在着极大程度的耦合关系，如图4所示：当铰接角度为正值时会导致半挂车位姿角上升，直至半挂车位姿角增大为正值，此时会使轴线偏移距下降。可以看出：系统的输入方向盘角度首先影响铰接角度的变化，接着铰接角度的大小反馈到半挂车位姿角上，然后半挂车位姿角再影响轴线偏移距。因此就会出现：在半挂汽车列车直线倒车过程中，如果铰接角度过大，会造成：即使给予最正确的方向盘角度输入，铰接角度也难以及时变化，从而可能会造成半挂车位姿角和轴线偏移距越来越偏离期望值。

因此，如若仅仅只有稳定域这一种限制，当铰接角度过于接近稳定域极限值时，就会带来直线倒车可行性上的问题，在调节上层参数的过程当中，会为下层参数带来相当大的累积误差。为了减少各个参数产生的累积误差，本专利考虑将耦合关系中的中间参数，即半挂车位姿角，在此参数的调整中截断误差，进行一次校准。

考虑到半挂车位姿角的物理意义还可以表述为：半挂车尾部中心点速度在X轴和Y轴上分量的夹角，而其在X轴上的分量可以表述为半挂汽车列车沿着期望直线行驶的能力，在Y轴上的分量可以表述为改变轴线偏移距的能力。因此解决方法如下：

步骤2.2、在初始工况下，当方向盘角度最小时开始倒车，直至半挂车尾部中心点沿着Y轴的速度绝对值等于沿着X轴的速度绝对值时，所获得的铰接角度即为可行域的上确界

当从初始工况开始倒车，半挂车尾部中心点速度在X轴以及Y轴上的分量相同时，即意味着从此时开始，牵引车给到的推动更多的是作用在使半挂车旋转的方向上，显然，这对于追踪期望的直线倒车轨迹来说，是非常不利的。因此，考虑将半挂车尾部中心点沿着Y轴的速度绝对值等于沿着X轴的速度绝对值作为可行域的临界条件。以截断误差，保障整个直线倒车过程的可行性。

步骤2.3、在初始工况下，当方向盘角度最大时开始倒车，直至半挂车尾部中心点沿着Y轴的速度绝对值等于沿着X轴的速度绝对值时，所获得的铰接角度即为可行域的下确界

同理在初始工况以δ_max开始倒车，以上述条件为临界值，可以得到可行域的下界。

步骤2.4、所述半挂汽车列车直线倒车可行域即为

步骤3、将所述铰接角度的稳定域θ_wd及可行域θ_kx的交集作为直线倒车域；

步骤4、若铰接角度处于所述直线倒车域，则表示可直线稳定倒车；

若铰接角度不处于直线倒车域，则意味着此时的铰接角度过大，要么是不属于稳定域，要么是不属于可行域，抑或是都不属于。而要在直线倒车过程中保证稳定性与可行性必须要保证铰接角度既属于稳定域也属于可行域。所以需要减小铰接角度的绝对值，否则半挂汽车列车就会失去稳定性与直线倒车可行性，于是给予驾驶员前进行驶的诱导提示，直至铰接角度进入直线倒车域。

实施例：本实施例利用本发明的使半挂汽车列车直线稳定倒车的铰接角度确定方法进行直线倒车域的确定，具体过程如下：

本型号半挂汽车列车基本技术参数如表1所示：

表1

项目	单位	参数
			牵引车轴距	mm	2800
牵引车后轴至铰接点的距离	mm	1300
			半挂车轴距	mm	4200
牵引车内侧车轮偏转角度	°	40°
			牵引车内侧车轮偏转角度	°	-33°

即有：

因此铰接角度稳定域为[-68.5482°.56.54155°]。

可行域的确定:调整此半挂汽车列车使其铰接角度为零，将方向盘右转至10°位置时开始倒车。直至挂车车轴质心点处沿着Y轴的速度大小大于沿着X轴的速度大小时停止，得到此时的铰接角度为60.87°；再次调整半挂汽车列车使其铰接角度为零，将方向盘左转至-10°位置时开始倒车，同样在无法倒车时停止，得到此时的铰接角度为-59.63°。所以此半挂汽车列车的铰接角度可行域为[-59.63°,60.87°]。

取上述稳定域与可行域的交集可得到直线倒车域为[-59.63°,56.54155°]。当铰接角度属于此范围内时，即可实现直线稳定倒车；当铰接角度不属于此范围内时，必须使牵引车向前行驶，直至铰接角度重新回到直线倒车域，才可进行直线稳定倒车。

Claims (4)

1.一种半挂汽车列车直线稳定倒车的铰接角度确定方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、在半挂汽车列车倒车行驶时，确定铰接角度的稳定域θ_wd；

步骤1.1、利用式(1)得到稳定域θ_wd与方向盘转角δ之间的关系式：

式(1)中，Δx表示半挂汽车列车在倒车过程中的移动单位路径，θ表示铰接角度，L₁表示牵引车的轴距，L₂表示牵引车后轴中心点距铰接点的距离，L₃表示铰接点距半挂车后轴中心点的距离；

步骤1.2、当方向盘转角δ为正向最大值δ_max时，将δ_max作为δ带入式(1)中，从而得到稳定域θ_wd的上确界

步骤1.3、当方向盘转角δ为负向最大值δ_min时，将δ_min作为δ代入式(1)中，从而得到稳定域θ_wd的下确界

步骤1.4、所述半挂汽车列车的稳定域θ_wd即为

步骤2、在半挂汽车列车倒车行驶时，确定铰接角度的可行域θ_kx；

步骤3、将所述铰接角度的稳定域θ_wd及可行域θ_kx的交集作为直线倒车域；

步骤4、若铰接角度处于所述直线倒车域，则表示可直线稳定倒车；

若铰接角度不处于直线倒车域，则给予驾驶员前进行驶的诱导提示，直至铰接角度进入直线倒车域。

2.根据权利要求1所述的铰接角度确定方法，其特征在于，所述步骤1.1中的式(1)是按以下方法得到：

利用式(2)得到半挂汽车列车铰接角度的变化趋势Δθ与方向盘转角δ的关系式，并令式(2)为零时，解出铰接角度θ的表达式，即为关系式(1)；

3.根据权利要求2所述的铰接角度确定方法，其特征在于，所述式(2)是按以下方法得到：

步骤a、当所述半挂汽车列车在倒车过程中的移动单位路径Δx后，利用式(3)确定牵引车轴线的相对角度变化β：

步骤b、当半挂汽车列车在倒车过程中移动单位路径Δx后，利用式(4)确定半挂车轴线的相对角度变化α：

步骤c、所述铰接角度的变化趋势Δθ＝α-β，即为关系式(2)。

4.根据权利要求1所述的铰接角度确定方法，其特征在于，所述步骤2中的可行域是按以下方法进行确定：

步骤2.1、设定从预期的直线轨迹到半挂车轴线经过的锐角为半挂车位姿角

在以大地为面的俯视角度下，以逆时针为正方向，反之为负方向；

设定半挂车部分的质心位置与预期的直线轨迹之间的直线距离为轴线偏移距y；在以大地为面的俯视角度下，以半挂车轴线在预期直线上方时为正方向，反之为负方向；

设定半挂汽车列车在处于铰接角度、半挂车位姿角和轴线偏移距都为零时处于初始工况；

设定以期望直线为X轴，地面上与X轴垂直的直线为Y轴，以牵引车顶部在X轴上的投影点为原点O，建立平面坐标系XOY；

步骤2.2、在初始工况下，当方向盘角度最小时开始倒车，直至半挂车尾部中心点沿着Y轴的速度绝对值等于沿着X轴的速度绝对值时，所获得的铰接角度即为可行域的上确界

步骤2.3、在初始工况下，当方向盘角度最大时开始倒车，直至半挂车尾部中心点沿着Y轴的速度绝对值等于沿着X轴的速度绝对值时，所获得的铰接角度即为可行域的下确界

步骤2.4、所述半挂汽车列车直线倒车可行域即为

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