劉 偉，劉文營，劉 威，張 琨

Liu Wei1，Liu Wenying2，Liu Wei3，Zhang Kun4

（1. 東軟集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110179；2. 中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；3. 東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110179；4. 華晨汽車集團(tuán)，遼寧 沈陽 110179）

一種基于車輛運(yùn)動狀態(tài)估計的商用車側(cè)翻預(yù)警方法

劉 偉1，劉文營2，劉 威3，張 琨4

Liu Wei1，Liu Wenying2，Liu Wei3，Zhang Kun4

（1. 東軟集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110179；2. 中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；3. 東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110179；4. 華晨汽車集團(tuán)，遼寧 沈陽 110179）

以商用車側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)為目標(biāo)，提供一種實(shí)用的側(cè)翻預(yù)警方法，提高車輛安全性。分析具備應(yīng)用條件的車輛傳感器，通過側(cè)翻特性和側(cè)翻相關(guān)車輛狀態(tài)響應(yīng)特性的分析，提出基于車速和轉(zhuǎn)向的側(cè)向運(yùn)動狀態(tài)估計方法，并設(shè)計基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度的側(cè)翻預(yù)警融合算法，用于側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)。

車輛動力學(xué)；側(cè)翻預(yù)警；狀態(tài)估計

0 引 言1

側(cè)翻是一種高發(fā)且很危險的交通事故，與其他形式的交通事故相比具有更高的傷亡率。美國高速公路交通安全局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計報告中側(cè)翻造成的死亡人數(shù)增長顯著高于碰撞，另外在乘用車側(cè)翻事故減少的同時，商用車致命側(cè)翻事故卻大幅增加[1]。從事故影響因素中的車輛控制系統(tǒng)設(shè)計角度出發(fā)，研究商用車動態(tài)側(cè)翻過程中的非絆倒側(cè)翻[2]機(jī)理，確定側(cè)翻預(yù)警機(jī)制，開發(fā)預(yù)警控制邏輯，有效提醒駕駛員糾正操縱動作避免側(cè)翻發(fā)生，最后通過實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析側(cè)翻預(yù)警方法的效果。

1 車輛側(cè)傾狀態(tài)測量傳感器

1.1 傳感器概述與分析

在側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)研究與應(yīng)用方面，需要利用車輛現(xiàn)有傳感器，對車輛側(cè)翻趨勢進(jìn)行判斷。目前車輛中用于側(cè)傾狀態(tài)相關(guān)信號測量的傳感器包括：側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、懸架高度傳感器、輪荷傳感器、車速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器[3]，如圖1所示。

圖1 車輛傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2 傳感器測量特性分析

分析轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)角為75°、車速80 km/h的角階躍試驗(yàn)，如圖 2所示。在試驗(yàn)記錄的狀態(tài)信號中，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角 δ信號直接反映了駕駛員的駕駛意圖，橫擺角速度r信號響應(yīng)最快、側(cè)傾角φ信號響應(yīng)較快、側(cè)向加速度ay信號質(zhì)量較差且響應(yīng)較慢。

圖2 75°角階躍試驗(yàn)車輛狀態(tài)響應(yīng)特性

分析車輛狀態(tài)參數(shù)響應(yīng)特性，通過側(cè)翻試驗(yàn)數(shù)據(jù)對車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角速度和側(cè)傾角的響應(yīng)特性進(jìn)行比較分析，選擇轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度作為側(cè)翻預(yù)警算法的主要信息。

2 車輛側(cè)翻機(jī)理的分析

2.1 帶懸架汽車的準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻

帶懸架汽車的各變量定義及準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻分析如圖 3所示，側(cè)向加速度產(chǎn)生的側(cè)傾是車身繞懸架導(dǎo)向構(gòu)成的側(cè)傾中心轉(zhuǎn)動形成的，因此需要考慮懸架對側(cè)翻過程的影響，忽略簧下質(zhì)量，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理有

由于懸架的彈性和阻尼特性，在側(cè)傾角φ與側(cè)向加速度的關(guān)系中，引入側(cè)傾率Rφ

帶懸架汽車在側(cè)傾過程中，質(zhì)心位置發(fā)生了偏移，使得側(cè)翻閾值減小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)懸架和輪胎彈性的影響分別會帶來5%側(cè)翻閾值的減小，將汽車準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻過程中的側(cè)翻閾值修正為

圖3 帶懸架汽車的準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻分析

與獨(dú)立懸架相比，剛性車軸側(cè)傾中心較高，重心到側(cè)傾中心的距離短，載荷轉(zhuǎn)移的影響較??；側(cè)傾率較小、重心較低的車輛受這種效應(yīng)影響也較小[4]。

2.2 汽車的瞬態(tài)側(cè)翻

汽車的瞬態(tài)側(cè)翻閾值小于準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻閾值，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，車輛的側(cè)翻閾值與準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻過程中的側(cè)翻閾值相比，轎車約低 30%，貨車、客車等商用車低50%[5]。結(jié)合式（3）準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻閾值的計算方法和瞬態(tài)側(cè)翻的統(tǒng)計規(guī)律，確定用于側(cè)翻預(yù)警算法的商用車側(cè)翻閾值為

3 側(cè)向加速度估計算法

在車輛運(yùn)動的線性區(qū)，用圓周運(yùn)動的特性表示車輛在轉(zhuǎn)向過程中的運(yùn)動狀態(tài)，可以得到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速和側(cè)向加速度之間的關(guān)系

使用蛇形試驗(yàn)數(shù)據(jù)對該算法進(jìn)行驗(yàn)證，對側(cè)向加速度估計算法進(jìn)行驗(yàn)證，如圖 4所示。通過分析驗(yàn)證結(jié)果，應(yīng)用轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車速能夠預(yù)測加速度可能的變化趨勢。在非線性區(qū)，這種估計方法會比較保守，可以用于預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)，并通過與加速度測量值的融合來修正不必要的預(yù)警。

圖4 蛇形試驗(yàn)側(cè)向加速度估計算法驗(yàn)證

4 側(cè)翻預(yù)警控制邏輯

4.1 基于側(cè)向加速度的側(cè)翻預(yù)警控制邏輯

側(cè)向加速度的預(yù)警控制邏輯基于TTR（Time to Rollover）[6]，觸發(fā)預(yù)警的信號是產(chǎn)生側(cè)翻力的根源，因此對于側(cè)翻狀態(tài)的指示更加直接。同時此方法還結(jié)合了道路傾角、側(cè)向風(fēng)帶來的側(cè)向加速度影響。通過側(cè)翻動力學(xué)理論分析獲取的車輛側(cè)翻閾值計算方法，根據(jù)車輛的靜態(tài)質(zhì)量、尺寸參數(shù)計算得到側(cè)翻閾值[7]。

4.2 基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的側(cè)翻預(yù)警控制邏輯

用相圖的方式表示蛇形試驗(yàn)中側(cè)向加速度的實(shí)際值和估計值，相圖中出現(xiàn)的遲滯表示估計值超前，如圖 5所示。預(yù)警信號的解除可以通過放緩轉(zhuǎn)向盤輸入和降低車速實(shí)現(xiàn)，對于預(yù)警系統(tǒng)而言具備可行性。

圖5 側(cè)向加速度估計值相圖分析

采用基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的側(cè)翻預(yù)警控制邏輯是因?yàn)橛|發(fā)信號的出發(fā)點(diǎn)是駕駛員的直接操縱，使用前文中的瞬態(tài)側(cè)翻閾值計算方法和側(cè)向加速度估計方法獲得側(cè)翻閾值和估計的側(cè)向加速度值，通過兩者比較來確定一級預(yù)警信號的發(fā)出，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角持續(xù)變化的趨勢（結(jié)合轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和角速度）確定二級預(yù)警信號的動態(tài)觸發(fā)門限值。預(yù)警的解除也可以通過轉(zhuǎn)向操縱的糾正迅速完成。

5 側(cè)翻預(yù)警控制邏輯的試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 獨(dú)立的側(cè)翻預(yù)警控制邏輯試驗(yàn)分析

分別對基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度的側(cè)翻預(yù)警控制邏輯進(jìn)行測試，在不同車速下進(jìn)行換道操縱，測試控制邏輯的響應(yīng)情況。測試結(jié)果如圖6所示，其中預(yù)警方式 1給出基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的側(cè)翻預(yù)警控制邏輯效果，預(yù)警方式 2給出基于側(cè)向加速度的側(cè)翻預(yù)警控制邏輯效果。

根據(jù)慣導(dǎo)測得的車輛側(cè)傾角對 2種預(yù)警的有效性進(jìn)行客觀分析（如圖7所示），基于側(cè)向加速度的側(cè)翻預(yù)警控制邏輯能夠更好地跟隨大側(cè)傾角的產(chǎn)生發(fā)出不同級別的預(yù)警信號。

圖6 2種預(yù)警方式在換道試驗(yàn)中的效果對比

圖7 2種預(yù)警的有效性分析

5.2 側(cè)翻預(yù)警控制邏輯的融合

基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的預(yù)警通過直接操縱產(chǎn)生并解除，有一定的超前性，也會產(chǎn)生一定程度的誤報?；趥?cè)向加速度的預(yù)警通過側(cè)向力的影響因素產(chǎn)生并解除，考慮了環(huán)境條件（道路坡度、側(cè)向風(fēng)等）的影響，在對側(cè)傾狀態(tài)的指示方面更加直接，但是相比基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的方式會有延遲，而且解除過程也會存在一定的延遲，從而影響駕駛習(xí)慣的培養(yǎng)。

根據(jù)對比分析，提出綜合應(yīng)用基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)

角和側(cè)向加速度 2種方法的預(yù)警控制邏輯，目的在于保證預(yù)警的有效性以利于培養(yǎng)良好的駕駛習(xí)慣，同時保證預(yù)警產(chǎn)生的合理性利于預(yù)警信號在發(fā)生和解除過程中能夠反映合理駕駛。在一級預(yù)警中采用閾的方式，在二級預(yù)警中采用側(cè)向加速度優(yōu)先的原則，最終確定的融合方式見表2。

表2 基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與側(cè)向加速度融合的側(cè)翻預(yù)警控制信號

6 總 結(jié)

分析了車載側(cè)傾狀態(tài)相關(guān)傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀，開展了側(cè)翻閾值計算方法和側(cè)翻機(jī)理的研究，選擇直接影響側(cè)傾狀態(tài)和導(dǎo)致側(cè)翻發(fā)生的狀態(tài)信號，開展側(cè)向加速度估計方法的研究；在傳統(tǒng)TTR預(yù)警方法的基礎(chǔ)上，融合基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的側(cè)傾預(yù)警算法，通過實(shí)車測試，確定側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)的融合算法。通過有效預(yù)警的產(chǎn)生和合理操縱動作對預(yù)警的解除，減少對駕駛員的干擾和培養(yǎng)良好駕駛習(xí)慣，從而有效降低側(cè)翻發(fā)生風(fēng)險。

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U461.6

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.003

1002-4581（2016）05-0008-03

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（JFYS2016ZY02001610）。

2016-05-12