CN103359111B - 一种车辆转向稳定系统、方法及矿用自卸车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆转向稳定系统、方法及矿用自卸车，属于机械控制领域，车辆转向稳定系统包括设于底部的至少四个车轮和与车轮连接的油气悬挂缸，以及动力机构，还包括压力传感器（1）、控制器（2）和执行机构（3），压力传感器（1）设于油气悬挂缸上，控制器（2）分别与压力传感器（1）、执行机构（3）连接。执行机构（3）与车辆的动力机构连接，控制器（2）通过压力传感器（1）传递的信号判断车辆的偏载状态、转向状态，并通过执行机构（3）控制车辆的动力机构。本发明的技术方案通过安装在车辆上的压力传感器，根据压力值判断车辆重心偏移的大致位置，并根据压力值在转向时的变化特性判断目前车辆的转向方向，有效控制重载、低速矿车转向的稳定性，提高了可驾驶安全性。

Description

一种车辆转向稳定系统、方法及矿用自卸车

本发明属于机械设备控制领域，涉及一种转向稳定系统，尤其涉及一种车辆转向稳定系统、方法及矿用自卸车。

背景技术

矿用自卸车是指在露天矿山为完成岩石土方剥离与矿石运输任务而使用的一种非公路用重型自卸车。适用于各类矿山、水利工程；具有运程短、转弯半径小、载荷重，几何尺寸大等特点。随着越来越多大型露天矿区的开发、大型工程的建设，矿用自卸车得到更多的应用和发展。矿用自卸车机电液一体化控制已成为关键技术之一。

矿用自卸车主要用于矿山的装卸。矿用自卸车工作的矿山一般环境比较复杂，路面平整度差，弯道多；自卸车在行驶过程中需时常转向，转向时如载重过大、车速太快易发生倾翻的事故。

在实际驾驶过程中，车辆转向的整个过程完全由驾驶员人为操作。驾驶员根据个人经验进行转向角度大小控制、进行制动车辆操作。但由于路面情况复杂，而且每次转载矿石重量不同，装载矿石位置的不同造成车辆重心的不同，仅仅靠驾驶员经验操作自卸车转向也存在一定的风险。人为驾驶也会出现大意、疏忽的情况。这样就存在重载车辆转向侧翻的风险。因此，转向稳定控制系统可提高驾驶车辆转向的安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明采用安装在车辆上的压力传感器，根据压力值判断车辆重心偏移的大致位置，并根据压力值在转向时的变化特性判断目前车辆的转向方向，有效控制重载、低速矿车转向的稳定性，提高了可驾驶安全性。

为达到上述目的，具体技术方案如下：

一方面，提供一种车辆转向稳定系统，所述车辆包括设于底部的至少四个车轮和与所述车轮连接的油气悬挂缸，以及动力机构，还包括压力传感器、控制器和执行机构，所述压力传感器设于所述油气悬挂缸上，所述控制器分别与所述压力传感器、执行机构连接，所述执行机构与所述车辆的动力机构连接，所述控制器通过所述压力传感器传递的信号判断所述车辆的偏载状态、转向状态，并通过所述执行机构控制所述车辆的动力机构。

优选的，所述车辆还包括速度传感器，所述控制器与所述速度传感器相连。

优选的，还包括显示屏，所述显示屏与所述控制器相连。

优选的，还包括警报器，所述警报器与所述控制器相连。

优选的，所述执行机构包括油门控制执行器件和后制动比例电磁阀。

另一方面，提供一种车辆转向稳定方法，所述车辆设有如上述的车辆转向稳定系统，包括如下步骤：

步骤1；所述控制器通过设于所述车辆的四个车轮的油气悬挂缸上的压力传感器判断所述车辆的偏载状态；

步骤2：所述控制器根据所述车辆在行驶过程中的设于左右两边的压力传感器的压力变化判断所述车辆的转向状态；

步骤3：依据所述车辆的偏载状态和转向状态，所述控制器通过执行机构控制所述车辆的动力机构。

优选的，所述步骤1中所述车辆处于装载完毕后，未行驶或行驶但未状态时。

优选的，所述步骤2中通过所述车辆的设于左右两边的压力传感器的压力值一边减少、另一边增加，从而判断出车辆转向一边。

优选的，所述步骤3中，所述控制器通过所述速度传感器获得所述车辆的行驶速度，并依据所述车辆的偏载状态、转向状态和行驶速度，通过执行机构控制所述车辆的动力机构。

另一方面，提供一种矿用自卸车，所述矿用自卸车包括设于底部的至少四个车轮和与所述车轮连接的油气悬挂缸，以及动力机构，包括如上述的车辆转向稳定系统。

相对于现有技术，本发明的技术方案的优点有：

采用安装在自卸车4个悬挂缸上压力传感器信号判断车辆重心偏移的大致位置，作为左、右转向控制程度的依据；

采用安装在自卸车4个悬挂缸上压力传感器，根据压力值在转向时的变化特性判断目前车辆的转向方向，并根据压力值变化的大小、车速大致判断转向角度的大小，以此提供减速机构的执行效果；

本发明的技术方案简单，避免了采用大量传感器而导致整个系统趋于复杂，但又能有效控制重载、低速矿车转向的稳定性问题。

本发明的技术方案能够辅助驾驶员转向操作，避免驾驶员疏忽大意造成车辆高速转向的情况发生。提高了可驾驶安全性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的悬挂缸结构示意图；

图3是本发明实施例的控制流程图；

图4是本发明实施例的流程图。

其中，1为压力传感器、2为控制器、3为执行机构、4为显示屏、5为速度传感器、6为悬挂缸。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下将结合附图对本发明的实施例做具体阐释。

如图1中所示的本发明的实施例的一种车辆转向稳定系统，车辆包括设于底部的至少四个车轮和与车轮连接的油气悬挂缸，以及动力机构，还包括压力传感器1、控制器2和执行机构3。压力传感器1设于油气悬挂缸上，控制器2分别与压力传感器1、执行机构3连接。执行机构3与车辆的动力机构连接。控制器2通过压力传感器1传递的信号判断车辆的偏载状态、转向状态，并通过执行机构3控制车辆的动力机构。优选还包括显示屏4、警报器，分别与控制器2相连。优选车辆还包括速度传感器5，控制器2与速度传感器5相连。并优选执行机构3包括油门控制执行器件和后制动比例电磁阀。

另一方面，提供一种车辆转向稳定方法，包括如下步骤：

步骤1；控制器2通过设于车辆的四个车轮的油气悬挂缸上的压力传感器1判断车辆的偏载状态；

由于矿用自卸车4个车轮悬挂位置采用油气混合悬挂缸，在矿用自卸车左前、左后、右前、右后悬挂缸的注油口安装4个压力传感器1。压力传感器1采用量程为0～100bar，输出电压对应0～5V。压力传感器1信号由称重系统控制器2的4个电压模拟接口接收，接收信号接口采用0～1024对应0～5V数字量接口。控制器2根据采集的压力信号换算为4个悬挂缸的压力值。

在正常充油、充气情况下，车辆装载矿石时，4个悬挂缸压力按照空载、平地上压力值成相同比例增加。如装载矿石偏向某一边，这时偏向一边的悬挂缸压力值会增加较大。因此根据4个悬挂缸压力增加比例的不同，可以在装载矿石完毕后判断出整体车辆的偏载、或不偏载。这就可以为转向时提供左、右转向的响应程度。

步骤2：控制器2根据车辆在行驶过程中的设于左右两边的压力传感器1的压力变化判断车辆的转向状态；

矿车在重载转向时一般规律是：在左转向时，由于车辆惯性产生右侧向加速度，侧向力向右侧施加，这时右前、右后侧悬挂缸压力会增加。根据这一点可以判断出车辆正处于左转向过程。同样，在右转向时，由于车辆惯性产生左侧向加速度，这时左前、左后侧悬挂缸压力会增加。根据这一点可以判断出车辆正处于右转向过程。

步骤3：依据车辆的偏载状态和转向状态，控制器2通过执行机构3控制车辆的动力机构。

转向稳定的控制器2获得车辆偏载状态、左右转向状态，经过计算控制发出降低车速的控制策略。第一是弯道油门策略，第二是实施后制动缓行制动策略。这两个策略的实施可自动降低车速，保障车辆低速安全通过弯道。在通过弯道后，控制器2再解除弯道油门控制策略和后制动缓行策略。

在转向过程出现一侧悬挂缸压力增加超过设定值时，将转向报警信息显示在仪表显示屏4上，提醒驾驶员实施人为制动措施。

本发明的实施例的工作原理如下：

首先，如图2中所示，将矿用自卸车4个油气悬挂缸6油堵头拆下，按要求加入一定高度的油。再将4个压力传感器1替代油堵头在注油口位置安装于悬挂缸6上，保证油密封完好。从悬挂缸6上充气阀充入气体，使悬挂缸达到设计要求的压力。在整车4个悬挂缸压力传感器1安装完毕后，4个压力传感器1得到一个空载、整车不偏载时的初始参考压力值。以其中一种车型压力值分别为：左前3.8MP，右前3.8MP，左后1.5MP，右后1.5MP。

4个悬挂缸压力初始状态确定后，控制器2将保存此压力的初始值。以此初始压力值的车辆在装入矿石时，如矿车装载位置居中，那么左前与右前，左后与右后悬挂缸的压力将按照相同的比例增加。如左偏载那么左侧悬挂缸压力增加值一定大于右侧，同样，如右偏载那么右侧悬挂缸压力增加值一定大于左侧。那么P_左前—P_左前初始>P_右前—P_右前初始，P_左后—P_左后初始>P_右后—P_右后初始，依此可判断此时矿车矿石装载偏向左侧；同样，当P_左前—P_左前初始<P_右前—P_右前初始，P_左后—P_左后初始<P_右后—P_右后初始，依此可判断此时矿车矿石装载偏向右侧。本系统以至少其中一个不等式成立为偏向一侧的依据，不需要两个不等式同时满足。为了使此判断依据作为后续转向控制等级，需设定一个差值等级值。不偏载时，此值为K_偏=1如（P_左前—P_左前初始）—（P_右前—P_右前初始）>0.5MP即判断车辆向左偏载，K_偏=2的等级值，差值增加0.5MP左偏载等级增加1。此等级值将作为后续PID调节后制动转向的放大比例级别。在偏载级别达到3以上时，控制器2将会通过CAN线通信将信息发出到仪表显示屏4。显示屏4将显示车辆偏载一侧为红色，提醒驾驶员注意。

在得到4个悬挂缸压力初始值和车辆装载偏向、偏载状态及等级后。控制器2还需判断车辆是否在转向，是向哪个方向转向。本发明的实施例中不采用横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、侧偏角传感器、方向盘转角传感器等复杂的传感器系统。仍旧采用悬挂缸上4个压力传感器1的压力值的变化量来判断。具体判断方法为，设P_左前转为左前侧悬挂缸转向时的压力值，P_左前为左前侧悬挂缸正常直线行驶时的压力值，P_左后转为左后侧悬挂缸转向时的压力值，P_左后为左后侧悬挂缸正常直线行驶时的压力值；同样，P_右前转为右前侧悬挂缸转向时的压力值，P_右前为右前侧悬挂缸正常直线行驶时的压力值，P_右后转为右后侧悬挂缸转向时的压力值，P_右后为右后侧悬挂缸正常直线行驶时的压力值。

在左转向过程中右前、右后悬挂缸压力同时在增加，左前、左后悬挂缸压力在同时减小。根据这个压力变化的规律可以判断车辆开始左转向过程。首先，矿车装载、卸载后车速从0～5km/h低速运行，无论空载、重载情况下，悬挂缸压力值将在较稳定的范围内。因此，可以计算出前悬挂缸稳态压力绝对差值|P_左前—P_右前|和后悬挂缸稳态压力绝对差值|P_左后—P_右后|。这两个绝对差值在车速从0～5km/h以内完成计算，并将此值作为定值存于控制器2内存数据区。矿车运行后，控制器2对4个压力值做|P_左前转—P_右前转|，|P_左后转—P_右后转|的计算，与内存数据区保存的前悬挂缸稳态压力绝对差值和后悬挂缸稳态压力绝对差值作比较。当|P_左前转—P_右前转|和|P_左后转—P_右后转|同时出现大于保存的前、后压力绝对差值|P_左前—P_右前|和|P_左后—P_右后|时，转向控制系统判断矿用自卸车正在转向。

本实施例中取|P_左前转—P_右前转|—|P_左前—P_右前|>0.5MP和|P_左后转—P_右后转|—|P_左后—P_右后|>0.5MP同时满足时，系统判断为转向开始。转向开始后，转向稳定控制器将执行两个动作来使车辆减小转向带来的侧向力的增大。

本实施例中当条件|P_左前转—P_右前转|—|P_左前—P_右前|>0.5MP和|P_左后转—P_右后转|—|P_左后—P_右后|>0.5MP同时满足，控制器2从CAN总线取得车辆此时的车速，并且车速大于5km/h时，控制器2将自动切断油门信号使发动机处于怠速状态。

在切断油门信号后，虽然发动机转速不再能够高速旋转，但矿车会由于惯性车速无法在转向过程中减速。这时就需控制器2发出后制动缓行信号让后制动比例电磁阀根据情况开启。后制动比例电磁阀控制方法如下。在车辆不偏载状态情况，控制器2确定车辆正处于转向，并且判断车速超过5km/h，控制系统按图3的控制流程图进行控制，车辆将实时车速V_时通过CAN总线发送给转向控制器2，控制器2以（V_时－5）作为控制输入量，K_偏作为偏载系数。显然此时根据本系统判断车辆的偏载情况不成立，K_偏=1。K_偏、（V_时－5）将作为后制动比例电磁阀开度大小的PID控制的输入值。当V_时较大时，后制动比例电磁阀开启较大，此时后制动力较大，这将帮助车辆转向时尽快降低车速，减小侧向力，降低矿车侧翻的风险。当V_时逐渐减小时，后制动比例电磁阀输出逐步减小，最终降到5km/h安全时速通过弯道。

在上述矿车不偏载情况下，无论左、右转向控制后制动过程完全一样。而在偏载情况下，就得考虑向偏载方向的反方向转向时需增大制动输出控制。

如图4中所示，矿车处于偏载状态时，转向的控制就需要结合判断是左、还是右转向。本实施例按如下方法判断左、右转向。结合本系统上述转向的判断|P_左前转—P_右前转|—|P_左前—P_右前|>0.5MP和|P_左后转—P_右后转|—|P_左后—P_右后|>0.5MP，当P_左前转—P_左前>0和P_左后转—P_左后>0时，判断矿车在右转向；当P_左前转—P_左前<0和P_左后转—P_左后<0时，判断矿车在左转向。

如矿车整车向左偏载，那么左转向时将不考虑偏载等级值K_偏，K_偏=1；如矿车整车向左偏载，那么右转向时由于产生左侧向里，此时向左侧翻的风险增大，控制系统将要考虑K_偏的等级，K_偏=2,3…。这就是说在左偏载，右转向时，后制动比例电磁阀输出将要按比例增大，以便更为快速的降低车速，减少右侧翻风险。

右偏载情况下，正好相反。右偏载，右转向时控制系统不考虑偏载等级值K_偏，K_偏=1；右偏载，左转向时控制系统将要考虑K_偏的等级，K_偏=2,3…。后制动比例电磁阀输出将要按比例增大，以便更为快速的降低车速，减小左侧翻风险。

整个转向过程中，当车速降到5km/h时以下时，后制动缓行解除，并且开通油门信号，使驾驶员能够继续控制车辆速度。在通过弯道后，矿车4个悬挂缸压力|P_左前转—P_右前转|—|P_左前—P_右前|>0.5MP和|P_左后转—P_右后转|—|P_左后—P_右后|>0.5MP的比较条件将不满足。这时矿车转向稳定控制系统将推出控制系统，恢复常规控制状态。

本发明的实施例中还包括一种矿用自卸车，矿用自卸车包括设于底部的至少四个车轮和与车轮连接的油气悬挂缸，以及动力机构，并设有如上述的车辆转向稳定系统。由于上述车辆转向稳定系统具有上述技术效果，因此，设有该车辆转向稳定系统的矿用自卸车也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种车辆转向稳定系统，所述车辆包括设于底部的至少四个车轮和与所述车轮连接的油气悬挂缸(6)，以及动力机构，其特征在于，还包括压力传感器(1)、控制器(2)和执行机构(3)，所述压力传感器(1)设于所述油气悬挂缸(6)上，所述控制器(2)分别与所述压力传感器(1)、执行机构(3)连接，所述执行机构(3)与所述车辆的动力机构连接，所述控制器(2)通过所述压力传感器(1)传递的信号判断所述车辆的偏载状态、转向状态，并通过所述执行机构(3)控制所述车辆的动力机构，压力传感器(1)采用量程为0～100bar，输出电压对应0～5V，压力传感器(1)信号由称重系统的所述控制器(2)的4个电压模拟接口接收，接收信号接口采用0～1024对应0～5V数字量接口，控制器(2)根据采集的压力信号换算为4个悬挂缸的压力值；所述车辆还包括速度传感器(5)，所述控制器(2)与所述速度传感器(5)相连；所述执行机构(3)包括油门控制执行器件和后制动比例电磁阀。

2.如权利要求1所述的车辆转向稳定系统，其特征在于，还包括显示屏(4)，所述显示屏(4)与所述控制器(2)相连。

3.如权利要求2所述的车辆转向稳定系统，其特征在于，还包括警报器，所述警报器与所述控制器(2)相连。

4.一种车辆转向稳定方法，所述车辆设有如权利要求1至3任一项所述的车辆转向稳定系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1；所述控制器(2)通过设于所述车辆的四个车轮的油气悬挂缸(6)上的压力传感器(1)判断所述车辆的偏载状态，压力传感器(1)采用量程为0～100bar，输出电压对应0～5V，压力传感器(1)信号由称重系统的所述控制器(2)的4个电压模拟接口接收，接收信号接口采用0～1024对应0～5V数字量接口，控制器(2)根据采集的压力信号换算为4个悬挂缸的压力值；

步骤2：所述控制器(2)根据所述车辆在行驶过程中的设于左右两边的压力传感器(1)的压力变化判断所述车辆的转向状态；

步骤3：依据所述车辆的偏载状态和转向状态，所述控制器(2)通过执行机构(3)控制所述车辆的动力机构。

5.如权利要求4所述的车辆转向稳定方法，其特征在于，所述步骤1中所述车辆处于装载完毕后，未行驶或行驶状态时。

6.如权利要求5所述的车辆转向稳定方法，其特征在于，所述步骤2中通过所述车辆的设于左右两边的压力传感器(1)的压力值一边减少、另一边增加，从而判断出车辆转向一边。

7.如权利要求6所述的车辆转向稳定方法，其特征在于，所述步骤3中，所述控制器(2)通过所述速度传感器(5)获得所述车辆的行驶速度，并依据所述车辆的偏载状态、转向状态和行驶速度，通过执行机构(3)控制所述车辆的动力机构。

8.一种矿用自卸车，所述矿用自卸车包括设于底部的至少四个车轮和与所述车轮连接的油气悬挂缸(6)，以及动力机构，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的车辆转向稳定系统。