CN114074565B - 一种导向控制方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车辆无线供电系统、导向控制方法及其应用，其中供电系统包括车载能量接收单元、车载变流单元和地面无线供电单元；所述地面无线供电单元用于预埋在地面形成输电带，并在车辆靠近时发送电能至车载能量接收单元；所述车载能量接收单元，用于通过电磁感应方式接收所述地面无线供电单元发送的电能；所述车载变流单元与所述车载能量接收单元相连，用于将电能进行转换以实现对车辆的驱动。本发明具有降低整车质量、增加载客量、提高车辆灵活性、保障列车在导航信息丢失时的行车安全以及精准停车等优点。

Description

一种导向控制方法及其应用
技术领域
本发明主要涉及车辆无线供电技术领域，特指一种车辆无线供电系统、导向控制方法及其应用。
背景技术
随着城市的发展扩张，城市轨道交通的发展也日渐普及，在大城市，地铁、磁浮、轻轨的建设如火如荼，但在中小城市，由于建设资金较少、人流量较小，达不到建设地铁的门槛条件，人们往往选择建设费用较低的无轨电车、智轨列车等。
地铁、轻轨、磁浮等车辆有专用的轨道，供电方式多以接触轨或接触网供电为主，无轨电车、智轨列车无专用的轨道，其供电多以车载储能装置供电为主：车辆在行驶过程中，靠车辆上的超级电容或电池进行供电，当车辆站台停靠或到达停车场时，再由地面的充电装置对其储能装置进行充电。上述供电方式以车载储能装置供电为主，不仅会极大增加车辆的重量，同时也占用车辆的内部空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种降低整车质量、增加载客量、提高车辆灵活性的车辆无线供电系统，并相应提供一种在导航信息丢失时保障行车安全以及精准停车的导向控制方法及其应用。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种车辆无线供电系统，包括车载能量接收单元、车载变流单元和地面无线供电单元；所述地面无线供电单元用于分段预埋在地面形成输电带，并在车辆靠近时发送电能至车载能量接收单元；所述车载能量接收单元，用于通过电磁感应方式接收所述地面无线供电单元发送的电能；所述车载变流单元与所述车载能量接收单元相连，用于将电能进行转换以实现对车辆的驱动。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述地面无线供电单元包括依次相连的变压器、变流器和地面电磁感应发送盘。
所述地面无线供电单元还包括地面控制器，所述地面控制器与所述变流器相连，用于根据路段的安全要求为车辆提供具备保护性质的供电电能，同时通过限定最高供能以限定车辆的驱动电机功率而防止车辆在本路段超速。
所述地面无线供电单元还包括无线调度接收模块，所述无线调度接收模块与所述变压器相连，用于在车辆即将抵达时控制变压器的接通以实现供电，而在车辆未抵达时控制变压器保持断开状态以实现无电能输出。
还包括与所述车载变流单元相连的车载电池。
所述车载能量接收单元包括车载电磁感应接收盘。
所述车载电磁感应接收盘呈圆盘状。
所述车载电磁感应接收盘安装于车辆上离地面垂直距离最近的车轴上。
本发明还公开了一种基于如上所述的车辆无线供电系统的导向控制方法，通过调整车辆横向转角，控制车辆跟随地面端输电带路径，保证车载能量接收单元中心与地面端输电带中轴对中时的磁通量值最大；所述车辆为多轴车辆。
作为上述技术方案的进一步改进：
在直线通道时，保证车载能量接收单元中心与地面端输电带中轴对中时的磁通量值最大，且不变。
通过调整车辆横向转角，控制车辆跟随地面端输电带路径的具体步骤为：
1)车载能量接收单元进行区域划分，形成多组的网格形式；其中车载能量接收单元的XY轴分别与列车的横向与纵向一致；
2)车载能量接收单元以网格形式接收电磁感应产生的能量，并监测磁通量变化的网格；
3)通过磁通量的感应区域与非感应区域边界，计算出道路切向角；
4)通过车载能量接收单元与道路切向角求得车轴的期望航向角，再控制车轴的横向转角，实现对期望航向角的跟踪。
在调整车辆横向转角前，先对车辆进行降速以及限速。
本发明还公开了一种如上所述导向控制方法在车辆行驶在弯道时的应用。
本发明进一步公开了一种如上所述导向控制方法在车辆导航信息丢失时的应用。
本发明还公开了一种如上所述的导向控制方法在进站停车时的应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明根据车辆运行的预定固定线路，预埋地面无线供电单元形成输电带，不影响地面平整度，地面无线供电单元接通交流电，产生磁场磁通量变化，与加装在车辆动力轴上的车载能量接收单元产生电磁感应，实现对动力轴上的电机进行供电；上述供电系统适用于多轴独立电驱车辆，实现动力分散控制，通过为多编组分布式动力轴提供无线供电，可以极大缩减车辆的动力包电池组重量，实现整车质量降低，增加载客量，提高车辆灵活性；同时采用预埋式，不影响道路设施，社会车辆在列车未通过时可以共享路面，从而缓解交通压力。
(2)本发明的车载电磁感应接收盘，形状结构采用圆盘式，保证最大限度多角度的覆盖地面设施的磁通量变化区域；车载电磁感应接收盘安装在距离地面最近的车轴上，保证垂直距离地面输电带最近，保证无线充电的可靠性。
(3)本发明的车载电池可以为车辆提供辅助电源；车载控制器通过对车载变流器的控制，实现对车载电池的充电工作；在车辆进站时，由于地面不再提供足够的电能，车载电池可以为车辆驱动电机提供低速、短距离的驱动能量。
(4)本发明通过采用模块化的地面电磁感应发送盘，在车辆未抵达时不通电，在车辆抵近时才进行通电；同时根据路段的安全要求，通过对不同地形条件限制其对应的地面电磁感应发送盘的功率，从而限制列车动力轴电机的最大输出功率，实现部分关键路段对列车的限速保护，防止车辆超速或者速度过低造成车辆失稳。
(5)本发明基于磁通量感知的导向控制方法，不受遮挡与天气环境影响，基于磁场感应及磁场强弱感知，保持供电的同时，对车辆横向进行限幅转角控制，将车辆运行限定在一个较小的动态包络限界区域内，保证车辆在部分区域与时间段短暂丢失定位导航信号的行驶安全。
(6)本发明基于磁通量感知的导向控制方法，辅助多编组铰接列车精准定位进站停靠，基于磁感应的强度梯度变化，采用闭环控制，实现车辆各轴的精准对中定位，对列车各轴形成类轨道横向约束，保障车辆实现厘米级的站台间隙精准停车，满足乘客的便捷上下车。
附图说明
图1为本发明的供电系统在实施例的方框结构图。
图2为本发明的车载电磁感应接收盘区域划分示意图。
图3为本发明的车载电磁感应接收盘进行区域划分后在具体应用时的实施例图。
图4为本发明的车载导航在实施例的方框结构图。
图5为本发明中正线上的带状无线输电带布置示意图。
图6为本发明中进站时的磁导向线布置示意图。
图中标号表示：1、车载端供电单元；101、车载能量接收单元；102、车载变流单元；103、车载控制单元；104、车载电池；2、地面无线供电单元；201、变压器；202、变流器；203、地面电磁感应发送盘；204、地面控制器；205、无线调度接收模块；206、输电带。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的车辆无线供电系统，分成两部分，其中一部分安装于车载端，为车载端供电单元1，一部分安装于地面端，为地面无线供电单元2，其中车载端供电单元1包括车载能量接收单元101、车载变流单元102和车载控制单元103；其中地面无线供电单元2分段预埋于在地面形成输电带206，并在车辆靠近时发送电能至车载能量接收单元101，车载能量接收单元101则通过电磁感应方式接收地面无线供电单元2发送的电能，并发送至车载变流单元102，车载变流单元102与车载能量接收单元101相连，车载控制单元103控制车载变流单元102将电能进行转换以实现对车辆的驱动。
本发明根据车辆运行的预定固定线路，预埋地面无线供电单元2形成输电带206，不影响地面平整度，地面无线供电单元2接通交流电，产生磁场磁通量变化，与加装在多轴独立电驱车辆动力轴上的车载能量接收单元101产生电磁感应，实现对动力轴上的电机进行供电；上述供电系统适用于多轴独立电驱车辆，实现动力分散控制，通过为多编组分布式动力轴提供无线供电，可以极大缩减车辆的动力包电池组重量，实现整备质量降低，增加载客量，提高车辆灵活性；同时无线供电系统采用预埋式，不影响道路设施，社会车辆在列车未通过时，可以共享路面，从而缓解交通压力。
本实施例中，车载能量接收单元101为车载电磁感应接收盘，作为车载能量接收装置，采用市场上通用的高转换率的电磁感应充电材料制作而成，形状结构采用圆盘式，保证最大限度多角度的覆盖地面设施的磁通量变化区域；其中车载电磁感应接收盘安装在距离地面最近的车轴上，保证垂直距离地面输电带206最近，保证无线充电的可靠性。另外，车载变流单元102为车载变流器，车载控制单元103为车载控制器。车载电磁感应接收盘产生的能量传入车载变流器，车载控制器通过对车载变流器的VVVF(变频变流变压)控制，实现对轮毂驱动电机的驱动。
本实施例中，还包括与车载变流单元102相连的车载电池104，车载电池104可以为车辆提供辅助电源。车载控制器通过对车载变流器的控制，实现对车载电池104的充电工作。在车辆进站时，由于地面不再提供足够的电能，车载电池104可以为车辆驱动电机提供低速、短距离的驱动能量。
本实施例中，地面无线供电单元2包括地面控制器204、无线调度接收模块205、变压器201、变流器202和地面电磁感应发送盘203，其中变压器201、变流器202和地面电磁感应发送盘203依次相连，地面控制器204与变流器202相连，无线调度接收模块205与变压器201相连。其中地面端的无线供电采用模块化设计，分段预埋在地面，根据不同的路段结构与要求，逐一逐段的铺设地面电磁感应发送盘203。通过采用模块化的地面电磁感应发送盘203，地面控制器204根据路段的安全要求，通过对不同地形条件限制其对应的地面电磁感应发送盘203的功率，从而限制列车动力轴电机的最大输出功率，实现部分关键路段对列车的限速保护，防止车辆超速或者速度过低造成车辆失稳。
另外，根据无线调度信息，车辆即将抵达时，无线调度接收模块205将控制变压器201接通以实现供电，而在车辆未抵达时则保持断开状态，无电能输出。具体地，当车辆即将抵达时，供电站电能依次通过变压器201与变流器202，产生满足本路段要求的感应电能，再经地面电磁感应发送盘203发送至车载电磁感应接收盘，为经过此路段的列车提供电能。其中地面端具备漏电保护功能，当地面控制器204检测到漏电状况时，地面端将自动切断电源进行保护，此时，车辆将由车载电池104供电。当车辆行驶至正常地面区域再恢复供电，同时给车载电池104进行回冲。
如图2和图3所示，本发明还公开了一种基于如上所述的车辆无线供电系统的导向控制方法，具体控制原理为：通过调整车辆横向转角，控制车辆跟随地面端输电带206路径，保证车载能量接收单元101中心与地面端输电带206中轴对中时的磁通量值最大；所述车辆为多轴车辆。
当车辆在正线自动驾驶或者高级辅助驾驶状态时，如果导航信息存在短暂丢失(图像、GNSS信息等)，通过上述导向控制方法，借助电磁信号进行感知，限定车辆的横向摆动区域，保证车辆不会偏离既定运行路径，保证行车安全。
在上述导向控制方法应用于直线道路时，具体为保证车载能量接收单元101中心与地面端输电带206中轴对中时的磁通量值最大，且不变。
在上述导向控制方法在应用于弯曲道路时，具体的控制方法过程为：
1)车载能量接收单元101进行区域划分，形成多组的网格形式，如图2所示；其中车载能量接收单元101的XY轴分别与列车的横向与纵向一致；
2)车载能量接收单元101以网格形式接收电磁感应产生的能量，并监测磁通量变化的网格，通过拟合处理感知到路面的轨迹信息；
3)通过磁通量的感应区域与非感应区域边界，计算出道路切向角，如图3所示；
4)通过车载能量接收单元101与道路切向角求得车轴的期望航向角，再由PID闭环控制车轴的横向转角，实现对期望航向角的跟踪。
当然，上述应用于弯曲道路的导向控制方法实际上也可以应用于直线道路。
上述基于磁通量感知的导向控制方法，不受遮挡与天气环境影响，基于磁场感应及磁场强弱感知，保持供电的同时，对车辆横向进行限幅转角控制，将车辆运行限定在一个较小的动态包络限界区域内，保证车辆在部分区域与时间段短暂丢失定位导航信号的行驶安全，实现辅助定位导航，为列车行驶安全提供多手段的保障。
如图4所示，上述导向控制方法通过磁导航控制器来实现，磁导航控制器可以集成在车载控制器中，接收车载电磁感应接收盘的各个网格模块的磁通量信号，负责计算拟合出道路的切线，最后输出车辆的目标转角值给车辆的决策规划控制器。
车辆的正常导向控制逻辑为：正常行驶状态下，感知融合处理视觉摄像头、雷达、GNSS等信号信息，为车辆提供感知信息，决策规划控制器根据感知融合控制器信息完成对车辆的横纵向控制。当视觉摄像头、雷达、GNSS的定位信息失效时，决策规划控制器首先将进行车辆降速与限速运行，并同时根据磁导航控制器输出的目标转角信号实现横向控车，保障车辆的运行安全。
如图5和图6所示，上述导向控制方法同样适用于进站精准停车的场合。具体地，在车辆正线上，预埋在地面的无线输电带206主要采用带状，宽度可以根据需要达到米级，铺设精度要求较低，尽可能的与车载电磁感应接收盘保持重合，最大限度的接收能量。此时车辆的横向控制导航，主要依照如视觉、毫米波、GNSS等方式进行。在车辆进站时，预埋在地面的磁导向线依旧采用电力供电，但是已经不具备为列车供电的能力，此时的列车采用车载电池104供能，推动车辆低速进站。预埋在地面的磁导向线采用线状，宽度要求在厘米级，铺设精度较高，且磁导向线具有励磁环，将磁场尽可能集中。通过磁导向定位，辅助车辆各个车轴实现精准对中，保障车辆进站时距离站台间隙较小，满足乘客的上下车便捷。
在上述配置的基础上，辅助多轴独立电驱车辆(如智轨电车)精准定位进站停靠控制方法如上所述，车辆进站时，此时的地面基建由无线供电带状转换为不具备供电功能的磁导向线。在直线道路时，保证车载电磁感应接收盘中心与地面端输电带206(磁导向线)中轴对中时的磁通量值最大，且不变。
车载电磁感应接收盘进行区域划分，形成多组的网格形式，接收盘的XY轴分别与列车的横向与纵向轴一致；车载电磁感应接收盘以模块化的方式接收电磁感应产生的能量，接收到磁通量变化的网格将被监测，通过拟合等处理感知到路面的轨迹信息，当车辆行驶到弯道时，通过磁通量的感应区域与非感应区域边界，计算出道路切向角，通过接收盘与道路切向角求得车轴的期望航向角，再由PID闭环控制车轴转向角，实现对期望航向角的跟踪。
上述基于磁通量感知的导向控制方法，辅助多编组铰接列车精准定位进站停靠，基于磁感应的强度梯度变化，采用闭环控制，实现车辆各轴的精准对中定位，对列车各轴形成类轨道横向约束，保障车辆实现厘米级的站台间隙精准停车。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于车辆无线供电系统的导向控制方法，其特征在于，车辆无线供电系统包括车载能量接收单元(101)、车载变流单元(102)和地面无线供电单元(2)；所述地面无线供电单元(2)用于分段预埋在地面形成输电带(206)，并在车辆靠近时发送电能至车载能量接收单元(101)；所述车载能量接收单元(101)，用于通过电磁感应方式接收所述地面无线供电单元(2)发送的电能；所述车载变流单元(102)与所述车载能量接收单元(101)相连，用于将电能进行转换以实现对车辆的驱动；
导向控制方法为：通过调整车辆横向转角，控制车辆跟随地面端输电带(206)路径，保证车载能量接收单元(101)中心与地面端输电带(206)中轴对中时的磁通量值最大；所述车辆为多轴车辆；
通过调整车辆横向转角，控制车辆跟随地面端输电带(206)路径的具体步骤为：
1)车载能量接收单元(101)进行区域划分，形成多组的网格形式；其中车载能量接收单元(101)的XY轴分别与列车的横向与纵向一致；
2)车载能量接收单元(101)以网格形式接收电磁感应产生的能量，并监测磁通量变化的网格；
3)通过磁通量的感应区域与非感应区域边界，计算出道路切向角；
4)通过车载能量接收单元(101)与道路切向角求得车轴的期望航向角，再控制车轴的横向转角，实现对期望航向角的跟踪。
2.根据权利要求1所述的导向控制方法，其特征在于，在直线通道时，保证车载能量接收单元(101)中心与地面端输电带(206)中轴对中时的磁通量值最大，且不变。
3.根据权利要求1所述的导向控制方法，其特征在于，在调整车辆横向转角前，先对车辆进行降速以及限速。
4.根据权利要求1所述的导向控制方法，其特征在于，所述地面无线供电单元(2)包括依次相连的变压器(201)、变流器(202)和地面电磁感应发送盘(203)。
5.根据权利要求4所述的导向控制方法，其特征在于，所述地面无线供电单元(2)还包括地面控制器(204)，所述地面控制器(204)与所述变流器(202)相连，用于根据路段的安全要求为车辆提供具备保护性质的供电电能，同时通过限定最高供能以限定车辆的驱动电机功率而防止车辆在本路段超速。
6.根据权利要求4所述的导向控制方法，其特征在于，所述地面无线供电单元(2)还包括无线调度接收模块(205)，所述无线调度接收模块(205)与所述变压器(201)相连，用于在车辆即将抵达时控制变压器(201)的接通以实现供电，而在车辆未抵达时控制变压器(201)保持断开状态以实现无电能输出。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的导向控制方法，其特征在于，还包括与所述车载变流单元(102)相连的车载电池(104)。
8.根据权利要求1～4中任意一项所述的导向控制方法，其特征在于，所述车载能量接收单元(101)包括车载电磁感应接收盘。
9.根据权利要求8所述的导向控制方法，其特征在于，所述车载电磁感应接收盘呈圆盘状。
10.根据权利要求8所述的导向控制方法，其特征在于，所述车载电磁感应接收盘安装于车辆上离地面垂直距离最近的车轴上。
11.如权利要求1所述的导向控制方法在车辆行驶在弯道时的应用。
12.如权利要求1～3中任意一项所述的导向控制方法在车辆导航信息丢失时的应用。
13.如权利要求1～3中任意一项所述的导向控制方法在进站停车时的应用。
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