[發明專利]一種虛擬軌道列車自主導向控制方法

有效

• 申請號: 202010439538.8
• 申請日: 2020-05-22
• 公開（公告）號: CN111547111B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 張眾華;楊蔡進;張衛華
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: B61L27/00
• 分類號: B61L27/00;G06F30/20
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

1.一種虛擬軌道列車自主導向控制方法，包括以下步驟：

步驟一、建立自導向虛擬軌道列車解耦動力學模型：

虛擬軌道列車通過控制輪轂電機和轉向作動器來實現全輪驅動或全輪轉向，當以理想狀態進行自導向穩態運行時，兩車之間的鉸接作用力很小；基于此，將M節車輛編組的虛擬軌道列車離散為相互獨立的M節車輛，車輛之間的耦合作用力對列車而言是一種內部作用力，而對每節車輛而言可作為一種外部擾動，而這種擾動是有界的，耦合作用力的關系可表示為：

其中，假設虛擬軌道列車位于水平路面上，及表示在平面內2車作用于1車的縱向力、側向力及橫擺力矩；及表示在平面內1車作用于2車的縱向力、側向力及橫擺力矩；

將虛擬軌道列車的相鄰兩車輛之間解耦后的二自由度2DOF車輛動力學模型用狀態空間表示為：

其中，i為M節車輛編組虛擬軌道列車的車輛編號，i＝1,2,3…M；vⁱ表示由兩節車輛之間耦合作用引起的外部擾動量；Hⁱ表示擾動增益矩陣；定義為xⁱ的一階導數，xⁱ表示第i節車輛的狀態變量列陣，表示為：

分別表示i車輛前、后軸中心在第i節車輛坐標系x_io_iy_i下的側向位移；表示第i節車輛的航向角；表示車輛的側向速度與橫擺角速度；T表示矩陣轉置；

Φⁱ為狀態轉移矩陣，表示為：

分別表示第i節車輛質心到前軸中心與后軸中心的距離；分別表示2DOF車輛模型中前、后等效輪胎的側偏剛度；mⁱ、分別表示第i節車輛的總質量與橫擺轉動慣量；表示第i節車輛質心的縱向速度，通過傳感器測量獲得，假設在預測時域中為常量；Γⁱ為控制增益矩陣，表示為：

uⁱ為第i節車輛側向動力學模型的轉向控制輸入量，表示為：

式中，分別表示第i節2DOF車輛模型中的前、后等效車輪的偏轉角；

步驟二、建立虛擬軌道列車各節車輛的離散側向動力學模型：

根據式(2)，將離散車輛側向動力學模型表示為：

xⁱ(k+1)＝Aⁱ(k)xⁱ(k)+Bⁱ(k)uⁱ(k)+Hⁱ(k)vⁱ(k) (7)

其中，N表示預測時域中離散時刻的數量；k表示預測時域中的第k時刻，k＝0,1,2…N-1；

定義離散側向動力學模型的狀態轉移矩陣為Aⁱ(k)，表示為：

定義I為5×5維的單位矩陣；為預測時域的長度，單位為秒；

定義離散側向動力學模型的控制增益矩陣為Bⁱ(k)，表示為：

定義車輛控制模型的輸出變量的預測值為yⁱ(k+1)，表示為：

yⁱ(k+1)＝Cxⁱ(k+1) (10)

其中，C為預測第k+1時刻車輛位姿輸出的增益矩陣，表示為：

步驟三、計算自導向虛擬軌道列車的首車轉向控制量：

以路面的虛擬軌道線條作為跟蹤目標，采用專用攝像頭進行實時辨識，獲得在首車車輛坐標系中描述的點云坐標序列，通過點云坐標計算首車在預測時域中跟蹤虛擬軌道的目標側向位移與航向角位移此處上標“i”的取值為1，代表首車；“i”大于1的代表首車后面的車輛，下標“des”代表跟蹤目標；

建立首車跟蹤虛擬軌道的二次型目標函數，表示為：

s.t.xⁱ(k+1)＝Aⁱ(k)xⁱ(k)+Bⁱ(k)uⁱ(k)+Hⁱ(k)vⁱ(k),xⁱ(0)＝xⁱ₀

其中，xⁱ₀為預測時域中的初始狀態變量；Q表示跟蹤誤差權重矩陣；R表示控制輸入量權重矩陣；由式(12)，求解含有等式約束的二次規劃問題，計算出虛擬軌道列車首車跟蹤虛擬軌道的控制輸入uⁱ(k)，通過比例增益計算出第i節車輛前軸與后軸轉向作動器的控制輸入量，輸入到轉向作動控制器；

步驟四、計算虛擬軌道列車編組中各節車輛的側向狀態預測值：

結合式(10)，車輛在第k時刻的狀態變量xⁱ(k)以及控制輸入量uⁱ(k)和擾動估計值Hⁱ(k)vⁱ(k)，計算出首車在第k+1時刻的狀態變量xⁱ(k+1)，通過迭代計算，計算出車輛在預測時域終端的狀態變量預測值，進而計算車輛側向狀態的預測值，表示為：

其中，下標“pre”代表預測；E為車輛側向狀態輸出系數矩陣，定義為

步驟五、計算虛擬軌道列車首車后面編號“i”大于1的車輛的轉向控制量：

當虛擬軌道列車的首車嚴格循跡時，首車的后軸中心點在路面上的投影與虛擬軌道重合；基于此，除首車以外，其他參與編組的各節車輛均跟蹤其前車后軸中心點在預測時域中的側向位移和航向角，最終實現虛擬軌道列車的狀態預測和自導向運動跟隨；

定義第i節車輛后軸中心在第k+1時刻的側向距離和航向角分別為以作為第i+1(i≥M-1)節車輛的跟蹤目標，計算式如下：

其中，D為預測第i節車輛后軸中心位姿的增益矩陣；

虛擬軌道列車首車后的各節車輛自導向運動跟隨所需的側向位移和車輛航向角的計算式如下：

結合式(12)與式(15)即計算出首車后每節車輛的轉向作動控制量，通過比例增益轉換為轉向作動器的控制量，實現虛擬軌道列車首車后面各節車輛的轉向作動；

步驟六、計算自導向虛擬軌道列車的各節車輛的縱向參考速度：

自導向虛擬軌道列車運行于不同路段時，需要跟蹤不同的目標運行速度，各節車輛的縱向目標速度按照如下方法計算：

其中，為牽引工況；為制動工況，因此牽引與制動統一為式(18)；

步驟七、計算自導向虛擬軌道列車各節車牽引控制量：

假設車體為剛體，由剛體平面運動的基本理論，根據車輛質心的縱向速度、側向速度及橫擺角速度的預測值，計算出車輪中心處的速度分量，表示為：

其中，分別第i節輛車的第j個車輪中心在車輛坐標系中的沿x軸的坐標分量和沿y軸的坐標分量；以車輛運行方向為參考，fl,fr,rl,rr分別表示前左輪、前右輪、后左輪和后右輪的位置標記；

計算四輪轉向輪轂電機驅動車輛的車輪速度偏角：

計算四輪轉向輪轂電機驅動車輛的輪胎側偏角：

其中，為實際車輛的車輪偏轉角；

計算虛擬軌道列車各節車輛的車輪轉速預測值：

根據輪胎側偏角及輪心在車輛坐標系中的速度分量，計算輪心在輪胎對稱平面中的速度分量，表示為：

車輪作純滾動時轉速的預測值計算式如下：

其中，r_s表示輪胎滾動半徑；

綜上，由式(2)～(23)首先計算出M節車輛編組的自導向虛擬軌道列車解耦控制模型的轉向控制輸入量uⁱ，通過比例增益計算各軸轉向作動器的控制輸入量，并發送給轉向作動控制器；然后計算出各輪轂電機正向驅動或反向驅動時的轉速預測值并發送給對應輪轂電機驅動控制器。