汽車列車主掛車夾角測量方法研究

趙華杰， 范養(yǎng)強， 孫學聰

（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，它具有其他運輸方式無法代替的迅速、 機動、 安全的優(yōu)勢， 能完成其他運輸方式所不能或難以完成的超高、超寬、超長、有特定要求的物資運輸，尤其對高大貨物運輸具有高效、低耗、及時、靈活的特殊優(yōu)點。因此汽車列車成了公路交通的主要物流運輸形式，是發(fā)展公路運輸、提高經(jīng)濟效益最有效而簡單的重要手段。

在汽車列車轉(zhuǎn)向、泊車過程中，主掛車間形成一定夾角，此夾角導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，高級駕駛輔助系統(tǒng)）及無人駕駛場景中，主掛車間夾角是列車轉(zhuǎn)向、泊車工況下的行為預測、安全報警等功能開發(fā)算法的重要輸入?yún)?shù)。 因此，對汽車列車主掛車夾角測量方法的研究具有重要意義。

1 基本測量方法

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。

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

圖1 常用汽車列車的基本類型

1.1 轉(zhuǎn)角傳感器測量法

轉(zhuǎn)角傳感器有磁電式、光電耦合式等多種形式，測量汽車列車主掛車夾角時，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 與兩個齒數(shù)不相等的從動小齒輪B 和小齒輪C 嚙合；大齒輪A 隨掛車牽引銷一起轉(zhuǎn)動， 兩個小齒輪軸與傳感器外殼一起固定在主車牽引掛鉤上， 每個小齒輪上各設(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的磁阻角度傳感器； 永磁體隨齒輪轉(zhuǎn)動， 通過微處理單元可采集兩個小齒輪的轉(zhuǎn)角。 當主掛車相對轉(zhuǎn)動時， 牽引銷同軸固定的大齒輪帶動兩個小齒輪轉(zhuǎn)動， 由于兩個小齒輪齒數(shù)不同，牽引銷轉(zhuǎn)動在不同的位置，兩個小齒輪會相差特定的角度。 由于大齒輪轉(zhuǎn)動角度與兩個小齒輪轉(zhuǎn)動角度差之間有特定的對應(yīng)關(guān)系，依據(jù)三者角度關(guān)系，可由微處理單元計算得到牽引銷的轉(zhuǎn)角[2]。

圖2 磁電式轉(zhuǎn)角傳感器組成及結(jié)構(gòu)

1.2 位置傳感器測量法

位置傳感器測量法是一種間接測量主掛車夾角的方法，利用安裝于主車的位置傳感器測得其距掛車的距離，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量主掛車夾角裝置的安裝方式及測量方法[3]如下：將位置傳感器安裝在主車車架上，用以探測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，位置傳感器的測量探頭垂直正對桁架的最下端。 其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 一種位置傳感器測量主掛車夾角的安裝實例

當掛車相對主車轉(zhuǎn)動時， 位置傳感器實時測量其與桁架之間的垂直距離變化量，根據(jù)螺旋運動原理，有下述轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

式中：dh—掛車相對于主車轉(zhuǎn)動時，位置傳感器測得的其與桁架間的垂直距離變化微元；dθ—掛車相對于主車的轉(zhuǎn)動角度變化微元；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對應(yīng)位置測量傳感器與桁架間的最小垂直距離， 這由兩者的相對安裝位置決定。再結(jié)合上式，即可由位置傳感器測得的其與桁架間的垂直距離得到主掛車間的夾角。

1.3 激光雷達測量法

激光雷達廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、交通通訊、資源勘探、生產(chǎn)制造等眾多領(lǐng)域，實現(xiàn)測距、測速、監(jiān)控、報警等諸多功能。根據(jù)激光雷達的測距原理，可以得到雷達到目標點的距離，脈沖激光不斷地掃描目標物，就可得到目標物上全部目標點的數(shù)據(jù)，即激光點云。利用激光雷達測量汽車列車主掛車夾角時，激光雷達安裝于主車后方，掃描掛車得到激光點云數(shù)據(jù)，再對點云數(shù)據(jù)進行處理[4]并通過霍夫變換可檢測掛車邊緣角度，最終計算出主掛車夾角。利用激光雷達測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 利用激光雷達測量主掛車夾角示意圖

圖5 激光雷達點云數(shù)據(jù)處理流程

1.4 主掛車GPS 定位測量法

GPS 自問世以來，就以高精度、全天候、方便靈活等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用，在汽車市場、物流行業(yè)更是有著舉足輕重的作用，它能夠為車輛提供準確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。 接收裝置采集到的GPS 信號經(jīng)數(shù)據(jù)變換處理可得到車輛的定位坐標、 航向角等車輛位姿信息， 利用GPS 的該應(yīng)用可以進行汽車列車主掛車夾角的測量， 即在主車和掛車上分別安裝GPS 信號接收裝置， 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)編碼器測量法

圖6 通過主掛車GPS 定位測量主掛車夾角示意圖

中國發(fā)明專利ZL20191015482 0.9 公開了一種基于旋轉(zhuǎn)編碼器測量計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，在掛車相對主車發(fā)生角度變化時， 控制模塊通過接收光電檢測陣列的輸出電平控制驅(qū)動電機進行相應(yīng)轉(zhuǎn)動， 在使第一旋轉(zhuǎn)編碼器、第二旋轉(zhuǎn)編碼器始終實現(xiàn)互相追蹤的情況下，高頻率、高精度地實時獲得兩旋轉(zhuǎn)編碼器的當前角度，進而結(jié)合偏差常量計算得到主車和掛車之間的夾角。

根據(jù)該專利所述的測量方法，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)編碼器的當前角度讀數(shù)；θ—主掛車夾角；C—偏差常量。

當主掛車呈直線狀態(tài)，即主掛車夾角θ 為0 時，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 各種測量方法的特點及應(yīng)用分析

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

轉(zhuǎn)角傳感器測量精度高，產(chǎn)品應(yīng)用成熟，用于主掛車夾角測量時車型適用范圍廣。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)及測量原理特點，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量的應(yīng)用上受到了很大制約。

上述利用位置傳感器測量主掛車夾角的裝置及測量方式只適合于鉸接列車主掛車夾角的測量， 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。但其測量精度高，受列車運行環(huán)境因素影響小，且該測量方式采用了斷開式的探測、感應(yīng)原理，而非機械連接式的接觸作用，從而避免了列車上掛、卸掛過程中帶來的操作不便問題，為汽車列車主掛車夾角測量提供了一種思路。

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

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

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

3 結(jié)束語

汽車列車主掛車夾角作為列車轉(zhuǎn)向、 泊車及智能駕駛場景諸多功能開發(fā)的重要輸入?yún)?shù)， 對其測量方法的研究日益廣泛和深入。本文從結(jié)構(gòu)、原理等方面對主掛車夾角的多種測量方法進行了研究和分析，為實際應(yīng)用中汽車列車主掛車夾角測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)測量主掛車夾角、利用高能相機特征圖案法測量主掛車夾角[6]等方法，在這里不再詳細介紹。 實際測量時，綜合考慮設(shè)計需求及各種測量方法的適用性、測量精度、成本、安裝等因素進行選擇，以達到既滿足使用要求，又易于實現(xiàn)且成本低廉的目的。