CN105292249B - 胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法，在胶轮低地板智能轨道列车的行进过程中，保证列车第一个车桥、所有铰接盘中心点运行在同一轨迹上；实时计算列车在行进过程中为了保证运行在同一轨迹上的各车轮的转角，以实时控制转角驱动转向***转向。本发明具有控制更加精确、能够减小转弯半径、提高行驶灵活性等优点。

Description

胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法

技术领域

本发明主要涉及到城市公共交通设备领域，特指一种适用于胶轮低地板智能轨道列车的列车轨迹跟随的控制方法。

背景技术

城市轨道交通是指具有连续导向能力的专线公共交通***，其特点表现为拥有特定轨道，车辆沿轨道运行。常见的城市轨道交通有地铁、轻轨、有轨电车等。其中，地铁、轻轨大都建造于地下或者高架桥上，通过使用闭塞模式实现其在轨道专线中自由运行，它们虽然运输力强大，但前期基础设施及车辆购置成本较大，使得其在中小城市不能广泛应用。有轨电车则需要专门的电力***和轨道配合设计，无论是设计建设成本或者维护成本相对较大、且易受制于运行环境。

除了上述轨道交通之外，其它的公共交通***常见的有传统公交车、铰接式汽车列车。传统公交车成本低、行驶灵活，当前方有障碍物时，能够很方便的躲开障碍物继续行驶，当车辆发生故障时，可以靠边，不会影响其他车辆行驶。但传统公交车运力少，通常会通过铰接多节车厢来组成汽车列车增加运力。在中小城市中发展汽车列车替代传统的公交车，在保证汽车列车通过性和转向性能等安全因素条件下，其不仅能够提高运输能力而且能降低运输成本30％左右。铰接式汽车列车客车虽然载客能力大，但是它和单体客车相比，最大的差别是因车身长度加长带来的道路通过性的变化，具体表现为转弯半径增加，转弯所占车道面积增大，易与旁边的道路交通其它元素发生干涉，从而不能顺利通过，甚至恶化交通运行环境，无法快速、高效地实现公交运输。

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，本发明提供一种控制更加精确、能够减小转弯半径、提高行驶灵活性的胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法，在胶轮低地板智能轨道列车的行进过程中，保证列车第一个车桥、所有铰接盘中心点运行在同一轨迹上；实时计算列车在行进过程中为了保证运行在同一轨迹上的各车轮的转角，以实时控制转角驱动转向***转向。

作为本发明的进一步改进：在计算各车轮转角之前，先建立车辆模型；即，将铰接式汽车列车的静态模型降阶为“单轮模型”，这样铰接式汽车列车的运动特性就用轮子位于车辆中轴线的“单车”的运动特性来描述。

作为本发明的进一步改进：当胶轮低地板智能轨道列车进行曲线行驶时，计算各个转向轴转角的步骤为：

I、第二轴车轴转角；对于第一节车厢，在铰接点处构建一个虚拟车轴，当车辆的第一个铰接点需要满足与第一轴轨迹一致时，则有delta1与deltaV1g1大小相等方向相反，delta2可按照下列公式进行计算：

deltaV1g1＝delta1

其中，delta₁、delta₂、delta₃、delta₄......为各车轴的转角，即第一轴转角delta₁、第二轴转角delta₂、第三轴转角delta₃、第四轴转角delta₄；其中，deltaV1g1为第一个铰接点相对于第一节车厢的转角，Rv1为第一节车厢转弯圆心到车身的距离，L1为第一轴和第二轴的距离，L1g为第二轴到第一个铰接点的距离；

II、第四轴车轴转角；对于第二节车厢，在第二个铰接点处也构建一个虚拟车轴，当车辆的第二个铰接点与第一个铰接点轨迹一致时，则有deltaV2g2与deltaV2g1大小相等方向相反：

deltaV2g1＝deltaV1g1+beta1

deltaV2g2＝deltaV2g1

车辆的第四轴与第一和第二个铰接点共圆心，delta4根据以下公式进行计算：

其中deltaV2g1为第一个铰接点相对于第二节车厢的转角，deltaV2g2为第二个铰接点相对于第二节车厢的转角；

其中，Rv2为第二节车厢转弯圆心到车身的距离，L2为第三轴和第四轴的距离，L2g为第三轴到第一个铰接点的距离，Lg2为第四轴到第二个铰接点的距离；

III、第三轴车轴转角：由于第四轴与铰接点G1两点决定一条直线，因此第二节车厢的车身姿态已全部确定，第三轴车轮转角为适应当前车身姿态所需的最佳转角；Delta3的大小为：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法，通过计算车辆行进过程中各车轮的转角驱动转向***转向，保证列车第一个车桥、所有铰接盘中心点运行在同一轨迹上。即，使每个铰接点的运行轨迹与第一个车桥中心点重合，迫使铰接盘向列车行驶通道的中间位置靠拢，避免传统控制方式中铰接盘位置会偏向列车行驶通道的外侧，从而带来的安全隐患。

2、本发明的胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法，在使用之后，使得铰接式汽车列车能够充分展现城市轨道交通工具载客能力大的优点，同时具有传统公交车成本低的特点，并且转弯半径小、转弯通道小、行驶灵活，另外通过对铰接盘的控制具有较好的行车安全性。

附图说明

图1是本发明方法的控制原理示意图。

图2是铰接式汽车列车当中车厢转向时内侧车轮与外侧车轮之间的关系示意图。

图3是转换为单车模型后车厢转向时内侧车轮与外侧车轮之间的关系示意图。

图4是本发明在具体应用实例中delta2的计算示意图。

图5是本发明在具体应用实例中delta4的计算示意图。

图6是采用本发明控制方法后铰接式汽车列车在转弯时最终的轨迹跟随示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法，主要适用于铰接式汽车列车，它是通过计算车辆行进过程中各车轮的转角驱动转向***转向，用来保证列车第一个车桥、所有铰接盘中心点运行在同一轨迹上。具体步骤为：

S1：建立车辆模型；将铰接式汽车列车的静态模型降阶为“单轮模型”，可以称之为单车模型(bicycle-model)；

在建立车辆模型之前，与实际的车辆模型相比，在此先进行了一些假设，其满足以下条件：

1)忽略轮胎与道路之间的侧偏角，即轮子的方向决定了车辆的方向；

2)无其它外力作用；

3)车辆行驶速度低，质量和惯性被忽略。

当上述假设完成后，即可建立关于铰接式汽车列车的“单轮模型”。

如图2所示，为铰接式汽车列车当中，车厢转向时内侧车轮与外侧车轮之间的关系示意图。图中：

其中delta₁₁为外侧车轮转角，delta₁₂为内侧车轮转角，delta₁为等效为单轮模型后中间点的转角，W₁为内外侧车轮距离，L₁为第一轴与第二轴距离。

通过车辆模型以及图2的示意可知，铰接式汽车列车的运动特性可以用轮子位于车辆中轴线的“单车”的运动特性来描述。因此，N节铰接的汽车列车可由图3所示的单车模型来描述，图3中展现了转换为单车模型后车厢转向时内侧车轮与外侧车轮之间的关系。

S2：当进行曲线行驶时，计算各个转向轴的转角；其中，delta₁、delta₂、delta₃、delta₄......为各车轴的转角，即第一轴转角delta₁、第二轴转角delta₂、第三轴转角delta₃、第四轴转角delta₄。beta₁、beta₂……beta_n为各铰接盘的转角，即第一个铰接盘转角beta₁、第二个铰接盘转角beta₂、第n个铰接盘转角beta_n。

第二轴车轴转角；对于第一节车厢，在铰接点处构建一个虚拟车轴，当车辆的第一个铰接点需要满足与第一轴轨迹一致时，则有delta1与deltaV1g1大小相等方向相反。结合图4的计算示意图，delta2可按照下列公式进行计算：

deltaV1g1＝delta1

第四轴车轴转角：对于第二节车厢，在第二个铰接点处也构建一个虚拟车轴，当车辆的第二个铰接点与第一个铰接点轨迹一致时，则有deltaV2g2与deltaV2g1大小相等方向相反。

deltaV2g1＝deltaV1g1+beta1

deltaV2g2＝deltaV2g1

车辆的第四轴与第一和第二个铰接点共圆心，结合图5的计算示意图，delta4可根据以下公式进行计算：

第三轴车轴转角：

由于第四轴与铰接点G1两点决定一条直线，因此第二节车厢的车身姿态已全部确定，第三轴车轮转角为适应当前车身姿态所需的最佳转角。Delta3的大小为：

S3：依据步骤S2中计算得到的各个车轴转角，对车辆进行控制，完成轨迹跟随转向。

如图6所示，为本实施例中采用上述控制方法的铰接式汽车列车在转弯时最终的轨迹跟随示意图。使用该控制方法的铰接式汽车列车具有城市轨道交通工具载客能力大的优点，编组多，同时具有传统公交车成本低的特点，并且转弯半径小、转弯通道小、行驶灵活，另外通过对铰接盘的控制具有较好的行车安全性。

在具体应用实例中，当进行直线行驶时；

所有车轴的转角均为0，即：

delta₁＝delta₂＝delta₃＝delta₄＝0

delta₁、delta₂、delta₃、delta₄......为各车轴的转角，即第一轴转角delta₁、第二轴转角delta₂、第三轴转角delta₃、第四轴转角delta₄。

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。例如说，本发明还能够适用于其他类型的多轴汽车列车，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 (1)

1.一种胶轮低地板智能轨道列车用的轨迹跟随控制方法，其特征在于，在胶轮低地板智能轨道列车的行进过程中，保证列车第一个车桥、所有铰接盘中心点运行在同一轨迹上；实时计算列车在行进过程中为了保证运行在同一轨迹上的各车轮的转角，以实时控制转角驱动转向***转向；

在计算各车轮转角之前，先建立车辆模型；即，将铰接式汽车列车的静态模型降阶为“单轮模型”，这样铰接式汽车列车的运动特性就用轮子位于车辆中轴线的“单车”的运动特性来描述；

当胶轮低地板智能轨道列车进行曲线行驶时，计算各个转向轴转角的步骤为：

I、第二轴车轴转角；对于第一节车厢，在铰接点处构建一个虚拟车轴，当车辆的第一个铰接点需要满足与第一轴轨迹一致时，则有delta1与deltaV1g1大小相等方向相反，delta2可按照下列公式进行计算：

deltaV1g1＝delta1

其中，delta1、delta2、delta3、delta4......为各车轴的转角，即第一轴转角delta1、第二轴转角delta2、第三轴转角delta3、第四轴转角delta4；其中，deltaV1g1为第一个铰接点相对于第一节车厢的转角，Rv1为第一节车厢转弯圆心到车身的距离，L1为第一轴和第二轴的距离，L1g为第二轴到第一个铰接点的距离；

II、第四轴车轴转角；对于第二节车厢，在第二个铰接点处也构建一个虚拟车轴，当车辆的第二个铰接点与第一个铰接点轨迹一致时，则有deltaV2g2与deltaV2g1大小相等方向相反：

deltaV2g1＝deltaVg1+beta1

deltaV2g2＝deltaV2g1

车辆的第四轴与第一和第二个铰接点共圆心，delta4根据以下公式进行计算：

其中deltaV2g1为第一个铰接点相对于第二节车厢的转角，deltaV2g2为第二个铰接点相对于第二节车厢的转角；

其中，Rv2为第二节车厢转弯圆心到车身的距离，L2为第三轴和第四轴的距离，L2g为第三轴到第一个铰接点的距离，Lg2为第四轴到第二个铰接点的距离；

III、第三轴车轴转角：由于第四轴与铰接点G1两点决定一条直线，因此第二节车厢的车身姿态已全部确定，第三轴车轮转角为适应当前车身姿态所需的最佳转角；Delta3的大小为：