CN103640541B - 一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻装置，该装置由多个异向转动同轴的打转动惯量陀螺通过平衡力提供装置连接到车身。并由车底盘点阵排列距离传感器收集的车底盘各个点位关于地面距离的实时距离信息，及时调整车体关于陀螺轴向的360度各向夹角。本发明还公开了一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻方法，当车体发生侧面冲撞事故，或过速转弯，以及行驶在侧向倾角过大的路面时，避免车身侧翻车。

Description

一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻方法

技术领域

本发明属于车辆领域，特别涉及一种防侧翻方法。

背景技术

近年来，部分交通事故中，由于汽车行驶速度的提高以及汽车产生侧翻时驾驶人员没有感觉到具体的征兆，使得汽车侧翻事故造成了较大的伤害，进而导致伤亡率大幅度提升；部分重心高的汽车由于转弯速度过高导致翻车；高速列车转弯时由于考虑离心力需要减速，如不然将提高脱轨危险性；非公路车辆保有量上千万台，使用者上亿人，非公路车辆作业工况恶劣，加上车辆在边坡作业时，特别是车辆在承载时，重心上移，整车稳定性下降，可能出现车辆翻滚现象，造成人员伤亡。

目前防止车辆侧翻普遍采取的方法是对转弯车辆外侧的车轮实施刹车，由此产生的横摆力矩抵消部分车辆转弯产生的离心力，这就降低了车辆侧翻的概率，这对于重心低的轿车防侧翻很有效，但对于重心高、载重量大、车速高的大型客车尤其是重心高、载重量大的货车，工程车的防侧翻效果不是很理想。

发明内容

为了克服现有的防侧翻方法的不足，所存在的应用场景受局限，本发明实施例提供了一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻方法，防止过速转弯以及被冲撞时翻车。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻装置，包括：

至少一对具有较大转动惯量的同轴且转向相反的陀螺，所述陀螺轴通过平衡力提供装置与车身连接，所述陀螺的转动通过不同于汽车动力装置的外置动力提供恒定动力；

平衡力提供装置，固定在车身上，与转动的陀螺一起提供平衡力，使车身底盘调整陀螺轴向与地面的倾角；

至少4个距离传感器，距离传感器安装在车底盘各个部位，形成规则点阵分布，用于实时测量路面坡度及坡面斜方向；

控制器，接收距离传感器测得的数据，计算地面与车底盘最大倾角向量和投影方向向量，控制平衡力提供装置，提供平衡力。

本发明的工作原理为：传感器设置到车底面面向下，用于测量车底盘各点位于地面的实时距离监测。测到这几个传感器的即时数据，再通过一定算法，经过控制电路驱动陀螺与车身之间的平衡力提供装置，使车身底盘及时的调整关于陀螺轴向的倾角，以达到车底盘随时与地面四轮接触，即便遇到倾角陡峭的坡也可以让车底盘较长时间贴于倾面。这样可以使车辆在有较大倾角的转弯道路滑出车道时不至于翻滚，再者在急转弯时会减少因离心力过大导致的侧翻，以及在被其他车辆冲撞时可以减少因重心过高导致的翻车。

所述陀螺为两对以上，依陀螺轴分层设置，根据转向不同依次抵消因提供侧向扭力时产生的前后方向的分量。

所述陀螺轴纵向设置，即陀螺轴的延长线穿过地心，不影响车辆转弯。

本发明还提供了一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻方法，包括如下步骤：

步骤1，车底盘四个距离传感器测得与地面的距离分别为L1、L2、L3、L4。车体长为D1，宽为D2。

步骤2，以车底盘左侧中点到右侧中点为X轴，以从车尾中点到车头中点为Y轴，以车身中心位置垂直向上为Z轴建立车底盘空间坐标系。坐标系中心点O与陀螺中心、平衡力提供装置的中心重合，即与陀螺轴位置平面重合。

步骤3，计算角α＝arctan[(L2-L4)/D2](1)

α为地面关于车底盘X轴的倾角，

角β＝arctan[(L1-L3)/D1](2)

β为地面关于车底盘Y轴的倾角，

步骤4，以车底盘建立的空间坐标系为准，地面相当于该坐标系内某平面，设地面函数为

G(x，y，z)，则有，

地面关于X轴的偏导为 $\frac{\∂G}{\∂x}=tan\mathrm{\α}---\left(3\right)$

地面关于Y轴的偏导为 $\frac{\∂G}{\∂y}=tan\mathrm{\β}---\left(4\right)$

步骤5，根据梯度公式，得到地面与车底盘最大倾角向量为

$\stackrel{\→}{H}=\left(\frac{\∂G}{\∂x},\frac{\∂G}{\∂y}\right)---\left(5\right)$

步骤6，地面与车底盘最大倾角的XOY面投影的方向向量为

$\stackrel{\→}{I}=\left(\frac{\∂G}{\∂x},\frac{\∂G}{\∂y}\right)/\sqrt{{\left(\frac{\∂G}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂G}{\∂y}\right)}^2}---\left(6\right)$

步骤7，连接陀螺与车身的平衡力提供装置根据式(5)的反方向提供平衡力其大小与的变化率成线性关系，即

$\left|\stackrel{\→}{F}\right|=\mathrm{\σ}\left|\frac{dH}{dt}\right|---\left(7\right)$

其中，H为向量的模值，σ为比例系数，可以为1920。

陀螺装置分上下两层或多层，转向依次不同抵消因提供侧向扭力时产生的前后方向的分量。

本发明的有益效果是，当车身速度过快时防止侧翻；被撞车时能稳定侧向滑而不翻车；车辆行驶至倾角过大的路面时不至翻车。

附图说明

图1是本发明的防侧翻车辆原理图。

图2是车体遇见侧向大倾度斜面正面图。

图3是车爬坡侧面图。

图4是急转弯或侧向冲撞时的防侧翻原理图。

图5是车底盘建立坐标系的参照图。

图中，1.同轴反转向陀螺，2.平衡力提供装置，3.距离传感器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

在图1中，同轴反转向陀螺1的两个陀螺同轴但是转向相反，这是因为单一陀螺在提供防侧翻的横向扭力的同时陀螺体会同时向前后方向提供纵向分力，容易使车体向前或向后翻滚。因此为抵消前后的力量分量，同时用同轴的但是转向不同的陀螺。平衡力提供装置2由车底盘前后左右四个顶点排列的距离传感器3采集实时对地距离信息，通过控制器使车底相对于陀螺轴向实现360度的斜方向转动。

在图2中，当车体在陡峭山路事故中滑出路面到达倾角较大的坡面时，由距离传感器3提供出瞬时的车底盘各个点位相对于斜面的距离，根据算法使平衡力提供装置2输出动力调整陀螺轴向关于车底夹角。最终使底盘相对于斜面平行，达到防止车体在山坡上翻滚。

图3所示，当车遇到拱形桥面，向上斜坡等需要爬坡的时候，通过距离传感器3实时传送前后点位相对地面距离来调整车底盘相对于地面平行达到上下坡不受陀螺阻碍。

在图4中，当车身受到侧面撞击，或快速急转弯时，车身受到撞击力或离心力f，这个力使陀螺轴向发生角位移，受转动惯量影响，陀螺反过来会对车身提供反向的力以此防止车身侧翻车，以及高速列车超速转弯时的脱轨等。

本实施例工作过程为：

步骤1，车底盘四个正方向的距离传感器3前方中心为S1、右方中心为S2、后方中心为S3、左方中心为S4，测得的距离分别为L1、L2、L3、L4。车体长为D1，宽为D2。

步骤2，以车底盘左侧中点到右侧中点为X轴，以从车尾中点到车头中点为Y轴，以车身中心位置垂直向上为Z轴建立车底盘空间坐标系。坐标系中心点O与陀螺、平衡力提供装置2中心重合，即与陀螺轴位置平面重合。

步骤3，计算角α＝arctan[(L2-L4)/D2](1)

为地面关于车底盘X轴的倾角，

角β＝arctan[(L1-L3)/D1](2)

为地面关于车底盘Y轴的倾角，

步骤4，以车底盘建立的空间坐标系为准，地面相当于该坐标系内某平面，设地面函数为G(x，y，z)，则有，

地面关于X轴的偏导为 $\frac{\∂G}{\∂x}=tan\mathrm{\α}---\left(3\right)$

地面关于Y轴的偏导为 $\frac{\∂G}{\∂y}=tan\mathrm{\β}---\left(4\right)$

步骤5，根据梯度公式，得到地面与车底盘最大倾角向量为

$\stackrel{\→}{H}=\left(\frac{\∂G}{\∂x},\frac{\∂G}{\∂y}\right)---\left(5\right)$

步骤6，地面与车底盘最大倾角的XOY面投影的方向向量为

$\stackrel{\→}{I}=\left(\frac{\∂G}{\∂x},\frac{\∂G}{\∂y}\right)/\sqrt{{\left(\frac{\∂G}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂G}{\∂y}\right)}^2}---\left(6\right)$

步骤7，连接陀螺与车身的平衡力提供装置2根据式(5)的反方向提供平衡力其大小与的变化率成线性关系，即

$\left|\stackrel{\→}{F}\right|=\mathrm{\σ}\left|\frac{dH}{dt}\right|---\left(7\right)$

其中，H为向量的模值，σ为1920。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻方法，其装置包括：

至少一对同轴且转向相反的陀螺，所述陀螺轴通过平衡力提供装置与车身连接，所述陀螺的转动通过不同于汽车动力装置的外置动力提供动力；

平衡力提供装置，固定在车身上，与转动的陀螺一起提供平衡力，使车身底盘调整陀螺轴向与地面的倾角；

至少4个距离传感器，距离传感器用于实时测量路面坡度及坡面斜方向；

控制器，接收距离传感器测得的数据，地面与车底盘最大倾角向量和投影方向向量，控制平衡力提供装置提供平衡力；其特征是，包括如下步骤：

步骤1，车底盘四个距离传感器测得与地面的距离分别为L1、L2、L3、L4；车体长为D1，宽为D2；

步骤2，以车地盘左侧中点到右侧中点为X轴，以从车尾中点到车头中点为Y轴，以车身中心位置垂直向上为Z轴建立车底盘空间坐标系；坐标系中心点O与陀螺中心、平衡力提供装置的中心重合，即与陀螺轴位置平面重合；

步骤3，计算角α＝arctan[(L2-L4)/D2](1)

α为地面关于车底盘X轴的倾角，

角β＝arctan[(L1-L3)/D1](2)

β为地面关于车底盘Y轴的倾角，

步骤4，以车底盘建立的空间坐标系为准，地面相当于该坐标系内某平面，设地面函数为G(x，y，z)，则有，

地面关于X轴的偏导为 $\frac{\∂G}{\∂x}=\tan \mathrm{\α}---\left(3\right)$

地面关于Y轴的偏导为 $\frac{\∂G}{\∂y}=\tan \mathrm{\β\α}---\left(4\right)$

步骤5，根据梯度公式，得到地面与车底盘最大倾角向量为

$\stackrel{\→}{H}=(\frac{\∂G}{\∂x},\frac{\∂G}{\∂y})---\left(5\right)$

步骤6，地面与车底盘最大倾角的XOY面投影的方向向量为

$\stackrel{\→}{I}=(\frac{\∂G}{\∂x},\frac{\∂G}{\∂y})/\sqrt{{\left(\frac{\∂G}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂G}{\∂y}\right)}^2}---\left(6\right)$

步骤7，连接陀螺与车身的平衡力提供装置根据式(5)的反方向提供平衡力其大小与的变化率成线性关系，即

$\left|\stackrel{\→}{F}\right|=\mathrm{\σ}\left|\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dt}}\right|---\left(7\right)$

其中，H为向量的模值，σ为比例系数。

2.如权利要求1所述的一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻方法，其特征是，所述陀螺为两对以上，依陀螺轴分层设置。

3.如权利要求1所述的一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻方法，其特征是，所述陀螺轴纵向设置，即陀螺轴的延长线穿过地心。

4.如权利要求1所述的一种利用陀螺转动惯量的车辆防侧翻方法，其特征是，所述σ的值为1920。