汽车列车主挂车夹角测量方法研究

赵华杰， 范养强， 孙学聪

（陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院， 陕西 西安 710200）

0 引言

汽车列车是指一辆汽车与一辆或多辆挂车的组合，它具有其他运输方式无法代替的迅速、 机动、 安全的优势， 能完成其他运输方式所不能或难以完成的超高、超宽、超长、有特定要求的物资运输，尤其对高大货物运输具有高效、低耗、及时、灵活的特殊优点。因此汽车列车成了公路交通的主要物流运输形式，是发展公路运输、提高经济效益最有效而简单的重要手段。

在汽车列车转向、泊车过程中，主挂车间形成一定夹角，此夹角导致车辆更大范围的内轮差和盲区，这是诸多交通事故发生的一大根源。 此外， 在ADAS（Advanced Driver Assistance System，高级驾驶辅助系统）及无人驾驶场景中，主挂车间夹角是列车转向、泊车工况下的行为预测、安全报警等功能开发算法的重要输入参数。 因此，对汽车列车主挂车夹角测量方法的研究具有重要意义。

1 基本测量方法

汽车列车根据基本结构形式可分为牵引杆挂车列车、铰接列车、中置轴挂车列车等[1]，如图1 所示。

近年来随着传感、雷达、导航等技术的发展，汽车列车主挂车夹角的测量方法日益丰富并逐渐成熟， 且已投入到车辆的实际生产应用之中。 根据车辆实际情况及测量原理，目前常用的主挂车夹角测量方法有转角传感器测量法、位置传感器测量法、激光雷达测量法、 主挂车GPS（Global Positioning System， 全 球 定 位 系统）定位测量法、旋转编码器测量法等等。

图1 常用汽车列车的基本类型

1.1 转角传感器测量法

转角传感器有磁电式、光电耦合式等多种形式，测量汽车列车主挂车夹角时，将转角传感器安装于牵引挂钩与挂车牵引销组成的连接副之间。 图2 所示为磁电式转角传感器的组成及结构， 大齿轮A 与两个齿数不相等的从动小齿轮B 和小齿轮C 啮合；大齿轮A 随挂车牵引销一起转动， 两个小齿轮轴与传感器外壳一起固定在主车牵引挂钩上， 每个小齿轮上各设置有水平充磁的永磁体， 两块永磁体上方分别放置固定不动的磁阻角度传感器； 永磁体随齿轮转动， 通过微处理单元可采集两个小齿轮的转角。 当主挂车相对转动时， 牵引销同轴固定的大齿轮带动两个小齿轮转动， 由于两个小齿轮齿数不同，牵引销转动在不同的位置，两个小齿轮会相差特定的角度。 由于大齿轮转动角度与两个小齿轮转动角度差之间有特定的对应关系，依据三者角度关系，可由微处理单元计算得到牵引销的转角[2]。

图2 磁电式转角传感器组成及结构

1.2 位置传感器测量法

位置传感器测量法是一种间接测量主挂车夹角的方法，利用安装于主车的位置传感器测得其距挂车的距离，该距离与主挂车间夹角呈一定函数关系， 根据此关系即可将直接测得的主挂车间的距离信息转化为夹角信息。

一种利用位置传感器测量主挂车夹角装置的安装方式及测量方法[3]如下：将位置传感器安装在主车车架上，用以探测其距挂车底部某特殊结构桁架的距离， 该桁架由两段螺旋形筋条拼接组成，主车和挂车未形成夹角时，位置传感器的测量探头垂直正对桁架的最下端。 其结构如图3 所示。

图3 一种位置传感器测量主挂车夹角的安装实例

当挂车相对主车转动时， 位置传感器实时测量其与桁架之间的垂直距离变化量，根据螺旋运动原理，有下述转换关系式：

式中：dh—挂车相对于主车转动时，位置传感器测得的其与桁架间的垂直距离变化微元；dθ—挂车相对于主车的转动角度变化微元；t—桁架的螺旋形筋条所在螺旋形结构的螺距。

挂车与主车的夹角初始值为零时对应位置测量传感器与桁架间的最小垂直距离， 这由两者的相对安装位置决定。再结合上式，即可由位置传感器测得的其与桁架间的垂直距离得到主挂车间的夹角。

1.3 激光雷达测量法

激光雷达广泛应用于环境监测、交通通讯、资源勘探、生产制造等众多领域，实现测距、测速、监控、报警等诸多功能。根据激光雷达的测距原理，可以得到雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可得到目标物上全部目标点的数据，即激光点云。利用激光雷达测量汽车列车主挂车夹角时，激光雷达安装于主车后方，扫描挂车得到激光点云数据，再对点云数据进行处理[4]并通过霍夫变换可检测挂车边缘角度，最终计算出主挂车夹角。利用激光雷达测量主挂车夹角示意图及数据处理流程如图4、图5 所示。

图4 利用激光雷达测量主挂车夹角示意图

图5 激光雷达点云数据处理流程

1.4 主挂车GPS 定位测量法

GPS 自问世以来，就以高精度、全天候、方便灵活等优点而得到广泛应用，在汽车市场、物流行业更是有着举足轻重的作用，它能够为车辆提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。 接收装置采集到的GPS 信号经数据变换处理可得到车辆的定位坐标、 航向角等车辆位姿信息， 利用GPS 的该应用可以进行汽车列车主挂车夹角的测量， 即在主车和挂车上分别安装GPS 信号接收装置， 分别得到主车和挂车的航向角， 两者之差即主挂车间的夹角，如图6 所示。

图中，θz、θg分别为GPS 信号经数据处理后得到的主车、 挂车航向角；φ—主挂车间夹角，则有：

1.5 旋转编码器测量法

图6 通过主挂车GPS 定位测量主挂车夹角示意图

中国发明专利ZL20191015482 0.9 公开了一种基于旋转编码器测量计算主车和挂车夹角的装置及方法[5]，如图7 所示。

图7 基于旋转编码器测量主挂车夹角的装置

分别在主车和挂车上安装第一旋转编码器、 第二旋转编码器，其与旋转轴中心构成线性映射关系，在挂车相对主车发生角度变化时， 控制模块通过接收光电检测阵列的输出电平控制驱动电机进行相应转动， 在使第一旋转编码器、第二旋转编码器始终实现互相追踪的情况下，高频率、高精度地实时获得两旋转编码器的当前角度，进而结合偏差常量计算得到主车和挂车之间的夹角。

根据该专利所述的测量方法，有如下关系式：

式中：α、β 分别为第一旋转编码器、第二旋转编码器的当前角度读数；θ—主挂车夹角；C—偏差常量。

当主挂车呈直线状态，即主挂车夹角θ 为0 时，读取第一旋转编码器、第二旋转编码器读数α0、β0，可得偏差常量：

2 各种测量方法的特点及应用分析

上述汽车列车主挂车夹角的测量方法具有各自的优点及局限性，下面对其优缺点及应用进行分析。

转角传感器测量精度高，产品应用成熟，用于主挂车夹角测量时车型适用范围广。但由于安装位置的因素，容易受到油污、泥垢污染；且易受到主挂车在连接副间的冲击而损坏；此外，由于传感器本身结构及测量原理特点，不利于列车的上挂、脱挂等操作，因此转角传感器在主挂车夹角测量的应用上受到了很大制约。

上述利用位置传感器测量主挂车夹角的装置及测量方式只适合于铰接列车主挂车夹角的测量， 且在挂车改制方面具有一定难度，在车型选用上具有一定的局限性。但其测量精度高，受列车运行环境因素影响小，且该测量方式采用了断开式的探测、感应原理，而非机械连接式的接触作用，从而避免了列车上挂、卸挂过程中带来的操作不便问题，为汽车列车主挂车夹角测量提供了一种思路。

利用激光雷达测量主挂车夹角的方法， 一线激光雷达即可满足测量需求，经济性适中，车辆改制简单，安装方便，车型适用范围广。但利用激光雷达测量主挂车夹角时需要得到挂车边缘点云数据， 这就要求挂车边缘拥有足够的平面度，特殊情况下需对其进行专门改制；此外，激光雷达性能受天气影响较大，在大雨、烟雾等天气环境下，衰减严重，对测量精度有较大影响。综合测量精度、成本、适用性等因素，在良好的外部环境下，利用激光雷达测量主挂车夹角是一种很好的选择方案。

利用GPS 测量主挂车夹角技术成熟可靠， 不受车型限制，安装方法灵活；但测量时需要两套GPS 系统，设计成本高，且挂车部分GPS 布置和接线具有一定困难。

利用旋转编码器测量主挂车夹角的方法， 测量精度高、抗干扰能力强、车型适用范围广；但装置复杂、设计成本高，不利于产品化，在高测量精度需求的试验阶段是个优选的测量方法。

3 结束语

汽车列车主挂车夹角作为列车转向、 泊车及智能驾驶场景诸多功能开发的重要输入参数， 对其测量方法的研究日益广泛和深入。本文从结构、原理等方面对主挂车夹角的多种测量方法进行了研究和分析，为实际应用中汽车列车主挂车夹角测量方案的选取提供了参考和依据。除上述介绍的方法之外， 还有利用挂接辅助系统测量主挂车夹角、利用高能相机特征图案法测量主挂车夹角[6]等方法，在这里不再详细介绍。 实际测量时，综合考虑设计需求及各种测量方法的适用性、测量精度、成本、安装等因素进行选择，以达到既满足使用要求，又易于实现且成本低廉的目的。