CN103987603A - 用于车辆稳定的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于提高包括牵引车和至少一个被牵引车的车辆组合体体的稳定性的设备，其中该至少一个被牵引车包括至少一个主动转向桥和/或在至少一个车桥上的单独的制动器，其中牵引车和该至少一个被牵引车分别包括用于确定牵引车和该至少一个被牵引车的横向加速度的横向加速度确定装置，其中该设备还包括适合于确定在牵引车的横向加速度和该至少一个被牵引车的横向加速度之间的期望延迟值的车辆组合体体模型，其中该设备适于通过使用牵引车的确定的横向加速度和该至少一个被牵引车的期望延迟值来建立该至少一个被牵引车的期望横向加速度并且来控制该至少一个被牵引车的转向桥和/或单独的制动器，使得该至少一个被牵引车的确定的横向加速度与该至少一个被牵引车的期望横向加速度对应从而稳定化该至少一个被牵引车。可以估算或者测量横向加速度。本发明的优点在于，能够提高车辆组合体的稳定性，这又提高了道路安全性。

Description

用于车辆稳定的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于稳定包括牵引车和至少一个被牵引车的车辆组合体的设备和方法。该设备和方法特别适合于具有不止一个被牵引车的车辆组合体。
背景技术
为了减少道路上的重型车辆的数目，提出了在某些国家的普通道路上使用包括不止一个被牵引车的、更长的车辆组合体。与传统的车辆组合体相比，除了对于特殊负载减小了所需的牵引车数目，能量消耗和废气排放也将减小。通常，车辆组合体的长度和重量受到法律和规章控制。在某些国家，已经在限制的条件下允许更长和/或更重的车辆组合体。这种车辆可以包括几个被牵引车，且可以超过50米长，甚至更长。在边远地区中，经常为了某些特殊意图而使用它们。在澳大利亚，在某些州的一些道路上使用了包括不止4个挂车的道路列车。例如在美国、加拿大和阿根廷，还使用了更长的组合式车辆(LCV)。所有这些LCV都是在严格的法规下使用的。
在高速下，包括数个被牵引车的、较长的车辆组合体通常比仅具有一个或几个被牵引车的车辆更不稳定。这意味着，较长的车辆组合体更容易翻滚、弯折、出现挂车外摆以及开始打滑。另一方面，长的车辆组合体的运输效率更高，因为它们的载货能力更高。
更长的车辆组合体的一个问题是该车辆组合体的稳定性。即使是仅具有单个被牵引车的车辆组合体(例如牵引车-挂车组合体)，当进行制动或转弯时，仍然可能出现稳定性问题。可能出现的其中一个稳定性问题是挂车开始从一侧向另一侧来回摆动。当车辆以较高速度行驶并改变车道或在弯道上行驶时，这可能发生。当车辆笔直地行驶时，车辆组合体的稳定性通常会自我校正，但仍可能由于撞击其它车辆或吓到附近的驾驶员而影响车辆周围的交通。当车辆组合体进行制动时，出现了另一种类型的稳定性问题。一种这样的问题被称为弯折现象：其中，挂车将转体，导致牵引车和挂车就像折叠的小折刀。
有多种方式来提高车辆组合体的稳定性以避免事故。已经提出了各种减小挂车的转弯角度的方案，但并不成功。防抱死制动器和由电子控制单元控制的电子制动力分配已经减少了某些类型的事故。这些方案主要被设计用于具有单个挂车的车辆组合体。对于具有几个被牵引车的、更长的车辆组合体，所提出的上述方案是不足以胜任的。
US2010/070149描述了一种用于具有一个牵引车和多个挂车的道路列车的挂车电子制动系统。该制动系统包括在每个挂车上的制动ECU和通信接口，该通信接口被设置成使得第一挂车上的制动ECU和第二挂车上的制动ECU能够相互通信。在使用中，第一挂车和第二挂车上的相应的制动ECU接收来自适于检测横向加速度和/或车轮速度的、在第一和第二挂车上的相应传感器的输入。在传感器之一检测到表示稳定性损失的横向加速度和/或车轮速度的情形中，该传感器产生用于启动稳定性控制的信号，该信号经由通信接口传送到另一个挂车上的制动ECU，使得另一个挂车能够启动稳定性控制。
这个系统适于测量挂车的实际横向加速度或车轮速度。如果一个挂车的ECU检测到表示稳定性问题的预定状况，则信号被发送到另一个挂车的ECU，使得另一个挂车的ECU能够致动该挂车的制动器。因此，这个系统适于控制已经发生的实际的、测量到的状况。
WO2010087022描述了一种用于车辆组合体(牵引车+挂车/半挂车)的行为控制器，用于在考虑到挂车和牵引车的相对旋转动作根据车辆速度或减速幅度而变化的同时防止弯折现象。控制器包括制动力/驱动力控制部，该制动力/驱动力控制部用于控制牵引车或挂车的制动力/驱动力，以便减小牵引车和挂车之间的偏航率差异。当牵引车的偏航率和挂车的偏航率的偏差大小超过规定的阈值时，制动力受到控制。每个牵引车或挂车车轮的制动力能够被独立地控制。
这个系统适于测量牵引车和单个挂车之间的实际旋转动作。因此，该系统适于控制已经发生的实际的、测量到的状况。
然而，在某些情形中，提前预测被牵引车的运动以便在例如改变车道期间限制被牵引车的摇摆或摆动可能是一个优点。因此，仍然存在一定的改进空间。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种用于提高包括一个牵引车和至少一个被牵引车的车辆组合体的稳定性的设备。本发明进一步的目的在于提供一种用于提高包括牵引车和至少一个被牵引车的车辆组合体的稳定性的方法。
在针对上述设备的权利要求1的特征部分中以及在针对上述方法的权利要求17中描述了根据本发明的问题解决方案。其它权利要求包括了该创造性设备和方法的、有利的进一步改进。
在用于提高包括牵引车和至少一个被牵引车的车辆组合体的稳定性的设备中，其中该至少一个被牵引车包括至少一个主动转向桥和/或至少一个车桥上的单独的制动器，其中牵引车和该至少一个被牵引车分别包括用于确定该牵引车和该至少一个被牵引车的横向加速度的横向加速度确定装置，其中，该设备还包括适于确定牵引车的横向加速度与该至少一个被牵引车的横向加速度之间的期望延迟值的车辆组合体模型，解决上述问题的原因在于该设备适于通过如下方式来稳定该至少一个被牵引车：使用所确定的牵引车的横向加速度和该至少一个被牵引车的期望延迟值来建立该至少一个被牵引车的期望横向加速度，并且控制该至少一个被牵引车的转向桥和/或所述单独的制动器，使得所确定的该至少一个被牵引车的横向加速度对应于该至少一个被牵引车的期望横向加速度。
通过该设备的该第一实施例，该设备将确定牵引车的实际横向加速度。该设备还包括车辆组合体模型，该车辆组合体模型适于确定牵引车的横向加速度与每个被牵引车的横向加速度之间的期望延迟值。通过将这个延迟值应用于每个被牵引车的横向加速度值，每个被牵引车将具有与牵引车类似的行为。因此，能够提高被牵引车的稳定性。
可以通过估算或通过测量来确定牵引车的横向加速度。可以通过使用基于车辆的滚转行为或基于其它车辆特性(例如车辆的车轮速度、车辆质量、车辆长度、转向角度等)的估算方法进行估算。通过使用加速度传感器来进行横向加速度测量，优选测量三个维度上的加速度。
在该创造性设备的一种有利的改进中，当进行操纵时，该至少一个被牵引车的期望横向加速度的幅值和牵引车的确定的横向加速度的幅值是成比例的。所述幅值之间的比率优选被选为使得该比率接近1，并且优选在0.9-1.2之间的范围内。通过这种方式，被牵引车的横向加速度的减幅将提高车辆组合体的稳定性。
当把所确定的横向加速度与基准横向加速度进行比较时，可以在稳定该车辆组合体期间使用死区。以此方式，当车辆组合体在笔直的道路上行驶或者如所期望的那样自然表现时，避免了对车辆组合体的小的、不必要的调节。即使当车辆组合体笔直地行驶时，被牵引车仍然可能稍微侧向地摇摆。通过使用死区，在该情形中对于小的侧向运动，将不存在对于车辆组合体的任何稳定化。当稳定致动器是车轮制动器时，这是特别有利的，因为制动器不必总是被致动。
在用于稳定包括牵引车和至少一个被牵引车的车辆组合体的方法中，包括如下步骤：通过使用车辆组合体模型来建立车辆组合体中的牵引车和该至少一个被牵引车之间的横向加速度的期望延迟值；确定牵引车的横向加速度；通过使用测量到的横向加速度以及所建立的延迟值来建立每个被牵引车的期望横向加速度值；测量该至少一个被牵引车的实际横向加速度；将实际横向加速度与期望横向加速度进行比较；以及，通过控制该至少一个被牵引车上的转向桥和/或单独的制动器而将被牵引车的横向加速度控制为所述期望横向加速度值。
利用该创造性方法，能够稳定包括至少一个被牵引车的车辆组合体。能够选择横向加速度的比例因子，但有利的是，该比例因子接近于1。
附图说明
以下将参考附图更详细地描述本发明，其中
图1示出包括一个牵引车和两个被牵引车的示意性车辆组合体，
图2a示出不具有用于稳定车辆组合体的创造性设备的车辆组合体的横向加速度行为的一个实例，
图2b示出具有用于稳定车辆组合体的创造性设备的车辆组合体的横向加速度行为的一个实例，并且
图3示出用于稳定车辆组合体的创造性方法的概略流程图。
具体实施方式
带有在以下描述的进一步的改进的本发明的实施例仅仅被视为实例而绝不限制由专利权利要求提供的保护范围。该设备适合于包括至少一个被牵引车的各种车辆组合体，但是特别地适合于拖曳两个或者更多挂车的重型车辆诸如卡车，因为具有更多被牵引车的车辆组合体趋向于比具有一个或者几个被牵引车的车辆组合体更不稳定。
图1示出包括一个牵引车3和两个被牵引车4、5的示意性车辆组合体2。该牵引车是适合在商业公路上使用的普通卡车或拖车。被牵引车可以是具有前桥和后桥的牵引杆式挂车。被牵引车还可以是与推车相组合地仅具有后桥的半挂车。能够在车辆组合体中包括由卡车或拖车拉拽的这种挂车或半挂车的不同组合。每个车辆的横向加速度由横向箭头表示。
对于包括几个被牵引车的较长组合体，在动态操纵中，最大横向加速度通常对于被拖曳的单元更大，通常在最后的被牵引车处最大。当包括带有推车和半挂车的卡车的车辆组合体在公路上执行变道时能够看到这一点。当挂车开始摆动时，附近的汽车能够发现这是危险的。最后的被牵引车将在操纵期间呈现最大的侧向偏差。这个效应被称作向后放大。“向后放大”被定义为牵引车与被拖曳单元(即，每个被牵引车)之间的最大横向加速度的比率。
在适合于该创造性设备的车辆组合体上，所有的被牵引车应该配备有具有单独控制的制动器或者主动控制转向器形式的致动器。优选地，被牵引车的每个车桥均设置有单独地控制的制动器或者主动控制转向器。根据被牵引车上的车桥的数目，也可以并非所有的车桥都设置有单独地控制的制动器或者主动控制转向器。作为一个实例，具有三个车桥的被牵引车可以具有两个转向桥。转向桥或单独制动的车桥的数目被用作车辆组合体模型的输入。
在该创造性设备中，其控制策略在于使用所述致动器，使得除了延迟之外，被牵引车的横向加速度等于或近似等于牵引车的测量到的横向加速度。还能够将上述“向后放大”设定为接近于1、优选低于1.5的所选择的恒定水平。在该设备中，在每个时间步骤中将每个被牵引车的实际测量到的横向加速度与这个基准值进行比较。为了控制车辆组合体的稳定性，在每个时间步骤中的牵引车的瞬时横向加速度因此不用作该设备的基准值。
在该设备和该方法中，控制方案中包括以下步骤；首先，计算牵引车的横向加速度与每个被牵引车的横向加速度之间的期望延迟。通过使用车辆组合体模型进行该计算，该车辆组合体模型可以用车轮速度、道路和轮胎之间的摩擦、车辆组合体的特性(例如重量和长度、转向频率和转向角度)作为输入值。
当计算出每个被牵引车的期望延迟值时，确定牵引车的实际横向加速度。能够通过利用加速度传感器测量实际横向加速度来确定实际横向加速度，或者通过使用车辆的滚转行为或者通过使用其它车辆特性(例如车辆速度和转向角度)估算实际横向加速度来确定实际横向加速度。
然后，通过使用牵引车的实际横向加速度以及每个被牵引车的期望延迟值来获得每个被牵引车的基准横向加速度值。然后，把每个被牵引车的基准横向加速度值与每个被牵引车的实际横向加速度值进行比较，并且控制制动器，使得被牵引车的实际横向加速度遵循于基准横向加速度值。还可以通过利用加速度传感器测量横向加速度或者通过使用其它车辆特性估算横向加速度值来获得被牵引车的实际横向加速度。
每个被牵引车的致动器由控制单元控制，使得被牵引车的横向加速度遵循于基准横向加速度值。如果所述致动器是车轮制动器，则车轮制动器受到控制，从而车轮制动器将帮助被牵引车遵循于牵引车的轨迹。如果车辆组合体进行车道改变，则该车道改变将使被牵引车发生车尾外摆。能够通过与被牵引车一侧的制动器相比更大程度地致动该被牵引车另一侧的制动器来防止或最小化车尾外摆，例如与被牵引车左侧的制动器相比更大程度地致动其右侧的制动器。如果所述致动器是转向桥，则车轮将在与车道改变方向相反的方向上稍稍转向，以便遵循于基准横向加速度值。控制单元可以是独立控制单元或者它可以一体地形成在现有的控制单元中，例如在制动器控制单元中。
在某些市场上使用的普通车辆组合体的一个实例是具有推车和半挂车系统的卡车。该推车通常设置有两个车桥，半挂车通常设置有三个车桥。通过在该推车和半挂车上装配主动转向桥并且通过利用该创造性设备和方法来控制它们，与具有非转向桥的相同组合体相比，可以在车道改变操纵期间获得大约40％或更大的稳定性提高。可以通过为该推车和半挂车提供可单独控制的车轮制动器来获得同样的结果。
图2中示出用于这种车辆组合体的测量的实例。x轴表示时间，y轴表示横向加速度。曲线3示出卡车的横向加速度，曲线4示出推车的横向加速度，曲线5示出半挂车的横向加速度。图2a示出不带有可单独控制的制动器或者主动转向桥的传统车辆组合体的行为。对于这个车辆组合体，上述“向后放大”明显大于1，处在高于1.5的范围内，并且第二振荡不存在任何显著的减幅。
在图2b中，示出具有单独地控制的制动器或者主动转向桥的车辆组合体的行为。这里，上述“向后放大”接近于1，并且横向加速度存在显著的减幅。
在该创造性设备中，能够通过使用车辆组合体模型来预测车辆组合体的行为。以此方式，被牵引车的控制可以更具预防性，这意味着需要更少的、用于制动器或转向的控制输入能量来实现车辆组合体的稳定。该稳定过程也更快，并且改进了系统的减幅。
该设备适合于具有至少一个被牵引车的车辆组合体。然而，该设备优选用于具有包括至少两个被牵引车的被拖曳单元的车辆组合体。
在上述实例中，描述了具有两个被牵引车的车辆组合体。通过使用适合于被牵引车数目的车辆组合体模型，该设备能够用于稳定具有三个和更多个被牵引车的车辆组合体。对于具有三个被牵引车的车辆组合体，将使用三个延迟值以及所确定的牵引车的横向加速度来稳定车辆组合体。
在该创造性设备的改进中，仅最后的被牵引车用于稳定车辆组合体。在一个实例中，该车辆组合体包括卡车、推车和半挂车。这里，仅半挂车将用于稳定车辆组合体。在该情形中，在卡车和半挂车之间建立期望延迟值。然后确定卡车的实际横向加速度。然后根据卡车的实际横向加速度和期望延迟值来获得半挂车的基准横向加速度值。然后，控制单元控制半挂车的制动器，使得半挂车的实际横向加速度遵循于基准横向加速度值。控制单元向半挂车的转向桥和/或单独控制的制动器发送控制信号。根据该车辆组合体中包含的不同的被牵引车类型，能够获得仅某些被牵引车的延迟值。优选地，在车辆组合体的后部处的被牵引车用于稳定车辆组合体。
图3示出用于稳定包括牵引车和至少一个被牵引车的车辆组合体的方法的概略性方法的流程图。
在步骤100中，计算牵引车与每个被牵引车的横向加速度之间的期望延迟值。通过使用车辆组合体模型来进行该计算，该车辆组合体模型能够以车轮速度、道路和轮胎之间的摩擦、车辆特性(例如重量和长度、转向频率和转向角度)作为输入值。为每个被牵引车计算一个单独的延迟值。
在步骤110中，确定牵引车的实际横向加速度。能够通过利用加速度传感器测量实际横向加速度来确定实际横向加速度，或者通过使用车辆的滚转行为或者通过使用其它车辆特性(例如车轮速度和转向角度)估算实际横向加速度来确定实际横向加速度。
在步骤120中，通过使用牵引车的实际横向加速度以及每个被牵引车的期望延迟值来获得每个被牵引车的基准横向加速度值。基准横向加速度值将被用于控制每个被牵引车的横向加速度。
在步骤130中，然后将每个被牵引车的基准横向加速度值与每个被牵引车的实际横向加速度值进行比较。可以通过利用加速度传感器测量横向加速度，或者通过使用其它车辆性质估算横向加速度值而获得被牵引车的实际横向加速度。当被牵引车的实际横向加速度值以预定阈值不同于基准横向加速度值时，该设备的控制单元将对这个差异进行补偿。能够使用在基准横向加速度附近的死区，以在车辆笔直行驶时避免振荡。该死区的宽度可以是绝对值或者可以取决于基准横向加速度的值。
在步骤140中，控制单元控制制动器，使得每个被牵引车的实际横向加速度遵循于基准横向加速度值。控制单元向每个被牵引车上的转向桥和/或单独控制的制动器发送控制信号。
然后重复上述步骤110到140，直至完成该车辆组合体的操纵。优选地，当车辆特性改变时更新每个被牵引车的期望延迟值，使得车辆组合体的负载改变。如果车辆组合体中的车辆数目改变了，则需要新的车辆组合体模型，这也意味着重新计算期望延迟值。
不应认为本发明限于上述实施例，在所附的专利权利要求的范围内，可以进行多个另外的变体和变型。
附图标记
1：设备
2：车辆组合体
3：牵引车
4：第一被牵引车
5：第二被牵引车

Claims (20)

1.一种用于提高车辆组合体(2)的稳定性的设备(1)，所述车辆组合体(2)包括牵引车(3)和至少一个被牵引车(4、5)，其中所述至少一个被牵引车(4、5)包括至少一个主动转向桥和/或在至少一个车桥上的单独控制的车轮制动器，其中所述牵引车(3)和所述至少一个被牵引车(4、5)分别包括用于确定所述牵引车(3)和所述至少一个被牵引车(4、5)的横向加速度的横向加速度确定装置，其中所述设备还包括车辆组合体模型，所述车辆组合体模型适于确定所述牵引车(3)的横向加速度与所述至少一个被牵引车(4、5)的横向加速度之间的期望延迟值，其特征在于，所述设备适于通过以下方式来稳定所述至少一个被牵引车(4、5)：使用所确定的所述牵引车(3)的横向加速度和所述至少一个被牵引车(4、5)的期望延迟值来建立所述至少一个被牵引车(4、5)的基准横向加速度，并且控制所述至少一个被牵引车(4、5)的转向桥和/或所述单独控制的制动器，使得所确定的所述至少一个被牵引车(4、5)的横向加速度对应于所述至少一个被牵引车(4、5)的基准横向加速度。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述横向加速度确定装置包括横向加速度估算装置。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述横向加速度估算装置是控制单元中的软件模块。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述横向加速度确定装置包括横向加速度测量装置。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述横向加速度测量装置是加速度传感器。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个被牵引车(4、5)的基准横向加速度的幅值与所确定的所述牵引车(3)的横向加速度的幅值是成比例的。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备适于提高包括牵引车(3)和两个被牵引车(4、5)的车辆组合体(2)的稳定性，其中，每个被牵引车(4、5)均包括用于确定该被牵引车(4、5)的横向加速度的横向加速度确定装置，其中所述车辆组合体模型适于确定所述牵引车(3)的横向加速度与每个被牵引车(4、5)的横向加速度之间的期望延迟值，其中所述设备适于通过以下方式来稳定每个被牵引车(4、5)：使用所确定的所述牵引车(3)的横向加速度和各个被牵引车(4、5)的期望延迟值来建立每个被牵引车(4、5)的基准横向加速度，并且控制每个被牵引车(4、5)的转向桥和/或所述单独控制的制动器，使得所确定的每个被牵引车(4、5)的横向加速度对应于每个被牵引车(4、5)的基准横向加速度。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的设备，其特征在于，在将所确定的所述被牵引车(4、5)的横向加速度与所述基准横向加速度进行比较时，使用了死区。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述死区的宽度是绝对值。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述死区的宽度取决于所述基准横向加速度的值。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述车辆组合体模型被实施在车辆控制系统内的控制单元中。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备还包括车辆重量测量装置，所述车辆重量测量装置适于测量所述车辆组合体(2)的重量，以使所述车辆组合体模型适配于所述车辆组合体(2)的实际重量。
13.一种车辆，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的设备。
14.根据权利要求13所述的车辆，其特征在于，所述至少一个被牵引车(4、5)包括推车和半挂车。
15.根据权利要求13所述的车辆，其特征在于，所述至少一个被牵引车(4、5)包括至少一个牵引杆式挂车。
16.根据权利要求13所述的车辆，其特征在于，所述至少一个被牵引车(4、5)是半挂车、推车或半挂车。
17.一种用于稳定包括牵引车和至少一个被牵引车的车辆组合体的方法，包括以下步骤：
-通过使用车辆组合体模型来建立所述车辆组合体中的所述牵引车和所述至少一个被牵引车之间的、横向加速度的期望延迟值，
-确定所述牵引车的横向加速度，
-通过使用所确定的所述牵引车的横向加速度和所建立的延迟值来建立每个被牵引车的基准横向加速度值，
-确定所述至少一个被牵引车的实际横向加速度，
-将所述实际横向加速度与所述基准横向加速度进行比较，
-通过控制所述至少一个被牵引车上的转向桥和/或单独的制动器，将所述至少一个被牵引车的横向加速度控制为所述基准横向加速度值。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述车辆组合体模型使用车轮速度、摩擦、车辆质量、车辆长度和转向频率作为输入。
19.一种计算机程序，其包括程序代码，当所述程序在计算机上运行时，所述程序代码用于执行权利要求17-18的任一项中的所有步骤。
20.一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读介质上的程序代码，当所述程序产品在计算机上运行时，所述程序代码用于执行权利要求17-18的任一项中的所有步骤。
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