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CN103958313A - 用于车辆稳定的方法和设备 - Google Patents

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CN103958313A
CN103958313A CN201180074523.5A CN201180074523A CN103958313A CN 103958313 A CN103958313 A CN 103958313A CN 201180074523 A CN201180074523 A CN 201180074523A CN 103958313 A CN103958313 A CN 103958313A
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CN
China
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yaw
rate
vehicle
towed vehicle
towed
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Application number
CN201180074523.5A
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English (en)
Inventor
克里斯托弗·塔格松
里奥·莱恩
索戈尔·哈拉齐
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Volvo Truck Corp
Original Assignee
Volvo Lastvagnar AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

一种用于提高车辆组合的稳定性的设备，车辆组合包括牵引车和至少一个拖挂车，其中，至少一个拖挂车包括至少一个主动转向轴和/或至少一个轴上的单独的制动器，其中，牵引车和至少一个拖挂车分别包括用于确定牵引车和至少一个拖挂车的横摆率的横摆率确定装置，其中，设备进一步包括适用于确定牵引车的横摆率与至少一个拖挂车的横摆率之间的期望延迟值的车辆组合模型，其中，设备适用于通过使用所确定的牵引车的横摆率和用于至少一个拖挂车的期望延迟值来建立用于至少一个拖挂车的期望横摆率，以及控制至少一个拖挂车的主动转向轴和/或单独控制的制动器，使得所确定的至少一个拖挂车的横摆率对应于至少一个拖挂车的期望横摆率，来稳定至少一个拖挂车。可以估算或测量横摆率。本发明的优点在于能提高车辆组合的稳定性，继而提高道路安全性。

Description

用于车辆稳定的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于稳定包括牵引车和至少一个拖挂车的车辆组合的设备和方法。该设备和方法尤其适合于具有不只一个拖挂车的车辆组合。
背景技术
为了减少道路上重型车辆的数量，在一些国家，提出包括不只一个拖挂车的较长车辆组合，用在常规道路上。除减少用于特定道路的要求的牵引车数量外，与传统的车辆组合相比，还将减小能耗和废气排放。通常，由法律和规章控制车辆组合的长度和重量。在一些国家，在受限条件下，已经允许较长和/或较重型车辆组合。这些车辆可以包括若干拖挂车以及可以超出50米或更长。它们通常用在边远地区并用于特定目的。在澳大利亚，在一些州和一些道路上，使用包括超出4个挂车的公路列车(road train)。在例如美国、加拿大和阿根廷，还使用更长的组合车辆(LCV)。在严格的规章下来使用所有这些LCV。
高速时，包含若干拖挂车的长车辆组合一般比具有一辆或几辆拖挂车的车辆更不稳定。这是指长车辆组合更易于翻滚、折成V字形、挂车摆出并且开始打滑。另一方面，长车辆组合运输更高效，因为它们的负载能力更高。
较长车辆组合的一个问题是车辆组合的稳定性。即使对具有单一拖挂车的车辆组合，诸如牵引车挂车组合，当制动或转向时，稳定性问题产生。可能产生的一个稳定性问题是挂车开始左右摆动。当车辆以相对高速行驶并且改变车道或曲线驾驶时，这可能会发生。当车辆直线行驶时，车辆组合的稳定性通常将自行校正，但或撞击到其他车辆或惊吓附近的驾驶员，仍然会影响该车辆周围的交通。当车辆组合制动时，会产生另一种稳定性问题。一种这种问题称为折成V字形，其中，挂车将左右旋转，使得牵引车和挂车类似折叠的小折刀。
有若干方法来提高车辆组合的稳定性以避免事故。已经提出了减小用于挂车的转向角的解决方案，但不成功。由电子控制单元控制的防抱死制动和电子制动力分配已经减少一些事故。这些解决方案大部分是为具有单一挂车的车辆组合设计。对具有若干拖挂车的较长车辆组合，所提出的解决方案则不能胜任。
US 2010/070149描述了一种用于具有牵引车和若干挂车的公路列车的挂车电子制动系统。该制动系统包括每一挂车上的制动ECU和使得第一挂车上的制动ECU和第二挂车上的制动ECU能相互通信而提供的通信接口。使用中，第一和第二挂车上的各个制动ECU从适用于检测横向加速度和/或轮转速的第一和第二挂车上的各个传感器接收输入。在传感器中的一个检测到指示丢失稳定性的横向加速度和/或轮转速的情况下，该传感器生成用于启动稳定性控制的信号，经通信接口，将该信号传递到其他挂车上的制动ECU，使得其他挂车能启动稳定性控制。
该系统适用于测量挂车的实际横向加速度和/或轮转速。如果一个挂车的ECU检测到指示稳定性问题的预定条件，则将信号发送到其他挂车的ECU，使得其他挂车的ECU能启动那一挂车的制动。因此，该系统适用于控制实际测量的条件，当它们已经发生时。
WO 2010087022描述了一种车辆组合(牵引车+挂车/半挂车)的行为控制器，用于防止折成V字形现象，同时考虑到根据车速或减速度的大小，挂车和牵引车的相对旋转作用改变的事实。该控制器包括制动力/驱动力控制部分，用于控制牵引车或挂车的制动力/驱动力，使得减小牵引车和挂车之间的横摆率的差。当牵引车的横摆率和挂车的横摆率的偏差的大小超出特定阈值时，则控制制动力。能单独地控制每一牵引车或挂车车轮的制动力。
该系统适用于测量牵引车和单一挂车之间的实际旋转作用。由此，该系统适用于控制实际测量条件，当它们已经发生时。
在一些情况下，然而，提前预测拖挂车的运动以便在例如车辆改变车道期间，限制拖挂车的摇动或摆动是有利的。因此，仍然具有改进的空间。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于提高包括牵引车和至少一个拖挂车的车辆组合的稳定性的设备。本发明的另一目的是提供用于提高包括牵引车和至少一个拖挂车的车辆组合的稳定性的方法。
在设备的权利要求1和方法的权利要求17的特征部分中，描述了根据本发明的问题的解决方案。其他权利要求包含发明的设备和方法的进一步发展的优点。
在用于提高包括牵引车和至少一个拖挂车的车辆组合的稳定性的设备中，其中，至少一个拖挂车包括至少一个主动转向轴和/或至少一个轴上的单独的制动器，其中，牵引车和至少一个拖挂车每一个都包括用于确定车辆和至少一个拖挂车的横摆率的横摆率确定装置，其中，设备进一步包括适用于确定牵引车的横摆率与至少一个拖挂车的横摆率之间的期望延迟值的车辆组合模型，所解决的问题在于设备适用于通过使用所确定的牵引车的横摆率和用于至少一个拖挂车的期望延迟值来建立用于至少一个拖挂车的期望横摆率、以及控制至少一个拖挂车的主动转向轴和/或单独的制动器，使得至少一个拖挂车的所确定的横摆率对应于至少一个拖挂车的期望横摆率，来稳定至少一个拖挂车。
通过该设备的第一实施例，该设备将确定牵引车的实际横摆率。该设备进一步包括用于确定牵引车的横摆率和至少一个拖挂车的横摆率之间的期望延迟值的车辆组合模型。通过将该延迟值应用于每一拖挂车的横摆率值，每一拖挂车将具有类似牵引车的行为。由此，能提高拖挂车的稳定性。
可以通过估算或测量确定牵引车的横摆率。可以通过使用基于车辆组合特性，诸如车辆的轮转速、车辆质量、车辆长度、转向角等等的估算方法进行估算。可以通过使用横摆率传感器完成横摆率测量。
在本发明设备的有利发展中，当执行机动时，至少一个拖挂车的期望横摆率的振幅与所确定的牵引车的横摆率的振幅成比例。优选地选择振幅值之间的比率，使得该比率接近1，优选地在0.9至1.2的范围内。用这种方式，用于拖挂车的横摆率的阻尼将提高车辆组合的稳定性。
当将所确定的横摆率与基准横摆率比较时，在稳定车辆组合期间，可以使用死区(deadband)。用这种方式，当车辆组合行驶在笔直道路上或如期望地自然运转时，避免车辆组合的小的不必要调整。即使当车辆组合直线行驶时，拖挂车可能稍微横向摇摆。通过使用死区，在这种情况下，对小的横向移动，无需稳定车辆组合。当稳定致动器是车轮制动器时尤其有利，因为不必经常启动制动器。
在用于稳定包括牵引车和至少一个拖挂车的车辆组合的方法中，包括通过使用车辆组合模型，建立车辆组合中的牵引车和至少一个拖挂车之间的横摆率的期望延迟值，确定牵引车的横摆率，通过使用所测量的横摆率和所建立的延迟值，来建立用于每一挂车的期望横摆率值，测量至少一个拖挂车的实际横摆率，将实际横摆率与期望横摆率相比较，通过控制至少一个拖挂车的转向轴和/或单独的制动器，将至少一个拖挂车的横摆率控制到期望横摆率值。
通过本发明的方法，能稳定包括至少一个拖挂车的车辆组合。能选择横摆率的比例因子，但有利地，接近于1。
附图说明
将在下文中，参考附图，更详细地描述本发明，其中：
图1示出包括牵引车和两个拖挂车的示意性车辆组合，
图2a示出不具有用于稳定车辆组合的本发明设备的车辆组合的横摆率性能的示例；
图2b示出具有用于稳定车辆组合的本发明设备的车辆组合的横摆率性能的示例，以及
图3示出用于稳定车辆组合的本发明方法的示意流程图。
具体实施方式
在下文中所述的具有进一步发展的本发明的实施例仅视为示例，绝不是限制由专利权利要求书提供的保护范围。该设备适合于包括至少一个拖挂车的所有类型的车辆组合，但尤其适合于重型车辆，诸如牵引两个或多个挂车的卡车，因为具有更多拖挂车的车辆组合比具有一个或几个拖挂车的车辆组合更易于不稳定。
图1示出了包括牵引车3和两个拖挂车4,5的示意车辆组合2。牵引车是适合于商业高速公路使用的常规的卡车或牵引车。拖挂车可以是具有前后轴的挂钩挂车。拖挂车也可以是仅具有与小车(dolly)结合的后轴的半挂车。在车辆组合中，能包括由卡车或牵引车拖拉的这些挂车或半挂车的不同组合。由虚线箭头表示每一车辆的横摆率。
对包括若干拖挂车的长组合，最大横摆率对动态机动的拖挂车一般更高以及在最后的拖挂车通常更高。当包括具有小车和半挂车的卡车的车辆组合在高速公路上执行变道时就能看出。当挂车开始摆动时，附近的汽车能发现其危险。最后的拖挂车在机动期间显示出最大横向偏差。该效应称为后向放大。后向放大定义为牵引车和拖挂单元，即，每一拖挂车之间的最大横摆率的比率。
在适合于本发明设备的车辆组合上，所有拖挂车应当配备有以单独控制的制动器或主动控制的转向的形式的致动器。优选地，拖挂车的每一轴都配备有单独控制的制动器或主动控制的转向。取决于拖挂车上的车轴数量，并非所有轴均配备单独控制的制动器或主动控制的转向也是可以的。例如，具有三个车轴的拖挂车可以具有两个转向轴。转向轴或单独制动的轴的数量用作车辆组合模型的输入。
在本发明的设备中，控制策略是利用致动器，使得除延迟外，拖挂车的横摆率等于或接近等于所测量的牵引车的横摆率。还可以将后向放大设置到接近1的选定的恒定水平，优选地低于1.5。在该设备中，在每一时间段，将实际测量的每一拖挂车的横摆率与其基准进行比较。由此，每一时间段的牵引车的瞬时横摆率不用作该设备的基准，以便控制车辆组合的稳定性。
在该设备和方法中，在控制方法中包括下述步骤。首先，计算牵引车的横摆率和每一拖挂车的横摆率之间的期望延迟。通过将可以具有轮转速、道路和轮胎之间的摩擦、车辆组合特性，诸如重量和长度、转向频率和转向角的车辆组合模型用作输入值，来完成该计算。
当计算用于每一拖挂车的期望延迟值时，确定用于牵引车的实际横摆率。通过用横摆率传感器测量实际横摆率或通过使用诸如车速和转向角的其他车辆特性来估算实际横摆率，能够确定实际横摆率。
然后，通过使用牵引车的实际横摆率连同每一拖挂车的期望延迟值，针对每一拖挂车，获得基准横摆率值。然后，将用于每一拖挂车的基准横摆率值与用于每一拖挂车的实际横摆率值进行比较，以及控制致动器，使得拖挂车的实际横摆率遵循基准横摆率值。通过横摆率传感器测量横摆率或通过使用其他特性，来估算横摆率值，也可以获得用于拖挂车的实际横摆率。
由控制单元控制每一拖挂车的致动器，使得拖挂车的横摆率遵循基准横摆率值。如果致动器是车轮制动器，则控制车轮制动器，使得车轮制动器帮助挂车跟随牵引车的轨迹。如果车辆组合进行变道，则变道将会引起拖挂车产生尾部摆出。通过启动拖挂车的一侧的制动器多于另一侧的制动器，例如，启动拖挂车的右侧的制动器多于左侧的制动器，能防止或最小化尾部摆出。如果致动器是转向轴，则将稍微在变道方向的相对方向中转向车轮，以便遵循基准横摆率值。控制单元可以是独立的控制单元或可以集成在现有的控制单元中，诸如制动控制单元中。
一些市场上使用的常见车辆组合的一个示例是具有小车和半挂车系统的卡车。小车通常具有两个轴以及半挂车通常配备有三个轴。通过将主动转向轴装配在小车和半挂车上以及通过用本发明的设备和方法控制它们，与不具有转向轴的同一组合相比，在变道机动期间，可以获得约40％或以上的稳定性提高。通过为小车和半挂车配备单独的可控制车轮致动器，也可以获得相同的结果。
在图2中示出了用于这种车辆组合的测量的示例。x轴表示时间以及Y轴表示横摆率。曲线3表示卡车的横摆率，曲线4表示小车的横摆率以及曲线5表示半挂车的横摆率。图2a示出不具有单独可控制动器或主动转向轴的常规车辆组合的性能。对该车辆组合，后向放大远大于1，并且在高于1.5的范围中，并且没有第二振荡的实质阻尼。
在图2b中，示出了具有单独可控制动器或主动转向轴的车辆组合的性能。其中，后向放大接近1以及有横摆率的实质阻尼。
在本发明的设备中，通过使用车辆组合模型，能预测车辆组合的性能。用这种方式，拖挂车的控制能更有预防性，这意味着为车辆组合的稳定，要求更少用于制动或转向的控制输入能量。稳定会更快并且提高系统的阻尼。
该设备适合于具有至少一个拖挂车的车辆组合。然而，该设备优选地用于具有至少两个拖挂车的车辆组合。在上述示例中，描述了具有两个拖挂车的车辆组合。通过使用适合于多个拖挂车的车辆组合模型，该设备能适用于稳定具有三个或多个拖挂车的车辆组合。对具有三个拖挂车的车辆组合，结合所确定的牵引车的横摆率，使用三个延迟值以稳定车辆组合。
在本发明设备的发展中，仅使用最后的拖挂车来稳定车辆组合。在一个示例中，车辆组合包括卡车、小车和半挂车。其中，仅使用半挂车来稳定车辆组合。在这种情况下，在卡车和半挂车之间建立期望延迟值。然后确定用于卡车的实际横摆率。然后，从卡车的实际横摆率和期望延迟值，获得用于半挂车的基准横摆率值。然后，由控制单元控制半挂车的致动器，使得半挂车的实际横摆率遵循基准横摆率值。控制单元将控制信号发送到半挂车的转向轴和/或单独控制的制动器。取决于包含在车辆组合中的不同拖挂车的类型，可以获得用于拖挂车的仅一些的延迟值。优选地，使用车辆组合的后部的拖挂车来稳定车辆组合。
图3示出了用于稳定包括牵引车和至少一个拖挂车的车辆组合的方法的示意流程图。
在步骤100中，计算牵引车和每一拖挂车的横摆率之间的期望延迟值。通过将可以具有轮转速、道路和轮胎之间的摩擦、诸如重量和长度的车辆特性、转向频率和转向角的车辆组合模型用作输入值来完成该计算。计算用于每一拖挂车的一个单独的延迟值。
在步骤110中，确定用于牵引车的实际横摆率。能通过横摆率传感器测量实际横摆率或通过使用其他车辆特性，诸如轮转速和转向角，估算实际横摆率，确定实际横摆率。
在步骤120中，通过使用牵引车的实际横摆率连同用于每一拖挂车的期望延迟值，针对每一拖挂车，获得基准横摆率值。将使用基准横摆率值来控制每一拖挂车的横摆率。
在步骤130中，然后，将用于每一拖挂车的基准横摆率值与用于每一拖挂车的实际横摆率值进行比较。通过横摆率传感器测量横摆率或通过使用其他特性来估算横摆率值，可以获得用于拖挂车的实际横摆率。当用于拖挂车的实际横摆率与基准横摆率值相差预定阈值时，该设备的控制单元将补偿该差异。也可以使用基准横摆率附近的死区以便避免当车辆直线行驶时的振荡。死区宽度可以是绝对值或可以是取决于基准横摆率的值。
在步骤140中，可以由控制单元控制致动器，使得每一拖挂车的实际横摆率遵循基准横摆率值。该控制单元将控制信号发送到每一拖挂车上的转向轴和/或单独控制的制动器。
然后，重复步骤110至140，直到完成车辆组合的机动为止。当车辆特性改变时，诸如当车辆组合的负载改变时，优选地更新用于每一拖挂车的期望延迟值。如果车辆组合中的车辆的数量改变，则要求新的车辆组合模型，这也意味着重新计算期望延迟值。
本发明并不视为被限于上述实施例，在后续专利权利要求书的保护范围内，多种另外的变形和改进是可能的。
参考标记
1：设备
2：车辆组合
3：牵引车
4：第一拖挂车
5：第二拖挂车

Claims (20)

1.一种用于提高车辆组合(2)的稳定性的设备(1)，所述车辆组合(2)包括牵引车(3)和至少一个拖挂车(4,5)，其中，所述至少一个拖挂车(4,5)包括至少一个主动转向轴和/或至少一个轴上的单独控制的车轮制动器，其中，所述牵引车(3)和所述至少一个拖挂车(4,5)每个都包括用于确定所述牵引车(3)和所述至少一个拖挂车(4,5)的横摆率的横摆率确定装置，其中，所述设备进一步包括适用于确定所述牵引车(3)的横摆率与所述至少一个拖挂车(4,5)的横摆率之间的期望延迟值的车辆组合模型，其特征在于，所述设备适用于通过使用所确定的所述牵引车(3)的横摆率和用于所述至少一个拖挂车(4,5)的期望延迟值来建立用于所述至少一个拖挂车(4,5)的基准横摆率、以及控制所述至少一个拖挂车(4,5)的主动转向轴和/或单独控制的制动器、使得所述至少一个拖挂车(4,5)的所确定的横摆率对应于所述至少一个拖挂车(4,5)的基准横摆率，来稳定所述至少一个拖挂车(4,5)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述横摆率确定装置包括横摆率估算装置。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述横摆率估算装置是控制单元中的软件模块。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述横摆率确定装置包括横摆率测量装置。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述横摆率测量装置是横摆率传感器。
6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个拖挂车(4,5)的基准横摆率的振幅与所确定的所述牵引车(3)的横摆率的振幅成比例。
7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述设备适用于提高包括牵引车(3)和两个拖挂车(4,5)的车辆组合(2)的稳定性，其中，每一拖挂车(4,5)都包括用于确定各个拖挂车(4,5)的横摆率的横摆率确定装置，其中，所述车辆组合模型适用于确定所述牵引车(3)的横摆率与每一拖挂车(4,5)的横摆率之间的期望延迟值，其中，所述设备适用于通过使用所确定的牵引车(3)的横摆率和用于各个拖挂车(4,5)的期望延迟值来建立用于每一拖挂车(4,5)的基准横摆率、以及控制每一拖挂车(4,5)的转向轴和/或单独控制的制动器、使得每一拖挂车(4,5)的所确定的横摆率对应于每一拖挂车(4,5)的基准横摆率，来稳定每一拖挂车(4,5)。
8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的设备，其特征在于，当比较所确定的横摆率与所述拖挂车(4,5)的基准横摆率时，使用死区。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述死区宽度是绝对的。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述死区宽度取决于所述基准横摆率的值。
11.根据在前权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，在车辆控制系统的控制单元中实现所述车辆组合模型。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括适用于测量所述车辆组合(2)的重量以便使所述车辆组合模型适合于所述车辆组合(2)的实际重量的车重测量装置。
13.一种包括在前权利要求中的任何一项所述的设备的车辆。
14.根据权利要求13所述的车辆，其特征在于，所述至少一个拖挂车(4,5)包括小车和半挂车。
15.根据权利要求13所述的车辆，其特征在于，所述至少一个拖挂车(4,5)包括至少一个挂钩挂车。
16.根据权利要求13所述的车辆，其特征在于，所述至少一个拖挂车(4,5)是半挂车、小车或半挂车。
17.一种稳定包括牵引车和至少一个拖挂车的车辆组合的方法，包括下述步骤：
‐通过使用车辆组合模型，建立所述车辆组合中的所述牵引车和所述至少一个拖挂车之间的横摆率的期望延迟值，
‐确定所述牵引车的横摆率，
‐通过使用所确定的所述牵引车的横摆率和所建立的延迟值，来建立用于每一拖挂车的基准横摆率值，
‐确定所述至少一个拖挂车的实际横摆率，
‐将所述实际横摆率与所述基准横摆率相比较，
‐通过控制所述至少一个拖挂车的转向轴和/或单独的制动器，将所述至少一个拖挂车的横摆率控制到所述基准横摆率值。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述车辆组合模型将轮转速、摩擦、车辆质量、车辆长度和转向频率用作输入。
19.一种计算机程序，包括程序代码装置，当在计算机上运行所述程序时，所述程序代码装置用于执行权利要求17-18中的任何一项的所有步骤。
20.一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置，当在计算机上运行所述程序产品时，用于执行权利要求17-18中的任何一项的所有步骤。
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