CN110244731B - 三节编组虚拟轨道列车主动循迹控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三节编组虚拟轨道列车主动循迹控制方法，属于智能车辆控制技术领域。具体为：(1)虚拟轨道列车主控制器通过头车和尾车摄像头读取虚拟轨道信息，并判断车辆是否脱离轨迹；(2)根据车辆相对于轨道的偏移量，计算为使车辆循迹运行所需的头车和尾车各轴车轮转向角；(3)由车辆尺寸参数和头车及尾车的各轴转向角，确定头车和尾车的转弯半径和速度瞬心，并计算得到中间车的速度瞬心；(4)由车辆尺寸参数和头车和尾车的转弯半径以及中间车的速度瞬心，计算得到中间车各轴车轮转向角；(5)虚拟轨道列车循迹控制器根据各轴车轮目标转向角控制各转向电机，实现车辆循迹运行。

Description

三节编组虚拟轨道列车主动循迹控制方法

技术领域

本发明属于智能车辆控制技术领域，具体涉及控制虚拟轨道列车循迹运行的控制方法。

背景技术

虚拟轨道列车***作为一种全新的公共路权运行环境下非轮轨接触导向运输***，具有建设周期短、投资成本低、运营组织灵活、节能环保等优势，能够满足人们日益增长的多样化出行需求，具有广阔的市场前景。

现有的虚拟轨道列车虽然初步实现了车辆循迹运行这一主要目标，但是其循迹运行仍然存在问题，如控制精度不高，需要司机进行运行关键节点控制等，此外，现有的车辆主动循迹控制技术仅涉及单节车辆循迹控制，尚无多节编组车辆主动循迹运行的实例。如申请号CN201710174916.2所述专利，虽然给出了一种车辆主动循迹控制方法，但是该方法只适用于普通的智能汽车，不适用于长大车体多节铰接连接的虚拟轨道列车。

发明内容

本发明的目的是提供一种三节编组虚拟轨道列车主动循迹控制方法，它能有效地解决长大车体多节编组车辆循迹运行的技术问题。

本发明的目是通过以下技术方案来实现的：一种三节编组虚拟轨道列车主动循迹控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一、通过虚拟轨道列车首车端部的摄像头获取当前车辆相对于虚拟轨道的位置信息；

步骤二、根据当前列车相对于虚拟轨道的位置信息，以路径最短原则初步计算得到列车回归轨迹所需的首车及尾车的各轴转角；其中车辆循迹控制点设置在车辆中轴线的中点，且首车及尾车前轴和后轴车轮转向角等大、反向；由首车及尾车各轴车轮转向角及阿克曼转向几何原理，得到首车的速度瞬心M₁和尾车的速度瞬心M₃；

步骤三、设虚拟轨道列车整列车的各节车厢之间铰接力最小，相邻两节车厢在铰接点处G₁的速度方向相同，基于这一原则得到虚拟轨道列车中间车车厢的速度瞬心M₂，所述速度瞬心在通过中间车车厢前铰接点G₁和速度瞬心M₁的直线G₁M₁与通过中间车车厢后铰接点G₂和速度瞬心M₃的直线G₂M₃交点上；那么，首车中轴线与G₁M₁的夹角α₁为：

式中：R₁表示首车前轴的转弯半径，l表示车厢前轴到后轴的距离，l_R表示车厢后轴到车厢后端的距离，下标R表示车厢后方；由首车中轴线与G₁M₁的夹角α₁推导得到直线G₁M₁与中间车车厢中轴线的夹角为β₁＝α₁-ψ₁，其中ψ₁为首车车厢中轴线与中间车车厢中轴线的夹角，该夹角由传感器测得；相同方式得到尾车车厢中轴线与直线G₂M₂的夹角α₂：

式中：R₆表示尾车后轴的转弯半径；由直线G₂M₂与尾车车厢中轴线的夹角α₂通过计算得到直线G₂M₂与中间车车厢中轴线的夹角为β₂＝α₂+ψ₂，其中ψ₂为尾车车厢中轴线与中间车车厢中轴线的夹角；由上述两角β₁,β₂计算得到直线G₁M₁和G₂M₂的夹角ξ＝β₁-β₂；由该夹角推导得到线段R_M2G1和R_M2G2的长度，其表达式为：

其中，l_F表示车厢前轴到车厢前端的距离，下标F表示车厢前方；采用转向角正负判定系数S₂判断中间车厢各车轮转角的正负，其表达式为：

其中，R_M2G1表示线段M₂G₁的长度，下标M2G1表示线段M₂G₁；根据该正负判定系数得到中间车车厢前轴中心转弯半径R₃：

根据前轴中心转弯半径R₃，进一步推导得到中间车车厢前轴的转向角

以同样方式推导得到中间车车厢后轴的转弯半径R₄：

根据中间车车厢后轴的转弯半径R₄推导得到中间车车厢后轴的转向角

步骤四、根据设置在首车内的虚拟轨道列车循迹控制器将上述推导计算得到的车厢各轴转向角传递给各轴转向电机控制器，通过转向电机控制器控制各轴车轮转向使虚拟轨道列车回归轨道，完成循迹控制目标。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的虚拟轨道列车各节车转向几何关系示意图；

图3是本发明的Matlab下的循迹效果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式进行详细的说明。

一种虚拟轨道列车主动循迹控制方法，其具体步骤如图1所示。

步骤(1)获得虚拟轨道列车当前运行前方道路情况。首先以车辆中轴线为基准，通过车辆前车和后车所搭载的传感器如摄像头等识别道路上的虚拟轨道，并获取车辆中轴线相对于虚拟轨道的偏移。如果偏移量小于一定值，则认为车辆当前循迹运行，无需进行下面的步骤。如果偏移量大于一定值，则认为车辆偏移轨道，需要进行循迹控制，偏移量将作为车辆的控制输入量引入下面的步骤。

步骤(2)获取车辆相对于虚拟轨道的偏移，并计算车辆回到轨道所需的首车及尾车各轴车轮转向角。当车辆偏移轨道时，车辆主控制器将车辆中轴线相对于虚拟轨道的偏移量传输给车辆循迹控制器，并由循迹控制器计算为使车辆回归目标虚拟轨道所需的头车及尾车各轴车轮转向角。为使车辆回归轨道的时间最短，头车及尾车各车轴车轮均参与转向，且每节车辆前轴车轮和后轴车轮的转向角等大反向，如图2所示。

步骤(3)首先计算为使车辆回归轨道所需的首车和尾车的转向角。根据车辆主控制器计算得到的位移偏差e_d和角度偏差e_θ，计算得到首车和尾车前轴的转向角γ：

γ＝k_de_d+k_θe_θ (1)

其中，k_d和k_θ为对应的转向系数。首车前轴的转弯半径R₁和尾车后轴的转弯半径R₆分别为：

其中，γ₁为首车前轴的转向角，γ₆为尾车后轴的转向角。由首尾车前轴和后轴转向角等大反向，可知首车后轴的转向角为-γ₁，尾车前轴的转向角为-γ₆。假设车辆各轴车轮的转向角相同，令车辆各车轴与车厢中轴线的交点为A_i，i＝1-6分别表示从前车前轴到后车后轴的各车轴，则可以用通过各交点A_i的车轮代表车轴上的各车轮。根据计算得到的首尾车前轴转向角，推导得到首车的速度瞬心M₁和尾车的速度瞬心M₃。设各节车铰接点速度方向相同，则可以进一步得到中间车的速度瞬心M₂。该点在通过铰接点G₁和速度瞬心M₁的直线G₁M₁与通过铰接点G₂和速度瞬心M₃的直线G₂M₃交点上。由阿克曼转向几何关系可知，首车后轴转向半径R₂和尾车前轴转向半径R₅分别与首车前轴的转弯半径R₁和尾车后轴的转弯半径R₆相等。

步骤(4)进一步计算中间车各车轴的转向角。首先计算首车中轴线与直线G₁M₁的夹角α₁。假设虚拟轨道列车各节车辆尺寸参数相同，根据三角形几何公式，计算得到首车中轴线与直线G₁M₁的夹角α₁为：

其中，R₁为首车前轴的转向半径，l为车厢前轴到后轴的距离，l_R为车厢后轴到车厢后端的距离，下标R表示车厢后方。根据首车中轴线与直线G₁M₁的夹角α₁进一步推导得到直线G₁M₁与中间车中轴线的夹角β₁＝α₁-ψ₁，其中ψ₁为首车车厢中轴线与中间车车厢中轴线的夹角，该夹角由传感器测得。以同样方式推导得到尾车中轴线与直线G₂M₂的夹角α₂：

式中，R₆为尾车后轴的转向半径。根据尾车中轴线与直线G₂M₂的夹角α₂推导得到直线G₂M₂与中间车中轴线的夹角为β₂＝α₂+ψ₂，其中ψ₂为尾车车厢中轴线与中间车车厢中轴线的夹角。根据上述两角β₁,β₂，得到直线G₁M₁和G₂M₂的夹角ξ＝β₁-β₂。

根据直线G₁M₁和G₂M₂的夹角ξ，推导得到线段R_M2G1和R_M2G2的长度，其表达式为：

式中，l_F表示车厢前轴到车厢前端的距离，下标F表示车厢前方。

由于车辆各轴的转向角存在正负之分，因此需要通过计算判断转向角的正负，计算过程如下。首先计算中间车前轴转角正负判定系数S₂：

式中，R_M2G1表示线段M₂G₁的长度，下标M₂G₁表示线段M₂G₁。根据转角正负判定系数S₂基于三角形几何定理推导得到中间车前轴中心转弯半径的长度R₃：

根据R₃和R_M2G1，得到中间车前轴的转向角

同样方式可以得到中间车后轴的转向角。中间车后轴的转弯半径R₄为：

中间车后轴的转向角

为：

步骤(5)由上述计算得到的各轴转向角通过循迹控制器处理为控制信号，并分别传输给各个车轴的转向电机控制器，令转向电机驱动车轮转动，从而完成全部控制过程。控制效果如图3所示。该控制方法可以使虚拟轨道列车实现快速而准确的循迹运行目标，并能在车辆受到干扰而偏离轨道时使车辆快速回归轨道，具有较高的工程应用价值。

Claims (1)

1.一种三节编组虚拟轨道列车主动循迹控制方法，包括如下步骤：

步骤一、通过虚拟轨道列车首车端部的摄像头获取当前车辆相对于虚拟轨道的位置信息；

步骤二、根据当前列车相对于虚拟轨道的位置信息，以路径最短原则初步计算得到列车回归轨迹所需的首车及尾车的各轴转角；其中，车辆循迹控制点设置在车辆中轴线的中点，且首车及尾车前轴和后轴车轮转向角等大、反向；由首车及尾车各轴车轮转向角及阿克曼转向几何原理，得到首车的速度瞬心M₁和尾车的速度瞬心M₃；

步骤三、设虚拟轨道列车整列车的各节车厢之间的铰接力最小，相邻两节车厢在铰接点处G₁的速度方向相同，基于这一原则得到虚拟轨道列车中间车车厢的速度瞬心M₂，所述速度瞬心M₂在通过中间车车厢前铰接点G₁和速度瞬心M₁的直线G₁M₁与通过中间车车厢后铰接点G₂和速度瞬心M₃的直线G₂M₃交点上；那么，首车中轴线与G₁M₁的夹角α₁为：

式中：R₁表示首车前轴的转弯半径，l表示车厢前轴到后轴的距离，l_R表示车厢后轴到车厢后端的距离，下标R表示车厢后方；由首车中轴线与G₁M₁的夹角α₁推导得到直线G₁M₁与中间车车厢中轴线的夹角为β₁＝α₁-ψ₁，其中ψ₁为首车车厢中轴线与中间车车厢中轴线的夹角，该夹角由传感器测得；以相同方式得到尾车车厢中轴线与直线G₂M₂的夹角α₂：

式中：R₆表示尾车后轴的转弯半径；由直线G₂M₂与尾车车厢中轴线的夹角α₂通过计算得到直线G₂M₂与中间车车厢中轴线的夹角为β₂＝α₂+ψ₂，其中ψ₂为尾车车厢中轴线与中间车车厢中轴线的夹角；由上述两角β₁,β₂计算得到直线G₁M₁和G₂M₂的夹角ξ＝β₁-β₂；由该夹角推导得到R_M2G1和R_M2G2的长度，其表达式为：

其中，l_F表示车厢前轴到车厢前端的距离，下标F表示车厢前方；采用转向角正负判定系数S₂判断中间车车厢各车轮转角的正负，其表达式为：

其中，R_M2G1表示线段M₂G₁的长度，下标 M2G1 表示线段M₂G₁；根据该正负判定系数得到中间车车厢前轴中心转弯半径R₃：

根据前轴中心转弯半径R₃，进一步推导得到中间车车厢前轴的转向角

以同样方式推导得到中间车车厢后轴的转弯半径R₄：

根据中间车车厢后轴的转弯半径R₄推导得到中间车车厢后轴的转向角

步骤四、根据设置在首车内的虚拟轨道列车循迹控制器将上述推导计算得到的车厢各轴转向角传递给各轴转向电机控制器，通过转向电机控制器控制各轴车轮转向使虚拟轨道列车回归轨道，完成循迹控制目标。

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