专利名称：工程车辆及其安全转向预警装置、方法
技术领域：
本发明涉及车辆安全报警装置领域，更具体地，涉及一种工程车辆及其安全转向预警装置、方法。
背景技术：
工程车辆(例如混凝土搅拌运输车)上经常装载有被运输对象(例如混凝土)，且需要长距离行驶。由于工程车辆在行驶状态下重量大、重心较高，因此，在转向时难于控制合理的转弯半径，容易发生倾翻的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种工程车辆及其安全转向预警装置、方法，以解决现有技术中工程车辆在转弯时难于控制合理的转弯半径，容易发生倾翻的问题。为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种工程车辆的安全转向预警装置，工程车辆与地面之间具有多个支撑点，多个支撑点围成支撑区域，工程车辆的重力与工程车辆的向心力形成合力，当合力的延伸方向穿过支撑区域的边缘时，合力为临界合力，安全转向预警装置包括控制器，控制器获取工程车辆的重力和实时转弯半径，并根据工程车辆的临界合力、向心力及重力之间的夹角关系，得到工程车辆的临界转弯半径； 当实时转弯半径与临界转弯半径的差小于设定值时，控制器发出报警信号；提示单元，与控制器电连接，提示单元根据报警信号执行预定的操作。进一步地，控制器还根据工程车辆的参考最高安全行驶速度得到工程车辆的安全转弯半径，然后再根据安全转弯半径与临界转弯半径得到安全转向系数，提示单元接收并输出安全转向系数。进一步地，安全转向系数是安全转弯半径与临界转弯半径的比值，或比值的修正值。进一步地，重力是工程车辆的车体所产生的重力和工程车辆所运载的被运输对象所产生的重力的和。进一步地，实时转弯半径是根据工程车辆的底盘结构和转向轮摆角而得到的。根据本发明的第二个方面，提供了一种工程车辆，包括安全转向预警装置，该安全转向预警装置是上述的安全转向预警装置。根据本发明的第三个方面，提供了一种工程车辆的安全转向预警方法，工程车辆与地面之间具有多个支撑点，多个支撑点围成支撑区域，工程车辆的重力与工程车辆的向心力形成合力，当合力的延伸方向穿过支撑区域的边缘时，合力为临界合力获取工程车辆的重力，并根据工程车辆的临界合力、向心力及重力之间的夹角关系，得到工程车辆的临界转弯半径；获取工程车辆的实时转弯半径；当实时转弯半径与临界转弯半径的差小于设定值时，发出报警信号。进一步地，安全转向预警方法还包括根据工程车辆的参考最高安全行驶速度得到工程车辆的安全转弯半径，然后再根据安全转弯半径与临界转弯半径得到安全转向系数，并输出安全转向系数。进ー步地，安全转向系数是安全转弯半径与临界转弯半径的比值，或比值的修正值。进ー步地，实时转弯半径是根据工程车辆的底盘结构和转向轮摆角而得到的。本发明可根据临界状态下的工程车辆的重力与向心力之间的夹角关系，确定临界转弯半径，并在实时转弯半径与临界转弯半径的差小于设定值时发出报警，从而避免发生倾翻的问题。
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进ー步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I示意性示出了混凝土搅拌运输车的各部分的质量及质心的示意图；图2示意性示出了混凝土搅拌运输车的总质量及质心的示意图；图3示意性示出了产生向心力时的混凝土搅拌运输车的重力与支撑区域之间的关系不意图；图4示意性示出了交点位于支撑区域内时的示意图；图5示意性示出了交点位于支撑区域外时的示意图；以及图6示意性示出了本发明中的安全转向预警装置的一个优选实施例的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。作为本发明的第一个方面，提供了ー种工程车辆的安全转向预警装置，工程车辆与地面之间具有多个支撑点，多个支撑点围成支撑区域。其中，工程车辆的重力与工程车辆的向心力形成合力，当合力的延伸方向穿过支撑区域的边缘时，合力为临界合力。安全转向预警装置包括控制器，控制器获取工程车辆的重力和实时转弯半径，并根据工程车辆的临界合力、向心力及重力之间的夹角关系，得到工程车辆的临界转弯半径； 当实时转弯半径与临界转弯半径的差小于设定值时，控制器发出报警信号；提示単元，与控制器电连接，提示単元根提示単元根据报警信号执行预定的操作(例如声音提示信息、屏幕显示信息、声光报警信息、限制进ー步提速或转向角度等)。优选地，实时转弯半径可以是根据工程车辆的轮胎的角度得到。可采用多种方法对实时转弯半径进行检测，例如可以分别检测转向盘(即方向盘)转角、转向轮摆角或转向传动机构变化(如转向节臂、转向横拉杆位置等)等。另外，由于转向轮的不同的悬架结构或转向动カ等特点，为实现转弯半径的測量，可以有多种方法。下面以检测转向盘转角和转向轮摆角的方式为例，对如何测得实时转弯半径进行说明。(I)检测转向盘转角
转向盘(即方向盘)作为转向器的前置端，是驾驶员直接接触的装置。具体地说， 可通过旋转编码器测量直接连接转向盘的转向轴的转角，通过“转向器角传动比”的换算可以获取轮胎摆角量。例如，在转向轴上同轴地设置有齿轮，该齿轮与编码器通过齿轮啮合， 于是，当转向轴转动时，编码器就可测得转向轴的角度，然后通过下式换算即可得到转向轮摆角。其中，I1为转向器转角传动比，I2为编码器对转向盘的传动比，Θ $是编码器测量转角值是转向轮摆角，即轮胎转角(转向摇臂摆角)。(2)测量转向轮摆角转向器通过转向摇臂输出动力，通过左右“转向横拉杆”带动轮胎联动，实现车辆转向。因此，可以利用固定在底盘支架上的位置传感器检测该连续的变化，通过下式换算获取实时转向角。Θ 摆=G (X)其中，X是传感器测量值；G是换算关系，其与底盘结构及传感器安装位置(和传感器测量初值)有关；Θ _是转向轮摆角。在上述(I)和⑵的基础上，根据底盘结构和测得的转向轮摆角即可得到实时转弯半径。例如，可利用下式换算出底盘整车实时转弯半径R。R = HU1, η2... ηη，Θ 摆)其中，Il1, ilf η η是与底盘结构相关的参数；Η是关于R和Θ s的映射关系；尺是整车的实时转弯半径。注以上各公式都是在时间上连续变化的，如Θ 是Θ摆⑴和R(t)的简写。优选地，实时转弯半径也可以从工程车辆的底盘中读取，该底盘可以实时检测转弯半径，当然还可以通过其它方式得到。例如，底盘自身已经检测了实时转弯半径，则可通过与底盘ECU (电控单元)建立通讯而直接获取实时转弯半径。优选地，控制器根据预先存储的工程车辆的结构参数(例如整车的架构、各部件的安装位置、质量和大小等，还可以是轮间距、高度等)得出工程车辆的质心的位置。重力包括工程车辆的车体所产生的重力和工程车辆所运载的被运输对象所产生的重力。下面，以混凝土搅拌运输车为例，对安全转向预警装置的原理进行说明。如图I所示，混凝土搅拌运输车包括底盘、水箱和物料，其中，底盘的质量为Ml、水箱的质量为M3、物料的质量为M2。因此，如图2所示，混凝土搅拌运输车的总质量为M，且M = M1+M2+M3 公式(I)特别地，Μ、Ml、M2、M3是矢量,既表示质量的大小，也表示质心的位置。其中，底盘的质量Ml是不变的，物料的质量M2和水箱的质量M3可能是不同的(例如，每次装入的物料和水的量不同)。底盘的质量和质心可以通过底盘的结构参数直接运算获得。物料和水箱的质量和质心也可以根据传感器测量得到的相关数据经过计算获取，从而得到整车的质量和质心。进一步地，可将水箱的质量认为是不变的，并将其计入底盘的质量当中，则公式
(I)可简化成M = M1+M2 公式(2)
由于混凝土搅拌运输车的质量较大，因此在正常的转弯过程中，其行驶速度不会突变，可视为匀速运动，则根据下述向心力的公式⑶和⑷可以在已知向心力的情况下反推出转弯半径F向心=MXa 公式(3)a = V2/R 公式⑷其中F向心为转弯时的向心力；M为混凝土搅拌运输车的总重量；R为转弯半径；V是行驶速度；a是向心力加速度。图3示出了产生向心力时的混凝土搅拌运输车的重力与支撑区域之间的关系示意图，其中，LF表示左前轮胎、RF表示右前轮胎、LB表示右后轮胎、RB表示右后轮胎，左前轮胎、右前轮胎、右后轮胎和右后轮胎与地面的接触点(即支撑点)共同限定出了该混凝土搅拌运输车的支撑区域。在产生向心力吋，向心力F向心与混凝土搅拌运输车的重力G的合力为F合，合力F合所在的直线与支撑区域所在平面之间的交点为P。在图4所示的情况下，向心力!^心较小， 交点P位于支撑区域之内，此时，工程车辆(例如混凝土搅拌运输车)的行驶是稳定的，不会发生倾翻。在图5所示的情况下，向心力!^心较大，交点P位于支撑区域之外，此时，混凝土搅拌运输车的行驶状态是不稳定的，可能发生倾翻的风险。当交点P位于支撑区域的边缘时，工程车辆处于临界状态。特别地，导致向心力!^心较大的原因可能是转弯速度过大或转弯半径过小等。在确定工程机械的重力及支撑区域的情况下，可以确定临界合力的方向，从而可以确定出临界合力与重力之间的夹角。由于重力是已知的，因此可以通过夹角反推出临界向心力的大小。然后，在测得工程机械的行驶速度的基础上，通过公式(3)和公式(4)，便能得到临界转弯半径。当混凝土搅拌运输车的实际转弯半径大于该临界转弯半径时，可安全行驶；当实际转弯半径小于该临界转弯半径时，可能发生倾翻的问题。优选地，可以把临界转弯半径通过提示単元报告给操作人员，例如，提示単元可以是语音提示器，也可以是显示屏。这样，操作人员就可以根据临界转弯半径对工程车辆的操作进行预先判断，并合理控制转弯半径的大小，以确保安全行驶。优选地，安全转向预警装置还包括用于测量与被运输对象的质量相对应的物理量的检测单元。例如，该物理量是被运输对象的质量或被运输对象的液面高度等。特别地，当直接測量被运输对象的质量时，可预先通过统计得到每个质量所对应的质心的位置，这样即可通过测得的质量得知质心的位置。另外，当被运输对象是类似于混凝土的物质时，由于其液位与质量之间存在一定的映射关系，因此通过測量被运输对象的液面的高度，也可间接获得被运输对象的质量。在一个优选的实施例中，控制器还根据工程车辆的參考最高安全行驶速度得到エ 程车辆的安全转弯半径，然后再根据安全转弯半径与临界转弯半径得到安全转向系数，提示単元接收并输出安全转向系数。在仅提示临界转弯半径的情况下，对于不同的工程车辆
6来说，操作人员需要进行的操作是不同的。例如，对于同样的转弯半径，ー辆车需要采取的措施可能是将方向盘旋转第一角度，而对另ー辆车来说，则可能需要将方向盘旋转第二角度，其中，第一角度和第二角度是不同的。也就是说，在相同的临界转弯半径的情况下，不同的工程车辆需要进行不同的操作，这就会给操作人员的操作带来不便。本发明采用安全转向系数来表明目前的安全状态，这样，对应于相同的安全转向系数，操作人员可以采用相同的操作(例如使方向盘转过相同的角度)，从而保证了操作的统ー性和规范性，给操作人员带来了很大方便，也进ー步提高了转弯的安全性。特别地，可以采用多种方法由安全转弯半径与临界转弯半径得到安全转向系数，例如，安全转向系数是安全转弯半径与临界转弯半径的比值，或所述比值的修正值(修正方式包括比例、限幅、离散化等)。当安全转向系数是安全转弯半径与临界转弯半径的比值时，安全转向系数是ー个大于I的数，其数值越大，表明安全性越高。图6给出了本发明中的安全转向预警装置的一个优选实施例的结构示意图。如图 6所示，安全转向预警装置包括多个传感器，该多个传感器与控制器的输入端ロ连接，控制器的输出端ロ与至少ー个指示单元连接。安全转向预警装置还包括存储单元，在该存储单元内存储有上述的结构參数。工作时，控制器通过上述多个传感器获得混凝土搅拌运输车的速度和与被运输对象的质量相对应的物理量，然后结合存储单元内存储的结构參数实时计算出临界转弯半径和安全转向系数，并根据安全转向系数的值，通过指示単元向操作人员发出相应的提示信息。作为本发明的第二个方面，提供了ー种工程车辆，包括安全转向预警装置，该安全转向预警装置是上述的安全转向预警装置。当然，被运输对象可以是混凝土，也可以是其它被运输的物料或机械设备等。特别地，工程车辆是混凝土搅拌运输车。当然，本发明中的安全转向预警装置不仅可以用于装载有被运输对象的工程机械，也可以是未装载被运输对象的工程机械。另外，还可适用于其它非工程车辆。在上述实施例的基础上，作为本发明的第三个方面，提供了ー种工程车辆的安全转向预警方法，工程车辆与地面之间具有多个支撑点，多个支撑点围成支撑区域，工程车辆的重力与工程车辆的向心力形成合力，当合力的延伸方向穿过支撑区域的边缘时，合力为临界合力获取工程车辆的重力，并根据工程车辆的临界合力、向心力及重力之间的夹角关系，得到工程车辆的临界转弯半径；当实时转弯半径与临界转弯半径的差小于设定值时，发出报警信号。优选地，重力是工程车辆的车体所产生的重力和工程车辆所运载的被运输对象所产生的重力的和。这样，在确定工程机械的重力及支撑区域的情况下，可以确定临界合力的方向，从而可以确定出临界合力与重力之间的夹角。由于重力是已知的，因此可以通过夹角反推出临界向心力的大小。然后，在测得工程机械的行驶速度的基础上，通过公式(3)和公式(4)， 便能得到临界转弯半径。当工程车辆的实际转弯半径大于该临界转弯半径时，可安全行驶； 当实际转弯半径小于该临界转弯半径时，可能发生倾翻的问题。接着，可以把临界转弯半径通过提示単元报告给操作人员，例如，提示単元可以是语音提示器，也可以是显示屏。这样， 操作人员就可以根据临界转弯半径对工程车辆的操作进行预先判断，并合理控制转弯半径的大小，以确保安全行驶。优选地，安全转向预警方法还包括根据工程车辆的參考最高安全行驶速度得到工程车辆的安全转弯半径，然后再根据安全转弯半径与临界转弯半径得到安全转向系数， 并输出安全转向系数。优选地，安全转向系数是安全转弯半径与临界转弯半径的比值，或所述比值的修正值。优选地，实时转弯半径是根据工程车辆的底盘结构和转向轮摆角而得到的。以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种工程车辆的安全转向预警装置，所述工程车辆与地面之间具有多个支撑点，所述多个支撑点围成支撑区域，其特征在于，所述工程车辆的重力与所述工程车辆的向心力形成合力，当所述合力的延伸方向穿过所述支撑区域的边缘时，所述合力为临界合力，所述安全转向预警装置包括控制器，所述控制器获取所述工程车辆的重力和实时转弯半径，并根据所述工程车辆的临界合力、向心力及重力之间的夹角关系，得到所述工程车辆的临界转弯半径；当所述实时转弯半径与所述临界转弯半径的差小于设定值时，所述控制器发出报警信号；提示单元，与所述控制器电连接，所述提示单元根据所述报警信号执行预定的操作。
2.根据权利要求I所述的安全转向预警装置，其特征在于，所述控制器还根据所述工程车辆的参考最高安全行驶速度得到所述工程车辆的安全转弯半径，然后再根据所述安全转弯半径与所述临界转弯半径得到安全转向系数，所述提示单元接收并输出所述安全转向系数。
3.根据权利要求2所述的安全转向预警装置，其特征在于，所述安全转向系数是所述安全转弯半径与所述临界转弯半径的比值，或所述比值的修正值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的安全转向预警装置，其特征在于，所述重力是所述工程车辆的车体所产生的重力和所述工程车辆所运载的被运输对象所产生的重力的和。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的安全转向预警装置，其特征在于，所述实时转弯半径是根据所述工程车辆的底盘结构和转向轮摆角而得到的。
6.一种工程车辆，包括安全转向预警装置，其特征在于，所述安全转向预警装置是权利要求1-5中任一项所述的安全转向预警装置。
7.—种工程车辆的安全转向预警方法，所述工程车辆与地面之间具有多个支撑点，所述多个支撑点围成支撑区域，其特征在于，所述工程车辆的重力与所述工程车辆的向心力形成合力，当所述合力的延伸方向穿过所述支撑区域的边缘时，所述合力为临界合力获取所述工程车辆的重力，并根据所述工程车辆的临界合力、向心力及重力之间的夹角关系，得到所述工程车辆的临界转弯半径；获取所述工程车辆的实时转弯半径；当所述实时转弯半径与所述临界转弯半径的差小于设定值时，发出报警信号。
8.根据权利要求7所述的安全转向预警方法，其特征在于，所述安全转向预警方法还包括根据所述工程车辆的参考最高安全行驶速度得到所述工程车辆的安全转弯半径，然后再根据所述安全转弯半径与所述临界转弯半径得到安全转向系数，并输出所述安全转向系数。
9.根据权利要求8所述的安全转向预警方法，其特征在于，所述安全转向系数是所述安全转弯半径与所述临界转弯半径的比值，或所述比值的修正值。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的安全转向预警方法，其特征在于，所述实时转弯半径是根据所述工程车辆的底盘结构和转向轮摆角而得到的。
全文摘要
本发明提供了一种工程车辆及其安全转向预警装置、方法。安全转向预警装置包括控制器，控制器获取工程车辆的重力和实时转弯半径，并根据工程车辆的临界合力、向心力及重力之间的夹角关系，得到工程车辆的临界转弯半径；当实时转弯半径与临界转弯半径的差小于设定值时，控制器发出报警信号；提示单元，与控制器电连接，提示单元根据报警信号执行预定的操作。本发明可根据临界状态下的工程车辆的重力与向心力之间的夹角关系，确定临界转弯半径，并在实时转弯半径与临界转弯半径的差小于设定值时发出报警，从而避免发生倾翻的问题。
文档编号B62D113/00GK102582684SQ20121009618
公开日2012年7月18日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者曾中炜 申请人:中联重科股份有限公司