技术领域

本发明涉及叉车技术领域，具体涉及一种平衡重式叉车的质心高度估计方法。

背景技术

随着平衡重式叉车广泛应用于工厂、港口、车站、货仓等各大交通物流行业之中，其工作环境也越来越复杂。

随着汽车电子技术的发展，为了避免事故的发生，越来越多的主动安全系统被应用于平衡重式叉车上。但是，叉车主动安全控制系统的稳定和可靠不仅仅在于控制算法的鲁棒性，还依赖于叉车参数的准确获取。如对车辆的侧倾稳定性、操纵稳定性有着非常重要的作用的质心高度(指质心在竖直方向的位置)就是动力控制中的一个重要参数。车辆参数决定了主动安全控制系统的干预时间和控制输入，在无驾驶员干预的情况下的安全具有重要作用。不同于传统车辆及其他工程机械，叉车运行工况复杂，质心位置变化范围广，尤其在高速转向和高举货物工况下容易发生纵横向失稳甚至侧翻的危险。由于叉车载货量的实时变化和载重量位置分布的变化较大，且远超传统乘用车辆，现有的传感器或者技术很难准确观测到质心位置数据。目前，大部分叉车主动安全控制系统都采用恒定的质心位置参数。

目前许多乘用车使用了参数估计的方法来估计质心高度信息，但目前的技术不适用于平衡重式叉车。这是因为平衡重式叉车结构独特，其为“前驱动桥+后转向桥”的后轮转向结构，且不存在弹簧阻尼等传统车辆的悬架结构。因此，基于垂向动力学模型的质心估计方法并不适用于平衡重式叉车。另外，由于叉车前驱动桥与车身刚性连接，后转向桥通过铰接的方式与车身连接，导致传统乘用车侧倾动力学模型以及纵向动力学模型均不能直接应用于平衡重式叉车。

发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提出一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，以期在不同运行工况下都能准确且实时地估计叉车质心高度信息，为叉车稳定性控制与主动安全提供保障。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其步骤如下：

步骤1、检测叉车的驱动轮转动速度w

步骤2、当w

步骤3、当w

步骤4、当w

步骤5、将叉车在静态、直行、转弯工况下得到的质心高度h′、h

h

式中：K、K’为权重系数，取值范围为(0，1)；

权重系数K、K’取值通过采集驱动轮转动速度w

L

进一步方案，步骤1中叉车的驱动轮转动速度w

所述静态质心位置测量方法的检测方法如下：

(1)在叉车货叉的前后两端布置压力传感器，用于获取货物的质量及压力信息；

在叉车货叉垂直方向设置高度传感器，用于获取货叉的高度位置信息；

在叉车门架与前轴固定位置增加门架倾角传感器，用于获取叉车门架前后倾斜角度信息；

(2)将货叉高度降低至最低点，且保持货叉水平状态，压力传感器采集货叉两端的压力值F

(3)将货叉倾斜到α

(4)计算货物在水平状态下的坐标：建立货叉坐标系，在货叉处于水平状态时，设货物质心在货物坐标系下的坐标为G

(5)当货叉升高一定高度Δh，倾斜一定角度α时，计算货物质心在整车坐标系下的坐标：建立叉车整车坐标系，设货物质心在整车坐标系下的坐标为G

(6)计算叉车整车联合质心坐标：设叉车出厂时的车身质心坐标为G(x,y)，装载货物后的叉车联合质心坐标为G′(x′,y′)；则叉车的静态质心高度h’＝y’。

进一步方案，步骤3中采用叉车纵向动力学模型来估计叉车的质心高度h

更进一步方案，所述简化线性轮胎模型中的轮胎法向力的公式如下：

式中，m表示叉车重量，Fzf、F

所述叉车纵向动力学模型为：

式中，m表示叉车重量，I

F

进一步方案，步骤4中叉车侧倾动力学模型来估计叉车的质心高度h

更进一步方案，所述叉车侧倾动力学模型为：

式中，I

再通过带有遗忘因子的最小二乘方法计算出叉车质心距离后桥交接点的垂向高度h

进一步方案，步骤5中的权重系数K、K’按照如下规则进行取值：

(1)分别检测驱动轮转动速度w

(2)当w

当δ≠0，且小于转向角阈值δ

当检测到后轮转动角度δ大于转向角阈值δ

更进一步方案，所述转向角阈值δ

(1)当检测叉车车身侧倾角φ小于侧倾角误差值φ

(2)当检测到叉车车身侧倾角φ大于侧倾角误差值φ

(3)当检测到叉车车身侧倾角φ大于车身与限位块接触时的侧倾角φ

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

(1)该发明针对平衡重式叉车独特的底盘布置结构，即前轮为驱动轮、后轮为转向轮的结构特点，提出一种适用于叉车的质心高度实时估计方法。

(2)该发明分别考虑了静态、直行和转弯工况下叉车不同的运动状态和动力学特性，提出适用于叉车的纵向动力学模型和侧倾动力学模型，且分别在不同的模型基础上，使用适用于当前工况的参数估计算法进行质心高度估计。

(3)该发明创新性的提出一种质心高度数据融合计算方法，该方法综合考虑了不同工况叉车的运行状态，将不同工况下的质心高度数据进行融合。相比于当前常用的质心高度参数估计的技术方法，因为该估计方法综合考虑了不同的工况，通过权重系数将不同工况下求解的质心高度进行融合，即在复杂的运行工况下，叉车也能准确估计质心高度。所以本发明经过融合后的质心高度参数具有准确性高、鲁棒性强的特点。

附图说明

图1为本发明的叉车静态测量方法中传感器安装位置图；

图2为本发明的叉车静态测量方法中的货叉坐标系示意图；

图3为本发明的叉车静态测量方法中的叉车整车坐标系示意图；

图4为本发明的叉车纵向动力学模型示意图；

图5为本发明的叉车侧倾动力学模型示意图；

图6为本发明的叉车后方结构侧视图；

图7为本发明的质心高度数据融合方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明做进一步的说明。

如图1所示为叉车静态测量方法中传感器安装位置，具体为：、

在叉车货叉4的前后两端布置压力传感器3，用于获取货物的质量及压力信息；

在叉车货叉4的垂直方向设置高度传感器1，用于获取货叉的高度位置信息；

在叉车门架与前轴固定位置安装门架倾角传感器2，用于获取叉车门架前后倾斜角度信息。

如图2所示为叉车静态测量方法中的货叉坐标系示意图，其中F

如图3所示为本发明的叉车静态测量方法中的叉车整车坐标系示意图，图中，G0’(x0’,y0’)为货物质心在整车坐标系下的坐标，G(x,y)为叉车出厂时的车身坐标，G’(x’,y’)为装载货物后的叉车联合质心坐标。

如图4所示为本发明的叉车纵向动力学模型示意图，其中，CG表示叉车质心，v

图5为本发明的叉车侧倾动力学模型示意图，其中，φ表示叉车车身侧倾角，a

如图6为本发明的叉车后方结构侧视图，其中，5为安装在叉车后桥上的限位块，6为叉车车身，7为叉车后桥，8为后桥与车身连接的铰接点，叉车车身6与限位块5接触时的产生侧倾角φ

实施例1：

如图7所示，本实施例中，一种适用于平衡重式叉车的质心高度实时估计方法，是应用于设置叉车上，该质心高度实时估计方法是按如下步骤进行：

步骤1、在叉车前驱动轮处安装轮速传感器，用于获得叉车驱动轮转动速度w

在叉车后轮转角处安装转角传感器，用于获得叉车后轮转动角度δ；

通过检测叉车车身陀螺仪信息，由安装在叉车车身上的陀螺仪传感器获取叉车车身侧倾角φ；

步骤2、通过检测叉车驱动轮转动速度w

当w

(1)在叉车货叉的前后两端布置压力传感器，用于获取货物的质量及压力信息；

在叉车货叉垂直方向设置高度传感器，用于获取货叉的高度位置信息；

在叉车门架与前轴固定位置增加门架倾角传感器，用于获取叉车门架前后倾斜角度信息(安装示意图如图1所示)

(2)将货叉高度降低至最低点，且保持货叉水平状态，压力传感器采集货叉两端的压力值F

(3)将货叉倾斜到α

(4)计算货物在水平状态下的坐标：建立货叉坐标系，在货叉处于水平状态时，设货物质心在货物坐标系下的坐标为G

(5)当货叉升高一定高度Δh时，货叉倾斜α角度；计算货物质心在整车坐标系下的坐标：建立叉车整车坐标系，设货物质心在整车坐标系下的坐标为G

(6)计算叉车整车联合质心坐标：设叉车出厂时的车身质心坐标为G(x,y)，车身质量为G，货物质量为G

联合质心坐标可用下列公式表示：

步骤3、当叉车驱动轮转动速度不为零，通过检测叉车后轮转角是否为零判断叉车是否处于直行运行工况：

即当w

(1)简化线性轮胎模型，轮胎法向力的公式为：

其中，L

其中，a

a

其中，叉车纵向加速度a

定义叉车质心纵向位置系数λ

则轮胎法向力公式简化为：

(2)叉车纵向动力学模型，如图4所示：

当忽略车轮的滚动阻力与叉车车身空气阻力时，叉车纵向动力学运动方程如下：

式中，m表示叉车重量，I

w

F

F

式中，θ表示道路坡度角，σ表示纵向滑移率，

(3)非线性H

根据上一步骤推导的叉车纵向动力学运动方程，设叉车状态向量x

车辆动力学模型可以用非线性时变状态空间模型表示：

其中，ω表示过程噪声向量，v表示测量噪声向量，H表示单位矩阵。这里的f(x

为了将连续性问题转化成计算机能够处理的离散性问题，采用欧拉法进行离散处理，得到如下公式：

其中H

式中，T

由于叉车状态参数可以通过车身安装的传感器进行测量而来，因此，将状态参数向量作为测量量

式中，由于对于轮胎-路面滑移角度

HIF的目标是综合考虑系统预测噪声

式中

J

对于NHIF可以通过对非线性状态空间模型进行线性化，从而进行叉车参数识别。其中，Jacobian矩阵可以通过下式表达：

因此，NHIF的可以通过如下公式进行迭代计算：

步骤4、当叉车驱动轮转动速度不为零，且检测叉车后轮转角不为零时，判断叉车处于转弯工况。即当w

即：基于叉车侧倾动力学模型，使用带有遗忘因子的最小二乘法观测质心高度信息。

具体计算步骤如下：

(1)建立叉车侧倾动力学模型(如图5所示)，叉车侧倾动力学模型可以用如下公式表示：

式中，I

(2)稳态转向与瞬态转向下，对于叉车动力学模型进行简化

1)当叉车进行稳态转向时(后轮转角固定不动)，此时侧倾角加速度跟侧向加速度可以看作常数，这种情况下，叉车侧倾动力学模型公式可以简化为：

这可以进一步写成参数识别的形式：

y(t)＝ψ

其中：

ψ(t)＝ma

θ(t)＝h

2)当叉车进行非稳态转向时(后轮转角值发生变化)，叉车侧倾动力学模型公式可以写成如下形式：

ψ(t)＝ma

θ(t)＝h

式中，s表示拉普拉斯算子，忽略

(3)采用带有遗忘因子的最小二乘方法(FFRLS)对转弯状态下的叉车进行质心高度估计h

FFRLS的基本公式为：

式中，e(t)表示估计误差，其通常被认为是均值为0的白噪声。

FFRLS可以通过以下公式进行迭代计算：

θ(k)＝θ(k-1)+K(k)e(k)

通过FFRLS求解出估计的叉车质心距离后桥交接点的垂向高度h

h

其中，h

步骤5、通过质心高度数据融合方法，将叉车静态、直行以及转弯三种工况下得到的质心高度信息融合在一起，得到适用于多工况的叉车质心高度估计方法。该质心高度数据融合公式为：

h

式中：K、K′为权重系数，h

上述权重系数K、K′按照如下规则进行取值：

(1)通过检测前驱动轮转动速度w

(2)当驱动轮转动角速度w

2.1当检测到后轮转动角度δ＝0时，判断叉车处于直行运行工况，此时设置权重系数K′＝1；

2.2当检测到后轮转动角度δ≠0，且小于转向角阈值δ

2.3当检测到后轮转动角度δ大于转向角阈值δ

上述步骤中的δ

(1)当检测叉车车身侧倾角φ小于侧倾角误差值φ

(2)当检测到叉车车身侧倾角φ大于侧倾角误差阈值φ

(3)当检测到叉车车身侧倾角φ大于车身与限位块接触时的侧倾角φ

实施例2：

将本发明的叉车防侧翻的控制方法应用于某型3吨平衡重式叉车上，该平衡重式叉车整车质量m＝4639kg，车身质量m

本发明提到的实时估计叉车的质心高度方法按照如下步骤进行：

步骤1、将货叉高度降到最低点，且保持货叉水平状态，压力传感器采集货叉两端采集到的压力值。将前后两端压力值记为F

步骤2、直线加速工况下，通过检测叉车车轮转速为零，且后轮转角值为零，判定叉车转弯工况，因此，采用基于简化的线性轮胎模型与叉车纵向动力学模型，使用非线性H

步骤3、转弯工况下，通过检测叉车车轮转速不为零，且后轮转角值不为零，判定叉车转弯工况，因此，采用叉车侧倾动力学模型，使用带有遗忘因子的最小二乘法观测质心高度信息；

步骤4、结合叉车前驱动轮转速、后轮转角和叉车侧倾角度信息，得到实时计算而来的权重系数K、K’，采用质心高度数据融合算法，得到融合后的质心高度为0.9m。

综上所述，采用本发明的一种用于平衡重式叉车的质心高度实时估计方法，可有效识别叉车在不同运行工况下的实时质心高度，为叉车横向稳定性和主动安全提供了保障。