CN112606902B - 一种地铁轮胎式铺轨车的转向系统和转向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁轮胎式铺轨车的转向系统，其包括数据采集器、输入单元、与数据采集器相连接的转向控制系统，数据采集器用于采集地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮转角，并将水平倾角、车速和转角传输至转向控制系统；输入单元用于输入地铁轮胎式铺轨车车轮的目标转角和目标运行速度；转向控制系统根据水平倾角、车速、转角、目标转角和目标运行速度控制地铁轮胎式铺轨车转向，其可以根据地铁轮胎式铺轨车的目标转角，在确保水平倾角在安全范围前提下，确保地铁轮胎式铺轨车能沿着确定的角度转向，转向精度高，而且，相对于传统轨轮式地铁铺轨车而言，具有低成本、高效率、应用前景广阔等优点。

Description

一种地铁轮胎式铺轨车的转向系统和转向方法

技术领域

本发明涉及地铁轮胎式铺轨车转向技术领域，尤其涉及一种地铁轮胎式铺轨车转向系统和转向方法。

背景技术

目前，随着城市基础建设的快速发展，越来愈多的城市开始大力兴建地铁轨道交通，地铁内施工由于受盾构尺寸的限制，施工空间狭小，在地铁建设过程中，地铁铺轨是其中最重要的工序之一，同时也是工作量较大的一部分，往往地铁铺轨的效率直接影响地铁开通的时间节点。

传统的地铁铺轨车为轨轮式，由电机带动减速机链条驱动，在运行前需要在圆形管片上用地脚螺栓安装固定临时辅助钢轨，地铁铺轨车在轨道上行走，无转向功能，铺设临时辅助轨道不仅对地铁隧道管片构成伤害，而且辅助轨道安装和拆卸需要大量的人力，直接影响了地铁施工的效率、安全和成本。而地铁轮胎式的铺轨设备的走行机构由于具有能适应多种路面结构、试用范围广、隧道内无损施工、能大幅减少施工工作量和施工成本等优点，而被广泛应用于地铁铺轨。但是，由于地铁铺轨车在弧形面上移动，使得地铁轮胎式铺轨设备的控制比较困难，自动化程度低。

因此，亟需提供一种自动化程度高的地铁轮胎式铺轨车转向系统和转向方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种地铁轮胎式铺轨车转向系统和转向方法，其不仅可以实现转向的高精度控制，而且还可以实现多种转向模式。

为达到本发明的发明目的，本发明所采用的技术方案内容具体如下：

一种地铁轮胎式铺轨车的转向系统，包括数据采集器、输入单元、与所述数据采集器相连接的转向控制系统，所述数据采集器用于采集地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮转角，并将水平倾角、车速和转角传输至所述转向控制系统；所述输入单元用于输入地铁轮胎式铺轨车的车轮的目标转角和目标运行速度；所述转向控制系统根据水平倾角、车速、转角、目标转角和目标运行速度控制地铁轮胎式铺轨车转向。

作为上述方案的优选，所述数据采集器包括若干个设置在所述地铁轮胎式铺轨车车身上的水平倾角传感器，轮架上的角度传感器和车速传感器，若干个所述角度传感器用于检测地铁轮胎式铺轨车转向时车轮的转角，所述水平倾角传感器用于检测地铁轮胎式铺轨车转向时的水平倾角，所述车速传感器用于检测地铁轮胎式铺轨车转向时的车速。

作为上述方案的优选，所述转向控制系统包括与所述数据采集器相连接的数据处理器、与所述输入单元相连接的转向误差处理器、与所述转向误差处理器相连接的多模式转向处理器、以及与所述多模式转向处理器相连接的转向组件，所述数据处理器用于根据水平倾角、车速和转角计算实际转角，所述转向误差处理器根据实际转角和目标转角确定地铁轮胎式铺轨车的转向误差，所述多模式转向处理器利用PID控制方式对转向误差进行处理以获取地铁轮胎式铺轨车转向时轮胎的转向模式，所述转向组件根据所述转向模式控制地铁轮胎式铺轨车转向。

作为上述方案的优选，所述转向组件包括若干个与所述多模式转向处理器相连接的比例阀和转向油缸，且所述转向油缸通过若干个所述比例阀连接液压泵，所述转向油缸根据所述转向模式控制若干个所述比例阀的开度以控制地铁轮胎式铺轨车转向。

作为上述方案的优选，还包括与转向控制系统相连接的报警器。

一种地铁轮胎式铺轨车的转向方法，所述转向方法应用于所述的转向系统，且包括如下步骤：

数据采集器采集地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮的转角；

输入单元用于输入地铁轮胎式铺轨车的车轮的目标转角和目标运行速度；

转向控制系统根据水平倾角、车速、转角、目标转角和目标运行速度控制地铁轮胎式铺轨车转向。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明公开的地铁轮胎式铺轨车的转向系统，其包括数据采集器、输入单元、与数据采集器相连接的转向控制系统，数据采集器用于采集地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮的转角，并将水平倾角、车速和转角传输至转向控制系统；输入单元用于输入地铁轮胎式铺轨车的车轮的目标转角和目标运行速度；转向控制系统根据水平倾角、车速、转角、目标转角和目标运行速度控制地铁轮胎式铺轨车转向，其可以根据地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮的转角，从而可以确保地铁轮胎式铺轨车沿着确定的角度转向，转向精度高，而且，相对于传统轨轮式地铁铺轨车而言，具有低成本、高效率、应用前景广阔等优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明所述的转向系统的结构框图；

图2为本发明的转向方法的流程示意图；

图3为本发明的智能控制算法逻辑框图；

图4为地铁轮胎式铺轨车的左倾状态图；

图5为地铁轮胎式铺轨车的右倾状态图；

图6为本发明的控制算法状态机；

其中，各附图的附图标记为：

1、数据采集器；2、输入单元；3、转向控制系统；4、数据处理器；5、转向误差处理器；6、多模式转向处理器；7、转向组件；8、比例阀；9、转向油缸；10、报警器；11、角度传感器；12、水平倾角传感器；13、车速传感器。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

本实施例提供了一种地铁轮胎式铺轨车的转向系统，如图1所示，所述转向系统包括数据采集器1、输入单元2、与所述数据采集器1相连接的转向控制系统3，所述数据采集器1用于采集地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮的转角，并将水平倾角、车速和转角传输至述转向控制系统3；所述输入单元2用于输入地铁轮胎式铺轨车的车轮的目标转角和目标运行速度；所述转向控制系统3根据水平倾角、车速、转角、目标转角和目标运行速度控制地铁轮胎式铺轨车转向。

由于所述转向系统通过所述数据采集器1可以实时采集地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮的转角，可以使得所述转向系统可以根据地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮的转角，从而可以确保地铁轮胎式铺轨车沿着确定的角度转向，转向精度高，而且，相对于传统轨轮式地铁铺轨车而言，具有低成本、高效率、应用前景广阔等优点。

作为进一步优选的方案，所述数据采集器1包括若干个设置在所述地铁轮胎式铺轨车车身上的水平倾角传感器12、车速传感器13和轮架上的角度传感器11，若干个所述角度传感器11用于检测地铁轮胎式铺轨车转向时车轮的转角，所述水平倾角传感器12用于检测地铁轮胎式铺轨车转向时的水平倾角，所述车速传感器13用于检测地铁轮胎式铺轨车转向时的车速，从而通过若干个所述角度传感器11、所述水平倾角传感器12和所述车速传感器13可以实时采集所述地铁轮胎式铺轨车的每个车轮运行时的水平倾角、车速和转角。

具体工作时，通过若干个所述角度传感器11、水平倾角传感器12和车速传感器13可以将所述地铁轮胎式铺轨车的每个车轮的轮轴的位置信号将实时传输至所述转向控制系统3，从而使得所述转向控制系统3可以实时获取所述地铁轮胎式铺轨车转向时的水平倾角、车速和转角。

作为进一步优选的方案，如图1所示，所述转向控制系统3包括与所述数据采集器1相连接的数据处理器4、与所述输入单元2相连接的转向误差处理器5、与所述转向误差处理器5相连接的多模式转向处理器6、以及与所述多模式转向处理器6相连接的转向组件7，所述数据处理器4用于根据水平倾角、车速和转角计算实际转角，所述转向误差处理器5根据实际转角和目标转角确定地铁轮胎式铺轨车的转向误差，所述多模式转向处理器6利用PID控制方式对转向误差进行处理以获取地铁轮胎式铺轨车转向时轮胎的转向模式，所述转向组件7根据所述转向模式控制地铁轮胎式铺轨车转向。

作为进一步优选的方案，如图1所示，所述转向组件7包括若干个与所述多模式转向处理器6相连接的比例阀8和转向油缸9，且所述转向油缸9通过若干个所述比例阀8连接液压泵，所述转向油缸9根据所述转向模式控制若干个所述比例阀8的开度以控制地铁轮胎式铺轨车转向。

具体工作时，如图3所示，所述多模式转向处理器6利用PID控制方式对转向误差进行处理以获取地铁轮胎式铺轨车转向时轮胎的转向模式，该转向模式将以PWM电流信号传输至若干个所述比例阀8以控制所述比例阀8的开度，进而达到控制流向所述转向油缸9的高压油油量的目的，最终控制所述地铁轮胎式铺轨车在确定的转向角范围内转向。

作为进一步优选的方案，所述转向系统还包括与转向控制系统3相连接的报警器10，从通过所述报警器可以确保地铁轮胎式铺轨车转向时出现偏差时可以及时发出预警，具体工作时，当所述角度传感器采集到的实时倾角或所述输入单元输入的地铁轮胎式铺轨车的车轮的目标转角的偏差过大时，所述报警器10将开始工作以及时发出预警。

本发明还公开了一种地铁轮胎式铺轨车的转向方法，所述转向方法应用于所述的转向系统，且包括如下步骤：

数据采集器1采集地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮的转角；

输入单元2用于输入地铁轮胎式铺轨车的车轮的目标转角和目标运行速度；

转向控制系统3根据水平倾角、车速、转角、目标转角和目标运行速度控制地铁轮胎式铺轨车转向。

具体地，θ为地铁轮胎式铺轨车转向时的水平倾角，v为转速，则水平倾角的变化率为a＝dθ/ds；而且，为了确保地铁轮胎式铺轨车稳定的运行，则地铁轮胎式铺轨车在运行的过程中需要满足的条件为：θ→0、a→0，具体是通过地铁轮胎式铺轨车转向时的转向角β和水平倾角的变化率为在安全的取值范围内。

从整体上看，当地铁轮胎式铺轨车发生左倾时，(θ>0°)，地铁轮胎式铺轨车左转向(β>0°)，地铁轮胎式铺轨车的状态如图4所示，需要给地铁轮胎式铺轨车转向提供一个负向的倾角变化率，将倾角调回安全值门限以内；当地铁轮胎式铺轨车发生右倾时(θ<0°)，控制地铁轮胎式铺轨车右转向(β<0°)，地铁轮胎式铺轨车的状态如图5所示，需要给地铁轮胎式铺轨车转向提供一个正向的倾角变化率，将倾角调回安全值门限以内。

另外，所述多模式转向处理器6利用PID控制方式对转向误差进行处理以获取地铁轮胎式铺轨车转向时轮胎的转向模式，且其计算方式为：

(1)将路程s离散化，定义单位路程s0，则在行驶路程为n·s0时，地铁轮胎式铺轨车的水平倾角为θ[n]，地铁轮胎式铺轨车的水平倾角的变化率为a[n]＝θ[n]-θ[n-1]，地铁轮胎式铺轨车给定转向角为β[n]，地铁轮胎式铺轨车的倾角误差为e_θ[n]，地铁轮胎式铺轨车倾角变化率误差为e_a[n]，控制目标为θ＝0、a＝0，所以e_θ[n]＝θ[n]-0＝θ[n]，地铁轮胎式铺轨车倾角控制算法启动倾角门限为θ_s，地铁轮胎式铺轨车倾角控制算法切换倾角门限为θ_M，地铁轮胎式铺轨车倾角变化率调节完毕倾角变化率门限为a_F(a_F为地铁轮胎式铺轨车正常前行时稳态值)，K_p为PID的比例系数，K_i为PID的积分系数，K_d为PID的微分系数。

(2)当|θ|>|θ_s|时，将启动倾角自动控制算法，控制算法切换状态机如图6所示，运行状态处于“θ调节区”，将e_θ[n]→0作为主要控制目标，使用PID控制方式则有行驶路程为n·s0和(n-1)·s0时的转向角关系：

则增量式的PID的控制方程为：

β[n]＝β[n-1]+K_p·(θ[n]-θ[n-1])+K_i·θ[n]+K_d·(θ[n]-2θ[n-1]+θ[n-2])

(2)当|θ|＜|θ_M|时，启动倾角变化率自动控制算法，运行状态处于“a调节区”，将a[n]->0作为主要控制目标。控制控制过程需要是用逐渐逼近的方式，所以e_a[n]≠a[n]。

这里我们将每次的控制目标定为当前a[i]的1/2，假设行驶过j·s0路程后满足条件：3a[i]/4>a[i+j]>a[i]/2，则将下一次的控制目标设定为a[i+j]/2。以此类推，直至|α|＜|α_F|,保持当前转向角β[n]行驶。

这里我们将每次的控制目标定为当前a[i]的1/2，假设行驶过j·s0路程后满足条件：3a[i]/4>a[i+j]>a[i]/2，则将下一次的控制目标设定为a[i+j]/2。以此类推，直至|α|＜|α_F|，保持当前转向角β[n]行驶。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种地铁轮胎式铺轨车的转向系统，其特征在于：包括数据采集器、输入单元、与所述数据采集器相连接的转向控制系统，所述数据采集器用于采集地铁轮胎式铺轨车的车轮的水平倾角、车速和转角，并将水平倾角、车速和转角传输至所述转向控制系统；所述输入单元用于输入地铁轮胎式铺轨车的车轮的目标转角和目标运行速度；所述转向控制系统根据水平倾角、车速、转角、目标转角和目标运行速度控制地铁轮胎式铺轨车转向；

所述数据采集器包括若干个设置在所述地铁轮胎式铺轨车车身上的水平倾角传感器，轮架上的角度传感器和车速传感器，若干个所述角度传感器用于检测地铁轮胎式铺轨车转向时车轮的转角，所述水平倾角传感器用于检测地铁轮胎式铺轨车转向时的水平倾角，所述车速传感器用于检测地铁轮胎式铺轨车转向时的车速；

所述转向控制系统包括与所述数据采集器相连接的数据处理器、与所述输入单元相连接的转向误差处理器、与所述转向误差处理器相连接的多模式转向处理器、以及与所述多模式转向处理器相连接的转向组件，所述数据处理器用于根据水平倾角、车速和转角计算实际转角，所述转向误差处理器根据实际转角和目标转角确定地铁轮胎式铺轨车的转向误差，所述多模式转向处理器利用PID控制方式对转向误差进行处理以获取地铁轮胎式铺轨车转向时轮胎的转向模式，所述转向组件根据所述转向模式控制地铁轮胎式铺轨车转向；

所述转向组件包括若干个与所述多模式转向处理器相连接的比例阀和转向油缸，且所述转向油缸通过若干个所述比例阀连接液压泵，所述转向油缸根据所述转向模式控制若干个所述比例阀的开度以控制地铁轮胎式铺轨车转向；

θ为地铁轮胎式铺轨车转向时的水平倾角，s为路程，v为转速，则水平倾角的变化率为a＝dθ/ds；而且，为了确保地铁轮胎式铺轨车稳定的运行，则地铁轮胎式铺轨车在运行的过程中需要满足的条件为：θ→0、a→0，具体是通过地铁轮胎式铺轨车转向时的转向角β和水平倾角的变化率为在安全的取值范围内；

当地铁轮胎式铺轨车发生左倾时，θ＞0°，地铁轮胎式铺轨车左转向β＞0°，需要给地铁轮胎式铺轨车转向提供一个负向的水平倾角变化率，将水平倾角调回安全值门限以内；当地铁轮胎式铺轨车发生右倾时θ＜0°，控制地铁轮胎式铺轨车右转向β＜0°，需要给地铁轮胎式铺轨车转向提供一个正向的水平倾角变化率，将水平倾角调回安全值门限以内；

所述多模式转向处理器利用PID控制方式对转向误差进行处理以获取地铁轮胎式铺轨车转向时轮胎的转向模式，且其计算方式为：

(1)将路程s离散化，定义单位路程s0，则在行驶路程为n·s0时，地铁轮胎式铺轨车的水平倾角为θ[n]，地铁轮胎式铺轨车的水平倾角的变化率为a[n]＝θ[n]-θ[n-1]，地铁轮胎式铺轨车给定转向角为β[n]，地铁轮胎式铺轨车的水平倾角误差为e_θ[n]，地铁轮胎式铺轨车水平倾角变化率误差为e_a[n]，控制目标为θ＝0、a＝0，所以e_θ[n]＝θ[n]-0＝θ[n]，地铁轮胎式铺轨车倾角控制算法启动倾角门限为θ_s，地铁轮胎式铺轨车倾角控制算法切换倾角门限为θ_M，地铁轮胎式铺轨车倾角变化率调节完毕倾角变化率门限为a_F，a_F为地铁轮胎式铺轨车正常前行时稳态值，K_p为PID的比例系数，K_i为PID的积分系数，K_d为PID的微分系数；

(2)当|θ|＞|θ_s|时，将启动倾角自动控制算法，运行状态处于“θ调节区”，将e_θ[n]→0作为主要控制目标，使用PID控制方式则有行驶路程为n·s0和(n-1)·s0时的转向角关系：

则增量式的PID的控制方程为：

β[n]＝β[n-1]+K_p·(θ[n]-θ[n-1])+K_i·θ[n]+K_d·(θ[n]-2θ[n-1]+θ[n-2])

(3)当|θ|＜|θ_M|时，启动倾角变化率自动控制算法，运行状态处于“a调节区”，将a[n]-＞0作为主要控制目标；控制控制过程需要是用逐渐逼近的方式，所以e_a[n]≠a[n]；

将每次的控制目标定为当前a[i]的1/2，假设行驶过j·s0路程后满足条件：3a[i]/4＞a[i+j]＞a[i]/2，则将下一次的控制目标设定为a[i+j]/2；以此类推，直至|a|＜|a_F|，保持当前转向角β[n]行驶。

2.根据权利要求1所述转向系统，其特征在于：还包括与转向控制系统相连接的报警器。

3.一种地铁轮胎式铺轨车的转向方法，其特征在于，所述转向方法应用于权利要求1或2所述的转向系统，且包括如下步骤：

数据采集器采集地铁轮胎式铺轨车的水平倾角、车速和车轮的转角；

输入单元用于输入地铁轮胎式铺轨车的车轮的目标转角和目标运行速度；

转向控制系统根据水平倾角、车速、转角、目标转角和目标运行速度控制地铁轮胎式铺轨车转向。

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