汽車列車主掛車夾角測(cè)量方法研究

趙華杰， 范養(yǎng)強(qiáng)， 孫學(xué)聰

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

0 引言

汽車列車是指一輛汽車與一輛或多輛掛車的組合，它具有其他運(yùn)輸方式無(wú)法代替的迅速、 機(jī)動(dòng)、 安全的優(yōu)勢(shì)， 能完成其他運(yùn)輸方式所不能或難以完成的超高、超寬、超長(zhǎng)、有特定要求的物資運(yùn)輸，尤其對(duì)高大貨物運(yùn)輸具有高效、低耗、及時(shí)、靈活的特殊優(yōu)點(diǎn)。因此汽車列車成了公路交通的主要物流運(yùn)輸形式，是發(fā)展公路運(yùn)輸、提高經(jīng)濟(jì)效益最有效而簡(jiǎn)單的重要手段。

在汽車列車轉(zhuǎn)向、泊車過(guò)程中，主掛車間形成一定夾角，此夾角導(dǎo)致車輛更大范圍的內(nèi)輪差和盲區(qū)，這是諸多交通事故發(fā)生的一大根源。 此外， 在ADAS（Advanced Driver Assistance System，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）及無(wú)人駕駛場(chǎng)景中，主掛車間夾角是列車轉(zhuǎn)向、泊車工況下的行為預(yù)測(cè)、安全報(bào)警等功能開發(fā)算法的重要輸入?yún)?shù)。 因此，對(duì)汽車列車主掛車夾角測(cè)量方法的研究具有重要意義。

1 基本測(cè)量方法

汽車列車根據(jù)基本結(jié)構(gòu)形式可分為牽引桿掛車列車、鉸接列車、中置軸掛車列車等[1]，如圖1 所示。

近年來(lái)隨著傳感、雷達(dá)、導(dǎo)航等技術(shù)的發(fā)展，汽車列車主掛車夾角的測(cè)量方法日益豐富并逐漸成熟， 且已投入到車輛的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用之中。 根據(jù)車輛實(shí)際情況及測(cè)量原理，目前常用的主掛車夾角測(cè)量方法有轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量法、位置傳感器測(cè)量法、激光雷達(dá)測(cè)量法、 主掛車GPS（Global Positioning System， 全 球 定 位 系統(tǒng)）定位測(cè)量法、旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量法等等。

圖1 常用汽車列車的基本類型

1.1 轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量法

轉(zhuǎn)角傳感器有磁電式、光電耦合式等多種形式，測(cè)量汽車列車主掛車夾角時(shí)，將轉(zhuǎn)角傳感器安裝于牽引掛鉤與掛車牽引銷組成的連接副之間。 圖2 所示為磁電式轉(zhuǎn)角傳感器的組成及結(jié)構(gòu)， 大齒輪A 與兩個(gè)齒數(shù)不相等的從動(dòng)小齒輪B 和小齒輪C 嚙合；大齒輪A 隨掛車牽引銷一起轉(zhuǎn)動(dòng)， 兩個(gè)小齒輪軸與傳感器外殼一起固定在主車牽引掛鉤上， 每個(gè)小齒輪上各設(shè)置有水平充磁的永磁體， 兩塊永磁體上方分別放置固定不動(dòng)的磁阻角度傳感器； 永磁體隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)， 通過(guò)微處理單元可采集兩個(gè)小齒輪的轉(zhuǎn)角。 當(dāng)主掛車相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 牽引銷同軸固定的大齒輪帶動(dòng)兩個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)， 由于兩個(gè)小齒輪齒數(shù)不同，牽引銷轉(zhuǎn)動(dòng)在不同的位置，兩個(gè)小齒輪會(huì)相差特定的角度。 由于大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度與兩個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度差之間有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依據(jù)三者角度關(guān)系，可由微處理單元計(jì)算得到牽引銷的轉(zhuǎn)角[2]。

圖2 磁電式轉(zhuǎn)角傳感器組成及結(jié)構(gòu)

1.2 位置傳感器測(cè)量法

位置傳感器測(cè)量法是一種間接測(cè)量主掛車夾角的方法，利用安裝于主車的位置傳感器測(cè)得其距掛車的距離，該距離與主掛車間夾角呈一定函數(shù)關(guān)系， 根據(jù)此關(guān)系即可將直接測(cè)得的主掛車間的距離信息轉(zhuǎn)化為夾角信息。

一種利用位置傳感器測(cè)量主掛車夾角裝置的安裝方式及測(cè)量方法[3]如下：將位置傳感器安裝在主車車架上，用以探測(cè)其距掛車底部某特殊結(jié)構(gòu)桁架的距離， 該桁架由兩段螺旋形筋條拼接組成，主車和掛車未形成夾角時(shí)，位置傳感器的測(cè)量探頭垂直正對(duì)桁架的最下端。 其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 一種位置傳感器測(cè)量主掛車夾角的安裝實(shí)例

當(dāng)掛車相對(duì)主車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 位置傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量其與桁架之間的垂直距離變化量，根據(jù)螺旋運(yùn)動(dòng)原理，有下述轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

式中：dh—掛車相對(duì)于主車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位置傳感器測(cè)得的其與桁架間的垂直距離變化微元；dθ—掛車相對(duì)于主車的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化微元；t—桁架的螺旋形筋條所在螺旋形結(jié)構(gòu)的螺距。

掛車與主車的夾角初始值為零時(shí)對(duì)應(yīng)位置測(cè)量傳感器與桁架間的最小垂直距離， 這由兩者的相對(duì)安裝位置決定。再結(jié)合上式，即可由位置傳感器測(cè)得的其與桁架間的垂直距離得到主掛車間的夾角。

1.3 激光雷達(dá)測(cè)量法

激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通通訊、資源勘探、生產(chǎn)制造等眾多領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)測(cè)距、測(cè)速、監(jiān)控、報(bào)警等諸多功能。根據(jù)激光雷達(dá)的測(cè)距原理，可以得到雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離，脈沖激光不斷地掃描目標(biāo)物，就可得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即激光點(diǎn)云。利用激光雷達(dá)測(cè)量汽車列車主掛車夾角時(shí)，激光雷達(dá)安裝于主車后方，掃描掛車得到激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[4]并通過(guò)霍夫變換可檢測(cè)掛車邊緣角度，最終計(jì)算出主掛車夾角。利用激光雷達(dá)測(cè)量主掛車夾角示意圖及數(shù)據(jù)處理流程如圖4、圖5 所示。

圖4 利用激光雷達(dá)測(cè)量主掛車夾角示意圖

圖5 激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

1.4 主掛車GPS 定位測(cè)量法

GPS 自問世以來(lái)，就以高精度、全天候、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，在汽車市場(chǎng)、物流行業(yè)更是有著舉足輕重的作用，它能夠?yàn)檐囕v提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時(shí)間信息。 接收裝置采集到的GPS 信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)變換處理可得到車輛的定位坐標(biāo)、 航向角等車輛位姿信息， 利用GPS 的該應(yīng)用可以進(jìn)行汽車列車主掛車夾角的測(cè)量， 即在主車和掛車上分別安裝GPS 信號(hào)接收裝置， 分別得到主車和掛車的航向角， 兩者之差即主掛車間的夾角，如圖6 所示。

圖中，θz、θg分別為GPS 信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的主車、 掛車航向角；φ—主掛車間夾角，則有：

1.5 旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量法

圖6 通過(guò)主掛車GPS 定位測(cè)量主掛車夾角示意圖

中國(guó)發(fā)明專利ZL20191015482 0.9 公開了一種基于旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量計(jì)算主車和掛車夾角的裝置及方法[5]，如圖7 所示。

圖7 基于旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量主掛車夾角的裝置

分別在主車和掛車上安裝第一旋轉(zhuǎn)編碼器、 第二旋轉(zhuǎn)編碼器，其與旋轉(zhuǎn)軸中心構(gòu)成線性映射關(guān)系，在掛車相對(duì)主車發(fā)生角度變化時(shí)， 控制模塊通過(guò)接收光電檢測(cè)陣列的輸出電平控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)， 在使第一旋轉(zhuǎn)編碼器、第二旋轉(zhuǎn)編碼器始終實(shí)現(xiàn)互相追蹤的情況下，高頻率、高精度地實(shí)時(shí)獲得兩旋轉(zhuǎn)編碼器的當(dāng)前角度，進(jìn)而結(jié)合偏差常量計(jì)算得到主車和掛車之間的夾角。

根據(jù)該專利所述的測(cè)量方法，有如下關(guān)系式：

式中：α、β 分別為第一旋轉(zhuǎn)編碼器、第二旋轉(zhuǎn)編碼器的當(dāng)前角度讀數(shù)；θ—主掛車夾角；C—偏差常量。

當(dāng)主掛車呈直線狀態(tài)，即主掛車夾角θ 為0 時(shí)，讀取第一旋轉(zhuǎn)編碼器、第二旋轉(zhuǎn)編碼器讀數(shù)α0、β0，可得偏差常量：

2 各種測(cè)量方法的特點(diǎn)及應(yīng)用分析

上述汽車列車主掛車夾角的測(cè)量方法具有各自的優(yōu)點(diǎn)及局限性，下面對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行分析。

轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量精度高，產(chǎn)品應(yīng)用成熟，用于主掛車夾角測(cè)量時(shí)車型適用范圍廣。但由于安裝位置的因素，容易受到油污、泥垢污染；且易受到主掛車在連接副間的沖擊而損壞；此外，由于傳感器本身結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理特點(diǎn)，不利于列車的上掛、脫掛等操作，因此轉(zhuǎn)角傳感器在主掛車夾角測(cè)量的應(yīng)用上受到了很大制約。

上述利用位置傳感器測(cè)量主掛車夾角的裝置及測(cè)量方式只適合于鉸接列車主掛車夾角的測(cè)量， 且在掛車改制方面具有一定難度，在車型選用上具有一定的局限性。但其測(cè)量精度高，受列車運(yùn)行環(huán)境因素影響小，且該測(cè)量方式采用了斷開式的探測(cè)、感應(yīng)原理，而非機(jī)械連接式的接觸作用，從而避免了列車上掛、卸掛過(guò)程中帶來(lái)的操作不便問題，為汽車列車主掛車夾角測(cè)量提供了一種思路。

利用激光雷達(dá)測(cè)量主掛車夾角的方法， 一線激光雷達(dá)即可滿足測(cè)量需求，經(jīng)濟(jì)性適中，車輛改制簡(jiǎn)單，安裝方便，車型適用范圍廣。但利用激光雷達(dá)測(cè)量主掛車夾角時(shí)需要得到掛車邊緣點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 這就要求掛車邊緣擁有足夠的平面度，特殊情況下需對(duì)其進(jìn)行專門改制；此外，激光雷達(dá)性能受天氣影響較大，在大雨、煙霧等天氣環(huán)境下，衰減嚴(yán)重，對(duì)測(cè)量精度有較大影響。綜合測(cè)量精度、成本、適用性等因素，在良好的外部環(huán)境下，利用激光雷達(dá)測(cè)量主掛車夾角是一種很好的選擇方案。

利用GPS 測(cè)量主掛車夾角技術(shù)成熟可靠， 不受車型限制，安裝方法靈活；但測(cè)量時(shí)需要兩套GPS 系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成本高，且掛車部分GPS 布置和接線具有一定困難。

利用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量主掛車夾角的方法， 測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、車型適用范圍廣；但裝置復(fù)雜、設(shè)計(jì)成本高，不利于產(chǎn)品化，在高測(cè)量精度需求的試驗(yàn)階段是個(gè)優(yōu)選的測(cè)量方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車列車主掛車夾角作為列車轉(zhuǎn)向、 泊車及智能駕駛場(chǎng)景諸多功能開發(fā)的重要輸入?yún)?shù)， 對(duì)其測(cè)量方法的研究日益廣泛和深入。本文從結(jié)構(gòu)、原理等方面對(duì)主掛車夾角的多種測(cè)量方法進(jìn)行了研究和分析，為實(shí)際應(yīng)用中汽車列車主掛車夾角測(cè)量方案的選取提供了參考和依據(jù)。除上述介紹的方法之外， 還有利用掛接輔助系統(tǒng)測(cè)量主掛車夾角、利用高能相機(jī)特征圖案法測(cè)量主掛車夾角[6]等方法，在這里不再詳細(xì)介紹。 實(shí)際測(cè)量時(shí)，綜合考慮設(shè)計(jì)需求及各種測(cè)量方法的適用性、測(cè)量精度、成本、安裝等因素進(jìn)行選擇，以達(dá)到既滿足使用要求，又易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉的目的。