半掛汽車(chē)列車(chē)直角轉(zhuǎn)彎仿真分析

周志宏+張中舉+閆彬

摘 要：半掛汽車(chē)列車(chē)通過(guò)直角彎道時(shí)為避免碰軋內(nèi)角點(diǎn)、越出邊界線，需要規(guī)劃合理的行車(chē)路徑。為驗(yàn)證駕駛?cè)私?jīng)驗(yàn)路徑的合理性，建立了半掛車(chē)組轉(zhuǎn)彎模型，確定了半掛車(chē)組轉(zhuǎn)彎路徑算法，以駕駛?cè)瞬僮髂承桶霋燔?chē)為例，結(jié)合車(chē)輛參數(shù)及直角轉(zhuǎn)彎標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地環(huán)境參數(shù)對(duì)經(jīng)驗(yàn)路徑進(jìn)行仿真。仿真圖與實(shí)車(chē)試驗(yàn)在變化趨勢(shì)及數(shù)值精度上保持了一致，比較真實(shí)地反映了半掛車(chē)組直角轉(zhuǎn)彎的避障要求，驗(yàn)證了駕駛?cè)私?jīng)驗(yàn)操作的合理性，說(shuō)明建立的半掛車(chē)組轉(zhuǎn)彎模型及算法具有一定的適用性和可靠性，為直角轉(zhuǎn)彎操控行為由經(jīng)驗(yàn)型向數(shù)字化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變提供理論參考。

關(guān)鍵詞：半掛汽車(chē)列車(chē)；直角轉(zhuǎn)彎；仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）28-138-2

0 引言

半掛汽車(chē)列車(chē)車(chē)寬體長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎半徑大，內(nèi)輪差大[1-2]，通過(guò)直角彎道時(shí)，為防止出現(xiàn)碰軋內(nèi)直角點(diǎn)、越出邊界線等不當(dāng)現(xiàn)象，根據(jù)預(yù)瞄—跟隨系統(tǒng)理論[3]， 駕駛員需先設(shè)計(jì)合理的行車(chē)路徑即預(yù)瞄軌跡，再做出最優(yōu)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入，讓行駛曲率盡可能與預(yù)瞄量接近[4]。相比實(shí)車(chē)試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)仿真能有效降低隨機(jī)變化和誤差的影響，可全面地觀察整個(gè)仿真過(guò)程，并且能夠直觀的得到仿真曲線[5]。本文仿真分析半掛車(chē)直角轉(zhuǎn)彎運(yùn)行軌跡，驗(yàn)證駕駛?cè)私?jīng)驗(yàn)性操作的規(guī)范性，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)人工智能輔助操控系統(tǒng)提供理論參考。

1 問(wèn)題描述

圖1所示[6]，駕駛?cè)瞬倏匕霋燔?chē)前行一次性通過(guò)左前方直角彎道時(shí)，要設(shè)計(jì)一條行車(chē)路徑，以避免車(chē)體左側(cè)碰軋彎道內(nèi)側(cè)的突起點(diǎn)A，并要保證車(chē)身左右兩側(cè)及前端均不越出四條邊界線。為方便研究，依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)合理設(shè)定直角彎道場(chǎng)地，進(jìn)出道路極限尺寸在圖上標(biāo)出。

2 半掛汽車(chē)列車(chē)轉(zhuǎn)彎模型

2.1 條件假設(shè)

視操作規(guī)程為一個(gè)目標(biāo)路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制有機(jī)結(jié)合的問(wèn)題，假設(shè)如下：①場(chǎng)地平坦，低速通過(guò)，不考慮車(chē)輛側(cè)滑和跑偏，忽略轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間、車(chē)輛本身各種機(jī)械偏差等影響；②如圖2所示，牽引車(chē)和半掛車(chē)車(chē)體通過(guò)鞍座相連，視為兩個(gè)不同的剛體。

2.2 全車(chē)模型

參考相關(guān)文獻(xiàn)，全車(chē)模型可設(shè)為圖3中兩根無(wú)質(zhì)量的剛性鉸接桿A0B0與C0D0：A0、B0分別為牽引車(chē)的轉(zhuǎn)向橋中點(diǎn)、后橋中點(diǎn)，C0為牽引車(chē)與半掛車(chē)連接部件鞍座的中心點(diǎn)，D0為掛車(chē)載重軸中點(diǎn)。

2.3 轉(zhuǎn)彎模型

如圖4所示：線段A0B0、C0D0與y軸正方向夾角分別為αa0、αh0；牽引車(chē)的轉(zhuǎn)向輪胎相對(duì)于A0B0的轉(zhuǎn)角記為αZ0，且統(tǒng)一規(guī)定順時(shí)針為正方向，此時(shí)為模型的初始狀態(tài)。

設(shè)前部牽引車(chē)的前進(jìn)速度值為v0，則在Δt時(shí)間內(nèi)，A0點(diǎn)沿A0B0與夾角為αZ0的方向移動(dòng)到A點(diǎn)，B0點(diǎn)沿線段B0A0方向移動(dòng)到B1點(diǎn)，D0點(diǎn)沿C0D0方向移動(dòng)到D1點(diǎn)。

虛線A1B1、C1D1為模型的當(dāng)前位置，虛線A0A1為A0點(diǎn)在Δt時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。在場(chǎng)地實(shí)踐中，該模型中的時(shí)間增量Δt的取值范圍可以限定為[0.01，0.05]s。Δt取值越小，基于該模型的模擬結(jié)果精度越高，模擬時(shí)間越長(zhǎng)；反之，模擬精度越低，模擬時(shí)間越短。

3 半掛汽車(chē)列車(chē)轉(zhuǎn)彎路徑算法

已知A0、B0、C0、D0的坐標(biāo)以及αa0、αh0的值，設(shè)線段A0B0、B0C0、A0C0、D0C0的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)a、LC、LC0和Lh，則可得到A1和B1點(diǎn)的坐標(biāo)以及αa1值，進(jìn)而可得各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)：

4 實(shí)例仿真分析

駕駛?cè)艘罁?jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)操作某型半掛車(chē)，用二檔起步，以10km/h低速行駛，進(jìn)入如圖1所示左直角轉(zhuǎn)彎環(huán)境區(qū)域，先使右側(cè)車(chē)輪靠近道路邊線保持約0.1m的橫向間距正直行駛，當(dāng)行駛至駕駛員左側(cè)即將與內(nèi)直角線l平齊時(shí)（車(chē)輛前端與l線垂直距離約為4m，此時(shí)迅速向左轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)至極限位置；從后視鏡觀察，當(dāng)后部半掛車(chē)第一軸接近突起點(diǎn)距離約為2～3m時(shí)，稍許向右打回方向，保持車(chē)輛靠近道路外側(cè)邊線行駛，車(chē)輛順利通過(guò)直角彎道。

為仿真上述操作規(guī)程效果，根據(jù)給定的環(huán)境參數(shù)及半掛車(chē)機(jī)組各部位長(zhǎng)度參數(shù)，在Matlab中仿真的效果圖5，其中紅色曲線表示牽引車(chē)轉(zhuǎn)向橋中點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4表明，仿真曲線與實(shí)車(chē)試驗(yàn)操作相符合，在變化趨勢(shì)及數(shù)值精度上保持了一致，行進(jìn)過(guò)程車(chē)輛輪廓線與周?chē)h(huán)境障礙無(wú)交點(diǎn)，表明車(chē)輛實(shí)現(xiàn)了無(wú)碰軋轉(zhuǎn)彎且無(wú)越線現(xiàn)象，滿足直角轉(zhuǎn)彎要求，表明駕駛?cè)税瓷鲜鰧?shí)踐經(jīng)驗(yàn)操作具有一定的規(guī)范性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文路徑算法能夠真實(shí)反映半掛車(chē)機(jī)組直角轉(zhuǎn)彎避障要求，說(shuō)明模型及算法具有一定的適用性、可靠性，為直角轉(zhuǎn)彎操控行為由經(jīng)驗(yàn)型向數(shù)字化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變提供理論參考。因車(chē)型及場(chǎng)地環(huán)境單一，實(shí)證研究還不夠完整和充分，數(shù)字化模型的針對(duì)性、適用性還需進(jìn)一步拓展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周志宏，張中舉.大型特種車(chē)輛駕駛課程教學(xué)設(shè)計(jì)淺談[J].卷宗，2016（1）198.

[2] 李明劍，段緒斌，高立鑫.港口大型車(chē)輛制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎特性研究[J].科技研究，2012（10）：161.

[3] 郭孔輝.駕駛員—汽車(chē)閉環(huán)系統(tǒng)操縱運(yùn)動(dòng)的預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型[J].汽車(chē)工程，1984（3）：1-16.

[4] 王凌.智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001：32-45.

[5] 孫揚(yáng).全掛汽車(chē)列車(chē)的操縱穩(wěn)定性及其控制[D].南京林業(yè)大學(xué)，2015.

[6] 張中舉，黃榮貴.重裝備運(yùn)輸車(chē)駕駛員教材[M].解放軍出版社，2014（12）：295.