CN1239919A - 检测车辆倾翻状态的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种系统，使用装在车辆框架和车辆悬挂系统上的多个倾斜传感器来检测横向加速度和横向负荷迁移。该系统使用这些测量值来确定一指示实际转动力矩与一最大转动力矩之比的横向负荷迁移率。来自倾斜传感器的这些测量值还用于计算有效重心高度。与该系统耦合的显示器向车辆操作员提供负荷迁移率和有效重心高度的读出值。该显示使车辆操作员能更完全地理解车辆负荷的性质，从而允许车辆操作员避免可能导致车辆倾翻事故的状态。

Description

检测车辆倾翻状态的系统和方法

技术领域

一般而言，本发明涉及车辆的安全，更具体而言，涉及检测导致车辆倾翻状态的系统和方法。

发明背景

诸如重型卡车和拖拉机-挂车组合之类车辆的倾翻是令人严重关切的安全问题。倾翻事故是道路运输业中死亡事故的唯一最大原因，并且对大多数危险品大量泄漏的情况负有责任。重型卡车和其他大型车辆易遭受倾翻事故，这是因为相对于车辆宽度而言其重心较高。经济条件和管理条件未必能改变得会减少倾翻事故的发生。

可以借助有源悬挂系统之类技术来降低倾翻事故的频度。然而，这类技术是昂贵的。而且，作为一个实际问题，有源悬挂系统的重量和功耗限制了它们的可用性。

降低倾翻事故的频度的另一途径是向驾驶员提供数据，以指出何时可能发生倾斜事故。然而，以高速公路上的速度，一个拖拉机-挂车组合在不到1秒的时间内便能走过它自身的长度。由于这种原因，单靠检测系统不能有效地预测何时要发生倾翻事故。然而，可以向驾驶员提供数据以允许驾驶员去估计倾翻状态的可能性。

解决这一问题的传统途径在本领域是众所周知的。例如，在授予Mize的美国专利No.4,078,224中描述的系统，在所描述的技术中应变测量仪器的传感器被安装在车辆的悬挂单元的相对两端。这相对的应变测量仪器的传感器可提供由车辆重量引起的变形的差分测量。该差分信号能被量化，以指示车辆从一侧到另一侧的横向重量迁移。然而，单靠横向重量迁移不能向车辆操作员提供足够的信息以确定该车辆是否要倾翻。

再有，这种途径需要在拖拉机-挂车上安装应变测量仪器的传感器，在那里这些传感器暴露于各部件之中，因而可能需要经常更换。这种途径在费用上是过高的。美国专利No.4,078,224中公开的系统对于指示一次倾翻已经开始是特别有效的。然而，向驾驶员通告一次倾翻事故已经开始是没什么的价值的，因为驾驶员不再能采取步骤来防止这次倾翻事故。

美国专利4,722,547中公开的另一技术，在车辆的相对两侧使用超声换能器。超声换能器监测到地面的距离，并允许一有源悬挂系统。同样，这种技术实现起来比较昂贵，特别是对于今天已在路上的大量拖拉机-挂车组合更是如此。

所以，能够理解，特别需要一种价格合理的系统和方法以检测倾翻状态的存在并向驾驶员提供能用于防止倾翻事故发生的数据。本发明提供这种和其他优点，这些优点将从下文中的描述及附图中看清楚。

发明概述

本发明实施于检测车辆倾翻状态的系统和方法之中。该系统包括一与车辆耦合的传感器套件，以产生信号指示该车辆的横向负荷迁移和该车辆的横向加速度。与传感器套件耦合的转动力矩计算器，根据来自该传感器套件的信号计算转动力矩。也与传感器套件耦合的重心计算器，计算该车辆的有效重心。与转动力矩计算器耦合的转动力矩显示器，提供计算出的转动力矩的可见指示。重心显示器提供被计算出的该车辆有效重心的可见指示，从而提供该车辆倾翻可能性的一种指示。

在一个最佳实施例中，转动力矩计算器和重心计算器是单一处理器的组成部分。该处理器计算出横向负荷迁移率，它是与最大转动力矩相比的实际转动力矩的指示，该处理器含有一显示器指示该横向负荷迁移率。

在一个实施例中，该传感器套件包括3个独立的传感器单元。第一个传感器单元安装在车框架上，以产生指示车体横向加速度的信号。第二和第三个传感器单元的取向使其产生指示悬挂系统中横向负荷迁移的信号。第二和第三个传感器单元可以安装在车轴的相对两侧，以产生信号指示从车轴一侧到车轴另一侧的负荷迁移。第二和第三个传感器单元可被进行处理以产生一差分信号用于确定横向负荷迁移。

在另一实施例中，传感器套件包含2个传感器单元。第一传感器单元与车框架耦合以检测横向加速度，而第二传感器单元装在车轴上。这第一和第二传感器单元用于检测从车轴一侧到车轴相对一侧的负荷迁移。

计算出来的数据可被有利地显示成柱状图，其中横向负荷迁移用基本上是水平方向显示的柱状图来表示，而且车辆的有效重心显示在基本上是垂直方向显示的柱状图上。转动力矩显示器和重心显示器可以是单个显示器的组成部分。该显示器可以是彩色显示单元，其中当横向负荷迁移低于一预定阈值时可以以第一种颜色显示横向负荷迁移，而且当横向负荷迁移超过该预定阀值时以第二种颜色显示。该系统还可以包括一声音换能器，以便在横向负荷迁移超过一预定阈值时产生一报警信号。

传感器套件通常与车辆的驱动轴相关联，以产生出指示驱动轴处横向加速度和横向负荷迁移的信号。当车辆为一具有至少一个驱动轴的半拖拉机-挂车组合时，该传感器套件可以装在该驱动轴附近，以产生指示该驱动轴处横向加速度和横向负荷迁移的信号。当拖拉机-挂车组合包括多个挂车部分而且每个均有一轴时，该传感器套件可以装在至少一个挂车轴的车轴附近，以产生指示该挂车轴处横向加速度和横向负荷迁移的信号。该系统还可以包括多个传感器套件，安装在此多个挂车部分车轴中的至少两个车轴附近，以产生指示这些挂车部分车轴处横向加速度和横向负荷迁移的信号。

该系统可进一步包括一加到处理器上的门信号，其中当加上门信号时该处理器只计算有效重心。可以在车辆横向加速度超过预定阀值时向该处理器施加该门信号。该系统还可以包括一数据存储位置，以在没有向处理器加门信号时存储计算出的重心。当加上门信号时显示器指示计算出的重心，而当加上门信号时则指示所存储的计算出来的重心。

附图简述

图1A是传统的半拖拉机-挂车组合在正常操作过程中的后视图。

图1B是图1A所示半拖拉机-挂车组合当试图在超速情况下完成右转弯时的后视图。

图2A是本发明系统的功能框图。

图2B表示图2A系统所用显示的一个实施例。

图2C表示图2A系统所用显示的另一个实施例。

图3是脱离车体的驱动轴图，表示出由图2A系统测量的参数。

图4是半拖拉机-挂车组合的后视图，表示具有图2A所示系统的传感器单元的放置。

图5A是半拖拉机-挂车组合的后视图，表示具有图2A所示系统的传感器单元的另一种放置。

图5B是图5A的半拖拉机-挂车组合的部分左侧侧视图，进一步表示传感器的放置和由图2A系统测量的参数。

图6是与图2A系统一起使用的一传感器单元的一个实施例的略图。

发明详述

车辆倾翻事故通常是在车辆超速率行驶情况下试图转弯时发生的。如图1A所示，车辆10例如一半拖拉机-挂车，其有一重心(COG)随车辆10内所装负荷而改变。车辆10包括车轴12、轮胎14、悬挂系统15和车框架18，各种力加到它们上面。当车辆10沿直线运动时，加到轴12上的各种力彼此抵消。然而，如果车辆10在完成一次转弯，如图1B所示，则加在车轴12上的力不能被抵消。具体而言，图1B中表示的车辆10正在实施向右转弯。这种转弯造成横向加速度，从而产生绕转动轴16的转动力矩。如果转动力矩足够大，则在车辆12右侧的轮胎抬起脱离地面，于是车辆10倾翻。如本领域技术人员能理解的那样，转动力矩依赖于横向加速度和重心二者。高重心比低重心造成更大的转动力矩。大的横向加速度比低的横向加速度造成更大的转动力矩。

为了减少倾翻事故的发生，必须增大车辆10所能承受的最大倾翻力矩，或者降低所施加的倾翻力矩。可惜的是，这些量中的哪一个都不能容易地被改变。如前文指出的那样，尚没有已知的实际解决方案来防止车辆倾翻事故。已经有了一些尝试，试图向驾驶员提供数据以警告一次即将到来的车辆倾翻。然而，典型的警告系统只向驾驶员提供有限信息，而且可能提供信息太迟，以至于没有任何实际价值。

如前文指出的那样，当转动力矩足够大时车辆将倾翻。如已知的那样，对于给定的横向加速度，提高重心会造成转动力矩增大。在背景部分中讨论的Mize的系统不能提供足够的数据以向车辆操作员提供车辆倾翻趋势的指示。

本发明使用传感器测量加到车辆的每个驱动轮上的重量并测量横向加速度。根据这些测量，该系统计算出车辆重心和车轴12上的车轮之间横向负荷迁移。本发明实施于系统100之中，如图2A的功能框图所示，它向车辆操作员提供车辆10重心高度和车轴12上的车轮之间横向负荷迁移的指示。该系统100还可以用作为监测装置，以检测车辆操作员的潜在危险驾驶习惯。例如，系统100能够监测横向加速度和横向负荷迁移，如果所监测的参数超过预定阈值，系统100能在每次预定阈值被超过时把参数值存储在存储器中。存储器能保留并在其后显示这些数据值。例如，系统100可以被安装在校车上并周期性地被监测，例如每周一次。存储器能显示过去一周中横向加速度和横向负荷迁移超过预定阈值的次数。以这种方式可以检测出校车驾驶员的潜在危险习惯，并采取适当措施以防止可能的倾翻事故。

该系统100包括一中央处理单元(CPU)102，它可以是一传统的微处理器或嵌入式控制器等。存储器104可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)二者。转动力矩计算器105计算车辆10的转动力矩。重心计算器106计算车辆10的重心。在一示范性实施例中，转动力矩计算器105和重心计算器106的功能由CPU102实现。

显示器108向车辆操作员提供车辆重心和横向负荷迁移的指示。在一示范性实施例中，横向负荷迁移被显示为车轴12两侧承载的负荷之差与总的车轴负荷之比。横向负荷迁移率(LTR)为1则表明在车轴12一侧的车轮已被抬起离开地面。LTR为-1则表明在车轴12另一侧的车轮已被抬起离开地面。

图2B表示显示器108的一个实施例。负荷迁移率显示在一柱状图150上，该柱状图的取向基本上是水平的，以允许车辆操作员容易地进行判断。重心高度显示在一柱状图152上，该柱状图的取向基本上是垂直的，以允许车辆操作员容易地进行判断。如果显示器108是彩色显示器，那么如果负荷迁移率低于一预定阈值，则该负荷迁移率显示成一种颜色，而如果负荷迁移率超过该预定阈值，则以不同的颜色显示。显示器108的另一实施例示于图2C，此处以传统的数字的或模拟的测量仪表显示该负荷迁移率。重心高度可以显示成按相对单位读出的数值，或按绝对单位(例如英尺)读出的数值。系统100还可以包括一任选的声音报警器109，以在负荷迁移率超过预定阈值时向车辆操作员提供听得到的指示。

该系统100还包括一模数转换器(ADC)110，它把模拟输入数据转换成数字形式供CPU102处理。由ADC110数字化的数据被滤波器112滤波。当前由系统100使用的滤波器112是一个截止频率为2Hz的数字低通滤波器。这个低截止频率用于消除杂散噪声和由悬挂系统15中的自然谐振引起的振动效应，这种自然谐振通常为10Hz左右。系统100还包括一门电路114和一采样/保持电路116，用于显示有效重心。如下文中将详细描述的那样，车辆10的有效重心是根据所测量的参数计算出来的，这些参数包括车框架18(见图1A和1B)的横向加速度。然而，当车辆10以极小的横向加速度或没有横向加速度运动时，由于横向加速度的降低，有效重心看起来也将降低。所以，当横向加速度超过一预定阈值时门电路114向CPU102提供一指示。这样，只有当加上门信号时CPU102才计算有效重心高度，表明横向加速度超过预定阈值。当门电路114指示横向加速度已超过预定阈值时，采样和保持电路116使用当前计算出的有效重心。然而，当门电路114指示横向加速度没有超过预定阈值时，采样和保持电路116保持有效重心高度的最后一个计算值。这样，当横向加速度超过预定阈值时，采样和保持电路116更新计算出的有效重心高度，而当横向加速度没有超过预定阈值时，采样和保持电路存储那最后一个有效的计算出的重心测量值。

另一种作法是，当车辆10受到横向加速度时，车辆操作员能人工按下一个按钮(未画出)以启动门电路114。在这一实施例中，CPU102计算有效重心，以响应通过按钮(未画出)人工启动门电路114。采样和保持电路116存储由CPU计算出的有效重心高度的单一值。显示器108被配置成当门电路114处于有效状态时显示有效重心高度的当前值，而当门电路114处于无效状态时显示采样和保持电路116中的存储值。各个部件由总线系统120连接，除了数据之外，总线系统120还可以携带电源供电、状态信号以及控制信号。

应该指出，图2A的功能框图中所示系统100的许多部件是合并在CPU102之中的。例如，滤波器112、门电路114以及采样和保持电路116可以由存储在存储器104中的适当的计算机指令来实现，并由CPU102执行。再有，作为采样和保持电路116一部分的数据存储区可以是CPU102内的一个存储寄存器或存储器104中的一个存储位置。这样，系统100的许多部件可以由被CPU102执行的适当指令实现。然而，图2A把这些部件显示成独立的功能块，因为它们每一个完成一单独的任务。

传感器套件122用于提供指示负荷迁移和横向加速度的数据。在一最佳实施例中，传感器套件122使用两个或更多个独立的传感器单元，如在美国专利No.5,218,771(简称’771专利)中说明的光学倾斜传感器单元，该专利当前被转让给TV Interactive Data Corporation。在该专利中描述的传感器提供了一种低成本的结实的检测单元，用以指示传感器单元的取向。用一个装在车辆10的框架上的传感器和另一个装在悬挂系统上的传感器，便能确定框架相对于车轴的转动角。其他因子，诸如悬挂系统的转动刚度、卡车质量以及横向加速度，可被用于计算车辆10的重心。悬挂系统的转动刚度和悬挂系统转动中心的高度是能被估计和输入到系统100中的特征量。

如在’771专利中描述的那样，每个传感器单元含有一个透明的圆柱状容器，带有一个气泡悬浮在液体中。在圆柱状容器的一端含有一红外LED照射这个气泡。在圆柱状容器的两侧有光电二极管。当传感器单元处于水平位置时，气泡位于这两个光电二极管的中央。该气泡的作用如同一反射透镜，其向这两个光电二极管反射光线。该气泡的作用如同一反射透镜，其向这两个光电二极管反射光线。当传感器是水平的因而气泡位于这两个光电二极管之间时，该传感器产生一水平指示。当传感器单元转动时，气泡保持稳定并逐渐地把光线重指向到一个光电二极管而离开另一个光电二极管。随着反射光改变，传感器单元的输出成比例地改变。传感器输出与入射光量成线性比例。传感器单元的输出信号被送到ADC110(见图2A)，以产生一脉冲宽度调制波形送给CPU102。CPU102测量该脉冲的宽度并导出传感器单元的绝对角位置。使用比率测量光电二极管电路，则可以采用一种低成本ADC110，其对噪声、温度以及其他环境因素不敏感。

传感器单元的构成使其产生指示传感器相对倾斜的计数值。如果传感器倾斜的结果使带有引出电缆的一侧低于其相对一侧，则计数值将减小，指示一离开水平“零”位的负角度或负运动。如果传感器单元在另一方向倾斜的结果是使带有电缆的一侧高于其相对一侧，则计数值将增大，指示一离开“零”位的正角度或正运动。

每个传感器单元被装在一小盒中，以一铠装电缆引向中心接线盒(未画出)。然后该接线盒连接到车辆10的驾驶室和电源系统。在一个实施例中，该接线盒包含一小的微处理器(未画出)，它按前述方式测量每个传感器单元并把所得到的数据传送到车辆驾驶室供与CPU102接口。在一最佳实施例中，CPU102为传感器套件122和显示器108二者处理数据。

如下文中将要详细讨论的那样，传感器套件122包含两个或更多个单独的传感器单元。图6是根据’771专利构成的一个传感器单元的略图。该传感器单元含有一个LED和两个光电二极管装在透明圆柱状容器附近。来自光电二极管的输出用于调制一个TLC555计时器的输入，以产生一脉冲宽度调制的输出信号。为此目的的TLC555计时器操作是众所周知的，故不需在此描述。根据此脉冲宽度调制输出，便有可能精确确定圆柱状容器内气泡的角度取向。该系统100使用两个或更多个单独传感器单元的取向，以提供横向负荷迁移和横向加速度的指示。

‘771专利的取向传感装置的优点在于它价格比较低以及在车辆悬挂系统15(见图1A和1B)这种敌对环境中操作的耐用性。传感器单元内含有的液体在车辆10遇到的宽操作温度范围上可保持恒定的粘滞度。再有，每个传感器单元都是装备在一个容器内和密封的，从而排除了污物和水等污染物的不利影响。

虽然在一最佳实施例中使用了’771专利中描述的光学传感单元，但该系统100可以由多种传感器成功地实现。例如，传感器套件122可以包含两个或更多个转动可变差分变压器(RVDT)传感单元。如本领域中所知，RVDT传感单元产生一电信号，其响应传感部件的转动位置而变化。在系统100中可用的其他类型传感器单元包括转动电位计、光学编码器、应变计等。此外，传统的计算机输入装置也可以用于传感器套件122中。例如，已知在多媒体计算机应用中利用一种手套，其中有纤维光缆附着在手套手指上。当使用者弯曲手指时，纤维光缆弯曲，于是增大了该光缆的曲率，造成穿过该光缆的光量的相应降低。光纤系统可被传感器套件122利用来确定轴12的倾斜角，从而提供横向负荷迁移的度量。传统的加速度计能提供横向加速度的指示。本发明不受传感器套件122具体形式的限制。

研究表明，当非驱动轴一侧的轮胎变为无负荷并提高到脱离地面时，从可能的车辆倾翻恢复过来是可能的。与此相反，已经发现，当驱动轴一侧的轮胎14变为无负荷并提高到脱离地面时，车辆倾翻变为不可恢复的。由于这一原因，传感器套件122通常与车辆10的驱动轴12相关联。如果车辆10是一拖拉机-挂车组合，则传感器套件122通常装在拖拉机的驱动轴之一上。然而，有时称作列车的多挂车组合在道路上并非是不常见的。对于多插拉机-挂车组合，研究已经表明，倾翻事故趋于由最后一个挂车的车轴开始。对于多拖拉机-挂车组合，传感器套件122可以与最后一个挂车部分的车轴相关联。在车辆10的一个或多个车轴上安装一组传感器套件122也是可能的。在这一实施例中，CPU102对来自每个传感器套件122的数据进行分析。显示器108被配置成只显示由CPU102计算出来的最大LTR。

估计重心高度和横向负荷迁移率二者的基础是对轮胎14和道路之间传送的力进行的测量。直接测量这些力将需要位于轮胎14和路面之间的传感器。这样，尽管力的直接测量是不可能的，但对单个车轴的脱离本体分析表明，对于那个车轴，其轮胎和道路之间的力可以从车框架和车轴之间力和力矩的测量推导出来。由这些测量可以计算出LTR和重心。车辆操作员可以使用LTR和重心的组合来确定车辆10对倾翻的敏感性。例如，即使在横向加速度低的情况下，高重心也可能造成车辆倾翻。

在详细讨论系统100之前先简单讨论一下车辆倾翻涉及的物理学是有道理的。如前文中讨论的那样，当通过转动中心16加到车辆上的转动力矩超过由道路通过轮胎14所能加到车辆10上的最大力矩时，便发生倾翻。当所加力矩超过该最大力矩时，先是一个第一车轴的内车轮，然后依次是其余各轴的车轮抬起脱离地面，于是发生倾翻。

图3表示作用于一个车轴12上的力和力矩。矢量

分别代表由悬挂系统15(见图1A和1B)加到车轴12上的垂直力、水平力和力矩。矢量 和

分别代表加到车轴12左侧和右侧轮胎14上的垂直力。轮胎14和路面之间的水平接触力(即磨)示于图3中，但它们与当前的分析无直接关系。此外，作用在车轴12本身上的次要的力由矢量

和 表示。矢量 表示轴12的重量，而

代表由车轴施加的离心力，其中a是横向加速度，单位为“g”。悬挂系统对轴12施加的力(即 和

)取作通过悬挂系统转动中心16作用。而垂直轮胎力(即 和

)取作通过轴12两侧相距T的轮胎接触板的中心作用。应该指出，图3所示力的作用中假定了路面是水平的。然而，该分析适用于道路倾斜的情况。在倾斜道路的情况下，术语“水平的”和“垂直的”被解释为与局部倾斜路面平行和垂直。

由于轮胎14的柔性和车轴每侧承载的负荷不同，车轴12的中心线一般与水平线成一角度。假定轮胎的挠曲度可被模拟为负荷的线性函数，则车轴角与垂直轮胎负荷(即 和

)的关系如下式所示： $\tan \mathrm{\α}=\frac{\stackrel{\→}{F_r}-\stackrel{\→}{F_l}}{K_{t}T}---\left(1\right)$

式中α为车轴角，

和 分别为左、右轮胎力，K_t为轮胎14刚性的度量，而且T为车轴12每侧轮胎14中心之间的距离。应该指出，只要车轴12两侧轮胎14与路面接触，式(1)就是适用的。

车轴12和悬挂系统15(参见图1A和1B)之间的力矩

、水平力

及垂直力

与轮胎负荷分布之间的关系，由下式给出： $\stackrel{\→}{M}+\stackrel{\→}{H}{h}_{\mathrm{rc}}+\stackrel{\→}{V}{h}_{\mathrm{rc}}\tan \mathrm{\α}+\stackrel{\→}{W}{h}_{\mathrm{cgo}}\tan \mathrm{\α}+\stackrel{\→}{W}{\mathrm{ah}}_{\mathrm{cg}}=(\stackrel{\→}{F_r}-{\stackrel{\→}{F}}_l)\frac{T}{2}---\left(2\right)$ 式中， 是力矩， 是由车轴10转弯造成的水平力，h_rc是转动中心16的高度， 是车轴的重量， 是在横向加速度a影响下由车轴施加的离心力，h_cga是车轴12的重心高度。

可以将式(1)和式(2)联合求解，以得到对轮胎施力之差(即

)。然而，式(1)和式(2)中的一些力可以忽略，从而简化由CPU102(见图2A)完成的计算。具体而言，在所有实际情况下的车轴角α足够小，以致于α的正切近似于零。再有，与典型拖拉机-挂车中的负荷重量相比，车轴12的重量

是不重要的。所以，这些项可以忽略，于是式(2)简化为如下式所示： $\stackrel{\→}{M}+\stackrel{\→}{H}{h}_{\mathrm{rc}}=({\stackrel{\→}{F}}_r-{\stackrel{\→}{F}}_l)\frac{T}{2}---\left(3\right)$ 这里所有项先前都已定义过。可对式(3)加以变换，从而用下式提供轮胎接触力之差： ${\stackrel{\→}{F}}_r-{\stackrel{\→}{F}}_l=(\stackrel{\→}{M}+{\stackrel{\→}{H}h}_{\mathrm{rc}})\frac{2}{T}--\left(4\right)$ 式中所有项先前都已定义过。

式(4)确定了轮胎接触力之差。轮胎接触力之和等于来自车辆10框架的垂直负荷

与车轴12重量 之和。这由下式(5)表示： ${\stackrel{\→}{F}}_r+{\stackrel{\→}{F}}_l=\stackrel{\→}{V}+\stackrel{\→}{W}--\left(5\right)$ 式中所有项先前都已定义过。如前所述，与典型的垂直负荷

相比，车轴12的重量

是不重要的。因此，车轴重量 在式(5)中的贡献可以忽略。横向负荷迁移率(LTR)是左右轮胎力的函数，由下式给出： $\mathrm{LTR}=\frac{{\stackrel{\→}{F}}_r-{\stackrel{\→}{F}}_l}{{\stackrel{\→}{F}}_r+{\stackrel{\→}{F}}_l}----\left(6\right)$ 式中LTR是横向负荷迁移率，所有其他项先前都已定义过。

车辆10的重心高度可由下式近似： $h_{\mathrm{cgv}}=\mathrm{LTR}\frac{T}{2a}---\left(7\right)$ 式中h_cgv是车辆10的有效重心高度，a是横向加速度，LTR是由前面(6)式定义的横向负荷迁移率，T是车轴12每侧上轮胎14中心之间的距离。如前文讨论的那样，CPU102(参见图2A)使用门电路114，从而仅当横向加速度a超过一预定阈值时才计算有效重心高度h_cgv。当横向加速度a在预定阈值之下时，采样和保持电路116保持有效重心高度的先前值。前式(7)的公式给出有效重心高度的近似值。诸如车框架18(见图1A和1B)的转动等因素可能引起横向移动，这使计算出的重心看起来高于实际重心。然而，这种误差被认为很少，故可以不予考虑。这样，式(7)提供了有效重心高度的度量，它是实际重心高度的足够近似。

显示器108(见图2A)向车辆操作员提供车辆10的LTR和车辆有效重心h_cgv的指示。这样，便为车辆操作员显示出上面式(6)和(7)的结果。为了计算LTR，必须求解式(4)和(5)。车辆10的转动中心高度h_rc16和轮胎14接触板之间的距离T是固定参数，其对于具体车辆能被测定而且将不改变。诸如车轴12的重量 之类的其他参数是固定参数，但它们可以被安全地忽略掉。最后，诸如转动力矩 、水平施加力 以及垂直施加力

等可变参数，由传感器套件122测定。

转动力矩 由下式计算： $\stackrel{\→}{M}=k_s\mathrm{\β}+C_s\frac{\mathrm{d\β}}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

式中 是转动力矩，k_S为一常数，表示悬挂系统的转动刚性，β是车辆10的轴12与框架18之间的角度，C_S为一常数，表示悬挂系统的转动阻尼，而且 是β随时间的变化率。可以用几种不同方法确定角β。在图4所示的一个实施例中，第一传感器单元S₁装在车辆10的框架18上，而第二传感器单元S2装在车轴12上。第一和第二传感器单元S₁和S₂分别提供框架18的倾角和车轴12的倾角的指示。分别由第一和第二传感器单元S₁和单元S₂测量的倾角之差，提供了角β的直接量度。然而，图4中传感器套件单元122的构成对车轴12的振动敏感。这些振动被认为是噪声，从而可降低测量结果的信噪比(SNR)。

在图5A所示传感器套件122的另一种构成中，传感器套件122(见图2A)包括在框架18上安装的第一传感器单元S₁和在车轴12左侧车辆10悬挂系统15上的一个挂臂20l上安装的第二传感器单元S₂。第三传感器单元S₃安装在车轴12右侧车辆10悬挂系统15的一个挂臂20r上。来自这三个传感器单元S₁、S₂、S₃的信号由ADC110(见图2A)数字化并由CPU102处理。来自第二传感器单元S₂和第三传感器单元S₃的信号组合成一个差值信号。把第二和第三传感器单元S₂和S₃分别装到挂臂20l和20r上，可减小传感器单元对振动造成的误差的敏感性。此外，由CPU102产生的差值信号进一步可减小由道路振动引起的噪声，因为第二和第三传感器单元S₂和S₃被暴露于类似的路面振动。该差值信号还可减小由其他因素造成的误差，例如道路的斜坡和车辆10的刹车，在这种情况下传感器S₂和S₃二者同时测量由道路斜坡或刹车效应造成的同一倾斜角，并产生一零差值输出信号响应这些外部影响。这样，由传感器单元S₂和S₃产生的差值信号提供的角β测量值，要比直接装在车辆12(见图4)上的单一传感器单元S₂所能提供的角β测量值更加准确。

图5B表示差值传感器安装侧视图，并且表示装在左挂臂20l上的第二传感器单元S₂。挂臂20l可回转地固定在框架18上，以确定可变的角γ_l，第三传感器单元S₃类似地安装在右挂臂20r上(见图5A)。右挂臂20r和框架18限定一可变角γ_r。把挂臂20l和20r耦合到车轴12上的枢轴点之间的水平距离在图5B中由字母e表示。第二和第三传感器单元S₂和S₃由距离d分开(见图5A)。应该指出，对于一特定车辆10来说，距离d和e是固定的。通过利用众所周知的三角函数，各角和距离由下式互相关联： $\frac{d}{e}=\frac{\sin {\mathrm{\γ}}_l-{\sin \mathrm{\γ}}_r}{\sin \mathrm{\β}}---\left(9\right)$ 这里所有项先前都已定义过。

车轴12和框架18之间的角度β小于10°，而且在通常情况下大大小于10°。在这种条件下，系统100对式(9)中的正弦函数采用线性近似。角β、γ_l和γ_r是直接测量到的，并用下式提供直接测量β的技术： $\mathrm{\β}=\frac{e}{d}({\mathrm{\γ}}_I-{\mathrm{\γ}}_r)---\left(10\right)$ 这里所有项先前都已定义过。

可以把计算出的角β及β随时间变化率

代入式(8)以确定转动力矩

。如先前讨论过的那样，常数k_S是悬挂刚性的度量，它取决于悬挂系统15(见图1A和1B)的几何形状。应该指出，如果车辆10使用空气悬挂弹簧，则k_S可能稍有变化。然而这种微小的变化可被安全地忽略。常数C_S是悬挂系统转动阻尼的度量，它取决于悬挂系统15的几何形状。

水平力

由下式确定： $\stackrel{\→}{H}=\mathrm{\α}\stackrel{\→}{V}---\left(11\right)$ 这里所有各项已在先前定义过。横向加速度a由传感器单元S₁(见图4和5A)测量。如前文中描述的那样，传感器S₁提供框架18倾斜角的度量。倾斜角被定义为δ，用于以下式确定横向加速度：

              a＝tanδ             (12)这里所有各项已在先前定义过。

由系统100测量的其余可变参数是垂直力

，它是由车辆10的负荷，包括框架18和车辆内的负荷施加的。多种不同的技术可以用于确定垂直力

。对于一种车辆诸如小汽车、货车、公共汽车等，车辆的重量由数个车轴分担。尽管这种测量没有考虑乘客的重量，但此重量与车辆本身的重量相比一般是小的。另一种情况是，拖拉机-挂车组合之类的车辆能用卡车秤测量垂直力 ，其中对每对车轴组独立地测量以导出车辆总重量。对于与传感器套件122(见图2A)相关联的车轴所测量的重量用作

值。针对空气弹簧悬挂系统，可以通过测量弹簧本身内的气压来确定对垂直力 的直接测量值。垂直力 等于该弹簧内的气压乘以弹簧的有效面积。这个值可以由一指示空气弹簧几何形状的常数，例如该空气弹簧到车轴的位移距离来进行标度。这样，可以有多种技术能成功地应用于确定垂直力 之值。

有了所描述的测定或计算各常数和变量的技术之后，系统100便能很容易地利用式(4)、(5)、(6)计算负荷迁移率LTR和用式(6)、(7)计算有效重心高度。这样，系统100的好处是可提供一种成本低又有效的技术，以向车辆操作员提供车辆10倾翻可能性的指示。车辆操作员能使用这一信息以便更安全地操作车辆，从而可减少倾翻事故的发生。

由上述可以理解，虽然为了说明的目的在这里已经描述了本发明的具体实施例，但可以进行各种修改而不离开本发明的精神和范围。因此，除了所附权利要求外，本发明不受其他局限。

Claims (50)

1.一种检测车辆倾翻状态的系统，该系统包括：

一传感器套件，其与该车辆耦合并产生信号指示该车辆的横向负荷迁移和横向加速度；

一转动力矩计算器，其与所述传感器套件耦合以根据所述信号计算转动力矩；

一重心计算器，其与所述传感器套件耦合以根据所述信号计算该车辆的有效重心；

一转动力矩显示器，其与所述处理器耦合以提供一可见显示来指示所述转动力矩；以及

一重心显示器，其提供一可见显示来指示该车辆的所述有效重心，以提供该车辆倾翻可能性的指示。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述转动力矩计算器计算一横向负荷迁移率，用以指示一实际转动力矩与一最大转动力矩的比较，所述转动力矩显示器指示该横向负荷迁移率。

3.如权利要求1所述的系统，其中该车辆包括一车体和一与车轴关联的悬挂系统，所述传感器套件包括第一、第二和第三传感器单元，所述第一传感器单元被取向为可提供所述指示车体横向加速度的信号，所述第二和第三传感器单元被取向为可提供所述指示该悬挂系统中横向负荷迁移的信号。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述第一传感器单元装在车体上，以提供所述指示横向加速度的信号。

5.如权利要求3所述的系统，其中所述第二和第三传感器单元装在车轴的相对两侧，以提供所述指示从车轴一侧向车轴相对一侧横向负荷迁移的信号。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述转动力矩计算器由所述第二和第三传感器单元产生的信号产生一差值信号，以确定横向负荷迁移。

7.如权利要求1所述的系统，其中该车辆包括一车体和一与车轴关联的悬挂系统，所述传感器套件包括第一和第二传感器单元，所述第一传感器单元被取向为可提供所述指示车体横向加速度的信号，所述第二传感器单元被取向为可检测该悬挂系统中的一个倾斜角。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述第一传感器单元装在该车体上以检测横向加速度。

9.如权利要求7所述的系统，其中所述第二传感器单元装在车轴上以检测该车轴的倾斜角。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述传感器套件包含至少两个能产生所述指示横向加速度和横向负荷迁移信号的光学倾斜传感器。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述转动力矩显示器和重心显示器分别包括第一和第二柱状图显示器，所述第一柱状图显示器有一基本水平的显示取向以指示横向负荷迁移，所述第二柱形图显示器有一基本垂直的显示取向以指示所述被计算出来的车辆有效重心。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述转动力矩显示器是一彩色显示器，且当横向负荷迁移低于一预定阈值时以第一种颜色显示横向负荷迁移，而当横向负荷迁移高于所述预定阈值时以第二种颜色显示横向负荷迁移。

13.如权利要求1所述的系统，还包括一个音频换能器，以在横向负荷迁移超过一预定阈值时产生一报警信号。

14.如权利要求1所述的系统，其中该车辆有一驱动轴，而且所述传感器套件与该驱动轴关联以传感驱动轴处的横向加速度和横向负荷迁移。

15.如权利要求1所述的系统，其中该车辆为有至少一个驱动轴的拖拉机-挂车，所述传感器套件装在这至少一个驱动轴附近，以提供所述指示这至少一个驱动轴处的横向加速度和横向负荷迁移的信号。

16.如权利要求1所述的系统，其中该车辆为有多个挂车部分而每部分有一车轴的拖拉机-挂车，所述传感器套件装在这些挂车部分车轴之一的车轴上，以提供所述指示这挂车部分车轴处横向加速度和横向负荷迁移的信号。

17.如权利要求1所述的系统，其中该车辆为有多个挂车部分而每部分有一车轴的拖拉机-挂车，该系统进一步包括多个传感器套件装在这多个挂车部分车轴中的至少两个附近，以提供所述指示挂车部分车轴处横向加速度和横向负荷迁移的信号。

18.如权利要求1所述的系统，其中该车辆包括一车体和一与车轴关联的悬挂系统，所述转动力矩计算器通过确定车体和车轴之间形成的角度来计算所述转动力矩。

19.如权利要求18所述的系统，其中该车辆悬挂系统有一预定刚度，所述转动力矩计算器利用所述车体和车轴之间形成的角度以及一指示悬挂系统预定刚度的常数来计算所述转动力矩。

20.如权利要求1所述的系统，还包括确定加到车辆上的静态负荷的手段，所述转动力矩计算器还计算横向负荷迁移与所述静态负荷之比。

21.如权利要求20所述的系统，其中所述转动力矩显示器提供所述横向负荷迁移与所述静态负荷之比的指示。

22.如权利要求1所述的系统，还包括一加到所述处理器上的门信号，只当加上该门信号时所述重心计算器才计算所述有效重心。

23.如权利要求22所述的系统，其中当所述横向加速度超过一预定阈值时向所述重心计算器施加所述门信号。

24.如权利要求22所述的系统，还包括一数据存储空间，以在所述门信号没有加到重心计算器上时存储所述计算出的重心，所述重心显示器在施加所述门信号时显示该计算出的重心，而在未施加该门信号时显示所述被存储的计算出来的重心。

25.如权利要求1所述的系统，还包括一数据存储空间，以在所述计算出的转动力矩超过一预定阈值时存储该计算出的转动力矩的数据值。

26.如权利要求25所述的系统，其中所述数据存储空间存储多个被计算出的转动力矩值，指示出每次该计算出的转动力矩超过所述预定阈值的情况，所述转动力矩显示器包括显示这多个计算出的转动力矩值中的每一个。

27.如权利要求1所述的系统，其中所述转动力矩计算器和所述重心计算器为一单一处理器的组成部分。

28.如权利要求27所述的系统，其中所述转动力矩显示器和所述重心显示器为一单一显示器的组成部分。

29.一种一检测车辆倾翻状态的系统，该系统包括：

一传感器套件，其与该车辆耦合并产生信号指示该车辆的横向负荷迁移和横向加速度；

一横向负荷迁移率处理器，其与所述传感器套件耦合以计算一横向负荷迁移率，该横向负荷迁移率指示实际横向负荷迁移与最大横向负荷迁移之比；

一重心处理器，其与所述传感器套件耦合以计算车辆的有效重心；

一横向负荷迁移率显示器，其与所述横向负荷迁移率处理器耦合以提供一可见显示来指示所述横向负荷迁移率；以及

一重心显示器，其提供一可见指示来指示该车辆的有效重心，以提供该车辆倾翻可能性的指示。

30.如权利要求29所述的系统，其中该车辆包括一车体和一与车轴关联的悬挂系统，所述传感器套件包括第一、第二和第三传感器单元，所述第一传感器单元被取向为可提供所述指示车体横向加速度的信号，所述第二和第三传感器单元被取向为可提供所述指示该悬挂系统中横向负荷迁移的信号。

31.如权利要求30所述的系统，其中所述第一传感器单元装在车体上以提供所述指示横向加速度的信号。

32.如权利要求30所述的系统，其中所述第二和第三传感器单元装在车轴的相对两侧，以提供所述指示从车轴一侧向车轴相对一侧负荷迁移的信号。

33.如权利要求32所述的系统，其中所述横向负荷迁移率处理器由所述第二和第三传感器单元产生的信号产生一差值信号，以确定所述横向负荷迁移。

34.如权利要求29所述的系统，还包括一加到所述横向负荷迁移率处理器上的门信号，只有当加上该门信号时所述横向负荷迁移率处理器才计算所述有效重心。

35.如权利要求34所述的系统，其中当所述横向加速度超过一预定阈值时，向所述横向负荷迁移率处理器施加所述门信号。

36.如权利要求34所述的系统，还包括一数据存储空间，以在所述门信号没有加到所述横向负荷迁移率处理器上时存储所述计算出的重心，所述显示器在施加所述门信号时显示该计算出的重心，而在未施加该门信号时显示所述被存储的计算出的重心。

37.如权利要求29所述的系统，其中所述横向负荷迁移率处理器和所述重心处理器是单一处理器的组成部分。

38.如权利要求29所述的系统，其中所述横向负荷迁移率显示器和重心显示器是单一显示器的组成部分。

39.一种检测车辆倾翻状态的方法，该方法包括以下步骤：

利用与车辆耦合的传感器套件产生指示车辆横向负荷迁移和横向加速度的信号；

根据所述信号计算转动力矩；

计算车辆的有效重心；以及

显示所述计算出来的转动力矩和所述计算出来的车辆有效重心的数据，以提供该车辆倾翻可能性的指示。

40.如权利要求39所述的方法，其中所述计算转动力矩的步骤计算指示实际转动力矩与最大转动力矩之比的横向负荷迁移率，所述显示数据步骤显示指示所述横向负荷迁移率的数据。

41.如权利要求39所述的方法，其中该车辆包括一车体和一与车轴关联的悬挂系统，而且所述传感器套件包括第一、第二和第三传感器单元，所述第一传感器单元被取向为可提供所述指示车体横向加速度的信号，所述第二和第三传感器单元被取向为可提供所述指示该悬挂系统中横向负荷迁移的信号，所述计算转动力矩的步骤使用由所述第一、第二和第三传感器单元产生的信号。

42.如权利要求41所述的方法，其中所述第一传感器单元装在车体上以提供所述指示横向加速度的信号。

43.如权利要求41所述的方法，其中所述第二和第三传感器单元装在车轴的相对两侧，以提供所述指示从车轴一侧向车轴相对一侧负荷迁移的信号。

44.如权利要求41所述的方法，其中所述计算转动力矩的步骤由所述第二和第三传感器单元产生的信号产生一差值信号，以确定横向横向负荷迁移。

45.如权利要求39所述的方法，其中该车辆包括一车体和一与车轴关联的悬挂系统，所述传感器套件包括第一和第二传感器单元，所述第一传感器单元被取向为可提供所述指示车体横向加速度的信号，所述第二传感器单元被取向为可提供所述指示悬挂系统中横向负荷迁移的信号，所述计算转动力矩的步骤使用由第一和第二传感器单元产生的信号。

46.如权利要求45所述的方法，其中所述第一传感器单元装在车体上，以提供所述指示横向加速度的信号。

47.如权利要求45所述的方法，其中所述第二传感器单元装在车轴上，以提供所述指示从车轴一侧向车轴相对一侧负荷迁移的信号。

48.如权利要求39所述的方法，其中所述传感器套件包括至少两个能产生所述指示横向加速度和横向负荷迁移信号的光学倾斜传感器，所述计算转动力矩的步骤使用由所述光学倾斜传感器产生的信号。

49.如权利要求39所述的方法，还包括存储步骤，如果所计算的转动力矩超过一预定阈值则存储所计算的转动力矩的数据值。

50.如权利要求49所述的方法，其中所述存储步骤存储多个计算出的转动力矩数据值，指示出每次该计算出的转动力矩超过所述预定阈值的情况，该方法还包括显示这多个计算出的转动力矩值中每一个的步骤。

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