用于确定由车辆部段组成的车辆组合的纵向轴线之间的夹角的方法及控制设备技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于确定由车辆部
段组成的车辆组合(Gespann)的纵向轴线之间的夹角的方法和一种用
于执行该方法的控制设备。
背景技术
为了运行由多个车辆部段组成的车辆组合(该车辆组合的车辆部
段不是刚性联接的，而确切地说是以经由耦联器铰接的方式彼此连接
的)，因此例如在转向、泊车、启动和制动时，获知牵引式车辆组合
(Zuggespanns)的车辆部段的纵向轴线围成的夹角对于不同的运行情
况来说是重要。至今很难简单且准确地确定由多个铰接联接的车辆部
段组成的车辆组合的车辆部段的纵向轴线之间的这样的夹角。
由DE102013013584A1公知的是，在测量技术上无接触式地检
测车辆组合的拖车与牵引机车之间的夹角。为此，传感器构建在拖车
上，其中，这些传感器构造为近场雷达传感器或超声波传感器或光传
感器或激光传感器。
由DE102008057027A1公知了另一方法，借助该方法可以确定
车辆组合的铰接联接的车辆部段的纵向轴线之间的夹角。据此，同样
可使用特殊的传感机构，借助该传感机构能确定车辆组合的车辆部段
之间的相对位置。在此，传感机构包括两个距离测量器。
发明内容
在此基础上，本发明的任务在于，提出一种新型的用于确定由车
辆部段组成的车辆组合的纵向轴线之间的夹角的方法以及一种用于执
行这种方法的控制设备。
该任务通过根据权利要求1的方法来解决。
根据本发明，针对靠前的第一车辆部段的至少一个车轴或车轴组
获知相应的车轴或车轴组的行驶速度和/或角速度，其中，针对靠后的
第二车辆部段的至少一个车轴或车轴组获知相应的车轴或车轴组的行
驶速度和/或角速度，并且其中，由获知的靠前的第一车辆部段和靠后
的第二车辆部段的车轴或车轴组的行驶速度和/或角速度，计算出靠前
的第一车辆部段的纵向轴线与靠后的第二车辆部段的纵向轴线之间的
夹角。
利用根据本发明的方法可以实现的是，以车辆组合的车辆部段的
车轴或车轴组的行驶速度和/或角速度为基础，计算出车辆部段的纵向
轴线之间的夹角。根据本发明的方法无需特殊的用于确定车辆部段的
纵向轴线之间的夹角的传感机构。更确切地说，车辆部段的车轴或车
轴组的行驶速度和/或角速度可以由如下数据来获知，这些数据本来就
存在于控制装置侧，尤其来自于相应的车轮或车轮组的车轮的车轮转
速以及必要时来自于车辆组合的被转向的(gelenkt)轴的行驶速度和
转向角。
根据本发明的有利的第一改进方案，靠前的第一车辆部段的纵向
轴线与靠后的第二车辆部段的纵向轴线之间的夹角α由获知的行驶速
度和角速度在使用下面的公式的情况下计算出：
tan
(
α
i
)
=
v
i
+
1
*
L
i
,
K
2
*
ω
i
-
v
i
*
L
i
+
1
,
K
1
*
ω
i
+
1
v
i
+
1
*
v
i
+
L
i
,
K
2
*
L
i
+
1
,
K
1
*
ω
i
+
1
*
ω
i
]]>
其中，vi+1是靠前的第一车辆部段的车轴或车轴组的行驶速度且
ωi+1是其角速度，其中，vi是靠后的第二车辆部段的车轴或车轴组的行
驶速度且ωi是其角速度，其中，Li+1,K1是靠前的第一车辆部段的几何尺
寸，其中，Li,K2是靠后的第二车辆部段的几何尺寸，并且其中，i是运
行变量。
通过使用上述的一般通用的公式，在使用车辆组合的两个相邻的
联接的车辆部段的车轴或车轴组的行驶速度和角速度的情况下，可以
以简单且可靠地计算的方式确定这些车辆部段的纵向轴线之间的夹
角。
根据本发明的有利的第二改进方案，靠前的第一车辆部段的纵向
轴线与靠后的第二车辆部段的纵向轴线之间的夹角α由获知的角速度
在使用下面的公式的情况下计算出：
α＝∫(ωi+1-ωi)dt+α0
其中，ωi+1是靠前的第一车辆部段的车轴或车轴组的角速度，其中，
ωi是靠后的第二车辆部段的车轴或车轴组的角速度，并且其中，α0是
初始化值。
利用本发明的这种改进方案，也可以以计算的方式获知车辆组合
的两个相邻的联接的车辆部段的纵向轴线之间的夹角，其中，本发明
的这种改进方案仅使用车辆组合的车辆部段的车轴或车轴组的角速
度，而不使用其行驶速度。但是，需要如下的初始化值，为了精确地
确定车辆组合的车辆部段的纵向轴线之间的夹角必须尽可能准确地已
知该初始化值，并且/或者在存在车辆组合的限定的运行条件时随时对
该初始化值进行初始化。
在权利要求10中限定了根据本发明的控制设备。
由从属权利要求和下面的描述得到了优选的改进方案。
附图说明
结合附图详细阐述了本发明的实施例，但它们并不局限于此。其
中：
图1示出由多个车辆部段组成的第一车辆组合的示意图；
图2示出用于图1的车辆组合的单轨模型(Einspurmodell)；
图3示出由多个车辆部段组成的第二车辆组合的示意图；
图4示出用于图3的车辆组合的单轨模型；
图5示出由多个车辆部段组成的第三车辆组合的示意图；并且
图6示出用于图5的车辆组合的单轨模型；
图7示出用于由多个车辆部段组成的车辆组合的一般性的单轨模
型。
具体实施方式
本发明涉及用于确定由多个车辆部段组成的车辆组合的纵向轴线
之间的夹角的方法以及控制设备。
下面结合实施例描述了本发明，在这些实施例中，车辆部段在机
械上铰接地联接。然而，当车辆组合的部段虚拟地联接时也能使用本
发明。
图1示出由联接的车辆部段1、2，即，由靠后的车辆部段1和靠
前的车辆部段2组成的示例性的车辆组合。在示出的实施例中，靠后
的车辆部段1具有两个非被转向且不能转动的车轴3、4，这些车轴形
成车轴组5。靠前的车辆部段2具有靠后的车轴6和靠前的车轴7，其
中，靠后的车轴6是非被转向且不能转动的车轴，而靠前的车辆部段2
的靠前的车轴7是被转向且不能转动的车轴。对于术语不能转动的车
轴，应理解为如下的车轴，在该车轴上，不同于牵引杆轴的是，相应
的车轴的纵向轴线相对于相应的车辆部段的纵向轴线的定向是固定的
并且因此不能绕竖直的轴线扭转。
两个车辆部段1和2在机械上铰接联接在联接点8上，从而在驾
驶运行中可以改变两个车辆部段的定向或相对位置。
图2示出用于图1的车辆组合的单轨模型，其中，在图2中，两
轨的车轴组5和两轨的车轴组6、7分别以如下方式减少到一个轨，即，
虚拟的单轨的车轴组5位于靠后的车辆部段1的纵向中轴线9上并且
靠前的车辆部段2的虚拟的单轨的车轴6位于同一车辆部段的纵向中
轴线10上。在此，车辆组合的车辆部段1和2的纵向中轴线9和10
围成夹角α。此外，图2示出角β，该角相应于靠前的车辆部段2的被
转向的车轴7的转向角。
参量v1是靠后的车辆部段1的车轴组5的行驶速度。参量ω1是该
车轴组5的角速度。参量v2是靠前的车辆部段2的车轴组6的行驶速
度。参量ω2是该车轴组6的角速度。参量v相应于靠前的车辆部段2
的被转向的车轴7的行驶速度。此外，图2示出图1的车辆组合的多
个几何上的特征参量，即，靠后的车辆部段1的车轴组5与两个车辆
部段1、2的联接点8之间的间距的参量L1,K2，靠前的车辆部段2的车
轴6与联接点8之间的间距的参量L2,K1和靠前的车辆部段2的两个车
轴6、7之间的间距的参量L2,K2。
图1和图2的车辆组合例如是由具有拖车的牵引车头组成的牵引
式拖车。此外，图1和图2的车辆组合是铰接式客车或具有拖车的乘
用车辆。
图3示出由两个机械上铰接联接的车辆部段1、2组成的另一车辆
组合，其中，图4示出用于该车辆组合的单轨模型。在图3和图4中，
靠前的车辆部段2仍具有非被转向且不能转动的靠后的车轴6和被转
向的、不能转动的靠前的车轴7。靠后的车辆部段1具有非被转向且不
能转动的靠后的车轴3以及附加地具有能转动的牵引杆轴11。两个车
辆部段1、2经由牵引杆轴11的所谓的拖曳牵引杆在联接点8处彼此
联接。
图4可以获知的是，用于图3的牵引车辆组合的单轨模型设置两
个角α1和α2，即，车辆部段1的纵向中轴线9与拖曳牵引杆的拖曳牵
引杆轴12之间的夹角α1以及拖曳牵引杆轴12与靠前的车辆部段2的
纵向中轴线10之间的夹角α2。在图4中，参量v1和ω1是靠后的车辆
部段1的车轴3的行驶速度和角速度。参量v3和ω3是靠前的车辆部段
2的靠后的车轴6的行驶速度和角速度。参量v2和ω2是牵引杆轴11
的行驶速度和角速度。在图4中，几何上的特征参量L1,K2相应于靠后
的车轴3与靠后的车辆部段1的靠前的牵引杆轴11之间的间距。几何
上的特征参量L2,K2相应于牵引杆轴11与联接点8之间的间距。几何上
的特征参量L3,K1相应于联接点8与靠前的车辆部段2的靠后的车轴6
之间的间距。
图3和图4的车辆组合例如可以是由载重车辆和具有牵引杆的拖
车组成的车辆组合或者是由农用牵引车辆和具有牵引杆的农用拖车组
成的车辆组合。
图5示出由两个在联接点8处联接的车辆部段1、2组成的另一车
辆组合，其中，在图5中，靠后的车辆部段1包括两个非被转向且不
能转动的车轴3、4，这些车轴形成车轴组5，并且其中，靠前的车辆
部段2也具有两个非被转向且不能转动的车轴13、14，这些车轴形成
车轴组15。图5的车辆组合例如可以是两个联接的拖车，其中，靠前
的拖车2仍可以与未示出的牵引车辆联接。
图6示出用于图5的车辆组合的单轨模型，其中，两个车辆部段
1、2的纵向中轴线9、10仍围成角α。参量v1和ω1是车轴组5的行驶
速度和角速度，参量v2和ω2是车轴组15的行驶速度和角速度。几何
上的特征参量L1,K2相应于靠后的车辆部段1的车轴组5与联接点8之
间的间距，几何上的特征参量L2,K1相应于联接点8与靠前的车辆部段
2的车轴组15之间的间距。
图7示出用于由机械铰接联接或虚拟铰接联接的车辆部段组成的
牵引车辆组合的抽象的一般性的单轨模型，其中，图7的模型在图4
的模型中被两次地使用，即，一方面用于确定靠后的车辆部段1的纵
向中轴线9与牵引杆轴12之间的夹角α1，并且另一方面用于确定牵引
杆轴12与靠前的车辆部段2的纵向中轴线10之间的夹角α2。在图7
的抽象的一般性的单轨模型中，以角标i标出靠后的车辆部段的车辆速
度v、角速度ω和几何上的特征参量L，并且以角标i+1标出靠前的车
辆部段的车辆速度v、角速度ω和几何上的特征参量L。在图7的一般
性的单轨模型中，还以如下为出发点，即，不仅在靠后的车辆部段上
而且在靠前的车辆部段上分别存在联接点8i或8i+1。
现在为了确定车辆组合的联接的车辆部段的纵向轴线之间的夹
角，即，在使用图7的抽象的单轨模型的情况下，针对相应的靠前的
车辆部段的至少一个车轴和/或车轴组获知相应的车轴或车轴组的行驶
速度vi+1和角速度ωi+1。此外，针对靠后的车辆部段的至少一个车轴或
车轴组获知相应的车轴或车轴组的行驶速度vi和角速度ωi。由这些获
知的靠前的车辆部段和靠后的车辆部段的车轴或车轴组的行驶速度vi
和vi+1以及角速度ωi和ωi+1，随后计算出车辆部段的纵向轴线之间的夹
角α。
在此，车辆部段的纵向轴线之间的夹角α依赖于获知的行驶速度
vi和vi+1以及角速度ωi和ωi+1在参考图7的一般性的单轨模型使用如下
的公式的情况中计算出：
tan
(
α
i
)
=
v
i
+
1
*
L
i
,
K
2
*
ω
i
-
v
i
*
L
i
+
1
,
K
1
*
ω
i
+
1
v
i
+
1
*
v
i
+
L
i
,
K
2
*
L
i
+
1
,
K
1
*
ω
i
+
1
*
ω
i
]]>
其中，vi+1是靠前的第一车辆部段的车轴或车轴组的行驶速度且
ωi+1是其角速度，其中，vi是靠后的第二车辆部段的车轴或车轴组的行
驶速度且ωi是其角速度，其中，Li+1,K1是靠前的第一车辆部段的几何尺
寸，其中，Li,K2是靠后的第二车辆部段的几何尺寸，其中，i是运行变
量。
如果将一般性的单轨模型和上述的公式应用到图1和图2的特殊
情况上，在该特殊情况中，存在由靠前的车辆部段2和靠后的车辆部
段1组成的无牵引杆的车辆组合，在该车辆组合中，靠前的车辆部段2
具有不能转动且被转向的靠前的车轴7和不能转动且非被转向的靠后
的车轴6，并且在该车辆组合中，靠后的车辆部段1仅具有不能转动且
非被转向的车轴组5，在图7的一般性的单轨模型的上述一般性的公式
中，角标i＝1并且两个车辆部段1和2的纵向轴线9与10之间的夹角
α根据下面的方程组计算出：
α＝α1
tan
(
α
1
)
=
v
2
*
L
1
,
K
2
*
ω
1
-
v
1
*
L
2
,
K
1
*
ω
2
v
2
*
v
1
+
L
1
,
K
2
*
L
2
,
K
1
*
ω
2
*
ω
1
]]>
其中，v2是靠前的车辆部段的靠后的车轴或车轴组的行驶速度且
ω2是其角速度，其中，v1是靠后的车辆部段的车轴或车轴组的行驶速
度且ω1是其角速度，其中，L2,K1是靠前的车辆部段的靠后的车轴或车
轴组与两个车辆部段的联接点8的间距，而L1,K2是靠后的车辆部段的
车轴或车轴组与两个车辆部段的联接点8的间距。
如果将用于图7的单轨模型的一般性的公式应用到由两个车辆部
段1和2组成的经由靠后的车辆部段1的牵引杆轴11(其是靠后的车
辆部段1的靠前的车轴的牵引杆轴11)联接的车辆组合的图3的特殊
情况上，在该车辆组合中，靠后的车辆部段1具有非被转向且不能转
动的靠后的车轴3，并且靠前的车辆部段2具有非被转向且不能转动的
靠后的车轴6，那么角标i＝2并且图3和图4的车辆组合的纵向轴线9
与10之间的夹角α可以在使用下面的方程组的情况下计算出：
α＝α1+α2
t
a
n
(
α
1
)
=
v
2
*
L
1
,
K
2
*
ω
1
v
2
*
v
1
]]>
tan
(
α
2
)
=
v
3
*
L
2
,
K
2
*
ω
2
+
v
2
*
L
3
,
K
1
*
ω
3
v
3
*
v
2
-
L
1
,
K
2
*
L
3
,
K
1
*
ω
3
*
ω
2
]]>
其中，α1是靠后的车辆部段的纵向轴线与牵引杆轴之间的夹角，
而α2是牵引杆轴与靠前的车辆部段的纵向轴线之间的夹角，其中，v3
是靠前的车辆部段的靠后的车轴或车轴组的行驶速度且ω3是其角速
度，其中，v2是牵引杆轴的行驶速度且ω2是其角速度，其中，v1是靠
后的车辆部段的车轴或车轴组的行驶速度且ω1是其角速度，其中，L1,K2
是靠后的车辆部段的靠后的车轴或车轴组与牵引杆轴的间距，L2,K2是
牵引杆轴与两个车辆部段的联接点8的间距，L3,K1是靠前的车辆部段
的靠后的车轴或车轴组与两个车辆部段的联接点8的间距。
在图5和图6的车辆组合中，也可以使用上述的方式和方法，由
车轴组5、15的行驶速度和角速度计算出图5和图6的车辆组合的车
辆部段9和10的纵向轴线之间的夹角α，其中，运行角标i＝1并且使
用下面的方程组：
α＝α1
tan
(
α
1
)
=
v
2
*
L
1
,
K
2
*
ω
1
+
v
1
*
L
2
,
K
1
*
ω
2
v
2
*
v
1
-
L
1
,
K
2
*
L
2
,
K
1
*
ω
2
*
ω
1
]]>
在用于确定车辆组合的联接的车辆部段之间的夹角的上述的公式
中，分别用到了车轴或车轴组的行驶速度和角速度。在此，车辆部段
的车轴或车轴组或牵引杆轴的行驶速度由相应的车轴或车轴组或牵引
杆轴的车轮的车轮速度根据下面的公式来确定：
v
i
=
1
N
Σ
j
=
1
N
v
i
-
R
A
D
,
j
]]>
其中，vi是车轴或车轴组或牵引杆轴的行驶速度，并且其中，vi-RAD,j
是车轴或车轴组或牵引杆轴的第j个车轮的车轮速度。
因此在这里，对车轴或车轴组的所有车轮的车轮速度取平均值，
以便获知相应的车轴或车轴组或牵引杆轴的行驶速度。在此，相应的
车轴或车轴组或牵引杆轴的车轮的车轮速度优选由测量技术上检测到
的相应的车轴或车轴组或牵引杆轴的车轮的车轮转速计算出。
车辆部段的车轴或车轴组或牵引杆轴的角速度由相应的车轴或车
轴组或牵引杆轴的车轮的车轮速度优选根据下面的公式来确定：
ω
i
=
v
i
-
R
A
D
,
R
E
C
H
T
S
-
v
i
-
R
A
D
,
L
I
N
K
S
d
]]>
其中，ωi是车轴或车轴组或牵引杆轴的角速度，其中，vi-RAD,RECHTS
和vi-RAD,LINKS是车轴或车轴组或牵引杆轴的靠左和靠右的车轮的车轮
速度，并且其中，d是车轴或车轴组或牵引杆轴的靠左与靠右的车轮之
间的间距。
在具有多个靠左和靠右的车轮的车轮组的情况下，靠左的车轮的
车轮速度和靠右的车轮的车轮速度分别是对相应的车轮组的所有靠左
的车轮或所有靠右的车轮取平均值的车轮速度。
于是，当例如对于图1和图2的车辆组合或对于图3和图4的车
辆组合来说不存在靠前的车辆部段2的靠后的车轴6的车轮的车轮转
速时，靠前的车辆部段2的该靠后的车轴6的行驶速度和角速度也可
以由靠前的车辆部段2的被转向的靠前的车轴7的转向角β和行驶速
度v来确定，对于图1和图2的车辆组合来说优选根据下面的方程组：
v
2
ω
2
=
(
v
*
c
o
s
(
β
)
v
*
sin
(
β
)
L
2
,
K
2
)
]]>
此外，如果在车辆组合中存在相应的传感机构，就可以验证以上
述的方式和方法计算出的车轴、车轴组或牵引杆轴的行驶速度和角速
度，例如经由雷达测量装置或GPS测量装置导出的速度，或经由借助
驶偏传感器检测到的角速度。然而这纯粹是可选的，为了确定车辆组
合的车辆部段的纵向轴线之间的夹角，也可以无需附加的传感机构地
使用本发明。
根据本发明的替选的设计方案设置的是，仅以车轴或车轴组或牵
引杆轴的角速度为基础地来确定车辆组合的车辆部段的纵向轴线之间
的夹角，优选是在使用下面的公式的情况下：
α＝∫(ωi+1-ωi)dt+α0
其中，ωi+1是靠前的第一车辆部段的车轴或车轴组的角速度，其中，
ωi是靠后的第二车辆部段的车轴或车轴组的角速度，并且其中，α0是
初始化值。
在此，为了避免积分误差，尽可能准确地获知初始化值α0是很重
要的。初始化值α0相应于车辆部段的纵向轴线之间的如下夹角，这些
纵向轴线在根据上述公式的数值积分开始时围成该夹角。
为了尽可能准确地获知该初始化值α0，可以设置的是，在确定的
运行条件下随时地重新确定初始化值α0。
因此，例如可以设置的是，当例如基于GPS信息已知车辆组合在
笔直的行驶路段上运行时，并且此外当车辆在笔直的行驶轨迹上行驶
的时间大于界限值时，将初始化值α0置零。针对该时间间隔的界限值
依赖于车辆组合的总长度和该车辆组合的行驶速度，并且例如可以根
据下面的公式来确定：
T
=
k
*
l
v
]]>
其中，T是针对该时间间隔的界限值，其中，l是车辆组合的总长
度，其中，v是车辆组合的速度，并且其中，k是常量，其中，k例如
可以为3。
替选地可以是，当针对限定的时间间隔转向角β＝0时，以如下为
前提的是，车辆组合在笔直的行驶路段上运行，以便随后又将初始化
值α0置零。
本发明还涉及一种用于执行该方法的控制设备。控制设备包括用
于执行根据本发明的方法的设施。该设施是硬件方面和软件方面的设
施。硬件方面的设施是数据接口，以便利用其在执行根据本发明的方
法的结构组件上交换数据。此外，硬件方面的设施是处理器和存储器，
其中，存储器用于存储数据并且处理器用于处理数据。软件方面的设
施是用于执行根据本发明的方法的程序构件。
附图标记列表
1车辆部段
2车辆部段
3车轴
4车轴
5车轴组
6车轴
7车轴
8联接点
9纵向轴线
10纵向轴线
11牵引杆轴
12纵向轴线
13车轴
14车轴
15车轴组