CN107097775B - 一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统和方法，该系统包括GPS定位模块、液面高度采集模块、参数存储模块、运算模块、决策模块、报警模块和油门控制模块。该方法步骤：通过GPS定位模块，采集行车位置与方向数据；通过液面高度采集模块，采集车辆静止时液罐内液体高度；通过运算模块，计算得到车辆侧翻临界速度；通过决策模块，将临界侧翻速度与行驶速度进行比较，确定车辆所处状态；报警模块与油门控制模块，接收决策模块信息，进行报警与油门控制。本发明能够在液体罐车转弯行驶速度较高时，为驾驶员提供预警，并可以通过控制油门进而控制车速，达到防止车辆侧翻保证人员与车辆安全的目的。

Description

一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统和方法

技术领域

本发明涉及汽车驾驶安全技术领域，更具体的说是涉及一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统和方法。

背景技术

液体罐车装载液体货物时，整车质量大、重心位置高，左右轮距相对于整车宽度和重心高度较小，侧向稳定性较差；液体罐车在弯道行驶过程中，由于受到侧向加速度的影响，液罐内液体发生倾斜，重心位置发生变化，较装载固态货物而言侧翻风险更高，更容易发生侧翻事故。液体罐车装载易燃、易爆和剧毒油料本身也具有潜在的高危险性，一旦发生侧翻事故导致液体泄漏，会造成严重的环境污染与交通堵塞，严重危及生命及财产损失。

目前针对液体罐车弯道行驶时侧翻风险判断，及预警控制的方法并不完善，也未考虑液罐内液体的倾斜状态对整车重心位置的影响，因此本发明基于液面倾斜角度，建立侧翻临界速度计算模型，并将临界速度与行驶速度比较，以此判断车辆所处状态，进行侧翻预警和控制。

发明内容

本发明提出一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统和方法，能够通过GPS定位模块、液面高度采集模块、参数存储模块、运算模块、决策模块、报警模块和油门控制模块构成的系统，实现车辆侧翻前的预警和油门控制；一方面通过报警信号提醒驾驶员减速或控制方向，对侧翻趋势进行纠正，另一方面通过控制油门的开合度，对速度进行强制控制。

本发明采用的技术方案是：

一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统，该系统包括GPS定位模块、液面高度采集模块、参数存储模块、运算模块、决策模块、报警模块和油门控制模块；所述的液面高度采集模块与参数存储模块相连，所述的GPS定位模块和参数存储模块与运算模块相连，所述的运算模块与决策模块相连，所述的决策模块与报警模块和油门控制模块相连。

所述的GPS定位模块设置于车身上方，包括前天线、后天线和GPS移动站；所述的前天线设置于液罐上方的前部，采集车辆方向坐标信息；所述的后天线设置于液罐上方的后部，采集车辆位置坐标信息；所述的GPS移动站与所述的前天线、后天线相连，将定位信息(X,Y,Angle)编码输出。所述的液面高度采集模块设置于液罐内部，包括液位传感器，所述的液位传感器采集液面高度h_liquid。所述的参数存储模块，存储液罐半径r、车辆净质量m_veh、净车重心位置(x_veh,y_veh)、液罐底部距离地面高度h_tank、轮距b等参数。所述的运算模块，将GPS定位模块和存储模块传送的信息进行运算处理，计算得到车辆侧翻临界速度V₀(R,V)。所述的决策模块，将运算模块传送的车辆侧翻临界速度与行驶速度进行比较判断，确定车辆所处状态，进行预警和控制决策。所述的报警模块设置于驾驶室内中央控制台上，包括控制器、报警指示灯，所述的控制器将决策模块传送的信号转换，控制所述的报警指示灯。所述的油门控制模块设置于驾驶室内油门踏板上，包括控制器、控制电机，所述的控制器将决策模块传送的信号转换，控制所述的控制电机，进而控制油门开合度。

一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制方法，具体步骤为：

首先在车辆静止时，采集液面水平时的高度h_liquid，计算液面水平状态下液体重心位置(x_liquid,y_liquid)；在车辆行驶过程中，采集车辆行驶实时位置与方向(X,Y,Angle)，计算车辆实时转弯半径R和速度V；进而计算侧向加速度a，计算液面倾斜角度α；进而计算液面倾斜状态下液体重心位置(x′_liquid,y′_liquid)，计算整车重心位置(x,y)；进而计算车辆侧翻临界速度V₀(R,V)；比较车辆侧翻临界速度V₀(R,V)与行驶速度V，确定车辆所处状态，根据状态判断报警与否、控制与否。

所述的车辆所处状态，可分为三种：

当V-V₀(R,V)>k₁时，车辆处于安全状态，无侧翻风险，无需进行报警与油门控制；

当k₂<V-V₀(R,V)≤k₁时，车辆处于低风险状态，保持该速度与转弯半径继续行驶无侧翻风险，当速度上升或转弯半径减小则会使得侧翻风险上升，需对驾驶员进行防侧翻预警；

当V-V₀(R,V)≤k₂时，车辆处于高风险状态，保持该速度与转弯半径继续行驶存在侧翻风险，当速度上升或转弯半径减小则会使得侧翻风险上升，需对驾驶员进行防侧翻预警，并进行强制油门控制；

其中，k₁,k₂为预设安全参数，k₁>k₂，可根据车辆属性设置。

本发明的优点是：

本发明能够在液体罐车转弯行驶速度较高时，为驾驶员提供预警，并可以通过控制油门进而控制车速，达到防止车辆侧翻保证人员与车辆安全的目的。

附图说明

图1是防侧翻预警控制系统和方法原理图。

图2是GPS天线设置图。

图3是通过GPS定位信息计算车辆转弯半径原理图。

图4是计算液面水平时液体重心位置原理图。

图5是计算液面倾斜时液体重心位置原理图。

图6是计算侧翻临界速度原理图。

具体实施方式

下面结合附图对液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统和方法做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明基于液面倾斜角度，建立侧翻临界速度计算模型，并将临界速度与行驶速度比较，以此判断车辆所处状态，进行侧翻预警和控制。一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统，由GPS定位模块1、液面高度采集模块2、参数存储模块3、运算模块4、决策模块5、报警模块6和油门控制模块7构成。液面高度采集模块2与参数存储模块3相连，GPS定位模块1和参数存储模块3与运算模块4相连，运算模块4与决策模块5相连，决策模块5与报警模块6和油门控制模块7相连。

GPS定位模块设置于车身上方，包括前天线、后天线和GPS移动站。如图2所示，前天线设置于液罐上方的前部，采集车辆方向坐标信息；后天线设置于液罐上方的后部，采集车辆位置坐标信息；GPS移动站与所述的前天线、后天线相连，将定位信息(X,Y,Angle)编码输出。

通过定位信息计算车辆转弯半径与行驶速度的原理，如图3所示。

在本发明中，所有位置坐标(X,Y)均基于大地坐标系，所有方向坐标Angle均以向北为0°，顺时针方向递增至360°。

在t时刻，后天线采集位置坐标(X_b,Y_b)，前天线采集方向坐标Angle。

前天线位置坐标(X_f,Y_f)可计算得到。

X_f＝X_b+d×sin(Angle)

Y_f＝Y_b+d×cos(Angle)

其中d为前、后天线间距离。

前、后天线连线中点位置坐标记为(X_m,Y_m)，可计算得到。

X_m＝(X_b+X_f)/2

Y_m＝(Y_b+Y_f)/2

前、后天线连线方向可表示车辆行驶方向，在坐标系中表示为k，可计算得到。

k＝(Y_b-Y_f)/(X_b-X_f)

在t′时刻，后天线采集位置坐标(X′_b,Y′_b)，前天线采集方向坐标Angle′。(X′_f,Y′_f)，(X′_m,Y′_m)和k′的计算方法与t时刻相同。

车辆在t时刻到t′时刻间行驶的时，转弯圆心位置坐标记为(X_o,Y_o)，可计算得到。

转弯半径R可计算得到。

行驶速度V可计算得到。

液面高度采集模块设置于液罐内部，包括液位传感器，液位传感器采集液面高度h_liquid。

假设液罐的横截面为标准圆形，液罐内装载均质液体时，液面为任意高度时，液体重心位置(x_liquid,y_liquid)和质量m_liquid均可计算得到。

非满载状态且液体高度高于液罐半径，即r<h_liquid<2r时，将液罐横截面S_tank进行拆分，如图4所示，包括下部扇形部分S₁和上部扇形部分S₂₊₃，上部扇形部分S₂₊₃可由液面划分为下部液体部分S₂和上部无液体部分S₃。其中液体部分横截面S_liquid可计算得到。

S_liquid＝S₁+S₂＝S_tank-(S₂₊₃)+S₂

θ表示液面高度相关参数，可计算得到。

S₂₊₃和S₂可计算得到。

取液罐底部(x_p,y_p)为参考点，即x_p＝y_p＝0，则液罐横截面S_tank的重心高度y_tank、上部扇形部分S₂₊₃的重心高度y₂₊₃和下部液体部分S₂的重心高度y₂均可计算得到。

y_tank＝r

其中，扇形弦长C和弧长L均可计算得到。

C＝2r×sin(θ)

L＝2r×θ

液体重心位置(x_liquid,y_liquid)可通过不同部分的重心位置叠加计算得到。

x_liquid＝0

由于随着车辆行驶速度的增大，侧向加速度也会随之增大，罐体内的液面倾斜状态也不同，对应于车辆侧翻的判定条件随之变化。侧向加速度a可计算得到。

液罐车装载液体的液面在仅受重力作用的水平路面上呈水平状态，当有不平行于重力方向的外力作用时，液面也会发生变化。当车辆存在离心加速度时，液面发生倾斜，忽略液面的其他变形，假设液体倾斜但液面保持平面，即可认为横截面上，液体在罐内绕罐体中心发生了旋转，液面的倾斜角度α可计算得到。

其中g为重力加速度，可取g＝9.8m/s²。

如图5所示，在横截面上，液体围绕罐体中心旋转，旋转角度即为液面倾斜角度α，液面倾斜时液体重心位置(x′_liquid,y′_liquid)可计算得到。

x′_liquid＝(r-x_liquid)×sin(α)

y′_liquid＝y_liquid+(r-y_liquid)×(1-cos(α))

如图6所示，整车重心位置(x,y)可通过净车重心位置与液体重心位置叠加计算得到。参数存储模块，存储液罐半径r、车辆净质量m_veh、净车重心位置(x_veh,y_veh)、液罐底部距离地面高度h_tank、轮距b等参数。

车辆侧翻的常用判定方式之一，是根据转弯内侧车轮是否离开地面为界限。临界状态即车辆仅通过外侧车轮支撑车体，车辆以外侧车轮与地面接触的点为转动中心，重力的力矩与侧向加速度引起的侧向力的力矩平衡。

F_G×l_G＝F_a×l_a

其中，整车重力F_G、离心力F_A、重力力臂l_G和离心力力臂l_a可计算得到。

F_G＝(m_veh+m_liquid)×g

F_A＝(m_veh+m_liquid)×a

l_G＝y

通过力矩平衡方程可解得临界侧翻速度V₀(R,V)。

决策模块，将运算模块传送的车辆侧翻临界速度V₀(R,V)与行驶速度V进行比较判断，确定车辆所处状态，进行预警和控制决策。

车辆所处状态，可分为三种：

当ΔV＝V-V₀(R,V)>k₁时，车辆处于稳定性良好的状态，无侧翻风险，无需进行报警与油门控制；

当k₂<ΔV＝V-V₀(R,V)≤k₁时，车辆处于稳定性一般的状态，存在侧翻的风险，保持该速度与转弯半径继续行驶无侧翻风险，当速度上升或转弯半径减小则会使得侧翻风险上升，需对驾驶员进行防侧翻预警；

当ΔV＝V-V₀(R,V)≤k₂时，车辆处于稳定性较差的状态，侧翻风险较高，保持该速度与转弯半径继续行驶存在侧翻风险，当速度上升或转弯半径减小则会使得侧翻风险剧增，需进行强制油门控制以控制车速。

其中，k₁,k₂为预设安全参数，k₁>k₂，可根据车辆属性设置。

报警模块设置于驾驶室内中央控制台上，包括控制器、报警指示灯，所述的控制器将决策模块传送的信号转换，控制所述的报警指示灯。

油门控制模块设置于发动机油路系统内，包括控制器、控制电机，所述的控制器将决策模块传送的信号转换，控制所述的控制电机，进而控制油门开合度。

综上所述，本发明涉及的一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统和方法，其通过GPS定位模块、液面高度采集模块、参数存储模块、运算模块、决策模块、报警模块和油门控制模块构成的系统，采集液罐内液体高度及车辆行驶的转弯半径、速度等信息，结合车辆自身参数，计算得到临界侧翻速度，并于行驶速度进行比较判断，确定车辆所处状态，进行预警和控制决策，从而起到在弯道行驶时提醒驾驶员注意速度，并在速度过高时进行强制控制速度，以防止车辆侧翻，保证驾驶员与车辆安全的功效。

上述实施例和图示并非限定本发明的产品形态和样式，任何属于技术领域的普通技术人员对其做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (6)

1.一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统，其特征在于，该系统包括GPS定位模块、液面高度采集模块、参数存储模块、运算模块、决策模块、报警模块和油门控制模块；所述的液面高度采集模块与参数存储模块相连，所述的GPS定位模块和参数存储模块与运算模块相连，所述的运算模块与决策模块相连，所述的决策模块与报警模块和油门控制模块相连；

所述的液面高度采集模块设置于液罐内部，包括液位传感器，所述的液位传感器采集液面高度h_liquid；

所述的参数存储模块，存储以下参数：液罐半径r、车辆净质量m_veh、净车重心位置(x_veh,y_veh)、液罐底部距离地面高度h_tank、轮距b；

所述的运算模块，将GPS定位模块和存储模块传送的信息进行运算处理，计算得到车辆侧翻临界速度V₀(R,V)；

所述的决策模块，将运算模块传送的车辆侧翻临界速度与行驶速度进行比较判断，确定车辆所处状态，进行预警和控制决策。

2.根据权利要求1所述的一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统，其特征在于，所述的GPS定位模块设置于车身上方，包括前天线、后天线和GPS移动站；所述的前天线设置于液罐上方的前部，采集车辆方向坐标信息；所述的后天线设置于液罐上方的后部，采集车辆位置坐标信息；所述的GPS移动站与所述的前天线、后天线相连，将定位信息(X,Y,Angle)编码输出。

3.根据权利要求1所述的一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统，其特征在于，所述的报警模块设置于驾驶室内中央控制台上，包括控制器、报警指示灯，所述的控制器将决策模块传送的信号转换，控制所述的报警指示灯。

4.根据权利要求1所述的一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制系统，其特征在于，所述的油门控制模块设置于发动机油路系统内，包括控制器、控制电机，所述的控制器将决策模块传送的信号转换，控制所述的控制电机，进而控制油门开合度。

5.一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制方法，其特征在于，具体步骤为：首先在车辆静止时，采集液面水平时的高度h_liquid，计算液面水平状态下液体重心位置(x_liquid,y_liquid)及液体质量m_liquid；在车辆行驶过程中，采集车辆行驶实时位置与方向(X,Y,Angle)，计算车辆实时转弯半径R和速度V；计算侧向加速度a，计算液面倾斜角度α；计算液面倾斜状态下液体重心位置

(x_l′_iquid,y_l′_iquid)，计算整车重心位置(x,y)；计算车辆侧翻临界速度V₀(R,V)；比较车辆侧翻临界速度V₀(R,V)与行驶速度V，确定车辆所处状态，根据状态判断报警与否、控制与否。

6.根据权利要求5所述的一种液体罐车弯道行驶防侧翻预警控制方法，其特征在于，所述的车辆所处状态，可分为三种：

当ΔV＝V-V₀(R,V)＞k₁时，车辆处于安全状态，无侧翻风险，无需进行报警与油门控制；

当k₂＜ΔV＝V-V₀(R,V)≤k₁时，车辆处于低风险状态，保持该速度与转弯半径继续行驶无侧翻风险，当速度上升或转弯半径减小则会使得侧翻风险上升，需对驾驶员进行防侧翻预警；

当ΔV＝V-V₀(R,V)≤k₂时，车辆处于高风险状态，保持该速度与转弯半径继续行驶存在侧翻风险，当速度上升或转弯半径减小则会使得侧翻风险上升，需对驾驶员进行防侧翻预警，并进行强制油门控制；

其中，k₁,k₂为预设安全参数，k₁＞k₂，可根据车辆属性设置。

Images