无轨道分体式液压动车组实验平台及其转向控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种无轨道分体式液压动车组实验平台及其转向控制系统，包括两节以上串联连接的车体，头节车体称为参照车，连接在参照车后车体称为运输车组，运输车组由一节以上串联连接的车体组成，其特征是：采用“参照车规划路径，运输车组跟踪参照车”的动车组轨迹跟踪控制策略，通过相似性实验，可模仿液压动车组中动力源车与动力运输车组串联的形式。参照车采集、提供信号，运输车组自动跟随参照车轨迹，从而实现单人驾驶。理论上车组数可无限扩展。
【专利说明】无轨道分体式液压动车组实验平台及其转向控制系统
【技术领域】
[0001]本发明属于无轨道动车组模拟实验平台【技术领域】，涉及一种无轨道分体式液压动车组实验平台及其转向控制系统。采用基于滞后跟随控制策略的电控系统，即“参照车规划路径，运输车组跟踪参照车”的动车组轨迹跟踪控制策略，主要用于模拟液压动车组前后车柔性连接轨迹跟踪控制。
【背景技术】
[0002]在煤矿辅助运输中，连续采煤机是综采工作面单机吨位最大的设备，也是搬运最困难的设备。目前，世界范围内专用的连续采煤机搬运车只有以履带为行走机构一种，这类车型的使用将大大提高采煤机的搬家效率，但是由于其体积和重量过于庞大，对巷道本身有比较严格的要求，因此在井下的适应性还存在较大分歧。目前国内外无轨井下巷道载重运输车普遍采用前后车铰接转向模式。采用这种模式，动力车牵引运输车，各行走轮胎与地面间滑转和滑移发生几率大，轮胎磨损严重，整车安全可靠性差、系统能耗大；同时，转向机构臃肿和转向结构限制，整车转向半径大，转向灵活性差，在急弯时存在安全隐患。因此开发出适应井下巷道实际工况的高效率，低车身的无轨运输车是当前的一个紧迫任务。
[0003]本 申请人:已申请的专利CN101498217A，为分体式遥操作超低巷道采煤设备运输平台。该专利申请动力源车与运输车之间采用铁链柔性连接，运输车前端设置可伸缩的拉杆，实现了动力车与运输车独立转向。这种模式简化了转向机构，轮胎滑转和滑移发生几率大大降低，整车转向半径减小，灵活性增强。运输车的超低设计，使采煤设备的运输更加适应巷道弯曲狭小空间的限制。但是该车还无法实现轨迹跟踪控制从而达到单人驾驶的效果。无轨道分体式动车组实验平台，车节之间采用柔性连接，运用轨迹跟踪控制策略，使动车组实现了单人驾驶，实现了整个动车组的轨迹控制，可使动车组的车节数理论上无限扩展，实现单人驾驶。将该项技术应用到实际中，可开发出无轨道液压动车组，可使动车组具有超低运输平台、灵活转向、转弯半径小、运力充足以及有良好的路面通过性。该实验平台可以为该分体式遥操作超低巷道采煤设备运输平台的单人驾驶的实现提供有力的技术保障和安全保障。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种无轨道分体式液压动车组实验平台及其转向控制系统。该无轨道分体式液压动车组实验平台(以下简称动车组)采用基于滞后跟随控制策略的电控系统，即“参照车规划路径，运输车组跟踪参照车”的动车组轨迹跟踪控制策略，主要用于模拟液压动车组前后车柔性连接轨迹跟踪控制。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]该动车组包括两节以上串联连接的车体，头节车体称为参照车，连接在参照车后车体称为运输车组，运输车组由一节以上串联连接的车体组成，如图1所示，图中I为参照车，2为运输车组。整车的前后车独立转向协调控制基于转向传感器和转速传感器信号反馈，采用PLC控制器实现。(本动车组中的PLC控制器采用的是EPEC控制器。)
[0007]车体主要由机械部分和电气控制部分组成。动车组前后两节车体通过连杆连接，该连杆不起牵引作用，在连杆的两端都装有非接触式角度传感器实时监测和发送连杆的转角信号，同时连杆还可使两车保持一定距离，使车体之间协调动作。驱动及转向部分机构如图2所示，图中I为转向四连杆机构，2为直线电机，3为驱动电机，4为角度传感器，驱动部分采用驱动电机带动车轮旋转，每个车轮都装有小型驱动电机，该电机一侧轴深入车轮驱动车轮旋转，另一侧与转向机构固结，转向采用直线电机驱动四连杆机构实现，转向机构处装有角度传感器以实时监测转向角度。连杆处及转向机构处角度传感器安装方式如图3所示。本动车组所选传感器为非接触式角度传感器，由磁铁及感应部分两部分组成，磁铁部分固结在转动部件随之一起转动，感应部分安装在车架上以感应磁场方向的变化。每个车轮中间都装有一个转速传感器以实时监测各车轮转速。动车组控制部分还包含一些其他重要元件，如图1所示。每节间车体上均设有EPEC控制器，其中参照车车上的控制器为主控制器，各运输车上的控制器为从控制器，各车体上的控制信号过CAN总线实行通信。主控制器控制动车组的转向模式，各节车体上的控制器分别对其所在车体的各角度传感器和转速传感器的信号进行采集和处理，拟合成对应的运动轨迹函数及数据，通过CAN总线传到主控制器，主控制器通过CAN总线将参照车的运动轨迹函数及数据同运输车组各控制器进行交换，运输车组各控制器将接收到的数据同本节运输车上各角度传感器及转速传感器的转角数据和速度信号进行比较，确定前后车是否达到联动状态，若是，则控制程序结束，控制转向的直线电机不动作；若为否，控制器则输出开关量控制运输车直线电机伸缩量实现对运输车组的轨迹跟踪控制；主控制器通过接收连杆上角度传感器检测的连杆偏移角度来确定各车体间位置关系，进而发出信号修正各车体的速度和转向角，同时，连杆使车体之间保持一定的距离，保证车体之间协调动作。本发明中转向采用的转向控制流程如图4所示。
[0008]本动车组可实现的转向模式包括a.动车组整体转向要求的直行、斜行、八字转向、半八字转向、头尾摆动及原地回转；b.动车组各车节独立转向要求的直行+八字转向、直行+半八字转向、直行+原地回转、直行+头尾摆动。如图5。
[0009]本发明的优点是:
[0010]1.采用了基于滞后跟随控制策略，实现了整个动车组的轨迹跟踪控制，且理论上运输车组的车节数可无限扩展。车节数扩展的情况下若蓄电池能源不足可在运输车组中增加蓄电池，如图6所示。
[0011]2.动车组实验平台中的每个车轮都安装了步进电机，在每个车节转弯的过程中，通过预先算法计算出内外侧车轮的转速进而控制各电机转速，可避免实际工程中必须考虑的差速问题。
[0012]3.动车组实验平台中的每个车轮都有自己的转向直线电机，使每个车节在转向的过程中每个内外侧轮胎的垂线相交于同一转向中心。
[0013]4.整个动车组实验平台的能源由蓄电池提供，蓄电池可放在参照车上也可以放置于后边的运输车组中的某一节车上，既可做能源装置也可模拟负载。
[0014]5.具有多种转向模式。转向系统涉及的转向形式包括:a.动车组整体转向要求的直行、斜行、八字转向、半八字转向、头尾摆动及原地回转等；b.动车组各运输车独立转向要求的直行+八字转向、直行+半八字转向、直行+原地回转、直行+头尾摆动等。[0015]6.实现了可单人操作的无轨驾驶。
[0016]7.根据相似性条件，通过参数匹配和数学模型换算，将动车组的控制程序移植到液压动车组上，对液压动车组中动力源车运动轨迹反求后推出动力运输动车组轨迹数学模型，找出前后车转向油缸伸缩量的关系，进而得到前后车控制转向的参数关系。调整参数关系，即可实现液压动车组中转向协调控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的动车组实验平台结构示意图；
[0018]图2为转向驱动机构示意图；
[0019]图3为传感器安装示意图；
[0020]图4为转向控制流程图；
[0021]图5为本发明可实现的各种转向模式示意图；
[0022]图6为整车动力配置示意图；
[0023]图7为驱动步进电机的伺服系统控制模型图；
[0024]图8为本发明的电气控制原理图。
[0025]图1中:1为参照车，2为运输车组，3为驱动步进电机，4为直线电机，5为转向连杆机构，6为驱动器，7为小稳压器，8为继电器，9为脉冲发生器，10为蓄电池，11为主控制器，12为大稳压器，13为角度传感器，14为从控制器。图2中:1为转向四连杆机构，2为直线电机，3为驱动电机，4为角度传感器。图3中:1为角度传感器感应部分，2为角度传感器磁铁部分。
【具体实施方式】
[0026]本动车组实验平台提供了一种基于滞后跟随控制策略的电控系统。主要由机械部分和电气控制部分组成。该动车组由两节以上车体串联组成，分别为参照车和运输车组，如图1所示，I为参照车，2为运输车组。前后两节车体之间用连杆联接，连杆不起牵引作用，在车体间有相对转角时，可通过角度传感器检测连杆偏移角度来确定两车位置关系进而控制车体的速度和转向角，同时，连杆还可以使车体之间保持一定的距离，保证车体之间协调动作。整个实验台的结构示意如图1所示，图中3为驱动步进电机,4为直线电机,5为转向连杆机构，6为驱动器，7为小稳压器，8为继电器，9为脉冲发生器，10为蓄电池，11为主控制器，12为大稳压器，13为角度传感器，14为从控制器。其中大稳压器接于蓄电池出口用于限制蓄电池输出电压以保护电器元件，小稳压器接于驱动器之前用以限制驱动器输入电压用以保护驱动器和驱动电机。
[0027]转向时，实验员操作手柄产生电信号，参照车的从控制器按预先设定程序对控制参照车转向的直线电机的伸缩量进行控制，进而带动转向机构动作，最终使参照车转向；运输车组各传感器接收和发送信号结合从控制器控制实现运输车组的每节车的智能转向和轨迹跟踪，由此实现整个动车组的协调转向。每个直线电机均通过一个四连杆车轮转向机构与相应车轮的驱动电机连接，直线电机的伸出量由控制器发送信号控制。各转向机构处均配有角度传感器，实时接收和发送各轮的转角信号。控制器通过输出端口控制脉冲发射器发射的脉冲数进而实现对驱动轮步进电机速度的控制，通过驱动步进电机末端转速传感器的反馈实现对驱动轮两自由度运动速度实现闭环控制。具体的实现模型如图7所示。直行时，各轮转速相等；转弯时通过参数计算可得到内外轮转速关系，可通过控制器调节其转速，可解决动车组转弯时的差速问题。
[0028]动车组中所有车体框架机构和尺寸都相同，通过EPEC控制器程序结合相应传感器，可以实现动车组中每辆车的几何中心轨迹的跟随和控制。图8所示为车体自动轨迹跟踪控制电控原理图。
[0029]车体自动轨迹跟踪控制系统功能具体实现过程如下:
[0030]1.各车体上面的控制器分别负责各自传感器信号的采集及处理和参照车与运输车之间数据的交换和通讯。
[0031]2.参照车上的主控制器采集角度传感器数据结合转速传感器反馈的速度信号，拟合成对应的运动轨迹函数及数据，通过CAN总线同运输车控制器进行交换，运输车从控制器接收到参照车的运动轨迹数据后，结合自身传感器反馈的数据来实现对运输车的驱动和转向控制，达到同参照车类似的轨迹运动。
[0032]3.控制器通过PWM输出端口实现对驱动轮电机速度控制，通过驱动步进电机末端转速传感器的反馈实现对驱动轮两自由度运动速度实现闭环控制。
【权利要求】
1.一种无轨道分体式液压动车组实验平台，其特征是:包括两节以上串联连接的车体，头节车体称为参照车，连接在参照车后车体称为运输车组，运输车组由一节以上串联连接的车体组成，整车的前后车独立转向协调控制基于转向传感器和转速传感器信号反馈，采用PLC控制器实现。
2.根据权利要求1所述的无轨道分体式液压动车组实验平台，其特征是:在车体上对应于每个车轮安装有一个直线电机，每个直线电机均通过一个四连杆车轮转向机构与相应车轮的驱动电机连接，直线电机的伸出量由控制器发送信号控制。
3.一种根据权利要求1或2所述的无轨道分体式液压动车组实验平台的转向控制系统，其特征是:每节间车体上均设有EPEC控制器，其中参照车车上的控制器为主控制器，各运输车上的控制器为从控制器，各车体上的控制信号过CAN总线实行通信。主控制器控制动车每节间车体上均设有EPEC控制器，其中参照车车上的控制器为主控制器，各运输车上的控制器为从控制器，各车体上的控制信号过CAN总线实行通信。主控制器控制动车组的转向模式，各节车体上的控制器分别对其所在车体的各角度传感器和转速传感器的信号进行采集和处理，拟合成对应的运动轨迹函数及数据，通过CAN总线传到主控制器，主控制器通过CAN总线将参照车的运动轨迹函数及数据同运输车组各控制器进行交换，运输车组各控制器将接收到的数据同本节运输车上各角度传感器及转速传感器的转角数据和速度信号进行比较，确定前后车是否达到联动状态，若是，则控制程序结束，控制转向的直线电机不动作；若为否，控制器则输出开关量控制运输车直线电机伸缩量实现对运输车组的轨迹跟踪控制；主控制器通过接收连杆上角度传感器检测的连杆偏移角度来确定各车体间位置关系，进而发出信号修正各车体的速度和转向角。
4.根据权利要求3所述的无轨道分体式液压动车组实验平台的转向控制系统，其特征是:在车体的每个车轮的轴线上安装有驱动步进电机，通过控制器发信号给脉冲发射器进而控制驱动电机的转速。
5.根据权利要求3所述的无轨道分体式液压动车组实验平台的转向控制系统，其特征是:两车之间连杆两端分别配有角度传感器，实时监测和发送连杆的转角信号；各转向机构处均配有角度传感器，实时接收和发送各轮的转角信号；各轮都配有转速传感器实时接收和发送各轮的转速信号。
【文档编号】G09B25/02GK103778844SQ201410027001
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】郭锐, 赵静一, 杨宇静, 段玉虎 申请人:燕山大学