半掛汽車列車直角轉彎仿真分析

周志宏+張中舉+閆彬

摘 要：半掛汽車列車通過直角彎道時為避免碰軋內角點、越出邊界線，需要規劃合理的行車路徑。為驗證駕駛人經驗路徑的合理性，建立了半掛車組轉彎模型，確定了半掛車組轉彎路徑算法，以駕駛人操作某型半掛車為例，結合車輛參數及直角轉彎標準場地環境參數對經驗路徑進行仿真。仿真圖與實車試驗在變化趨勢及數值精度上保持了一致，比較真實地反映了半掛車組直角轉彎的避障要求，驗證了駕駛人經驗操作的合理性，說明建立的半掛車組轉彎模型及算法具有一定的適用性和可靠性，為直角轉彎操控行為由經驗型向數字化、精準化轉變提供理論參考。

關鍵詞：半掛汽車列車；直角轉彎；仿真分析

中圖分類號： TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）28-138-2

0 引言

半掛汽車列車車寬體長，轉彎半徑大，內輪差大[1-2]，通過直角彎道時，為防止出現碰軋內直角點、越出邊界線等不當現象，根據預瞄—跟隨系統理論[3]， 駕駛員需先設計合理的行車路徑即預瞄軌跡，再做出最優轉向盤轉角輸入，讓行駛曲率盡可能與預瞄量接近[4]。相比實車試驗，計算機仿真能有效降低隨機變化和誤差的影響，可全面地觀察整個仿真過程，并且能夠直觀的得到仿真曲線[5]。本文仿真分析半掛車直角轉彎運行軌跡，驗證駕駛人經驗性操作的規范性，為進一步開發人工智能輔助操控系統提供理論參考。

1 問題描述

圖1所示[6]，駕駛人操控半掛車前行一次性通過左前方直角彎道時，要設計一條行車路徑，以避免車體左側碰軋彎道內側的突起點A，并要保證車身左右兩側及前端均不越出四條邊界線。為方便研究，依據實踐經驗合理設定直角彎道場地，進出道路極限尺寸在圖上標出。

2 半掛汽車列車轉彎模型

2.1 條件假設

視操作規程為一個目標路徑規劃與運動控制有機結合的問題，假設如下：①場地平坦，低速通過，不考慮車輛側滑和跑偏，忽略轉向機構響應時間、車輛本身各種機械偏差等影響；②如圖2所示，牽引車和半掛車車體通過鞍座相連，視為兩個不同的剛體。

2.2 全車模型

參考相關文獻，全車模型可設為圖3中兩根無質量的剛性鉸接桿A0B0與C0D0：A0、B0分別為牽引車的轉向橋中點、后橋中點，C0為牽引車與半掛車連接部件鞍座的中心點，D0為掛車載重軸中點。

2.3 轉彎模型

如圖4所示：線段A0B0、C0D0與y軸正方向夾角分別為αa0、αh0；牽引車的轉向輪胎相對于A0B0的轉角記為αZ0，且統一規定順時針為正方向，此時為模型的初始狀態。

設前部牽引車的前進速度值為v0，則在Δt時間內，A0點沿A0B0與夾角為αZ0的方向移動到A點，B0點沿線段B0A0方向移動到B1點，D0點沿C0D0方向移動到D1點。

虛線A1B1、C1D1為模型的當前位置，虛線A0A1為A0點在Δt時間內的運動軌跡。在場地實踐中，該模型中的時間增量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果精度越高，模擬時間越長；反之，模擬精度越低，模擬時間越短。

3 半掛汽車列車轉彎路徑算法

已知A0、B0、C0、D0的坐標以及αa0、αh0的值，設線段A0B0、B0C0、A0C0、D0C0的長度分別為La、LC、LC0和Lh，則可得到A1和B1點的坐標以及αa1值，進而可得各點運動軌跡坐標：

4 實例仿真分析

駕駛人依據實踐經驗操作某型半掛車，用二檔起步，以10km/h低速行駛，進入如圖1所示左直角轉彎環境區域，先使右側車輪靠近道路邊線保持約0.1m的橫向間距正直行駛，當行駛至駕駛員左側即將與內直角線l平齊時（車輛前端與l線垂直距離約為4m，此時迅速向左轉動轉向盤至極限位置；從后視鏡觀察，當后部半掛車第一軸接近突起點距離約為2～3m時，稍許向右打回方向，保持車輛靠近道路外側邊線行駛，車輛順利通過直角彎道。

為仿真上述操作規程效果，根據給定的環境參數及半掛車機組各部位長度參數，在Matlab中仿真的效果圖5，其中紅色曲線表示牽引車轉向橋中點A的運動軌跡。

圖4表明，仿真曲線與實車試驗操作相符合，在變化趨勢及數值精度上保持了一致，行進過程車輛輪廓線與周圍環境障礙無交點，表明車輛實現了無碰軋轉彎且無越線現象，滿足直角轉彎要求，表明駕駛人按上述實踐經驗操作具有一定的規范性。

5 結語

本文路徑算法能夠真實反映半掛車機組直角轉彎避障要求，說明模型及算法具有一定的適用性、可靠性，為直角轉彎操控行為由經驗型向數字化、精準化轉變提供理論參考。因車型及場地環境單一，實證研究還不夠完整和充分，數字化模型的針對性、適用性還需進一步拓展。

參 考 文 獻

[1] 周志宏，張中舉.大型特種車輛駕駛課程教學設計淺談[J].卷宗，2016（1）198.

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

[3] 郭孔輝.駕駛員—汽車閉環系統操縱運動的預瞄最優曲率模型[J].汽車工程，1984（3）：1-16.

[4] 王凌.智能優化算法及其應用[M].北京：清華大學出版社，2001：32-45.

[5] 孫揚.全掛汽車列車的操縱穩定性及其控制[D].南京林業大學，2015.

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