虚拟轨道自导型运输系统的悬浮跨接走行车辆架构

李辰生 张蕊姣 陈经纬

(1.中车唐山机车车辆有限公司，063035，唐山；2.河北省轨道车辆转向架技术创新中心，063035，唐山∥第一作者，工程师)

城市公共交通系统作为城市交通运输的中坚力量，对于缓解城市交通拥堵，提高城市道路整体运输能力发挥着重要作用。以BRT(快速公交)系统为主的较高运量道路公共交通系统，相比于传统公交车更加高效便捷，而且部分车型已具备自导向能力，如荷兰VDL集团开发的Phileas导向巴士[1]和法国鲁昂市的TEOR系统[2]。近年来，有轨电车无轨化设计也成为一个热门的研究方向。在保留基本的有轨电车车辆配置前提下，将钢轮转向架式走行部替换为橡胶车轮悬架式走行部。与此同时，取消传统的钢轨，改之为可被电子识别的虚拟轨道(如磁钉、导航带等)。目前，典型的虚拟轨道列车系统为中国中车株洲电力机车研究所有限公司研制的智能轨道快运系统(ART)。ART的导向系统采用机器视觉技术对路面的白色虚拟轨道线进行图像识别，通过虚拟轨道跟随技术实现自主导向。列车最多可容纳300多名乘客，可以达到中等运量水平[3-4]。

1 悬浮跨接走行车辆特点分析

本文介绍的悬浮跨接走行车辆是一种新型虚拟轨道自导型运输系统车辆，适应性较高。其主要特点为：容易实现100%低地板客室，车辆编组灵活，运动解耦，铰接受力合理和循迹控制方案灵活多样，能够适应多种的驱动方式和循迹方式，技术发展潜力大。

1)客室100%低地板：悬浮跨接走行架构方案借鉴了Translohr有轨电车的架构方案，可实现100%低地板客室[5]。Translohr有轨电车入门高度为220 mm，是目前国内入门高度最低的有轨电车；贯通道高度为400 mm，贯通道设置了10%的坡道，客室内没有台阶。由于走行部设置在车体之间，Translohr有轨电车的客室平整，便于车内座椅布置，客室显得完整、美观[8]。另外，采用悬浮跨接走行架构方案的车体结构可以保持相对的独立性，走行部的结构变动、驱动方式的改变及循迹控制方式的改变都不会对车体结构产生较大改动的需求，方便车体的设计和制造。

2)编组灵活：跨接走行架构方案采用了模块化编组形式，车体结构有端车车体和中间车车体两种形式，走行部结构有端部走行部和跨接走行部两种。借鉴Tranlohr的车体结构，可将端车分为客室和司机室两部分，其中端车的客室结构与中间车体的结构类似，这样做简化了车体结构设计和制造。端部走行部可借鉴技术成熟的重载汽车转向驱动桥结构。中间跨接走行部可借鉴Translohr有轨电车中间走行部结构，并可根据循迹控制策略的需要进行结构改进。因此，车辆的整体技术比较成熟。悬浮跨接走行架构方案具有编组灵活的特点，可根据需要灵活地调整编组形式。当采用集中动力(动力集中于端部走行部)时，宜采用3模块或4模块编组；当采用分布动力时，可采用3～6模块编组。另外，由于车辆结构对称，适应于双向运行，循迹控制的策略在上、下行两个方向上保持一致，从而简化了循迹控制策略。

3)运动解耦：悬浮跨接走行架构方案的最大特点是车体循迹运动的自由度数与走行部数目相同，实现了循迹运动的机械解耦。运动解耦的优点是：

(1)循迹运动可采用解耦控制，降低了循迹控制的实现难度。解耦控制的优点是，每个走行部的循迹运动不会影响其他走行部的运动，这样每个走行部的循迹控制能够只设置一个独立的、局部的控制器即可，不需要设置一个车辆级的整车控制器；每个走行部的循迹控制器只需要本走行部的位置信息和前车的运动轨迹等局部信息，不需要关注整个车辆的所有相关信息；每个走行部只需要控制自身的运动姿态，不需要协调其他走行部，这样大大简化了循迹控制的实现难度。

(2)铰接装置受力合理。由于各个走行部的运动是解耦的，不会产生运动干涉问题，因此铰接装置不会因为控制竞态产生附加的内力。

4)循迹控制方案灵活多样：运动解耦的悬浮跨接走行架构方案的另一个优点是可实现灵活多样的循迹控制方案。可参考的循迹控制方法有：

(1)转向循迹控制：几何学方法——如基于角传动比的几何循迹方法、纯追踪算法和Stanly方法等[7]；运动学方法——如模型预测控制(MPC)方法等[8]；运动学与动力学方法——如低速-PID控制方法，中高速-LQR控制方法等[9]。

(2)转差循迹控制：如采用非时间参考的运动学循迹控制策略[10]、采用Lyapunov直接法的动力学循迹控制策略等[11]。

2 悬浮跨接走行车辆架构及关键部件

如图1所示，列车采用模块化编组形式，便于根据需要实现不同形式的编组联挂。整车包括端部带有司机室的车体模块(DM)、客室车体模块(TM)和车间连接模块(CM)。CM是客室之间的贯通道，可有效降低车体地板面高度，提高曲线通过性能，便于模块化编组。相邻客室通过悬架走行部和车间连接模块CM实现机械连接，因此被称之为悬浮跨接走行模式。端部转向系统为拖车转向架，悬架走行部为动车转向架，采用分布式独立驱动技术。

图1 悬浮跨接走行模式虚拟轨道列车编组型式

车体材料为低成本碳钢，采用框架式蒙皮结构，根据GB 17578—2013《客车上部结构强度要求及试验方法》进行强度校核分析，在强化结构的同时降低车体质量。车体框架设计如图2所示。

图2 车体框架设计

列车采用创新设计的门式悬架跨接走行机构，如图3所示。该机构主要由门式转向桥骨架、空气弹簧、垂向减振器、中摆臂、下摆臂、垂向杆、抗侧滚扭杆、制动装置、轮毂架、轮毂电机和车轮构成。采用轮毂电机直接驱动和单侧双车轮设计，提高了列车的运载能力。采用胶轮走行制式，其门架式转向桥骨架起到连接相邻车体模块的作用，并将车体载荷通过二系弹簧传递至走行部。

图3 门式悬架跨接走行机构(动车转向架)

列车采用创新设计的虚拟轨道转向机构作为端部拖车转向架，如图4所示。该机构主要由轴桥、转向臂、转向拉杆、摆臂、上拉杆、下拉杆、空气弹簧、垂向减振器、轮毂架和车轮等构成，同时设有转向系，用于司机对车辆转向进行操控。转向系主要由方向盘、转向轴、转向管柱、转向机和智能电液转向系统等构成。转向极限位置的转向器摇臂最大摆角约为±47°。

图4 端部拖车走行部

在编组过程中，TM与门架式转向桥骨架通过上铰(自由铰和弹性铰)和下铰(固定铰)连接。端部车体前端安装有低地板车钩，用于救援工况下的牵引和推送。铰接装置如图5所示。除此之外，TM与门架式转向桥骨架之间还设有车端转角液压控制装置。这种带转角控制功能的油压减振系统满足转弯时车厢之间的缓冲、转向所需的作用力需求，满足车辆位置偏差后位置调整的辅助功能要求。该转角位置由车辆控制器确定。安装长度为625 mm，行程约为±130 mm。

图5 铰接装置

列车采用轮毂电机驱动，可减少能量消耗，简化驱动结构，提高传动效率。采用分布式动力方案可以提高列车的坡道牵引能力和电机故障工况下的容错性，采用转差循迹方案可以有效简化转向机构。轮毂电机驱动结构如图6所示。

图6 轮毂电机驱动结构

跨接走行虚拟轨道列车可实现双向驾驶、双侧开门，车身采用铰接式连接，具备现代有轨电车的典型特征。车辆总体技术参数如表1所示。

表1 车辆总体技术参数

3 循迹充分性

3.1 力学解释

当列车车体运动自由度数等于循迹控制输入时，列车将处于充分循迹状态，此时各车体模块处于静定受力状态，达到平衡状态的控制力输入有唯一解，因此可以实现各个自由度的完全循迹。

图7分析了列车横向运动自由度和控制输入的匹配性，其中F1和F2为端部走行部的循迹控制输入(等效侧向力)，T1—T3为跨接走行部的循迹控制输入(等效横摆力矩)。由图7可见，采用转差循迹方案时，其等效的导向控制力个数(5个)等于车体循迹运动自由度数(5个)，此时各车体模块处于静定受力状态，达到平衡状态的控制力输入有唯一解。因此，这种架构方案为充分循迹方案。通过设计合理的循迹控制算法可以实现列车各个自由度到达理想的最佳状态，从而使列车实现最佳的位置和姿态。

图7 悬浮跨接走行无轨电车导向控制力示意图

3.2 运动学解释

采用单铰接悬架走行部的车辆单轨运动学示意图如图8所示。vi代表轴桥中心运动速度，xi和yi分别为轴桥中心的纵坐标和横坐标，ψi代表轴桥中心的航向角，φi代表车体质心的横摆角，δi代表车轮的等效转角。

图8 车辆单轨运动学示意图

轴桥中心的速度可表示为：

vi=xicosψi+yisinψi

(1)

轴桥中心处的横向速度约束为：

xisinψi-yicosψi=0

(2)

相邻前后两个轴桥之间的纵向速度约束为：

vi+1cos(ψi+1-φi)=vicos(ψi-φi)

(3)

联立式(1)和式(2)可得：

(4)

假设车体回转中心与前轴和后轴轴心的纵向距离分别为为Lf和Lr，则有：

(5)

式中：

L——车体回转中心之间长度。

联立式(3)和式(5)可得：

(6)

φi=ψi-δi=ψi+1-δi+1

(7)

基于联立式(3)、式(4)和式(6)，可根据前轴车轮转向角δi、vi以及后轴车轮转向角δi+1求解出前轴轴桥中心航向角ψi、后轴轴桥中心速度vi+1以及后轴轴桥中心航向角ψi+1，据此可以获得前后轴轴桥中心的坐标。依此类推，可以获得整列车轴桥中心的轨迹坐标。

从式(4)和式(6)可以看出，列车各个轴桥中心的横向位置yi和车体横摆角φi同时由车轮转向角δi和速度vi控制。当给定初始条件和车辆的目标位姿信息后，可以通过求解非线性微分方程组获得各个车轮的最佳转向角。以上分析说明，采用悬浮跨接走行模式的虚拟轨道列车，可以通过适当的车轮转向角控制率实现列车车体各个自由度达到目标状态，即充分循迹。

4 运动解耦性

以两模块列车为例，运用解耦控制理论对悬浮跨接走行虚拟轨道列车的循迹控制解耦性进行分析。由于车辆架构的对称性，以下分析结论同样适用于三模块及以上模块列车。

车体横摆角速度约束为：

(8)

根据前文所述n模块车辆运动学模型可以得到列车横向运动方程为：

(9)

构造车辆横向运动状态空间表达式为：

(10)

式(10)中，

(11)

经雅可比线性化处理后的系统状态方程矩阵为：

(12)

因此，待解耦系统传递函数矩阵为：

W0(s)=C(sI-A)-1B=

(13)

由此(13)可知：

(14)

根据式(14)可知，待解耦系统可以通过串联前馈补偿器的形式实现解耦[12]。

5 结语

本文提出了一种具有高适应性的悬浮跨接走行无轨电车架构型式，列车整体架构参考Translohr有轨电车。车辆采用模块化设计，编组灵活，容易实现100%低地板客室。车辆可以实现运动解耦，因此铰接受力合理，可以采用灵活多样的循迹控制方案。

通过对列车进行导向力受力分析和运动学分析可知，列车全轮转向控制策略与车辆横向运动自由度具有较好的匹配关系，因此可以实现车辆对常规参考路径的充分循迹。基于车辆运动学模型和解耦控制理论，通过对列车横向运动状态空间表达式的分析可知，列车各个走行部的横向运动之间具有解耦性。因此，在车辆循迹控制过程中相邻车体之间将不存在运动干涉，同时只需要针对每个走行部设计独立的控制器而不需要车辆级的控制器即可实现整车的路径跟随控制。