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一种门式虚拟轨道列车及其转向循迹控制方法
申请号	CN202110055188.X	申请日	2021-01-15	公开(公告)号	CN112793677A	公开(公告)日	2021-05-14
申请人	同济大学;			发明人	冷涵; 任利惠; 季元进;
摘要	本发明涉及一种门式虚拟轨道列车及其转向循迹控制方法，门式虚拟轨道列车包括端部车体模块 ECM、中间车体模块ICM、门式车间连接模块GCM、动力悬架模块PSM、非动力悬架模块NPSM、铰接结构和锁闭机构。转向循迹控制方法包括：获取虚拟轨道列车各个车轮的运动速度、列车各个悬架的车轮转角数据、各个铰接角数据、参考路径曲线半径数据以及各个悬架在线路上的位置；按照列车头到列车尾的顺序依次对每个悬架进行编号；判断当前列车车头和车身的行驶状态；获取对应悬架的车轮转角。与现有技术相比，本发明具有循迹精度高、反应迅速、可扩展性强、循迹控制与车辆架构匹配性高等优点。
权利要求	1.一种门式虚拟轨道列车，其特征在于，所述的门式虚拟轨道列车包括端部车体模块 ECM(1)、中间车体模块ICM(2)、门式车间连接模块GCM(3)、动力悬架模块PSM(4)、非动力悬架模块NPSM(5)、铰接结构(6)和锁闭机构(7)；所述的端部车体模块ECM(1)通过车体连接模块GCM(3)与中间车体模块ICM(2)相连；所述的端部车体模块ECM(1)安装在动力悬架模块PSM(4)上；所述的车间连接模块GCM (3)安装在非动力悬架模块NPSM(5)上；所述的门式车间连接模块GCM(3)通过二系悬挂安装在非动力悬架模块NPSM(5)上；所述的车间连接模块GCM(3)与端部车体模块ECM(1)之间以及车间连接模块GCM(3)与中间车体模块ICM(2)之间均通过铰接结构(6)相连；所述的锁闭机构(7)用于约束车间连接模块GCM(3)与其运动方向前方车体模块之间运动自由度，锁闭结构(7)分别设置在车间连接模块GCM(3)与端部车体模块ECM(1)之间以及车间连接模块GCM(3)与中间车体模块ICM(2)之间。 2.根据权利要求1所述的一种门式虚拟轨道列车，其特征在于，所述的端部车体模块 ECM(1)和中间车体模块ICM(2)的车轮处均设有轮速传感器；所述的动力悬架模块PSM(4)和非动力悬架模块NPSM(5)上均设有车轮转角角度传感器；所述的铰接结构(6)处设有铰接角度传感器；所述的门式虚拟轨道列车设有用于对车辆进行定位的定位模块。 3.一种用于如权利要求1所述门式虚拟轨道列车的转向循迹控制方法，其特征在于，所述的转向循迹控制方法包括：步骤1：获取虚拟轨道列车各个车轮的运动速度、列车各个悬架的车轮转角数据、各个铰接角数据、参考路径曲线半径数据以及各个悬架在线路上的位置；步骤2：按照列车头到列车尾的顺序依次对每个悬架进行编号；步骤3：根据步骤1获取的数据判断当前列车车头和车身的行驶状态，包括车头为由直线进入转弯状态、车头为转弯状态、车身为由直线进入转弯状态、车身为转弯状态、车头为由转弯进入直线状态以及车身为由转弯进入直线状态；步骤4：根据步骤3获取的列车行驶状态获取对应悬架的车轮转角，完成转向控制。 4.根据权利要求3所述的一种转向循迹控制方法，其特征在于，所述的列车各个车轮的运动速度通过安装在车轮处的轮速传感器获得；所述的列车各个悬架的车轮转角数据通过角度传感器测量获得；所述的各个铰接角数据通过安装在车间铰接出的角度传感器测量获得；所述的参考路径曲线半径数据通过头车传感器探测获得或利用线路上的应答器获得；所述的各个悬架在线路上的位置通过车辆定位模块获得。 5.根据权利要求3所述的一种转向循迹控制方法，其特征在于，所述的虚拟轨道列车的车头处于由直线进入转弯状态，即第一悬架开始由直线区段驶入圆曲线区段并且第二悬架仍处于直线区段时，第二悬架轮转角δ2的计算方法为：其中，L为虚拟轨道列车的列车轴距；R1和R2分别为第一悬架和第二悬架的瞬时运动半径，R1和R2的计算方法为：其中，为第一悬架在圆曲线区段的运行时间；R为圆曲线半径；δ1为第一悬架的车轮转角；v1为第一悬架的运动速度。 6.根据权利要求3所述的一种转向循迹控制方法，其特征在于，所述的虚拟轨道列车的车头处于转弯状态，即第一悬架与第二悬架同时处于圆曲线区段时；第二悬架车轮转角δ2 的计算方法为： δ2＝δ1 其中，δ1为第一悬架的车轮转角。 7.根据权利要求3所述的一种转向循迹控制方法，其特征在于，所述的虚拟轨道列车的车身为由直线进入转弯状态，即第i悬架开始由直线区段驶入圆曲线区段并且第i+1悬架处于直线曲线时，其中i≥2，第i+1悬架的车轮转角δi+1的计算方法为：其中，点A为第i悬架的中心点；点B为第i+1悬架的中心点；点C为第i悬架与第i+1悬架的铰接点；点O为相邻两个悬架中心点运动的速度瞬心； ∠ABC和∠ABO的计算方法为：其中，Ls为车间连接模块GCM两端铰接点的纵向安装距离，γi‑1为相邻两个车体之间的铰接角度；为第i悬架在圆曲线区段的运行时间；vi为第i悬架的运动速度。 8.根据权利要求3所述的一种转向循迹控制方法，其特征在于，所述的虚拟轨道列车的车身处于转弯状态，即第i悬架与第i+1悬架同时处于圆曲线区段内时，其中i≥2，第i+1悬架的车轮转角的计算方法为：其中，点A为第i悬架的中心点；点B为第i+1悬架的中心点；点C为第i悬架与第i+1悬架的铰接点；点O为相邻两个悬架中心点运动的速度瞬心。 9.根据权利要求3所述的一种转向循迹控制方法，其特征在于，所述的虚拟轨道列车的车头处于由转弯进入直线状态，即第一悬架由圆曲线区段驶入直线区段并且第二悬架仍处于圆曲线区段内时，第二悬架车轮转角δ2的计算方法为：其中，为第二悬架在圆曲线区段的运行时间。 10.根据权利要求3所述的一种转向循迹控制方法，其特征在于，所述的虚拟轨道列车的车身处于由转弯进入直线状态，即第i悬架开始由圆曲线区段驶入直线区段，而第i+1悬架仍处于圆曲线区段时，其中i≥2，第i+1悬架的车轮转角δi+1的计算方法为：其中，和分别为第i悬架开始驶出圆曲线区段、驶入直线区段时第i+1悬架、第i悬架的车轮转角初始值和相邻车体铰接角的初始值，第i+1悬架在圆曲线区段的运行时间，vi+1为第i+1悬架运动速度。
说明书全文	一种门式虚拟轨道列车及其转向循迹控制方法技术领域 [0001] 本发明涉及虚拟轨道列车技术领域，尤其是涉及一种门式虚拟轨道列车及其转向循迹控制方法。背景技术 [0002] 虚拟轨道交通系统是一种采用城市轨道交通运行管理模式的道路交通系统。所谓的“虚拟轨道”有别于传统铁路运输系统中所使用的物理轨道，而是在传统城市道路上增设一系列地面感应装置或信标而形成的一种新型“数字轨道”。虚拟轨道列车采用非接触式导向技术和橡胶车轮走行部，利用环境感知技术对虚拟轨道信息和列车运行环境进行识别和感知，利用信息融合技术实现车辆高精度定位，通过循迹控制技术实现列车自导向。因此，虚拟轨道列车兼具传统有轨电车运量大，运行平稳性高以及公共汽车和BRT适应性强、道路建设成本较低的优点。 [0003] 考虑到虚拟轨道列车相比于传统路面公共交通车辆的编组较长的特点，实现车辆各个车体模块有效地跟随道路成为其核心问题。因此，多轮转向控制技术是虚拟轨道列车循迹控制过程中的关键技术之一。目前，针对各种架构的虚拟轨道列车的路径跟随控制已有一定的研究，如中国专利CN110244731A中公开了一种三节编组虚拟轨道列车主动循迹控制方法，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，虽然实现车辆循迹运行，但在使用上述方法在转弯处进行循迹时的循迹精度不高，循迹算法运行时间较长，反应较为迟缓。发明内容 [0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种循迹精度高、反应迅速、可扩展性强、循迹控制与车辆架构匹配性高的门式虚拟轨道列车及其转向循迹控制方法。 [0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0006] 一种门式虚拟轨道列车，所述的门式虚拟轨道列车包括端部车体模块ECM、中间车体模块ICM、门式车间连接模块GCM、动力悬架模块PSM、非动力悬架模块NPSM、铰接结构和锁闭机构； [0007] 所述的端部车体模块ECM通过车体连接模块GCM与中间车体模块ICM相连； [0008] 所述的端部车体模块ECM安装在动力悬架模块PSM上；所述的车间连接模块GCM安装在非动力悬架模块NPSM上； [0009] 所述的门式车间连接模块GCM通过二系悬挂安装在非动力悬架模块NPSM上； [0010] 所述的车间连接模块GCM与端部车体模块ECM之间以及车间连接模块GCM与中间车体模块ICM之间均通过铰接结构相连； [0011] 所述的锁闭机构用于约束车间连接模块GCM与其运动方向前方车体模块之间运动自由度，分别设置在车间连接模块GCM与端部车体模块ECM之间以及车间连接模块GCM与中间车体模块ICM之间。 [0012] 优选地，所述的端部车体模块ECM和中间车体模块ICM的车轮处均设有轮速传感器；所述的动力悬架模块PSM和非动力悬架模块NPSM上均设有车轮转角角度传感器；所述的铰接结构处设有铰接角度传感器；所述的门式虚拟轨道列车设有用于对车辆进行定位的定位模块。 [0013] 一种用于上述门式虚拟轨道列车的转向循迹控制方法，所述的转向循迹控制方法包括： [0014] 步骤1：获取虚拟轨道列车各个车轮的运动速度、列车各个悬架的车轮转角数据、各个铰接角数据、参考路径曲线半径数据以及各个悬架在线路上的位置； [0015] 步骤2：按照列车头到列车尾的顺序依次对每个悬架进行编号； [0016] 步骤3：根据步骤1获取的数据判断当前列车车头和车身的行驶状态，包括车头为由直线进入转弯状态、车头为转弯状态、车身为由直线进入转弯状态、车身为转弯状态、车头为由转弯进入直线状态以及车身为由转弯进入直线状态； [0017] 步骤4：根据步骤3获取的列车行驶状态获取对应悬架的车轮转角，完成转向控制。 [0018] 优选地，所述的列车各个车轮的运动速度通过安装在车轮处的轮速传感器获得； [0019] 所述的列车各个悬架的车轮转角数据通过角度传感器测量获得； [0020] 所述的各个铰接角数据通过安装在车间铰接出的角度传感器测量获得； [0021] 所述的参考路径曲线半径数据通过头车传感器探测获得或利用线路上的应答器获得； [0022] 所述的各个悬架在线路上的位置通过车辆定位模块获得。 [0023] 优选地，所述的虚拟轨道列车的车头处于由直线进入转弯状态，即第一悬架开始由直线区段驶入圆曲线区段并且第二悬架仍处于直线区段时，第二悬架轮转角δ2的计算方法为： [0024] [0025] 其中，L为虚拟轨道列车的列车轴距；R1和R2分别为第一悬架和第二悬架的瞬时运动半径，R1和R2的计算方法为： [0026] [0027] 其中，为第一悬架在圆曲线区段的运行时间；R为圆曲线半径；δ1为第一悬架的车轮转角；v1为第一悬架的运动速度。 [0028] 优选地，所述的虚拟轨道列车的车头处于转弯状态，即第一悬架与第二悬架同时处于圆曲线区段时；第二悬架车轮转角δ2的计算方法为： [0029] δ2＝δ1 [0030] 其中，δ1为第一悬架的车轮转角。 [0031] 优选地，所述的虚拟轨道列车的车身为由直线进入转弯状态，即第i悬架开始由直线区段驶入圆曲线区段并且第i+1悬架处于直线曲线时，其中i≥2，第i+1悬架的车轮转角 δi+1的计算方法为： [0032] [0033] 其中，点A为第i悬架的中心点；点B为第i+1悬架的中心点；点C为第i悬架与第i+1悬架的铰接点；点O为相邻两个悬架中心点运动的速度瞬心； [0034] ∠ABC和∠ABO的计算方法为： [0035] [0036] [0037] [0038] 其中，Ls为车间连接模块GCM两端铰接点的纵向安装距离，γi‑1为相邻两个车体之间的铰接角度；为第i悬架在圆曲线区段的运行时间；vi为第i悬架的运动速度。 [0039] 优选地，所述的虚拟轨道列车的车身处于转弯状态，即第i悬架与第i+1悬架同时处于圆曲线区段内时，其中i≥2，第i+1悬架的车轮转角的计算方法为： [0040] [0041] [0042] 其中，点A为第i悬架的中心点；点B为第i+1悬架的中心点；点C为第i悬架与第i+1悬架的铰接点；点O为相邻两个悬架中心点运动的速度瞬心。 [0043] 优选地，所述的虚拟轨道列车的车头处于由转弯进入直线状态，即第一悬架由圆曲线区段驶入直线区段并且第二悬架仍处于圆曲线区段内时，第二悬架车轮转角δ2的计算方法为： [0044] [0045] [0046] 其中，为第二悬架在圆曲线区段的运行时间。 [0047] 优选地，所述的虚拟轨道列车的车身处于由转弯进入直线状态，即第i悬架开始由圆曲线区段驶入直线区段，而第i+1悬架仍处于圆曲线区段时，其中i≥2，第i+1悬架的车轮转角δi+1的计算方法为： [0048] [0049] [0050] 其中，和分别为第i悬架开始驶出圆曲线区段、驶入直线区段时第i+1悬架、第i悬架的车轮转角初始值和相邻车体铰接角的初始值，第i+1悬架在圆曲线区段的运行时间，vi+1为第i+1悬架运动速度。 [0051] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0052] 一、循迹精度高：本发明中的转向循迹控制方法所需车辆的状态参数较少，并且可以被精确测量，算法可根据车辆自身状态和车辆定位信息调整各个轴桥的车轮转角，从而实现虚拟轨道列车对参考路径的有效跟随，对车辆转弯时的情况进行细分，每种情况对应不同的计算方法，大大提高了车辆转弯时的循迹精度。 [0053] 二、算法运行时间较短，反应迅速：本发明中的转向循迹控制方法算法结构较为简单，算法所需的运行时间也较短，使得虚拟轨道列车的反应较为迅速，有效提高了列车的安全性。 [0054] 三、可扩展性强：本发明中的转向循迹控制方法可以根据列车不同编组长度进行算法的扩展和减缩，具有较高的可扩展性。 [0055] 四、循迹控制与车辆架构匹配性高：本发明中的门式虚拟轨道列车采用模块化编组形式，便于根据需要实现不同形式的编组联挂，车辆各个走行部运动解耦，实现循迹控制与车辆架构的高匹配性。附图说明 [0056] 图1为本发明中门式虚拟轨道列车的结构示意图； [0057] 图2为本发明中门式虚拟轨道列车的简化结构示意图； [0058] 图3为本发明实施例中列车车头处于由直线进入转弯状态时的示意图； [0059] 图4为本发明实施例中列车车头处于转弯状态时的示意图； [0060] 图5为本发明实施例中列车车身处于由直线进入转弯状态时的示意图； [0061] 图6为本发明实施例中列车车身处于转弯状态时的示意图； [0062] 图7为本发明实施例中列车车头处于由转弯进入直线状态时的示意图； [0063] 图8为本发明实施例中列车车身处于由转弯进入直线状态时的示意图； [0064] 图9为本发明实施例中列车几何循迹控制策略示意图。 [0065] 图中标号所示： [0066] 1、端部车体模块ECM，2、中间车体模块ICM，3、门式车间连接模块GCM，4、动力悬架模块PSM，5、非动力悬架模块NPSM，6、铰接结构，7、锁闭机构。具体实施方式 [0067] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。 [0068] 一种门式虚拟轨道列车，其结构如图1和图2所示，包括端部车体模块ECM1、中间车体模块ICM2、门式车间连接模块GCM3、动力悬架模块PSM4、非动力悬架模块NPSM5、铰接结构 6和锁闭机构7，端部车体模块ECM1通过门式车体连接模块GCM3与中间车体模块ICM2相连，端部车体模块ECM1安装在动力悬架模块PSM4上，门式车间连接模块GCM3安装在非动力悬架模块NPSM5上，门式车间连接模块GCM3通过二系悬挂安装在非动力悬架模块NPSM5上，车间连接模块GCM3与端部车体模块ECM1之间以及车间连接模块GCM3与中间车体模块ICM2之间均通过铰接结构6相连，锁闭机构7用于约束车间连接模块GCM3与其运动方向前方车体模块之间运动自由度，分别设置在车间连接模块GCM3与端部车体模块ECM1之间以及车间连接模块GCM3与中间车体模块ICM2之间。 [0069] 动力悬架模块PSM4和非动力悬架模块NPSM5上均设有车轮转角角度传感器和轮速传感器，铰接结构6处设有铰接角度传感器，门式虚拟轨道列车设有用于对车辆进行定位的定位模块。 [0070] 本实施例还涉及一种用于上述门式虚拟轨道列车的转向循迹控制方法，包括： [0071] 步骤1：获取虚拟轨道列车各个车轮的运动速度、列车各个悬架的车轮转角数据、各个铰接角数据、参考路径曲线半径数据以及各个悬架在线路上的位置； [0072] 各个车轮的运动速度通过安装在车轮处的轮速传感器获得； [0073] 各个悬架的车轮转角数据通过角度传感器测量获得； [0074] 各个铰接角数据通过安装在车间铰接出的角度传感器测量获得； [0075] 参考路径曲线半径数据通过头车传感器探测获得或利用线路上的应答器获得； [0076] 各个悬架在线路上的位置通过车辆定位模块获得； [0077] 步骤2：按照列车头到列车尾的顺序依次对每个悬架进行编号； [0078] 步骤3：根据步骤1获取的数据判断当前列车车头和车身的行驶状态，包括车头为由直线进入转弯状态、车头为转弯状态、车身为由直线进入转弯状态、车身为转弯状态、车头为由转弯进入直线状态以及车身为由转弯进入直线状态； [0079] 步骤4：根据步骤3获取的列车行驶状态获取对应悬架的车轮转角。 [0080] 下面具体描述各种行驶状态下对应悬架车轮转角的计算方法： [0081] (1)如图3所示，当虚拟轨道列车的车头处于由直线进入转弯状态，即第一悬架开始由直线区段驶入圆曲线区段并且第二悬架仍处于直线区段时，第二悬架轮转角δ2的计算方法为： [0082] [0083] 其中，L为虚拟轨道列车的列车轴距；R1和R2分别为第一悬架和第二悬架的瞬时运动半径； [0084] R1和R2满足如下关系： [0085] [0086] [0087] [0088] ∠ABO＝π‑∠AOB‑∠BAO [0089] R1和R2的计算方法为： [0090] [0091] 其中，为第一悬架在圆曲线区段的运行时间；R为圆曲线半径；δ1为第一悬架的车轮转角；v1为第一悬架的运动速度。 [0092] (2)如图4所示，虚拟轨道列车的车头处于转弯状态，即第一悬架与第二悬架同时处于圆曲线区段时；第二悬架车轮转角δ2的计算方法为： [0093] δ2＝δ1 [0094] 其中，δ1为第一悬架的车轮转角。 [0095] (3)如图5所示，虚拟轨道列车的车身为由直线进入转弯状态，即第i悬架开始由直线区段驶入圆曲线区段并且第i+1悬架处于直线曲线时，其中i≥2，第i+1悬架的车轮转角 δi+1的计算方法为： [0096] [0097] 其中，点A为第i悬架的中心点；点B为第i+1悬架的中心点；点C为第i悬架与第i+1悬架的铰接点；点O为相邻两个悬架中心点运动的速度瞬心； [0098] ∠ABC满足如下关系： [0099] [0100] [0101] ∠ABC和∠ABO的计算方法为： [0102] [0103] [0104] [0105] 其中，Ls为车间连接模块GCM两端铰接点的纵向安装距离，γi‑1为相邻两个车体之间的铰接角度；为第i悬架在圆曲线区段的运行时间；vi为第i悬架的运动速度。 [0106] (4)如图6所示，虚拟轨道列车的车身处于转弯状态，即第i悬架与第i+1悬架同时处于圆曲线区段内时，其中i≥2，第i+1悬架的车轮转角的计算方法为： [0107] [0108] [0109] 其中，点A为第i悬架的中心点；点B为第i+1悬架的中心点；点C为第i悬架与第i+1悬架的铰接点；点O为相邻两个悬架中心点运动的速度瞬心。 [0110] (5)如图7所示，虚拟轨道列车的车头处于由转弯进入直线状态，即第一悬架由圆曲线区段驶入直线区段并且第二悬架仍处于圆曲线区段内时，第二悬架车轮转角δ2的计算方法为： [0111] [0112] [0113] 其中，为第二悬架在圆曲线区段的运行时间。 [0114] (6)如图8所示，虚拟轨道列车的车身处于由转弯进入直线状态，即第i悬架开始由圆曲线区段驶入直线区段，而第i+1悬架仍处于圆曲线区段时，其中i≥2，第i+1悬架的车轮转角δi+1的计算方法为： [0115] [0116] [0117] 其中，和分别为第i悬架开始驶出圆曲线区段、驶入直线区段时第i+1悬架、第i悬架的车轮转角初始值和相邻车体铰接角的初始值，第i+1悬架在圆曲线区段的运行时间，vi+1为第i+1悬架运动速度。 [0118] 本实施例中的门式虚拟轨道列车设有自动驾驶模式和手动驾驶模式，如图9所示，线路信息和ECM1的姿态信息由列车自动采集，在自动驾驶模式下车轮转角由算法自动计算，然后依次对各个后车的车轴进行循迹控制；在手动驾驶模式下车轮转角由驾驶员手动输入，然后依次对各个后车的车轴进行循迹控制。 [0119] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。