一种基于智轨列车横向加速度的转向辅助系统及控制方法与流程

本发明涉及智慧交通技术领域，具体而言，涉及一种基于智轨列车横向加速度的转向辅助系统及控制方法。

背景技术：

城市交通是衡量城市文明进步的标志，是城市生活的命脉。随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，机动车保有量急剧增长，这使得城市交通环境恶化，路网交通效率降低，主/辅道路交通缓慢。而这种长时间、大面积的拥堵，不仅影响人们的日常生活和工作，还使得城市污染愈加严重，已成为制约城市经济和社会发展的“瓶颈”。创新城市交通出行方式，改善城市交通出行效率，已成为城市交通出行研究领域亟需解决的难题。

智轨列车(如图5所示)作为一种新式的大运力公共交通工具，兼具轨道交通和地面公共交通的双重属性，并且由于其行驶在特定线路上，干扰源较少，自动驾驶技术及智能网联技术在其上可以被更轻易地实现，因此得到了国内外许多研究机构的广泛关注。

但是，目前的智轨列车的运行运载能力较低，运行速度常维持在30km/h左右，编组数仅为3节，仍不能满足城市交通出行的需求。因此，更高的运行速度、更多的编组数是未来智轨列车发展的必然结果。然而，更高的运行速度和更长的车辆组合体将导致智轨列车的运行稳定性下降，并且对运行环境有更为苛刻的要求。如智轨列车以较高速度变向或在弯道上行驶时，其被牵引车可能出现从一侧向另一侧来回摆动的状况。或在转弯半径较小的路口，智轨列车因其转向能力不足而出现难以通过的情况。

因此，急需一种更智能的转向辅助系统来改善智轨列车的运行运载能力及运行稳定性。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于智轨列车横向加速度的转向辅助系统及控制方法，该转向辅助系统及控制方法能够有效避免智轨列车高速变向或通过弯道时可能出现的被牵引车侧滑/甩尾的情况以及长编组智轨列车转小弯困难的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于智轨列车横向加速度的转向辅助系统，包括自动循迹开关、车体信息采集装置、轨迹识别装置、转向辅助控制装置、主动转向装置和驱动装置；

自动循迹开关，与转向辅助控制装置连接，用于开启或关闭自动循迹；

车体信息采集装置，与转向辅助控制装置连接，用于在自动循迹开关开启后，采集智轨列车的运动参数，并将运动参数发送至转向辅助控制装置，运动参数包括列车车速、各个车轮的速度、各节车体的横向加速度、方向盘转向角、各个车轮的转向角和各个车轮的转矩；

轨迹识别装置，与转向辅助控制装置连接，用于在自动循迹开关开启后，采集和处理路面预设标线图像信息，并将处理后的路面预设标线图像信息发送至转向辅助控制装置；

转向辅助控制装置，用于根据接收的运动参数和路面预设标线图像信息，控制主动转向装置和驱动装置对智轨列车的行进进行调整；

主动转向装置，与转向辅助控制装置连接，用于独立控制智轨列车各个车轮的转向角；

驱动装置，与转向辅助控制装置连接，用于独立控制智轨列车各个车轮的转动力矩。

进一步地，转向辅助控制装置包括转向辅助控制模块和操作信号检测模块，车体信息采集装置、轨迹识别装置、主动转向装置和驱动装置均与转向辅助控制模块连接，操作信号检测模块与转向辅助控制模块连接，自动循迹开关与操作信号检测模块连接。

进一步地，车体信息采集装置包括：

车速传感器，与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车的车速，并将车速信息发送至转向辅助控制模块；

车轮速度传感器，与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车各个车轮的速度，并将各个车轮的速度信息发送至转向辅助控制模块；

横向加速度传感器，与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车各节车体的横向加速度，并将各节车体的横向加速度信息发送至转向辅助控制模块；

方向盘转向角传感器，与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车的方向盘转向角，并将方向盘转向角信息发送至转向辅助控制模块；

车轮转向角传感器，与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车各个车轮的转向角，并将各个车轮的转向角信息发送至转向辅助控制模块；

车轮转矩传感器，与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车各个车轮的转矩，并将各个车轮的转矩信息发送至转向辅助控制模块。

进一步地，轨迹识别装置包括摄像头和图像处理器，摄像头与图像处理器连接，图像处理器与转向辅助控制模块连接，摄像头用于采集路面预设标线图像信息并发送至图像处理器，图像处理器用于对路面预设标线图像信息进行处理并发送至转向辅助控制模块。

进一步地，主动转向装置包括主动控制转向器和转向器控制器，主动控制转向器与转向器控制器连接，转向器控制器与转向辅助控制模块连接；转向器控制器用于根据转向辅助控制模块的指令控制主动控制转向器动作，以独立控制智轨列车各车轮的转向角度。

进一步地，驱动装置包括驱动电机和电机控制器，驱动电机与电机控制器连接，电机控制器与转向辅助控制模块连接；电机控制器用于根据转向辅助控制模块的指令控制驱动电机转动，以独立控制智轨列车各车轮的转动力矩。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于智轨列车横向加速度的转向辅助控制方法，包括：

接收自动循迹开关开启信号；

轨迹识别装置采集和处理预设标线图像信息，并将处理后的预设标线图像信息发送至转向辅助控制装置；车体信息采集装置采集智轨列车的运动参数，并将运动参数发送至转向辅助控制装置，运动参数包括列车车速、各个车轮的速度、各节车体的横向加速度、方向盘转向角、各个车轮的转向角和各个车轮的转矩；

转向辅助装置根据接收到的预设标线图像信息和智轨列车的运动参数控制主动转向装置和驱动装置对智轨列车的行进进行调整。

进一步地，轨迹识别装置采集和处理预设标线图像信息，并将处理后的预设标线图像信息发送至转向辅助控制装置，具体是指：

通过摄像头采集预设标线图像信息，通过图像处理器对采集到的预设标线图像信息进行处理，计算出智轨列车各节车的行进方向与预设标线的偏移转角及智轨列车各节车的中轴线与预设标线间的距离，并将偏移转角和距离发送至转向辅助控制装置。

进一步地，转向辅助装置根据接收到的预设标线图像信息和智轨列车的运动参数控制主动转向装置和驱动装置对智轨列车的行进进行调整，具体是指：

基于智轨列车组合体模型，转向辅助控制模块以智轨列车的运动参数为输入，计算智轨列车牵引车的横向加速度与被牵引车的横向加速度之间的期望延迟值，进而使用牵引车的实际横向加速度计算各被牵引车的基准横向加速度；

转向辅助控制模块结合智轨列车各节车的行进方向与预设标线的偏移转角、智轨列车各节车的中轴线与预设标线间的距离、各被牵引车的基准横向加速度以及智轨列车的运动参数，计算出应调整的最优的偏移转角、调整速度及相应的各个车轮应设置的最优转向角；

将应调整的最优的偏移转角、调整速度及相应的各个车轮应设置的最优转向角发送至主动转向装置和驱动装置，对智轨列车的行进进行调整。

进一步地，对智轨列车的行进进行调整的过程中，若方向盘转向角大于设定阈值，则开启速差转向控制，进入阿克曼转向和速差转向混合状态；速差转向控制的具体步骤为：

转向辅助控制模块计算当前方向盘转向角与设定转向角阈值之差；

将当前方向盘转向角与设定转向角阈值的差值乘以设定增益值，得到应补偿给智轨列车各个车轮的辅助转矩；

将辅助转矩发送至驱动装置，由电机控制器控制驱动电机产生驱动力，并将驱动力施加至智轨列车的各个车轮。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的转向辅助系统及控制方法，基于智轨列车各节车体的横向加速度协调分配各个车轮的转向角，能够有效地降低长编组智轨列车各节车最大横向加速度的“向后放大”效应；并在转弯半径较小时开启速差转向功能，显著提高智轨列车转向能力。该转向辅助系统及控制方法能够有效地避免智轨列车高速变向或通过弯道时可能出现的被牵引车侧滑/甩尾的情况以及长编组智轨列车转小弯困难的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的转向辅助系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的转向辅助控制方法的流程图。

图3为本发明实施例的转向辅助控制方法中对智轨列车的行进进行调整的流程图。

图4为本发明实施例的转向辅助控制方法中速差转向控制的流程图。

图5为智轨列车的结构示意简图。

图6为智轨列车相较于预设标线的偏移转角及距离示意图(图中α为偏移转角，d为距离)。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。

实施例1：

参见图1，一种本发明实施例的基于智轨列车横向加速度的转向辅助系统，该转向辅助系统适用于各车轮均由独立驱动电机驱动及独立主动转向控制器控制的智轨列车。由图可见，该转向辅助系统主要包括自动循迹开关、车体信息采集装置、轨迹识别装置、转向辅助控制装置、主动转向装置和驱动装置；其中，自动循迹开关与转向辅助控制装置连接，用于开启或关闭自动循迹功能；车体信息采集装置与转向辅助控制装置连接，用于在自动循迹开关开启后，采集智轨列车的运动参数，并将采集到的运动参数发送至转向辅助控制装置，该运动参数包括列车车速、各个车轮的速度、各节车体的横向加速度、方向盘转向角、各个车轮的转向角和各个车轮的转矩；轨迹识别装置与转向辅助控制装置连接，用于在自动循迹开关开启后，采集和处理路面预设标线图像信息，并将处理后的路面预设标线图像信息发送至转向辅助控制装置；主动转向装置和驱动装置均与转向辅助控制装置连接；转向辅助控制装置用于根据接收的运动参数和处理后的路面预设标线图像信息，控制主动转向装置和驱动装置对智轨列车的行进进行调整；主动转向装置用于独立控制智轨列车各个车轮的转向角；驱动装置用于独立控制智轨列车各个车轮的转动力矩。

上述的基于智轨列车横向加速度的转向辅助系统，基于智轨列车各节车体的横向加速度协调分配各个车轮的转向角，能够有效降低长编组智轨列车各节车最大横向加速度的“向后放大”效应；并在转弯半径较小时开启速差转向功能，显著提高智轨列车转向能力。该转向辅助系统能够有效避免智轨列车高速变向或通过弯道时可能出现的被牵引车侧滑/甩尾的情况以及长编组智轨列车转小弯困难的问题。

具体来说，在本实施例中，转向辅助控制装置包括转向辅助控制模块和操作信号检测模块。其中，操作信号检测模块与转向辅助控制模块连接；车体信息采集装置、轨迹识别装置、主动转向装置和驱动装置均与转向辅助控制模块连接；自动循迹开关与操作信号检测模块连接。由操作信号检测模块检测自动循迹开关的自动循迹开启信号，由转向辅助控制模块指示车体信息采集装置采集智轨列车的运动参数，并指示轨迹识别装置采集和处理预设标线图像信息，车体信息采集装置将采集到的智轨列车的运动参数发送至转向辅助控制模块，轨迹识别装置将处理后的预设标线图像信息发送至转向辅助控制模块；然后由转向辅助控制模块计算应调整的偏移转角、调整速度及相应的各车轮的转向角度，并将计算结果发送至主动转向装置和驱动装置对智轨列车的行进进行调整；转向辅助控制模块还判断智轨列车的方向盘转向角是否大于设定阈值，并在智轨列车的方向盘转向角大于设定阈值时开启速差转向功能。

具体地，在本实施例中，车体信息采集装置包括车速传感器、车轮速度传感器、横向加速度传感器、方向盘转向角传感器、车轮转向角传感器和车轮转矩传感器。其中，车速传感器与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车的车速，并将采集到的车速信息发送至转向辅助控制模块；车轮速度传感器与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车各个车轮的速度，并将采集到的各个车轮的速度信息发送至转向辅助控制模块；横向加速度传感器与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车各节车体的横向加速度，并将采集到的各节车体的横向加速度信息发送至转向辅助控制模块；方向盘转向角传感器与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车的方向盘转向角，并将采集到的方向盘转向角信息发送至转向辅助控制模块；车轮转向角传感器与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车各个车轮的转向角，并将采集到的各个车轮的转向角信息发送至转向辅助控制模块；车轮转矩传感器与转向辅助控制模块连接，用于采集智轨列车各个车轮的转矩，并将采集到的各个车轮的转矩信息发送至转向辅助控制模块。

在本实施例中，轨迹识别装置具体包括摄像头和图像处理器。其中，摄像头安装在智轨列车的牵引车车底，摄像头与图像处理器连接，图像处理器与转向辅助控制模块连接；摄像头用于采集路面预设标线图像信息并将采集到的路面预设标线图像信息发送至图像处理器，图像处理器用于对路面预设标线图像信息进行处理并发送至转向辅助控制模块。

在本实施例中，主动转向装置具体包括主动控制转向器和转向器控制器。其中，主动控制转向器与转向器控制器连接，转向器控制器与转向辅助控制模块连接；转向器控制器用于根据转向辅助控制模块的指令控制主动控制转向器动作，从而独立控制智轨列车中各车轮的转向角度。驱动装置具体包括驱动电机和电机控制器。其中，驱动电机与电机控制器连接，电机控制器与转向辅助控制模块连接；电机控制器用于根据转向辅助控制模块的指令控制驱动电机转动，从而独立控制智轨列车中各车轮的转动力矩。

实施例2：

参见图2、图3、图4以及图6，一种本发明实施例的基于智轨列车横向加速度的转向辅助控制方法，采用本发明的转向辅助系统对智轨列车进行转向辅助控制，该转向辅助控制方法适用于各车轮均由独立驱动电机驱动及独立主动转向控制器控制的智轨列车。该转向辅助控制方法包括以下步骤：

步骤s1：接收自动循迹开关开启信号；

步骤s2：轨迹识别装置采集和处理预设标线图像信息，并将处理后的预设标线图像信息发送至转向辅助控制装置；车体信息采集装置采集智轨列车的运动参数，并将运动参数发送至转向辅助控制装置，运动参数包括列车车速、各个车轮的速度、各节车体的横向加速度、方向盘转向角、各个车轮的转向角和各个车轮的转矩；

步骤s3：转向辅助装置根据接收到的预设标线图像信息和智轨列车的运动参数控制主动转向装置和驱动装置对智轨列车的行进进行调整。

进一步地，步骤s2中，轨迹识别装置采集和处理预设标线图像信息，并将处理后的预设标线图像信息发送至转向辅助控制装置，具体是指：

通过摄像头采集预设标线图像信息，并将采集到的预设标线图像信息发送至图像处理器，通过图像处理器对采集到的预设标线图像信息进行处理，计算出智轨列车各节车的行进方向与预设标线的偏移转角及智轨列车各节车的中轴线与预设标线间的距离，并将该偏移转角和距离发送至转向辅助控制装置。

具体地，步骤s3中，转向辅助装置根据接收到的预设标线图像信息和智轨列车的运动参数控制主动转向装置和驱动装置对智轨列车的行进进行调整，具体包括以下步骤：

步骤s301：基于智轨列车组合体模型，转向辅助控制模块以智轨列车的运动参数为输入，计算出智轨列车牵引车的横向加速度与被牵引车的横向加速度之间的期望延迟值，进而利用牵引车的实际横向加速度计算各个被牵引车的基准横向加速度；

其计算方法可描述为：

kk＝f(ui,a)

akstandard＝a1+kk

其中，ui为第i个车轮的车速；a为智轨车辆特性矩阵；kk为第k节车的横向加速度的延迟值；a1为第一节车的横向加速度；akstandard为第k节车的基准横向加速度；

步骤s302：转向辅助控制模块结合智轨列车各节车的行进方向与预设标线的偏移转角、智轨列车各节车的中轴线与预设标线间的距离、各被牵引车的基准横向加速度以及智轨列车的运动参数，计算出应调整的最优的偏移转角、调整速度及相应的各个车轮应设置的最优转向角；

具体地，转向辅助控制模块通过优化算法进行计算，其计算方法可描述为：

其中，αk为第k节车与预设标线间的偏移转角；dj依次为各节车中轴线与预设标线间的距离；ak为第k节车的横向加速度；akstandard为第k节车的基准横向加速度；θi为第i个车轮的转向角；θallow为智轨车辆车轮允许调整的最大转向角；v为车速；vlimit为智轨车辆限定最高车速；

步骤s303：转向辅助控制模块将计算出的应调整的最优的偏移转角、调整速度及相应的各个车轮应设置的最优转向角发送至主动转向装置和驱动装置，通过主动转向装置和驱动装置对智轨列车的行进进行调整。

进一步地，在本实施例的步骤s3中，对智轨列车的行进进行调整的过程中，若方向盘转向角大于设定阈值，则开启速差转向控制，进入阿克曼转向和速差转向混合状态；该速差转向控制的具体步骤为：

转向辅助控制模块计算当前方向盘转向角与设定转向角阈值之差；

将当前方向盘转向角与设定转向角阈值的差值乘以设定增益值，得到应补偿给智轨列车各个车轮的辅助转矩；

将辅助转矩发送至驱动装置，由电机控制器控制驱动电机产生驱动力，并将驱动力施加至智轨列车的各个车轮。

总体而言，本发明的转向辅助系统及控制方法，先通过摄像头采集预设标线图像信息，通过图像处理器对预设标线图像信息进行处理，计算出智轨列车各节车的行进方向与预设标线的偏移转角及智轨列车各节车的中轴线与预设标线间的距离；通过车体信息采集装置采集智轨列车的车速、各个车轮的速度、各节车体的横向加速度、方向盘转向角、各个车轮的转向角和各个车轮的转矩等运动参数；

然后，基于智轨列车组合体模型，转向辅助控制模块以智轨列车的运动参数为输入，计算出智轨列车牵引车的横向加速度与被牵引车的横向加速度之间的期望延迟值，进而利用牵引车的实际横向加速度计算各个被牵引车的基准横向加速度；

再由转向辅助控制模块结合智轨列车各节车的行进方向与预设标线的偏移转角、智轨列车各节车的中轴线与预设标线间的距离、各被牵引车的基准横向加速度以及智轨列车的运动参数，计算出应调整的最优的偏移转角、调整速度及相应的各个车轮应设置的最优转向角；

然后根据应调整的最优的偏移转角、调整速度及相应的各个车轮应设置的最优转向角通过主动转向装置和驱动装置对智轨列车的行进进行调整。

本发明的转向辅助系统及控制方法，基于智轨列车各节车体的横向加速度，协调分配各个车轮的转向角，能够有效地降低长编组智轨列车各节车最大横向加速度的“向后放大”效应。

并且，在对智轨列车的行进进行调整的过程中，当方向盘转向角大于设定阈值时(判定为此时智轨列车的转弯半径小)，开启速差转向控制，根据应补偿给智轨列车各个车轮的辅助转矩由电机控制器控制驱动电机产生驱动力，并将驱动力通过减速机减速后施加至智轨列车的各个车轮，对智轨列车进行辅助转向。

本发明的转向辅助系统及控制方法，在转弯半径较小时可开启速差转向功能，显著提高智轨列车转向能力。该转向辅助系统及控制方法能够有效地避免智轨列车高速变向或通过弯道时可能出现的被牵引车侧滑/甩尾的情况以及长编组智轨列车转小弯困难的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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