一种液罐车罐体防侧翻控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及车辆控制技术领域，尤其是一种液罐车罐体防侧翻控制系统及控制方法。

背景技术

液罐车是液体危险品运输的主要途径，应用范围十分广泛和应用量十分巨大。在液罐车运输过程中，尤其在超速转弯、紧急避让、恶劣天气和严峻的道路条件下，液罐车极易发生侧翻。并且液罐车驾驶员的操作水平参差不齐，对道路的判断各有差异，需要车辆装备有控制措施和保护措施，以保障液罐车安全行驶和保护驾驶员的生命安全。

目前，针对液罐车行驶速度、罐内介质温度和压力等参数的监控技术已十分成熟，且相关高精度传感器已投入使用。但对于液罐车行驶稳定的监测主要依靠对罐体侧倾角的监测，通过分析侧倾角的实时变化，及时达到预警或制动控制的目的。侧倾角的测量方法现按测量原理主要有以下几类:

1、根据测量车辆侧向加速的方法推算出车辆的侧倾角，国内外对罐体侧倾角的测量多利用陀螺仪、角度计等惯性传感器组合测量方式进行估测。但由于这类方法往往会受到传感器静态漂移、动态漂移带来的系统误差，所用估计模型中系统参数的不确定性，以及车辆运动中的干扰等因素的影响，其测量结果通常包含大量误差。

2、根据测量车辆的轮胎载荷转移比来推算出车辆的侧倾角，主要是将角度测量值通过计算转化为力的计算值，简化了测量变量的复杂程度。但同时也影响了测量的精确度，并且由于路况环境等因素的影响，有时会产生较大误差。

3、根据光电和图像对比参照求出车辆的侧倾角，主要依靠现代成熟的图像处理技和强大计算机处理能力，对车辆上或者参照物上的检测点进行高频的扫描或者拍摄，之后通过计算机对检测点的位置移动进行分析，确定位移值，最后通过几何的换算得出车辆的侧倾角度。这方法虽然测量精度较高，并且能够很好的监测运动中车辆的侧倾角变化情况，但是其成本太高，技术过于复杂，现在市场上使用的很少。

4、根据摆件自身重力方向与车身作对比求出车辆的侧倾角，现大致可按摆件性质分为固体摆、液体摆和气体摆三类。其中最为常用的是固体摆，其原理与水平仪相近，将传感器安装在车辆底盘中线处，以车辆底盘为测量面，以摆锤的竖直向下为基准，测量车辆底盘与摆锤的夹角变化，得出车辆的侧倾角。其次是液体摆，根据液体由于重力场不论载体如何变化倾斜都能保持水平的原理，测量面与水平面的夹角变化来确定倾角的值，液体摆在船舶上的研究与应用较多，在车辆等陆路载具上应用较少。固体摆与液体摆由于惯性的原因，大多都用于静态的检测或者实验数据测量，在动态测量监测方面具有很大的局限性。最后是气体摆，现有的技术是根据热气流的竖直向上原理，通过合理的机构设置和热传感器布置，测量机构所提供的热流与测量面的夹角变化，从而得到侧倾角的变化。热流的气体摆很好的弥补了固体摆和气体摆由于惯性在动态测量监测方面存在巨大局限性的缺点，但由于技术较为复杂且仍在实验阶段，现在在车辆上运用的较少。

目前急需一款针对液罐车经济、便捷、有效的防侧翻控制系统，能够保护驾驶人员的安全，保障液罐车行车安全，降低经济损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种液罐车罐体防侧翻控制系统及控制方法，通过传感器对车辆进行实时监测，能够及时防止车辆发生侧翻。

为解决上述技术问题，本发明提供一种液罐车罐体防侧翻控制系统，包括：罐体侧倾角测量单元、报警控制单元、制动控制单元和防侧翻控制单元；罐体侧倾角测量单元包括位移传感器和液位传感器；防侧翻控制单元包括防侧翻控制器；位移传感器安装在罐体底部架和挂车后轴上，液位传感器安装在罐体内底部，并对安装部位进行密封；各传感器的输出信号作为罐体侧倾角测量单元的输入信号，并由侧倾角测量单元向防侧翻控制单元输入控制信号，防侧翻控制单元分别控制报警控制单元和制动控制单元。

优选的，监测罐体高度的位移传感器分别安装在牵引车底盘两侧和挂车底盘两侧上方的罐体底部架上，监测挂车后轴高度的位移传感器挂车后轴下方两侧。

相应的，一种液罐车罐体防侧翻控制方法，包括如下步骤：

(1)构建液罐车罐体防侧翻控制系统；

(2)由罐体侧倾角测量单元计算罐体侧倾角；

(3)计算液罐车侧翻指标，侧翻指标为准静态侧翻阈值K；

(4)当实时监测的侧翻指标高于设置的阈值时，报警控制单元和制动控制单元工作；当实时监测的侧翻指标低于设置的阈值后，报警控制单元和制动控制单元解除。

优选的，步骤(2)中，由位移传感器计算罐体侧倾角具体为：

通过在底盘中心点建立三维坐标，车辆前进方向为X轴正方向，车辆前进方向左侧为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向,车辆水平静止时，测量罐体高度的位移传感器分别安装在底盘上A1、B1、C1、D1四点，车轴上所对应位置分别为A0、B0、C0、D0四点，罐体在发生侧倾后，位移传感器的位置在原坐标系下变化为A2、B2、C2、D2，根据位移传感器测量数据的变化，可由侧倾角测量单元计算出此时的侧倾角；

设罐体侧翻所绕向量为(u,v,0)，u∈(-1,1),v∈(-1,1)，传感器安装点所围成矩形的长为2b，宽为2a，绕旋转向量逆时针旋转的角度设为θ；其中，A1点坐标为(-b,-a,0)，B1点坐标为(-b,a,0),C1点坐标为(b,-a,0)，D1点坐标为(b,a,h)，A0点坐标为(-b,-a,-h)，B0点坐标为(-b,a,-h)，C0点坐标为(b,-a,-h)，D0点坐标为(b,a,-h)；

在三维坐标系中，任意点绕所设向量进行旋转的变换矩阵P为：

由所述变换矩阵P，A1、B1、C1、D1经过旋转变换后可得到A2、B2、C2、D2的坐标；

当车辆处于水平静止状态时，四个位移传感器的数值即坐标系中的A0A1、B0B1、C0C1、D0D1为同一值，设为h；当车辆发生侧倾时，四点传感器数值发生变化，现设A0A2为l₁，B0B2为l₂，C0C2为l₃，D0D2为l₄，可以通过坐标两点间距离等于传感器测量值来建立等式，方程如下：

其中，u,v为所设的旋转向量坐标(u,v,0)，θ为绕旋转向量逆时针旋转的角度，h为当车辆位于初始状态时，四点位移传感器的数值，l₁为A点位移传感器的测量值，l₂为B点位移传感器的测量值，l₃为C点位移传感器的测量值，l₄为D点位移传感器的测量值；

由于三点便能在三维空间中确定一个平面，所以A、B、C、D四点中只需要其中任意三点的方程便可以计算出旋转向量的横纵坐标u,v和旋转角度θ，另外一点为备用点，以便其他位移传感器发生故障时保证系统正常工作。

优选的，步骤(3)中，计算液罐车侧翻指标，侧翻指标为准静态侧翻阈值K具体为：

其中，h_roll表示液罐车侧翻时的罐体质心高度，h_stable表示液罐车在水平路面稳态时的质心高度；

以液罐车在水平路面上静止时的质心位置作为坐标原点建立坐标系，牵引车方向的罐长作为X轴，顺时针旋转90°的方向为Y轴，竖直向上为Z轴，假设圆柱体罐体半径为R，车轴长为L；

液罐车稳态时的罐体质心高度：

h_stable＝R-Δh+h₂+h₁

其中，Δh为坐标原点到质心的距离，h₂为罐体连接车架中心点到侧翻旋转点的距离，h₁为侧翻旋转点到地面的距离；

液罐车侧翻时的罐体质心高度：

h_roll＝(R+h₂)cosθ-Δh+h₁

其中，θ为罐体侧倾角；

液罐车稳态时液面与Z轴的交点P的坐标：

x_P＝0

y_P＝0

z_P≈h-R；

罐体在稳态时的质心M0坐标为：

x_M0＝0

y_M0＝0

故，

(3.1)一级侧翻阈值K1

液罐车发生侧翻时，罐体安装架触碰到车辆底盘之前为一级侧翻；当罐体安装架和车辆底盘接触时，罐体质心M1的坐标为：

x_M1＝0

y_M1＝(R+h₂)sinθ

故，

(3.2)二级侧翻阈值K2

液罐车发生侧翻时，罐体安装架和车辆底盘接触后，同时一侧车轮离地之前时，此时为二级侧翻，当车辆一侧车轮离地瞬间，罐体质心M2的坐标为：

x_M2＝0

y_M2＝(R+h₂)sinθ+L(1-cosα)

＝(R+h₂)sinθ+L-h₃+h₄

其中，α为车辆一侧车轮离地时车轴相对于水平面的倾角，h₃为罐体侧倾前挂车后轴一侧高度，分别由第五位移传感器11或第六位移传感器12测得；h₄为罐体侧倾后挂车后轴同侧高度，分别由第五位移传感器11或第六位移传感器12测得；

故，

分别设置阈值K1、K2对应于两个侧翻指标，当K达到阈值K1时，触发报警控制单元进行报警，提醒驾驶员谨慎驾驶；当K达到K2时，同时触发报警控制单元和制动控制单元，切断节气门开度信号的传输，并输入制动信号，控制制动系统进行制动，辅助液罐车进行紧急停车避免发生侧翻。

优选的，制动控制系统采用电子踏板，当K达到阈值K2时，系统紧急切断节气门开度信号的传输，并输入制动信号，控制车辆制动，车速逐渐减速为零。

本发明的有益效果为：(1)本发明利用位移传感器进行罐体侧倾角的监测，弥补了现有监测系统动态测量的不足，实现了罐体侧倾角的实时动态监控；(2)本发明相对于现有侧倾角测量单元只能监测一个或多个监测点的侧倾角而言，可通过任意三个传感器监测点测量罐体在任意方向侧倾时的侧倾角，有效提高侧倾角监测单元的可靠性；(3)本发明避免了惯性传感器静态漂移、动态漂移带来的系统误差，减小了所用估计模型中系统参数的不确定性和车辆运动中的干扰因素的影响，很大程度上提高了测量单元的精确性，可把系统误差控制在0.2％以下。

附图说明

图1为本发明的挂车传感器安装位置示意图。

图2为本发明的牵引车传感器安装位置示意图。

图3为本发明的整体传感器布局示意图。

图4为本发明的系统结构示意图。

图5为本发明的方法流程示意图。

图6为本发明的工作原理示意图。

图7为本发明的罐体一级侧翻原理示意图。

图8为本发明的罐体二级侧翻原理示意图。

其中，1、车轮；2、底盘；3、第三位移传感器；4、液位传感器；5、罐体；6、第四位移传感器；7、第六位移传感器；8、挂车后轴；9、挂车后轴差速器；10、第五位移传感器；11、第一位移传感器；12、第二位移传感器；13、牵引车后轴；14、牵引车后轴差速器。

具体实施方式

如图1和图2所示为本发明实施例的安装结构图，所述液位传感器4安装在罐体内底部。所述第一位移传感器11和底盘2一侧由螺栓连接固定；第二位移传感器12和底盘2另一侧由螺栓连接固定；第三位移传感器3和底盘2由螺栓连接固定(与第一位移传感器11同侧)；第四位移传感器6和底盘2由螺栓连接固定(与第二位移传感器12同侧)；第五位移传感器10安装在挂车后轴8下方一侧，由螺栓连接固定；第六位移传感器7安装在挂车后轴8下方另一侧，由螺栓连接固定。

如图3所示，第一位移传感器11安装在牵引车底盘2左侧(前进方向)，第二位移传感器12安装在牵引车底盘2右侧，第三位移传感器3安装在挂车底盘2左侧，第四位移传感器6安装在挂车底盘2右侧，第五位移传感器10安装在挂车后轴8左侧，第六位移传感器7安装在挂车后轴8右侧。

此外，本装置还包括罐体侧倾角测量单元、报警控制单元、制动控制单元和防侧翻控制单元，各传感器的输出端均连接所述罐体侧倾角测量单元，并由侧倾角测量单元向所述防侧翻控制单元输入控制信号，该防侧翻控制单元分别控制所述报警控制单元和制动控制单元，如图4所示。

根据图5所示的方法流程示意图，本发明的控制系统基于位移传感器和液位传感器所监测的信息，并通过罐体侧倾角测量单元计算出液罐车罐体的实时侧倾角和侧翻阈值。当侧翻阈值达到阈值K1时，防侧翻控制单元控制报警装置报警；当达到阈值K2时，报警装置报警，防侧翻控制单元同时控制制动控制单元工作，使车辆逐渐减速停车。

利用上述控制系统进行防侧翻控制，具体实施步骤为：

通过在底盘中心点建立三维坐标(车辆前进方向为X轴正方向，车辆前进方向左侧为Y轴正方向，竖直向上方向为Z轴正方向),车辆水平静止时，位移传感器3、6、11、12分别安装在底盘上A1、B1、C1、D1四点，车轴上所安装的拉绳端分别为A0、B0、C0、D0四点。罐体在发生侧倾后，位移传感器的位置在原坐标系下变化为A2、B2、C2、D2，如图6所示本发明工作原理示意图。根据位移传感器数据的变化，可由侧倾角测量系统计算出此时的侧倾角。

设罐体侧翻所绕向量为(u,v,0)，u∈(-1,1),v∈(-1,1)，传感器安装点所围成矩形的长为2b，宽为2a，绕旋转向量逆时针旋转的角度设为θ。其中，A1点坐标为(-b,-a,0)，B1点坐标为(-b,a,0),C1点坐标为(b,-a,0)，D1点坐标为(b,a,h)，A0点坐标为(-b,-a,-h)，B0点坐标为(-b,a,-h)，C0点坐标为(b,-a,-h)，D0点坐标为(b,a,-h)。

在三维坐标系中，任意点绕所设向量进行旋转的变换矩阵P为：

由所述变换矩阵P，A1、B1、C1、D1经过旋转变换后可得到A2、B2、C2、D2的坐标。

当车辆处于水平静止状态时，四个位移传感器的数值即坐标系中的A0A1、B0B1、C0C1、D0D1为同一值，设为h。当车辆发生侧倾时，四点传感器数值发生变化，现设A0A2为l₁，B0B2为l₂，C0C2为l₃，D0D2为l₄，可以通过坐标两点间距离等于传感器测量值来建立等式，方程如下：

其中，u,v为本文所设的旋转向量坐标(u,v,0)，θ为绕旋转向量逆时针旋转的角度，h为当车辆位于初始状态时，四点位移传感器的数值，l₁为A点位移传感器的测量值，l₂为B点位移传感器的测量值，l₃为C点位移传感器的测量值，l₄为D点位移传感器的测量值。

由于三点便能在三维空间中确定一个平面，所以A、B、C、D四点中只需要其中三点的方程便可以计算出旋转向量的横纵坐标u,v和旋转角度θ，第四点可作为验证点。

基于上述传感器测量的数据和罐体侧倾角的计算，所用侧翻指标为罐体质心高度的变化。侧翻指标包括两个阶段，第一阶段是车辆侧翻时罐体安装架触碰到底盘之前，第二阶段是罐体安装架和底盘接触后，同时一侧车轮离地瞬间。车辆侧翻时，达到第一阶段侧翻阈值时，车辆有侧翻的趋势，当达到第二阶段侧翻阈值时，表示车辆有极大的侧翻风险。

其中液罐车侧翻指标计算具体内容如下：

具体计算过程如下：

以液罐车在水平路面上静止时的质心位置作为坐标原点建立坐标系，牵引车方向的罐长作为X'轴，顺时针旋转90°的方向为Y'轴，竖直向上为Z'轴，假设圆柱体罐体半径为R，车轴长为L。

液罐车稳态时的罐体质心高度：

h_stable＝R-Δh+h₂+h₁

其中，Δh为坐标原点到质心的距离，h₂为罐体连接车架中心点到侧翻旋转点的距离，h₁为侧翻旋转点到地面的距离。

液罐车侧翻时的罐体质心高度：

h_roll＝(R+h₂)cosθ-Δh+h₁

其中，θ为罐体侧倾角。

液罐车稳态时液面与Z'轴的交点P的坐标：

x_P＝0

y_P＝0

z_P≈h-R；

罐体在稳态时的质心M0坐标为：

x_M0＝0

y_M0＝0

故，

一级侧翻阈值K1计算过程如下：

液罐车发生侧翻时，罐体安装架触碰到车辆底盘之前为一级侧翻，如图7所示一级侧翻原理示意图。当罐体安装架和车辆底盘接触时，罐体质心M1的坐标为：

x_M1＝0

y_M1＝(R+h₂)sinθ

故，

二级侧翻阈值K2计算过程如下：

液罐车发生侧翻时，罐体安装架和车辆底盘接触后，同时一侧车轮离地之前时，此时为二级侧翻，如图8所示二级侧翻原理示意图。当车辆一侧车轮离地瞬间，罐体质心M2的坐标为：

x_M2＝0

y_M2＝(R+h₂)sinθ+L(1-cosα)

＝(R+h₂)sinθ+L-h₃+h₄

其中，α为车辆一侧车轮离地时车轴相对于水平面的倾角；h₃为罐体侧倾前挂车后轴一侧高度，分别由第五位移传感器11或第六位移传感器12测得；h₄为罐体侧倾后挂车后轴同侧高度，分别由第五位移传感器11或第六位移传感器12测得。

故，

分别设置阈值K1、K2对应于两个侧翻指标，当K达到阈值K1时，触发报警控制单元进行报警，提醒驾驶员谨慎驾驶；当K达到K2时，同时触发报警控制单元和制动控制单元，切断节气门开度信号的传输，并输入制动信号，控制制动系统进行制动，辅助液罐车进行紧急停车避免发生侧翻。