專利名稱：用于保持材料搬運車輛的動態穩定性的系統和方法
技術領域：
本發明涉及工業卡車領域，具體地說，涉及用于具有升降叉的材料搬運車輛的動態穩定性控制系統。
背景技術：
一種改進材料搬運車輛的穩定性的方法包括實施車輛靜止時的靜態重心(CG) 分析，以及因此限定車輛工作參數(例如，最大速度和轉向角度)。然而，該靜態標定沒有動 態地考慮到車輛的運動、提升高度或環境因素的改變，這些環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(ABS)以改變車輛的轉彎能力。這些現有技術的方法僅 僅考慮到二維車輛運動(前進-倒車和轉彎)，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保持材料搬運車輛的穩定性的方法，其考慮到車輛運動 和負重所施加的復雜CG變化。
發明內容
本發明通過一種用于改進材料搬運車輛的動態穩定性的系統和方法來克服現有 方法的缺點，該材料搬運車輛能夠動態地評估車輛穩定性并作出響應而調整車輛工作。該 方法包括分析動態車輛性質，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穩定性的方法。 該方法包括在所述車輛運動的時間間隔內，連續地計算所述車輛的動態重心參數，其中， 動態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重 心參數來連續地計算車輪負重，以及基于計算出的和預測出的車輪負重和重心參數來調整 車輛工作參數以保持車輛動態穩定性。本發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、可轉向的車輪、轉向控制機構、以及制動器。該材料搬運車輛還包括穩定性控制 系統，該穩定性控制系統具有構造成測量動態車輛性質的多個傳感器、傳感器輸入處理電 路、構造成存儲靜態車輛性質的車輛存儲器。控制系統還包括穩定性計算機、車輛控制計算 機、以及構造成根據上述方法來保持車輛穩定性的多個車輛功能控制器。從下面詳細描述和附圖中，本發明的各個其它特征將會變得顯而易見。
圖1是采用根據本發明的穩定性控制系統的升降式叉車的立體圖；圖2是根據本發明的用于保持材料搬運車輛的動態穩定性的控制系統的示意圖；圖3是闡述了根據本發明的用于評估和保持材料搬運車輛的動態穩定性的步驟的流程圖；圖4A-4C是根據本發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是示出了根據本發明的、與重心位置相關的車輛穩定性的示意圖。
具體實施例方式本發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穩定性的系統 和方法。通常，在車輛運動的時間段內計算車輛的車輪負重和動態CG參數，然后基于該算 出的車輛負重和CG參數、以及預測的車輛負重和CG參數來調節車輛工作參數。現在參見附圖，具體參見圖1，示出了包括本發明在內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”。 現在參見圖2，示出了根據本發明的、構造成保持車輛動態穩定性的控制系統34 的一個實施例。控制系統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車輛性質的信號，這些動態車輛性質諸如速度、 方向、轉向角度、地面等級、傾斜度、負重、提升位置和側移。例如，傳感器陣列36可采用用 來測量車輛速度的發動機控制器、轉速計或編碼器；從轉向控制電路接受反饋以測量轉向 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40，該車輛計算機系統40包括穩定性CPU42、車輛存儲器44、 以及車輛控制計算機46，它們一起分析靜態車輛性質和動態車輛性質以評估車輛穩定性。 基于所評估的車輛穩定性來改變車輛工作參數，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調整車輛致動器、電動機和顯示系統50的工作以保持車輛穩 定性。例如，所調節的車輛工作參數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動機58 ；顯示 控制器60和顯示器62，其將車輛工作參數中的當前或之前變化傳達給駕駛員；以及轉向功 能控制器68，其控制轉向電動機70以限制轉向角度。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34來保持車輛動態穩定性。用 于保持動態車輛穩定性的方法開始于流程框100，將車輛數據輸入車輛計算機系統40。從 車輛存儲器44中取回的車輛數據可包括諸如空車的重量和CG、軸距、車輪寬度和構造之類 的靜態車輛性質。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。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，則在流程框112和114相應地輸入滑架位置和車輛傾斜角度。現在參見圖3和4，在流程框116，基于流程框100處輸入的靜態車輛性質、以及諸 如流程框102、104、112和114輸入的動態車輛性質，通過穩定性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并降低車輛穩定性。在判 斷框118，假如車輛被認為是穩定的，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到轉彎車輪28的距離A、從Q到負 重車輪30的距離B、以及轉彎車輪28與負重車輪30的轉動軸線之間的距離L。從這些距 離和在流程框124處輸入的轉向角度θ，可使用下列公式來計算行進方向角度α和轉彎半 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系統通知駕駛員，并在流程框111調整車輛工作以保持 車輛穩定性。例如，計算機系統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傳達給駕駛員來調整車輛工作。有利的是，本發明還通過基于所測出的 動態車輛性質中的趨勢來預測未來的CG參數和車輪負重、以及因此調整車輛工作參數，來 改進車輛動態穩定性。參見圖3和5，在流程框132，將在流程框84處確定的CG位置與穩定CG位置的范 圍作比較。可以設想，這可通過將CG位置200定位在與車輛穩定性的可能CG位置范圍有關 的穩定性示圖202內來實現。應能注意到，穩定性示圖202用于具有兩個轉彎車輪28和兩 個負重車輪30的四輪材料搬運車輛。穩定性示圖202可包括較佳區域204、受限區域206 和不合需要區域208，它們的尺寸取決于系統工作參數。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定性要求，因此減小較佳區域204的尺寸。在流程框134，對所 測出的動態車輛性質、CG參數和車輪負重中的趨勢進行分析并預測未來的車輛穩定性。例 如，這可通過分析CG位置200的趨勢以確定進入受限區域206的可能性來實現，或者可通 過分析車輪負重趨勢以確保它們保持在穩定界限內來實現。為了充分模擬未來的車輛穩定 性，可以設想的是，以約每秒十次的頻率來計算CG參數和車輪負重。在流程框136，將車輛工作規則輸入計算機系統，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定性相關的參數與車輛工作規則作比較，從而確 定是否應作出響應來調整車輛工作參數。在判斷框140，假如判斷出應調整車輛工作參數， 則在流程框110通知駕駛員，而在流程框111，控制系統規定車輛工作參數中的合適變化以 保持車輛穩定性。例如，假如車輛負重落在車輛工作規則所規定的最小閾值下方，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定性的隨之減小。可以設想，還可通過限 制轉向角度、提升高度或車輛速度來改進車輛的動態穩定性。除了所算出的CG參數和車輛負重之外，還可對車輛所投影的可能力矢量進行分 析以保持車輛動態穩定性。加速的車輛投影出一個近似等于車輛質量(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，該力矢量通常可被車輛重量抵 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。因此，本發明可分 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則所規定的閾值，就調整 車輛工作。本發明提供用于保持車輛動態穩定性的另一方法。可模擬諸如車輛速度或方向中 的突變之類的低穩定性情況，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、車輪負重和力矢量落在較佳范圍之外，則可調整車輛工作參數以改進潛在的低 穩定性情況中的車輛穩定性。
已經根據所示的實施例來描述了本發明，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，任何改變都在本發明的精神和范圍之內。可以設想，可采用附加 的傳感器和車輛性質來進一步改進車輛穩定性。相反，也可從本發明中去除某些車輛性質 以及測量和處理該車輛性質所用的相關硬件，從而降低系統成本和復雜性。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穩定性的方法，所述方法包括a)在所述車輛運動的時間間隔內，連續地計算所述車輛的動態重心參數，其中，動態重心的垂直位置取決于垂直提升器的位置；b)基于計算出的動態重心參數來連續地計算車輪負重；以及c)基于計算出的車輪負重和重心參數來調整車輛工作參數，從而保持車輛動態穩定性。
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和車輪負重，以及基 于所預測的重心參數和車輪負重來調整車輛工作參數，從而保持車輛穩定性。
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，調整車輛工作參數以保持穩定性。
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地確定車輛的穩定性。
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，每秒多次地 計算所述動態重心參數和車輛負重。
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)產生較佳重心位置的范圍；c)ii)將所確定的動態重心位置與所述較佳重心位置的范圍作比較；以及c)iii)調整車輛工作參數，從而防止未來的動態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)產生穩定車輪負重的范圍；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)調整車輪工作參數，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 態車輛性質和動態車輛性質。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述靜態車輛性質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，所述動態車輛性質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、滑架側移位置、伸展位置、集電剪位置、轉 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、可轉向的車輪、轉向控 制機構、以及改進的穩定性控制系統，所述穩定性控制系統包括多個傳感器，所述傳感器感測動態車輛性質，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車輛性質；CPU，所述CPU根據權利要求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車輛性質。
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、側移傳感器、伸展幅度傳感器、提升位置傳 感器、以及轉向角傳感器。
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；以及轉向功能控制器，所述轉 向功能控制器構造成限制轉向。
全文摘要
本發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穩定性的系統和方法。該方法允許在保持運動的材料搬運車輛的動態穩定性時考慮到靜態車輛性質和動態工作參數，這些靜態車輛性質諸如車輛重量、軸距和車輪構造，這些動態工作參數諸如車輛速度、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、車輪負重和投影力矢量，以及響應于其而調整車輛工作參數以保持車輛穩定性。
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 優先權日2009年3月27日
發明者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