CN110040146B - 一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警方法及***，在建立用于计算侧翻指标LTR的车辆侧翻模型时考虑了路面输入的影响，使得侧翻指标同时适用于绊倒性侧翻和非绊倒性侧翻；同时，还给出了一种离线确定侧翻预警值与车速、路面摩擦系数的办法，使得车辆侧翻预警方法的预警值的能够根据车辆状态和路面环境自适应地改变，预警方法的环境适应性和鲁棒性更好。与传统方法相比，在侧翻指标的计算中引入了侧倾角加速度，使得侧翻指标的计算在车辆接近侧翻状态时误差较小，预警更为准确。

Description

一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警方法及***

技术领域

本发明属于自动控制及智能车辆技术领域，具体涉及一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警方法及***。

背景技术

随着汽车保有量的增加，交通事故所引起的人员伤亡和财产损失日趋严重。美国公路***的统计数据表明，在2015年发生的1096万起交通事故中，侧翻只涉及其中的1.9％，但在所有致死事故中，侧翻所占的比例为18.1％，侧翻导致的死亡人数却占交通事故总死亡人数的32％。在所有交通事故中，车辆侧翻事故的危害程度仅次于车辆碰撞，居于第二位。

车辆侧翻根据产生原因的不同，可分为绊倒性侧翻和非绊倒性侧翻。绊倒性侧翻是指车辆受到外部输入而产生的侧翻，车辆行驶中遇到路面不平或撞上护栏等障碍物而产生的侧翻就属于绊倒性侧翻，这类侧翻约占侧翻总数的80％。非绊倒性侧翻是指车辆在行驶过程中因转向过急等非外部因素而产生的侧翻，约占侧翻总数的20％。侧翻事故一般发生在路面附着条件较好、车速较高的情况下，驾驶员较难依靠自身判断予以避免。当前车辆侧翻预警技术大都以车轮离地为出发点，首先设立侧翻指标，然后建立车辆的动力学模型。接着通过读取车载传感器或者建立观测器来获取动力学模型所需的车辆状态参数，最后完成侧翻指标的计算，从而实现侧翻预警。

然而目前主流的方法存在几个主要缺点：

1、所采用的侧翻指标往往只适用于非绊倒性侧翻，对于绊倒性侧翻的适用性较差。

2、车辆侧翻指标的计算需要车辆的侧倾角加速度这一关键状态信息，在获取该状态时，主流方法大都通过在车辆顶部加装加速度传感器去获取车辆垂向加速度，然后通过近似计算来得到车辆的侧倾角加速度。这种近似计算在车辆接近侧翻(即车辆侧倾角大于10°)时误差较大，预警的准确率较低。

3、侧翻预警值的选取没有考虑路面环境的变化，大都设定为某一常量。在乡村、越野等非城市道路环境下，车辆所处路面的变化程度较大，采用固定预警值的侧翻预警方法适用性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警方法及***，考虑了路面输入的影响，使得侧翻指标同时适用于绊倒性侧翻和非绊倒性侧翻，提高预警准确率。

一种车辆侧翻预警方法，包括：

根据如下车辆侧翻模型实时计算车辆的LTR值：

其中，m_s为车辆的簧载质量，a_y为车辆的侧向加速度，a_z为车辆垂向加速度，I_xx为车辆绕其横滚轴的转动惯量，h_R为簧载质量体质心到横滚轴的距离，l_s为车辆左轮与右轮的间距，m为车辆总质量，g为重力加速度，φ为车辆的侧倾角，

为车辆的侧倾角加速度；

将计算得到的LTR值与设定的LTR侧翻阈值进行比较，当LTR值大于LTR侧翻阈值时，则发出车辆侧翻预警信号。

进一步的，所述设定的LTR侧翻阈值的获取方法为：

根据车辆的鱼钩转向工况，确定路面的摩擦系数x及车辆运动速度y的范围；将摩擦系数x和运动速度y在各自范围内任意取值，得到多组车辆的摩擦系数x及运动速度y的数据组合；

利用多组车辆的摩擦系数x及运动速度y的数据组合，通过数据拟合的方法，获得如下阈值模型中的系数：

f(x,y)＝p₀₀+p₁₀x+p₀₁·y+p₂₀x²+p₁₁xy+p₀₂y²+p₃₀x³+p₂₁x²y+p₁₂xy²+p₄₀x⁴+p₃₁x³y+p₂₂x²y²；

将得到的系数代入到阈值模型中，获得阈值模型表达式；

然后再根据下式确定LTR的侧翻阈值LTR_threshold：

较佳的，侧倾角加速度

通过角加速度计获取，侧倾角φ通过车辆的车速和前轮转角进行估计，侧向加速度a_y和垂向加速度a_z通过车载的加速度传感器获取。

一种车辆侧翻预警预警***，包括车载工控机1、USB总线、NI9215数据采集卡2、角加速度计3以及以太网CAN卡5；

所述车载工控机1通过以太网CAN卡5获取车辆当前方向盘转角、前后轮转速、侧向加速度a_y、垂向加速度a_z；

车载工控机1通过数据采集卡NI9215读取角加速度计3的信号，获取车辆当前侧倾角加速度

所述车载工控机1估计路面摩擦系数，并根据车辆当前方向盘转角和前后轮转速估算出车辆的侧倾角φ；

所述车载工控机1将侧倾角加速度

侧向加速度a_y、垂向加速度a_z和侧倾角φ输入车辆侧翻模型，计算此时车辆的侧翻指标LTR：

然后依据事先存储的如下关系式：

确定当前车速和摩擦系数下应采用的LTR侧翻阈值；

最后比较侧翻指标LTR值和LTR侧翻阈值的关系，确定是否发出车辆侧翻的预警信号。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警方法，在建立用于计算侧翻指标LTR的车辆侧翻模型时考虑了路面输入的影响，使得侧翻指标同时适用于绊倒性侧翻和非绊倒性侧翻。同时，与传统方法相比，在侧翻指标的计算中引入了侧倾角加速度，使得侧翻指标的计算在车辆接近侧翻状态时误差较小，预警更为准确；

此外，本发明还给出了一种离线确定侧翻预警值与车速、路面摩擦系数的办法，使得车辆侧翻预警方法的预警值的能够根据车辆状态和路面环境自适应地改变，预警方法的环境适应性和鲁棒性更好。

本发明的一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警***，能够实时通过车辆的ECU模块采集底层传感器设备的数据，从而得到环境信息和车辆行驶状态信息，如车速、侧向加速度、车轮角速度、车轮转角、车辆侧倾角加速度等。此后，根据可以根据车辆侧翻动力学模型，在车载工控机中计算出车辆的侧翻预警指标LTR的值。接着，车载工控机会根据车辆状态信息估计路面参数，并依照路面参数实时调整LTR预警阈值。最后，对比LTR值与预警阈值，当LTR值达到阈值时进行预警。

附图说明

图1为位移形式的车辆侧翻动力学模型

图2为受力关系形式的车辆侧翻动力学模型。

图3鱼钩转向工况构建方法图。

图4为本发明的方法流程图。

图5为各硬件设备在车辆中的布局图。

图6为本发明的***连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警方法，采用的侧翻指标为横向载荷转移率(lateral-load transfer ratio，LTR)，其定义式如下：

其中，F_zl为左侧所有轮胎垂直载荷之和，F_zr为右侧所有轮胎垂直载荷之和。由于实际中无法直接测量车辆轮胎的垂直载荷，因此LTR的计算需要借助于车辆模型，把轮胎垂直载荷转化为其他易获得的车辆状态量。

图1和图2为本发明的车辆侧翻动力学模型。该模型为四自由度模型，四个自由度分别为车辆簧载质量体垂向位移z_s，车体侧倾角度φ，车辆非簧载质量体左右两侧的垂向位移z_ur和z_ul。

通过该车辆动力学模型，可得车辆簧载质量体的垂向运动和侧翻运动的动力学方程如下：

m_sa_z＝F_sr+F_sl-m_sg (2)

其中，m_s为车辆的簧载质量，a_y为车辆的侧向加速度，a_z为车辆垂向加速度，F_sl和F_sr分别为车辆簧载质量体与非簧载质量体间左右两侧的作用力，I_xx为车辆绕其横滚轴的转动惯量，h_R为簧载质量体质心到横滚轴的距离，l_s为左轮与右轮的间距，g为重力加速度，φ为车辆的侧倾角，

为车辆的侧倾角加速度。

通过该车辆动力学模型，可得车辆非簧载质量体的垂向运动的动力学方程如下：

其中，z_ul和z_ur分别为非簧载质量体左右两侧的垂向位移，m_ul和m_ur分别为非簧载质量体左右两侧的质量。

车辆的簧载质量体和非簧载质量体之间有如下关系：

m＝m_u+m_s (7)

其中，m_u为车辆非簧载质量，m_s为车辆簧载质量，m为车辆总质量。

联立式(1)～(7)，侧翻指标LTR可表达为：

实际车辆中，非簧载质量m_u所占比重很小，在实际计算中可以忽略，同时可以简化模型，提高***的实时性。化简后的LTR为：

其中，侧倾角加速度

可通过角加速度计获取，侧倾角φ可以通过车辆的车速和前轮转角进行估计，侧向加速度a_y和垂向加速度a_z可以通过车载的加速度传感器获取。

由于建模时考虑了路面输入对车辆侧翻的影响，故上述模型在适用于非绊倒性侧翻的同时，还可适用于绊倒性侧翻。

本发明中，针对变化的路面环境，预警***会根据路面参数自适应地改变预警阈值，该自适应方法需要通过动力学仿真提前离线获取车辆预警值与路面参数的关系，下面结合一个具体实施实例对其进行说明：

1)首先构建能使车辆产生侧翻运动的操作工况。在80km/h的车速下，使车辆方向盘转角从0°逐渐增大到180°，记录车辆方向盘转角和车辆的侧向加速度。记车速为80km/h、侧向加速度为0.3g时，方向盘转角的值为θ，某车型在该状态下的方向盘转角θ＝55.01°。接着根据图3构建用鱼钩转向测试工况。

2)使用构建的鱼钩转向工况，在不同摩擦系数的路面上，以不同车速进行车辆侧翻的动力学仿真测试。摩擦系数的选取范围从0.1到1.0，间隔为0.05。车速的选取范围为40km/h到120km/h，间隔为10km/h。共计171组测试。

3)计算每组测试中车辆的LTR值，记LTR首次达到1的时刻为t_L，取(t_L-0.1s)时刻车辆的LTR值作为预警阈值，得到如表1所示的一系列数据：

表1某车型LTR预警阈值

4)根据表1数据，通过多项式拟合获取LTR预警阈值与车速、摩擦系数的关系，某车型拟合后得到如下关系式：

其中，系数

p₀₀＝0.9173，p₁₀＝-0.05603，p₀₁＝-0.01891，p₂₀＝0.02913，

p₁₁＝-0.003014，p₀₂＝-0.007117，p₃₀＝0.007667，p₂₁＝0.003051，

p₁₂＝-0.003799，p₄₀＝-0.008255，p₃₁＝-0.003351，p₂₂＝0.0009705；

x为路面摩擦系数，y为车速(km/h)。

如图6所示，本发明一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警***，包括：车载工控机1、NI9215数据采集卡2、液环式角加速度计及其滤波与放大电路3、交换机4、以太网CAN卡5、电源模块6以及网线、电源线、数据线等电缆；连接关系为：车载工控机1的USB总线接口通过USB总线与NI9215数据采集卡2连接；NI9215数据采集卡2经过滤波放大电路与液环式角加速度计3连接；车载工控机1的以太网接口连接到交换机4；交换机4通过以太网与以太网CAN卡5相连；以太网CAN卡5通过CAN总线与汽车相连。车载工控机1、NI9215数据采集卡2、液环式角加速度计3、交换机4、以太网CAN卡5均通过电源线与电源模块6连接实现供电。其中，各硬件设备在车辆中的布局如图5所示。

本发明的一种考虑路面参数变化的车辆侧翻预警***，如图4所示，其工作过程为：

1)***初始化；

2)车载工控机通过CAN总线获取车辆当前方向盘转角、前后轮转速、侧向加速度、垂向加速度等车辆状态；

3)车载工控机通过NI9215数据采集卡读取角加速度计的信号，获取车辆当前侧倾角加速度；

4)根据所得的车辆状态信息，估算出车辆的侧倾角与路面摩擦系数；

5)把以上数据输入车辆侧翻模型，计算此时车辆的侧翻指标LTR；

6)依据事先离线确定的“LTR预警阈值与车速、路面摩擦系数关系式”，计算出当前车速和摩擦系数下应采用的LTR预警阈值；

7)若LTR值大于预警阈值，则发出车辆侧翻的预警信号，否则继续；

8)返回步骤2；

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种车辆侧翻预警方法，其特征在于，包括：

根据如下车辆侧翻模型实时计算车辆的LTR值：

其中，m_s为车辆的簧载质量，a_y为车辆的侧向加速度，a_z为车辆垂向加速度，I_xx为车辆绕其横滚轴的转动惯量，h_R为簧载质量体质心到横滚轴的距离，l_s为车辆左轮与右轮的间距，m为车辆总质量，g为重力加速度，φ为车辆的侧倾角，

为车辆的侧倾角加速度；

将计算得到的LTR值与设定的LTR侧翻阈值进行比较，当LTR值大于LTR侧翻阈值时，则发出车辆侧翻预警信号；

所述设定的LTR侧翻阈值的获取方法为：

根据车辆的鱼钩转向工况，确定路面的摩擦系数x及车辆运动速度y的范围；将摩擦系数x和运动速度y在各自范围内任意取值，得到多组车辆的摩擦系数x及运动速度y的数据组合；

利用多组车辆的摩擦系数x及运动速度y的数据组合，通过数据拟合的方法，获得如下阈值模型中的系数：

f(x,y)＝p₀₀+p₁₀x+p₀₁·y+p₂₀x²+p₁₁xy+p₀₂y²+p₃₀x³+p₂₁x²y+p₁₂xy²+p₄₀x⁴+p₃₁x³y+p₂₂x²y²；

将得到的系数代入到阈值模型中，获得阈值模型表达式；

然后再根据下式确定LTR的侧翻阈值LTR_threshold：

2.如权利要求1所述的一种车辆侧翻预警方法，其特征在于，侧倾角加速度

通过角加速度计获取，侧倾角φ通过车辆的车速和前轮转角进行估计，侧向加速度a_y和垂向加速度a_z通过车载的加速度传感器获取。

3.一种车辆侧翻预警预警***，其特征在于，包括车载工控机(1)、USB总线、NI9215数据采集卡(2)、角加速度计(3)以及以太网CAN卡(5)；

所述车载工控机(1)通过以太网CAN卡(5)获取车辆当前方向盘转角、前后轮转速、侧向加速度a_y、垂向加速度a_z；

车载工控机(1)通过NI9215数据采集卡(2)读取角加速度计(3)的信号，获取车辆当前侧倾角加速度

所述车载工控机(1)估计路面摩擦系数，并根据车辆当前方向盘转角和前后轮转速估算出车辆的侧倾角φ；

所述车载工控机(1)将侧倾角加速度

侧向加速度a_y、垂向加速度a_z和侧倾角φ输入车辆侧翻模型，计算此时车辆的侧翻指标LTR：

其中，m_s为车辆的簧载质量，a_y为车辆的侧向加速度，a_z为车辆垂向加速度，I_xx为车辆绕其横滚轴的转动惯量，h_R为簧载质量体质心到横滚轴的距离，l_s为车辆左轮与右轮的间距，m为车辆总质量，g为重力加速度，φ为车辆的侧倾角，

为车辆的侧倾角加速度；

然后依据事先存储的如下关系式：

确定当前车速和摩擦系数下应采用的LTR侧翻阈值；

最后比较侧翻指标LTR值和LTR侧翻阈值的关系，确定是否发出车辆侧翻的预警信号。

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