專利名稱：工程車輛及其安全轉向預警裝置、方法
技術領域：
本發明涉及車輛安全報警裝置領域，更具體地，涉及一種工程車輛及其安全轉向預警裝置、方法。
背景技術：
工程車輛(例如混凝土攪拌運輸車)上經常裝載有被運輸對象(例如混凝土)，且需要長距離行駛。由于工程車輛在行駛狀態下重量大、重心較高，因此，在轉向時難于控制合理的轉彎半徑，容易發生傾翻的問題。

發明內容
本發明旨在提供一種工程車輛及其安全轉向預警裝置、方法，以解決現有技術中工程車輛在轉彎時難于控制合理的轉彎半徑，容易發生傾翻的問題。為解決上述技術問題，根據本發明的第一個方面，提供了一種工程車輛的安全轉向預警裝置，工程車輛與地面之間具有多個支撐點，多個支撐點圍成支撐區域，工程車輛的重力與工程車輛的向心力形成合力，當合力的延伸方向穿過支撐區域的邊緣時，合力為臨界合力，安全轉向預警裝置包括控制器，控制器獲取工程車輛的重力和實時轉彎半徑，并根據工程車輛的臨界合力、向心力及重力之間的夾角關系，得到工程車輛的臨界轉彎半徑； 當實時轉彎半徑與臨界轉彎半徑的差小于設定值時，控制器發出報警信號；提示單元，與控制器電連接，提示單元根據報警信號執行預定的操作。進一步地，控制器還根據工程車輛的參考最高安全行駛速度得到工程車輛的安全轉彎半徑，然后再根據安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑得到安全轉向系數，提示單元接收并輸出安全轉向系數。進一步地，安全轉向系數是安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑的比值，或比值的修正值。進一步地，重力是工程車輛的車體所產生的重力和工程車輛所運載的被運輸對象所產生的重力的和。進一步地，實時轉彎半徑是根據工程車輛的底盤結構和轉向輪擺角而得到的。根據本發明的第二個方面，提供了一種工程車輛，包括安全轉向預警裝置，該安全轉向預警裝置是上述的安全轉向預警裝置。根據本發明的第三個方面，提供了一種工程車輛的安全轉向預警方法，工程車輛與地面之間具有多個支撐點，多個支撐點圍成支撐區域，工程車輛的重力與工程車輛的向心力形成合力，當合力的延伸方向穿過支撐區域的邊緣時，合力為臨界合力獲取工程車輛的重力，并根據工程車輛的臨界合力、向心力及重力之間的夾角關系，得到工程車輛的臨界轉彎半徑；獲取工程車輛的實時轉彎半徑；當實時轉彎半徑與臨界轉彎半徑的差小于設定值時，發出報警信號。進一步地，安全轉向預警方法還包括根據工程車輛的參考最高安全行駛速度得到工程車輛的安全轉彎半徑，然后再根據安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑得到安全轉向系數，并輸出安全轉向系數。進ー步地，安全轉向系數是安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑的比值，或比值的修正值。進ー步地，實時轉彎半徑是根據工程車輛的底盤結構和轉向輪擺角而得到的。本發明可根據臨界狀態下的工程車輛的重力與向心力之間的夾角關系，確定臨界轉彎半徑，并在實時轉彎半徑與臨界轉彎半徑的差小于設定值時發出報警，從而避免發生傾翻的問題。


構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進ー步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中圖I示意性示出了混凝土攪拌運輸車的各部分的質量及質心的示意圖；圖2示意性示出了混凝土攪拌運輸車的總質量及質心的示意圖；圖3示意性示出了產生向心力時的混凝土攪拌運輸車的重力與支撐區域之間的關系不意圖；圖4示意性示出了交點位于支撐區域內時的示意圖；圖5示意性示出了交點位于支撐區域外時的示意圖；以及圖6示意性示出了本發明中的安全轉向預警裝置的一個優選實施例的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。作為本發明的第一個方面，提供了ー種工程車輛的安全轉向預警裝置，工程車輛與地面之間具有多個支撐點，多個支撐點圍成支撐區域。其中，工程車輛的重力與工程車輛的向心力形成合力，當合力的延伸方向穿過支撐區域的邊緣時，合力為臨界合力。安全轉向預警裝置包括控制器，控制器獲取工程車輛的重力和實時轉彎半徑，并根據工程車輛的臨界合力、向心力及重力之間的夾角關系，得到工程車輛的臨界轉彎半徑； 當實時轉彎半徑與臨界轉彎半徑的差小于設定值時，控制器發出報警信號；提示単元，與控制器電連接，提示単元根提示単元根據報警信號執行預定的操作(例如聲音提示信息、屏幕顯示信息、聲光報警信息、限制進ー步提速或轉向角度等)。優選地，實時轉彎半徑可以是根據工程車輛的輪胎的角度得到。可采用多種方法對實時轉彎半徑進行檢測，例如可以分別檢測轉向盤(即方向盤)轉角、轉向輪擺角或轉向傳動機構變化(如轉向節臂、轉向橫拉桿位置等)等。另外，由于轉向輪的不同的懸架結構或轉向動カ等特點，為實現轉彎半徑的測量，可以有多種方法。下面以檢測轉向盤轉角和轉向輪擺角的方式為例，對如何測得實時轉彎半徑進行說明。(I)檢測轉向盤轉角
轉向盤(即方向盤)作為轉向器的前置端，是駕駛員直接接觸的裝置。具體地說， 可通過旋轉編碼器測量直接連接轉向盤的轉向軸的轉角，通過“轉向器角傳動比”的換算可以獲取輪胎擺角量。例如，在轉向軸上同軸地設置有齒輪，該齒輪與編碼器通過齒輪嚙合， 于是，當轉向軸轉動時，編碼器就可測得轉向軸的角度，然后通過下式換算即可得到轉向輪擺角。其中，I1為轉向器轉角傳動比，I2為編碼器對轉向盤的傳動比，Θ $是編碼器測量轉角值是轉向輪擺角，即輪胎轉角(轉向搖臂擺角)。(2)測量轉向輪擺角轉向器通過轉向搖臂輸出動力，通過左右“轉向橫拉桿”帶動輪胎聯動，實現車輛轉向。因此，可以利用固定在底盤支架上的位置傳感器檢測該連續的變化，通過下式換算獲取實時轉向角。Θ 擺=G (X)其中，X是傳感器測量值；G是換算關系，其與底盤結構及傳感器安裝位置(和傳感器測量初值)有關；Θ _是轉向輪擺角。在上述(I)和⑵的基礎上，根據底盤結構和測得的轉向輪擺角即可得到實時轉彎半徑。例如，可利用下式換算出底盤整車實時轉彎半徑R。R = HU1, η2... ηη，Θ 擺)其中，Il1, ilf η η是與底盤結構相關的參數；Η是關于R和Θ s的映射關系；尺是整車的實時轉彎半徑。注以上各公式都是在時間上連續變化的，如Θ 是Θ擺⑴和R(t)的簡寫。優選地，實時轉彎半徑也可以從工程車輛的底盤中讀取，該底盤可以實時檢測轉彎半徑，當然還可以通過其它方式得到。例如，底盤自身已經檢測了實時轉彎半徑，則可通過與底盤ECU (電控單元)建立通訊而直接獲取實時轉彎半徑。優選地，控制器根據預先存儲的工程車輛的結構參數(例如整車的架構、各部件的安裝位置、質量和大小等，還可以是輪間距、高度等)得出工程車輛的質心的位置。重力包括工程車輛的車體所產生的重力和工程車輛所運載的被運輸對象所產生的重力。下面，以混凝土攪拌運輸車為例，對安全轉向預警裝置的原理進行說明。如圖I所示，混凝土攪拌運輸車包括底盤、水箱和物料，其中，底盤的質量為Ml、水箱的質量為M3、物料的質量為M2。因此，如圖2所示，混凝土攪拌運輸車的總質量為M，且M = M1+M2+M3 公式(I)特別地，Μ、Ml、M2、M3是矢量,既表示質量的大小，也表示質心的位置。其中，底盤的質量Ml是不變的，物料的質量M2和水箱的質量M3可能是不同的(例如，每次裝入的物料和水的量不同)。底盤的質量和質心可以通過底盤的結構參數直接運算獲得。物料和水箱的質量和質心也可以根據傳感器測量得到的相關數據經過計算獲取，從而得到整車的質量和質心。進一步地，可將水箱的質量認為是不變的，并將其計入底盤的質量當中，則公式
(I)可簡化成M = M1+M2 公式(2)
由于混凝土攪拌運輸車的質量較大，因此在正常的轉彎過程中，其行駛速度不會突變，可視為勻速運動，則根據下述向心力的公式⑶和⑷可以在已知向心力的情況下反推出轉彎半徑F向心=MXa 公式(3)a = V2/R 公式⑷其中F向心為轉彎時的向心力；M為混凝土攪拌運輸車的總重量；R為轉彎半徑；V是行駛速度；a是向心力加速度。圖3示出了產生向心力時的混凝土攪拌運輸車的重力與支撐區域之間的關系示意圖，其中，LF表示左前輪胎、RF表示右前輪胎、LB表示右后輪胎、RB表示右后輪胎，左前輪胎、右前輪胎、右后輪胎和右后輪胎與地面的接觸點(即支撐點)共同限定出了該混凝土攪拌運輸車的支撐區域。在產生向心力吋，向心力F向心與混凝土攪拌運輸車的重力G的合力為F合，合力F合所在的直線與支撐區域所在平面之間的交點為P。在圖4所示的情況下，向心力!^心較小， 交點P位于支撐區域之內，此時，工程車輛(例如混凝土攪拌運輸車)的行駛是穩定的，不會發生傾翻。在圖5所示的情況下，向心力!^心較大，交點P位于支撐區域之外，此時，混凝土攪拌運輸車的行駛狀態是不穩定的，可能發生傾翻的風險。當交點P位于支撐區域的邊緣時，工程車輛處于臨界狀態。特別地，導致向心力!^心較大的原因可能是轉彎速度過大或轉彎半徑過小等。在確定工程機械的重力及支撐區域的情況下，可以確定臨界合力的方向，從而可以確定出臨界合力與重力之間的夾角。由于重力是已知的，因此可以通過夾角反推出臨界向心力的大小。然后，在測得工程機械的行駛速度的基礎上，通過公式(3)和公式(4)，便能得到臨界轉彎半徑。當混凝土攪拌運輸車的實際轉彎半徑大于該臨界轉彎半徑時，可安全行駛；當實際轉彎半徑小于該臨界轉彎半徑時，可能發生傾翻的問題。優選地，可以把臨界轉彎半徑通過提示単元報告給操作人員，例如，提示単元可以是語音提示器，也可以是顯示屏。這樣，操作人員就可以根據臨界轉彎半徑對工程車輛的操作進行預先判斷，并合理控制轉彎半徑的大小，以確保安全行駛。優選地，安全轉向預警裝置還包括用于測量與被運輸對象的質量相對應的物理量的檢測單元。例如，該物理量是被運輸對象的質量或被運輸對象的液面高度等。特別地，當直接測量被運輸對象的質量時，可預先通過統計得到每個質量所對應的質心的位置，這樣即可通過測得的質量得知質心的位置。另外，當被運輸對象是類似于混凝土的物質時，由于其液位與質量之間存在一定的映射關系，因此通過測量被運輸對象的液面的高度，也可間接獲得被運輸對象的質量。在一個優選的實施例中，控制器還根據工程車輛的參考最高安全行駛速度得到エ 程車輛的安全轉彎半徑，然后再根據安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑得到安全轉向系數，提示単元接收并輸出安全轉向系數。在僅提示臨界轉彎半徑的情況下，對于不同的工程車輛
6來說，操作人員需要進行的操作是不同的。例如，對于同樣的轉彎半徑，ー輛車需要采取的措施可能是將方向盤旋轉第一角度，而對另ー輛車來說，則可能需要將方向盤旋轉第二角度，其中，第一角度和第二角度是不同的。也就是說，在相同的臨界轉彎半徑的情況下，不同的工程車輛需要進行不同的操作，這就會給操作人員的操作帶來不便。本發明采用安全轉向系數來表明目前的安全狀態，這樣，對應于相同的安全轉向系數，操作人員可以采用相同的操作(例如使方向盤轉過相同的角度)，從而保證了操作的統ー性和規范性，給操作人員帶來了很大方便，也進ー步提高了轉彎的安全性。特別地，可以采用多種方法由安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑得到安全轉向系數，例如，安全轉向系數是安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑的比值，或所述比值的修正值(修正方式包括比例、限幅、離散化等)。當安全轉向系數是安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑的比值時，安全轉向系數是ー個大于I的數，其數值越大，表明安全性越高。圖6給出了本發明中的安全轉向預警裝置的一個優選實施例的結構示意圖。如圖 6所示，安全轉向預警裝置包括多個傳感器，該多個傳感器與控制器的輸入端ロ連接，控制器的輸出端ロ與至少ー個指示單元連接。安全轉向預警裝置還包括存儲單元，在該存儲單元內存儲有上述的結構參數。工作時，控制器通過上述多個傳感器獲得混凝土攪拌運輸車的速度和與被運輸對象的質量相對應的物理量，然后結合存儲單元內存儲的結構參數實時計算出臨界轉彎半徑和安全轉向系數，并根據安全轉向系數的值，通過指示単元向操作人員發出相應的提示信息。作為本發明的第二個方面，提供了ー種工程車輛，包括安全轉向預警裝置，該安全轉向預警裝置是上述的安全轉向預警裝置。當然，被運輸對象可以是混凝土，也可以是其它被運輸的物料或機械設備等。特別地，工程車輛是混凝土攪拌運輸車。當然，本發明中的安全轉向預警裝置不僅可以用于裝載有被運輸對象的工程機械，也可以是未裝載被運輸對象的工程機械。另外，還可適用于其它非工程車輛。在上述實施例的基礎上，作為本發明的第三個方面，提供了ー種工程車輛的安全轉向預警方法，工程車輛與地面之間具有多個支撐點，多個支撐點圍成支撐區域，工程車輛的重力與工程車輛的向心力形成合力，當合力的延伸方向穿過支撐區域的邊緣時，合力為臨界合力獲取工程車輛的重力，并根據工程車輛的臨界合力、向心力及重力之間的夾角關系，得到工程車輛的臨界轉彎半徑；當實時轉彎半徑與臨界轉彎半徑的差小于設定值時，發出報警信號。優選地，重力是工程車輛的車體所產生的重力和工程車輛所運載的被運輸對象所產生的重力的和。這樣，在確定工程機械的重力及支撐區域的情況下，可以確定臨界合力的方向，從而可以確定出臨界合力與重力之間的夾角。由于重力是已知的，因此可以通過夾角反推出臨界向心力的大小。然后，在測得工程機械的行駛速度的基礎上，通過公式(3)和公式(4)， 便能得到臨界轉彎半徑。當工程車輛的實際轉彎半徑大于該臨界轉彎半徑時，可安全行駛； 當實際轉彎半徑小于該臨界轉彎半徑時，可能發生傾翻的問題。接著，可以把臨界轉彎半徑通過提示単元報告給操作人員，例如，提示単元可以是語音提示器，也可以是顯示屏。這樣， 操作人員就可以根據臨界轉彎半徑對工程車輛的操作進行預先判斷，并合理控制轉彎半徑的大小，以確保安全行駛。優選地，安全轉向預警方法還包括根據工程車輛的參考最高安全行駛速度得到工程車輛的安全轉彎半徑，然后再根據安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑得到安全轉向系數， 并輸出安全轉向系數。優選地，安全轉向系數是安全轉彎半徑與臨界轉彎半徑的比值，或所述比值的修正值。優選地，實時轉彎半徑是根據工程車輛的底盤結構和轉向輪擺角而得到的。以上僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、 等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種工程車輛的安全轉向預警裝置，所述工程車輛與地面之間具有多個支撐點，所述多個支撐點圍成支撐區域，其特征在于，所述工程車輛的重力與所述工程車輛的向心力形成合力，當所述合力的延伸方向穿過所述支撐區域的邊緣時，所述合力為臨界合力，所述安全轉向預警裝置包括控制器，所述控制器獲取所述工程車輛的重力和實時轉彎半徑，并根據所述工程車輛的臨界合力、向心力及重力之間的夾角關系，得到所述工程車輛的臨界轉彎半徑；當所述實時轉彎半徑與所述臨界轉彎半徑的差小于設定值時，所述控制器發出報警信號；提示單元，與所述控制器電連接，所述提示單元根據所述報警信號執行預定的操作。
2.根據權利要求I所述的安全轉向預警裝置，其特征在于，所述控制器還根據所述工程車輛的參考最高安全行駛速度得到所述工程車輛的安全轉彎半徑，然后再根據所述安全轉彎半徑與所述臨界轉彎半徑得到安全轉向系數，所述提示單元接收并輸出所述安全轉向系數。
3.根據權利要求2所述的安全轉向預警裝置，其特征在于，所述安全轉向系數是所述安全轉彎半徑與所述臨界轉彎半徑的比值，或所述比值的修正值。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的安全轉向預警裝置，其特征在于，所述重力是所述工程車輛的車體所產生的重力和所述工程車輛所運載的被運輸對象所產生的重力的和。
5.根據權利要求1-3中任一項所述的安全轉向預警裝置，其特征在于，所述實時轉彎半徑是根據所述工程車輛的底盤結構和轉向輪擺角而得到的。
6.一種工程車輛，包括安全轉向預警裝置，其特征在于，所述安全轉向預警裝置是權利要求1-5中任一項所述的安全轉向預警裝置。
7.—種工程車輛的安全轉向預警方法，所述工程車輛與地面之間具有多個支撐點，所述多個支撐點圍成支撐區域，其特征在于，所述工程車輛的重力與所述工程車輛的向心力形成合力，當所述合力的延伸方向穿過所述支撐區域的邊緣時，所述合力為臨界合力獲取所述工程車輛的重力，并根據所述工程車輛的臨界合力、向心力及重力之間的夾角關系，得到所述工程車輛的臨界轉彎半徑；獲取所述工程車輛的實時轉彎半徑；當所述實時轉彎半徑與所述臨界轉彎半徑的差小于設定值時，發出報警信號。
8.根據權利要求7所述的安全轉向預警方法，其特征在于，所述安全轉向預警方法還包括根據所述工程車輛的參考最高安全行駛速度得到所述工程車輛的安全轉彎半徑，然后再根據所述安全轉彎半徑與所述臨界轉彎半徑得到安全轉向系數，并輸出所述安全轉向系數。
9.根據權利要求8所述的安全轉向預警方法，其特征在于，所述安全轉向系數是所述安全轉彎半徑與所述臨界轉彎半徑的比值，或所述比值的修正值。
10.根據權利要求7-9中任一項所述的安全轉向預警方法，其特征在于，所述實時轉彎半徑是根據所述工程車輛的底盤結構和轉向輪擺角而得到的。
全文摘要
本發明提供了一種工程車輛及其安全轉向預警裝置、方法。安全轉向預警裝置包括控制器，控制器獲取工程車輛的重力和實時轉彎半徑，并根據工程車輛的臨界合力、向心力及重力之間的夾角關系，得到工程車輛的臨界轉彎半徑；當實時轉彎半徑與臨界轉彎半徑的差小于設定值時，控制器發出報警信號；提示單元，與控制器電連接，提示單元根據報警信號執行預定的操作。本發明可根據臨界狀態下的工程車輛的重力與向心力之間的夾角關系，確定臨界轉彎半徑，并在實時轉彎半徑與臨界轉彎半徑的差小于設定值時發出報警，從而避免發生傾翻的問題。
文檔編號B62D113/00GK102582684SQ20121009618
公開日2012年7月18日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者曾中煒 申請人:中聯重科股份有限公司