[发明专利]一种虚拟轨道列车自主导向控制方法

说明书

本发明提供了一种虚拟轨道列车的自主导向控制方法，属于虚拟轨道列车运行控制技术领域。首先将以三节编组的虚拟轨道列车离散为相互独立的M节车辆，建立自导向虚拟轨道列车解耦动力学模型；建立虚拟轨道列车各节车辆的离散侧向动力学模型；计算自导向虚拟轨道列车的首车转向控制量；计算虚拟轨道列车编组中各节车辆的侧向状态预测值；计算虚拟轨道列车首车后面编号“i”大于1的车辆的转向控制量；计算自导向虚拟轨道列车的各节车辆的纵向参考速度等步骤。即可获得全轮驱动全轮转向的虚拟轨道列车实现自主导向运行所需要的每个轮毂电机驱动控制器和转向作动控制器所需要的控制输入量。本发明可通过应用Matlab软件计算完成。

技术领域

本发明属于虚拟轨道列车控制技术领域。

技术背景

自导向虚拟轨道列车是一种在公共路权下运行，沿着涂抹于道路上表面的虚拟轨道进行自主导向行驶，具备中等运能的新型城市轨道交通列车。其采用了胶轮承载、全轮轮毂电机独立驱动、双向自主运行、多轴转向及灵活编组技术，具有冗余牵引、转向及制动的技术特征。因此，大幅度提高了自导向虚拟轨道列车在复杂城市环境下的运载能力、曲线通过能力及主动安全能力。牵引、转向及制动控制与分配技术是自导向虚拟轨道列车实现基本功能和保障运行安全的关键技术。现有的控制方法主要是采用扩展阿克曼转向几何、刚性轮胎假设及统一瞬心来实现的，具有简单可靠、成本低廉、实时性能好等优点，如专利(CN110244731A)。而自导向虚拟轨道列车在牵引、转向及制动过程，轮胎纵向与侧向粘着力、每节车辆内部以及车辆之间均存在强非线性的耦合作用，若是没有良好的协调机制，将引起虚拟轨道列车侧向失稳、制动过程中车厢折叠、铰接作用力过大以及降低自导向控制精度等问题。由于上述耦合作用涉及车辆动力学响应及控制，但传统的协同控制方法并未考虑车辆动力学特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚拟轨道列车自主导向控制方法，它能有效地解决虚拟轨道列车自主导向运行过程中分配各轮毂电机和转向作动器控制量的技术问题。

一种虚拟轨道列车自主导向控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立自导向虚拟轨道列车解耦动力学模型：

虚拟轨道列车通过控制轮毂电机和转向作动器来实现全轮驱动或全轮转向，当以理想状态进行自导向稳态运行时，两车之间的铰接作用力很小；基于此，将M节车辆编组的虚拟轨道列车离散为相互独立的M节车辆，车辆之间的耦合作用力对列车而言是一种内部作用力，而对每节车辆而言可作为一种外部扰动，而这种扰动是有界的，耦合作用力的关系可表示为：

其中，假设虚拟轨道列车位于水平路面上，及表示在平面内2车作用于1车的纵向力、侧向力及横摆力矩；及表示在平面内1车作用于2车的纵向力、侧向力及横摆力矩；

将虚拟轨道列车的相邻两车辆之间解耦后的二自由度2DOF车辆动力学模型用状态空间表示为：

其中，i为M节车辆编组虚拟轨道列车的车辆编号，i＝1,2,3…M；vⁱ表示由两节车辆之间耦合作用引起的外部扰动量；Hⁱ表示扰动增益矩阵；定义为xⁱ的一阶导数，xⁱ表示第i节车辆的状态变量列阵，表示为：

分别表示i车辆前、后轴中心在第i节车辆坐标系x_io_iy_i下的侧向位移；表示第i节车辆的航向角；表示车辆的侧向速度与横摆角速度；T表示矩阵转置；

Φⁱ为状态转移矩阵，表示为：