CN113997959A - 一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车及其控制方法 - Google Patents

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CN113997959A CN202111363979.5A CN202111363979A CN113997959A CN 113997959 A CN113997959 A CN 113997959A CN 202111363979 A CN202111363979 A CN 202111363979A CN 113997959 A CN113997959 A CN 113997959A
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Abstract

本发明公开了一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车及其控制方法，包括驾驶舱和驱动平台；驾驶舱内部设有矿用触摸屏仪表、档位控制杆、控制按钮、刹车踏板、油门踏板驾驶座椅，驾驶舱底部设有卡轨支撑机构；驱动平台底部设有齿轮驱动与制动机构和车轮驱动与制动机构，驱动平台上部设有计算与控制单元和电池管理与控制单元。本发明不使用防爆柴油机，减少了环境污染，采用分布式永磁同步电机直接驱动取代液压驱动装置，减轻了设备质量；用车轮与齿轮混合的驱动方式，减少了运行噪音与震动、提高了运行效率；齿轮驱动控制方式为电子差动式控制，这样转弯时震动较小；采用再生制动与电磁制动相结合的方式，提高制动效果同时提高了能量利用效率。

Description

一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种齿轨机车，具体涉及一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车及其控制方法。
背景技术
传统的煤矿井下齿轨车是以防爆柴油机为动力的自驱动机车，主要用于物料和人员等辅助运输，也可以运输液压支架等重型设备。齿轨机车主要由机械传动、电子监控设备、液压控制等部分组成，具有结构紧凑简单、传动效率高、牵引力大、机动性好、故障率低、运输距离长等特点。齿轨车在平道或3°以下的坡道，采用胶套轮粘着驱动，当坡度较大时，可安装齿条和卡轨，使机车具有较高的爬坡能力与机动性能。但是，传统的齿轨车也存在一些不足之处,如：防爆柴油机尾气排放污染严重，车辆运行时振动大、噪音污染严重，油耗及保养维护成本过高；车辆转弯半径较大，且转弯时噪声振动较大；井下环境复杂、粉尘较大，操作员驾驶强度大、视线受限；整车智能化程度较低，不具有辅助驾驶或自动驾驶功能等。
针对以上问题，申请号为201910551204.7、名称为“一种矿用防爆柴电混合动力卡轨齿轨机车”的发明专利，提出了采用防爆柴油机与防爆电池为动力源，采用电机带动齿轮驱动车辆前进，但是此发明主要动力源仍旧是柴油机，没有彻底解决井下污染环境的问题，且仅仅依靠齿轮驱动机车运行在运行过程中噪声与振动较大。申请号为201911015175.9、名称为“一种具有动力切换功能及悬浮铰接结构的齿轨列车”的发明专利，该发明虽然可以完成驱动方式切换，但其是在传统转向架基础上改进的，而传统的转向架结构复杂不太适应井下环境，且该发明需要驱动列车过多，难以应用于井下局促的工作环境。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车及其控制方法，解决了防爆柴油机污染严重、车辆转弯时振动和噪音大、操作人员作强度高等问题，适合井下复杂且紧凑的工作环境，有助于提高运行效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车，包括驾驶舱和驱动平台，驾驶舱和驱动平台连接；驾驶舱内部设有矿用触摸屏仪表、档位控制杆、控制按钮、刹车踏板、油门踏板和驾驶座椅，驾驶舱底部设有卡轨支撑机构；驱动平台底部设有齿轮驱动与制动机构和车轮驱动与制动机构，驱动平台上部设有计算与控制单元和电池管理与控制单元；
驱动平台底部设有车身倾角传感器，驾驶舱前部、顶部分别设置毫米波雷达模块、CCD摄像机，刹车踏板内置刹车位置传感器，油门踏板内置油门位置传感器；
齿轮驱动与制动机构包括支撑框架、电机支架、导向轮支撑架、齿轮驱动电机、齿轮电磁制动器、导向滚轮、齿轮和刹车片，齿轮驱动电机内置扭矩传感器；电机支架设置在支撑框架内，齿轮设置在电机支架的内侧，齿轮驱动电机设置在电机支架的外侧，齿轮驱动电机输出轴穿过电机支架后与齿轮连接，齿轮电磁制动器和刹车片均设置在支撑框架上，支撑框架底端左右两侧分别设有导向轮支撑架，导向轮支撑架底端设有导向滚轮，支撑框架顶部设有铰接柱，铰接柱顶端与驱动平台连接，靠近齿轮的支撑框架上设置齿轮轮速传感器；
车轮驱动与制动机构包括弹簧支撑座、四个车轮、车轮驱动电机、车轮电磁制动器和铰接盘，车轮驱动电机内置扭矩传感器；车轮设置在弹簧支撑座底部，其中两个车轮连接有车轮驱动电机和车轮电磁制动器，弹簧支撑座顶部设有铰接盘，铰接盘顶端与驱动平台连接，靠近车轮的弹簧支撑座上设置车轮轮速传感器；
计算与控制单元和电池管理与控制单元电连接，齿轮轮速传感器、车轮轮速传感器、车轮驱动电机、齿轮驱动电机、毫米波雷达模块、CCD摄像机相连均与计算与控制单元电连接，油门踏板位置传感器、刹车踏板位置传感器、矿用触摸屏仪表连接均与计算与控制单元电连接；
齿轮电磁制动器、车轮电磁制动器均与计算与控制单元电连接，齿轮电磁制动器、车轮电磁制动器均与电池管理与控制单元电连接。
进一步的，所述计算与控制单元包括工控机、车轮电机控制器、全车控制器VCU、全车制动控制器和齿轮电机控制器；电池管理与控制单元包括防爆动力电池组、电池管理器、蓄电池、电源转换器和车载充电机；
工控机、全车控制器VCU、齿轮电磁制动器、车轮电磁制动器均与蓄电池电连接，齿轮驱动电机内置的扭矩传感器、车轮驱动电机内置的扭矩传感器、齿轮轮速传感器、车轮轮速传感器、毫米波雷达模块、CCD摄像机相连均与工控机电连接；
车身倾角传感器、油门踏板位置传感器、刹车踏板位置传感器、全车制动控制器、车轮电机控制器、齿轮电机控制器、矿用触摸屏仪表均与全车控制器VCU电连接；
车轮驱动电机分别与电源转换器、车轮电机控制器电连接，齿轮驱动电机分别与电源转换器、齿轮电机控制器电连接；
齿轮电磁制动器、车轮电磁制动器均与全车制动控制器电连接，电池管理器分别与矿用触摸屏仪表、车载充电机、电源转换器电连接，防爆动力电池组分别与车载充电机、蓄电池电连接。
进一步的，所述车轮驱动与制动机构有两组，采用分布式结构分别设置在驱动平台的前后两端。
进一步的，所述齿轮驱动与制动机构有两组，采用分布式结构分别位于车轮驱动与制动机构的内侧且靠近车轮驱动与制动机构设置。
进一步的，所述驾驶舱的前端设置前铰接机构，驱动平台后端设有后铰接机构，通过铰接机构可以外接其他车辆。
一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车控制方法，其特征在于：
车辆从静止到运动的控制方法：
车辆起步准备：车辆启动后，油门位置传感器、刹车位置传感器、车身倾角传感器、车轮轮速传感器会分别获取油门踏板角度γ，刹车踏板角度α，车身前后倾角β，车轮转速ω值并上传给全车控制器VCU；在油门踏板角度γ＝0时，刹车踏板角度α开始减小时，全车控制器VCU会预判驾驶员要开动机车，并根据倾角β计算机车在满载时保持车辆静止时所需要的扭矩T并结合车轮转速ω，最终获得使车辆保持静止的合理刹车扭矩值T0，并将信号传输给全车制动控制器，全车制动控制器会将车轮电磁制动器和齿轮电磁制动器总输出扭矩由停车时的最大值调整为T0；
车辆起步：车辆启动后，油门位置传感器、刹车位置传感器、车身倾角传感器会获取油门踏板角度γ，刹车踏板角度α，车身前后倾角β，并上传给全车控制器VCU；车轮轮速传感器会获取车轮的速度v，并传送给工控机，工控机会把信号传送给全车控制器VCU；当刹车踏板角度α＝0，油门踏板角度γ逐步增大时，全车控制器VCU会根据倾角β的值与全车控制器VCU设定的倾角值β0，控制车轮驱动电机单独(|β|＜|β0|)或车轮驱动电机和齿轮驱动电机共同(|β|≥|β0|)输出扭矩；当T≥T0时解除刹车机车开始运动，在运动的瞬时，全车控制器VCU根据给定速信号值并结合车轮轮速传感器测量的实际轮速计算转出转差率θ，并结合车身前后实时倾角值β与全车控制器VCU设定的转差率θ0对车辆进行进一步控制：
当|β|＜|β0|，θ＜θ0时，全车控制器VCU判断出机车起步时没有发生打滑并将控制信号传输给车轮电机控制器，车辆仍由车轮驱动电机单独驱动加速；
当|β|＜|β0|，θ≥θ0时，全车控制器VCU判断出机车起步发生打滑并将控制信号传输给车轮电机控制器与齿轮电机控制器，此时齿轮驱动电机会介入工作，车辆由车轮驱动电机和齿轮驱动电机共同驱动；
当|β|≥|β0|时，全车控制器VCU判断出机车处于坡道上，机车由车轮驱动电机和齿轮驱动电机共同驱动；
车辆运行：车辆在运行过程中全车控制器VCU会根据获取的倾角β和转差率θ的值实时调整齿轮驱动与制动机构的工作状态，当|β|＜|β0|，且θ＜θ0时，车辆仅由车轮驱动电机驱动，其余工况下车辆由车轮驱动电机和齿轮驱动电机共同驱动。
进一步的，车辆制动控制方法：
全车控制器VCU根据实时的油门踏板角度γ、刹车踏板角度α、车轮的转速ω与全车控制器VCU设定的刹车踏板角度值α1、车轮的转度ω0组合控制电磁制动与驱动电机的再生制动对机车进行制动，车轮驱动电机和齿轮驱动电机均会参与制动：
当γ＞0时，无论刹车踏板角度α取何值，车辆均不会制动；
当γ＝0，α＝0时，全车控制器VCU判断出车辆在滑行，则会启用再生制动，
齿轮电机控制器、车轮电机控制器分别控制齿轮驱动电机、车轮驱动电机转换为电动机，产生的电能通过电源转换器对电池组进行充电；
当γ＝0，α＜α1时，车辆会采用再生制动，当车轮的转度低于ω0时，再生制动停止工作，齿轮电磁制动器、车轮电磁制动器介入工作；
当γ＝0，α≥α1时，车辆会同时启动再生制动与电磁制动，两者会共同作用使得车辆一并减速，全车制动控制器会根据车速实时调整齿轮电磁制动器、车轮电磁制动器的制动力大小，使两者的制动力之和保持固定，当车轮的转度低于ω0时，驱动电机的再生制动不再起制动作用，仅由齿轮电磁制动器、车轮电磁制动器提供制动力。
进一步的，车辆过弯时车轮独立驱动控制方法：
当同轴的车轮内外轮产生速度差时，首先全车控制器VCU会根据车轮轮速传感器的测量值实时计算出轨道中心处的转弯曲线半径R并判断机车转向，曲线半径R计算方法为：全车控制器VCU根据得到的左侧的车轮轮速传感器的转速ω左，右侧的车轮轮速传感器的转速ω右，左右车轮中心距离为L轮，则两车轮的中心处的实时曲线半径：R＝L轮(ω左+ω右)/2|ω左-ω右|；车辆转向判断方法为：当ω左＜ω右时，车辆左转，当ω左＞ω右时，车辆右转，紧接着全车控制器VCU会根据转弯时的油门开度或设定的车速计算出车辆过弯时的左右两轮中心处的转速ωm，在得到曲线半径R之后的Δt时间内，随后全车控制器VCU会把曲线当作半径值恒为R的曲线处理，并计算出左侧车轮转速值ω'左与右侧车轮转速值ω'右，其中当车辆左转时:ω'左＝ωm(R-L轮/2)/R、ω'右＝ωm(R+L轮/2)/R，当车辆右转时:ω'左＝ωm(R+L轮/2)/R、ω'右＝ωm(R-L轮/2)/R；最后全车控制器VCU把左右侧车轮转速值传送给车轮电机控制器，车轮电机控制器会计算出合理的输出车轮转矩值并传送给车轮驱动电机，车轮驱动电机收到控制信号并根据信号值输出转矩；全车控制器VCU会以Δt为时间周期持续对输出的车轮转矩进行调整，以保证车辆在弯曲的轨道上平稳运行。
与现有技术相比，本发明用动力电池代替了传统齿轨车常用的防爆柴油机，减少了环境污染，用分布式的电机驱动取代了传统上的液压驱动装置，减轻了设备质量；用车轮与齿轮混合的驱动的方式、代替了传统齿轨车的齿轮驱动，减少了运行噪音与震动、提高了运行效率，且齿轮驱动控制方式为电子差动式控制，这样转弯时震动较小；在制动方面采用再生制动与电磁制动相结合的方式，提高了制动效果的同时，提高了能量利用效率；具有辅助自动驾驶功能一定程度上提高了车辆的智能化程度。
附图说明
图1为主视牵引机车具体结构图；
图2为俯视牵引机车具体结构图；
图3为侧视牵引机车具体结构图；
图4为牵引机车驾驶舱具体结构图；
图5为牵引机车齿轮驱动与制动单元具体结构图；
图6为牵引机车车轮驱动与制动单元具体结构图；
图中：1、驾驶舱，2、齿轮驱动与制动机构，3、车轮驱动与制动机构，4、车身倾角传感器，5、驱动平台，6、驾驶座椅，7、计算与控制单元，8、电池管理与控制单元，9、连接线束，10、动力电池散热扇，11、防爆动力电池组，12、充电接口，13、卡轨支撑机构，14、前铰接机构，15、工控机，16、车轮电机控制器，17、电池管理器，18、蓄电池，19、全车控制器VCU，20、全车制动控制器，21、齿轮电机控制器，22、电源转换器，23、车载充电机，24、后铰接机构，25、照明灯，26、雨刮器，27、毫米波雷达模块，28、CCD摄像机，29、矿用触摸屏仪表，30、档位控制杆，31、控制按钮，32、油门位置传感器，33、刹车位置传感器，34、车轮驱动电机，35、车轮，36、车轮电磁制动器，37、车轮轮速传感器，38、铰接盘，39、空气悬挂，40、齿轮驱动电机，41、齿轮电磁制动器，42、电机支架，43、导向滚轮，44、导向轮支撑架，45、刹车片，46、齿轮，47、铰接柱，48、支撑框架，49、齿轮轮速传感器，50、弹簧支撑座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
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至图4所示，本发明提供一种技术方案：包括驾驶舱1和驱动平台5，驾驶舱1和驱动平台5连接；驾驶舱1前方设有照明灯25和雨刮器26，驾驶舱1内部设有矿用触摸屏仪表29、档位控制杆30、控制按钮31、刹车踏板、油门踏板和驾驶座椅6，驾驶舱1底部设有卡轨支撑机构13；驱动平台5底部设有两种驱动结构，一种是齿轮驱动与制动机构2，一种是车轮驱动与制动机构3，驱动平台5上部设有计算与控制单元7和电池管理与控制单元8；
驱动平台5底部设有车身倾角传感器4，驾驶舱1前部、顶部分别设置毫米波雷达模块27、CCD摄像机28用以检测车辆前方路况信息，刹车踏板内置刹车位置传感器33，油门踏板内置油门位置传感器32，位置传感器用以检测踏板角度；
如图6所示，齿轮驱动与制动机构2包括支撑框架48、电机支架42、导向轮支撑架44、齿轮驱动电机40、齿轮电磁制动器41、导向滚轮43、齿轮46和刹车片45，齿轮驱动电机40为永磁同步电机且内置扭矩传感器；支撑框架48为与驱动平台5连接的总支撑结构，电机支架42、导向轮支撑架44为部分部件的支撑结构，电机支架42设置在支撑框架48内，齿轮46设置在电机支架42的内侧，齿轮驱动电机40设置在电机支架42的外侧，齿轮驱动电机40输出轴穿过电机支架42后与齿轮46连接以驱动齿轮46转动，齿轮电磁制动器41和刹车片45均设置在支撑框架48上以用于制动刹车，支撑框架48底端左右两侧分别设有导向轮支撑架44，导向轮支撑架44底端设有导向滚轮43，支撑框架48顶部设有铰接柱47，铰接柱47顶端与驱动平台5连接，靠近齿轮46的支撑框架48上设置齿轮轮速传感器49用于检测齿轮的转速；
如图5所示，车轮驱动与制动机构3包括弹簧支撑座50、四个车轮35、车轮驱动电机34、车轮电磁制动器36和铰接盘38，车轮驱动电机34为永磁同步电机且内置扭矩传感器；车轮35设置在弹簧支撑座50底部，其中两个车轮35连接有车轮驱动电机34和车轮电磁制动器36，分别用于驱动和制动，弹簧支撑座50顶部设有铰接盘38，铰接盘38两侧分别设有一个空气悬挂39，铰接盘38和空气悬挂39的顶端均与驱动平台5连接，靠近车轮35的弹簧支撑座50上设置车轮轮速传感器37用于检测车轮转速。
计算与控制单元7作为车辆控制的核心部件，其包括工控机15、车轮电机控制器16、全车控制器VCU19、全车制动控制器20和齿轮电机控制器21；电池管理与控制单元8包括防爆动力电池组11、电池管理器17、蓄电池18、电源转换器22和车载充电机23，防爆动力电池组11内置温度传感器，防爆动力电池组11上设有动力电池散热扇10为其散热降温；工控机15、全车控制器VCU19、齿轮电磁制动器41、车轮电磁制动器36均与蓄电池18电连接由蓄电池18供电，齿轮驱动电机40内置的扭矩传感器、车轮驱动电机34内置的扭矩传感器、齿轮轮速传感器49、车轮轮速传感器37、毫米波雷达模块27、CCD摄像机相连28均与工控机15电连接，将各自检测的数据信号传输给工控机15；车身倾角传感器4、油门踏板位置传感器32、刹车踏板位置传感器33、全车制动控制器20、车轮电机控制器16、齿轮电机控制器21、矿用触摸屏仪表29均与全车控制器VCU19电连接；车轮驱动电机34分别与电源转换器22、车轮电机控制器16电连接，齿轮驱动电机40分别与电源转换器22、齿轮电机控制器21电连接；齿轮电磁制动器41、车轮电磁制动器36均与全车制动控制器20电连接，电池管理器17分别与矿用触摸屏仪表29、车载充电机23、电源转换器22电连接，防爆动力电池组11分别与车载充电机23、蓄电池18电连接，驾驶舱1与驱动平台5之间的连接线穿过连接线束管9，达到防护的目的。齿轮电磁制动器41、车轮电磁制动器36均与计算与控制单元7电连接，齿轮电磁制动器41、车轮电磁制动器36均与电池管理与控制单元8电连接。
电池电量显示与充电管理：车辆启动后电池管理器17会实时监测防爆动力电池组11的状态，并把信息传输到矿用触摸屏仪表29实时显示。当防爆动力电池组11的SOC值低于设定值SOCmin时会在矿用触摸屏仪表29给出提示。当机车通过车载充电机23上的充电接口12与充电器连接后，电池管理与控制单元8会检测充电连接是否有效，若连接正常则电流通过充电接口12到达车载充电机23，并通过车载充电机23给防爆动力电池组11充电，矿用触摸屏仪表29会提示车辆正在充电，并实时显示电量值。当电池管理与控制单元8检测到防爆动力电池组11的SOC值大于设定的SOCmax值，会自动断开充电时的电路连接，并在矿用触摸屏仪表29显示充电已完成。
一、车辆人工驾驶模式：
车辆启动：当驾驶舱1里的操作员按下控制按钮31中启动按钮时、全车控制器VCU19会对车辆各系统进行自检，并通过CAN总线从电池管理器17获取防爆动力电池组11的值，若在车辆自检中发现故障或者检测到的值过低时，都会在矿用触摸屏仪表29显示车辆故障代码或者提示电量过低。
车辆起步准备：车辆启动后，油门位置传感器32、刹车位置传感器33、车身倾角传感器4、车轮轮速传感器37会分别获取油门踏板角度γ，刹车踏板角度α，车身前后倾角β，车轮35转速ω值并上传给全车控制器VCU19；在油门踏板角度γ＝0时，刹车踏板角度α开始减小时，全车控制器VCU19会预判驾驶员要开动机车，并根据倾角β计算机车在满载时保持车辆静止时所需要的扭矩T并结合车轮35转速ω，最终获得使车辆保持静止的合理刹车扭矩值T0，并将信号传输给全车制动控制器20，全车制动控制器20会将车轮电磁制动器36和齿轮电磁制动器41总输出扭矩由停车时的最大值调整为T0；
车辆起步：车辆启动后，油门位置传感器32、刹车位置传感器33、车身倾角传感器4会获取油门踏板角度γ，刹车踏板角度α，车身前后倾角β，并上传给全车控制器VCU19；车轮轮速传感器37会获取车轮35的速度v，并传送给工控机15，工控机15会把信号传送给全车控制器VCU19；当刹车踏板角度α＝0，油门踏板角度γ逐步增大时，全车控制器VCU19会根据倾角β的值与全车控制器VCU19设定的倾角值β0，控制车轮驱动电机34单独(|β|＜|β0|)或车轮驱动电机34和齿轮驱动电机40共同(|β|≥|β0|)输出扭矩；当T≥T0时解除刹车机车开始运动，在运动的瞬时，全车控制器VCU19根据给定速信号值并结合车轮轮速传感器37测量的实际轮速计算转出转差率θ，并结合车身前后实时倾角值β与全车控制器VCU19设定的转差率θ0对车辆进行进一步控制：
当|β|＜|β0|，θ＜θ0时，全车控制器VCU19判断出机车起步时没有发生打滑并将控制信号传输给车轮电机控制器16，车辆仍由车轮驱动电机34单独驱动加速；
当|β|＜|β0|，θ≥θ0时，全车控制器VCU19判断出机车起步发生打滑并将控制信号传输给车轮电机控制器16与齿轮电机控制器21，此时齿轮驱动电机40会介入工作，车辆由车轮驱动电机34和齿轮驱动电机40共同驱动；
当|β|≥|β0|时，全车控制器VCU19判断出机车处于坡道上，机车由车轮驱动电机34和齿轮驱动电机40共同驱动；
车辆运行：车辆在运行过程中全车控制器VCU19会根据获取的倾角β和转差率θ的值实时调整齿轮驱动与制动机构2的工作状态，当|β|＜|β0|，且θ＜θ0时，车辆仅由车轮驱动电机34驱动，其余工况下车辆由车轮驱动电机34和齿轮驱动电机40共同驱动。
车辆过弯时车轮35独立驱动控制方法：
当同轴的车轮35内外轮产生速度差时，首先全车控制器VCU19会根据车轮轮速传感器37的测量值实时计算出轨道中心处的转弯曲线半径R并判断机车转向，曲线半径R计算方法为：全车控制器VCU19根据得到的左侧的车轮轮速传感器37的转速ω左，右侧的车轮轮速传感器37的转速ω右，左右车轮中心距离为L轮，则两车轮的中心处的实时曲线半径：R＝L轮(ω左+ω右)/2|ω左-ω右|；车辆转向判断方法为：当ω左＜ω右时，车辆左转，当ω左＞ω右时，车辆右转，紧接着全车控制器VCU19会根据转弯时的油门开度(人工驾驶模式)或设定的车速(辅助自动驾驶模式)计算出车辆过弯时的左右两轮中心处的转速ωm，在得到曲线半径R之后的Δt(VCU系统设定值)时间内，随后全车控制器VCU19会把曲线当作半径值恒为R的曲线处理，并计算出左侧车轮转速值ω'左与右侧车轮转速值ω'右，当车辆左转时:ω'左＝ωm(R-L轮/2)/R、ω'右＝ωm(R+L轮/2)/R，当车辆右转时:ω'左＝ωm(R+L轮/2)/R、ω'右＝ωm(R-L轮/2)/R；最后全车控制器VCU19把左右侧车轮转速值传送给车轮电机控制器16，车轮电机控制器16会计算出合理的输出车轮转矩值并传送给车轮驱动电机34，车轮驱动电机34收到控制信号并根据信号值输出转矩；全车控制器VCU19会以Δt为时间周期持续对输出的车轮转矩进行调整，以保证车辆在弯曲的轨道上平稳运行。
车辆制动控制方法：
全车控制器VCU19根据实时的油门踏板角度γ、刹车踏板角度α、车轮35的转速ω与全车控制器VCU19设定的刹车踏板角度值α1、车轮35的转速ω0组合控制电磁制动与驱动电机的再生制动对机车进行制动，车轮驱动电机34和齿轮驱动电机40均会参与制动：
当γ＞0时，无论刹车踏板角度α取何值，车辆均不会制动；
当γ＝0，α＝0时，全车控制器VCU19判断出车辆在滑行，则会启用再生制动，
齿轮电机控制器21、车轮电机控制器16分别控制齿轮驱动电机40、车轮驱动电机34转换为电动机，产生的电能通过电源转换器22对电池组11进行充电；
当γ＝0，α＜α1时，车辆会采用再生制动，当车轮35的转速低于ω0时，再生制动停止工作，齿轮电磁制动器41、车轮电磁制动器36介入工作；
当γ＝0，α≥α1时，车辆会同时启动再生制动与电磁制动，两者会共同作用使得车辆一并减速，全车制动控制器20会根据车速实时调整齿轮电磁制动器41、车轮电磁制动器36的制动力大小，使两者的制动力之和保持固定，当车轮35的转速低于ω0时，驱动电机的再生制动不再起制动作用，仅由齿轮电磁制动器41、车轮电磁制动器36提供制动力。
当车辆出现故障或者在特殊状况下，操作员按下控制按钮31中的紧急制动按钮，齿轮电磁制动器41与车轮电磁制动器36会同时以最大刹车力矩进行刹车，以便让车辆在最短时间内停止运动。
二、辅助自动驾驶模式：
驾驶模式切换：操作员将按下控制按钮31中的切换模式按钮，将人工驾驶模式切换到辅助自动驾驶模式后，工控机15会对采集的毫米波雷达模块27信号和CCD摄像机28信号进行融合，并把融合后的信号传递给全车控制器VCU19；其中毫米波雷达模块27会探测前方的障碍物距离信息，而CCD摄像机28会获取前方的障碍物形状、交通信号灯信息与交通指示牌信息(红灯、限速、停车信号等)。
车辆起步：模式切换后，操作员首先要设定一个巡航车速S，然后深踩刹车踏板，最后再踩油门踏板，让全车控制器VCU19得知驾驶员运行车辆的起步目的后，车辆会自动完成起步、加速、匀速行驶等步骤。各步骤控制方法与人工驾驶模式一致。在车辆起步加速后操作员便可以松开油门踏板，车辆会自动加速。在车辆起步前会根据全车控制器VCU19获取的障碍物信息来控制起步，若车辆在起步前全车控制器VCU19获取前方安全距离L0内有影响行车的障碍物或者停车信号(红灯，或者禁止通行标志)，则车辆停止起步并静止在原地，并在矿用触摸屏仪表29上提示前方障碍物或者停车信号信息。若在安全距离L0内无障碍物和停车信号则车辆会正常完成起步。
车辆在运行过程中，若毫米波雷达模块27检测到前方距离L有移动障碍物，并经过工控机15信息融合后将信息传递给全车控制器VCU19，车辆距离从L变化到L0(L＞L0)的区间内将车速检减小至S0(S>S0)。此后车辆的全车控制器VCU19获取的信息显示障碍物不影响车辆行驶或者检测到障碍物消失。则车辆提速至设定的巡航车速S。若检测到障碍物依然存在且影响车辆的安全机车会减速停车，车辆减速及制动方法与人工驾驶模式相同。车辆停车后，需要操作员依次踩刹车踏板，油门踏板后车辆才能再次起步运行。车辆减速及制动的控制方法与人工驾驶模式相同。
车辆在运行过程中，若检测到车辆前方距离L1有固定障碍物或者停止信号，则机车会减速停车。车辆停车后，需要操作员依次踩刹车踏板，油门踏板后车辆才能再次起步运行。车辆减速及制动的控制方法与人工驾驶模式相同。
机车遇到限速信号的控制方法：
车辆在运行过程中，若检测到前方距离L有限速值S1的限速信号，若设定车速S＞S1，从距离L到L0区间内将车速检减小至S1。此后匀速行驶距离L1(保证车辆完全通过信号指示牌)。若设定车速S≤S1车辆不在减速而是以当前车速匀速行驶。车辆减速，及制动方法与人工驾驶模式相同。
车辆到达目的地且无停车指示牌时，以及其它工况需要停车时都需要人为操作。操作员可以踩下刹车踏板，此时车辆退出辅助自动驾驶模式，并开始制动，车辆制动控制方法与人工驾驶模式的制动控制方法一致。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车，包括驾驶舱(1)和驱动平台(5)，驾驶舱(1)和驱动平台(5)连接；驾驶舱(1)内部设有矿用触摸屏仪表(29)、档位控制杆(30)、控制按钮(31)、刹车踏板、油门踏板和驾驶座椅(6)，驾驶舱(1)底部设有卡轨支撑机构(13)；驱动平台(5)底部设有齿轮驱动与制动机构(2)和车轮驱动与制动机构(3)，驱动平台(5)上部设有计算与控制单元(7)和电池管理与控制单元(8)；
其特征在于，驱动平台(5)底部设有车身倾角传感器(4)，驾驶舱(1)前部、顶部分别设置毫米波雷达模块(27)、CCD摄像机(28)，刹车踏板内置刹车位置传感器(33)，油门踏板内置油门位置传感器(32)；
齿轮驱动与制动机构(2)包括支撑框架(48)、电机支架(42)、导向轮支撑架(44)、齿轮驱动电机(40)、齿轮电磁制动器(41)、导向滚轮(43)、齿轮(46)和刹车片(45)，齿轮驱动电机(40)内置扭矩传感器；电机支架(42)设置在支撑框架(48)内，齿轮(46)设置在电机支架(42)的内侧，齿轮驱动电机(40)设置在电机支架(42)的外侧，齿轮驱动电机(40)输出轴穿过电机支架(42)后与齿轮(46)连接，齿轮电磁制动器(41)和刹车片(45)均设置在支撑框架(48)上，支撑框架(48)底端左右两侧分别设有导向轮支撑架(44)，导向轮支撑架(44)底端设有导向滚轮(43)，支撑框架(48)顶部设有铰接柱(47)，铰接柱(47)顶端与驱动平台(5)连接，靠近齿轮(46)的支撑框架(48)上设置齿轮轮速传感器(49)；
车轮驱动与制动机构(3)包括弹簧支撑座(50)、四个车轮(35)、车轮驱动电机(34)、车轮电磁制动器(36)和铰接盘(38)，车轮驱动电机(34)为永磁同步电机且内置扭矩传感器；车轮(35)设置在弹簧支撑座(50)底部，其中两个车轮(35)连接有车轮驱动电机(34)和车轮电磁制动器(36)，弹簧支撑座(50)顶部设有铰接盘(38)，铰接盘(38)顶端与驱动平台(5)连接，靠近车轮(35)的弹簧支撑座(50)上设置车轮轮速传感器(37)；
计算与控制单元(7)和电池管理与控制单元(8)电连接，齿轮轮速传感器(49)、车轮轮速传感器(37)、车轮驱动电机(34)、齿轮驱动电机(40)、毫米波雷达模块(27)、CCD摄像机相连(28)均与计算与控制单元(7)电连接，油门踏板位置传感器(32)、刹车踏板位置传感器(33)、矿用触摸屏仪表(29)连接均与计算与控制单元(7)电连接；
齿轮电磁制动器(41)、车轮电磁制动器(36)均与计算与控制单元(7)电连接，齿轮电磁制动器(41)、车轮电磁制动器(36)均与电池管理与控制单元(8)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车，其特征在于，所述计算与控制单元(7)包括工控机(15)、车轮电机控制器(16)、全车控制器VCU(19)、全车制动控制器(20)和齿轮电机控制器(21)；电池管理与控制单元(8)包括防爆动力电池组(11)、电池管理器(17)、蓄电池(18)、电源转换器(22)和车载充电机(23)；
工控机(15)、全车控制器VCU(19)、齿轮电磁制动器(41)、车轮电磁制动器(36)均与蓄电池(18)电连接，齿轮驱动电机(40)内置的扭矩传感器、车轮驱动电机(34)内置的扭矩传感器、齿轮轮速传感器(49)、车轮轮速传感器(37)、毫米波雷达模块(27)、CCD摄像机相连(28)均与工控机(15)电连接；
车身倾角传感器(4)、油门踏板位置传感器(32)、刹车踏板位置传感器(33)、全车制动控制器(20)、车轮电机控制器(16)、齿轮电机控制器(21)、矿用触摸屏仪表(29)均与全车控制器VCU(19)电连接；
车轮驱动电机(34)分别与电源转换器(22)、车轮电机控制器(16)电连接，齿轮驱动电机(40)分别与电源转换器(22)、齿轮电机控制器(21)电连接；
齿轮电磁制动器(41)、车轮电磁制动器(36)均与全车制动控制器(20)电连接，电池管理器(17)分别与矿用触摸屏仪表(29)、车载充电机(23)、电源转换器(22)电连接，防爆动力电池组(11)分别与车载充电机(23)、蓄电池(18)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车，其特征在于，所述车轮驱动与制动机构(3)有两组，分别设置在驱动平台(5)的前后两端。
4.根据权利要求3所述的一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车，其特征在于，所述齿轮驱动与制动机构(2)有两组，分别位于车轮驱动与制动机构(3)的内侧且靠近车轮驱动与制动机构(3)设置。
5.根据权利要求1所述的一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车，其特征在于，所述驾驶舱(1)的前端设置前铰接机构(14)，驱动平台(5)后端设有后铰接机构(24)。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车控制方法，其特征在于：
车辆从静止到运动的控制方法：
车辆起步准备：车辆启动后，油门位置传感器(32)、刹车位置传感器(33)、车身倾角传感器(4)、车轮轮速传感器(37)会分别获取油门踏板角度γ，刹车踏板角度α，车身前后倾角β，车轮(35)转速ω值并上传给全车控制器VCU(19)；在油门踏板角度γ＝0时，刹车踏板角度α开始减小时，全车控制器VCU(19)会预判驾驶员要开动机车，并根据倾角β计算机车在满载时保持车辆静止时所需要的扭矩T并结合车轮(35)转速ω，最终获得使车辆保持静止的合理刹车扭矩值T0，并将信号传输给全车制动控制器(20)，全车制动控制器(20)会将车轮电磁制动器(36)和齿轮电磁制动器(41)总输出扭矩由停车时的最大值调整为T0；
车辆起步：车辆启动后，油门位置传感器(32)、刹车位置传感器(33)、车身倾角传感器(4)会获取油门踏板角度γ，刹车踏板角度α，车身前后倾角β，并上传给全车控制器VCU(19)；车轮轮速传感器(37)会获取车轮(35)的速度v，并传送给工控机(15)，工控机(15)会把信号传送给全车控制器VCU(19)；当刹车踏板角度α＝0，油门踏板角度γ逐步增大时，全车控制器VCU(19)会根据倾角β的值与全车控制器VCU(19)设定的倾角值β0，控制车轮驱动电机(34)单独(|β|＜|β0|)或车轮驱动电机(34)和齿轮驱动电机(40)共同(|β|≥|β0|)输出扭矩；当T≥T0时解除刹车机车开始运动，在运动的瞬时，全车控制器VCU(19)根据给定速信号值并结合车轮轮速传感器(37)测量的实际轮速计算转出转差率θ，并结合车身前后实时倾角值β与全车控制器VCU(19)设定的转差率θ0对车辆进行进一步控制：
当|β|＜|β0|，θ＜θ0时，全车控制器VCU(19)判断出机车起步时没有发生打滑并将控制信号传输给车轮电机控制器(16)，车辆仍由车轮驱动电机(34)单独驱动加速；
当|β|＜|β0|，θ≥θ0时，全车控制器VCU(19)判断出机车起步发生打滑并将控制信号传输给车轮电机控制器(16)与齿轮电机控制器(21)，此时齿轮驱动电机(40)会介入工作，车辆由车轮驱动电机(34)和齿轮驱动电机(40)共同驱动；
当|β|≥|β0|时，全车控制器VCU(19)判断出机车处于坡道上，机车由车轮驱动电机(34)和齿轮驱动电机(40)共同驱动；
车辆运行：车辆在运行过程中全车控制器VCU(19)会根据获取的倾角β和转差率θ的值实时调整齿轮驱动与制动机构(2)的工作状态，当|β|＜|β0|，且θ＜θ0时，车辆仅由车轮驱动电机(34)驱动，其余工况下车辆由车轮驱动电机(34)和齿轮驱动电机(40)共同驱动。
7.根据权利要求6所述的一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车控制方法，其特征在于：
车辆制动控制方法：
全车控制器VCU(19)根据实时的油门踏板角度γ、刹车踏板角度α、车轮(35)的转速ω与全车控制器VCU(19)设定的刹车踏板角度值α1、车轮(35)的转度ω0组合控制电磁制动与驱动电机的再生制动对机车进行制动，车轮驱动电机(34)和齿轮驱动电机(40)均会参与制动：
当γ＞0时，无论刹车踏板角度α取何值，车辆均不会制动；
当γ＝0，α＝0时，全车控制器VCU(19)判断出车辆在滑行，则会启用再生制动，
齿轮电机控制器(21)、车轮电机控制器(16)分别控制齿轮驱动电机(40)、车轮驱动电机(34)转换为电动机，产生的电能通过电源转换器(22)对电池组(11)进行充电；
当γ＝0，α＜α1时，车辆会采用再生制动，当车轮(35)的转度低于ω0时，再生制动停止工作，齿轮电磁制动器(41)、车轮电磁制动器(36)介入工作；
当γ＝0，α≥α1时，车辆会同时启动再生制动与电磁制动，两者会共同作用使得车辆一并减速，全车制动控制器(20)会根据车速实时调整齿轮电磁制动器(41)、车轮电磁制动器(36)的制动力大小，使两者的制动力之和保持固定，当车轮(35)的转度低于ω0时，驱动电机的再生制动不再起制动作用，仅由齿轮电磁制动器(41)、车轮电磁制动器(36)提供制动力。
8.根据权利要求6所述的一种分布式永磁直驱的智能驾驶齿轨机车控制方法，其特征在于：
车辆过弯时车轮(35)独立驱动控制方法：
当同轴的车轮(35)内外轮产生速度差时，首先全车控制器VCU(19)会根据车轮轮速传感器(37)的测量值实时计算出轨道中心处的转弯曲线半径R并判断机车转向，曲线半径R计算方法为：全车控制器VCU(19)根据得到的左侧的车轮轮速传感器(37)的转速ω左，右侧的车轮轮速传感器(37)的转速ω右，左右车轮中心距离为L轮，则两车轮的中心处的实时曲线半径：R＝L轮(ω左+ω右)/2|ω左-ω右|；车辆转向判断方法为：当ω左＜ω右时，车辆左转，当ω左＞ω右时，车辆右转，紧接着全车控制器VCU(19)会根据转弯时的油门开度或设定的车速计算出车辆过弯时的左右两轮中心处的转速ωm，在得到曲线半径R之后的Δt时间内，随后全车控制器VCU(19)会把曲线当作半径值恒为R的曲线处理，并计算出左侧车轮转速值ω'左与右侧车轮转速值ω'右，其中当车辆左转时:ω'左＝ωm(R-L轮/2)/R、ω'右＝ωm(R+L轮/2)/R，当车辆右转时:ω'左＝ωm(R+L轮/2)/R、ω'右＝ωm(R-L轮/2)/R；最后全车控制器VCU(19)把左右侧车轮转速值传送给车轮电机控制器(16)，车轮电机控制器(16)会计算出合理的输出车轮转矩值并传送给车轮驱动电机(34)，车轮驱动电机(34)收到控制信号并根据信号值输出转矩；全车控制器VCU(19)会以Δt为时间周期持续对输出的车轮转矩进行调整，以保证车辆在弯曲的轨道上平稳运行。
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