CN108407800B - 装载机防倾翻控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装载机防倾翻控制系统及控制方法，系统包括防侧倾控制器以及与该控制器相连的水平仪传感器、液压缸行程传感器、折腰角度传感器、轮胎力传感器、液压锁止系统、传动控制系统、制动控制系统和报警装置；控制方法为：利用三维设计软件计算后车架设计重心、前车架重心和铲斗几何重心随液压缸行程的变化情况，利用液压缸行程传感器辅助计算车辆重心，通过各传感器及控制器对装载机工作过程中侧倾稳定性指标进行实时监控，当被监测指标达到阈值时，报警装置报警，并通过液压锁止系统、传动控制系统和制动控制系统对工作系统和行驶系统采取一定的措施，实现不同紧急等级的防倾翻控制措施。本发明具有检测灵敏、成本低和通用性强等优点。

Description

装载机防倾翻控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及车辆控制系统及控制方法，尤其涉及一种装载机防倾翻控制系统，同时还涉及一种防倾翻控制方法。

背景技术

轮式装载机是目前应用范围十分广泛，应用量十分巨大的工程车辆。在装载机的使用过程中，尤其是在矿山，陡坡，沟壕，丘陵等不规则地形地带作业工况下，倾翻事故占轮式装载机事故比例的很大部分。倾翻事故主要包括侧倾翻，前后倾翻，在倾翻事故中，侧倾翻是最容易发生的。并且装载机作业人员操作水平参次不齐，需要采取必要的保护措施保护工作人员安全，同时能降低作业人员的教育成本。

轮式装载机的倾翻保护措施包括被动式保护和主动式保护。被动式保护旨在通过提高驾驶室的性能在事故发生后保护驾驶人员的生命安全，如专利200910067131.0所示，被动式保护不能有效的避免事故发生。主动保护是轮式装载机安全保护措施的重要研究方向。

目前，主动保护主要有以下几类措施：

1.主动转向/制动，通过主动转向/制动实现对车辆测量速度和加速度的控制，达到预防车辆倾翻的效果。其中主要采用LTR([1]徐延海.基于主动转向技术的汽车防倾翻控制的研究[J].汽车工程,2009(27):518-521.)来实现控制器的触发，当LTR达到阈值时，控制器开始执行主动转向和主动制动，降低车辆侧向加速度，实现车辆的防倾翻。该方法相对简单实用，目前主要使用在普通汽车上，考虑到装载机在作业工况中重心还会伴随着工作装置运动而发生改变，因此仅仅采用该方法不能完全适用于装载机作业过程。

2.主动悬架控制，即通过一套主动悬架系统，减小侧倾角并降低车辆作业时的侧倾加速度，提高车辆作业时的侧倾稳定性。然而大多数装载机不具有悬架结构，该装置无法大规模应用于轮式装载机。

3.实时计算报警，专利201210285387.0提供了一种实时监测装载机运动参数的方法，该方法通过测来那个车辆运动学参数，进行实时计算得到转载该机行驶状态提供报警信息。但是该方法仅仅提供了报警信号，并没有提出针对装载机的防倾翻具体措施，仍然存在作业人员后续操作导致倾翻的可能。

目前急需一款针对轮式装载机的经济、有效、方便的主动防倾翻系统，能够保护作业人员安全，降低经济损失，降低作业人员训练水平对装载机作业安全性的影响。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够自动检测和控制车辆安全的装载机防倾翻控制系统，本发明的另一目的是基于上述控制系统，提供一种通过传感器检测获取车辆信息，再由控制器对车辆进行实时监控，进而能够有效防止车辆侧倾事故发生的装载机防倾翻控制方法。

技术方案：本发明的一种装载机防倾翻控制系统，包括传动控制系统、制动控制系统和液压锁止系统，系统还包括用于测量车辆前倾角和侧倾角的水平仪传感器、用于测量车辆折腰角的折腰角传感器、用于测量轮胎所受侧向力及垂向力的轮胎力传感器、用于测量液压缸位移的液压缸行程传感器以及防侧倾控制器；其中，所述轮胎力传感器安装在轮胎中心位置，所述折腰角传感器安装在前车架和后车架的铰接点位置，所述液压缸行程传感器包括动臂液压缸行程传感器和摇臂液压缸行程传感器，分别用于测量动臂液压缸位移和摇臂液压缸位移；

各传感器的输出均连接所述防侧倾控制器，该防侧倾控制器分别控制所述传动控制系统、制动控制系统和液压锁止系统。

优选的，所述水平仪传感器安装于车辆顶部。

此外，系统还包括报警装置，该报警装置由防侧倾控制器控制。

利用所述装载机防倾翻控制系统的防倾翻控制方法，包括如下步骤：

(1)构建所述装载机防倾翻控制系统；

(2)计算车辆重心位置

(2.1)根据车辆设计三维模型，通过辅助设计软件，如CATIA，proE等，计算车辆在静态状态下的后车架重心坐标、工作装置在不同位置情况下的重心坐标以及工作装置在不同位置情况下铲斗几何中心的空间坐标；并将工作装置重心坐标和铲斗几何中心空间坐标随液压缸行程变化的表格输入到防侧倾控制器中；

(2.2)重心换算；首先以车辆坐标系进行换算，以前后车架铰接点对应的地面位置建立笛卡尔坐标系；其中，由于车辆设计的对称性，设后车架质量为m1、坐标为(X1,0，Z1)；前车架质量为m2，在液压缸行程分别是l1、l2时，前车架重心坐标为(X2(l1，l2),0，Z2(l1，l2))，铲斗的几何中心坐标为X3(l1，l2),0，Z3(l1，l2))，令装载机铲斗装载物料质量为m3；

(2.2.1)求解装载机铲斗装载物料质量m3：

装载机实际工作过程中，存在前倾和侧倾的情况，通过水平仪传感器测量后车架侧倾角为α(即车辆坐标系相对于地面坐标系绕x轴旋转的角度)、后车架前倾角为β(即车辆坐标系相对于地面坐标系绕y轴旋转的角度)；根据坐标系旋转变换矩阵，得到坐标系的相对关系为：

其中，(x,y,z)为地面坐标系，(x′,y′,z′)为车辆坐标系；

令x＝0,y＝0,z＝G,其中，将其带入上式后，得到在车辆坐标系中重力的分力分别为：

G_x＝G·cos(α)·sin(β)

G_y＝G·sin(α)

G_z＝G·cos(α)·cos(β)

通过轮胎力传感器测量得到车辆坐标系Z方向上的垂向力F_{z_11}、F_{z_12}、F_{z_21}和F_{z_22}，根据受力平衡计算出铲斗中所装载的物料的重量：

F_{z_11}+F_{z_12}+F_{z_21}+F_{z_22}＝G_z＝G·cos(α)·cos(β)

(2.2.2)装载机在工作时，产生折腰角θ，则整机重心坐标由以下公式获得：

(3)计算车辆侧翻指标，所述侧翻指标包括动态侧倾稳定因子和静态稳定性；具体内容如下：

(3.1)动态侧倾稳定因子LTR

当LTR＝0时，表示两侧轮胎受力相等，此时车辆处于最稳定运行状态；LTR＝1时，表示其中一侧车轮已经到达临界离地状态；

(3.2)静态稳定性K

其中，M_S表示稳定力矩，M_F表示倾翻力矩；

具体计算过程如下：

转动θ角的前车轮坐标分别为

(l_f·cos(θ)-b·sin(θ)+l_f,l_f·sin(θ)+b·cos(θ)+b,0)

(l_f·cos(θ)+b·sin(θ)+l_f,l_f·sin(θ)-b·cos(θ)-b,0)

后轮坐标分别为

(-l_r,b,0)

(-l_r,-b,0)

同侧的前后车轮接地点构成了侧倾线，计算重心到侧倾线的距离在车辆坐标系xoy平面内的投影为l_z，在xoz平面内的投影为l_y；

其中，A＝2b(cosθ+1)，B＝2(l_f-b·sinθ)，

l_y＝z_G

M_s＝G_z·l_z；

M_F＝G_y·l_y；

故，

分别设置阈值K₁、K₂对应于两个侧倾指标，当LTR达到阈值K₁时，报警装置报警，提醒司机谨慎操作；当K达到K₂时，液压锁止系统和传动控制系统发挥作用，控制液压系统锁止、离合器断开、车辆制动，对车辆进行紧急保护；

(4)当实时监测侧倾指标低于阈值后，报警装置解除报警。

所述步骤(3)中，液压控制系统在转向液压缸、工作装置液压缸前加装有电控二位二通换向阀，K没有达到阈值K₂时，换向阀为通路状态，当达到阈值时，换向阀为闭路状态；所述传动和制动控制系统采用电子踏板代替离合器和制动器踏板，K达到阈值K₂时，离合器踏板和制动踏板压紧松开，断开动力传输，车辆制动，车辆逐渐减速为零。对车辆和驾驶员进行紧急保护。

此时，驾驶人员将工作装置放低之后实时监测侧倾指标低于阈值后报警系统解除报警，并由场地工人进行后续的安全处理措施。

有益效果

和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：1、通过对装载机侧倾翻参数的实时监控，实现装载机防侧倾翻的主动控制；2、通过对工作系统，传动系统、制动系统的控制，实现主动防侧倾，保证了极限工况下驾驶员的人身安全；3、相比于其他主动防侧倾的控制算法，本发明具有检测灵敏、成本低和通用性强等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构安装示意图；

图2为本发明控制系统的系统结构图；

图3为本发明控制方法的控制流程图；

图4为本发明的液压锁止系统图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示为本发明实施例的安装结构图，水平仪传感器1安装于车辆顶部，用于测量车辆前倾角和侧倾角。

液压缸行程传感器包括摇臂液压缸行程传感器2和动臂液压缸行程传感器3，分别用于测量摇臂液压缸位移和动臂液压缸位移。

轮胎力传感器4为一维力传感器，安装在轮胎中心位置，用于测量轮胎所受到的侧向力和垂向力。

折腰角传感器5为角度传感器，安装在前车架和后车架的铰接点位置，用于测量折腰角。

此外，装置还包括包括一个防侧倾控制器6，该控制器与水平仪传感器1、液压缸行程传感器、轮胎力传感器4、折腰角传感器5，以及装载车的液压锁止系统、传动控制系统、制动控制系统相连。

本发明的控制系统，旨在通过水平仪传感器、折腰角传感器、轮胎力传感器、液压缸行程传感器测量车辆信息传递给控制器，控制器进行计算并实时监控侧倾指数，当侧倾指数达到阈值时，跟控制器相连接的报警装置报警，液压锁止装置、传动系统和制动系统分别作出反应。

如图2所示为本发明控制系统的控制原理图，其中，各传感器的输出均连接防侧倾控制器6的输入，该防侧倾控制器又分别控制传动控制系统、制动控制系统和液压锁止系统。优选的，系统还设有报警装置，其由防侧倾控制器控制。

利用上述控制系统进行防倾翻控制，具体实施步骤为：

假设整车为对称配重，即在车辆坐标系下(驾驶员前方为X轴正方向，驾驶员左右边为y轴正方向，驾驶员上方为z轴正方向，设原点位于铰接点)静态是后车架、前车架重心皆位于车辆x轴上。利用三维软件，建立没有转向情况下前车架重心和铲斗几何中心随动臂液压缸位移、摇臂液压缸位移的变化表格。

记：在液压缸行程分别是l1，l2时，前车架重心坐标为(X2(l1，l2),0，Z2(l1，l2)),铲斗的几何中心坐标为X3(l1，l2),0，Z3(l1，l2))。

通过水平仪传感器1测量后车架侧倾角为α(即车辆坐标系相对于地面坐标系绕x轴旋转的角度)，后车架前倾角为β(即车辆坐标系相对于地面坐标系绕y轴旋转的角度)。

设：(x,y,z)为地面坐标系(x′,y′,z′)为车辆坐标系，两者之间的关系可以表示为：

根据坐标系之间的关系，可以获得重力在车辆坐标系下各个方向的分力为：

G_x＝G·cos(α)·sin(β)

G_y＝G·sin(α)

G_z＝G·cos(α)·cos(β)

通过车轮轮心位置处的轮胎力传感器测量得到车辆坐标系Z方向上的垂向力F_{z_11}、F_{z_12}F_{z_21}、F_{z_22}，根据受力平衡计算出铲斗中所装载的物料的重量：

F_{z_11}+F_{z_12}+F_{z_21}+F_{z_22}＝G_z＝G·cos(α)·cos(β)

然后根据计算得到的装载物料重量计算整车重心位置：

基于上述传感器测量的量和计算结果，进行侧倾指标的计算。侧倾指标包括两方面，一方面是动态侧倾稳定因子LTR，另一方面是静态稳定性。动态侧倾稳定因子是车辆行驶过程中的动态变化情况，当其达到阈值时，车辆有侧倾趋势，静态稳定因子表示车辆侧倾受力的情况，当期达到阈值时，车辆有极大的侧倾风险。

其中，动态侧倾稳定因子LTR计算公式为：

当LTR＝0时表示两侧轮胎受力相等，此时车辆处于最稳定运行状态；LTR＝1时，表示其中一侧车轮已经到达临界离地状态。

静态稳定性计算方法如下：

其中M_S表示稳定力矩，M_F表示倾翻力矩。

在转动θ角时，在车辆坐标系下，前车轮坐标分别为

(l_f·cos(θ)-b·sin(θ)+l_f,l_f·sin(θ)+b·cos(θ)+b,0)

(l_f·cos(θ)+b·sin(θ)+l_f,l_f·sin(θ)-b·cos(θ)-b,0)

后轮坐标分别为

(-l_r,b,0)

(-l_r,-b,0)

同侧的前后车轮接地点构成了侧倾线，计算重心到侧倾线的距离在车辆坐标系xoy平面内的投影为l_z，在xoz平面内的投影为l_y。

其中：

A＝2b(cosθ+1)

B＝2(l_f-b·sinθ)

C＝(l_f·cosθ-b·sinθ+l_f)·(l_f·sinθ-b·cosθ-b)-(l_f·sinθ+b·sinθ+b)·(l_f·cosθ+b·sinθ+l_f)

l_y＝z_G

当车辆达到侧倾临界状态下，侧倾线另一侧的轮胎受力已经为零，因此侧翻转矩和稳定转矩分别为

M_s＝G_z·l_z；

M_F＝G_y·l_y；

因此，静态稳定性计算公式可以表达为

分别设定动态侧倾稳定因子LTR的阈值K₁，另一方面是静态稳定性的阈值K₂，当动态侧倾稳定因子LTR达到阈值K₁时，车辆报警器报警提醒司机谨慎操作，调整车辆姿态。当静态稳定性达到阈值K₂，车辆报警器报警，并进行紧急保护措施，紧急保护措施如面所示：

本发明同时对液压系统进行改进，改进方案如图4所示，其中7为液压系统、701为动臂液压缸，702为电磁换向阀，703为摇臂液压缸；电磁换向阀由通路切换为断路，停止作业装置继续动作。电子离合器踏板动作，使离合器分开，切断发动机到驱动轴的动力传动。电子制动踏板动作，车辆刹车减速。其次，传动和制动控制系统中，将制动踏板和离合踏板改为电子踏板。

Claims (3)

1.一种装载机防倾翻控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建装载机防倾翻控制系统；

系统包括传动控制系统、制动控制系统和液压锁止系统，用于测量车辆前倾角和侧倾角的水平仪传感器、用于测量车辆折腰角的折腰角传感器、用于测量轮胎所受侧向力及垂向力的轮胎力传感器、用于测量液压缸位移的液压缸行程传感器、报警装置和防侧倾控制器；其中，所述轮胎力传感器安装在轮胎中心位置，所述折腰角传感器安装在前车架和后车架的铰接点位置，所述液压缸行程传感器包括动臂液压缸行程传感器和摇臂液压缸行程传感器，分别用于测量动臂液压缸位移和摇臂液压缸位移；所述水平仪传感器安装于车辆顶部；

各传感器的输出均连接所述防侧倾控制器，该防侧倾控制器分别控制所述传动控制系统、制动控制系统和液压锁止系统；报警装置由防侧倾控制器控制；

(2)计算车辆重心位置；

(2.1)根据车辆设计三维模型，通过辅助设计软件，计算车辆在静态状态下的后车架重心坐标、工作装置在不同位置情况下的重心坐标以及工作装置在不同位置情况下铲斗几何中心的空间坐标；并将工作装置重心坐标和铲斗几何中心空间坐标随液压缸行程变化的表格输入到防侧倾控制器中；

(2.2)重心换算；首先以车辆坐标系进行换算，以前后车架铰接点对应的地面位置建立笛卡尔坐标系；其中，由于车辆设计的对称性，设后车架质量为m1、坐标为(X1,0，Z1)；前车架质量为m2，在液压缸行程分别是l1、l2时，前车架重心坐标为(X2(l1，l2),0，Z2(l1，l2))，铲斗的几何中心坐标为X3(l1，l2),0，Z3(l1，l2))，令装载机铲斗装载物料质量为m3；

(2.2.1)求解装载机铲斗装载物料质量m3：

通过水平仪传感器测量后车架侧倾角为α、后车架前倾角为β；根据坐标系旋转变换矩阵，得到坐标系的相对关系为：

其中，(x,y,z)为地面坐标系，(x′,y′,z′)为车辆坐标系；

令x＝0,y＝0,z＝G,其中，将其带入上式后，得到在车辆坐标系中重力的分力分别为：

通过轮胎力传感器测量得到车辆坐标系Z方向上的垂向力F_{z_11}、F_{z_12}、F_{z_21}和F_{z_22}，根据受力平衡计算出铲斗中所装载的物料的重量：

F_{z_11}+F_{z_12}+F_{z_21}+F_{z_22}＝G_z＝G·cos(α)·cos(β)；

(2.2.2)装载机在工作时，产生折腰角θ，则整机重心坐标由以下公式获得：

(3)计算车辆侧翻指标，所述侧翻指标包括动态侧倾稳定因子和静态稳定性；具体内容如下：

(3.1)动态侧倾稳定因子LTR：

当LTR＝0时，表示两侧轮胎受力相等，此时车辆处于最稳定运行状态；LTR＝1时，表示其中一侧车轮已经到达临界离地状态；

(3.2)静态稳定性K：

其中，M_S表示稳定力矩，M_F表示倾翻力矩；

具体计算过程如下：

转动θ角的前车轮坐标分别为：

(l_f·cos(θ)-b·sin(θ)+l_f,l_f·sin(θ)+b·cos(θ)+b,0)；

(l_f·cos(θ)+b·sin(θ)+l_f,l_f·sin(θ)-b·cos(θ)-b,0)；

后轮坐标分别为：

(-l_r,b,0)；

(-l_r,-b,0)；

同侧的前后车轮接地点构成了侧倾线，计算重心到侧倾线的距离在车辆坐标系xoy平面内的投影为l_z，在xoz平面内的投影为l_y；

其中，A＝2b(cosθ+1)，B＝2(l_f-b·sinθ)，

l_y＝z_G；

M_s＝G_z·l_z；

M_F＝G_y·l_y；

故，

分别设置阈值K₁、K₂对应于两个侧倾指标，当LTR达到阈值K₁时，报警装置报警，提醒司机谨慎操作；当K达到K₂时，液压锁止系统和传动控制系统发挥作用，控制液压系统锁止、离合器断开、车辆制动，对车辆进行紧急保护；

(4)当实时监测侧倾指标低于阈值后，报警装置解除报警。

2.根据权利要求1所述的装载机防倾翻控制方法，其特征在于：所述液压锁止系统在转向液压缸、工作装置液压缸前加装电控二位二通换向阀，当没有达到阈值K₂时，换向阀为通路状态，当K达到阈值时，换向阀为闭路状态。

3.根据权利要求1所述的装载机防倾翻控制方法，其特征在于：所述传动和制动控制系统采用电子踏板，当K达到阈值K₂时，离合器踏板和制动踏板压紧松开，断开动力传输，车辆制动，车辆逐渐减速为零。