半挂汽车列车直角转弯仿真分析

周志宏+张中举+闫彬

摘 要：半挂汽车列车通过直角弯道时为避免碰轧内角点、越出边界线，需要规划合理的行车路径。为验证驾驶人经验路径的合理性，建立了半挂车组转弯模型，确定了半挂车组转弯路径算法，以驾驶人操作某型半挂车为例，结合车辆参数及直角转弯标准场地环境参数对经验路径进行仿真。仿真图与实车试验在变化趋势及数值精度上保持了一致，比较真实地反映了半挂车组直角转弯的避障要求，验证了驾驶人经验操作的合理性，说明建立的半挂车组转弯模型及算法具有一定的适用性和可靠性，为直角转弯操控行为由经验型向数字化、精准化转变提供理论参考。

关键词：半挂汽车列车；直角转弯；仿真分析

中图分类号： TP29 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）28-138-2

0 引言

半挂汽车列车车宽体长，转弯半径大，内轮差大[1-2]，通过直角弯道时，为防止出现碰轧内直角点、越出边界线等不当现象，根据预瞄—跟随系统理论[3]， 驾驶员需先设计合理的行车路径即预瞄轨迹，再做出最优转向盘转角输入，让行驶曲率尽可能与预瞄量接近[4]。相比实车试验，计算机仿真能有效降低随机变化和误差的影响，可全面地观察整个仿真过程，并且能够直观的得到仿真曲线[5]。本文仿真分析半挂车直角转弯运行轨迹，验证驾驶人经验性操作的规范性，为进一步开发人工智能辅助操控系统提供理论参考。

1 问题描述

图1所示[6]，驾驶人操控半挂车前行一次性通过左前方直角弯道时，要设计一条行车路径，以避免车体左侧碰轧弯道内侧的突起点A，并要保证车身左右两侧及前端均不越出四条边界线。为方便研究，依据实践经验合理设定直角弯道场地，进出道路极限尺寸在图上标出。

2 半挂汽车列车转弯模型

2.1 条件假设

视操作规程为一个目标路径规划与运动控制有机结合的问题，假设如下：①场地平坦，低速通过，不考虑车辆侧滑和跑偏，忽略转向机构响应时间、车辆本身各种机械偏差等影响；②如图2所示，牵引车和半挂车车体通过鞍座相连，视为两个不同的刚体。

2.2 全车模型

参考相关文献，全车模型可设为图3中两根无质量的刚性铰接杆A0B0与C0D0：A0、B0分别为牵引车的转向桥中点、后桥中点，C0为牵引车与半挂车连接部件鞍座的中心点，D0为挂车载重轴中点。

2.3 转弯模型

如图4所示：线段A0B0、C0D0与y轴正方向夹角分别为αa0、αh0；牵引车的转向轮胎相对于A0B0的转角记为αZ0，且统一规定顺时针为正方向，此时为模型的初始状态。

设前部牵引车的前进速度值为v0，则在Δt时间内，A0点沿A0B0与夹角为αZ0的方向移动到A点，B0点沿线段B0A0方向移动到B1点，D0点沿C0D0方向移动到D1点。

虚线A1B1、C1D1为模型的当前位置，虚线A0A1为A0点在Δt时间内的运动轨迹。在场地实践中，该模型中的时间增量Δt的取值范围可以限定为[0.01，0.05]s。Δt取值越小，基于该模型的模拟结果精度越高，模拟时间越长；反之，模拟精度越低，模拟时间越短。

3 半挂汽车列车转弯路径算法

已知A0、B0、C0、D0的坐标以及αa0、αh0的值，设线段A0B0、B0C0、A0C0、D0C0的长度分别为La、LC、LC0和Lh，则可得到A1和B1点的坐标以及αa1值，进而可得各点运动轨迹坐标：

4 实例仿真分析

驾驶人依据实践经验操作某型半挂车，用二档起步，以10km/h低速行驶，进入如图1所示左直角转弯环境区域，先使右侧车轮靠近道路边线保持约0.1m的横向间距正直行驶，当行驶至驾驶员左侧即将与内直角线l平齐时（车辆前端与l线垂直距离约为4m，此时迅速向左转动转向盘至极限位置；从后视镜观察，当后部半挂车第一轴接近突起点距离约为2～3m时，稍许向右打回方向，保持车辆靠近道路外侧边线行驶，车辆顺利通过直角弯道。

为仿真上述操作规程效果，根据给定的环境参数及半挂车机组各部位长度参数，在Matlab中仿真的效果图5，其中红色曲线表示牵引车转向桥中点A的运动轨迹。

图4表明，仿真曲线与实车试验操作相符合，在变化趋势及数值精度上保持了一致，行进过程车辆轮廓线与周围环境障碍无交点，表明车辆实现了无碰轧转弯且无越线现象，满足直角转弯要求，表明驾驶人按上述实践经验操作具有一定的规范性。

5 结语

本文路径算法能够真实反映半挂车机组直角转弯避障要求，说明模型及算法具有一定的适用性、可靠性，为直角转弯操控行为由经验型向数字化、精准化转变提供理论参考。因车型及场地环境单一，实证研究还不够完整和充分，数字化模型的针对性、适用性还需进一步拓展。

参 考 文 献

[1] 周志宏，张中举.大型特种车辆驾驶课程教学设计浅谈[J].卷宗，2016（1）198.

[2] 李明剑，段绪斌，高立鑫.港口大型车辆制动和转弯特性研究[J].科技研究，2012（10）：161.

[3] 郭孔辉.驾驶员—汽车闭环系统操纵运动的预瞄最优曲率模型[J].汽车工程，1984（3）：1-16.

[4] 王凌.智能优化算法及其应用[M].北京：清华大学出版社，2001：32-45.

[5] 孙扬.全挂汽车列车的操纵稳定性及其控制[D].南京林业大学，2015.

[6] 张中举，黄荣贵.重装备运输车驾驶员教材[M].解放军出版社，2014（12）：295.