JP5714100B2 - 床面運搬車両における転倒確率を求める方法 - Google Patents

Description

本発明は床面運搬車両における、例えばフォークリフトにおける、転倒確率を求める方法に関する。

先行技術
異なるメーカのフォークリフト（いわゆるＦＬＴ、英語ではFork-Lift-Truck）でも、車体は非常に似通った構造をしている。一般的な構造は、車体に固定的に取り付けられた前車軸を有する前車軸駆動装置と、スイングアクスルを備えた後車軸操舵装置とがあり、ほぼ完全にサスペンションがない（タイヤだけが弾性を有する）という構造である。操舵はふつう流体静力学的な操舵として行われる。つまり、操舵角が液圧式連結部材を介して車輪舵角に変換される。積荷フォークを有するマストは前車軸の前に取り付けられており、運転者は車軸の間に座る。ＦＬＴの駆動装置は、駆動トルクの他に、パワートレインを介して制動トルクも発生させる。４つの車輪すべてに作用する常用ブレーキはふつう設けられていない。

ＦＬＴは非常にコンパクトに、すなわち細く短く、構成されており、非常に操縦しやすく、大きな積荷を非常に高く持ち上げることができる。しかし、積荷を持ち上げる際に、また、特に傾いた道路の上を走行する際に、場合によって非常に高い転倒の危険性が生じる。というのも、フォーク上の積荷によってＦＬＴの全重心が大きく変位し、走行中のＦＬＴの静力学的および動力学的な転倒安定性が場合によって非常に大きく低下するからである。運転者はこのことをつねに予見できるわけではない。

本発明の枠内では、以下の概念および定義が使用される。
ｘ軸は走行方向を向いており、ｙ軸は前車軸に沿って走行方向に対して垂直右側に向う。ｚ軸はｘｙ平面に対して垂直下向き（右手系）である。ｘ軸（縦軸）回りの回転はロールと呼ばれ、ｙ軸（横軸）回りの回転はピッチと呼ばれ、ｚ軸（垂直軸／ヨー軸）回りの回転はヨーと呼ばれる。

フォークリフトの基礎を成す安定性モデルの詳細がはっきりと示されているDE 103 04 658 A1から、床面運搬車両の走行安定性を制御する装置と、床面運搬車両を駆動制御する方法とが公知である。センサ系を介して、荷重、マストおよびリフトフレームの傾き、積荷の揚程高さ、マストに作用する転倒力、縦方向および横方向で車両に作用する加速度が測定され、所定の限界値と比較される。運転者はこれらの走行状態に依存する限界値を恣意的に超えることはできないので、車両は通常、走行状態（カーブ走行、直進走行、登坂走行）に関係なく安定している。

転倒を回避するためには、必要に応じてより速く反応ができるように、転倒確率を求める方法を改善することが望ましい。

発明の開示
本発明によれば、請求項１に記載された特徴を備えた、床面運搬車両の転倒確率を求める方法が提案される。有利な実施形態は従属請求項と下記の説明の対象である。

発明の利点
本発明によれば、軸毎および／または側面毎に定義された転倒評価を行うことによって、床面運搬車両における転倒の危険性の算出を体系的に改善することができる。その際、車輪に作用する法線力が比較され、法線力に基づいて、有利にはロール確率とピッチ確率が転倒確率として算出される。この算出は特にｚ方向における力（法線力）に、４輪装置の場合には、例えばＦ_ZVR、Ｆ_ZVL（右前方、左前方の法線力）とＦ_ZHR、Ｆ_ZHL（右後方、左後方の法線力）に基づいている。従属請求項には、所定のロール確率とピッチ確率を求めるための、特に好ましい式が示されている。これらの式は非常に簡単な形をしているが、それでも非常に有効な転倒評価をもたらす。

別の有利な実施形態では、所定の転倒確率に反応して、転倒に対抗する介入が自動的に行われる。有利には、転倒の危険を回避または無くすために、床面運搬車両のｘ方向およびｙ方向における目標加速度が求められる。これにより、明らかに動作安全性を向上させることができる。人間および／または機械の被害は回避される。ある実施形態では、許容されないフォーク高さとマスト傾斜を防ぐために、マスト駆動の制限値を設けてもよい。介入として、走行速度も制限してよい。

本発明のその他の利点および実施形態は、以下の説明と添付図面とから明らかとなる。

もちろん、以上に示された、そして以下でさらに説明される特徴は、示された各組合せにおいてだけでなく、他の組合せまたは単独でも、本発明の範囲を外れることなく使用可能である。

本発明は実施例に基づいて図面に概略的に図示されており、以下では、図面を参照して詳しく説明される。

カウンタバランスフォークリフトを側面図で概略的に示す。 本発明の有利な実施形態による制御回路の一例を示す。 本発明の有利な実施形態の流れを概略的に示す。

以下では、カウンタバランスフォークリフトに関して本発明を説明するが、これは純粋に例示的なものである。強調しておくが、本発明を実現するには、説明されるモデルを他の床面運搬車両に適用することも可能である。

図１には、運転者キャビン２と、前車軸４を有する車体と、操舵可能な後車軸６、例えばスイングアクスルと、後車軸６の領域に配置されたカウンタバランス８とを有するカウンタバランスフォークリフト１（以下ではＦＬＴとも）が側面から図示されている。以下では、座標系の原点は前車軸の中心にあると仮定する。図１には、そこから生じる座標軸ｘ、ｙおよびｚが記入されている。

ＦＬＴの前面には、傾斜軸１２回りに傾動可能なマスト１４を備えたリフトフレーム１０が支承されている。マスト１４の傾斜角ａの調節は、例えば車両フレームとマスト１４にジョイントによって取り付けられた２つの傾斜シリンダ１６を有する傾斜装置を介して行われる。枠状のマストにフォーク１７が変位可能にガイドされている。ここで、揚程高さｈ_Gは概略的に示されているリフトシリンダ１８によって調節可能である。ＦＬＴ１はさらに制御ユニット２０を有している。制御ユニット２０は車両制御部として組み込まれていてもよいし、外部モジュールとして形成されていてもよい。制御ユニット２０は本発明を実行するように構成されている。

以下ではまず、後の説明の出発点として役立つ簡単に実行可能な推定を説明する。フォークリフトの種々の値の算出に関する更なる詳細については、明示的にDE 103 04 658 A1を参照されたい。

走行平面（ｘｙ）上で、ＦＬＴの準静的な運動軌跡を操舵および駆動の影響により生じる運動の動的な信号成分から分離できるように、ヨーレートセンサと加速度センサとを有するいわゆるセンサキューブによって空間の各方向においてＦＬＴの運動状態を測定することが提案される。これにより、縦方向および横方向における道路傾斜を推定することができる。これらの推定値は有利には後で説明するモデル計算に使用することができる。

空のＦＬＴの測定から、ＦＬＴ重心の位置（ｘ_FLT、ｙ_FLT、ｚ_FLT）を求めることができる。そのために例えば斜面とロードセルを軸荷重の算出に利用してもよい。つまり、このような算出は特に比較的低いコストで実行することができる。以下では、ＦＬＴを点質量ｍ_FLTと見なしてよい。さらに、ＦＬＴの垂直軸回りの慣性トルクＪ_zzFLTを測定し、それを既知として前提してよい。

フォーク荷重ｍ_Lastとフォーク荷重の重心位置は、上で説明したように、推定されるか、またはDE 103 04 658 A1に従って求められる。これにより、２つの重心を有する２つの質量を持つＦＬＴ全体モデルが得られる。ＦＬＴ全体モデルは全質量ｍ_Gesamtと全重心位置と全慣性トルクとにまとめることができる。

全質量ｍ_Gesamtは
ｍ_Gesamt＝ｍ_Last＋ｍ_FLT
と求められる。
前車軸までのｘ重心距離ｘ_Gesamtは
ｘ_Gesamt＝（ｍ_FLT・ｘ_FLT−ｍ_Last・ｘ_Last）／ｍ_Gesamt
と求められる。
全重心の原点からの垂直距離ｚ_Gesamtは
ｚ_Gesamt＝（ｍ_FLT・ｚ_FLT＋ｍ_Last・ｚ_Last）／ｍ_Gesamt
と求められる。
ＦＬＴの垂直軸回りの全慣性トルクＪ_zzGesamtは
Ｊ_zzGesamt＝Ｊ_zzFLT＋ｍ_Last・ｘ_Last ²
と求められる。

以下では、各車輪における法線力は例えばセンサ信号から、また以下において例として説明される計算モデルに基づいて推定することができる。

ＦＬＴは特別に実現されたサスペンションを有していない。つまり、後方のスイングアクスルはＦＬＴ車体にバネなしでリンクされており、ＦＬＴの前輪は車体に直接固定的に取り付けられている。したがって、ＦＬＴ車体は３点で、つまり、前輪とスイングアクスルの連結部とにおいて機械的に固定されている。ＦＬＴのロール角とピッチ角が測定されれば、これらの方向における道路傾斜が推定され、ヨーレートｖ_Giと横加速度および縦加速度ａ_y、ａ_xが測定される。それゆえ、ＦＬＴ車体の力の和とトルクの和から、スイングアクスルの連結部における横方向力および法線力Ｆ_QHおよびＦ_ZHと同様に、前輪における法線力Ｆ_ZVLおよびＦ_ZVRを求めることができる：

前輪における法線力は次のように求められる。
Ｆ_ZVR＝１／２・［（Ｆ_ZVL＋Ｆ_ZVR）−（Ｆ_ZVL−Ｆ_ZVR）］
Ｆ_ZVL＝［（Ｆ_ZVL＋Ｆ_ZVR）−Ｆ_ZVR］
後輪における法線力Ｆ_ZHLおよびＦ_ZHRは次のように求められる。
Ｆ_ZHL＝Ｆ_QH・ｈ_PG／ｓ_wH＋Ｆ_ZH／２
Ｆ_ZHR＝Ｆ_ZH−Ｆ_ZHL
パラメータ：
ｍ：ＦＬＴの全質量［ｋｇ］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ²］
ｌ_H：後車軸から重心までの縦方向距離［ｍ］
ｌ_V：前車軸から重心までの縦方向距離［ｍ］
ａ_x：縦加速度［ｍ／ｓ²］
ｈ_S：地面から重心までの高さ［ｍ］
ｈ_P：スイングアクスルの連結部から重心までの高さ［ｍ］
ｈ_PG：地面からスイングアクスルの連結部までの高さ［ｍ］
ｓ_wV：前輪輪距［ｍ］
ｓ_wH：後輪輪距［ｍ］
Ｊ_yy：ピッチ方向の慣性トルク［ｋｇｍ²］
Ｊ_xx：ロール方向の慣性トルク［ｋｇｍ²］
φ_R：ロール角［ｒａｄ］
φ：ロール方向における道路傾斜［ｒａｄ］
ψ_P：ピッチ角［ｒａｄ］
ψ：ピッチ方向における道路傾斜［ｒａｄ］
ｖ_Gi：ヨーレート

これは車輪における法線力を求める好ましい方法である。しかしもちろん、法線力は基本的に他の方法でも求めることはできる。例えば、上記式の縮減または拡張によっても求めることができる。

本発明によれば、ＦＬＴは或る１つの軸においては早めに傾くが、その一方で他の軸ではまだ地面に着いているという傾向をもつことが分かった。それゆえ、転倒確率ここではロール確率は、下記の好適な関係式に従って有利には軸毎に、例えば前車軸の場合はＲ_QVAとして、後車軸の場合はＲ_QHAとして求められる。
Ｒ_QVA＝（Ｆ_ZVR−Ｆ_ZVL）／（Ｆ_ZVR＋Ｆ_ZVL）
Ｒ_QHA＝（Ｆ_ZHR−Ｆ_ZHL）／（Ｆ_ZHR＋Ｆ_ZHL）

縦方向においても、転倒確率の、ここではピッチ確率の同様の評価を行うことができる。その際、ピッチ確率Ｒ_LLを有するＦＬＴ左側面は、ピッチ確率Ｒ_LRを有するＦＬＴ右側面とは別個に評価される。
Ｒ_LL＝（Ｆ_ZVL−Ｆ_ZHL）／（Ｆ_ZVL＋Ｆ_ZHL）
Ｒ_LR＝（Ｆ_ZVR−Ｆ_ZHR）／（Ｆ_ZVR＋Ｆ_ZHR）

同様に、全ピッチ確率Ｒ_Lも求められる。
Ｒ_L＝（Ｆ_ZVL＋Ｆ_ZVR−Ｆ_ZHL−Ｆ_ZHR）／（Ｆ_ZVL＋Ｆ_ZVR＋Ｆ_ZHL＋Ｆ_ZHR）

求められた転倒確率のうちの１つが１に近い値に達すると、少なくとも１つの車輪に非常に小さな法線力のみが作用するので、ＦＬＴが転倒しそうであることが分かる。求められた転倒確率の大きさがゼロに近いままならば、転倒の危険性はない。

有利な実施形態では、転倒に対抗する介入は自動的に行われる。例えば、補正介入の必要性は転倒危険性の値が１に近いことから導き出される。閾値として、例えばＲ_QMax＝０．９の値を使用することができる。ここで、このような値が観察される持続時間を例えば適切なフィルタアルゴリズムを介して介入開始の定義に入れるとまた有利である。この場合、介入開始をトリガするには、所定の時間にわたって高い転倒危険性が求められていなければならない。

介入があまりに早期にオフになるのを防ぐために、有利には時間依存性も同様に制御終了の条件に入る。さもなければ、オン・オフ条件が振動するせいで、高い転覆確率でＦＬＴの揺動に至ることがある。さらに、介入オフ閾値（例えば０．８）を介入オン閾値（例えば０．９）よりも低く設定することも可能である。

上に挙げた式は例えば目標変数について、ここでは例えば許容される最大の横加速度ａ_yLimVAまたはａ_yLimHAについて解くことができる。このために、所望の値Ｒ_QVALimまたはＲ_QHALimが例えば固定値として、またはスライドしながら実際値に適合する時間的に可変の値として設定される：

有利な実施形態では、横加速度値の小さい方が選択され、限界値の形成のために参照される。
ａ_yLim＝ｍｉｎ｛ａ_yLimVA；ａ_yLimHA｝

別の有利な実施形態では、横加速度は、例えば操舵介入および／または駆動介入によって、決められた限界値を超えないように制御される。

本発明によれば、横加速度制御の有効性を改善できることが確かめられた。例えば、前進時のＦＬＴの動特性は横加速度の制御可能性を低くする。すなわち、横加速度制御回路の増幅係数を非常に大きく選択することができない。それゆえ、有利な実施形態では、ＦＬＴのヨーレートｖ_Giに関する第２の制御回路が形成される。この場合、副制御回路としてＦＬＴの準静的な運動特性を増幅して形成するというタスクは、このヨーレート制御回路に移される。これにより、ヨーレート制御の目標値ｖ_GiSoは、ＦＬＴの横滑り角の勾配が小さいという仮定の下で、
ｖ_GiSo＝ａ_ySo／ｖ
となる。ここで、ｖはＦＬＴの縦速度である。

ヨーレートに関する制御回路は付加的に運動特性の動的成分を調整するのに特に役立つ。

以下に、図２を参照して制御回路の一例を示す。図２には、横加速度ａ_yとヨーレートｖ_Giを制御する制御回路構造２００が概略的に示されている。この目的で、制御回路２００には相応する目標値ａ_ySollおよびｖ_GiSollが目標変数として供給される。これらの目標値はそれぞれ比較ユニットに供給され、比較ユニットにはさらにその時点の実際値ａ_yまたはｖ_Giが制御変数として供給される。比較ユニットはそれぞれの制御偏差を求める。

横加速度制御偏差は横加速度制御ユニット２０１に供給され、ヨーレート偏差はヨーレート制御ユニット２０２に供給される。両制御ユニットはそれぞれ操作変数、例えば操舵運動を求める。これらの操作変数は加算され、場合によっては外乱変数Ｌ_wと共に印加され、横加速度制御プラント２０３とヨーレート制御プラント２０４に供給される。制御プラントから得られた実際値ａ_yまたはｖ_Giは、既に述べたように、それぞれの目標変数との比較のために制御変数として考慮される。

横加速度ａ_yに関する以上の説明は適宜縦加速度ａ_xにも当てはまる。本発明の実施形態では、道路の傾斜、荷重および荷重重心位置に基づいて、ピッチ確率の式を反転させることにより、許容される縦角速度ａ_xLimが求められ、例えば駆動介入を介して、実際の縦加速度がこの値に制限される。

任意選択的には、マストが下ろされた状態でないことが確認された場合、走行速度は有利には低い値に制限される。積荷確認の際に、フォーク上に積荷があることが確認された場合、積荷は現在の（求められた）道路傾斜において特定の揚程高さを超えるとＦＬＴの転覆をもたらし兼ねないので、揚程高さが有利には適宜制限される。これは例えば、マストがクリティカルな高さまで行けないように、マストの操作弁の相互接続を制限することにより行われる。代替的または付加的に、運転席の運転者に荷重の危険な状態を例えば光または音によって通知してもよい。

図３に基づいて、本発明の有利な実施形態の流れを概略的に説明する。ブロック３０１では、必要なパラメータが求められる、例えば推定または測定される。これらのパラメータには、縦方向および横方向の道路傾斜が属している。縦方向および横方向の道路傾斜は例えば重心信号から推定することができる。さらに、持ち上げられるフォーク荷重とフォーク積荷の大きさが求められる。これは例えばマスト信号に基づいて推定することができる。これらと特に別の可変の値とに基づいて、ブロック３０２において、積荷が積載されたＦＬＴの全重心位置が求められる。

ブロック３０３では、それぞれの車輪に作用する（ここでは４つの）法線力が求められる。ブロック３０４では、上で説明したように、法線力に基づいて、例えばロール確率とピッチ確率のような種々の転倒確率Ｒが求められる。

ステップ３０５では、所定の閾値との比較により、求められた転倒確率が評価される。その際、それぞれの転倒確率が第１閾値を超えた時間の長さと回数も考慮してよい。この評価において、転覆の危険性がないことが確認されると、方法は出発点３０１に戻る。

しかし、転覆の危険性があることが確認された場合には、ステップ３０６において、転倒に対抗する介入が自動的に実行される。この介入はとりわけ、上で説明したように、横加速度および／または縦加速度および／またはヨーレートを制御するものであってよい。

続くステップ３０７では、例えば求められた転倒確率が第２閾値を下回っているか否かをチェックすることによって、決められた転覆条件がさらに成立しているか否かがチェックされる。第１および第２閾値はとりわけ異なっていてよい。さらに転倒条件が成立している場合には、さらに介入３０６が実行され、条件が成立していなければ、出発点３０１に戻る。ステップ３０７での判定の際にも、振動を防ぐために、有利には、第２閾値を下回っている時間の長さが考慮される。

Claims (9)

1. 少なくとも４つの車輪を有する床面運搬車両（１）の転倒確率を求める方法であって、
   前記床面運搬車両（１）の直進方向をｘ方向、車軸方向をｙ方向、鉛直方向をｚ方向とし、
   前記床面運搬車両（１）のロール角およびピッチ角を測定することにより、ｘ方向およびｙ方向における道路傾斜を推定し、
   ヨーレート（ｖ _Gi ）、横加速度（ａ _y ）および縦加速度（ａ _x ）を測定することにより、少なくとも２つの車輪について、それぞれｚ方向に作用する法線力（Ｆ_ZVL、Ｆ_ZHL）を求め、
   少なくとも２つの法線力（Ｆ_ZVL、Ｆ_ZHL）を比較し、比較結果に基づいて前記床面運搬車両（１）の転倒確率を求め、
   求めた転倒確率を閾値と比較し、当該比較結果に基づいて、転倒に対抗する介入を自動的に行い、
   前記比較の際にさらに、求めたそれぞれの転倒確率が前記閾値を上回っている時間の長さと回数も考慮する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記床面運搬車両（１）のロール確率を求めるために、前車軸（４）および／または後車軸（６）における法線力を比較する、請求項１に記載の方法。
3. 前記前車軸（４）に関してのロール確率Ｒ_QVAおよび／または前記後車軸（６）に関してのロール確率Ｒ_QHAを、
   Ｒ_QVA＝（Ｆ_ZVR−Ｆ_ZVL）／（Ｆ_ZVR＋Ｆ_ZVL）
   Ｒ_QHA＝（Ｆ_ZHR−Ｆ_ZHL）／（Ｆ_ZHR＋Ｆ_ZHL）
   として求め、ここで、
   Ｆ_ZVR、Ｆ_ZVLは右前方、左前方における法線力であり、
   Ｆ_ZHR、Ｆ_ZHLは右後方、左後方における法線力である、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記床面運搬車両（１）のピッチ確率を求めるために、右側面および／または左側面における法線力（Ｆ_ZVL、Ｆ_ZHL）を比較する、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 左側面に関してのピッチ確率Ｒ_LLおよび／または右側面に関してのピッチ確率Ｒ_LRを、
   Ｒ_LL＝（Ｆ_ZVL−Ｆ_ZHL）／（Ｆ_ZVL＋Ｆ_ZHL）
   Ｒ_LR＝（Ｆ_ZVR−Ｆ_ZHR）／（Ｆ_ZVR＋Ｆ_ZHR）
   として求め、ここで、
   Ｆ_ZVR、Ｆ_ZVLは右前方、左前方における法線力であり、
   Ｆ_ZHR、Ｆ_ZHLは右後方、左後方における法線力である、
   請求項４に記載の方法。
6. 全ピッチ確率Ｒ_Lを、
   Ｒ_L＝（Ｆ_ZVL＋Ｆ_ZVR−Ｆ_ZHL−Ｆ_ZHR）／（Ｆ_ZVL＋Ｆ_ZVR＋Ｆ_ZHL＋Ｆ_ZHR）
   として求め、ここで、
   Ｆ_ZVR、Ｆ_ZVLは右前方、左前方における法線力であり、
   Ｆ_ZHR、Ｆ_ZHLは右後方、左後方における法線力である、
   請求項４に記載の方法。
7. 介入として、前記後車軸（６）および／または前車軸（４）に関して、横加速度（ａ_y）および／または縦加速度（ａ_x）を制御する、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. さらにヨーレート（ｖ_Gi）を制御する、請求項７に記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成された計算ユニット（２０）。

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