专利名称：一种轮式装载机侧倾翻预测的方法
技术领域：
本发明涉及铰接式车辆倾翻预测方法，尤其是涉及一种轮式装载机侧倾翻预测的方法。
背景技术：
伴随我国经济建设的发展，我国工程 车辆发展异常迅速，其中轮式装载机是典型量大、面广的工程车辆，而工程车辆倾翻(包括侧倾翻、前后倾翻)事故比例高、危害大，其中又以轮式装载机尤为突出。对于轮式装载机来讲，在实际应用中常使用翻车保护结构(Roll-Over Protect Structure,R0PS)来抵御倾翻给驾驶员带来的危害。翻车保护结构，是指车辆驾驶室在翻车时受到巨大的冲击载荷，其翻车保护结构应具有足够的侧向刚度来阻止其变形，同时又要能够吸收一定的能量，减小事故给驾驶员带来的危害([l]Kenneth
F. Orlowski Crash Tests---The influence of Roof Strength on Injury Mechanics, SAE
paper 851734)。但翻车保护结构只是被动防御倾翻带来的危害，并不能从根本上防止倾翻的发生，所以才有了倾翻主动防御的出现。倾翻主动防御是借助于车上的各种传感器、电脑和其他一些电子装置来实现的，通过倾翻主动防御最大限度的避免倾翻的发生。其中应用广泛的有Time To Roll (以下简称TTR，对倾翻发生时间的预测)预警机制；其原理通常都是通过测量当前各种运动参数，对比倾翻参考模型，预测未来时间段的倾翻危险来达到主动预防倾翻([2]Chen, B. ,Peng, H. Rollover Warning For Articulated Vehicles Based on ATime-To-Rollover Metric[C]. Proceedings of the 1999ASME International Congressand Exposition, Knoxville, TN, Novemberl999)0该方法能提供提前预警功能并具备一定的精确性。上述方法存在以下缺点现有公路车辆倾翻预警算法以及预警参考模型不能应用于轮式装载机，因为当系统工作时，系统的参考模型是假设车辆的结构和质心不变，而实际情况是轮式装载机在工作时结构发生变化，质心变化无规律，使得公路车辆的倾翻预警算法以及预警参考模型应用到轮式装载机上并不适用。中国专利200710064320. 3提供了一种车辆防侧翻惯性测量及控制方法，该方法所采用的装置包括一个微观形测量单元和传统速度仪表，可自主计算车辆防侧翻系数，自动发出提示信息以及执行制动控制指令，但由于公路车辆具有轮式装载机所不具有的悬挂结构，而轮式装载机本身具有摆动式驱动桥这类特殊结构，两者差异明显，并且轮式装载机翻车事故中还有部分是倾翻而不是侧翻，因而上述发明专利并不适用于轮式装载机这类工程车辆。现有技术中存在的技术缺陷，成为本领域技术人员急待解决的一个重要技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种在轮式装载机工作时，能实时监测轮式装载机运动参数及计算倾翻危险指标，达到主动预防倾翻危险的轮式装载机侧倾翻预测的方法。
本发明的技术方案为一种轮式装载机倾翻预测方法，所采用的装置包括三轴陀螺仪、胎压传感器、倾角传感器、传统速度仪表、数据采集系统和数据处理器；将三轴陀螺仪固装在轮式装载机前车架与后车架之间的铰接点处，将胎压传感器固装在轮胎气门上，将倾角传感器安装在铰接点处，速度仪表直接采用驾驶室的传统速度仪表，数据采集系统和数据处理器设于轮式装载机的控制电路中；三轴陀螺仪、胎压传感器、倾角传感器和速度仪表分别均与轮式装载机的控制电路电信号连接。本发明包括以下步骤I)静止状态下标定三轴陀螺仪的Z轴零偏，消除陀螺仪零偏重复性误差；2)由车辆仪表盘输出车辆速度，倾角传感器读出铰接点转角，以计算车辆转弯半径，以及离心加速度大小以及方向，在车辆自身坐标系中用向量表示出该加速度；3)由三轴陀螺仪输出参数计算原重力方向相对车辆自身的转角，并在车辆坐标系中表示出重力加速度方向；4)将重力加速度和离心加速度矢量相加，得出加速度向量值；5)建立车辆动力学方程，通过胎压传感器采集到的数据计算出四个车轮法向作用力，结合步骤4)中的加速度向量值，求出车辆质量大小以及车辆质心坐标值；6)计算倾翻面法向量值以及倾翻轴线坐标值；7)由车辆瞬时转向半径和车速计算出未来某时刻后的车辆坐标系相对当前车辆的旋转和平移量，从而计算出未来重力加速度向量值；8)将步骤7)得到的重力加速度向量值与步骤2)中的离心加速度经矢量合成，求得未来合力矢量值；9)求出各个面的稳态余量角与安全阈值S ^比较，当稳态余量角Sn <5°时即表明存在倾翻危险，应采取相应措施；10)按设定的时间间隔，重新采集数据，跳转到步骤I)循环开始。在步骤5)中，质心坐标值的确定由轮式装载机四轮法向力以及通过轮式装载机动力学翻转模型计算得，再通过步骤9)中求出稳态余量角，所述稳态余量角由下述表达式求得，稳态余量角用来反映轮式装载机倾翻的危险状态
权利要求
1.一种轮式装载机侧倾翻预测的方法，其特征在于所采用的装置包括三轴陀螺仪、胎压传感器、倾角传感器、传统速度仪表、数据采集系统和数据处理器；将三轴陀螺仪固装在轮式装载机前车架与后车架之间的铰接点处，将胎压传感器固装在轮胎气门上，将倾角传感器安装在铰接点处，速度仪表直接采用驾驶室的传统速度仪表，数据采集系统和数据处理器设于轮式装载机的控制电路中；三轴陀螺仪、胎压传感器、倾角传感器和速度仪表分别均与轮式装载机的控制电路电信号连接，所述预测方法包括以下步骤 1)静止状态下标定三轴陀螺仪的Z轴零偏，消除陀螺仪零偏重复性误差； 2)由车辆仪表盘输出车辆速度，倾角传感器读出铰接点转角，以计算车辆转弯半径，以及离心加速度大小以及方向，在车辆自身坐标系中用向量表示出该加速度； 3)由三轴陀螺仪输出參数计算原重力方向相对车辆自身的转角，并在车辆坐标系中表示出重力加速度方向； 4)将重力加速度和离心加速度矢量相加，得出加速度向量值； 5)建立车辆动力学方程，通过胎压传感器采集到的数据计算出四个车轮法向作用力，结合步骤4)中的加速度向量值，求出车辆质量大小以及车辆质心坐标值； 6)计算倾翻面法向量值以及倾翻轴线坐标值； 7 )由车辆瞬时转向半径和车速计算出未来某时刻后的车辆坐标系相对当前车辆的旋转和平移量，从而计算出未来重力加速度向量值； 8)将步骤7)得到的重力加速度向量值与步骤2)中的离心加速度经矢量合成，求得未来合力矢量值； 9)求出各个面的稳态余量角与安全阈值ら比较，当稳态余量角Sn<5°时即表明存在倾翻危险，应采取相应措施； 10)按设定的时间间隔，重新采集数据，跳转到步骤I)循环开始。
2.如权利要求I所述的ー种轮式装载机侧倾翻预测的方法，其特征在于所述的步骤5)中，车辆质心坐标值的确定由轮式装载机四轮法向力以及通过轮式装载机动力学翻转模型计算得，再通过步骤9)中求出稳态余量角，所述稳态余量角由下述表达式求得，稳态余量角用来反映轮式装载机倾翻的危险状态 T-T=arcsm^^r-90 = !,2.3.4 b I 式中，向量歹为重力和惯性カ合力方向，向量^为某个倾翻面的法向量，ん为向量尹和的夹角，即为稳态余量角；当Sn<5°时，表示装载机即将发生倾翻，系统报警提示。
3.如权利要求I所述的ー种轮式装载机侧倾翻预测的方法，其特征在于在步骤10)中，所述设定的时间间隔为0. Is。
全文摘要
一种轮式装载机侧倾翻预测的方法，涉及铰接式车辆倾翻预测方法。提供一种在轮式装载机工作时，能实时监测轮式装载机运动参数及计算倾翻危险指标，达到主动预防倾翻危险的轮式装载机侧倾翻预测的方法。在车体上建立坐标系，利用车辆仪表盘测得车速，结合铰接点夹角计算出车辆离心加速度，由三轴陀螺仪计算出车辆相对中立加速度转角，从而在车辆坐标系中表示出中立加速度，并由离心加速度重力加速度求出和加速度。采集四个轮的支持力，结合车辆动力学方程，由X-Y轴动平衡关系计算出车辆质心坐标以及整车质量。定义质心和车辆倾翻时的转动轴线倾翻面，该转动轴线倾翻面的法向量和加速度夹角减去90度为稳态余量角，故可作为评判依据。
文档编号E02F9/24GK102767208SQ20121028538
公开日2012年11月7日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者叶添杰, 李聪, 盛世岳, 祝青园, 谢文怡, 陈浩宇 申请人:厦门大学