CN101844559B - 用于保持材料搬运车辆的动态稳定性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于保持具有垂直提升器的材料搬运车辆的动态稳定性的系统和方法。该方法允许在保持运动的材料搬运车辆的动态稳定性时考虑到静态车辆性质和动态工作参数，这些静态车辆性质诸如车辆重量、轴距和车轮构造，这些动态工作参数诸如车辆速度、地面等级、提升位置和负重。该方法可包括：每秒多次地计算和预测重心参数、车轮负重和投影力矢量，以及响应于其而调整车辆工作参数以保持车辆稳定性。

Description

用于保持材料搬运车辆的动态稳定性的系统和方法

技术领域

本发明涉及工业卡车领域，具体地说，涉及用于具有升降叉的材料搬运车辆的动态稳定性控制系统。

背景技术

一种改进材料搬运车辆的稳定性的方法包括：实施车辆静止时的静态重心(CG)分析，以及因此限定车辆工作参数(例如，最大速度和转向角度)。然而，该静态标定没有动态地考虑到车辆的运动、提升高度或环境因素的改变，这些环境因素诸如驾驶路面的等级。

其它用于改进用户车辆所共有的车辆稳定性的方法包括：计算车辆运动过程中的车辆CG，以及采用防抱死制动系统(ABS)以改变车辆的转弯能力。这些现有技术的方法仅仅考虑到二维车辆运动(前进-倒车和转弯)，而没有例如考虑到车辆运动时由于负重升降而造成的三维CG变化。

因此希望有一种用于动态保持材料搬运车辆的稳定性的方法，其考虑到车辆运动和负重所施加的复杂CG变化。

发明内容

本发明通过一种用于改进材料搬运车辆的动态稳定性的系统和方法来克服现有方法的缺点，该材料搬运车辆能够动态地评估车辆稳定性并作出响应而调整车辆工作。该方法包括分析动态车辆性质，诸如速度、行进方向、加速度、地面等级、负重、提升位置，还包括预测车轮负重和三维重心位置。

本发明提供一种用于保持具有垂直提升器的材料搬运车辆的动态稳定性的方法。该方法包括：在所述车辆运动的时间间隔内，连续地计算所述车辆的动态重心参数，其中，动态重心的垂直位置主要取决于垂直提升器的位置。该方法还包括：基于计算出的动态重心参数来连续地计算车轮负重，以及基于计算出的和预测出的车轮负重和重心参数来调整车辆工作参数以保持车辆动态稳定性。

本发明还提供一种材料搬运车辆，该材料搬运车辆包括机动化的垂直提升器、牵引电动机、可转向的车轮、转向控制机构、以及制动器。该材料搬运车辆还包括稳定性控制系统，该稳定性控制系统具有构造成测量动态车辆性质的多个传感器、传感器输入处理电路、构造成存储静态车辆性质的车辆存储器。控制系统还包括稳定性计算机、车辆控制计算机、以及构造成根据上述方法来保持车辆稳定性的多个车辆功能控制器。

从下面详细描述和附图中，本发明的各个其它特征将会变得显而易见。

附图说明

图1是采用根据本发明的稳定性控制系统的升降式叉车的立体图；

图2是根据本发明的用于保持材料搬运车辆的动态稳定性的控制系统的示意图；

图3是阐述了根据本发明的用于评估和保持材料搬运车辆的动态稳定性的步骤的流程图；

图4A-4C是根据本发明的用于三轮材料搬运车辆的自由体受力图的不同图，可采用这些图来计算车辆重心和车轮负重；以及

图5是示出了根据本发明的、与重心位置相关的车辆稳定性的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于保持具有垂直提升器的材料搬运车辆的动态稳定性的系统和方法。通常，在车辆运动的时间段内计算车辆的车轮负重和动态CG参数，然后基于该算出的车辆负重和CG参数、以及预测的车辆负重和CG参数来调节车辆工作参数。

现在参见附图，具体参见图1，示出了包括本发明在内的材料搬运车辆或升降式叉车10的一个实施例。材料搬运车辆10包括驾驶室12，驾驶室12包括本体14，本体14具有供驾驶员出入的开口16。驾驶室12包括控制手柄18，该控制手柄18在驾驶室12的前部、靠近垂直提升器19和承载负重21的叉架20处安装至本体14。升降式叉车10还包括底板开关22，该底板开关22定位在驾驶室12的底板24上。还有方向盘26设置在驾驶室12中，位于其所控制的转弯车轮28上方。升降式叉车10包括靠近叉架20和垂直提升器21处的两个负重车轮30。尽管示例示出的材料搬运车辆10是驾驶员呈前后站立姿态的升降式叉车，但是对于熟悉本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明并不局限于这种类型的车辆，而是也可设置在其它类型的材料搬运和升降车辆构造中。为了简明起见，下文中将材料搬运车辆简称为“车辆”，并在材料搬运车辆承载负重时简称为“负重车辆”。

现在参见图2，示出了根据本发明的、构造成保持车辆动态稳定性的控制系统34的一个实施例。控制系统34包括连接至传感器输入处理电路38的一个阵列的传感器36，这些传感器一起构造成获取并处理描述动态车辆性质的信号，这些动态车辆性质诸如速度、方向、转向角度、地面等级、倾斜度、负重、提升位置和侧移。例如，传感器阵列36可采用用来测量车辆速度的发动机控制器、转速计或编码器；从转向控制电路接受反馈以测量转向角度的电位计；用来测量负重的测压元件、液压传感器或应变仪；用来测量提升高度的编码器；或者用来测量倾斜度、侧移、伸展幅度和地面等级的三轴加速计。传感器输入处理电路38连接至车辆计算机系统40，该车辆计算机系统40包括稳定性CPU42、车辆存储器44、以及车辆控制计算机46，它们一起分析静态车辆性质和动态车辆性质以评估车辆稳定性。基于所评估的车辆稳定性来改变车辆工作参数，将这些改变从车辆控制计算机46通信至功能控制器48，功能控制器48调整车辆致动器、电动机和显示系统50的工作以保持车辆稳定性。例如，所调节的车辆工作参数可由以下装置来接收：提升功能控制器52，其启动电动机54以改变提升位置；行进功能控制器56，其将最大速度限制传递至车辆发动机58；显示控制器60和显示器62，其将车辆工作参数中的当前或之前变化传达给驾驶员；以及转向功能控制器68，其控制转向电动机70以限制转向角度。车辆控制计算机还可包括制动功能控制器64和制动器66以调整车辆速度。

参见图3，可采用以上的升降式叉车10和控制系统34来保持车辆动态稳定性。用于保持动态车辆稳定性的方法开始于流程框100，将车辆数据输入车辆计算机系统40。从车辆存储器44中取回的车辆数据可包括诸如空车的重量和CG、轴距、车轮宽度和构造之类的静态车辆性质。在流程框102和104，从传感器阵列36和传感器输入处理电路38向计算机系统40相应地输入负重和滑架高度。然后在流程框106计算剩余容量，从而确定例如车辆位置和负重之类的车辆容量是否在容许界限内。在判断框108，假如判断出已超过车辆容量，则在流程框110通知驾驶员，并在流程框111可限制车辆工作。假如车辆容量在容许界限内，则在流程框112和114相应地输入滑架位置和车辆倾斜角度。

现在参见图3和4，在流程框116，基于流程框100处输入的静态车辆性质、以及诸如流程框102、104、112和114输入的动态车辆性质，通过稳定性CPU来计算负重车辆CG。例如，图4所示的自由体受力图(FBD)示出了用X_CG、Y_CG和Z_CG标示的CG相对于三轮材料搬运车辆的转弯车轮和负重车轮的位置，还示出了CG处的负重W。应能注意到，Y_CG强烈地取决于负重和提升位置，在升高的提升高度处的较重负重会提高CG并降低车辆稳定性。在判断框118，假如车辆被认为是稳定的，则在流程框120输入车辆速度，并在判断框122评估车辆运动。假如车辆在运动，则在流程框124输入转向角度，并在流程框126输入驾驶员命令。

在流程框128，计算车辆运动对车轮负重的影响。例如，可再次参见图4的FBD来计算三轮车辆的车轮负重，图4示出了从车辆中心线C_L到转弯车轮28的距离A、从C_L到负重车轮30的距离B、以及转弯车轮28与负重车轮30的转动轴线之间的距离L。从这些距离和在流程框124处输入的转向角度θ，可使用下列公式来计算行进方向角度α和转弯半径r：

$\mathrm{\α}=A\tan \left(\frac{L-X_{\mathrm{CG}}}{\frac{L}{\tan \mathrm{\θ}}-B+A}\right)$ 公式1；

以及

$r=\frac{L-X_{\mathrm{CG}}}{\sin \mathrm{\α}}$ 公式2.

然后分别使用下列公式来计算法向加速度a_n和切向加速度a_t：

$a_t=\frac{v-v_o}{t}$ 公式3；

以及

$a_n=\frac{v^2}{r}$ 公式4；

其中，v是当前车辆速度，v₀是上次测出的车辆速度，t是两个速度测量值之间的时间。然后可以使用这些值并通过分析图3的FBD来产生描述车轮负重的下列等式：

$N_D=\frac{W(L-X_{\mathrm{CG}})\cos \left({\mathrm{\γ}}_F\right)-{\mathrm{WY}}_{\mathrm{CG}}\sin \left({\mathrm{\γ}}_F\right)+\frac{{\mathrm{WY}}_{\mathrm{CG}}}{386.4}(a_t\cos \left(\mathrm{\α}\right)-a_n\sin \left(\mathrm{\α}\right))}{L}$ 公式5；

$N_{L1}=\frac{W(B-Z_{\mathrm{CG}})\cos \left({\mathrm{\γ}}_L\right)-{\mathrm{WY}}_{\mathrm{CG}}\sin \left({\mathrm{\γ}}_L\right)+\frac{{\mathrm{WY}}_{\mathrm{CG}}}{386.4}(a_t\cos \left(\mathrm{\α}\right)-a_t\sin \left(\mathrm{\α}\right))}{2B}$ 公式6；

以及

N_L2＝W cos(α_L)cos(α_F)-N_D-N_L1    公式7；

其中γ_L是横向地面角，γ_F是前后地面角，如同在流程框114所确定的那样。在这种情况下，N_D是转弯车轮的负重，N_L1是左负重车轮的负重，N_L2是右负重车轮的负重。

参见图3，在判断框130，判断车轮负重是否容许。假如不容许，例如车轮负重接近零或另一预定阈值，则在流程框110系统通知驾驶员，并在流程框111调整车辆工作以保持车辆稳定性。例如，计算机系统40可通过限制或降低车辆速度并将这些变化通过显示控制器60和显示器62传达给驾驶员来调整车辆工作。有利的是，本发明还通过基于所测出的动态车辆性质中的趋势来预测未来的CG参数和车轮负重、以及因此调整车辆工作参数，来改进车辆动态稳定性。

参见图3和5，在流程框132，将在流程框84处确定的CG位置与稳定CG位置的范围作比较。可以设想，这可通过将CG位置200定位在与车辆稳定性的可能CG位置范围有关的稳定性示图202内来实现。应能注意到，稳定性示图202用于具有两个转弯车轮28和两个负重车轮30的四轮材料搬运车辆。稳定性示图202可包括较佳区域204、受限区域206和不合需要区域208，它们的尺寸取决于系统工作参数。例如，需要高的最高速度的应用场合可采用较为严格的车辆稳定性要求，因此减小较佳区域204的尺寸。在流程框134，对所测出的动态车辆性质、CG参数和车轮负重中的趋势进行分析并预测未来的车辆稳定性。例如，这可通过分析CG位置200的趋势以确定进入受限区域206的可能性来实现，或者可通过分析车轮负重趋势以确保它们保持在稳定界限内来实现。为了充分模拟未来的车辆稳定性，可以设想的是，以约每秒十次的频率来计算CG参数和车轮负重。

在流程框136，将车辆工作规则输入计算机系统，在流程框138，将例如所预测的车轮负重或CG位置之类的与未来车辆稳定性相关的参数与车辆工作规则作比较，从而确定是否应作出响应来调整车辆工作参数。在判断框140，假如判断出应调整车辆工作参数，则在流程框110通知驾驶员，而在流程框111，控制系统规定车辆工作参数中的合适变化以保持车辆稳定性。例如，假如车辆负重落在车辆工作规则所规定的最小阈值下方，则可限制车辆速度以防止车辆负重的进一步减小和车辆稳定性的随之减小。可以设想，还可通过限制转向角度、提升高度或车辆速度来改进车辆的动态稳定性。

除了所算出的CG参数和车辆负重之外，还可对车辆所投影的可能力矢量进行分析以保持车辆动态稳定性。加速的车辆投影出一个近似等于车辆质量(包括负重)乘以车辆加速度的力。该力矢量居中于CG处且沿行进方向投影，该力矢量通常可被车辆重量抵消。然而，假如投影的力矢量超出车辆重量，则可能需要修改车辆参数。因此，本发明可分析所投影的力矢量中的趋势，并且假如该力矢量超出车辆工作规则所规定的阈值，就调整车辆工作。

本发明提供用于保持车辆动态稳定性的另一方法。可模拟诸如车辆速度或方向中的突变之类的低稳定性情况，并在这种情况下预测车辆CG、车轮负重和力矢量。假如所模拟的CG参数、车轮负重和力矢量落在较佳范围之外，则可调整车辆工作参数以改进潜在的低稳定性情况中的车辆稳定性。

已经根据所示的实施例来描述了本发明，熟悉本领域的技术人员将容易地认识到，可对诸实施例作改变，任何改变都在本发明的精神和范围之内。可以设想，可采用附加的传感器和车辆性质来进一步改进车辆稳定性。相反，也可从本发明中去除某些车辆性质以及测量和处理该车辆性质所用的相关硬件，从而降低系统成本和复杂性。因此，熟悉本领域的技术人员可作出许多修改，而不脱离所附权利要求书的精神和范围。

Claims (16)

1.一种保持具有垂直提升器的材料搬运车辆的动态稳定性的方法，所述方法包括：

a)在所述车辆运动的时间间隔内，连续地计算所述车辆的动态重心参数，其中，动态重心的垂直位置取决于垂直提升器的位置；

b)基于计算出的动态重心参数来连续地计算车轮负重；以及

c)基于计算出的车轮负重和重心参数来调整车辆工作参数，从而保持车辆动态稳定性。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：预测重心参数和车轮负重，以及基于所预测的重心参数和车轮负重来调整车辆工作参数，从而保持车辆稳定性。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：在车辆速度或车辆行进方向可能突变的情况下，调整车辆工作参数以保持稳定性。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤b)还包括基于车辆速度和行进方向中的可能突变来计算由车辆所投影的力矢量，所述步骤c)还包括基于计算出的由车辆所投影的可能力来连续地确定车辆的稳定性。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述车辆运动的时间间隔内，每秒多次地计算所述动态重心参数和车辆负重。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，计算出的重心参数包括下列至少一项：重心位置、重心处的行进方向角、以及重心处的转弯半径。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

c)i)产生较佳重心位置的范围；

c)ii)将所确定的动态重心位置与所述较佳重心位置的范围作比较；以及

c)iii)调整车辆工作参数，从而防止未来的动态重心位置掉出所述较佳重心位置的范围。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

c)iv)产生稳定车轮负重的范围；

c)v)将所确定的车轮负重与较佳车轮负重的范围作比较；

c)vi)调整车轮工作参数，从而防止未来的车轮负重掉出所述较佳车轮负重的范围。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车辆是伸展式起重机或货物装卸机。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算出的重心位置和车轮负重基于静态车辆性质和动态车辆性质。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述静态车辆性质包括下列至少一项：空车重量、轴距、车轮宽度和构造、以及空车重心。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述动态车辆性质包括下列至少一项：行进速度、加速度、负重、叉架倾斜度、立柱倾斜度、滑架侧移位置、伸展位置、集电剪位置、转向角、地面等级、以及坡度。

13.一种材料搬运车辆，包括机动化的垂直提升器、牵引电动机、可转向的车轮、转向控制机构、以及改进的稳定性控制系统，所述稳定性控制系统包括：

多个传感器，所述传感器感测动态车辆性质，所述传感器中的每个传感器提供对应于所感测的车辆性质的信号；

传感器输入处理电路，用于接收所述信号中的至少一个信号；

车辆存储器，所述车辆存储器构造成存储静态车辆性质；

CPU，所述CPU根据权利要求1的步骤来处理所述信号；以及

多个车辆工作控制器，所述车辆工作控制器由所述CPU来控制，并对车辆工作参数进行控制。

14.如权利要求13所述的材料搬运车辆，其特征在于，所述多个传感器构造成在所述车辆运动时每秒多次地测量动态车辆性质。

15.如权利要求14所述的材料搬运车辆，其特征在于，所述多个传感器包括下列至少一项：速度传感器、方向传感器、倾斜度传感器、侧移传感器、伸展幅度传感器、提升位置传感器、以及转向角传感器。

16.如权利要求13所述的材料搬运车辆，其特征在于，所述多个车辆工作控制器包括下列至少一项：提升功能控制器，所述提升功能控制器构造成控制所述垂直提升器的位置；行进功能控制器，所述行进功能控制器构造成控制所述车辆的行进速度；显示控制器，所述显示控制器构造成对显示车辆工作信息的显示器进行控制；以及转向功能控制器，所述转向功能控制器构造成限制转向。

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