CN108639164B - 一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，属于汽车主动安全领域，通过在汽车上设置侧翻检测模块、电子控制单元、第一及第二陀螺稳定器模块、电源及警报器，侧翻检测模块用于检测车速信号及侧翻信号，电子控制单元用于判断车辆的行驶状态及侧翻趋势；本发明还公开了防侧翻方法，当车辆存在侧翻危险时，通过警报器向驾驶员发送警报，同时控制第一及第二陀螺稳定器模块工作，输出抗侧翻力矩，实现对车内乘员的紧急保护；解决了现有的防侧翻装置结构复杂、响应速度慢、不能有效提供足够回正力矩的缺陷，提高了车辆主动防侧翻能力，且本发明结构简单、适用性好、可控性好、防侧翻性能好。

Description

一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置及方法

技术领域

本发明属于汽车主动安全领域，具体是指一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置及控制方法。

背景技术

侧翻是一项重要的安全问题，车辆在行驶过程中一旦发生侧翻，驾驶员往往来不及采取有效措施，而侧翻事故的危害是致命的。通常车辆一旦发生侧翻，不仅直接威胁到车内乘员的生命安全，还可能危及道路上的其他车辆和行人，造成严重的次生事故。侧翻总是在短时间内发生，需要防侧翻装置在极短时间内提供足够大的回正力矩，因此对防侧翻装置的响应速度和能够提供的回正力矩大小均有较高的要求。

厦门理工学院的唐友名发明的一种汽车自适应防侧翻装置（申请号：2015123131173.4），通过微机控制单元控制机械执行机构伸出或收回加装在主车轮内的副车轮来起到防侧翻的作用，但其机械结构较为复杂，开发成本较高，响应速度慢，且安全性及可靠性较差。

陈京垚发明的一种汽车防侧翻装置（申请号：201520199956.9），在汽车车架下方设置凹槽及配重块，通过移动配重块的位置达到防侧翻的效果，但该结构所占空间较大，响应速度慢，且所需加装的配重块质量较大，会给车辆的动力性、通过性及燃油经济性等造成较大的负担。

浙江大学的彭维峰发明的装有陀螺稳定系统的两轮前后置自平衡电动车及其控制方法（申请号：201410730671.3），沿纵向轴线布置了陀螺稳定器，当电动车突然受到扰动力矩时，信号处理器控制旋进电机以一定角速度旋进，使陀螺稳定器产生对抗扰动力矩的陀螺力矩，但该装置只适用于两轮自平衡电动车，在转弯等易发生侧翻的工况下还需要依赖电动支架进行支撑，无法满足更多车型在更多侧翻情形下的防侧翻需求。

南京航空航天大学的陈国钰发明的基于双质量飞轮的汽车防侧翻装置及其控制方法（申请号：201710270224.8），在车辆纵向中轴线上设置两个旋转方向相反的质量飞轮，当汽车发生侧翻时，通过对旋转方向与侧翻方向相反的其中一个质量飞轮进行制动，理论上可以为汽车提供相反方向的回正力矩。但其制动过程是通过调节电机转速来完成，会造成不必要的能量损耗，且响应速度慢，很难产生理想的防侧翻力矩。

发明内容

本发明针对现有多数防侧翻保护装置及方法存在的响应速度较慢、效果不理想、结构复杂等问题，公开了一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置及控制方法。本发明通过侧翻检测模块、电子控制单元（ECU）、第一陀螺稳定器模块和第二陀螺稳定器模块、电源及警报器几个模块间的配合，解决了现有的防侧翻装置响应速度慢、不能有效提供足够大的回正力矩的缺陷，提高了车辆主动防侧翻能力。

本发明是这样实现的：

一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置包括侧翻检测模块，与侧翻检测模块电气连接的电子控制单元，与电子控制单元分别通过电气连接的警报器、第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块；所述的第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块还连接有电源。

侧翻检测模块包括车速传感器、电子陀螺仪传感器，与电子控制单元（ECU）电气相连，分别用于检测车辆的行驶速度和侧翻信号，然后传递给ECU。

第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块以汽车纵向轴呈镜面对称，且第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块安装在陀螺稳定器壳体内部；第一、第二陀螺稳定器模块包括的部件相同，均包括陀螺转子、陀螺转子保护壳、转动轴、转子电机及其控制电路、变速机构、旋进电机及其控制电路、旋进轴。

第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块的部件间的连接关系为：陀螺稳定器模块包括转动轴，与转动轴同轴设置的陀螺转子，陀螺转子外围包覆有陀螺转子保护壳；在陀螺转子保护壳的底部，所述的转动轴通过变速机构同轴设置有转子电机及其控制电路。

转子电机及其控制电路分别于与电子控制单元和电源电气相连；其中的转子电机通过变速机构向转动轴输出动能，从而带动陀螺转子高速旋转；转子电机控制电路用于接收来自电子控制单元的控制信号，以及将电源的供电电压转换为适合转子电机的工作电压，从而控制转子电机工作。

陀螺转子保护壳水平方向还通过旋进轴连接有旋进电机及其控制电路，所述的旋进电机及其控制电路安装在陀螺稳定器壳体外部；旋进电机及其控制电路也分别与电子控制单元和电源电气相连；其中旋进电机用于带动旋进轴及陀螺转子保护壳旋转过某一角度；旋进电机控制电路用于接收来自电子控制单元的控制信号，以及将电源的供电电压转换为适合旋进电机的工作电压，从而控制旋进电机工作。

进一步，所述的警报器包括蜂鸣器、内部电源及其控制电路，与电子控制单元电气相连。蜂鸣器用于向驾驶员发送警报，内部电源用于向蜂鸣器供电，控制电路用于接收来自电子控制单元的信号。

进一步，所述的陀螺转子及陀螺转子保护壳均呈圆盘状，其中心轴线垂直于水平面。

进一步，所述的电子控制单元分别与旋进电机及其控制电路、转子电机及其控制电路电气相连。

进一步，所述电源分别与旋进电机及其控制电路、转子电机及其控制电路电气相连，用于向转子电机和旋进电机供电。

进一步，所述的侧翻检测模块包括车速传感器、电子陀螺仪传感器。其中电子控制单元与车速传感器、电子陀螺仪传感器以及第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的转子电机及其控制电路、旋进电机及其控制电路电气相连。电子控制单元接收来自侧翻检测模块中传感器的车速信号以及侧倾信号，判断当前车辆的行驶状态以及侧翻危险性，然后向转子电机控制电路以及旋进电机控制电路发送控制信号，控制转子电机以及旋进电机的工作。

进一步，所述的陀螺稳定器壳体固定在汽车车体内部，安装时所述的第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块分别位于汽车纵向轴两侧，并且对称布置。

本发明还公开了基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置的防侧翻方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：侧翻检测模块中的车速传感器采集车速模拟信号并传递给电子控制单元，电子控制单元将模拟信号转换为数字信号并与设定的车速阈值进行计较；

步骤1.1）当实际车速未超出车速阈值时，第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块、警报器均处于不工作状态，车速传感器重新采集车速模拟信号；

步骤1.2）当实际车速超出了车速阈值时，执行步骤二；

步骤二：当实际车速超出了设定阈值时，电子控制单元分别向第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的转子电机及其控制电路发送PWM控制信号，使两转子电机开始工作，并通过变速机构及转动轴带动第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的陀螺转子分别以相反的方向高速旋转，然后执行步骤三；

步骤三：电子陀螺仪传感器采集车辆的侧翻信号，并传递给电子控制单元，电子控制单元根据采集到的信号以及侧翻动力学因子判断当前车辆的侧翻趋势及其侧翻方向；

步骤3.1）当电子控制单元判断出车辆没有侧翻趋势时，电子陀螺仪传感器继续采集车辆的侧翻信号，

步骤3.2）当电子控制单元判断出车辆有侧翻趋势时，分别向第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的旋进电机及其控制电路发送控制信号，并通过警报器向驾驶员进行报警，然后执行步骤四；

步骤四：第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的旋进电机及其控制电路分别通过旋进轴带动相应的陀螺转子及陀螺转子保护壳以相反的方向快速转过所需的角度，从而使得两陀螺稳定器模块在短时间内输出同方向的抗侧倾力矩，与车辆的侧倾运动相对抗，达到防侧翻的效果。

进一步，所述的转子电机工作，通过对应的变速机构及转动轴带动第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块以相反方向旋转；所述的旋进电机工作，通过旋进轴带动相应的陀螺转子及陀螺转子保护壳以相反的方向转动。

进一步，所述的步骤四中防侧翻具体执行操作为：

步骤4.1）从汽车尾部往头部看，当电子控制单元检测到汽车有向左侧翻的趋势时，控制第一陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮倒退方向迅速旋转，控制第二陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮前进方向迅速旋转，使两陀螺稳定器模块均输出与汽车向左侧翻方向相反的抗侧翻力矩；根据实际情况的需要旋转一定的角度；

步骤4.2）从汽车尾部往头部看，当电子控制单元检测到汽车有向右侧翻的趋势时，控制第一陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮前进方向迅速旋转，控制第二陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮倒退方向迅速旋转，使两陀螺稳定器模块均输出与汽车向右侧翻方向相反的抗侧翻力矩。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1）本发明汽车防侧翻装置适用性好：本发明装置适用于多种车型的防侧翻控制，可以在车辆原有系统上进行适当的改装和布置；由于目前大部分车辆的电子系统中已经包含了各类传感器，因此可以直接利用而无需另行加装，从而降低了制造成本，且本发明的装置结构简单，开发成本低，具备较高的可行性；

2）可控性强：本发明装置首先判断车辆是否处于高速行驶状态，从而控制陀螺稳定器模块是否工作，即：在车辆行驶速度低于设定阈值时，陀螺稳定器模块处于待机状态，而只有当车辆行驶速度超过设定阈值、可能存在侧翻危险时，电子控制单元才会控制陀螺稳定器模块工作，从而降低了装置的能耗；此外，电子控制单元可以根据汽车侧翻危险程度的不同，通过PWM脉冲信号调控转子电机的转速以及旋进电机的转角，从而获取不同的抗侧倾力矩，因此可控性好；

3）防侧翻性能好：本发明充分利用了陀螺仪稳定器的优点，即：当转子电机带动陀螺转子其旋转轴高速旋转时，如果旋进电机通过旋进轴带动转子快速转过一定转角，则陀螺稳定器能在短时间内产生极大的抗侧倾力矩并作用于车体，从而起到稳定车辆的效果，且响应速度快、瞬时力矩大，符合对防侧翻装置的响应速度和力矩大小要求，达到理想的防侧翻效果；即使在车辆未发生侧翻时，也能起到一定的稳定车体的效果，提高了车辆的行驶稳定性。

附图说明

图1是本发明的基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置的结构示意图；

图2是本发明的基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置控制方法的流程图；

图3是本发明防侧翻装置安装在汽车上时的布置方式示意图；

其中，1-电源，2-陀螺稳定器壳体，3-陀螺转子保护壳，4-旋进电机及其控制电路，5-旋进轴，6-陀螺转子，7-警报器，8-电子控制单元，9-转子电机及其控制电路，10-变速机构，11-转动轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明公开了一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，包括侧翻检测模块、第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块、电源、警报器、电子控制单元；侧翻检测模块包括车速传感器、电子陀螺仪传感器，与电子控制单元8电气相连，用于检测车辆的行驶速度、侧翻信号，然后传递给电子控制单元8；第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块以汽车纵向轴呈镜面对称，且第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块安装在陀螺稳定器壳体2内部；第一、第二陀螺稳定器模块所包含的部件相同，均包括陀螺转子6、陀螺转子保护壳3、转动轴11、转子电机及其控制电路9、变速机构10、旋进电机及其控制电路4、旋进轴5。

如图3所示，陀螺稳定器壳体2连带第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块固定在汽车车体内部；第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块关于汽车纵向中轴线对称布置，分别位于汽车纵向轴两侧；其中陀螺转子6及其保护壳3均呈圆盘状，其中心轴线垂直于水平面，与转动轴11同轴设置。

转子电机及其控制电路9安装在陀螺转子保护壳3底部，与转动轴11通过变速机构10同轴设置，并与电子控制单元8和电源1电气相连；其中的转子电机通过变速机构10向转动轴11输出动能，从而带动陀螺转子6高速旋转；转子电机的控制电路用于接收来自电子控制单元8的控制信号，以及将电源1的供电电压转换为适合转子电机的工作电压，从而控制转子电机工作。

旋进电机及其控制电路4安装在陀螺稳定器壳体2上，通过旋进轴5与陀螺转子保护壳3相连，并与电子控制单元8和电源1电气相连；旋进电机用于带动旋进轴5及陀螺转子保护壳3旋转过某一角度；旋进电机控制电路用于接收来自电子控制单元8的控制信号，以及将电源1的供电电压转换为适合旋进电机的工作电压，从而控制旋进电机工作。

警报器7包括蜂鸣器、内部电源及其控制电路，与电子控制单元8电气相连；蜂鸣器用于向驾驶员发送警报，内部电源用于向蜂鸣器供电，控制电路用于接收来自电子控制单元8的信号。

电子控制单元8与车速传感器、电子陀螺仪传感器以及第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的转子电机控制电路、旋进电机控制电路电气相连；电子控制单元8接收来自传感器的车速信号以及侧倾状态信号，判断当前车辆的行驶状态以及侧翻危险性，然后向转子电机控制电路以及旋进电机控制电路发送控制信号，控制转子电机以及旋进电机的工作；电源1与转子电机控制电路以及旋进电机控制电路电气相连，用于向转子电机和旋进电机供电。

如图2所示，本发明还公开了一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：车速传感器采集车速模拟信号并传递给电子控制单元8，电子控制单元8将模拟信号转换为数字信号并与设定的车速阈值进行计较，

步骤1.1）当实际车速未超出车速阈值时，第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块、警报器7均处于不工作状态，车速传感器重新采集车速模拟信号；

步骤1.2）当实际车速超出了车速阈值时，执行步骤二；

步骤二：当实际车速超出了设定阈值时，电子控制单元8分别向第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的转子电机及其控制电路9发送PWM控制信号，使两转子电机开始工作，并通过变速机构10及转动轴11带动两陀螺转子6分别以相反的方向高速旋转，然后执行步骤三；

步骤三：电子陀螺仪传感器采集车辆的侧翻信号，并传递给电子控制单元8，电子控制单元8根据采集到的信号以及侧翻动力学因子判断当前车辆的侧翻趋势及其侧翻方向；

步骤3.1）当电子控制单元8判断出车辆没有侧翻趋势时，电子陀螺仪传感器继续采集车辆的侧倾角、侧向加速度信号，

步骤3.2）当电子控制单元8判断出车辆有侧翻趋势时，向第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的两旋进电机及其控制电路4发送控制信号，同时通过警报器7向驾驶员进行报警，然后执行步骤四；

步骤四：两旋进电机分别通过旋进轴5带动相应的陀螺转子6及其保护壳3以相反的方向快速转过所需的角度，从而使得两陀螺稳定器模块在短时间内输出同方向的抗侧倾力矩，与车辆的侧倾运动相对抗，达到防侧翻的效果。

如图3所示，图中箭头方向为车辆行驶的方向，本实施例中将第一陀螺稳定器模块（即图3中A）、第二陀螺稳定器模块（即图3中B）关于汽车纵向轴线对称布置，当汽车高速行驶时，电子控制单元8控制第一陀螺稳定器模块的转子电机带动陀螺转子按逆时针方向高速旋转，控制第二陀螺稳定器模块的转子电机带动陀螺转子按顺时针方向高速旋转，从而抵消掉部分干扰力矩。

从汽车尾部往头部看，当电子控制单元8检测到汽车有向左侧翻的趋势时，控制第一陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮倒退方向迅速旋转，控制第二陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮前进方向迅速旋转，使两陀螺稳定器模块均输出与汽车向左侧翻方向相反的抗侧翻力矩。

从汽车尾部往头部看，当电子控制单元8检测到汽车有向右侧翻的趋势时，控制第一陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮前进方向迅速旋转，控制第二陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮倒退方向迅速旋转，使两陀螺稳定器模块均输出与汽车向右侧翻方向相反的抗侧翻力矩。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，其特征在于，所述的装置包括侧翻检测模块，与侧翻检测模块电气连接的电子控制单元（8），与电子控制单元（8）分别通过电气连接的警报器（7）、第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块；所述的第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块还连接有电源（1）；所述的第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块以汽车纵向轴呈镜面对称，且第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块安装在陀螺稳定器壳体（2）内部；陀螺稳定器模块包括转动轴（11），与转动轴（11）同轴设置的陀螺转子（6），陀螺转子（6）外围安装有陀螺转子保护壳（3）；在陀螺转子保护壳（3）的底部，所述的转动轴（11）通过变速机构（10）同轴设置有转子电机及其控制电路（9）；所述的陀螺转子保护壳（3）水平方向还通过旋进轴（5）连接有旋进电机及其控制电路（4），所述的旋进电机及其控制电路（4）安装在陀螺稳定器壳体（2）外部；

所述的汽车防侧翻装置的防侧翻方法步骤如下：

步骤一：侧翻检测模块中的车速传感器采集车速模拟信号并传递给电子控制单元（8），电子控制单元（8）将模拟信号转换为数字信号并与设定的车速阈值进行计较；

步骤1.1）当实际车速未超出车速阈值时，第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块、警报器（7）均处于不工作状态，车速传感器重新采集车速模拟信号；

步骤1.2）当实际车速超出了车速阈值时，执行步骤二；

步骤二：当实际车速超出了设定阈值时，电子控制单元（8）分别向第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的转子电机及其控制电路（9）发送PWM控制信号，使两转子电机开始工作，通过变速机构（10）及转动轴（11）带动第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的陀螺转子（6）分别以相反的方向高速旋转，然后执行步骤三；

步骤三：电子陀螺仪传感器采集车辆的侧翻信号，并传递给电子控制单元（8），电子控制单元（8）根据采集到的信号以及侧翻动力学因子判断当前车辆的侧翻趋势及其侧翻方向；

步骤3.1）当电子控制单元（8）判断出车辆没有侧翻趋势时，电子陀螺仪传感器继续采集车辆的侧翻信号；

步骤3.2）当电子控制单元（8）判断出车辆有侧翻趋势时，分别向第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的旋进电机及其控制电路（4）发送控制信号，并通过警报器（7）向驾驶员进行报警，然后执行步骤四；

步骤四：第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的旋进电机工作，通过旋进轴（5）带动第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的陀螺转子（6）及其保护壳（3）分别以相反的方向旋转，使得两陀螺稳定器模块在短时间内输出同方向的抗侧倾力矩，与车辆的侧倾运动相对抗。

2.根据权利要求1所述的一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，其特征在于，所述的警报器（7）包括蜂鸣器、内部电源及其控制电路，与电子控制单元（8）电气相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，其特征在于，所述的陀螺转子（6）及陀螺转子保护壳（3）均呈圆盘状，其中心轴线垂直于水平面。

4.根据权利要求1所述的一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，其特征在于，所述的电子控制单元（8）分别与旋进电机及其控制电路（4）、转子电机及其控制电路（9）电气相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，其特征在于，所述电源（1）分别与旋进电机及其控制电路（4）、转子电机及其控制电路（9）电气相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，其特征在于，所述的侧翻检测模块包括车速传感器、电子陀螺仪传感器。

7.根据权利要求1所述的一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，其特征在于，所述的陀螺稳定器壳体（2）固定在汽车车体内部，安装时所述的第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块分别位于汽车纵向轴两侧，并且对称布置。

8.根据权利要求1所述的一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，其特征在于，所述的转子电机工作，通过变速机构（10）及转动轴（11）带动第一陀螺稳定器模块、第二陀螺稳定器模块中的陀螺转子以相反方向高速旋转；

所述的旋进电机工作，通过旋进轴（5）带动相应的陀螺转子（6）及陀螺转子保护壳（3）以相反的方向转动。

9.根据权利要求1所述的一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置，其特征在于，所述的步骤四中防侧翻具体执行操作为：

步骤4.1）从汽车尾部往头部看，当电子控制单元（8）检测到汽车有向左侧翻的趋势时，控制第一陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮倒退方向迅速旋转，控制第二陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮前进方向迅速旋转，使两陀螺稳定器模块均输出与汽车向左侧翻方向相反的抗侧翻力矩；

步骤4.2）从汽车尾部往头部看，当电子控制单元（8）检测到汽车有向右侧翻的趋势时，控制第一陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮前进方向迅速旋转，控制第二陀螺稳定器模块的旋进电机按车轮倒退方向迅速旋转，使两陀螺稳定器模块均输出与汽车向右侧翻方向相反的抗侧翻力矩。