CN110060504A - 基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警***及方法，提供包括测速雷达、轴重秤、车型检测器、路侧传感采集装置、语言子***、预警灯、显示屏、工控机；工控机通过比较计算得到的防失稳车速与测速雷达的结果，生成预警信号，并控制语言子***、预警灯和显示屏发布预警信息。本发明综合考虑车辆侧滑和侧翻以及车辆过弯行为，利用针对车辆侧滑、侧翻以及过弯行为而计算得到的3种临界车速，通过比较保守取其最小值，即可得到车辆入弯时的防失稳车速；本发明准确预测不同车型与道路条件下的临界防失稳车速，计算简便，运算速度快，可靠性高，为弯道安全辅助驾驶***的设计开发提供理论方法支撑，对弯道行车安全研究更具普适性。

Description

基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警***和方法

技术领域

本发明属于交通安全领域，涉及一种车辆弯道防失稳车速计算及预警***和方法，具体涉及一种基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警***和方法。

背景技术

随着车联网技术的发展，智能车联网已成为可能，智能网联车辆为配备最新的车载传感器、控制器、执行器等装置，并以先进的网络通信技术为基础，完成车与X(人、车、路、后台等)智能信息交互共享，具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能，可实现安全、舒适、节能、高效行驶，并最终实现真正无人驾驶的新一代车辆。智能网联车辆的研究成为交通领域研究的热点之一。

公路弯道是事故多发路段，其事故严重程度也一般较高。按单位里程计算，弯道事故量要明显高于平直路段。根据《中华人名共和国道路交通事故年报》的统计结果显示，2015年中，发生在弯道处的交通事故共有32026起，死亡13205人，受伤36423人，直接财产损失20343万元，分别占总数的17.05％、22.76％、18.22％、19.62％，其中有超过九成的交通事故是由于超速驾驶和操作失误而引发的。研究显示，只要合理选择过弯车速，就能够有效避免弯道侧向失稳事件的发生。因此，如果能准确预测车辆弯道行驶防失稳车速，将有效减少事故的发生。

目前，已有专利文献分别针对车辆弯道安全行驶状态进行了分析研究。专利文献CN201811349990.4公开了一种车辆弯道安全速度控制***及方法，专利文献CN201811228322.6公开了一种高速公路弯道安全监测预警方法、***及介质，专利文献CN201710328458.3公开了一种汽车转弯防侧翻控制***，专利文献CN201720956438.6公开了一种智能弯道安全预警器。这些专利均间接地对车辆弯道的安全行驶进行了分析研究，取得了一定的效果。然而，现有技术较少综合考虑侧滑和侧翻两种危险状态的情况，并且针对的车型较为单一，其建立的车辆动力学模型，既未考虑车辆侧滑过程中的垂向载荷偏移影响，对于车辆侧滑临界条件的判断不够精确，也未定量分析临界侧翻速度与车辆横向载荷转移率之间的关系，未对弯道车速的影响因素做***的分析。

发明内容

本发明所要解决的问题是：在智能网联环境下，车辆与道路之间可进行信息交互，针对车辆在弯道发生的侧翻、侧滑等侧向失稳事件，将车辆结构参数、驾驶人行为特性等引入到传统上基于道路环境信息的弯道防失稳车速计算方法中，建立一种综合考虑人、车、路等多因素的弯道防失稳车速计算方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警***，其特征在于：包括测速雷达、轴重秤、车型检测器、路侧传感采集装置、语言子***、预警灯、显示屏、工控机；

所述测速雷达安装在驶入弯道处，用于探测驶入弯道车辆的特征量，包括位置、速度；

所述轴重秤，为轴重计量子力学动静态电子衡，安装在驶入弯道前N m处；用于对驶入弯道车辆的轴或轴组重进行称量，经累加而获得整车重量；

所述车型检测器，安装在驶入弯道前M m处；用于实时检测驶入弯道车辆的车型信息，并与已经存储的车型数据库比对，获取驶入弯道车辆的车型信息以及车辆结构信息；

所述路侧传感采集装置，安装在驶入弯道处；用以获取弯道路段实时的道路信息参数；

所述语言子***，安装在驶入弯道后K m处；用于将声音进行放大，传播的更远的扩音器，反馈声音预警信息；

所述预警灯，安装在驶入弯道后8m处；用于警示驾驶人预警信息，反馈光线预警信息；

所述显示屏，安装在驶入弯道后5m处；用于警示提醒驾驶人，反馈文字预警信息；

所述工控机为工业计算机，安装在弯道处，用于基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算算法的实现，通过导线分别连接所诉控制测速雷达、轴重秤、语言子***、预警灯、显示屏，用于通过比较计算得到的防失稳车速与测速雷达的结果，生成预警信号，并控制语言子***、预警灯和显示屏发布预警信息；

所述测速雷达、语言子***、预警灯、显示屏、工控机、轴重秤通过智能网联技术进行互联以及控制，以先进的网络通信技术为基础，完成人、车、路、后台智能信息交互共享，进行协同控制和执行。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算车辆前后轴发生侧滑失稳的临界速度V_s；

式中，B为轮距，单位m；θ为路面横坡角，单位°；h_g为车辆质心高度，单位m；λ为横向附着力转换系数；为路面附着系数；h为质心至侧倾中心的距离，单位m；K_Φ为悬架***侧倾刚度，单位N·m·rad^-1；m_s为车辆簧载质量，单位kg；g为重力加速度；R为车辆行驶弯道半径，单位m；

步骤2：计算车辆发生侧翻失稳的临界速度V_r；

式中，F_zo为车辆外侧车轮的垂向力，单位N；F_zi为内侧车轮的垂向力，单位N；K为修正系数；

步骤3：通过智能网联技术可收集驾驶人驾驶过弯时驾驶工况信息数据，并对所述驾驶工况信息数据进行回归拟合，根据实际反馈的驾驶人驾驶数据进行标定，获得车辆过弯车速V_c为：

式中，v_a为车辆实际车速，单位m/s²；a₀、a₁、a₂为标定的校准系数；

步骤4：计算车辆入弯时的防失稳车速V_safe；

V_safe＝min{V_s,V_r,V_c}

步骤5：引入驾驶人影响因子k_d、道路环境影响因子k_e，建立优化后弯道防失稳车速V_{safe_o}计算方法；

V_{safe_o}＝k_d·k_e·V_safe

步骤6：当车速V≤V_{safe_o}，是属于安全车速；否则，进行预警。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

基于智能网联技术针对车辆的侧翻、侧滑等侧向失稳事件，并通过驾驶人行为特性、环境影响特性的标定，建立了一种综合考虑道路环境、车辆结构参数、驾驶人行为特性等多种因素的弯道防失稳车速计算方法。本发明对车辆在弯道处的侧滑、侧翻机理进行分析，结合道路因素和车辆因素，建立考虑车路耦合特性的车辆弯道防失稳车速计算方法。相比于现有方法，本发明所建立的方法无须计算车辆质心侧偏角和轮胎侧偏刚度等较难采集的状态，计算过程也较为简化。建立的弯道防失稳车速模型可用于准确预测不同车型与道路条件下的临界防失稳车速，具有计算简便，运算速度快，可靠性高等优点，为弯道安全辅助驾驶***的设计开发提供理论方法支撑，对弯道行车安全研究更具普适性。

附图说明

图1是本发明实施例的***结构图；

图2是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警***，包括测速雷达、轴重秤、车型检测器、路侧传感采集装置、语言子***、预警灯、显示屏、工控机。具体的，测速雷达用以探测驶入弯道车辆的位置、速度等特征量，安装在驶入弯道处；轴重秤，为轴重计量子力学动静态电子衡，用以对驶入弯道车辆的轴或轴组重进行称量，经累加而获得整车重量，安装在驶入弯道前10m处；车型检测器用以实时检测驶入弯道车辆的车型信息，并与已经存储的车型数据库比对，获取驶入弯道车辆的车型信息以及车辆结构信息等，安装在驶入弯道前5m处；路侧传感采集装置用以获取弯道路段实时的道路信息参数，安装在驶入弯道处；语言子***为将声音进行放大，传播的更远的扩音器，反馈声音预警信息，安装在驶入弯道后5m处；预警灯同样用以警示驾驶人预警信息，反馈光线预警信息，安装在驶入弯道后8m处；显示屏同样用以警示提醒驾驶人，反馈文字预警信息，安装在驶入弯道后5m处；工控机为工业计算机，用于基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算算法的实现，通过导线分别连接所诉控制测速雷达、轴重秤、语言子***、预警灯、显示屏，用于通过比较计算得到的防失稳车速与测速雷达的结果，生成预警信号，并控制语言子***、预警灯和显示屏发布预警信息，安装在弯道处。上述设备通过智能网联技术进行互联以及控制，以先进的网络通信技术为基础，完成人、车、路、后台智能信息交互共享，进行协同控制和执行。

本实施例的显示屏将该车辆的实时车速、***算得的临界防失稳车速和该车辆的超速判断信息显示在显示屏上，并且通过语言子***、预警灯提示驾驶员安全行驶。本实施例安装在进入弯道前后的路侧，整个预警工作实时完成。该装置可实时提醒驾驶人注意自身车速以及提示临界防失稳车速，保证驾驶人合理的控制车速安全驶过弯道路段。

请见图2，本发明针对车辆在弯道发生的侧翻、侧滑等侧向失稳事件，基于智能网联技术，假设车辆与道路之间可进行信息交互，并通过已标定的驾驶行为特征参数，在充分考虑人、车、路三者影响的基础上，建立一种基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警方法。

该方法主要包括以下步骤：

1.车辆弯道防侧滑失稳车速计算方法

关于侧滑的车辆动力学模型往往过于简单，主要未考虑前后轴因素，也未考虑在转弯过程中的载荷偏移。值得注意的是，轮胎的动载荷随汽车的行驶工况不断变化，并且对轮胎的纵向力和横向力有着重要影响，因此建模时必须重点考虑。车辆在弯道行驶过程中，若车轮横向附着力小于路面与轮胎之间的横向摩擦阻力时，则会产生侧滑失稳。

汽车的侧滑失稳工况包括：四轮侧滑、前轴侧滑和后轴侧滑，汽车前后轴同时发生侧滑的情况很少。只要前后轴中的一轴发生侧滑，可视为汽车发生了侧滑。因此，车辆前后轴发生侧滑失稳的临界速度V_s为：

式中，B为轮距，m；θ为路面横坡角，°；h_g为车辆质心高度，m；λ为横向附着力转换系数，取0.8；为路面附着系数；h为质心至侧倾中心的距离，m；K_Φ为悬架***侧倾刚度，N·m·rad^-1；m_s为车辆簧载质量，kg；g为重力加速度，取9.8m/s²；R为车辆行驶弯道半径，m。

2.车辆弯道防侧翻失稳车速计算方法

车辆的侧滑临界速度计算虽能够为小型轿车提供有效的防失稳车速指示，但对于重型货车、客车等车型，仍然存在一定的不足。原因在于这类车型的重心位置较高，当其在高附着路面的弯道高速行驶时，还会受到较大的由离心力和横向附着力组成的倾覆力矩，从而引发车辆重量向转弯外侧轮胎转移，即车辆的横向载荷转移现象。一旦倾覆力矩增加到使转弯内侧轮胎脱离路面时，便出现所谓的“非绊倒型侧翻”或“曲线行驶引起的侧翻”。车辆的横向载荷转移率(Lateral load transfer ratio,LTR)是标志其发生侧翻的重要指标之一，当车辆发生侧翻时，内侧车轮的垂向载荷全部转移至外侧车轮。同时，考虑到车辆在受力作用下，轮胎接地中心向内偏移，使临界车速有所减少。因此，车辆发生侧翻失稳的临界速度V_r为：

式中，B为轮距，m；θ为路面横坡角，°；h_g为车辆质心高度，m；h为质心至侧倾中心的距离，m；K_Φ为悬架***侧倾刚度，N·m·rad^-1；m_s为车辆簧载质量，kg；g为重力加速度，取9.8m/s²；R为车辆行驶弯道半径，m；F_zo为车辆外侧车轮的垂向力，N；F_zi为内侧车轮的垂向力，N；K为修正系数，取0.95。

3.车辆弯道防失稳车速约束条件及反馈预警装置

为了使智能驾驶车辆的车速决策尽可能做到拟人化的过弯决策，通过对驾驶人过弯驾驶行为进行研究后发现，弯道行车会产生侧向摩擦需求，而超过驾驶人生理承受能力的侧向摩擦需求会引起驾驶人的不舒适感。因此，驾驶人会综合考虑实际驾驶工况，选择合适的过弯车速。因此，基于自动驾驶的算法应用基础，利用驾驶人亲自驾驶过弯时收集到的驾驶工况信息数据进行回归拟合，根据实际反馈的驾驶人驾驶数据进行标定，因此车辆过弯车速V_c为：

式中，θ为路面横坡角，°；v_a为车辆实际车速，m/s²；R为车辆行驶弯道半径，m；g为重力加速度，取9.8m/s²；a₀、a₁、a₂为标定的校准系数。

车辆的侧滑失稳、侧翻失稳等侧向失稳事件，以及车辆过弯行为与车辆重心高度、路面附着条件等均密切相关，单独分析车辆的侧滑或侧翻，以及车辆过弯行为，并不能得到所有类型车辆在各种行驶工况下的防失稳车速。因此，综合考虑车辆侧滑和侧翻以及车辆过弯行为，利用上述针对车辆侧滑、侧翻以及过弯行为而计算得到的3种临界车速，通过比较保守取其最小值，即可得到车辆入弯时的防失稳车速v_safe为：

V_safe＝min{V_s,V_r,V_c}

另外，不同驾驶人的年龄、驾龄、视距条件、驾驶习惯等具有差异，这些差异直接影响驾驶人对车辆的决策控制，其表现为驾驶人对道路环境的反应、判断和操作等行为特性。因此，不同行为特性的驾驶人，对于弯道防失稳车速的心理预期值与接受度均有不同。为此，在弯道防失稳车速计算方法中引入驾驶人影响因子、道路环境影响因子，建立优化后弯道防失稳车速计算方法为：

V_{safe_o}＝k_d·k_e·V_safe

式中，k_d为驾驶人影响因子；k_e为道路环境影响因子；通过标定k_d·k_e取值范围0.5～0.8，具体参考晴天取0.8、阴天取0.7、雾天取0.6、夜间取0.5。

可见，在综合考虑人车路耦合特征下，车辆弯道防失稳车速约束条件为：车速V≤V_{safe_o}。

发明提供的一种基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警***和方法，对于弯道安全辅助驾驶***的设计开发有着十分重要的作用和意义。换言之，弯道路段防失稳车速的准确计算是开发弯道安全辅助驾驶***的前提，只有精确计算车辆的入弯防失稳车速，才能开发出可靠的辅助驾驶***，从而保证车辆在弯道路段行驶的稳定性和安全性。

本发明可用于准确预测不同车型(通过车型检测器直接检测车型)与道路条件下的临界防失稳车速，具有计算简便，运算速度快，可靠性高等优点，为弯道安全辅助驾驶***的设计开发提供理论方法支撑，对弯道行车安全研究更具普适性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警***，其特征在于：包括测速雷达、轴重秤、车型检测器、路侧传感采集装置、语言子***、预警灯、显示屏、工控机；

所述测速雷达安装在驶入弯道处，用于探测驶入弯道车辆的特征量，包括位置、速度；

所述轴重秤，为轴重计量子力学动静态电子衡，安装在驶入弯道前N m处；用于对驶入弯道车辆的轴或轴组重进行称量，经累加而获得整车重量；

所述车型检测器，安装在驶入弯道前M m处；用于实时检测驶入弯道车辆的车型信息，并与已经存储的车型数据库比对，获取驶入弯道车辆的车型信息以及车辆结构信息；

所述路侧传感采集装置，安装在驶入弯道处；用以获取弯道路段实时的道路信息参数；

所述语言子***，安装在驶入弯道后Km处；用于将声音进行放大，传播的更远的扩音器，反馈声音预警信息；

所述预警灯，安装在驶入弯道后8m处；用于警示驾驶人预警信息，反馈光线预警信息；

所述显示屏，安装在驶入弯道后5m处；用于警示提醒驾驶人，反馈文字预警信息；

所述工控机为工业计算机，安装在弯道处，用于基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算算法的实现，通过导线分别连接所诉控制测速雷达、轴重秤、语言子***、预警灯、显示屏，用于通过比较计算得到的防失稳车速与测速雷达的结果，生成预警信号，并控制语言子***、预警灯和显示屏发布预警信息；

所述测速雷达、语言子***、预警灯、显示屏、工控机、轴重秤通过智能网联技术进行互联以及控制，以先进的网络通信技术为基础，完成人、车、路、后台智能信息交互共享，进行协同控制和执行。

2.一种基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算车辆前后轴发生侧滑失稳的临界速度V_s；

式中，B为轮距，单位m；θ为路面横坡角，单位°；h_g为车辆质心高度，单位m；λ为横向附着力转换系数；为路面附着系数；h为质心至侧倾中心的距离，单位m；K_Φ为悬架***侧倾刚度，单位N·m·rad^-1；m_s为车辆簧载质量，单位kg；g为重力加速度；R为车辆行驶弯道半径，单位m；

步骤2：计算车辆发生侧翻失稳的临界速度V_r；

式中，F_zo为车辆外侧车轮的垂向力，单位N；F_zi为内侧车轮的垂向力，单位N；K为修正系数；

步骤3：收集驾驶人驾驶过弯时驾驶工况信息数据，并对所述驾驶工况信息数据进行回归拟合，根据实际反馈的驾驶人驾驶数据进行标定，获得车辆过弯车速V_c为：

式中，v_a为车辆实际车速，单位m/s²；a₀、a₁、a₂为标定的校准系数；

步骤4：计算车辆入弯时的防失稳车速V_safe；

V_safe＝min{V_s,V_r,V_c}

步骤5：引入驾驶人影响因子k_d、道路环境影响因子k_e，建立优化后弯道防失稳车速V_{safe_o}计算方法；

V_{safe_o}＝k_d·k_e·V_safe

步骤6：当车速V≤V_{safe_o}，是属于安全车速；否则，进行预警。

3.根据权利要求2所述的基于智能网联的车辆弯道防失稳车速计算及预警方法，其特征在于：步骤5中，通过标定k_d·k_e取值范围为0.5～0.8。