CN115891972B - 一种可编组无轨电车稳定性控制方法及系统 - Google Patents
一种可编组无轨电车稳定性控制方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可编组无轨电车稳定性控制方法及系统,方法包括:获取各车厢行驶路段两端的曲率半径,根据曲率半径的值选取目标车厢;计算目标车厢的理论横摆角速度以及实际横摆角速度;若理论横摆角速度以及实际横摆角速度满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制,返回获取各车厢两端的道路曲率半径的步骤;否则计算目标车厢的横向载荷转移率以及侧翻预警横摆转移率;若横向载荷转移率大于侧翻预警横摆转移率,对目标车厢进行侧翻稳定性控制;否则返回获取各车厢两端的道路曲率半径的步骤。本发明能够有效降低可编组无轨电车在直行和转弯工况下出现失稳的几率。
Description
技术领域
本发明涉及无轨电车控制领域,尤其涉及一种可编组无轨电车稳定性控制方法及系统。
背景技术
随着城市快速发展,居住人口逐年增加,市内公共交通合理化建设逐渐成为制约城市发展一大关键问题。智能轨道快运列车(智轨列车)是一种可编组的无轨电车,通过多节车厢的编组和铰接实现载客量变化,能有效应对当代交通出现的交通拥堵、出行不便、环境污染等问题。
无轨电车采用“虚拟轨道”跟随控制技术,可根据车身周围所装各类传感器采集信号,准确分析出当前行驶道路的虚拟轨道信息,发出合理控制信号,通过牵弓、制动、转向等动作,进而保证列车精准行驶在既定“虚拟轨道”上。可编组无轨电车的多节车厢中,距离车头越远的车厢发生失稳打滑的概率越高,而可编组无轨电车的单节车厢由于具有前后多轮转向功能,其结构较常规的车厢更加复杂,因此对于车厢的稳定性控制提出了更高的要求。现有的稳定性控制策略一般应用于单节或者二节车厢的情况,由于可编组无轨电车的车厢更多且车厢结构更加复杂,无法通过现有的稳定性控制策略对于可编组无轨电车进行较好的稳定性控制。
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,本发明提供一种可编组无轨电车稳定性控制方法及系统,能够有效降低可编组无轨电车在直行和转弯工况下出现失稳的几率。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种可编组无轨电车稳定性控制方法,包括以下步骤:
S1)获取各车厢行驶路段后端的曲率半径R1和前端的曲率半径R2,根据曲率半径R1和R2的值选取目标车厢;
S2)根据预设的动力学模型,计算目标车厢的理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi;
S3)若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制,返回步骤S1)直到结束;若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi不满足横摆响应特征,计算目标车厢的横向载荷转移率LTR以及侧翻预警横摆转移率LTR*;
S4)若横向载荷转移率LTR大于侧翻预警横摆转移率LTR*,对目标车厢进行侧翻稳定性控制,返回步骤S1)直到结束;若横向载荷转移率LTR小于侧翻预警横摆转移率LTR*,返回步骤S1)直到结束。
进一步的,步骤S1)中根据曲率半径R1和R2的值选取目标车厢具体包括:
若车厢Mi的曲率半径R1和R2均为第一值,且车厢Mi为最后一节车厢,则车厢Mi为直道行驶工况的目标车厢;
若车厢Mi的曲率半径R1为第一值且R2不为第一值,则车厢Mi为直道入弯道行驶工况的目标车厢;
若车厢Mi的曲率半径R1不为第一值且R2为第一值,则车厢Mi为弯道入直道行驶工况的目标车厢;
若车厢Mi的曲率半径R1与R2均不为第一值且R1与R2的值不相同,则车厢Mi为变曲率弯道行驶工况的目标车厢。
进一步的,目标车厢为直道行驶工况的目标车厢时,步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
若|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右后轮;
若|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左后轮。
进一步的,目标车厢为直道入弯道行驶工况的目标车厢时,步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的入弯方向;
若目标车厢左转入弯且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢左转入弯且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢左后轮;
若目标车厢右转入弯且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢右转入弯且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢右后轮。
进一步的,目标车厢为弯道出直道行驶工况的目标车厢时,步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的出弯方向,以左转为正方向;
若目标车厢左转出弯,ωMi>0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢左转出弯,ωMi<0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢右转出弯,ωMi<0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢右转出弯,ωMi>0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮。
进一步的,目标车厢为变曲率弯道行驶工况的目标车厢时,步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的转向,比较目标车厢当前时刻和上一时刻的理论横摆角速度以确定弯道类型;
若目标车厢左转,弯道为第一类型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢左转,弯道为第一类型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢左后轮;
若目标车厢左转,弯道为第二类型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢左转,弯道为第二类型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢右后轮;
若目标车厢右转,弯道为第一类型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢右转,弯道为第一类型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢右后轮;
若目标车厢右转,弯道为第二类型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢右转,弯道为第二类型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢左后轮。
进一步的,步骤S2)具体包括:
S21)根据预设的动力学模型,构建各车厢的侧向动力学公式、横向动力学公式、侧倾动力学公式以及铰接处受力公式;
S22)从首节车厢开始,根据每一节车厢的侧向动力学公式、横向动力学公式、侧倾动力学公式以及铰接处受力公式,计算得到该车厢的实际横摆角速度;
S23)根据车辆状态方程,计算得到每一节车厢的理论横摆角速度;
S24)根据目标车厢的序号,从所有车厢的理论横摆角速度以及实际横摆角速度中匹配得到目标车厢的理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi。
进一步的,步骤S22)具体包括:
若车厢Mi为首节车厢,根据车厢Mi的侧倾动力学公式计算得到车厢Mi的侧倾角,然后将车厢Mi的侧倾角代入车厢Mi的侧向动力学公式,将车厢Mi的侧向动力学公式以及横向动力学公式联立,得到车厢Mi的实际横摆角速度ωMi;
若车厢Mi不为首节车厢,根据车厢Mi的侧倾动力学公式计算得到车厢Mi的侧倾角,然后将车厢Mi的侧倾角代入车厢Mi的侧向动力学公式,将车厢Mi的铰接处受力公式、侧向动力学公式以及横向动力学公式联立,得到车厢Mi的实际横摆角速度ωMi。
进一步的,步骤S4)中对目标车厢进行侧翻稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的转向;
若目标车厢左转,制动目标车厢右后轮;
若目标车厢右转,制动目标车厢左后轮。
本发明还提出一种可编组无轨电车稳定性控制系统,包括:
目标车厢选取单元,用于获取各车厢行驶路段后端的曲率半径R1和前端的曲率半径R2,根据道路曲率半径R1和R2的值选取目标车厢;
角速度计算单元,用于根据预设的动力学模型,计算目标车厢的理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi;
横摆稳定性控制单元,用于若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制,启动目标车厢选取单元直到结束;若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi不满足横摆响应特征,计算目标车厢的横向载荷转移率LTR以及侧翻预警横摆转移率LTR*;
侧翻稳定性控制单元,用于若横向载荷转移率LTR大于侧翻预警横摆转移率LTR*,对目标车厢进行侧翻稳定性控制;若横向载荷转移率LTR小于侧翻预警横摆转移率LTR*,启动目标车厢选取单元直到结束。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明根据各车厢前后两端的道路曲率半径变化情况,确定各车厢的工况以及需要进行稳定性控制的目标车厢,从而减少了需要进行控制的车厢数量,简化了控制复杂度,通过构建侧向动力学公式、横向动力学公式、侧倾动力学公式以及铰接处受力公式,从多方面考虑,为失稳判断提供较为完善的依据,并且针对目标车厢先后采取横摆失稳判断和侧翻失稳判断,针对不同工况下的失稳目标车厢采取对应控制策略,从而实现了可编组无轨电车的直行和转弯工况进行有效的稳定性控制。
附图说明
图1为本发明实施例的技术路线图。
图2为本发明实施例中容易出现横摆失稳的不同工况示意图。
图3为本发明实施例的稳定性控制策略示意图。
图4为本发明实施例的稳定性控制方法流程图。
图5为本发明实施例中动力学模型的车辆横摆模型。
图6为本发明实施例中动力学模型的车辆侧倾模型。
图7为本发明实施例中动力学模型的铰接处受力模型。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述,但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示,本实施例的技术构思为:首先根据可编组无轨电车结构,进行不同工况的失稳特征分析,然后建立高速失稳动力学模型,该模型可分别针对横摆失稳和侧翻失稳建立对应的计算方程,并进行失稳类别判断,最后针对不同失稳类别,基于单轮差动制动控制原理,实施稳定性控制策略,以减小可编组无轨电车在不同工况(直道和不同类型弯道)发生失稳的几率。
图2中的A、B、C、D分别直道行驶、直道入弯道行驶、变曲率弯道行驶和弯道入直道行驶四种工况,对应四种容易出现横摆失稳的工况。其中:
A工况为直道行驶工况示意。可编组无轨电车在直行过程中,由第一节车厢提供动力,并通过铰接依次向后提供动力,选取直行工况中的任意一节车厢(Mi)作为研究对象,其受到的力除了前车厢(Mi-1)通过交接点给它提供的动力和地面通过轮胎对它形成的约束以外,它还受到后车厢(Mi+1)对它的拖拽作用,因此,不易向左右两侧发生横摆或侧翻失稳。但是,由于车辆存在后部放大作用的存在,车厢离动力车厢越远,其各项运动参数就会越大,并且由于最后一节车厢后面没有其他后车厢对它进行约束,所以最容易发生横摆和侧翻等失稳工况。因此我们只需要研究最后一节车的运动工况,并将其控制在安全范围内,即可避免车辆的失稳。
B工况为直道入弯道行驶工况示意。当可编组无轨电车从直道进入弯道时,第一节车厢由司机控制进入,因此失稳的发生概率极低,当第一节车厢进入弯道后,在弯道曲率稳定的前提下第一节车厢将保持稳定工况,后一节车厢紧接着入弯,而入弯时改变车轮转角会导致地面对车辆力的作用的改变,因此有可能发生车辆折叠或侧翻,而入弯车辆的后一节车厢依然处于直道中,处于稳定行驶工况。该工况分析对任意一节车厢(Mi)的入弯工况都适用,其前车厢(Mi-1)与后车厢(Mi+1)均是稳定行驶工况,所以我们只需要对正在入弯的车厢(Mi)进行失稳控制即可。
C工况为变曲率弯道行驶工况示意。任意一节车厢(Mi)从上一弯道驶入下一弯道时,转角发生变化导致地面对车辆的作用力发生变化,与B工况相似,前车厢(Mi-1)已处于弯道稳定工况中,不同的是后车厢(Mi+1)并非处于直道,而是处于上一个弯道之中,但是仍保持稳定的行驶工况。在此工况下,我们只需控制状态发生改变车厢(Mi),以保证其不发生失稳。
D工况为弯道入直道行驶工况示意。该工况是B工况的逆过程,前车厢(Mi-1)已进入直道稳定工况,后车厢(Mi+1)处于弯道稳定工况,因此仍然只需要控制正在发生状态改变的车厢(Mi)即可。
综上所述,我们可以得出结论,在上述四种工况中,只需要控制住最易发生失稳的车厢,即可控制住全车的稳定性,减少车辆横摆失稳和侧翻失稳的情况发生,可以将复杂的对整车控制问题简化为对任意符合条件车厢的控制问题。
为了对于上述各类工况下需要控制的车厢进行稳定性控制,如图3所示,本实施例中提出的稳定性控制策略的基本原理是:通过车辆传感器得到当前车厢行驶路段后端的曲率半径R1,如果判定R1=∞,则视为车厢之前处于直行路况中,否则为弯道工况中;然后判断当前车厢行驶路段前端的曲率半径R2,根据曲率半径R1和R2综合得出车厢目前处于前述四类工况中的哪一种;在确定所处道路工况后,判断车厢是否处于对应的失稳工况中,若车辆处于横摆失稳中时,则直接启动制动力执行器,如果车辆对于横摆失稳判据是处于安全范围内,继续进行侧翻判断,判断的判据为车辆的横向转移率是否达到设定的阈值,如果超过则启动制动力执行器,否则继续获取车厢的相关参数进行循环判断。
根据上述构思,本实施例提出一种可编组无轨电车稳定性控制方法,如图4所示,包括以下步骤:
S1)获取各车厢行驶路段后端的曲率半径R1和前端的曲率半径R2,根据曲率半径R1和R2的值选取目标车厢;
S2)根据预设的动力学模型,计算目标车厢的理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi;
S3)若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制,返回步骤S1)直到结束;若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi不满足横摆响应特征,计算目标车厢的横向载荷转移率LTR以及侧翻预警横摆转移率LTR*;
S4)若横向载荷转移率LTR大于侧翻预警横摆转移率LTR*,对目标车厢进行侧翻稳定性控制,返回步骤S1)直到结束;若横向载荷转移率LTR小于侧翻预警横摆转移率LTR*,返回步骤S1)直到结束。
根据前文对于图2的说明,本实施例的步骤S1)中,根据曲率半径R1和R2的值选取目标车厢具体包括:
若车厢Mi的曲率半径R1和R2均为第一值(即∞),且车厢Mi为最后一节车厢,则车厢Mi为直道行驶工况的目标车厢;
若车厢Mi的曲率半径R1为第一值(即∞)且R2不为第一值,则车厢Mi为直道入弯道行驶工况的目标车厢;
若车厢Mi的曲率半径R1不为第一值且R2为第一值(即∞),则车厢Mi为弯道入直道行驶工况的目标车厢;
若车厢Mi的曲率半径R1与R2均不为第一值且R1与R2的值不相同,则车厢Mi为变曲率弯道行驶工况的目标车厢。
本实施例的步骤S2)具体包括以下步骤:
S21)根据预设的动力学模型,构建各车厢的侧向动力学公式、横向动力学公式、侧倾动力学公式以及铰接处受力公式;
本实施例中,动力学模型包括图5所示的车辆横摆模型、图6所示的车辆侧倾模型以及图7所示的铰接处受力模型,图5至图7中,以车辆前进方向为X轴正方向,以车辆上方为Z轴正方向,以车辆前进方向的左方为Y轴正方向,根据图5至图7,侧向动力学公式如下:
上式中,mMi为车厢Mi的整车质量,为车厢Mi的纵向速度,HMi为车厢Mi质心到地面的距离,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴左轮纵向受力,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴左轮横向受力,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴右轮纵向受力,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴右轮横向受力,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴车轮转角,ωMi为车厢Mi的横摆角速度,/>和/>分别为车厢Mi前后铰接处的横向受力,/>为车厢Mi的横向速度,/>为车厢Mi的侧倾角加速度,其中ωMi、/>为未知量;
根据图5至图7,横向动力学公式如下:
上式中,为车厢Mi在Z轴方向上的转动惯量,/>为车厢Mi的横摆角速度,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴左轮纵向受力,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴左轮横向受力,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴右轮纵向受力,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴右轮横向受力,/>和/>分别为车厢Mi的前后轴车轮转角,/>和/>分别为车厢Mi的前后铰接点的纵向力,ωMi为车厢Mi的横摆角速度,Tw为车厢Mi的左右轮距,/>为车厢Mi的质心到前轴的距离,/>为车厢Mi的质心到前轴的距离,LTP为车厢Mi的车轴到铰接处的距离,其中/>为未知量;
根据图5至图7,侧倾动力学公式如下:
上式中,为车厢Mi在X轴方向上的转动惯量,/>为车厢Mi的侧倾角加速度,为车厢Mi的簧上质量,hMi为车厢Mi的质心到侧倾中心的距离,g为重力加速度,/>为车厢Mi的侧倾角,ks为弹簧弹性系数,其中/>为未知量;
由图7可知,铰接处的受力情况对横摆也会有一定的影响。对于可编组无轨电车而言,车辆行驶状态由稳态变为非稳态,稳定状态时前后车厢之间无相对运动,铰接处受力为0,因此车厢后铰接点的不受力,对车厢的行驶不产生影响;而当车辆入弯时,此时前铰接处受力起到了车辆转向与抵消地面给轮胎的侧向力的作用,因此铰接处受力公式如下:
上式中,为车厢Mi前铰接处的总受力,/>和/>分别为车厢Mi前后铰接处的横向受力,/>和/>分别为车厢Mi后铰接点到前铰接点、前轮、后轮垂线上的距离,其中/>为未知量;
S22)从首节车厢开始,根据每一节车厢的侧向动力学公式、横向动力学公式、侧倾动力学公式以及铰接处受力公式,计算得到该车厢的实际横摆角速度,具体包括:
若车厢Mi为首节车厢,根据车厢Mi的侧倾动力学公式即式(3)计算得到车厢Mi的侧倾角然后将车厢Mi的侧倾角/>代入车厢Mi的侧向动力学公式即式(1),由于首节车厢不存在前铰接力/>因此式(1)中的2个未知参数为/>和ωMi,同理,在式(2)中未知参数也为/>和ωMi,因此将车厢Mi的侧向动力学公式以及横向动力学公式联立,即对代入式(3)计算结果的式(1)和式(2)联立求解,即可得到车厢Mi的实际横摆角速度ωMi;
若车厢Mi不为首节车厢,根据车厢Mi的侧倾动力学公式即式(3)计算得到车厢Mi的侧倾角然后将车厢Mi的侧倾角/>代入车厢Mi的侧向动力学公式即式(1),根据车厢Mi的铰接处受力公式即式(4),也可以得到/>和/>的函数关系,因此将车厢Mi的铰接处受力公式,侧向动力学公式以及横向动力学公式联立,即对代入式(3)计算结果的式(1)、式(2)和式(4)联立求解,即可得得到车厢Mi的实际横摆角速度ωMi;
S23)根据车辆状态方程,计算得到每一节车厢的理论横摆角速度,车辆状态方程表达式如下:
上式中,和ω为车辆质心侧偏角和横摆角速度;a和b为质心到前后车轴之间的距离;k1和k2为前后车轮的侧偏刚度;m为车体质量;u为车辆纵向速度;Iz为转动惯量;δ为车轮转角;
S24)根据目标车厢的序号,从所有车厢的理论横摆角速度以及实际横摆角速度中匹配得到目标车厢的理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi。
本实施例中,目标车厢为直道行驶工况的目标车厢时,控制策略如表1所示。
表1直道行驶时Mi车单轮制动力分配控制策略
具体的,当目标车厢为直道行驶工况的目标车厢时,若出现横摆失稳情况,目标车厢(Mi)与前车厢(Mi-1)在铰接处形成了一个相对横摆角度,记作θ,我们把目标车厢(Mi)相对于前车厢(Mi-1)往右摆动记为正向横摆失稳,相对横摆角度相对前车厢(Mi-1)向右,记作θ>0,同时将ωMi记为目标车厢的实际横摆角速度,ω*记为目标车厢的理论横摆角速度,因此正向横摆失稳时有:ωMi>ω*,在直行工况下ω*=0,这时我们制动其右后轮(2b),产生一个反向横摆转矩来平衡目标车厢的失稳横摆转矩;当目标车厢(Mi)相对于前车厢(Mi-1)往左摆动失稳时有:ωMi<ω*,此时记作θ<0,这时我们制动其左后轮(2a),产生一个反向横摆转矩来平衡目标车厢的失稳横摆转矩,在此情况下本实施例的步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
若|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右后轮;
若|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左后轮。
本实施例中,目标车厢为直道入弯道行驶工况的目标车厢时,控制策略如表2所示。
表2直道入弯道行驶时Mi车单轮制动力分配控制策略
具体的,当车辆从直道驶入弯道时,目标车厢在入弯的过程中,横摆失稳的情况分为不足转向和过度转向两种工况,下面我们以车辆左转为正方向分情况讨论。
当目标车厢发生不足转向时,即转弯角度不足,不能很好的满足车辆的循迹要求,此时有:ωMi<ω*,可能会出现占用其他车道的情况发生,因此是一种不良(有害)工况,需要加以控制。从车辆动力学的角度来看,其发生不足转向主要是因为地面对车轮的侧向力不能提供足够大的横摆转矩使目标车厢的横摆角速度满足弯道所需,对于这种情况我们制动目标车厢的左后轮(2a),以提供一个足够的横摆补偿转矩促进目标车厢的转弯;当目标车厢发生过度转向时,即目标车厢的转弯角度过大,此时有:ωMi>ω*,在车速很大的情况下会出现前后目标车厢的折叠,导致事故的发生,需要通过策略的干预来抑制改工况的发生。当目标车厢发生过度转向时,目标车厢的横摆转矩过大,我们需要一个反向的横摆补偿转矩来抵消一部分的横摆转矩,制动车辆的右前轮(1b)。在此情况下,本实施例的步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的入弯方向;
若目标车厢左转入弯且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢左转入弯且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢左后轮;
若目标车厢右转入弯且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢右转入弯且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢右后轮。
本实施例中,目标车厢为弯道出直道行驶工况的目标车厢时,控制策略如表3所示。
表3弯道入直道行驶时Mi车单轮制动力分配控制策略
具体的,车辆从弯道入直道时,与直道入弯道的工况类似,目标车厢横摆失稳的情况也分为不足转向和过度转向两种工况。弯道入直道的不足转向是由于还存在横摆转矩,即ωMi>ω*,理论横摆角速度在此工况下应为ω*=0,目标车厢不能回到直行的工况,可能导致折叠的发生,所以我们需要制动右前轮(1b)抵消多余的横摆转矩,使目标车厢回到直行工况,即使横摆转矩为零;弯道入直道的过度转向表现为目标车厢回到直行工况后向反方向偏转,即ωMi<ω*且ω*=0,目标车厢可能会占用其他道路,提高事故发生的可能性,此时我们需要制动左后轮(即2a轮)产生一个反向的横摆转矩,使目标车厢回到直行工况。在此情况下,本实施例的步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的出弯方向,以左转为正方向;
若目标车厢左转出弯,ωMi>0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢左转出弯,ωMi<0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢右转出弯,ωMi<0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢右转出弯,ωMi>0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮。
本实施例中,目标车厢为变曲率弯道行驶工况的目标车厢时,控制策略如表4所示。
表4变曲率弯道行驶时Mi车单轮制动力分配控制策略
具体的,弯道变曲率工况可以看作一种特殊的入弯工况,在目标车厢进入不同曲率的弯道时,由于车轮的转角变化,可以得到不同的理论横摆角速度ω*。以原工况为左转为例,目标车厢在变曲率工况中又可分为同向变曲率和不同向变曲率,前者的实际横摆角速度均保持在ωMi>0,其控制策略与直道入弯道的左转入弯完全一致,记作C型工况;后者横摆角速度由ωMi>0变为ωMi<0,记作S型工况,该工况的控制策略需要从车辆左转入弯工况转变为车辆右转入弯工况的控制策略。在此情况下,本实施例的步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的转向,比较目标车厢当前时刻和上一时刻的理论横摆角速度以确定弯道类型;
若目标车厢左转,弯道为第一类型即C型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢左转,弯道为第一类型即C型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢左后轮;
若目标车厢左转,弯道为第二类型即S型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢左转,弯道为第二类型即S型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢右后轮;
若目标车厢右转,弯道为第一类型即C型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢右转,弯道为第一类型即C型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢右后轮;
若目标车厢右转,弯道为第二类型即S型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢右转,弯道为第二类型即S型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢左后轮。
本实施例的步骤S3)中,若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi不满足横摆响应特征,说明目标车厢没有横摆失稳的风险,此时还需要判断是否存在侧翻失稳的风险,其中:
计算横向载荷转移率LTR的公式为:
/>
上式中,mMi为车厢Mi的整车质量,为车厢Mi的纵向速度,g为重力加速度,hMi为车厢Mi的质心到侧倾中心的距离,Tw为车厢Mi的左右轮距,R2为车厢Mi行驶路段前端的曲率半径,/>为车厢Mi的簧上质量;
计算侧翻预警横摆转移率LTR*的公式为:
上式中,为车厢Mi的左侧轮胎垂直载荷,/>为车厢Mi的右侧轮胎垂直载荷。
在可编组无轨电车运行过程中,由于直行时不存在侧向力的影响,直行时横向载荷转移率(LTR)为零,因此只需要针对行驶在弯道的目标车厢进行侧翻稳定性控制。对差动制动的原理分析可知,如果在侧翻即将发生时制动内侧车轮,目标车厢会有过度转向的趋势,过度转向在目标车厢上的具体表现为增加了目标车厢的横向载荷转移率(LTR),加剧了侧翻的发生;而如果制动外侧车轮,目标车厢的趋势为不足转向,但却减小了目标车厢的横向载荷转移率(LTR),很好的抑制了目标车厢侧翻的趋势,起到了控制侧翻失稳的作用。在控制策略中,为了尽可能减小侧翻控制对横摆失稳的影响,我们将制动轮选择为外后轮。
以左转为例,当目标车厢横向载荷转移率(LTR)大于侧翻预警横摆转移率(LTR*)时,说明目标车厢可能会发生侧翻失稳工况,需要控制器干预维持目标车厢稳定状态,需要对目标车厢的外侧后轮即右后轮(即2b轮)进行制动使目标车厢横向载荷转移率(LTR)回到安全范围内;当目标车厢横向载荷转移率(LTR)在侧翻预警横摆转移率(LTR*)范围内,即大于侧翻预警横摆转移率(LTR*)时,说明目标车厢没有侧翻的风险,无需操作。侧翻稳定性控制的控制策略具体如表5所示。
表5侧翻工况单轮制动力分配控制策略
因此,本实施例的步骤S4)中对目标车厢进行侧翻稳定性控制具体包括:
若目标车厢不为直道行驶工况的目标车厢,获取目标车厢的转角以确定目标车厢的转向;
若目标车厢左转,制动目标车厢右后轮;
若目标车厢右转,制动目标车厢左后轮。
根据前文内容可知,本实施例中,各工况下对于目标车厢的稳定性控制均采用单轮制动的方式,具体的,本实施例的制动过程具体包括:
A1)计算目标车厢的理论横摆角速度ω*和实际横摆角速度ωMi的差值并根据失稳计算公式求出需补充的力矩大小,该公式表达式为:
上式中,为目标车厢的理论横摆角速度ω*和实际横摆角速度ωMi的差值,Iz为Z轴方向上的转动惯量。
A2)根据需补充的力矩大小,计算所需制动力的大小,并以计算得到的制动力,对目标车厢的对应车轮进行制动,制动力的计算公式为:
上式中,B为目标车厢的轮距,ΔM为式(5)计算得到的力矩。据此,可以完成对目标车厢失稳的控制。
此外,对于行驶在弯道中的目标车厢,考虑到当路面附着系数较小时,横摆运动会先到达失稳的极限从而发生侧滑,反之,当路面附着系数较大时,侧倾运动会先到达失稳的极限从而发生侧翻,因此本实施例的步骤A2)还包括,若路面附着系数小于系数阈值,以计算得到的制动力,对目标车厢的对应车轮进行制动直到目标车厢的速度小于第一速度,若路面附着系数大于系数阈值,以计算得到的制动力,对目标车厢的对应车轮进行制动直到目标车厢的速度小于第二速度,其中:
系数阈值的计算公式为:
上式中,mMi为车厢Mi的整车质量,Tw为车厢Mi的左右轮距,为车厢Mi的簧上质量,hMi为车厢Mi质心到侧倾中心的距离,LTR*为侧翻预警横摆转移率;
第一速度的计算公式为:
上式中,μ为路面附着系数,g为重力加速度,R2为目标车厢行驶路段前端的曲率半径;
第二速度的计算公式为:
上式中,mMi为车厢Mi的整车质量,Tw为车厢Mi的左右轮距,为车厢Mi的簧上质量,hMi为车厢Mi质心到侧倾中心的距离,LTR*为侧翻预警横摆转移率,R2为目标车厢行驶路段前端的曲率半径。
本实施例还提出一种可编组无轨电车稳定性控制系统,包括:
目标车厢选取单元,获取各车厢行驶路段后端的曲率半径R1和前端的曲率半径R2,根据道路曲率半径R1和R2的值选取目标车厢;
角速度计算单元,用于根据图5至图7所示的各动力学模型,计算目标车厢的理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi;
横摆稳定性控制单元,用于若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制,启动目标车厢选取单元直到结束;若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi不满足横摆响应特征,计算目标车厢的横向载荷转移率LTR以及侧翻预警横摆转移率LTR*;
侧翻稳定性控制单元,用于若横向载荷转移率LTR大于侧翻预警横摆转移率LTR*,对目标车厢进行侧翻稳定性控制,启动目标车厢选取单元直到结束;若横向载荷转移率LTR小于侧翻预警横摆转移率LTR*,启动目标车厢选取单元直到结束。
上述只是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种可编组无轨电车稳定性控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1)获取各车厢行驶路段后端的曲率半径R1和前端的曲率半径R2,根据曲率半径R1和R2的值选取目标车厢,具体包括:
若车厢Mi的曲率半径R1和R2均为第一值,且车厢Mi为最后一节车厢,则车厢Mi为直道行驶工况的目标车厢;
若车厢Mi的曲率半径R1为第一值且R2不为第一值,则车厢Mi为直道入弯道行驶工况的目标车厢;
若车厢Mi的曲率半径R1不为第一值且R2为第一值,则车厢Mi为弯道入直道行驶工况的目标车厢;
若车厢Mi的曲率半径R1与R2均不为第一值且R1与R2的值不相同,则车厢Mi为变曲率弯道行驶工况的目标车厢;
S2)根据预设的动力学模型,计算目标车厢的理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi;
S3)若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制,返回步骤S1)直到结束;若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi不满足横摆响应特征,计算目标车厢的横向载荷转移率LTR以及侧翻预警横摆转移率LTR*;目标车厢为变曲率弯道行驶工况的目标车厢时,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的转向,比较目标车厢当前路段和上一路段的实际横摆角速度以确定弯道类型;
若目标车厢左转,弯道为第一类型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢左转,弯道为第一类型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢左后轮;
若目标车厢左转,弯道为第二类型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢左转,弯道为第二类型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢右后轮;
若目标车厢右转,弯道为第一类型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢右转,弯道为第一类型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢右后轮;
若目标车厢右转,弯道为第二类型且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢右转,弯道为第二类型且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢左后轮;
S4)若横向载荷转移率LTR大于侧翻预警横摆转移率LTR*,对目标车厢进行侧翻稳定性控制,返回步骤S1)直到结束;若横向载荷转移率LTR小于侧翻预警横摆转移率LTR*,返回步骤S1)直到结束。
2.根据权利要求1所述的可编组无轨电车稳定性控制方法,其特征在于,目标车厢为直道行驶工况的目标车厢时,步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
若|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右后轮;
若|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左后轮。
3.根据权利要求1所述的可编组无轨电车稳定性控制方法,其特征在于,目标车厢为直道入弯道行驶工况的目标车厢时,步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的入弯方向;
若目标车厢左转入弯且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢左转入弯且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢左后轮;
若目标车厢右转入弯且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢右转入弯且|ωMi|<|ω*|,制动目标车厢右后轮。
4.根据权利要求1所述的可编组无轨电车稳定性控制方法,其特征在于,目标车厢为弯道出直道行驶工况的目标车厢时,步骤S3)中若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的出弯方向,以左转为正方向;
若目标车厢左转出弯,ωMi>0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢左转出弯,ωMi<0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮;
若目标车厢右转出弯,ωMi<0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢右前轮;
若目标车厢右转出弯,ωMi>0且|ωMi|>|ω*|,制动目标车厢左前轮。
5.根据权利要求1所述的可编组无轨电车稳定性控制方法,其特征在于,步骤S2)具体包括:
S21)根据预设的动力学模型,构建各车厢的侧向动力学公式、横向动力学公式、侧倾动力学公式以及铰接处受力公式;
S22)从首节车厢开始,根据每一节车厢的侧向动力学公式、横向动力学公式、侧倾动力学公式以及铰接处受力公式,计算得到该车厢的实际横摆角速度;
S23)根据车辆状态方程,计算得到每一节车厢的理论横摆角速度;
S24)根据目标车厢的序号,从所有车厢的理论横摆角速度以及实际横摆角速度中匹配得到目标车厢的理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi。
6.根据权利要求5所述的可编组无轨电车稳定性控制方法,其特征在于,步骤S22)具体包括:
若车厢Mi为首节车厢,根据车厢Mi的侧倾动力学公式计算得到车厢Mi的侧倾角,然后将车厢Mi的侧倾角代入车厢Mi的侧向动力学公式,将车厢Mi的侧向动力学公式以及横向动力学公式联立,得到车厢Mi的实际横摆角速度ωMi;
若车厢Mi不为首节车厢,根据车厢Mi的侧倾动力学公式计算得到车厢Mi的侧倾角,然后将车厢Mi的侧倾角代入车厢Mi的侧向动力学公式,将车厢Mi的铰接处受力公式、侧向动力学公式以及横向动力学公式联立,得到车厢Mi的实际横摆角速度ωMi。
7.根据权利要求1所述的可编组无轨电车稳定性控制方法,其特征在于,步骤S4)中对目标车厢进行侧翻稳定性控制具体包括:
获取目标车厢的转角以确定目标车厢的转向;
若目标车厢左转,制动目标车厢右后轮;
若目标车厢右转,制动目标车厢左后轮。
8.根据权利要求1所述的可编组无轨电车稳定性控制方法,其特征在于,应用于可编组无轨电车稳定性控制系统,所述可编组无轨电车稳定性控制系统包括:
目标车厢选取单元,用于获取各车厢行驶路段后端的曲率半径R1和前端的曲率半径R2,根据曲率半径R1和R2的值选取目标车厢;
角速度计算单元,用于根据预设的动力学模型,计算目标车厢的理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi;
横摆稳定性控制单元,用于若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi满足横摆响应特征,对目标车厢进行横摆稳定性控制,启动目标车厢选取单元直到结束;若理论横摆角速度ω*以及实际横摆角速度ωMi不满足横摆响应特征,计算目标车厢的横向载荷转移率LTR以及侧翻预警横摆转移率LTR*;
侧翻稳定性控制单元,用于若横向载荷转移率LTR大于侧翻预警横摆转移率LTR*,对目标车厢进行侧翻稳定性控制;若横向载荷转移率LTR小于侧翻预警横摆转移率LTR*,启动目标车厢选取单元直到结束。
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