基于雙排傳感器的轉軸式自動循跡列車控制策略

門永林，李士佩，臧鐵剛

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著我國城鎮化進程的加快及城市人口數量的增加，城市公共交通系統面臨巨大的壓力，經常出現交通擁堵現象，甚至一些大城市通過限制外部車輛或車輛限號來解決此類問題。城市交通系統主要包括軌道交通、公共汽車和個性化交通(包括出租車、專車和快車等)[1-2]。其中軌道交通能夠承載大部分的交通壓力，同時是城市居民出行的首選。

軌道交通廣泛應用于全國各大城市，給城市交通帶來極大的便利，但存在工程造價大、維護成本較高和靈活性差等缺點[3]。雖然公共汽車成本低且靈活性強，但是其承載量較低，不能有效解決城市交通的擁堵問題。科學技術與交通行業的融合推動了軌道交通行業技術的創新，不僅能夠減少軌道交通的建設與運營成本，提高城市交通的安全性，同時可以實現交通系統的信息化與智能化。基于信息處理技術對路況信息進行分析處理，將列車軌道轉換為虛擬軌道信息，結合列車的自動循跡理論實現列車的無軌循跡運動是突破傳統軌道列車的關鍵技術，此外該技術可以有效地解決軌道交通系統中面臨的諸多問題。

車載信息物理系統(CPS)和人工智能(AI)技術的快速發展，極大地促進了車輛自動循跡行駛的研究和開發[4-5]。復雜的交通環境要求車輛循跡行駛具有更高的安全性和準確性[6-7]。國內外學者對自動循跡理論做了大量的研究，并取得了一定的成果。袁希文等通過深度學習和數字虛擬軌道生成算法，對電車的道路軌跡進行了模擬分析，同時考慮了電車的延時性和非線性等特點[8]。明廷友提出了一種基于模型預測控制(MPC)的軌跡跟隨控制方法，全面地分析了車輛縱向和側向之間的相互影響，基于動力學理論建立了速度跟隨控制模型，提高了車輛循跡運行的穩定性[9]。張琨通過分析汽車動力學模型在非線性區的失效問題和多種自主循跡縱向控制模型，提出了一種汽車自主循跡的多控制方法變換策略，針對車輛行駛的不同工況可選擇合理的控制方法[10]。朱思敏基于PID控制和一次曲線圓滑打角的彎道控制策略實現了小車的循跡控制，通過激光傳感器采集道路信息，速度傳感器檢測小車的行駛速度[11]。孫幫成等通過虛擬軌道列車各車間模塊獨立循跡和協同循跡控制方法實現了列車的循跡運動，增強了虛擬軌道循跡列車的靈活性，并對列車垂向運動特性的分析，提高了列車的舒適度[12]。韓鵬研究了有軌電車的可行路徑，進一步基于可行路徑對列車跟蹤點在虛擬軌道上的循跡行駛進行協調控制，糾正了列車在循跡行駛過程中的偏差，實現了列車的循跡行駛控制[13]。HUANG J H等建立了一種列車虛擬車道保持運行的控制系統，能夠使公共汽車按照虛擬軌道自動行駛，并采用冗余、多層故障檢測和綜合故障管理相結合的方法保證了循跡汽車的安全性[14]。HU C等研究了一種積分滑模控制的車輛行駛路徑跟蹤控制問題，路徑跟蹤控制被轉換為偏航穩定問題，采用側滑角補償來減小穩態誤差，然后根據偏航率參考值控制車輛進行循跡運動[15]。雖然諸多研究在車輛的循跡行駛方面取得了一定的成果，但是其關注的重點主要集中在車輛的轉輪控制。此外，較少的研究考慮到車輛的承載能力及其靈活性。因此，對承載能力較強和靈活性高的轉軸式列車循跡行駛的研究具有重要的意義。

1 虛擬軌道列車總控制系統

虛擬軌道列車總控制系統可以分為上層規劃決策系統和下層整車控制系統兩個部分，如圖1所示。

圖1 控制系統結構規劃圖

上層規劃決策系統以中央控制器為核心，借助紅外線傳感器、雷達和攝像頭等設備來感知環境、軌跡識別和路徑規劃，并綜合下層整車控制系統反饋的列車運行狀態信息得到控制性能要求指令發送給下層。下層整車控制系統以電子控制單元(ECU)為核心，包括輪轂電機控制器、伺服液壓轉向系統控制器、制動系統控制器及附件控制系統等，根據上層控制指令和車輛當前狀態信息來控制車輛的行為。下層整車控制系統功能如圖2所示。

圖2 下層控制系統功能

電子控制單元(ECU)根據上層控制發送的控制性能要求分別通過電機驅動器和液壓推桿驅動器控制列車的速度和轉向。電子控制單元同時將列車當前的運行狀態信息實時反饋到中央控制器。

整個系統采用分布式控制，以整車的中央控制器為核心，通過CAN總線連接電子控制單元控制整車的運動狀態。虛擬軌道列車控制系統結構拓撲如圖3所示。

圖3 虛擬軌道列車控制系統結構拓撲

上層規劃決策系統發出的控制指令包括速度控制類(期望速度、期望加速度)、行駛轉向控制類(期望轉向角度)、原地轉向控制類(原地轉向速度、原地轉向標志位)、輪轂電機啟停控制類(電機啟動、電機停止)、制動控制類(無制動、行車制動、駐車制動)以及附件控制類(燈光、喇叭使能等)。

2 循跡系統控制策略

虛擬軌道列車循跡控制系統由軌跡識別傳感器、伺服液壓轉向控制器、伺服液壓推桿和反饋元件等部件構成，其循跡控制系統結構如圖4所示。

圖4 列車總體控制流程圖

系統工作過程中，中央控制器作為主控單元接收并處理路面信息、列車運動狀態及軌跡信息后對列車駕駛方式進行判斷。列車的駕駛方式分為非自動駕駛與自動駕駛。在非自動駕駛狀態下列車由駕駛員操控，自動駕駛狀態下則由計算機控制，駕駛員可通過操作控制面板或轉向盤自由切換兩種駕駛模式。在自動駕駛狀態下，控制系統通過雷達、視覺傳感器檢測周圍環境并判斷列車是否可以安全駕駛。若道路環境存在安全隱患，則列車緊急制動并報警；若列車可以安全行駛，首先判斷列車是正向行駛還是反向行駛，然后控制列車循跡運動并實時將列車的運動狀態和路面信息反饋到中央控制中心，使系統形成閉環控制。

虛擬軌道列車的循跡運動通過以下過程實現：中央控制器借助傳感器掃描得到的運動軌跡與列車當前航向相比較后得到車軸角度偏轉信號θ，該信號與角度傳感器反饋的當前車軸實際轉角信號進行比較，利用兩者的差值Δθ，通過控制算法生成伺服液壓推桿的指令信號，驅使伺服液壓推桿帶動輪軸實現轉向運動，使列車能夠實時跟隨既定的軌跡行駛。在此過程中首先在地面上設定虛擬軌道，然后在轉向軸中心處設置紅外線傳感器，實時測定當前曲線的切線方向角度β，如圖5所示。控制器讀取偏角數據β后，將數據反饋給循跡控制系統。最后控制器將轉動軸轉角數據換算成左右液壓推桿的位移值，并輸出給液壓伺服系統，液壓伺服系統控制液壓推桿運動，使車輪轉向。

圖5 車轉動軸中心在虛擬軌道上

列車在虛擬軌道的實際行駛過程中，可能因為對信息接收與處理的延遲而導致列車轉向架偏離軌道的現象。如圖6所示，若轉向架轉動軸中心偏離虛擬軌道，則傳感器實時測定轉動軸中心偏離軌道的距離D。控制器讀取偏距D后，結合當前車速，計算出輪軸需要旋轉的轉角值，將轉角值進行適當放大或縮小為β1。控制器將轉動軸需要轉動的轉角數據換算成左、右液壓推桿的位移值，并輸出給液壓伺服系統。液壓伺服系統控制液壓推桿運動，使轉動軸中心能始終與虛擬軌道重合。

圖6 車轉動軸中心偏離虛擬軌道

3 列車循跡控制策略的實現

3.1 轉動軸位姿狀態判定

根據列車轉向架轉動軸上傳感器的分布特點，將傳感器進行分組即分為前組傳感器[a]和后組傳感器[b]，并對每組傳感器賦予坐標值，如圖7所示。

圖7 傳感器的布局及編號示意圖

在列車行駛過程中，轉動軸上的傳感器對軌跡線進行實時檢測，利用前組傳感器坐標值為a的傳感器和后組傳感器坐標值為b的傳感器檢測軌跡線信號，可測得轉動軸中心偏離軌跡線的距離d。根據傳感器反饋的a值和b值將轉向架轉動軸中心位置及轉動軸行駛方向劃分為3種狀態，如圖8所示。

圖8 位姿狀態判定及分類情況示意圖

3.2 循跡轉向控制

虛擬軌道列車的循跡轉向控制主要通過位姿交替控制法來實現。控制系統通過判斷列車當前的位置誤差和姿態誤差對列車進行位置或姿態的調整。當位置誤差較大時進行位置調節，以實現列車對給定路徑的快速跟蹤；當位置誤差較小時，對列車進行姿態的調整，以實現列車對路徑追蹤的準確性。兩者根據誤差的大小進行交替控制，完成虛擬軌道列車的循跡控制。列車轉向架的轉軸中心在偏離虛擬軌道中心線不同距離及轉向軸行駛方向不同的情況下，控制器輸出轉角控制量不同，結合傳感器檢測到的軌跡線與行駛方向夾角θ以及輸出控制量θ0，建立了如下控制規則。

a)如果d0，需要右微調控制轉向架循跡。

b)如果D10，需要右轉控制列車行駛到微調帶內；3)當車輛處于狀態⑥時，a-b<0且|a|-|b|<0，需要右微調控制列車盡快行駛到微調帶內；4)當車輛處于狀態⑤時，a-b<0且|a|-|b|>0，需要左轉控制列車行駛到微調帶內；5)當車輛處于狀態⑧時，a-b>0且|a|-|b|<0，需要左微調控制列車盡快行駛到微調帶內；6)當車輛處于狀態⑦時，a-b>0且|a|-|b|>0，需要右轉控制列車行駛到微調帶內。

c)如果d>D2，即轉向架整體偏離軌跡線過大，超出了控制范圍，為了安全行駛，選擇停車并檢測故障。列車整體的循跡控制流程圖如圖9所示。

圖9 整體的循跡控制流程圖

3.3 傳感器數據的處理及計算

在列車的行駛道路上虛擬軌道有一定的寬度，因此在傳感器識別虛擬軌道時，需要考慮其寬度值。此外由于列車在行駛過程中分為3種不同的狀態，將不同精度的傳感器分布在傳感器軸上，傳感器與虛擬軌道的位置關系如圖10所示。

圖10 傳感器檢測軌跡線示意圖

根據傳感器的排布和由傳感器檢測到的虛擬軌道數據，將[a]組中檢測到信號的傳感器最小坐標表示為ai，對應實際坐標值為d(ai)，最大坐標編號為aj，對應實際坐標值為d(aj)；[b]組中檢測到信號的傳感器最小坐標編號為bm，對應實際坐標值為d(bm)，最大坐標編號為bn，對應實際坐標值為d(bn)。則[a]組傳感器檢測到的等效位置可表示為

(1)

[b]組傳感器檢測到的等效位置可表示為

(2)

根據[a]和[b]組傳感器反饋的數據，轉動軸中心偏離軌跡線距離為

(3)

根據[a]和[b]組傳感器反饋的數據，列車轉動軸的調整角度為

(4)

3.4 轉向架調整

由于列車在實際的控制過程中，傳感器周期性采集運行數據。根據采集到的離散數據，對循跡列車轉向架采用基于反饋的PID控制算法[16]，方法描述如下：

U(t)=Kpe(t)+Kif(t)+Kd(e(t)-e(t-1))

(5)

式中e(t)為在t時刻列車轉向架實際轉角和設定轉角之間的偏差。

e(t)=eg(t)-ec(t)

(6)

式中：eg(t)為在t時刻列車轉向架的設定轉角；ec(t)為在t時刻列車轉向架的實際轉角。

(7)

式中T為采樣周期。為了減小誤差，采用10個采樣周期的平均值控制列車的調整精度。在實際的調整過程中需要多次實驗才可確定最優值。

4 結語

軌道交通與城市其他公共交通工具相比具有運載能力大、安全、高效和節約能源等特點。但是，軌道交通的建設成本較高，且對車站周邊地區的地質產生不良影響。為此，本文基于列車轉向架的結構，研究了列車轉向架的循跡控制策略。首先將虛擬軌道列車的控制系統分為上層控制和下層控制。上層控制實時采集路況信息，對其數據進行處理分析，并將循跡控制指令發送給下層控制；下層控制接收上層信息后，將控制指令發送給列車的各執行單元。其次，將虛擬軌道的列車傳感器分為兩排安裝在轉向架的轉動軸上，并根據控制精度選擇檢測范圍不同的傳感器。基于虛擬軌道的寬度和傳感器的分布，建立了轉向架與虛擬軌道的相對位置模型。最后，根據列車在虛擬軌道上的相對位置，將循跡行駛列車分為3種不同的行駛狀態，針對各行駛狀態提出了相應的控制策略。采用基于PID控制方法，結合傳感器實時反饋的離散數據實現了列車循跡行駛的控制和調整。