專利名稱：用于保持材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)卡車領域，具體地說，涉及用于具有升降叉的材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。
背景技術：
一種改進材料搬運車輛的穩(wěn)定性的方法包括實施車輛靜止時的靜態(tài)重心(CG) 分析，以及因此限定車輛工作參數(shù)(例如，最大速度和轉(zhuǎn)向角度)。然而，該靜態(tài)標定沒有動 態(tài)地考慮到車輛的運動、提升高度或環(huán)境因素的改變，這些環(huán)境因素諸如駕駛路面的等級。其它用于改進用戶車輛所共有的車輛穩(wěn)定性的方法包括計算車輛運動過程中的 車輛CG，以及采用防抱死制動系統(tǒng)(ABS)以改變車輛的轉(zhuǎn)彎能力。這些現(xiàn)有技術的方法僅 僅考慮到二維車輛運動(前進-倒車和轉(zhuǎn)彎)，而沒有例如考慮到車輛運動時由于負重升降 而造成的三維CG變化。因此希望有一種用于動態(tài)保持材料搬運車輛的穩(wěn)定性的方法，其考慮到車輛運動 和負重所施加的復雜CG變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過一種用于改進材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法來克服現(xiàn)有 方法的缺點，該材料搬運車輛能夠動態(tài)地評估車輛穩(wěn)定性并作出響應而調(diào)整車輛工作。該 方法包括分析動態(tài)車輛性質(zhì)，諸如速度、行進方向、加速度、地面等級、負重、提升位置，還包 括預測車輪負重和三維重心位置。本發(fā)明提供一種用于保持具有垂直提升器的材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性的方法。 該方法包括在所述車輛運動的時間間隔內(nèi)，連續(xù)地計算所述車輛的動態(tài)重心參數(shù)，其中， 動態(tài)重心的垂直位置主要取決于垂直提升器的位置。該方法還包括基于計算出的動態(tài)重 心參數(shù)來連續(xù)地計算車輪負重，以及基于計算出的和預測出的車輪負重和重心參數(shù)來調(diào)整 車輛工作參數(shù)以保持車輛動態(tài)穩(wěn)定性。本發(fā)明還提供一種材料搬運車輛，該材料搬運車輛包括機動化的垂直提升器、牽引電動機、可轉(zhuǎn)向的車輪、轉(zhuǎn)向控制機構、以及制動器。該材料搬運車輛還包括穩(wěn)定性控制 系統(tǒng)，該穩(wěn)定性控制系統(tǒng)具有構造成測量動態(tài)車輛性質(zhì)的多個傳感器、傳感器輸入處理電 路、構造成存儲靜態(tài)車輛性質(zhì)的車輛存儲器?？刂葡到y(tǒng)還包括穩(wěn)定性計算機、車輛控制計算 機、以及構造成根據(jù)上述方法來保持車輛穩(wěn)定性的多個車輛功能控制器。從下面詳細描述和附圖中，本發(fā)明的各個其它特征將會變得顯而易見。


圖1是采用根據(jù)本發(fā)明的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的升降式叉車的立體圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于保持材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)的示意圖；圖3是闡述了根據(jù)本發(fā)明的用于評估和保持材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性的步驟的流程圖；圖4A-4C是根據(jù)本發(fā)明的用于三輪材料搬運車輛的自由體受力圖的不同圖，可采 用這些圖來計算車輛重心和車輪負重；以及圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的、與重心位置相關的車輛穩(wěn)定性的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種用于保持具有垂直提升器的材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng) 和方法。通常，在車輛運動的時間段內(nèi)計算車輛的車輪負重和動態(tài)CG參數(shù)，然后基于該算 出的車輛負重和CG參數(shù)、以及預測的車輛負重和CG參數(shù)來調(diào)節(jié)車輛工作參數(shù)?，F(xiàn)在參見附圖，具體參見圖1，示出了包括本發(fā)明在內(nèi)的材料搬運車輛或升降式叉 車10的一個實施例。材料搬運車輛10包括駕駛室12，駕駛室12包括本體14，本體14具 有供駕駛員出入的開口 16。駕駛室12包括控制手柄18，該控制手柄18在駕駛室12的前 部、靠近垂直提升器19和承載負重21的叉架20處安裝至本體14。升降式叉車10還包括 底板開關22，該底板開關22定位在駕駛室12的底板24上。還有方向盤26設置在駕駛室 12中，位于其所控制的轉(zhuǎn)彎車輪28上方。升降式叉車10包括靠近叉架20和垂直提升器 21處的兩個負重車輪30。盡管示例示出的材料搬運車輛10是駕駛員呈前后站立姿態(tài)的升 降式叉車，但是對于熟悉本領域的技術人員來說顯而易見的是，本發(fā)明并不局限于這種類 型的車輛，而是也可設置在其它類型的材料搬運和升降車輛構造中。為了簡明起見，下文中 將材料搬運車輛簡稱為“車輛”，并在材料搬運車輛承載負重時簡稱為“負重車輛”。 現(xiàn)在參見圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的、構造成保持車輛動態(tài)穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)34 的一個實施例?？刂葡到y(tǒng)34包括連接至傳感器輸入處理電路38的一個陣列的傳感器36，這 些傳感器一起構造成獲取并處理描述動態(tài)車輛性質(zhì)的信號，這些動態(tài)車輛性質(zhì)諸如速度、 方向、轉(zhuǎn)向角度、地面等級、傾斜度、負重、提升位置和側(cè)移。例如，傳感器陣列36可采用用 來測量車輛速度的發(fā)動機控制器、轉(zhuǎn)速計或編碼器；從轉(zhuǎn)向控制電路接受反饋以測量轉(zhuǎn)向 角度的電位計；用來測量負重的測壓元件、液壓傳感器或應變儀；用來測量提升高度的編 碼器；或者用來測量傾斜度、側(cè)移、伸展幅度和地面等級的三軸加速計。傳感器輸入處理電 路38連接至車輛計算機系統(tǒng)40，該車輛計算機系統(tǒng)40包括穩(wěn)定性CPU42、車輛存儲器44、 以及車輛控制計算機46，它們一起分析靜態(tài)車輛性質(zhì)和動態(tài)車輛性質(zhì)以評估車輛穩(wěn)定性。 基于所評估的車輛穩(wěn)定性來改變車輛工作參數(shù)，將這些改變從車輛控制計算機46通信至 功能控制器48，功能控制器48調(diào)整車輛致動器、電動機和顯示系統(tǒng)50的工作以保持車輛穩(wěn) 定性。例如，所調(diào)節(jié)的車輛工作參數(shù)可由以下裝置來接收提升功能控制器52，其啟動電動 機54以改變提升位置；行進功能控制器56，其將最大速度限制傳遞至車輛發(fā)動機58 ；顯示 控制器60和顯示器62，其將車輛工作參數(shù)中的當前或之前變化傳達給駕駛員；以及轉(zhuǎn)向功 能控制器68，其控制轉(zhuǎn)向電動機70以限制轉(zhuǎn)向角度。車輛控制計算機還可包括制動功能控 制器64和制動器66以調(diào)整車輛速度。參見圖3，可采用以上的升降式叉車10和控制系統(tǒng)34來保持車輛動態(tài)穩(wěn)定性。用 于保持動態(tài)車輛穩(wěn)定性的方法開始于流程框100，將車輛數(shù)據(jù)輸入車輛計算機系統(tǒng)40。從 車輛存儲器44中取回的車輛數(shù)據(jù)可包括諸如空車的重量和CG、軸距、車輪寬度和構造之類 的靜態(tài)車輛性質(zhì)。在流程框102和104，從傳感器陣列36和傳感器輸入處理電路38向計算機系統(tǒng)40相應地輸入負重和滑架高度。然后在流程框106計算剩余容量，從而確定例如車 輛位置和負重之類的車輛容量是否在容許界限內(nèi)。在判斷框108，假如判斷出已超過車輛容 量，則在流程框110通知駕駛員，并在流程框111可限制車輛工作。假如車輛容量在容許界 限內(nèi)，則在流程框112和114相應地輸入滑架位置和車輛傾斜角度。現(xiàn)在參見圖3和4，在流程框116，基于流程框100處輸入的靜態(tài)車輛性質(zhì)、以及諸 如流程框102、104、112和114輸入的動態(tài)車輛性質(zhì)，通過穩(wěn)定性CPU來計算負重車輛CG。 例如，圖4所示的自由體受力圖(FBD)示出了用XraJra和Zra標示的CG相對于三輪材料搬 運車輛的轉(zhuǎn)彎車輪和負重車輪的位置，還示出了 CG處的負重W。應能注意到，Yra強烈地取 決于負重和提升位置，在升高的提升高度處的較重負重會提高CG并降低車輛穩(wěn)定性。在判 斷框118，假如車輛被認為是穩(wěn)定的，則在流程框120輸入車輛速度，并在判斷框122評估 車輛運動。假如車輛在運動，則在流程框124輸入轉(zhuǎn)向角度，并在流程框126輸入駕駛員命 令。在流程框128，計算車輛運動對車輪負重的影響。例如，可再次參見圖4的FBD來 計算三輪車輛的車輪負重，圖4示出了從車輛中心線Q到轉(zhuǎn)彎車輪28的距離A、從Q到負 重車輪30的距離B、以及轉(zhuǎn)彎車輪28與負重車輪30的轉(zhuǎn)動軸線之間的距離L。從這些距 離和在流程框124處輸入的轉(zhuǎn)向角度θ，可使用下列公式來計算行進方向角度α和轉(zhuǎn)彎半 徑r 然后分別使用下列公式來計算法向加速度an和切向加速度at 其中，ν是當前車輛速度，V0是上次測出的車輛速度，t是兩個速度測量值之間的 時間。然后可以使用這些值并通過分析圖3的FBD來產(chǎn)生描述車輪負重的下列等式
公式
6 ；以及
公式 7 ；其中U是橫向地面角，YF是前后地面角，如同在流程框114所確定的那樣。在 這種情況下，Nd是轉(zhuǎn)彎車輪的負重，Nli是左負重車輪的負重，Nl2是右負重車輪的負重。參見圖3，在判斷框130，判斷車輪負重是否容許。假如不容許，例如車輪負重接近 零或另一預定閾值，則在流程框110系統(tǒng)通知駕駛員，并在流程框111調(diào)整車輛工作以保持 車輛穩(wěn)定性。例如，計算機系統(tǒng)40可通過限制或降低車輛速度并將這些變化通過顯示控制 器60和顯示器62傳達給駕駛員來調(diào)整車輛工作。有利的是，本發(fā)明還通過基于所測出的 動態(tài)車輛性質(zhì)中的趨勢來預測未來的CG參數(shù)和車輪負重、以及因此調(diào)整車輛工作參數(shù)，來 改進車輛動態(tài)穩(wěn)定性。參見圖3和5，在流程框132，將在流程框84處確定的CG位置與穩(wěn)定CG位置的范 圍作比較?？梢栽O想，這可通過將CG位置200定位在與車輛穩(wěn)定性的可能CG位置范圍有關 的穩(wěn)定性示圖202內(nèi)來實現(xiàn)。應能注意到，穩(wěn)定性示圖202用于具有兩個轉(zhuǎn)彎車輪28和兩 個負重車輪30的四輪材料搬運車輛。穩(wěn)定性示圖202可包括較佳區(qū)域204、受限區(qū)域206 和不合需要區(qū)域208，它們的尺寸取決于系統(tǒng)工作參數(shù)。例如，需要高的最高速度的應用場 合可采用較為嚴格的車輛穩(wěn)定性要求，因此減小較佳區(qū)域204的尺寸。在流程框134，對所 測出的動態(tài)車輛性質(zhì)、CG參數(shù)和車輪負重中的趨勢進行分析并預測未來的車輛穩(wěn)定性。例 如，這可通過分析CG位置200的趨勢以確定進入受限區(qū)域206的可能性來實現(xiàn)，或者可通 過分析車輪負重趨勢以確保它們保持在穩(wěn)定界限內(nèi)來實現(xiàn)。為了充分模擬未來的車輛穩(wěn)定 性，可以設想的是，以約每秒十次的頻率來計算CG參數(shù)和車輪負重。在流程框136，將車輛工作規(guī)則輸入計算機系統(tǒng)，在流程框138，將例如所預測的 車輪負重或CG位置之類的與未來車輛穩(wěn)定性相關的參數(shù)與車輛工作規(guī)則作比較，從而確 定是否應作出響應來調(diào)整車輛工作參數(shù)。在判斷框140，假如判斷出應調(diào)整車輛工作參數(shù)， 則在流程框110通知駕駛員，而在流程框111，控制系統(tǒng)規(guī)定車輛工作參數(shù)中的合適變化以 保持車輛穩(wěn)定性。例如，假如車輛負重落在車輛工作規(guī)則所規(guī)定的最小閾值下方，則可限制 車輛速度以防止車輛負重的進一步減小和車輛穩(wěn)定性的隨之減小?？梢栽O想，還可通過限 制轉(zhuǎn)向角度、提升高度或車輛速度來改進車輛的動態(tài)穩(wěn)定性。除了所算出的CG參數(shù)和車輛負重之外，還可對車輛所投影的可能力矢量進行分 析以保持車輛動態(tài)穩(wěn)定性。加速的車輛投影出一個近似等于車輛質(zhì)量(包括負重)乘以車 輛加速度的力。該力矢量居中于CG處且沿行進方向投影，該力矢量通?？杀卉囕v重量抵 消。然而，假如投影的力矢量超出車輛重量，則可能需要修改車輛參數(shù)。因此，本發(fā)明可分 析所投影的力矢量中的趨勢，并且假如該力矢量超出車輛工作規(guī)則所規(guī)定的閾值，就調(diào)整 車輛工作。本發(fā)明提供用于保持車輛動態(tài)穩(wěn)定性的另一方法?？赡M諸如車輛速度或方向中 的突變之類的低穩(wěn)定性情況，并在這種情況下預測車輛CG、車輪負重和力矢量。假如所模擬的CG參數(shù)、車輪負重和力矢量落在較佳范圍之外，則可調(diào)整車輛工作參數(shù)以改進潛在的低 穩(wěn)定性情況中的車輛穩(wěn)定性。
已經(jīng)根據(jù)所示的實施例來描述了本發(fā)明，熟悉本領域的技術人員將容易地認識 至IJ，可對諸實施例作改變，任何改變都在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)?？梢栽O想，可采用附加 的傳感器和車輛性質(zhì)來進一步改進車輛穩(wěn)定性。相反，也可從本發(fā)明中去除某些車輛性質(zhì) 以及測量和處理該車輛性質(zhì)所用的相關硬件，從而降低系統(tǒng)成本和復雜性。因此，熟悉本領 域的技術人員可作出許多修改，而不脫離所附權利要求書的精神和范圍。
權利要求
一種保持具有垂直提升器的材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性的方法，所述方法包括a)在所述車輛運動的時間間隔內(nèi)，連續(xù)地計算所述車輛的動態(tài)重心參數(shù)，其中，動態(tài)重心的垂直位置取決于垂直提升器的位置；b)基于計算出的動態(tài)重心參數(shù)來連續(xù)地計算車輪負重；以及c)基于計算出的車輪負重和重心參數(shù)來調(diào)整車輛工作參數(shù)，從而保持車輛動態(tài)穩(wěn)定性。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括預測重心參數(shù)和車輪負重，以及基 于所預測的重心參數(shù)和車輪負重來調(diào)整車輛工作參數(shù)，從而保持車輛穩(wěn)定性。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，還包括在車輛速度或車輛行進方向可能突 變的情況下，調(diào)整車輛工作參數(shù)以保持穩(wěn)定性。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟b)還包括基于車輛速度和行進方 向中的可能突變來計算由車輛所投影的力矢量，所述步驟c)還包括基于計算出的由車輛 所投影的可能力來連續(xù)地確定車輛的穩(wěn)定性。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述車輛運動的時間間隔內(nèi)，每秒多次地 計算所述動態(tài)重心參數(shù)和車輛負重。
6.如權利要求2所述的方法，其特征在于，計算出的重心參數(shù)包括下列至少一項重心 位置、重心處的行進方向角、以及重心處的轉(zhuǎn)彎半徑。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括 c)i)產(chǎn)生較佳重心位置的范圍；c)ii)將所確定的動態(tài)重心位置與所述較佳重心位置的范圍作比較；以及c)iii)調(diào)整車輛工作參數(shù)，從而防止未來的動態(tài)重心位置掉出所述較佳重心位置的范圍。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括 c)iv)產(chǎn)生穩(wěn)定車輪負重的范圍；c) ν)將所確定的車輪負重與較佳車輪負重的范圍作比較；c)vi)調(diào)整車輪工作參數(shù)，從而防止未來的車輪負重掉出所述較佳車輪負重的范圍。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述車輛是叉車、伸展式起重機或貨物裝卸 機中的一種。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述計算出的重心位置和車輪負重基于靜 態(tài)車輛性質(zhì)和動態(tài)車輛性質(zhì)。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述靜態(tài)車輛性質(zhì)包括下列至少一項空 車重量、軸距、車輪寬度和構造、以及空車重心。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述動態(tài)車輛性質(zhì)包括下列至少一項行 進速度、加速度、負重、叉架傾斜度、立柱傾斜度、滑架側(cè)移位置、伸展位置、集電剪位置、轉(zhuǎn) 向角、地面等級、以及坡度。
13.一種材料搬運車輛，包括機動化的垂直提升器、牽引電動機、可轉(zhuǎn)向的車輪、轉(zhuǎn)向控 制機構、以及改進的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，所述穩(wěn)定性控制系統(tǒng)包括多個傳感器，所述傳感器感測動態(tài)車輛性質(zhì)，所述傳感器中的每個傳感器提供對應于 所感測的車輛性質(zhì)的信號；傳感器輸入處理電路，用于接收所述信號中的至少一個信號；車輛存儲器，所述車輛存儲器構造成存儲靜態(tài)車輛性質(zhì)；CPU，所述CPU根據(jù)權利要求1的步驟來處理所述信號；以及多個車輛工作控制器，所述車輛工作控制器由所述CPU來控制，并對車輛工作參數(shù)進 行控制。
14.如權利要求13所述的材料搬運車輛，其特征在于，所述多個傳感器構造成在所述 車輛運動時每秒多次地測量動態(tài)車輛性質(zhì)。
15.如權利要求14所述的材料搬運車輛，其特征在于，所述多個傳感器包括下列至少 一項速度傳感器、方向傳感器、傾斜度傳感器、側(cè)移傳感器、伸展幅度傳感器、提升位置傳 感器、以及轉(zhuǎn)向角傳感器。
16.如權利要求13所述的材料搬運車輛，其特征在于，所述多個車輛工作控制器包括 下列至少一項提升功能控制器，所述提升功能控制器構造成控制所述垂直提升器的位置； 行進功能控制器，所述行進功能控制器構造成控制所述車輛的行進速度；顯示控制器，所述 顯示控制器構造成對顯示車輛工作信息的顯示器進行控制；以及轉(zhuǎn)向功能控制器，所述轉(zhuǎn) 向功能控制器構造成限制轉(zhuǎn)向。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于保持具有垂直提升器的材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法。該方法允許在保持運動的材料搬運車輛的動態(tài)穩(wěn)定性時考慮到靜態(tài)車輛性質(zhì)和動態(tài)工作參數(shù)，這些靜態(tài)車輛性質(zhì)諸如車輛重量、軸距和車輪構造，這些動態(tài)工作參數(shù)諸如車輛速度、地面等級、提升位置和負重。該方法可包括每秒多次地計算和預測重心參數(shù)、車輪負重和投影力矢量，以及響應于其而調(diào)整車輛工作參數(shù)以保持車輛穩(wěn)定性。
文檔編號B60W40/10GK101844559SQ201010155638
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權日2009年3月27日
發(fā)明者A·博爾迪尼, P·F·費因尼根, P·P·麥克凱博, S·斯多曼 申請人:雷蒙德股份有限公司