本發明屬于車輛工程領域，尤其涉及一種無軌電動列車及其控制方法與裝置。

背景技術：

無軌電動列車是一種通常由架空接觸網供電、電動機驅動，不依賴固定軌道行駛的道路公共交通工具。由于無軌電動列車以電力驅動電車，不會產生尾氣污染，并且不需要鋪設成本昂貴的軌道，有利于提高城市的整體景觀。

目前的無軌電動列車，一般是由架空接觸網供電，由所述架空接觸網為電動機提供電能，由電動機驅動電車在架空網絡對應的道路上行駛。由于無軌電動列車在不固定的軌道上運行，為了保證的運行過程的安全性，一般無軌電動列車都是單節電車。但是，由于單節電車的空間有限，不利于提高電車的運力，而如果采用多節車廂時，轉彎行駛不方便控制，穩定差。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種無軌電動列車及其控制方法與裝置，以解決現有技術的無軌電動列車一般采用單節電車，不利于提高電車的運力以及采用多節車廂時，行駛穩定性差的問題。

第一方面，本發明實施例提供了一種無軌電動列車，所述無軌電動列車包括多節車廂，多節車廂之間通過鉸鏈相連，在所述無軌電動列車的兩端分別設置有與驅動輪相連的推動電機，所述推動電機用于推動所述無軌電動列車雙向行駛；

在所述車廂中部的兩側分別設置有與轉向輪相連的差速控制電機，所述差速控制電機用于采用不同的轉動速度控制無軌電動列車轉彎；

所述差速控制電機、推動電機通過電機控制器與整車控制器相連；

所述無軌電動列車上還安裝有用于采集地形數據的傳感組件，所述傳感組件與所述整車控制器相連，所述整車控制器用于將采集的地形數據與預設的地理信息系統GIS的虛擬軌道比較，生成相應的控制指令，控制所述差速控制電機和/或所述推動電機。

結合第一方面，在第一方面的第一種可能實現方式中，所述傳感組件包括視頻采集設備，所述視頻采集設備與所述整機控制器相連，所述整機控制器用于檢測所述視頻采集設備所采集的圖像中的標識，根據所述標識查找所述無軌電動列車在所述地理信息系統GIS中對應的位置，根據查找的位置所對應的運行方式，生成對應的控制指令控制所述差速控制電機和/或所述推動電機。

結合第一方面，在第一方面的第二種可能實現方式中，所述驅動輪與所述推動電機之間，以及所述轉向輪與所述差速控制電機之間分別設置有制動器，所述制動器分別與制動器控制器相連，所述制動控制器與所述整機控制器相連，所述整體控制器通過所述制動器控制器向各個制動器發送制動控制指令。

結合第一方面的第二種可能實現方式，在第一方面的第三種可能實現方式中，所述制動器控制器與所述制動器之間通過液壓或氣動控制；所述整機控制器與所述差速控制電機，或者所述整機控制器與所述推動電機之間設置有電機控制器，所述整機控制器所述電機控制器之間通過小電流線路連接，所述電機控制器與所述推動電機，或者所述電機控制器與所述差速控制電機之間通過大電流線路連接。

結合第一方面，在第一方面的第四種可能實現方式中，所述傳感組件包括攝像頭、超聲波傳感器、紅外傳感器中的一種或者多種。

第二方面，本發明實施例提供了一種無軌電動列車的控制方法，所述方法包括：

通過傳感組件獲取無軌電動列車所在場景的地形數據；

根據所述地形數據中包括的標識以及無軌電動列車與標識的距離，在地理信息系統GIS中確定所述無軌電動列車的位置；

根據所述無軌電動列車的位置，查找所述位置對應的控制策略，根據所述控制策略生成對應的轉速控制指令，控制所述推動電機和/或所述差速控制電機。

結合第二方面，在第二方面的第一種可能實現方式中，所述根據所述地形數據中包括的標識以及無軌電動列車與標識的距離，在地理信息系統中確定所述無軌電動列車的位置步驟包括：

通過攝像頭獲取所述地形數據中的建筑物模型和/或建筑物紋理；

在地理信息系統GIS中查找與所獲取的建筑物模型和/或建筑物紋理匹配的場景，根據無軌電動列車與所述建筑物模型之間的距離確定無軌電動列車的位置。

結合第二方面，在第二方面的第二種可能實現方式中，所述根據所述控制策略生成對應的轉速控制指令，控制所述推動電機和/或所述差速控制電機步驟包括：

根據所述無軌電動列車的位置，確定所述電車在具體位置的轉向角度、轉向半徑；

根據所述無軌電動列車的輪距、軸距，結合所述轉向角度和轉向半徑，確定所述差速控制電機中的內側的差速控制電機以及外側的差速控制電機的轉速。

第三方面，本發明實施例提供了一種無軌電動列車的控制裝置，所述裝置包括：

地形數據獲取單元，用于通過傳感組件獲取無軌電動列車所在場景的地形數據；

位置確定單元，用于根據所述地形數據中包括的標識以及無軌電動列車與標識的距離，在地理信息系統GIS中確定所述無軌電動列車的位置；

控制單元，用于根據所述無軌電動列車的位置，查找所述位置對應的控制策略，根據所述控制策略生成對應的轉速控制指令，控制所述推動電機和/或所述差速控制電機。

結合第三方面，在第三方面的第一種可能實現方式中，所述位置確定單元包括：

圖像采集子單元，用于通過攝像頭獲取所述地形數據中的建筑物模型和/或建筑物紋理；

匹配子單元，用于在地理信息系統GIS中查找與所獲取的建筑物模型和/或建筑物紋理匹配的場景，根據無軌電動列車與所述建筑物模型之間的距離確定無軌電動列車的位置。

在本發明所述無軌電動列車，包括多節車廂，多節車廂之間通過鉸鏈相連；由多節車廂構成的無軌電動列車，在無軌電動列車的兩端設置有推動電機，通過所述推動電機可以控制無軌電動列車的驅動輪，從而使無軌電動列車能夠雙向行駛；在無軌電動列車的中部設置有差速控制電機，根據無軌電動列車上設置的傳感組件采集的標識，與預設的地理信息系統GIS的虛擬軌道比較，生成相應的轉向指令，對無軌電動列車內側和外側實行差速控制，從而可以使得無軌電動列車可以通過橫擺力矩的方式，使得多節車廂能夠平穩行駛。本發明所述無軌電動列車，通過精確的差速控制，可以使得多節車廂能夠平衡的行駛，并且有利于提高無軌電動列車的運力。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的無軌電動列車的結構示意圖；

圖2是本發明實施例提供的無軌電動列車的控制方法的實現流程圖；

圖3是本發明實施例提供的無軌電動列車的轉向控制示意圖；

圖4是本發明實施例提供的無軌電動列車的控制裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明實施例的目的在于提供一種無軌電機及其控制方法與裝置，以解決現有技術的無軌電動列車中，如果采用單節車廂則運力較小，如果采用多節車廂則不容易控制無軌電動列車的轉向，無軌電動列車行駛的穩定性較差的問題。下面結合附圖進行具體說明：

圖1示出了本發明實施例提供的無軌電動列車的結構示意圖，詳述如下：

本發明實施例所述無軌電動列車，包括多節車廂，多節車廂之間通過鉸鏈相連，在所述無軌電動列車的兩端分別設置有與驅動輪相連的推動電機，所述推動電機用于推動所述無軌電動列車雙向行駛；

在所述車廂中部的兩側分別設置有與轉向輪相連的差速控制電機，所述差速控制電機用于采用不同的轉動速度控制無軌電動列車轉彎；

所述差速控制電機、推動電機通過電機控制器與整車控制器相連；

所述無軌電動列車上還安裝有用于采集地形數據的傳感組件，所述傳感組件與所述整車控制器相連，所述整車控制器用于將采集的地形數據與預設的地理信息系統GIS的虛擬軌道比較，生成相應的控制指令，控制所述差速控制電機和/或所述推動電機。

具體的，所述多節車廂，可以根據運力的需要靈活選擇，一般可以選擇四節。當然，選擇三節車廂、兩節車廂或者五節車廂均可以根據具體的結構參數，在控制轉向時做出相應的調整即可。

所述車廂與車廂之間通過鉸鏈連接，通過所述鉸鏈，可以實現得兩個相連的車廂之間在左右方向上的轉動幅度不相同，或者還可以在上下空間的位置的不同，從而提高多節車廂行駛的靈活性。

所述無軌電動列車的兩端，可以為第一節車廂和最后一節車廂，分別設置有推動電機，所述推動電機與驅動輪相連。如圖1所示，在無軌電動列車的兩端，可以分別設置一個推動電機，由推動電機帶動驅動輪，實現無軌電動列車向左行駛或向右行駛。比如當左邊的推動電機工作時，可以驅動無軌電動列車向左行駛。當右邊的推動電機工作時，可以驅動無軌電動列車向右行駛。或者還可以采用兩個推動電機同時工作的方式，控制無軌電動列車的速度。

所述車廂中部，是指相對于車廂端部的位置。在本實施例中，所述車廂中部設置的轉向輪，可以指除了端部以外的其它無軌電動列車的車輪。所述車廂中部的車輪，包括左側轉向輪與右側轉向輪，所述左側轉向輪和右側轉向輪中的每個轉向輪可以單獨與差速控制電機相連，通過對同一車輛橫向位置的兩個車輪實現差速控制，可以使得車輛基于橫擺力矩的控制方式實現車輛轉向。

所述差速控制電機控制的速度的相對大小，根據轉向的角度、轉向弧度所對應的轉向半徑、轉向輪之間的軸距、轉向輪之間的輪距之間的關系，確定所述差速控制電機對應的速度。所述速度可以通過實驗數據標定的方式完成，也可以通過圖3所示的轉向示意圖計算不同轉向輪之間的轉速的相對大小。

所述差速控制電機、推動電機連接有電機控制器。所述電機控制器可用于發出電機控制信號，控制所述差速控制電機或者推動電機。所述電機控制器與所述整機控制器通過電信號相連，連接的方式可以為小電流控制線路。

作為本發明進一步優化的實施方式中，所述驅動輪與所述推動電機之間，以及所述轉向輪與所述差速控制電機之間分別設置有制動器，所述制動器分別與制動器控制器相連，所述制動控制器與所述整機控制器相連，所述整體控制器通過所述制動器控制器向各個制動器發送制動控制指令。

如圖1所示，在無軌電動列車的中間部分的每個車輪均設置有制動器，在無軌電動列車的端部，設置有與推動電機相匹配的制動器。也就是說，制動器的個數與電機(包括推動電機和差速控制電機)的個數相匹配。可以在電機轉速一定的前提下，調節車輪的速度，包括減速和停止運動等。

在本發明實施例中，所述制動器控制器可以與所述制動器之間通過液壓或氣動控制；所述整機控制器與所述差速控制電機，或者所述整機控制器與所述推動電機之間設置有電機控制器，所述整機控制器所述電機控制器之間通過小電流線路連接，所述電機控制器與所述推動電機，或者所述電機控制器與所述差速控制電機之間通過大電流線路連接。

另外，在所述無軌電動列車上還設置有傳感模塊，所述傳感模塊可以包括攝像頭、紅外傳感器、超聲波傳感器中的一種或者多種。通過攝像頭可以獲取無軌電動列車所在場景的視頻圖像或者照片，通過對照片中的標識進行識別和匹配，比如，可以圖像中的建筑物模型、建筑物顏色、紋理、圖像等標識與預設的地理信息系統GIS中的信息進行匹配，從而快速準確的確定無軌電動列車所在的場景和位置。

通過所述紅外傳感器可以檢測場景中設置的紅外標識，或者通過超聲波傳感器可以檢測場景中的超聲波標識，通過對紅外標識或者超聲波標識進行編號，通過所述編號查找對應的位置，或者直接通過紅外標識或者超聲波標識讀取位置信息。

所述推動電機優選為內轉子電機，所述差速控制電機優選為外轉子電機。

本發明所述無軌電動列車包括多節車廂，多節車廂之間通過鉸鏈相連；由多節車廂構成的無軌電動列車，在無軌電動列車的兩端設置有推動電機，通過所述推動電機可以控制無軌電動列車的驅動輪，從而使無軌電動列車能夠雙向行駛；在無軌電動列車的中部設置有差速控制電機，根據無軌電動列車上設置的傳感組件采集的標識，與預設的地理信息系統GIS的虛擬軌道比較，生成相應的轉向指令，對無軌電動列車內側和外側實行差速控制，從而可以使得無軌電動列車可以通過橫擺力矩的方式，使得多節車廂能夠平穩行駛。本發明所述無軌電動列車，通過精確的差速控制，可以使得多節車廂能夠平衡的行駛，并且有利于提高無軌電動列車的運力。

圖2示出了本發明實施例提供的無軌電動列車的控制方法的實現流程，詳述如下：

在步驟S201中，通過傳感組件獲取無軌電動列車所在場景的地形數據。

具體的，所述傳感組件可以包括攝像頭、紅外傳感器、超聲波傳感器中的一種或者多種。通過攝像頭可以直接攝像無軌電動列車所在場景的視頻或者圖像，通過對圖像中的特征提取，然后將特征與預存的地理信息系統GIS進行對比分析，可根據特征的匹配度來判斷無軌電動列車當前所處的場景。

或者也可以通過紅外傳感器獲取紅外標識，或者超聲波傳感器獲取超聲波標識，根據所述紅外標識或者超聲波標識的位置，判斷無軌電動列車所在的場景。

在步驟S202中，根據所述地形數據中包括的標識以及無軌電動列車與標識的距離，在地理信息系統GIS中確定所述無軌電動列車的位置；

當所述傳感模組為攝像頭時，可以根據攝像頭拍攝的圖像確定無軌電動列車與標識的距離。根據圖像中一個或者多個標識，可以聯合確定無軌電動列車的具體位置。

同樣，通過多個紅外標識或者超聲波標識的位置，以及紅外標識或者超聲波標識的信號的強度，可以確定無軌電動列車與標識之間的距離，通過多個標識的位置以及與標識的距離，可以確定無軌電動列車的位置。

當然，作為本發明進一步優化的實施方式，所述無軌電動列車還可以設置定位模組，比如可以設置GPS定位器、或者基站定位器等，通過定位模組可以進一步確定所述無軌電動列車的具體位置，提高定位的準確度。

在步驟S203中，根據所述無軌電動列車的位置，查找所述位置對應的控制策略，根據所述控制策略生成對應的轉速控制指令，控制所述推動電機和/或所述差速控制電機。

在本發明實施例中，所述無軌電動列車在具體位置，可以預先設置有對應的控制策略，當所述無軌電動列車運行至指定位置時，則自動采用相應的控制策略，控制電車按照預定的軌道行走。

當然，當所述電車在具體位置對應多種不同的控制策略時，比如由人工駕駛時，則需要建立人工的控制策略對應的轉速控制指令，控制所述無軌電動列車轉向或者直線行走。由于直線行走只需要控制兩端的推動電機，且行駛過程較為穩定，在此不作具體討論。

當所述無軌電動列車轉向時，如圖3所示，綜合考慮整車幾何尺寸，包括無軌電動列車的軸距、輪距，建立五軸鉸鏈式車輛轉向二自由度的整車動力學模型，可以通過標定的方式確定方向盤轉角與轉向輪之間的幾何關系。依據所建立的整車動力學模型，分析各軸質心點轉速、轉角之間的幾何關系。依據動力學相關理論，考慮輪胎特性，建立各驅動軸上兩輪轉矩力矩與質心轉速、轉角之間的邏輯對應關系。

本發明采用基于橫擺力矩控制的分層控制策略，保證車輛行駛的穩定性。橫擺力矩的控制可以通過控制各個車輪的驅動力矩來實現。通過模糊控制觀測出整列車的理想質心側偏角和理想橫擺角速度；通過PID控制對理想質心側偏角及橫擺角速度與實際值進行比較，得到左右車輪驅動力矩的差值；依據建立的動力學模型的運動學及動力學分析，分別使中間各軸左右車輪的驅動力矩分別增加和減少，以產生附加橫擺力矩，控制車輛的橫擺運動。基于多軸車輛動力源冗余配置的特點，建立驅動力失效協調分配控制策略，可以保障車輛在故障狀態下仍具備一定的行駛能力。

在圖3中，車輛中間的三軸兩側的車輪轉速可以依據轉向橋左側車輪的轉速計算得出。對輪轂電機實行轉矩控制。

本發明實施例為與實施例一所述無軌電動列車對應的控制方法，通過采集無軌電動列車所在場景的標識，確定無軌電動列車所在的位置，相應的確定無軌電動列車的兩側的車輛的轉速進行分開控制，通過橫擺力矩的方式，可以使得多節車廂的無軌電動列車平穩的運行，有利于提高無軌電動列車的運力。

圖4示出了本發明實施例提供的無軌電動列車的控制裝置的結構示意圖，詳述如下：

本發明實施例所述無軌電動列車的控制裝置，包括：

地形數據獲取單元401，用于通過傳感組件獲取無軌電動列車所在場景的地形數據；

位置確定單元402，用于根據所述地形數據中包括的標識以及無軌電動列車與標識的距離，在地理信息系統GIS中確定所述無軌電動列車的位置；

控制單元403，用于根據所述無軌電動列車的位置，查找所述位置對應的控制策略，根據所述控制策略生成對應的轉速控制指令，控制所述推動電機和/或所述差速控制電機。

優選的，所述位置確定單元包括：

圖像采集子單元，用于通過攝像頭獲取所述地形數據中的建筑物模型和/或建筑物紋理；

匹配子單元，用于在地理信息系統GIS中查找與所獲取的建筑物模型和/或建筑物紋理匹配的場景，根據無軌電動列車與所述建筑物模型之間的距離確定無軌電動列車的位置。

本發明實施例所述無軌電動列車的控制裝置，與上述無軌電動列車的控制方法對應，在此不作重復贅述。

在本發明所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的裝置和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特征可以忽略，或不執行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本實施例方案的目的。

另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現，也可以采用軟件功能單元的形式實現。

所述集成的單元如果以軟件功能單元的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基于這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的全部或部分可以以軟件產品的形式體現出來，該計算機軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。