АВТОМАТИЧЕСКИЙ ТОКОПРИЕМНИК ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ЭЛЕКТРОТЯГОЙ И НЕЗАВИСИМЫМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ
AUTOMATIC CURRENT COLLECTOR FOR ELECTRICALLY DRIVEN TRANSPORT FACILITIES AND SELF-CONTAINED POWER SUPPLY

Предлагаемый токоприемник для линий энергоснабжения транспортных средств с электротягой и независимым источником энергии предназначен для автоматического присоединения транспортного средства к линии энергоснабжения или отключения от нее с переходом на питание от независимого источника в процессе движения без вмешательства водителя. Транспортным средством может являться, например, троллейбус, оснащенный независимым источником энергии, гибридный автомобиль или автобус.
Существующие токоприемники фактически жестко привязывают транспортные средства к линиям энергоснабжения. По этой причине затруднено маневрирование на дороге, например, троллейбусов или обгон движущегося другого троллейбуса или транспортного средства. Прохождение троллейбусом перекрестков и поворотов, развязок и пересечений с другими линиями энергоснабжения вызывает большие, а иногда непреодолимые трудности. По этим причинам не получают существенного развития троллейбусные внутригородские перевозки пассажиров несмотря на существенные их преимущества перед автобусами по экологической чистоте и экономии энергоносителей.
Например, в патенте USA 4.698.462 предлагается устройство на штангах троллейбуса для осуществления его обгона движущимся за ним троллейбусом. Одним из недостатков устройства является возможность обгона только при остановке одного из троллейбусов и отсутствие возможности маневрирования при обгоне других транспортных средств. В патенте ЕР 0989015 предлагается управляемый водителем механизм для присоединения токоприемника к линии энергоснабжения. Одним из недостатков является необходимость остановки троллейбуса для выполнения процедуры присоединения, сложность самой процедуры и участие в ней водителя.
В качестве наиболее близкого аналога предлагаемого изобретения рассматривается устройство, предложенное Иосифом Штейнбергом (TROLLEY - ELECTROMOBILE TRANSPORT AND ITS POWER SUPPLY SYSTEM
http://www.ntpo.eom/techno/techno2_1/7.shtml). В нем предлагается использовать троллейбус, оснащенный независимым источником энергии, для преодоления участков дороги, где линия энергоснабжения отсутствует.
К недостаткам устройства следует отнести:
- штанги токоприемника троллейбуса выполнены без возможности поворота их вокруг вертикальной оси, а их подъем и опускание происходит по команде водителя. По этой причине снижается безопасность вождения, т.к. водитель должен постоянно следить за тем, чтобы троллейбус находился точно под линией энергоснабжения и за ситуациями при маневрировании, когда нужно включать подъем или опускание штанг. По той же причине коридор движения троллейбуса под линией энергоснабжения ограничен шириной шины контакта токоприемника, что должно составлять не более 2 м.
- линия энергоснабжения устройства сложна и дорога, т.к. состоит из повторяющихся двух разнополярных участков проводов, разделенных изоляторами. Кроме того, она не совместима с уже существующими линиями энергоснабжения троллейбусов.
С учетом сказанного поставлена задача создания токоприемника с полной автоматизацией процесса присоединения и отсоединения от линии энергоснабжения в зависимости от взаимного расположения транспортного средства и линии энергоснабжения и возможности обгона транспортного средства, подключенного к линии энергоснабжения. Иными словами поставлена задача создания троллейбуса, обладающего свойствами городских автобусов при сохранении таких преимуществ троллейбуса, как экономичность, экологическая чистота и бесшумность.
Поставленная задача решается за счет использования лазерного локатора (далее лидар) для измерения расстояния между контактами токоприемника и проводами линии энергоснабжения, а также для измерения дистанции до движущегося впереди троллейбуса, а также до точки, где линия энергоснабжения прерывается. С помощью автоматического штангового манипулятора контактная панель токоприемника, в зависимости от ситуации на дороге, перемещается либо до осуществления контакта с линией энергоснабжения, либо переводится в нерабочее состояние. Управление манипулятором осуществляется с помощью бортового компьютера на основе информации, получаемой от лидара и датчиков углов поворота в сочленениях штангового манипулятора. Все это делает возможным, не прерывая движения троллейбуса, осуществлять маневры обгона любых транспортных средств и проезд участков дороги, где линия энергоснабжения отсутствует. При этом от водителя троллейбуса не требуется каких-либо действий, связанных с управлением токоприемником.
Особенности и преимущества изобретения станут более наглядными из описания предпочтительных вариантов реализации изобретения, данных исключительно в качестве примеров, со ссылкой на прилагаемые чертежи, где -
Фиг.1 схематически изображает механизм токоприемника.
Фиг.2 схематически изображена принципиальная схема лидара.
Фиг.3 схематически изображает взаимное положение проводов линии энергоснабжения и контактной панели перед началом ее установки в рабочее положение с помощь линейных перемещений.
Фиг.4 схематически изображает взаимное положение проводов и панели после выполнения манипулятором программы перемещения панели.
Фиг.5 схематически изображает взаимное расположение проводов и контактной панели перед началом ее угловой ориентации.
Фиг.6 схематически изображает взаимное расположение проводов и панели после завершения ориентации.
Осуществление изобретения возможно на основе использования обычных коммерческих лазерных дальномеров в качестве основного узла лидара. При этом необходимая дистанция измерений не превышает 50 м при точности измерений до 5 мм. Используемые в изобретении исполнительные двигатели с датчиками угла широко используются и к ним не предъявляется специфических требований так же, как и к бортовому компьютеру.
Рассматривается вариант применения токоприемника с троллейбусом, оснащенным аккумулятором в качестве независимого источника энергии, обеспечивающим возможность ограниченного автономного движения, хотя такой токоприемник может быть использован и с гибридными автобусами или автомобилями с электротягой и двигателем внутреннего сгорания.
Токоприемник (фиг.1) состоит из установленного на передней части крыши троллейбуса 1 штангового манипулятора 2, способного перемещать в вертикальной и горизонтальной плоскости контактную панель 3, а также поворачивать ее вокруг своей вертикальной оси S1. Контактная панель 3 включает две контактных шины 4 и 5, прижимаемые в рабочем состоянии к проводам 6 и 7 линии энергоснабжения соответственно. Кроме того, на корпусе контактной панели 3 установлен лидар 8 так, что его продольная ось параллельна поперечной оси S2 контактной панели 3 и расположена под центром контактной шины 4. При этом плоскость сканирования лидара 8 перпендикулярна оси S2 контактной панели 3. Также на корпусе контактной панели 3 закреплен отражатель 9 для луча лазера движущегося сзади троллейбуса.
Штанговый манипулятор 2 включает закрепленный на передней части крыши троллейбуса 1 исполнительный двигатель 10, установленный так, что его поперечная ось S3 совпадает с продольной осью троллейбуса 1. Он способен поворачивать вокруг своей вертикальной оси S4 закрепленный на его валу исполнительный двигатель 11, обеспечивая, тем самым, поворот в горизонтальной плоскости штанги 12, закрепленной на его горизонтальном валу. Двигатель 11 способен поворачивать в вертикальной плоскости закрепленную на его горизонтальном валу штангу 12.
На конце штанги 12 закреплен исполнительный двигатель 13 так, что ось его вала в рабочем состоянии токоприемника вертикальна. Вал двигателя 13 является последней деталью штангового манипулятора 2 и на нем закреплена контактная панель 3 так, что ось вала исполнительного двигателя 13 совпадает с осью S1 панели 3.
Конструктивно каждый из исполнительных двигателей 10, 11 и 13 содержит датчик угла поворота выходного вала. Датчик угла поворота вала исполнительного двигателя 10 показывает значение угла между его поперечной осью S3 и поперечной осью S5 двигателя 11, т.е. угол поворота штанги 12 в горизонтальной плоскости. Датчик угла поворота вала исполнительного двигателя 11 показывает значение угла между его поперечной осью S5 и продольной осью S6 штанги 12, т.е. угол ее поворота в вертикальной плоскости. Датчик угла исполнительного двигателя 13 показывает значение угла между его поперечной осью, параллельной оси S5, и поперечной осью S2 контактной панели 3. В рабочем состоянии токоприемника направление оси S2 должно совпадать с направлением S7 проводов 6 и 7 линии энергоснабжения.
В пассивном состоянии токоприемника штанга 12 опущена и располагается вдоль продольной оси S3 троллейбуса 1 так же, как и поперечная ось S2 контактной панели 3. При этом показания датчиков углов х исполнительных двигателей 10, 11 и 13 равны нулю.
В активном состоянии контактные шины 4 и 5 панели 3 прижаты к проводам 6 и 7 линии энергоснабжения. Поперечная ось S2 панели 3 параллельна направлению S7 проводов 6 и 7 линии энергоснабжения. Показания датчиков углов исполнительных двигателей 10, 11 и 13 определяются взаимным положением троллейбуса 1 и проводов 6 и 7 линии энергоснабжения.
Возможен вариант исполнения манипулятора 2, если масса штанги 12 достаточно велика. В этом случае вместо исполнительного двигателя 11 целесообразно использовать гидравлический исполнительный двигатель.
Лидар 8 (фиг.2) включает лазерный дальномер 14 с излучателем лазерного луча 15, ось которого параллельна поперечной оси S2 контактной панели 3, а также двигатель 16 с закрепленным на его валу зеркалом 17 с возможностью его вращения. Зеркало 17 наклонено под углом 45 дуг. град к оси S2 вала двигателя 16. При этом лидар 8 обеспечивает сканирование пространства в плоскости, перпендикулярной оси S2. На корпусе лидара 8 неподвижно закреплено полупрозрачное зеркало 18, отражающее часть энергии луча 15 лазера в сторону отражателя 9 на движущемся впереди троллейбусе, что позволяет определять дистанцию до него. Отраженный луч излучателя 15 поступает в приемник лазерного луча 19. Разница между временем излучения импульса лазерного луча и приема отраженного импульса позволяют определять расстояния D1, D2 и D3, соответственно, до проводов 6 и 7 линии энергоснабжения и отражателя 9 обгоняемого троллейбуса.
Возможен вариант исполнения лидара 8, когда электропомехи в зоне контактных шин 4 и 5 затрудняют работу дальномера 14. В этом случае электронная часть дальномера 14 может быть перемещена на достаточное расстояние от контактных шин 4 и 5, а световые импульсы могут подводиться к оптике лидара с помощью световода из оптического волокна (на фиг. не показаны).
В состав токоприемника входит также бортовой компьютер (на фиг. не показан), функцией которого является обработка информации, поступающей с датчиков угла исполнительных двигателей 10, 11 и 13 и лидара 8, а также формирование управляющих сигналов на исполнительные двигатели.
С помощью программ, задействованных в компьютере, также решаются следующие задачи:
- определение, какой из проводов линии энергоснабжения правый или левый, что необходимо для правильной установки контактной панели в рабочее положение. При этом используется информация об угловом положении отраженного от каждого из пары проводов лазерного луча. Угол отсчитывается от реперной риски, нанесенной на верхней точке прозрачного кожуха лидара 8, с учетом известной угловой скорости двигателя 16, вращающего зеркало 17.
- отсечение от входа компьютера большого объема создающей помехи информации, получаемой от лидара 8 и поступающей из сектора сканирования, где отсутствуют или находятся на слишком большом расстоянии провода 6 и 7 линии энергоснабжения. Этот сектор лежит за пределами зоны приблизительно от +70 до -70°, отсчитанных от реперной риски.
На борту троллейбуса 1 установлен аккумулятор или другой накопитель энергии, обеспечивающий энергией троллейбус, когда он отсоединяется от сети энергоснабжения.
Также на борту транспортного средства устанавливается система управления его рулевым механизмом с помощью компьютера, когда требуется обеспечить движение транспортного средства по направляемой траектории (об этом ниже).
Работа устройства происходит следующим образом.
Когда провода 6 и 7 линии энергоснабжения попадают в зону обнаружения лидара 8, он определяет расстояние D1 до провода 6 и D2 до провода 7 (фиг.3). Если это расстояние не превосходит максимально допустимого удаления троллейбуса 1 от линии энергоснабжения, то компьютером формируются сигналы на все три исполнительных двигателя 10, 11 и 13 с целью установки токоприемника в рабочее положение. При этом
- на исполнительный двигатель 10 подается сигнал от компьютера, приводящий к вращению в горизонтальной плоскости штанги 12 в направлении, когда дистанция D1 минимизируется. При этом центральная точка контактной шины 4 оказывается под проводом 6 (фиг.4).
- подается управляющий сигнал на исполнительный двигатель 11, поворачивающий в вертикальной плоскости штангу 12 в положение, при котором контактная панель 3 поднимается и контактные шины 4 и 5 входят в соприкосновение с проводами линии энергоснабжения 6 и 7 (фиг.1).
- на исполнительный двигатель 13 одновременно подается сигнал, вращающий вокруг вертикальной оси S1 контактную панель 3 в направлении, когда дистанция D2 минимизируется (фиг.5). В этом положении поперечная ось S2 контактной панели 3 становится параллельной направлению S7 линии энергоснабжения (Фиг.6).
- в процессе движения троллейбуса 1 поддерживается постоянная минимизация дистанций D1 и D2.
Автоматическое корректирование углового положения и поперечного смещения контактной панели 3 относительно проводов 6 и 7 в процессе движения создает условия для предельного расширения коридора движения троллейбуса. Он достигает размера двух штанг, т.е. примерно 10 м, т.к. предельный угол между штангой 12 и линией энергоснабжения может приближаться к 90 дуг. град. Это обеспечивает свободу перемещения троллейбуса по трем соседним полосам движения шоссе без необходимости отсоединения штанги от линии энергоснабжения.
Автоматическое возвращение токоприемника троллейбуса в исходное состояние, с одновременным переключением последнего на снабжение от аккумулятора, производится в следующих случаях:
- маневрирование троллейбуса, при котором троллейбус 1 удаляется от линии энергоснабжения на расстояние, превосходящее предельно допустимое. Указанное расстояние определяется предельно допустимой величиной показаний датчика угла двигателя 10,
- опасное сближение с движущимся впереди троллейбусом, когда расстояние D3 до отражателя 9, установленного на нем, становится меньше допустимого,
- приближение к концу участка линии энергоснабжения, где на ее опоре устанавливается отражатель, подобный отражателю 9.
Для возвращения в исходное состояние токоприемника на исполнительные двигатели 10, 11 и 13 подаются сигналы, приводящие показания их датчиков угла к нулю.
Использование в предлагаемом изобретении возможностей лидара в определении расстояний между контактными шинами контактной панели и проводами линии энергоснабжения позволяет:
- автоматически присоединять и отсоединять от линии энергоснабжения транспортное средство в зависимости от их взаимного расположения в процессе движения без участия водителя,
- автоматически отсоединять транспортное средство от линии энергоснабжения при выполнении обгона присоединенного к ней другого транспортного средства,
- устранить соскальзывание с линии энергоснабжения контактной панели токоприемника за счет постоянной корректировки ее положения и ориентации относительно линии энергоснабжения,
- использовать уже существующие линии энергоснабжения,
- упростить и удешевить линию энергоснабжения за счет возможности исключения из нее сложных участков, как то на перекрестках, поворотах и т.д., которые троллейбус преодолевает в автономном режиме,
- освободить водителя от функции управления токоприемником в процессе движения транспортного средства, что увеличивает безопасность движения и снижает нагрузку на водителя.
Предлагаемое изобретение может быть использовано для организации движения транспортного средства по направляемой траектории (шпуртроллейбус), определяемой расположением воздушной линии энергоснабжения. В этом случае управление направлением движения транспортного средства осуществляется компьютером, входными сигналами которого являются показания датчиков углов исполнительных двигателей 10 и 13, а выходной сигнал подается на рулевой механизм транспортного средства. При этом показания датчика угла двигателя 13 определяются горизонтальным смещением точки закрепления манипулятора 12 на крыше транспортного средства относительно линии энергоснабжения, а показания датчика угла 11 определяются отклонением вектора движения транспортного средства от направления линии энергоснабжения.
В случае подобного использования транспортного средства легко реализуется возможность формирования поездов из нескольких аналогичных транспортных средств, соединенных механической или основанной на электронике сцепкой.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в случаях отсутствия автоматики, когда транспортное средство снабжено механизмами подъема и опускания штанги токоприемника, управляемыми водителем со своего рабочего места. При этом вместо компьютера используется монитор, с помощью которого водитель может получать информацию о взаимном расположении штанги токоприемника троллейбуса и линии энергоснабжения для ручного управления штангой.
Получаемые в предлагаемом изобретении преимущества создают предпосылки для замены в городском пассажирском транспорте автобусов на троллейбусы, т.к. последние приобретают присущую автобусам свободу маневрирования и сохраняют все преимущества троллейбусов, такие как экологическая чистота, экономичность и малая шумность.
Специалисты в данной области легко найдут, что различные конфигурации и модификации применимы к вышеприведенным примерам реализации изобретения без отклонений от его сути, сформулированной в предлагаемых пунктах формулы и определяемой ими.