CN105480299B - 自动导引可配置无轨运载列车及运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动导引可配置无轨运载列车，属于自动化输送装备领域。运载列车分为自动导引动力运载车、动力运载车和/或随动运载车，每列运载列车至少包含一节自动导引动力运载车，每节运载车之间通过三维独立自由度推挽装置相连，自动导引动力运载车牵引整列运载列车沿导引路径行驶。本发明可增强自动导引列车的运行轨迹控制能力，提高自动导引列车的转向机动性，避免在实际运行过程中发生相互碰撞、驶出导引路径或运载车发生侧倾和翻车等现象。本发明还公开了一种上述运载列车的运行控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动导引列车及控制方法，具体讲是一种无需机械轨道导向、运载车类型可灵活配置的自动导引无轨运载列车及运行控制方法，属于自动化输送装备领域。
背景技术
自动导引车(Automated Guided Vehicle,AGV)具有多种载荷输送及转移方式，包含推挽式AGV、叉车式AGV、辊道式AGV、背驮式AGV、顶升式AGV和牵引式AGV等。不同移载方式具有不同的作业特点，如推挽式AGV货物装卸时重心平稳且可以左右两侧装卸，站台不需要安装动力装置，但对AGV的定位要求比较高，工位站台辊道需要与AGV的辊道高度相同。叉车式AGV能够在高度差很大的站台以及地面间装卸货物，在使用多层货架或者驶入式巷道的仓库中装卸货物具有很大优势，但叉车式AGV倒车时转弯半径较大。
与其他移载方式相比，牵引式AGV更适合于单体重量不大、总体数量众多的物流输送。牵引式AGV不需要在AGV上设置移载装置，只提供牵引力，与电动拖车比较类似，在AGV后侧或者侧面设置挂钩，挂车通过挂钩与AGV相连，达到拖挂的目的。牵引式AGV结构简单，能耗小，成本低，能够拖挂多节挂车，通过多节挂车增加运输能力。然而，多节挂车的运行轨迹控制比较困难，牵引式AGV的转弯半径较其他类型AGV大，在高速行驶和制动过程中还会出现蛇形摆动、折叠和挂车甩尾等不稳定现象，增加了牵引式AGV与相反方向或并排同方向行驶的AGV车辆相互碰撞的危险性和驶出导引路径的危险性，严重时还会造成多节挂车的侧倾和翻车。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能有效提高载荷运输能力、增强挂车运行轨迹控制能力和改善运输任务适应能力的自动导引可配置无轨运载列车，并针对该无轨运载列车提供一种分布式前导-跟随的多运载车协同运行控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种自动导引可配置无轨运载列车，至少包括一节位于运载列车最前端的自动导引动力运载车以及若干节随动运载车和/或动力运载车；所述各运载车之间通过三维独立自由度推挽装置相连接；
所述自动导引动力运载车上安装车载控制器、驱动轮装置、电子罗盘，所述驱动轮装置上安装导引传感器，所述驱动轮装置、导引传感器和电子罗盘均与车载控制器电连接；所述导引传感器用于识别导引路径；
所述随动运载车上安装车载控制器；
所述动力运载车上安装车载控制器和驱动轮装置，所述动力运载车的驱动轮装置电连接动力运载车的车载控制器；
所述三维独立自由度推挽装置包括通过水平移动装置相连的第一推挽装置和第二推挽装置，所述第一推挽装置和第二推挽装置分别连接相邻的两节运载车，所述第一推挽装置和第二推挽装置分别测量与其连接的运载车的前、后转动角度并传输到与其连接的运载车上的车载控制器中；所述水平移动装置将相邻两节运载车之间的推挽力传输到相邻两节运载车中前节运载车的车载控制器中；
所述自动导引动力运载车、随动运载车和动力运载车的车载控制器组成控制器网络控制运载列车整体运行。
本发明中，所述三维独立自由度推挽装置中第一推挽装置和第二推挽装置均包括推挽支座、推挽连杆、垂直轴和角度传感器，所述垂直轴穿过推挽支座的上下悬臂并可绕其轴线转动；所述推挽连杆与垂直轴连接，随垂直轴转动，并可沿垂直轴轴线上下滑动；所述角度传感器的转轴与垂直轴固连，角度传感器的本体与推挽支座固连；
所述第一推挽装置或第二推挽装置的推挽连杆的上、下端面与推挽支座之间设有垂直弹性元件；
所述水平移动装置包括水平滑动套筒和位移传感器，所述水平滑动套筒的一端与上、下端面设有垂直弹性元件的推挽连杆固连，另一端开孔，供第一推挽装置或第二推挽装置的推挽连杆***，推挽连杆可相对于水平滑动套筒沿水平方向滑动并限位；所述位移传感器安装在水平滑动套筒内，测量***水平滑动套筒内的推挽连杆与水平滑动套筒的相对位移；所述水平滑动套筒内设有水平弹性元件，水平弹性元件的一端与水平滑动套筒内壁连接，另一端与推挽连杆连接；
所述第一推挽装置和第二推挽装置上的角度传感器分别与其连接的运载车上的车载控制器电连接；所述位移传感器与相邻两节运载车中前节运载车的车载控制器电连接。
本发明中，所述驱动轮装置包括自上而下依次连接的升降模块、减震模块、驱动底盘以及设置在升降模块顶部的压力传感器，所述驱动底盘与减震模块连接，驱动底盘可相对于减震模块转动；所述驱动底盘包括支架、角度传感器、安装在支架上的垂直轴、安装在支架上的水平轴以及安装在水平轴两端的第一驱动轮和第二驱动轮，所述第一驱动轮和第二驱动轮分别采用独立的驱动装置驱动，所述第一驱动轮和第二驱动轮均安装转速传感器，转速传感器与车载控制器电连接；所述驱动底盘的角度传感器的转轴与安装在支架上的垂直轴固连，驱动底盘的角度传感器的本体与减震模块固连；所述压力传感器、升降模块和角度传感器与车载控制器电连接。
本发明中，所述升降模块包括上承载板、中承载板以及连接在上承载板和中承载板之间的第一高度调节机构；所述第一高度调节机构包括两对交叉设置的连杆、电动推杆，所述两对交叉设置的连杆一端分别与上承载板、中承载板的两侧固定连接，另一端分别通过两根水平连杆与上承载板、中承载板两侧的水平腰形孔活动连接，上承载板和中承载板上的水平腰形孔位置对应；所述电动推杆连接任一水平连杆，电动推杆控制水平连杆在水平腰形孔中水平移动，所述电动推杆电连接车载控制器。
本发明中，所述减震模块包括下承载板、中承载板以及设置在下承载板与中承载板之间的第二高度调节机构和弹性缓冲机构；所述第二高度调节机构包括两对交叉设置的连杆，所述两对交叉设置的连杆一端分别与下承载板、中承载板的两侧固定连接，另一端分别通过两根水平连杆与下承载板、中承载板两侧的水平腰形孔活动连接，下承载板和中承载板上的水平腰形孔位置对应；所述水平连杆可在水平腰形孔中的水平移动。
本发明中，所述弹性缓冲机构包括固定在中承载板/下承载板上的第一导向支柱和第二导向支柱，第一导向支柱和第二导向支柱与下承载板/中承载板之间设有缓冲间隙，所述第一导向支柱和第二导向支柱上分别套装减震弹簧，所述减震弹簧的上下两端分别与中承载板、下承载板相连接。
本发明中，所述自动导引动力运载车、随动运载车和/或动力运载车上均安装第一万向轮、第二万向轮、第一定向轮和第二定向轮；所述第一万向轮和第二万向轮位于运载车的前部，第一定向轮和第二定向轮位于运载车的后部，所述第一万向轮和第二万向轮、第一定向轮和第二定轮均关于运载车的横向中心线对称；所述自动导引动力运载车和动力运载车的驱动轮装置固定安装在运载车的横向中心线上，位于万向轮和定向轮之间。
本发明中，所述控制器网络包括若干个控制器组，所述各控制器组中自动导引动力运载车的车载控制器为主控制器节点动力运载车和/或随动运载车上的车载控制器为从控制器节点每两个主控制器节点和间的所有从控制器节点与前一个主控制器节点组成第i个控制器组各控制器组中的主控制器节点之间相互通信；
所述各控制器组内，每个从控制器节点将其所测量的前推挽装置转动角度后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力Fi i_j发送给该组的主控制器节点主控制器节点根据其所测得的后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力按式(1)和(2)计算第i个控制器组中第j节运载车与第j+1节运载车之间的转动角度和推挽力Fi j，j+1：
Fi j,j+1＝Ft i_jj＝0,1,2…,k-1 (2)
式中，k为第i个控制器组内从控制器节点的数目；
在所述控制器组之间，前一主控制器节点将本组中最后一节运载车的后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力Ft i_k发送给后一控制器组中主控制器节点后一控制组中主控制器节点根据其测得的前推挽装置转动角度按式(3)和(4)计算第i+1节自动导引动力运载车与前节运载车之间的转动角度和推挽力
在所述控制器组之间，所述前一主控制器节点将所在控制组中第j节运载车与第j+1节运载车之间的转动角度发送给后一主控制器节点后一主控制器节点根据其与前一节运载车之间的转动角度按式(5)计算第i+1节自动导引动力运载车与第i节自动导引动力运载车的转动角度
本发明还提供了上述自动导引可配置无轨运载列车的运行控制方法，所述运载列车中第1节自动导引动力运载车的主控制器节点控制第1节自动导引动力运载车的运行速度作为整列运载列车的参考速度；
第i节自动导引动力运载车上的导引传感器测得其相对于导引路径的姿态角偏差驱动轮装置中角度传感器测得驱动底盘和运载车的转动角为则其他自动导引动力运载车的运行速度满足最小化式(6)的目标函数：
式中，为待求输入向量，η1和η2为权重系数，为第i节自动导引动力运载车与前节运载车之间的推挽力；
电子罗盘测得第i节自动导引动力运载车的方位角在第i个控制器组内，运载车之间的平均转动角度为：
在第i个控制器组内，运载车之间的平均推挽力为：
在第i个控制器组内，动力运载车的运行速度满足最小化式(9)的目标函数；
式中，为待求输入向量，η3、η4和η5为权重系数；为第i个控制器组内第j-1节运载车与第j节运载车之间的转动角度；Fi j-1,j为第i个控制器组内第j-1节运载车与第j节运载车之间的推挽力；
在整列运载列车中，对第j节自动导引动力运载车或动力运载车，设其载荷质量为Mj，加速度为aj，重力加速度为g，其与前方连续b节随动运载车之间的推挽力Fi j-b,j为推力其与后方连续c节随动运载车之间的推挽力Fi j,j-c为拉力则第j节自动导引动力运载车或动力运载车所需的总驱动能力为：
设驱动轮与地面的摩擦系数下限值为μ1，上限值为μ2，压力传感器测量第j节自动导引动力运载车或动力运载车中驱动轮装置所承受的载荷为Nj；
若则增大驱动轮装置与地面之间的压紧力；
若则减小驱动轮装置与地面之间的压紧力。
本发明的有益效果在于：(1)、在牵引式AGV原有结构的基础上，借鉴动车组列车(有轨输送车辆)和汽车列车(无轨输送车辆)的结构特点，通过相邻列车间的推挽连接装置、自动导引动力运载车上的导引传感器和驱动装置、动力运载车上的驱动装置及各运载车上的车载控制器组成的传感控制***，可增强对自动导引列车的运行轨迹控制能力，提高自动导引列车的转向机动性(转弯半径、转弯通道宽度等)，避免在实际运行过程中发生相互碰撞、驶出导引路径或运载车发生侧倾和翻车等现象，具有十分重要的工程应用价值；(2)、本发明在实际使用过程中可将自动导引动力运载车、随动运载车和动力运载车进行各种组合，以满足不同作业环境的运输需要，提高运载列车的机动性能；(3)、各运载车之间连接三维独立自由度推挽装置，实现推、拉作用力的双向性，提高运载列车的动力性能；其具有多自由度间的独立性，多维运动间没有耦合，可精确测量运载车间的直线位移和角位移，为闭环控制提供了信息反馈，提高了控制精度和效率。
附图说明
图1是本发明中自动导引可配置无轨运载列车的组成示意图；
图2是本发明中三维独立自由度推挽装置示意图：(a)为整体结构示意图；(b)为图(a)中A-A剖视图；(c)为图(a)中虚线部分放大图；
图3是本发明中三维独立自由度推挽装置的三维示意图；
图4是本发明中驱动轮装置的安装示意图；
图5是本发明中驱动轮装置的结构示意图；
图6是本发明中升降模块和减震模块的结构示意图；
图7是本发明中驱动底盘的结构示意图；
图8是本发明中导引传感器在驱动轮装置上的安装示意图；
图9是本发明中运载车的组成示意图；
图10是本发明中运载列车控制***的输入输出示意图；
图11是本发明中运载列车控制器网络的组成示意图；
图12是本发明中运载列车运行控制方法的原理示意图；
图中，1-运载车，2-三维独立自由度推挽装置，3-自动导引动力运载车，4-动力运载车，5-随动运载车，6-车载控制器，7-车架，8-驱动轮装置，9-导引传感器，201-推挽支座A，202-推挽连杆A，203-端部垂直轴A，204-垂直导向键A，205-垂直弹性元件1，206-垂直弹性元件2，207-水平滑动套筒，208-水平弹性元件，209-套筒端盖，210-角度传感器A，211-位移传感器，2111-运动件，2112-静止件，231-推挽支座B，232-推挽连杆B，233-端部垂直轴B，234-垂直导向键B，235-水平导向键1，236-水平限位块，237-角度传感器B，71-第一万向轮，72-第二万向轮，73-第一定向轮，74-第二定向轮，81-升降模块，82-减震模块，83-驱动底盘，811-上承载板，812-中承载板，813-第一高度调节机构，814-电动推杆，815-压力传感器，821-下承载板，822-第二高度调节机构，823-弹性缓冲机构，824-推力轴承，831-底盘支架，832-垂直轴，833-角度传感器C，834-水平轴，835-第一驱动轮，836-第二驱动轮，837-第一驱动轮电机，838-第二驱动轮电机，91-旋转臂。H01-第一连杆；H02-第二连杆；H03-第三连杆；H04-第四连杆；H05-第一水平连杆；H06-第二水平连杆；H07-第三水平连杆；H08-第四水平连杆；H09-第五水平连杆；H10-水平滑块；H21-第五连杆；H22-第六连杆；H23-第七连杆；H24-第八连杆；H25-第六水平连杆；H26-第七水平连杆；H27-第八水平连杆；H28-第九水平连杆；H29-第十水平连杆；T01-第一导向支柱；T02-第二导向支柱；T03-第一减震弹簧；T04-第二减震弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的自动导引可配置无轨运载列车包括多节运载车1，每节运载车之间均通过三维独立自由度推挽装置2相连接。运载车1分为自动导引动力运载车3、动力运载车4和随动运载车5。自动导引动力运载车3包含车架7和安装在车架上的车载控制器6、驱动轮装置8、导引传感器9、电子罗盘和电源装置。车载控制器6与驱动轮装置8、导引传感器9、电子罗盘电连接，电源装置用于向动轮装置8、导引传感器9、电子罗盘供电。动力运载车4包括车载控制器6、车架7、驱动轮装置8和电源装置，驱动轮装置8、车载控制器6和电源装置安装在车架7上，驱动轮装置8电连接车载控制器6，电源装置用于向驱动轮装置8、车载控制器6供电。随动运载车5包括车架7，车架7上安装车载控制器6。
本发明运载列车的运行路径并非依靠在地面上安装机械轨道进行限定，只需在地面上铺设具有某种特征信号的导引路径，由自动导引动力运载车3上的导引传感器9识别导引路径，牵引整列运载列车沿导引路径行驶。本发明中，运载列车由自动导引动力运载车3、动力运载车4、随动运载车5任意组成而成，每列运载列车的最前端为自动导引动力运载车3，其后面连接动力运载车4和/或随动运载车5，考虑到运行过程中的稳定性，通常在随动运载车5之间间隔设置自动导引动力运载车3或动力运载车4，以提高路径的识别度和动力的供给，防止运载列车在运行过程中动力不足、蛇形摆动或在转弯时偏离路径和甩尾。
如图2和图3所示，本发明的三维独立自由度推挽装置2包含A型推挽子装置、B型推挽子装置和连接A型推挽子装置、B型推挽子装置的水平移动装置。A型推挽子装置包含推挽支座A 201、推挽连杆A 202、端部垂直轴A 203、垂直导向键A 204、垂直弹性元件205、垂直弹性元件206、水平滑动套筒207、水平弹性元件208、套筒端盖209、角度传感器A 210和位移传感器211。推挽支座A 201、推挽连杆A 202、端部垂直轴A 203、垂直导向键A 204、垂直弹性元件1 205、垂直弹性元件2 206和角度传感器A 210构成A组垂直转动副。推挽支座A 201固定在运载车上，推挽支座A 201的上悬臂端和下悬臂端具有同轴的垂直孔，推挽连杆A202的一端具有垂直孔，另一端与水平滑动套筒207固定连接。端部垂直轴A 203穿过推挽支座A 201垂直孔，通过垂直导向键A 204与推挽连杆A 202的垂直孔连接，推挽连杆A 202可随端部垂直轴A 203一起绕轴线转动，并可相对于端部垂直轴A 203沿轴线上下滑动。垂直弹性元件1 205穿过端部垂直轴A 203，固定安装于推挽支座A 201的上悬臂端和推挽连杆A202的上端面之间；垂直弹性元件2 206穿过端部垂直轴A 203，固定安装于推挽连杆A 202的下端面和推挽支座A 201的下悬臂端之间。角度传感器A 210的转轴2101与端部垂直轴A203固定连接，角度传感器A 210的本体2102与推挽支座A 201固定连接，角度传感器A 210的转轴2101与本体2102间可相对转动。
B型推挽子装置包含推挽支座B 231、推挽连杆B 232、端部垂直轴B 233、垂直导向键B 234、水平导向键235、水平限位块236和角度传感器B237。推挽支座B 231、推挽连杆B232、端部垂直轴B 233、垂直导向键B 234和角度传感器B 237构成B组垂直转动副。推挽支座B 231固定在运载车上，推挽支座B 231的上悬臂端和下悬臂端具有同轴的垂直孔，推挽连杆B 232的一端具有垂直孔，另一端安装于水平滑动套筒207中。端部垂直轴B 233穿过推挽支座B 231垂直孔，通过垂直导向键B 234与推挽连杆B 232的垂直孔连接，推挽连杆B232可随端部垂直轴B 233一起绕轴线转动，并可相对于端部垂直轴B 233沿轴线上下滑动。角度传感器B 237的转轴2371与端部垂直轴B 233固定连接，角度传感器B 237的本体2372与推挽支座B 231固定连接，角度传感器B 237的转轴2371与本体2372间可相对转动。
水平移动副水平包括滑动套筒207、水平弹性元件208、套筒端盖209、位移传感器211、水平导向键235和水平限位块236。水平滑动套筒207一端与推挽连杆A 202固定连接，水平滑动套筒207的另一端具有水平孔，推挽连杆B232通过水平导向键1 235与水平滑动套筒207的水平孔连接。水平弹性元件208固定安装于推挽连杆B232和水平滑动套筒207的内壁之间。位移传感器211的运动件2111与推挽连杆B232固定连接，位移传感器211的静止件2112与水平滑动套筒207固定连接。水平滑动套筒207的水平孔由套筒端盖209密封，推挽连杆B232上安装有水平限位块236。
推挽支座A201固定安装于前节运载车的尾部中央，推挽支座B231固定安装于后节运载车的首部中央，初始安装时，垂直弹性元件1 205和垂直弹性元件2 206都处于压缩状态，两者的压力差可用于平衡水平移动副的重力及惯性力。在A组垂直转动副中，端部垂直轴A 203可在推挽支座A 201的垂直孔中转动，推挽连杆A 202可随端部垂直轴A 203一起绕轴线转动，该转动角度可由角度传感器A 210测量，即为推挽连杆A 202与前节运载车间的转动角。在B组垂直转动副中，端部垂直轴B 233可在推挽支座B 231的垂直孔中转动，推挽连杆B 232可随端部垂直轴B 233一起绕轴线转动，该转动角度可由角度传感器B 237测量，即为推挽连杆B 232与后节运载车间的转动角。
在水平移动副中，推挽连杆B 232可相对于水平滑动套筒207沿水平方向滑动，两者相对位移可由位移传感器211测量。推挽连杆B 232在水平方向滑动的极限位置，一端由用于安装水平弹性元件208的水平滑动套筒207的内壁所决定，当推挽连杆B 232接触水平滑动套筒207的内壁时对推挽连杆B232进行限位；另一端由水平限位块236所决定，当水平限位块236接触套筒端盖209时对推挽连杆B232进行限位。位移传感器211电连接车载控制器6，车载控制器6根据水平弹性元件的刚度系数计算推挽装置与运载车之间的推挽力。
当前节运载车与后节运载车所处的地面不平整时，推挽支座A 201和推挽支座B231可能存在较大的高度差。推挽连杆A 202在垂直导向键A 204的导向下可沿端部垂直轴A203轴线滑动，推挽连杆B 232在垂直导向键B 234的导向下可沿端部垂直轴B 233轴线滑动，且推挽连杆A 202和推挽连杆B 232在垂直方向上保持同步滑动，水平移动副始终保持水平位置。
与牵引杆挂车的牵引连接装置相比，本发明的三维独立自由度推挽装置具有三个显著的优点：(1)、作用力的双向性。对于本发明的推挽装置，推挽连杆B和水平滑动套筒的内壁之间的水平弹性元件既可处于拉伸也可处于压缩状态。因此，既存在前节运载车拉动后节运载车的情况，也存在后节运载车推动前节运载车的情况。而对于牵引杆挂车，一般都是牵引车拉动挂车。(2)、多自由度间的独立性。对于本发明的推挽装置，垂直转动副的垂直转动、水平移动副沿端部垂直轴的垂直移动以及推挽连杆B相对于水平滑动套筒的水平移动都是独立的，多维运动间没有耦合，直线位移和角位移的测量比较简单，对不同维的位移量的运动控制也比较简单。而对于牵引杆挂车，牵引连接装置一般没有水平移动的自由度，横向摆动与垂直摆动也是耦合的。(3)、运动量的可测性。本发明的推挽装置，垂直转动副的垂直转动角位移以及推挽连杆B相对于水平滑动套筒的水平移动直线位移都是精确可测量的，为闭环控制提供了信息反馈，而现有的牵引杆挂车，牵引连接装置一般没有反馈测量元件。
如图4和5所示，本发明中的驱动轮装置8包含升降模块81、减震模块82和驱动底盘83。驱动轮装置8通过升降模块81的上承载板811与车架7连接，并通过螺栓固定。在上承载板811与车架7的接触面之间安装有压力传感器814，压力传感器814连接车载控制器6，用于检测车架7作用于驱动轮装置8的载荷。该载荷先通过上承载板811作用于升降模块81，再通过中承载板812作用于减震模块82，后通过下承载板821作用于驱动底盘83，并与驱动轮所受到地面的支撑力相平衡。
如图4、5和6所示，本发明的升降模块81包含上承载板811、中承载板812以及连接在上承载板811和中承载板812之间的第一高度调节机构。该第一高度调节机构包括第一连杆H01、第二连杆H02、第三连杆H03、第四连杆H04、第一水平连杆H05、第二水平连杆H06、第三水平连杆H07、第四水平连杆H08、第五水平连杆H0、电动推杆8139和水平滑块H10。上述四根连杆的两端和中间均制有圆孔，上承载板811一端的两侧对称地制有圆孔，第一水平连杆H05依次穿过第一连杆H01一端、上承载板811一端和第三连杆H03一端的圆孔，将上述两根连杆与上承载板811固定连接。中承载板812上层同一端的两侧也对称地制有圆孔，第二水平连杆H06依次穿过第二连杆H02同一端、中承载板812上层同一端和第四连杆H04同一端的圆孔，将上述两根连杆与中承载板812上层固定连接。上承载板811另一端的两侧对称地制有水平腰形孔，第三水平连杆H07依次穿过第二连杆H02另一端的圆孔、上承载板811另一端的水平腰形孔和第四连杆H04另一端的圆孔，将上述两根连杆固定连接，并可沿上承载板811的水平腰形孔中水平移动。中承载板812上层同一端的两侧也对称地制有水平腰形孔，与上承载板811上的水平腰形孔位置相对应，第四水平连杆H08依次穿过第一连杆H01同一端的圆孔、中承载板812上层同一端的水平腰形孔和第三连杆H03同一端的圆孔，将上述两根连杆固定连接，并可沿中承载板812上层的水平腰形孔中水平移动。第一连杆H01和第二连杆H02、第三连杆H03和第四连杆H04分别相交形成两对交叉的连杆，第五水平连杆H09依次穿过第二连杆H02、第一连杆H01、第三连杆H03、第四连杆H04的中间圆孔，将上述四根连杆固定连接，保证四根连杆的中心具有相同的运动轨迹。电动推杆814安装于中承载板812的顶面，电动推杆814的输出端通过水平滑块H10与第四水平连杆H08固定连接。电动推杆814与所安装运载列车的车载控制器6电连接，在电动推杆814的驱动下，可主动调节第四水平连杆H08的在水平腰形孔内的水平移动位置。当运载列车所处的地面具有较大的高度差时，各节运载车所承受的载荷有较大差异，可通过电动推杆814的主动控制，将第二水平连杆和第四水平连杆在水平腰形孔中的水平滑动，转化为中承载板812相对于上承载板811的垂直升降运动，使得各节运载车的驱动轮与地面间具有相同的接触压力，保证各节运载车承受比较均匀的载荷。
如图4、5和6所示，本发明的减震模块82包含下承载板821以及设置在下承载板821与中承载板812之间的第二高度调节机构822和弹性缓冲机构。另有一推力轴承822通过轴承端盖安装于下承载板821的底面中心。第二高度调节机构822包括第五连杆H21、第六连杆H22、第七连杆H23、第八连杆H24、第六水平连杆H25、第七水平连杆H26、第八水平连杆H27、第九水平连杆H28、第十水平连杆H29。上述四根连杆的两端和中间制有圆孔，中承载板812下层一端的两侧对称地制有圆孔，第六水平连杆H25依次穿过第五连杆H21一端、中承载板812下层一端和第七连杆H23一端的圆孔，将上述两根连杆与中承载板812下层固定连接。下承载板821同一端的两侧也对称地制有圆孔，第七水平连杆H26依次穿过第六连杆H22一端、下承载板821同一端和第八连杆H24一端的圆孔，将上述两根连杆与下承载板821固定连接。中承载板812下层另一端的两侧对称地制有水平腰形孔，第八水平连杆H27依次穿过第六连杆H22另一端的圆孔、中承载板812下层另一端的水平腰形孔和第八连杆H24另一端的圆孔，将上述两根连杆固定连接，并可沿中承载板812下层的水平腰形孔中水平移动。下承载板821同一端的两侧也对称地制有水平腰形孔，与中承载板812上的水平腰形孔位置相对应，第九水平连杆H28依次穿过第五连杆H21同一端的圆孔、下承载板821同一端的水平腰形孔和第七连杆H23同一端的圆孔，将上述两根连杆固定连接，并可沿下承载板821的水平腰形孔中水平移动。第十水平连杆H29依次穿过第六连杆H22、第五连杆H21、第七连杆H23、第八连杆H24的中间圆孔，将上述四根连杆固定连接，保证四根连杆的中心具有相同的运动轨迹。当第八水平连杆H27或第九水平连杆H28在水平腰形孔中水平移动时，带动第二高度调节机构在垂直方向移动。
弹性缓冲机构823包括第一导向支柱T01、第二导向支柱T02、第一减震弹簧T03和第二减震弹簧T04。第一导向支柱T01和第二导向支柱T02相对于垂直轴832对称，两根导向支柱的底端固定安装于下承载板821的上表面，顶端与中承载板812的下表面具有一定缓冲距离。第一减震弹簧T03和第二减震弹簧T04分别套在第一导向支柱T01和第二导向支柱T02上，这两根减震弹簧的上、下端面分别与中承载板812的下表面、下承载板821的上表面连接，且始终处于压缩状态。当运载车所处的地面不平整时，在这两根减震弹簧压力的作用下，推动高度调节机构改变下承载板821相对于中承载板812的垂直距离。如果地面凸起，减震弹簧压力变大，下承载板821相对于中承载板812的垂直距离变短，驱动轮与地面间的接触压力变大。如果地面凹下，减震弹簧压力变小，下承载板821相对于中承载板812的垂直距离变长，驱动轮与地面间的接触压力变小。然而，当某节运载车的驱动轮压力明显大于平均值，通过升降模块81主动减小中承载板812相对于上承载板811的垂直距离。当某节运载车的驱动轮压力明显小于平均值，通过升降模块81主动增大中承载板812相对于上承载板811的垂直距离。
如图5和7所示，本发明的驱动底盘83包含底盘支架831、垂直轴832、角度传感器C833、水平轴834以及安装在水平轴834两端的第一驱动轮835和第二驱动轮836。垂直轴832下端固定在底盘支架831的中心，上端安装于下承载板821底面的推力轴承822的内圈，推力轴承822的外圈通过轴承端盖安装于下承载板821，底盘支架831可相对于下承载板821沿垂直轴832的轴线转动，即驱动底盘83可相对于驱动轮装置8沿垂直轴832的轴线转动。水平轴834分别穿过底盘支架831左、右两侧面的孔，并与底盘支架831固定。第一驱动轮835通过滚动轴承安装于水平轴834的左侧伸出端，第一驱动轮835的轮毂端面与第一大链轮的端面结合并固定，第一大链轮的内孔穿过水平轴834的左侧伸出端且不接触。第一驱动轮电机837固定于底盘支架831的左侧端面，第一小链轮通过键安装于第一驱动轮电机837的输出轴上，第一小链轮与第一大链轮通过链条连接。第二驱动轮836通过滚动轴承安装于水平轴834的右侧伸出端，第二驱动轮836的轮毂端面与第二大链轮的端面结合并固定，第二大链轮的内孔穿过水平轴834的左侧伸出端且不接触。第二驱动轮电机838固定于底盘支架831的右侧端面，第二小链轮通过键安装于第二驱动轮电机838的输出轴上，第二小链轮与第二大链轮通过链条连接。第一驱动轮837和第二驱动轮836上分别安装转速传感器，转速传感器与车载控制器6电连接，转速传感器测量两个驱动轮的转动速度，并将该转动速度传输到车载控制器6中。
如图1、图4和图8所示，本发明的驱动轮装置8通过上承载板811与车架7连接，导引传感器9可通过旋转臂91固定安装于驱动底盘83的前端面。由于驱动底盘83可相对于驱动轮装置8沿垂直轴832的轴线转动，则导引传感器9可绕垂直轴832的轴线转动，扫描驱动轮装置8周围的导引路径。导引传感器9可识别导引路径的特征信号，可由其测量自动导引动力运载车3相对于导引路径的横向位置偏差和姿态角偏差。
如图9所示，本发明的车架7上安装有前部的第一万向轮71、第二万向轮72以及后部的第一定向轮73、第二定向轮74。第一万向轮71和第二万向轮72关于车架7的横向中心线对称，第一定向轮73和第二定向轮74关于车架7的横向中心线对称。随动运载车5包含车载控制器6和车架7，动力运载车4包含车载控制器6、车架7、驱动轮装置8和电源装置，自动导引动力运载车3包含车载控制器6、车架7、驱动轮装置8、导引传感器9、电子罗盘和电源装置。对于自动导引动力运载车3和动力运载车4，驱动轮装置8固定安装于车架7的横向中心线上，且位于万向轮和定向轮间。
如图10所示，本发明中各节运载车上的车载控制器组成控制网络控制运载列车的整体运行，安装于推挽装置中的角度传感器和位移传感器，安装于驱动轮装置8中的压力传感器、角度传感器和导引传感器以及电动推杆和驱动电机，安装于车架7中的电子罗盘均与其所安装的运载车上的车载控制器电连接。在图10中，左侧方块为各传感器和电子罗盘，中间方块为控制器，右侧方块为驱动轮装置中的驱动电机和电动推杆。其中，推挽装置中的传感器在自动导引动力运载车3、动力运载车4和随动运载车5上均安装；驱动轮装置中的传感器在自动导引动力运载车3和动力运载车4上安装，导引传感器和电子罗盘在自动导引动力运载车3上安装。由图可知，对于自动导引动力运载车3、动力运载车4和随动运载车5，车载控制器6的输入端与该节运载车首部B型推挽子装置中角度传感器B237电连接，测量该节运载车与前推挽装置的转动角度车载控制器6的输入端与该运载车尾部A型推挽子装置中角度传感器A210电连接，测量该节运载车与后推挽装置的转动角度车载控制器6的输入端与该节运载车尾部A型推挽子装置中位移传感器211电连接，测量该节运载车与后节运载车间的推挽力Ft。对于自动导引动力运载车3和动力运载车4，车载控制器6的输入端与驱动轮装置8中压力传感器814电连接，测量驱动轮装置8所承受的工作载荷Np；车载控制器6的输入端与驱动轮装置8中角度传感器C 833电连接，测量驱动底盘83相对于驱动轮装置8的转动角度车载控制器6的输出端与驱动轮装置8中电动推杆813的驱动器电连接，控制升降模块81的升降行程高度Hp；车载控制器6的输出端与驱动轮装置8中第一驱动轮电机837、第二驱动轮电机838的驱动器电连接，控制第一驱动轮836的线速度vL与第二驱动轮电机838的线速度vR。对于自动导引动力运载车3，车载控制器6的输入端与导引传感器9电连接，测量自动导引动力运载车3相对于导引路径的横向位置偏差Le和姿态角偏差θe；车载控制器6的输入端与电子罗盘电连接，测量自动导引动力运载车3的方位角ψ。
本发明中的自动导引动力运载车3、动力运载车4和随动运载车5上的车载控制器利用现有通信介质组成控制器网络。自动导引动力运载车3的车载控制器为主控制器节点动力运载车4和随动运载车5上的车载控制器为从控制器节点 从第1节自动导引动力运载车的主控制器节点开始，每两个主控制器节点和间的所有从控制器节点与前一个主控制器节点组成第i个控制器组各控制器组中的主控制器之间相互通信。其中，下标m表示主控制器，下标s表示从控制器；上标i为控制器组编号，i＝1,2,3…,l，l为控制器组的数目；上标j为组内控制器编号，j＝0,1,2…,k，0为主控制器，从1开始为从控制器，k为组内从控制器节点的数目。
在同一控制器组内，每个从控制器节点将所测量的前推挽装置转动角度后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力Ft i_j发送给本控制器组中的主控制器节点该主控制器节点根据所其测得的后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力Ft i_0，按式(1)和(2)计算第i个控制器组中第j节运载车与第j+1节运载车之间的转动角度和推挽力Fi j,j+1。
式中，k为第i个控制器组内从控制器节点的数目。
如图11所示，在第1个控制器组中，第0节运载车与第1节运载车之间的转动角度为
在第1个控制器组中，第0节运载车与第1节运载车之间的推挽力为
F1 0,1＝Ft 1_0
在控制器组之间，前一主控制器节点将组中最后一节运载车的后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力Ft i_k发送给后一主控制器节点后一主控制器节点根据所其测得的前推挽装置转动角度按式(3)和(4)计算第i+1节自动导引动力运载车与前节运载车之间的转动角度和推挽力
如图11所示，第1个控制器组的主控制器节点将组中最后一节运载车的后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力Ft 1_2发送给第2个控制器组的主控制器节点由其计算第2节自动导引动力运载车与前节运载车之间的转动角度为
第2节自动导引动力运载车与前节运载车之间的推挽力为
前一主控制器节点还将组中第j节运载车与第j+1节运载车之间的转动角度发送给后一主控制器节点后一主控制器节点根据其与前节运载车之间的转动角度按式(5)计算第i+1节自动导引动力运载车与第i节自动导引动力运载车的转动角度
如图11所示，第1个控制器组的主控制器节点还将组中第j节运载车与第j+1(j＝0,1)节运载车之间的转动角度发送给第2个控制器组的主控制器节点根据其与前节运载车之间的转动角度第2节自动导引动力运载车与第1节自动导引动力运载车的转动角度为
如图12所示，本发明的自动导引可配置无轨运载列车的运行控制方法分为两个层次。在多个控制器组之间采用分布式控制，进行多节自动导引动力运载车之间的协同运行控制。
第一个主控制器节点根据***任务指令、路径复杂情况、交通拥挤状态等因素，自行决定第1节自动导引动力运载车的运行速度且该速度作为整列运载列车的参考速度。
导引传感器测得第i节自动导引动力运载车相对于导引路径的姿态角偏差驱动轮装置中角度传感器测得驱动底盘和运载车的转动角为则其他自动导引动力运载车的运行速度满足最小化式(6)的目标函数。
其中，为待求输入向量，η1和η2为权重系数。该目标函数为多输入、单输出问题，可采用多种常用的优化方法求解，在此不赘述。为第i节自动导引动力运载车与前节运载车之间的推挽力。
在第i个控制器组内，运载车之间的平均转动角度按式(7)计算，运载车之间的平均推挽力按式(8)计算：
电子罗盘测得第i节自动导引动力运载车的方位角该角度不是相对于导引路径的姿态角偏差，而是相对于地面静止坐标系的绝对方位角。在第i个制器组内，所有动力运载车的运行速度满足最小化式(9)的目标函数。
其中，为待求输入向量，η3、η4和η5为权重系数。该目标函数为多输入、单输出问题，可采用多种常用的优化方法求解。为第i个控制器组内第j-1节运载车与第j节运载车之间的转动角度；Fi j-1,j为第i个控制器组内第j-1节运载车与第j节运载车之间的推挽力。
在整列运载列车中，对第j节自动导引动力运载车或动力运载车，假设其载荷质量为Mj，加速度为aj，重力加速度为g，其与前方连续b节随动运载车之间的推挽力Fi j-b,j为推力其与后方连续c节随动运载车之间的推挽力Fi j,j-c为拉力则第j节自动导引动力运载车或动力运载车所需的总驱动能力为：
假设驱动轮与地面的摩擦系数下限值为μ1，上限值为μ2，压力传感器测量第j节自动导引动力运载车或动力运载车中驱动轮装置所承受的载荷为Nj。
若则通过升降模块带动驱动底盘向下运动，增大驱动轮装置与地面之间的压紧力；
若则通过升降模块带动驱动底盘向上运动，减小驱动轮装置与地面之间的压紧力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种自动导引可配置无轨运载列车，其特征在于：至少包括一节位于运载列车最前端的自动导引动力运载车以及若干节随动运载车和/或动力运载车；所述各运载车之间通过三维独立自由度推挽装置相连接；
所述自动导引动力运载车上安装车载控制器、驱动轮装置、电子罗盘，所述驱动轮装置上安装导引传感器，所述驱动轮装置、导引传感器和电子罗盘均与车载控制器电连接；所述导引传感器用于识别导引路径；
所述随动运载车上安装车载控制器；
所述动力运载车上安装车载控制器和驱动轮装置，所述动力运载车的驱动轮装置电连接动力运载车的车载控制器；
所述三维独立自由度推挽装置包括通过水平移动装置相连的第一推挽装置和第二推挽装置，所述第一推挽装置和第二推挽装置分别连接相邻的两节运载车，所述第一推挽装置和第二推挽装置分别测量与其连接的运载车的前、后转动角度并传输到与其连接的运载车上的车载控制器中；所述水平移动装置将相邻两节运载车之间的推挽力传输到相邻两节运载车中前节运载车的车载控制器中；
所述自动导引动力运载车、随动运载车和动力运载车的车载控制器组成控制器网络控制运载列车整体运行。
2.根据权利要求1所述的自动导引可配置无轨运载列车，其特征在于：所述三维独立自由度推挽装置中第一推挽装置和第二推挽装置均包括推挽支座、推挽连杆、垂直轴和角度传感器，所述垂直轴穿过推挽支座的上下悬臂并可绕其轴线转动；所述推挽连杆与垂直轴连接，随垂直轴转动，并可沿垂直轴轴线上下滑动；所述角度传感器的转轴与垂直轴固连，角度传感器的本体与推挽支座固连；
所述第一推挽装置或第二推挽装置的推挽连杆的上、下端面与推挽支座之间设有垂直弹性元件；
所述水平移动装置包括水平滑动套筒和位移传感器，所述水平滑动套筒的一端与上、下端面设有垂直弹性元件的推挽连杆固连，另一端开孔，供第一推挽装置或第二推挽装置的推挽连杆***，推挽连杆可相对于水平滑动套筒沿水平方向滑动并限位；所述位移传感器安装在水平滑动套筒内，测量***水平滑动套筒内的推挽连杆与水平滑动套筒的相对位移；所述水平滑动套筒内设有水平弹性元件，水平弹性元件的一端与水平滑动套筒内壁连接，另一端与推挽连杆连接；
所述第一推挽装置和第二推挽装置上的角度传感器分别与其连接的运载车上的车载控制器电连接；所述位移传感器与相邻两节运载车中前节运载车的车载控制器电连接。
3.根据权利要求1或2所述的自动导引可配置无轨运载列车，其特征在于：所述驱动轮装置包括自上而下依次连接的升降模块、减震模块、驱动底盘以及设置在升降模块顶部的压力传感器，所述驱动底盘与减震模块连接，驱动底盘可相对于减震模块转动；所述驱动底盘包括支架、角度传感器、安装在支架上的垂直轴、安装在支架上的水平轴以及安装在水平轴两端的第一驱动轮和第二驱动轮，所述第一驱动轮和第二驱动轮分别采用独立的驱动装置驱动，所述第一驱动轮和第二驱动轮均安装转速传感器，转速传感器与车载控制器电连接；所述驱动底盘的角度传感器的转轴与安装在支架上的垂直轴固连，驱动底盘的角度传感器的本体与减震模块固连；所述压力传感器、升降模块和驱动底盘的角度传感器与车载控制器电连接。
4.根据权利要求3所述的自动导引可配置无轨运载列车，其特征在于：所述升降模块包括上承载板、中承载板以及连接在上承载板和中承载板之间的第一高度调节机构；所述第一高度调节机构包括两对交叉设置的连杆、电动推杆，所述两对交叉设置的连杆一端分别与上承载板、中承载板的两侧固定连接，另一端分别通过两根水平连杆与上承载板、中承载板两侧的水平腰形孔活动连接，上承载板和中承载板上的水平腰形孔位置对应；所述电动推杆连接任一水平连杆，电动推杆控制水平连杆在水平腰形孔中水平移动，所述电动推杆电连接车载控制器。
5.根据权利要求3所述的自动导引可配置无轨运载列车，其特征在于：所述减震模块包括下承载板、中承载板以及设置在下承载板与中承载板之间的第二高度调节机构和弹性缓冲机构；所述第二高度调节机构包括两对交叉设置的连杆，所述两对交叉设置的连杆一端分别与下承载板、中承载板的两侧固定连接，另一端分别通过两根水平连杆与下承载板、中承载板两侧的水平腰形孔活动连接，下承载板和中承载板上的水平腰形孔位置对应；所述水平连杆可在水平腰形孔中的水平移动。
6.根据权利要求5所述的自动导引可配置无轨运载列车，其特征在于：所述弹性缓冲机构包括固定在中承载板/下承载板上的第一导向支柱和第二导向支柱，第一导向支柱和第二导向支柱与下承载板/中承载板之间设有缓冲间隙，所述第一导向支柱和第二导向支柱上分别套装减震弹簧，所述减震弹簧的上下两端分别与中承载板、下承载板相连接。
7.根据权利要求1或2所述的自动导引可配置无轨运载列车，其特征在于：所述自动导引动力运载车、随动运载车和/或动力运载车上均安装第一万向轮、第二万向轮、第一定向轮和第二定向轮；所述第一万向轮和第二万向轮位于运载车的前部，第一定向轮和第二定向轮位于运载车的后部，所述第一万向轮和第二万向轮、第一定向轮和第二定轮均关于运载车的横向中心线对称；所述自动导引动力运载车和动力运载车的驱动轮装置固定安装在运载车的横向中心线上，位于万向轮和定向轮之间。
8.根据权利要求1或2所述的自动导引可配置无轨运载列车，其特征在于：所述控制器网络包括若干个控制器组，所述各控制器组中自动导引动力运载车的车载控制器为主控制器节点动力运载车和/或随动运载车上的车载控制器为从控制器节点每两个主控制器节点和间的所有从控制器节点与前一个主控制器节点组成第i个控制器组各控制器组中的主控制器节点之间相互通信；
所述各控制器组内，每个从控制器节点将其所测量的前推挽装置转动角度后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力发送给该组的主控制器节点主控制器节点根据其所测得的后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力按式(1)和(2)计算第i个控制器组中第j节运载车与第j+1节运载车之间的转动角度和推挽力
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2
式中，k为第i个控制器组内从控制器节点的数目；
在所述控制器组之间，前一主控制器节点将本组中最后一节运载车的后推挽装置转动角度以及后节运载车推挽力发送给后一控制器组中主控制器节点后一控制组中主控制器节点根据其测得的前推挽装置转动角度按式(3)和(4)计算第i+1节自动导引动力运载车与前节运载车之间的转动角度和推挽力
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在所述控制器组之间，所述前一主控制器节点将所在控制组中第j节运载车与第j+1节运载车之间的转动角度发送给后一主控制器节点后一主控制器节点根据其与前一节运载车之间的转动角度按式(5)计算第i+1节自动导引动力运载车与第i节自动导引动力运载车的转动角度
9.根据权利要求8所述的自动导引可配置无轨运载列车的运行控制方法，其特征在于：所述运载列车中第1节自动导引动力运载车的主控制器节点控制第1节自动导引动力运载车的运行速度作为整列运载列车的参考速度；
第i节自动导引动力运载车上的导引传感器测得其相对于导引路径的姿态角偏差驱动轮装置中角度传感器测得驱动底盘和运载车的转动角为则其他自动导引动力运载车的运行速度满足最小化式(6)的目标函数：
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式中，为待求输入向量，η1和η2为权重系数，为第i节自动导引动力运载车与前节运载车之间的推挽力；
电子罗盘测得第i节自动导引动力运载车的方位角在第i个控制器组内，运载车之间的平均转动角度为：
在第i个控制器组内，运载车之间的平均推挽力为：
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在第i个控制器组内，动力运载车的运行速度满足最小化式(9)的目标函数；
式中，为待求输入向量，η3、η4和η5为权重系数；为第i个控制器组内第j-1节运载车与第j节运载车之间的转动角度；为第i个控制器组内第j-1节运载车与第j节运载车之间的推挽力；
在整列运载列车中，对第j节自动导引动力运载车或动力运载车，设其载荷质量为Mj，加速度为aj，重力加速度为g，其与前方连续b节随动运载车之间的推挽力为推力其与后方连续c节随动运载车之间的推挽力为拉力则第j节自动导引动力运载车或动力运载车所需的总驱动能力为：
设驱动轮与地面的摩擦系数下限值为μ1，上限值为μ2，压力传感器测量第j节自动导引动力运载车或动力运载车中驱动轮装置所承受的载荷为Nj；
若则增大驱动轮装置与地面之间的压紧力；
若则减小驱动轮装置与地面之间的压紧力。
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