CN114896690A - 一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于平衡重式叉车的质心高度实时估计方法，其先检测叉车的驱动轮转动速度、后轮转动角度和车身侧倾角来判断叉车的状态；当叉车处于静态状态，通过静态质心位置测量方法检测此时叉车的静态质心高度；当叉车处于直行运行工况，采用叉车纵向动力学模型来估计叉车的直行质心高度；当叉车处于转弯工况；采用叉车侧倾动力学模型来估计叉车的转弯质心高度。最后将叉车在静态、直行、转弯工况下得到的质心高度进行融合在一起，得到适用于多工况的叉车质心高度。本发明实现不同运行工况下叉车质心高度信息获取的准确性与实时性，继而可以提高叉车稳定性控制的精度，为叉车运行安全提供了保障。

Description

一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法

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***被应用于平衡重式叉车上。但是，叉车主动安全控制***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***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***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_f、后轮转动角度δ和车身侧倾角φ；

步骤2、当w_f＝0时，叉车处于静态状态，通过静态质心位置测量方法检测此时叉车的静态质心高度h′；

步骤3、当w_f≠0、δ＝0时，叉车处于直行运行工况，采用叉车纵向动力学模型来估计叉车的直行质心高度h_c；

步骤4、当w_f≠0、δ≠0时，叉车处于转弯工况；采用叉车侧倾动力学模型来估计叉车的转弯质心高度h_lat；

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_c、h_lat通过以下公式融合在一起，得到适用于多工况的叉车质心高度h_int：

h_int＝[(1-K′)h_lat+K′L_int(h_c-h_lat)](1-K)+Kh′

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_f、后轮转动角度δ和车身侧倾角φ得来。h_lat为基于叉车侧倾动力学模型估计出的质心高度，h_c为基于叉车纵向动力学模型估计出的质心高度，h′为叉车静态测量质心高度；

L_int为截止频率，该参数目的为消除高频噪声；则L_int＝2πf_int，其中f_int为基础频率设为5Hz。

进一步方案，步骤1中叉车的驱动轮转动速度w_f是由安装在叉车前驱动轮上的轮速传感器获得；后轮转动角度δ是由安装在叉车后转向轮上的转角传感器获得；车身侧倾角φ由安装在叉车车身上的陀螺仪传感器获得。

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F₁、F₂；

(3)将货叉倾斜到α₀角度后，再次通过压力传感器采集货叉前后两端的压力值F₃、F₄；

(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G₀(x₀,y₀)；

(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G₀′(x₀′,y₀′)；

(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_c是基于简化线性轮胎模型与叉车纵向动力学模型，使用非线性H_∞观测器观测质心高度信息的。

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_zr分别表示叉车前、后轮的法向力，

表示叉车等效纵向加速度，λ_c表示叉车质心纵向位置系数，L_f、L_r分别表示叉车质心到前后轴的水平距离，h_c表示叉车纵向动力学模型估计的质心高度；

所述叉车纵向动力学模型为：

式中，m表示叉车重量，I_f表示叉车前驱动轮的转动惯量，T_tf、T_bf分别表示叉车前驱动轮的牵引力矩和制动力矩，r_f表示前驱动轮半径；w_f表示前驱动轮转速，

表示前驱动轮转速的一阶导数，

表示纵向速度的一阶导数；

F_x、F_θ分别表示为驱动纵向力和叉车重力沿平行于路面的分力。

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_lat是基于叉车侧倾动力学模型，然后使用带有遗忘因子的最小二乘法计算质心高度。

更进一步方案，所述叉车侧倾动力学模型为：

式中，I_xx表示车身绕质心的转动惯量，l_s表示叉车轮距，φ表示车身侧倾角，h_R表示叉车质心距离后桥交接点的垂直高度，k、c分别表示轮胎刚度系数与阻尼系数，M_f表示铰接点处橡胶衬套提供的阻力矩，a_y表示叉车侧向加速度，m表示叉车重量；

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_R，则叉车的转弯质心高度h_lat＝h_R+h_r，其中，h_r为后桥铰接点的垂直高度。

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_f、后轮转动角度δ，当w_f＝0，叉车处于静态时，则权重系数K＝1，K’＝0；

(2)当w_f≠0，叉车处于动态，权重系数K＝0；此时再检测到后轮转动角度，当δ＝0时，叉车处于直行运行工况，则设置权重系数K’＝1；

当δ≠0，且小于转向角阈值δ_th，即0<δ<δ_th时，此时叉车处于混合运行工况，则设置权重系数K’＝1-δ/δ_th；

当检测到后轮转动角度δ大于转向角阈值δ_th，即δ>δ_th时，此时叉车处于转弯侧倾工况，设置权重系数K’＝0。

更进一步方案，所述转向角阈值δ_th的选取按照如下规则进行：

(1)当检测叉车车身侧倾角φ小于侧倾角误差值φ_min，即φ<φ_min时，判定叉车此时处于坡道行驶或缓慢转弯工况，此时基于侧倾动力学模型的质心高度估计方法失效，因此将最大数值赋值给δ_th，使权重系数K’趋于1，即使K’≈1(侧倾角误差值φ_min通过测试标定得来，一般取值范围是1～3°)；

(2)当检测到叉车车身侧倾角φ大于侧倾角误差值φ_min且小于叉车车身与安装在叉车后桥上的限位块接触时的侧倾角φ_max，即φ_min<φ<φ_max时，此时判定叉车处于正常运行状态，此时将叉车后轮实际最大转向角度赋值给δ_th；

(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_max时，即φ_max<φ时，此时判定叉车处于严重侧倾阶段，设置此时δ_th＝0，此时δ>δ_th成立，权重系数K’＝0。

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F₁、F₂分别为货叉水平时，压力传感器采集到的货叉前后两端的压力值；F₃、F₄分别为货叉倾斜一定角度后，压力传感器采集到的货叉前后两端的压力值，α₀为货叉倾斜角度，G表示货物质心，L₁、L₂分别为货物质心G到前后两端压力传感器之间的距离。

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_x为叉车纵向速度，L_f表示质心到前轴的距离，L_r表示质心到后轴的距离，w_f表示前驱动轮转速(通过轮速传感器采集)，θ表示道路坡度角，F_zf表示前轮法向力，F_zr表示后轮法向力，F_xf表示前轮纵向力，h_c表示纵向动力学模型下估计的质心高度。

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_y表示侧向加速度，g表示重力加速度，M_f表示铰接点处橡胶衬套提供的阻力矩，h_R表示质心距离后桥铰接的距离，h₀表示后桥铰接点的垂向高度。

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_max。

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_f；

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_f是否为零判断叉车是否处于静态：

当w_f＝0时，叉车处于静态状态时，通过静态质心位置测量方法检测叉车质心位置h′；通过举升法检测步骤如下：

(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(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F₁、F₂；

(3)将货叉倾斜到α₀角度后，再次通过压力传感器采集货叉前后两端的压力值F₃、F₄(如图2)；

(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G₀(x₀,y₀)，两个压力传感器之间的距离为L，如图2中L＝L₁+L₂，则基于步骤(2)、(3)，货物在水平状态下坐标可以用下列公式表示：

(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G₀′(x₀′,y₀′)，则货物升高一定高度后在整车坐标系下坐标可以下列计算公式表示：

(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G₀，则G₀＝F₁+F₂，装载货物后的叉车联合质心坐标为G′(x′,y′)，如图3所示，则叉车的静态质心高度h’＝y’；

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_f≠0、δ＝0时，叉车处于直行运行工况，此时进行基于叉车纵向动力学模型的直行质心高度估计方法，即：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_∞观测器观测质心高度信息。其具体计算步骤如下：

(1)简化线性轮胎模型，轮胎法向力的公式为：

其中，L_f和L_r分别表示叉车质心到前后轴的水平距离，h_c表示叉车纵向动力学模型估计的质心高度，

表示叉车等效垂向加速度，

表示叉车等效纵向加速度。

和

可分别用下列公式表示：

其中，a_z表示叉车法向加速度，a_x表示叉车纵向加速度，θ表示道路坡度角。叉车法向加速度可以用下列公式近似表示：

a_z≈a_xθ+v_xβ

其中，叉车纵向加速度a_x与纵向速度v_x可以直接测量。β表示坡道变化率。道路坡度角θ与坡道变化率β被认为是已知参数。

定义叉车质心纵向位置系数λ_c，计算公式设为以下：

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_f表示叉车前驱动轮的转动惯量，T_tf和T_bf分别表示叉车前驱动轮的牵引力矩和制动力矩，r_f表示前驱动轮半径；

w_f表示前驱动轮转速，

表示前驱动轮转速的一阶导数，

表示纵向速度的一阶导数；

F_x和F_θ分别表示为驱动纵向力和叉车重力沿平行于路面的分力，分别可以用下列公式表示：

F_θ＝mgsinθ≈mgθ

式中，θ表示道路坡度角，σ表示纵向滑移率，

表示轮胎-路面滑移角度，以上参数由轮胎性能和轮胎-路面摩擦系数决定。

(3)非线性H_∞观测器对直行状态下的叉车进行质心高度估计

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^s＝[v_x,w_f]^T,预测参数向量为

叉车***测量为z＝x^s＝[v_x,w_f]^T，控制输入向量为u＝[T_tf,T_bf]^T。在这里，由于轮胎道路接触情况位置未知，轮胎-路面滑移角度

与叉车质心位置一同进行估计。

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^s,x^p,u)可以表示为：

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_k表示单位矩阵，k表示当前时间步长，

通过欧拉法可通过以下公式计算而来：

式中，T_s表示采样时间。

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

将预测的叉车质心位置参数认为随机游动，叉车纵向动力学***方程可以如下列出：

式中，由于对于轮胎-路面滑移角度

并不是本文的研究重点，因此设置

HIF的目标是综合考虑***预测噪声

测量噪声

和初始状态值

的同时，最小化估计误差

代价函数可以写成如下形式：

式中

和

分别表示预测的输出值与状态值的预测量，S_k、P₀、Q_k和R_k为针对不同对象问题自定的实对称矩阵。为了将代价函数最小化，采用文献中使用的性能上界参数ε，使其满足：

J<1/ε

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_f≠0、δ≠0时，叉车处于转弯工况，进行基于叉车侧倾动力学模型的质心高度估计方法，

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_xx表示车身绕质心的转动惯量，l_s表示叉车轮距，φ表示车身侧倾角，h_R表示叉车质心距离后桥铰接点的垂向高度，k和c分别表示轮胎刚度系数与阻尼系数，M_f表示铰接点处橡胶衬套提供的阻力矩，a_y表示叉车侧向加速度，m表示叉车重量；

为车身侧倾角的二阶导数。

(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^T(t)θ(t)

其中：

ψ(t)＝ma_y cosφ+mgsinφ

θ(t)＝h_R

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_y cosφ+mgsinφ

θ(t)＝h_R

式中，s表示拉普拉斯算子，忽略

一项，并认为其远小于I_xx。

(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_lat。

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。

表示估计参数向量，y(t)表示***输出向量，ψ(t)表示***输入向量。

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_R，因此估计的叉车质心高度为h_lat为：

h_lat＝h_R+h_r

其中，h_r为后桥铰接点的垂直高度，是可以直接测量得到的。

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_int＝[(1-K′)h_lat+K′L_int(h_c-h_lat)](1-K)+Kh′

式中：K、K′为权重系数，h_lat为基于叉车侧倾动力学模型估计出的转弯质心高度，h_c为基于叉车纵向动力学模型估计出的直行质心高度，h′为叉车静态测量的静态质心高度。L_int为截止频率，该参数目的为消除高频噪声。通过频域分析，确定截止频率L_int＝2πf_int。考虑收敛速度与低通滤波之间的权衡关系，基础频率f_int设置为5Hz。即使权重系数K′突然在0到1之间变化，集成观测器依然可以输出稳定的叉车质心高度信息。

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_f是否为零，判断叉车是否完全处于静态。当检测到前驱动轮转速w_f＝0，叉车处于静态时，则权重系数K＝1，K′＝0；

(2)当驱动轮转动角速度w_f≠0，叉车处于动态，权重系数K＝0，此时叉车质心高度通过纵向动力学模型质心估计方法和侧倾动力学模型质心高度估计方法计算而来；

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_th，即0<δ<δ_th时，判断叉车处于混合运行工况，此时设置权重系数K′＝1-δ/δ_th；

2.3当检测到后轮转动角度δ大于转向角阈值δ_th时，即δ>δ_th时，判断叉车处于转弯侧倾工况，此时设置权重系数K′＝0。

上述步骤中的δ_th按照如下规则进行取值。

(1)当检测叉车车身侧倾角φ小于侧倾角误差值φ_min时，即φ<φ_min时，判定叉车此时处于坡道行驶或缓慢转弯工况，此时基于侧倾动力学模型的质心高度估计方法失效，因此将处理器能够处理的最大数值赋值给δ_th，使权重系数K′趋于1，即使K′≈1(侧倾角误差值φ_min通过测试标定得来，一般取值范围是1～3°)；

(2)当检测到叉车车身侧倾角φ大于侧倾角误差阈值φ_th且小于叉车车身与限位块接触时的侧倾角φ_max时，即φ_min<φ<φ_max时，此时判定叉车处于正常运行状态，此时将叉车后轮实际最大转向角度赋值给δ_th；

(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_max时，即φ_max<φ时，此时判定叉车处于严重侧倾阶段，基于侧倾动力学模型的质心高度估计方法发挥最大作用，设置此时δ_th＝0，此时δ>δ_th成立，权重系数K′＝0。

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_s＝4300kg，整车绕Z轴转动惯量I_z＝6129kg·m²，车架绕X轴转动惯量I_x＝3100kg·m²，前轴与质心的距离a＝1m，后轴与质心的距离b＝0.7m，轮距B＝1m，叉车后轮实际最大转向角度为82°，设置φ_min＝2°，φ_max＝6°。叉车运行工况为先进行静态质心高度测量，再进行直行加速，后进行直角转弯。

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F₁和F₂。将货叉倾斜到一定的α₀角度以及高度后，再次通过压力传感器采集前后两端的压力值F₃和F₄，并用角度传感器采集货叉倾斜角度以及用高度传感器采集货叉高度信息。通过本发明专利提出的静态测量方法测量叉车静态质心高度h’＝0.75m。轮速传感器采集叉车前轮驱动轮转动速度信息，叉车后轮转角传感器采集的后轮转角信息。

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_∞观测器观测质心高度信息；

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。

Claims (9)

1.一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤1、检测叉车的驱动轮转动速度w_f、后轮转动角度δ和车身侧倾角φ；

步骤2、当w_f＝0时，叉车处于静态状态，通过静态质心位置测量方法检测此时叉车的静态质心高度h′；

步骤3、当w_f≠0、δ＝0时，叉车处于直行运行工况，采用叉车纵向动力学模型来估计叉车的直行质心高度h_c；

步骤4、当w_f≠0、δ≠0时，叉车处于转弯工况；采用叉车侧倾动力学模型来估计叉车的转弯质心高度h_lat；

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_c、h_lat通过以下公式融合在一起，得到适用于多工况的叉车质心高度h_int：

h_int＝[(1-K′)h_lat+K′L_int(h_c-h_lat)](1-K)+Kh′

式中：K、K’为权重系数，取值范围为(0，1)；

L_int为截止频率，则L_int＝2πf_int，其中f_int为基础频率设为5Hz。

2.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其特征在于：步骤1中叉车的驱动轮转动速度w_f是由安装在叉车前驱动轮上的轮速传感器获得；后轮转动角度δ是由安装在叉车后转向轮上的转角传感器获得；车身侧倾角φ由安装在叉车车身上的陀螺仪传感器获得。

3.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其特征在于：所述静态质心测量方法的步骤如下：

(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F₁、F₂；

(3)将货叉倾斜到α₀角度后，再次通过压力传感器采集货叉前后两端的压力值F₃、F₄；

(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G₀(x₀,y₀)；

(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′₀(x′₀,y′₀)；

(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’。

4.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其特征在于：步骤3中叉车的直行质心高度h_c是基于简化线性轮胎模型与叉车纵向动力学模型，使用非线性H_∞观测器观测质心高度信息的。

5.根据权利要求4所述的一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其特征在于：所述简化线性轮胎模型中的轮胎法向力的公式为：

式中，m表示叉车重量，F_zf、F_zr分别表示叉车前、后轮的法向力，

表示叉车等效纵向加速度，λ_c表示叉车质心纵向位置系数，L_f、L_r分别表示叉车质心到前后轴的水平距离，h_c表示叉车纵向动力学模型估计的质心高度；

所述叉车纵向动力学模型为：

式中，m表示叉车重量，I_f表示叉车前驱动轮的转动惯量，T_tf、T_bf分别表示叉车前驱动轮的牵引力矩和制动力矩，r_f表示前驱动轮半径；w_f表示前驱动轮转速，

表示前驱动轮转速的一阶导数，

表示纵向速度的一阶导数；F_x、F_θ分别表示为驱动纵向力和叉车重力沿平行于路面的分力。

6.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其特征在于：步骤4中叉车的转弯质心高度h_lat是基于叉车侧倾动力学模型，然后使用带有遗忘因子的最小二乘法计算质心高度。

7.根据权利要求6所述的一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其特征在于：所述叉车侧倾动力学模型为：

式中，I_xx表示车身绕质心的转动惯量，l_s表示叉车轮距，φ表示车身侧倾角，h_R表示叉车质心距离后桥交接点的垂直高度，k、c分别表示轮胎刚度系数与阻尼系数，M_f表示铰接点处橡胶衬套提供的阻力矩，a_y表示叉车侧向加速度，m表示叉车重量；

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_R，则叉车的转弯质心高度h_lat＝h_R+h_r，其中，h_r为后桥铰接点的垂直高度。

8.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其特征在于：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_f、后轮转动角度δ，当w_f＝0，叉车处于静态时，则权重系数K＝1，K’＝0；

(2)当w_f≠0，叉车处于动态，权重系数K＝0；此时再检测到后轮转动角度，当δ＝0时，叉车处于直行运行工况，则设置权重系数K’＝1；

当δ≠0，且小于转向角阈值δ_th，即0<δ<δ_th时，此时叉车处于混合运行工况，则设置权重系数K’＝1-δ/δ_th；

当检测到后轮转动角度δ大于转向角阈值δ_th，即δ>δ_th时，此时叉车处于转弯侧倾工况，设置权重系数K’＝0。

9.根据权利要求8所述的一种用于平衡重式叉车的质心高度估计方法，其特征在于：所述转向角阈值δ_th的选取按照如下规则进行：

(1)当检测叉车车身侧倾角φ小于侧倾角误差值φ_min，即φ<φ_min时，判定叉车此时处于坡道行驶或缓慢转弯工况，此时基于侧倾动力学模型的质心高度估计方法失效，因此将最大数值赋值给δ_th，使权重系数K’趋于1，即K’≈1；

(2)当检测到叉车车身侧倾角φ大于侧倾角误差阈值φ_min且小于叉车车身与安装在叉车后桥上的限位块接触时的侧倾角φ_max，即φ_min<φ<φ_max时，此时判定叉车处于正常运行状态，此时将叉车后轮实际最大转向角度赋值给δ_th；

(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_max时，即φ_max<φ时，此时判定叉车处于严重侧倾阶段，设置此时δ_th＝0，此时δ>δ_th成立，权重系数K’＝0。

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