基于多传感器融合的叉车倾角实时监测与防倾翻预警方法与流程

本发明属于叉车安全监测，具体为基于多传感器融合的叉车倾角实时监测与防倾翻预警方法。

背景技术：

1、叉车在载货行驶过程中，其稳定状态受行驶速度、加减速、转向状态、门架倾角、货叉举升高度、货物质量及左右载荷分布等因素共同影响，现有防倾翻监测通常采集车体倾角、角速度、轮地法向力或门架载荷，将当前监测值与预设阈值、固定稳定边界或预先建立的车辆模型进行比较，部分方案还利用前视三维传感器获取路面轮廓，据此预测车轮经过凸起、凹陷、台阶边缘或坡面过渡区域时的车体姿态及轮载变化。

2、载货叉车通过局部高差路面时，车辆加减速、转向及门架载荷状态变化会引起车轮之间的载荷转移，车轮与局部高差接触也会引起轮地法向力和车体运动响应变化，两类变化在时间上相互叠加，现有方案直接依据轮地法向力增量或车体姿态变化识别路面作用时，难以判断相应变化是由车辆运行工况、门架载荷变化还是局部高差接触引起，前视地形数据还存在位置和高度测量误差，同一局部高差依次作用于不同车轮时，先接触车轮形成的实际接触信息通常未与后续车轮的预计接触事件建立对应关系，导致接触时刻、接触位移及后续轮地法向力的预测误差持续传递。

3、平衡重式叉车的摆动式转向桥在未达到机械限位时，两个转向轮通过车桥铰接中心向车架传递支承；达到机械限位后，限位，位置与车架之间形成附加支承约束，车体有效支撑点及有效支承区域随之改变，采用固定稳定三角形、固定支承多边形或仅依据当前倾角进行判断，不能准确反映局部高差连续作用过程中车轮接触状态、车桥支承约束和倾翻边界的动态变化，容易造成支承卸载程度计算偏差、倾翻方向识别不准以及趋势预警滞后。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：载货叉车通过凸起、凹陷、台阶边缘或坡面过渡区域形成的局部高差路面时，车辆加减速、转向和门架载荷状态变化所产生的轮地法向力变化，与车轮经过局部高差时产生的轮地法向力变化相互叠加，难以依据轮地法向力准确识别局部高差所引起的实际支承状态变化；同时，前视地形数据中的位置误差和高度误差会传递至尚未经过同一局部高差特征的其他车轮，且摆动式转向桥达到机械限位前后的车体支承约束不同，采用固定支承关系和当前倾角进行判断，难以反映后续车轮接触局部高差过程中的支承卸载状态及倾翻方向。

2、为解决上述技术问题，本发明提供基于多传感器融合的叉车倾角实时监测与防倾翻预警方法；该方法获取具有统一时间基准的叉车前方地形数据、车辆运行数据、车体运动数据、门架载荷数据、各车轮的当前相对接触高度和当前轮地法向力，并预先建立车轮接触位置与车体有效支承点之间的映射关系以及车体有效支承点之间的邻接关系。

3、叉车前方地形数据包括前视三维传感器采集的地形采样点在车体坐标系中的空间坐标，以及根据相邻地形采样点拟合得到的地形法向；车辆运行数据包括行驶速度、行驶方向、纵向加速度、横向加速度、转向角和横摆角速度；车体运动数据包括车体垂向加速度、侧倾角速度、俯仰角速度、侧倾角加速度、俯仰角加速度和车体姿态；门架载荷数据包括门架倾角、货叉举升高度、货物总载荷和左右货叉载荷。

4、各车轮的轮地法向力由轮载传感器采集；当采用间接检测时，根据车桥应变、转向桥支承力，或者与车轮支承力传递链相连的支承油缸压力和轮地法向力之间的标定关系，换算得到相应车轮的轮地法向力；各车轮的当前相对接触高度为车轮接触位置相对于车体坐标系基准平面的高度，根据当前车体姿态、车轮安装坐标、车轮有效滚动半径以及车轮接地支承结构在当前轮地法向力下的变形量确定。

5、根据各车轮在车体坐标系中的安装坐标，以及预警时域内的预计行驶速度、预计行驶方向和预计转向状态，确定各车轮接触位置的移动轨迹；按照相应车轮的接地宽度对移动轨迹进行横向扩展，形成各车轮的预测轮迹。

6、选取位于待识别区域沿行驶方向前侧且平面拟合残差不大于参考地形判定阈值的地形采样点，拟合形成参考地形面；根据其余地形采样点至参考地形面的高度偏差、地形法向与参考地形面法向之间的夹角以及地形采样点之间的邻接距离，将空间上连续且满足地形变化判定条件的地形采样点合并为局部高差特征。

7、当同一局部高差特征与至少两个车轮的预测轮迹相交时，将该局部高差特征沿各预测轮迹的进入边界、离开边界和内部高度突变位置分别确定为预测接触事件，并根据预测接触事件在相应预测轮迹中的位置及相应车轮的预计移动速度，确定预计接触时刻。

8、对于局部高差特征进入边界对应的预测接触事件，将进入边界相对于参考地形面的有向高度差确定为预计接触位移；对于离开边界和内部高度突变位置对应的预测接触事件，将当前预测接触事件对应位置相对于同一预测轮迹上的前一预测接触事件对应位置的有向高度差确定为预计接触位移；预计接触位移为正值时，表示车轮接触位置相对于前一接触状态升高；预计接触位移为负值时，表示车轮接触位置相对于前一接触状态降低。

9、将同一局部高差特征在不同车轮预测轮迹上形成的预测接触事件按照预计接触时刻排列，形成关联接触事件组；关联接触事件组中的每一预测接触事件对应确定的车轮、预计接触时刻和预计接触位移，用于建立先发生接触的车轮与尚未经过同一局部高差特征的其他车轮之间的事件对应关系。

10、在已知平整路面上，分别改变叉车的纵向加速度、横向加速度、转向角、横摆角速度、门架倾角、货叉举升高度、货物总载荷和左右货叉载荷差，并采集各车轮的轮地法向力；按照货物总载荷区间、货叉举升高度区间和转向角区间划分标定工况，建立各标定工况下车辆运行数据、门架载荷数据与各车轮轮地法向力变化量之间的分段基准响应关系。

11、在叉车运行过程中，根据当前货物总载荷、货叉举升高度和转向角选取相应的分段基准响应关系，将当前车辆运行数据和门架载荷数据输入选取的分段基准响应关系，确定地面高度关系保持不变时，由车辆加减速、转向和门架载荷状态变化引起的各车轮基准轮地法向力变化量。

12、以预测接触事件的预计接触时刻为基准，根据预测接触位置误差、预计移动速度误差和数据时间同步误差确定该预测接触事件的接触时间窗；在接触时间窗内，确定各车轮实测轮地法向力变化量与相应基准轮地法向力变化量之间的差值，并将该差值确定为局部高差接触所引起的接触作用力增量。

13、根据预测接触事件对应车轮相对于叉车与货物构成的载荷系统质心的位置，以及预计接触位移的正负方向，确定对应的预期车体运动响应方向；当相应车轮的接触作用力增量绝对值达到接触作用力判定阈值，且车体垂向加速度、侧倾角速度和俯仰角速度中的至少一项达到相应的运动响应判定阈值，并且该项车体运动数据的正负方向与预期车体运动响应方向一致时，确定发生实际接触，将上述条件开始同时成立的时刻确定为实际接触时刻。

14、根据各车轮的接触作用力增量之和确定垂向支承合力变化量；根据各车轮的接触作用力增量及相应车轮相对于载荷系统质心的横向力臂，确定侧倾支承力矩变化量；根据各车轮的接触作用力增量及相应车轮相对于载荷系统质心的纵向力臂，确定俯仰支承力矩变化量；按照垂向支承合力变化量、侧倾支承力矩变化量和俯仰支承力矩变化量在重复加载标定试验中的标准差分别进行归一化，并将归一化后的三个变化量组成实测接触响应向量。

15、通过车轮接地支承结构加载试验，分别对各车轮施加已知接触位移，并采集各车轮轮地法向力的变化量，确定不同车轮位置和门架载荷状态下单位接触位移对应的垂向支承合力变化量、侧倾支承力矩变化量和俯仰支承力矩变化量，建立单位接触位移响应关系。

16、当实际接触时刻对应的接触时间窗内仅存在一个预测接触事件时，根据相应车轮和当前门架载荷状态选取单位接触位移响应向量，求取使单位接触位移响应向量与待确定接触位移之积相对于实测接触响应向量的平方残差最小的接触位移，并将所得接触位移确定为实际接触位移。

17、当同一接触时间窗内存在两个以上预测接触事件时，将各预测接触事件对应车轮的单位接触位移响应向量组成接触位移响应矩阵，求取使接触位移响应矩阵与待确定接触位移向量之积相对于实测接触响应向量的平方残差最小的接触位移向量，并将接触位移向量中的各分量分别确定为相应预测接触事件的实际接触位移。

18、实际接触位移的正负方向限定为与相应预计接触位移的正负方向一致；当存在两个以上满足残差最小条件的接触位移向量时，从中选取与对应预计接触位移向量之间的偏差平方和最小的接触位移向量，以确定各预测接触事件对应的实际接触位移。

19、以车辆行驶方向为接触位置参数的正方向。确定实际接触时刻与相应预计接触时刻之间的时间偏差，并对两个时刻之间相应车轮的轮速进行积分，得到带有方向符号的接触位置偏差；实际接触时刻晚于预计接触时刻时，接触位置偏差为正值；实际接触时刻早于预计接触时刻时，接触位置偏差为负值；以接触位置偏差修正局部高差特征沿相应预测轮迹方向的边界位置参数。

20、确定实际接触位移与相应预计接触位移之间的位移偏差，以实际接触位置为约束，利用位移偏差修正局部高差特征在相应预测轮迹处的高度参数；局部高差特征的位置参数用于表征进入边界、离开边界和内部高度突变位置沿预测轮迹方向的位置；高度参数用于表征局部高差特征在各预测轮迹交会位置处的有向高度。

21、根据修正后的局部高差特征与尚未经过该局部高差特征的其他车轮预测轮迹之间的接触变化位置，重新确定所述其他车轮对应预测接触事件的预计接触时刻和预计接触位移；关联接触事件组中再次发生实际接触时，根据后一次实际接触确定的接触位置偏差和位移偏差，对尚未经过该局部高差特征的其他车轮对应预测接触事件进行再次更新；已发生的预测接触事件以及不属于同一关联接触事件组的预测接触事件不随该次实际接触结果更新。

22、根据门架倾角、货叉举升高度、货物总载荷和左右货叉载荷，确定叉车与货物构成的载荷系统的质量和质心位置；根据载荷系统的质量、质心位置、当前行驶速度区间和货叉举升高度区间，从车轮接地支承结构加载试验和局部高差路面行驶试验形成的分段车轮接触位移与轮地法向力响应关系中选取相应的响应矩阵。

23、将预计接触时间窗相互重叠的预测接触事件归入同一状态更新节点；根据状态更新节点中的预测接触事件及其对应车轮建立接触位移增量向量，将各预测接触事件的预计接触位移设置为相应车轮的向量分量，将未包含于该状态更新节点的车轮对应分量设置为零。

24、将接触位移增量向量输入所选取的响应矩阵，得到各车轮在当前状态更新节点产生的轮地法向力增量；根据前一状态更新节点与当前状态更新节点之间的时间间隔，按照局部高差路面行驶试验形成的动态响应衰减关系，对前一未来车轮接触状态中由局部高差引起的轮地法向力偏差进行衰减；动态响应衰减关系根据载荷区间、行驶速度区间及相邻状态更新节点之间的时间间隔选取。

25、根据当前状态更新节点对应的车辆运行数据和门架载荷数据，通过分段基准响应关系确定各车轮的节点基准轮地法向力；将衰减后的轮地法向力偏差和当前状态更新节点产生的轮地法向力增量叠加至节点基准轮地法向力，得到各车轮的预计轮地法向力；将接触位移增量向量累加至前一未来车轮接触状态中的相对接触高度，得到各车轮的预计相对接触高度；按照各状态更新节点的时间顺序重复上述处理，形成未来车轮接触状态序列。

26、对于通过刚性车桥或独立支承结构向车架传递支承力的车轮，将该车轮的接触位置确定为车体有效支承点，将该车轮的预计相对接触高度和预计轮地法向力分别确定为相应车体有效支承点的有效支承高度和有效支承力。

27、对于通过摆动式转向桥向车架传递支撑力的两个转向轮，根据两个转向轮的预计相对接触高度、两个转向轮之间的轮距、车桥铰接中心坐标以及摆动式转向桥的几何约束关系，确定预计车桥摆角。

28、当预计车桥摆角未达到车桥机械限位角时，将摆动式转向桥铰接中心在车体横纵平面内的投影位置确定为车体等效支承点的平面位置，根据两个转向轮的预计相对接触高度及摆动式转向桥的几何约束关系确定车体等效支承点的有效支承高度，并将两个转向轮的预计轮地法向力之和确定为车体等效支承点的有效支承力。

29、当预计车桥摆角达到车桥机械限位角时，将摆动式转向桥的铰接中心和发生限位接触的限位位置分别确定为车体有效支承点；铰接中心的有效支承高度根据两个转向轮的预计相对接触高度和摆动式转向桥的几何尺寸确定，限位位置的有效支承高度根据限位结构与车架发生接触时的几何坐标确定。

30、以两个转向轮的预计轮地法向力之和作为铰接中心和限位位置承担的有效支承力之和，根据两个转向轮相对于铰接中心产生的支承力矩以及铰接中心与限位位置之间的距离，按照支承力平衡关系和支承力矩平衡关系，分别确定铰接中心和限位位置承担的有效支承力。

31、根据刚性车桥或独立支承结构形成的车体有效支承点，以及摆动式转向桥形成的车体等效支承点或限位后的车体有效支承点，在车体横纵平面内的投影位置构建有效支承区域，并按照有效支承区域边界上的周向排列顺序确定车体有效支承点之间的邻接关系，形成相应的未来有效支撑状态。

32、临界有效支承力通过车轮由接地状态逐渐转变为离地状态的标定试验确定，并且不小于轮地法向力检测噪声上限对应的等效支承力；对于车体等效支承点或限位位置，按照车轮接触位置与车体有效支承点之间的映射关系，将车轮对应的离地判定力阈值转换为相应的临界有效支承力。

33、当有效支承力不小于临界有效支承力且非共线的车体有效支承点为三个时，根据三个车体有效支承点的位置和有效支承高度确定支承基准面；当符合上述条件的车体有效支承点超过三个时，根据各车体有效支承点的位置和有效支承高度拟合支承基准面；当符合上述条件且非共线的车体有效支承点少于三个时，将相应未来有效支承状态确定为临界失稳状态。

34、根据当前车体姿态、车体角速度、预计纵向加速度、预计横向加速度、预计转向状态和门架载荷状态，按照平整路面试验形成的车体姿态响应关系，确定叉车到达各未来有效支承状态时的车体预测姿态；车体姿态响应关系用于确定车辆加减速、转向和门架载荷状态变化所引起的车体侧倾姿态变化量和俯仰姿态变化量，不重复计入局部高差特征已经通过有效支承高度表示的姿态变化。

35、根据车体预测姿态相对于支承基准面的横向姿态差异和纵向姿态差异确定有效倾角；将各车体有效支承点的有效支承力与相应临界有效支承力之间的差值确定为支承卸载裕量，将与最小支承卸载裕量之间的差值不大于并列判定阈值的一个或多个车体有效支承点确定为候选卸载支承点。

36、针对每一候选卸载支承点，在支承基准面内去除该候选卸载支承点，并根据其余保持有效支承的车体有效支承点的投影位置构建剩余支承区域；将候选卸载支承点位于其外侧的剩余支承区域边界确定为相应候选倾翻边界；当存在两个以上符合条件的剩余支承区域边界时，将候选卸载支承点至边界距离最小的剩余支承区域边界确定为候选倾翻边界。

37、确定垂直于候选倾翻边界且由剩余支承区域内部指向外部的方向，将有效倾角在该方向上的投影确定为有向有效倾角。

38、第一预警阈值、第二预警阈值和并列判定阈值通过叉车倾斜台试验及局部高差路面行驶试验确定，并按照货物总载荷区间、货叉举升高度区间、行驶速度区间和转向角区间分别设置，其中，第二预警阈值小于第一预警阈值。

39、当任一候选卸载支承点的支承卸载裕量在连续至少两个未来有效支承状态中依次减小并小于或等于第一预警阈值，且相应有向有效倾角在所述连续至少两个未来有效支承状态中依次增大时，输出趋势预警信息。

40、当任一车体有效支承点的支承卸载裕量小于或等于第二预警阈值，或者相应未来有效支承状态被确定为临界失稳状态时，输出紧急预警信息。

41、当实际接触时刻位于相应预测接触事件的接触时间窗之外，或者实际接触位移与相应预计接触位移之间的差值绝对值大于校正偏差阈值时，将相应局部高差特征确定为未验证局部高差特征。

42、根据未验证局部高差特征的当前高度参数、地形高度测量误差上限和地形高度测量误差下限，分别确定对应地形高度测量误差上限的第一预计接触位移和对应地形高度测量误差下限的第二预计接触位移。

43、分别利用第一预计接触位移和第二预计接触位移更新相应预测接触事件，按照相同的未来状态递推和有效支承状态转换过程，形成第一未来有效支承状态序列和第二未来有效支承状态序列。

44、分别确定第一未来有效支承状态序列和第二未来有效支承状态序列中，全部车体有效支承点在全部状态更新节点上的最小支承卸载裕量，将两个最小支承卸载裕量中的较小值确定为未验证局部高差特征对应的支承卸载裕量，并依据该支承卸载裕量执行预警判断。

45、本发明的有益效果如下：

46、1、本发明通过建立车辆运行数据、门架载荷数据与各车轮基准轮地法向力之间的分段基准响应关系，先确定地面高度关系保持不变时由车辆加减速、转向、货叉举升及载荷偏置引起的轮地法向力变化，再从实测轮地法向力变化量中分离出局部高差接触对应的接触作用力增量，并结合车体垂向、侧倾及俯仰运动响应确定实际接触时刻和实际接触位移，达到区分车辆自身载荷转移与路面高差接触作用的目的，该处理避免仅依据轮地法向力突变或当前车体倾角判断路面作用，有利于减少转向、加减速及高位载货工况造成的接触误判，并为后续局部高差位置、高度及车轮支承状态的校正提供具有明确物理来源的数据基础。

47、2、本发明通过将同一局部高差特征在不同车轮预测轮迹上的进入边界、离开边界和内部高度突变位置组织为按照预计接触时刻排列的关联接触事件组，并分别利用实际接触时刻偏差修正局部高差特征沿预测轮迹方向的位置参数、利用实际接触位移偏差修正局部高差特征的高度参数，达到利用先接触车轮的实际响应逐次校正尚未经过该局部高差特征的其他车轮预测事件的目的，对于多个车轮同时或相近时刻接触局部高差的工况，通过接触位移响应矩阵联合确定各车轮接触位移，并按照状态更新节点的时间间隔衰减轮地法向力动态偏差，使未来相对接触高度和未来轮地法向力能够与接触事件的发生顺序及车辆动态响应过程保持对应，降低前视地形误差在不同车轮之间持续传递的影响。

48、3、本发明通过将未来车轮接触状态转换为与叉车实际支承结构相对应的未来有效支承状态，并根据摆动式转向桥是否达到机械限位，分别以车桥铰接中心形成车体等效支承点，或者以车桥铰接中心和限位位置共同形成车体有效支承点，达到随机械支承约束变化更新有效支承区域、支承基准面和候选倾翻边界的目的，在此基础上，以车体有效支承点的支承卸载裕量和朝向候选倾翻边界外侧的有向有效倾角的连续变化共同判断倾翻趋势，并在局部高差特征未通过实际接触验证时，依据地形高度测量误差上下限形成不同未来有效支承状态序列，采用较小支承卸载裕量进行判断，达到兼顾支承卸载程度、倾翻方向及地形测量不确定性的预警目的。