重型車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

趙志國(guó)

(淮陰工學(xué)院交通學(xué)院)

重型車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

趙志國(guó)

(淮陰工學(xué)院交通學(xué)院)

提高車(chē)輛主動(dòng)安全性和操縱穩(wěn)定性是提高公路運(yùn)輸安全和減少交通事故的重要手段。簡(jiǎn)述了車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警方法及系統(tǒng)的工作原理;詳細(xì)闡述了目前國(guó)內(nèi)外車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警研究現(xiàn)狀;指出了車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并提出側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展方向，為車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警算法及控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

重型車(chē)輛;側(cè)翻預(yù)警;研究進(jìn)展

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及國(guó)家對(duì)高等級(jí)公路的快速修建，高效率、高可靠性、低成本、快速安全的重型車(chē)輛的需求大幅增長(zhǎng)。2010年，我國(guó)重型車(chē)輛年銷(xiāo)量突破100萬(wàn)輛，重型車(chē)輛年銷(xiāo)量已占世界重型車(chē)輛總銷(xiāo)量的一半以上，增長(zhǎng)速度堪稱(chēng)世界之最。

重型車(chē)輛具有重心高、質(zhì)量和體積大、輪距相對(duì)于質(zhì)心高度過(guò)窄等特點(diǎn)，極易發(fā)生側(cè)翻事故。側(cè)翻事故中，非碰撞事故占10%，而重大非碰撞事故中的90%是側(cè)翻事故，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失。因此，研究、探索和主動(dòng)控制重型車(chē)輛行駛安全性和操縱穩(wěn)定性，已成為各國(guó)學(xué)者、高等院校及科研單位所關(guān)注的重要課題。

1 側(cè)翻預(yù)警方法及系統(tǒng)工作原理

車(chē)輛側(cè)翻是指車(chē)輛在行駛過(guò)程中繞其縱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)90°或更大的角度，導(dǎo)致車(chē)身與地面相接觸的一種危險(xiǎn)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。車(chē)輛側(cè)翻可分為兩種:一種是曲線運(yùn)動(dòng)引起的側(cè)翻，即車(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生側(cè)向滑移，與地面上的障礙物側(cè)向撞擊而將其“絆倒”;一種是絆倒側(cè)翻，即車(chē)輛在道路上行駛時(shí)，側(cè)向加速度超過(guò)門(mén)限值，使內(nèi)側(cè)車(chē)輪的垂直反力為零而引起的側(cè)翻。

圖1 車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)原理

圖1為車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)原理圖，側(cè)翻預(yù)警器對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、車(chē)速等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)車(chē)輛模型，運(yùn)行側(cè)翻預(yù)警算法。若側(cè)翻算法的門(mén)限值大于設(shè)定值，報(bào)警系統(tǒng)給出預(yù)警信號(hào)，駕駛員根據(jù)預(yù)警信號(hào)采取相應(yīng)的防側(cè)翻措施來(lái)控制側(cè)翻。

2 重型車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警研究現(xiàn)狀

如何提高重型車(chē)輛行駛安全性及操縱穩(wěn)定性是現(xiàn)代汽車(chē)研究的重要課題之一，國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)公司、高等院校及科研院在重型車(chē)輛主動(dòng)安全及穩(wěn)定性控制領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)際上對(duì)重型車(chē)輛的側(cè)翻動(dòng)力學(xué)研究，無(wú)論從靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的計(jì)算機(jī)模擬，還是側(cè)翻試驗(yàn)測(cè)試，都有深入的研究。美國(guó)、加拿大、英國(guó)和日本等國(guó)諸多學(xué)者為車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警理論和實(shí)踐的研究做出了重要貢獻(xiàn)，取得了很多成果。

傳統(tǒng)的側(cè)翻預(yù)警算法大都是基于側(cè)向加速度或側(cè)傾角極限值。1990年Rakheja提出側(cè)翻安全預(yù)警監(jiān)控算法，以車(chē)輛靜態(tài)轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)車(chē)輪離地時(shí)的側(cè)向加速度作為臨界側(cè)翻門(mén)限值，達(dá)到側(cè)翻門(mén)限值則觸發(fā)警示。

傳統(tǒng)預(yù)警方法精準(zhǔn)性較差，基于前人在側(cè)翻機(jī)理上的研究，1990年P(guān)reston-Thomas提出用橫向載荷轉(zhuǎn)移率(LTR)作為車(chē)輛側(cè)翻危險(xiǎn)指標(biāo)，兩側(cè)輪胎的載荷相等時(shí)LTR則為0，一側(cè)輪胎離地時(shí)LTR為1，即橫向加速度達(dá)到臨界側(cè)翻門(mén)限值。自此之后很多研究以LTR作為判定標(biāo)準(zhǔn)。1998年Dunwoody等人提出了一個(gè)以LTR作為判斷依據(jù)的側(cè)翻預(yù)警方法，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。2003年，韓國(guó)的Dongyong Hyun建立了重型半掛車(chē)側(cè)翻預(yù)警模型，以LTR值判斷側(cè)翻程度。該模型考慮了懸架和輪胎的非線性特性，利用參數(shù)辨識(shí)技術(shù)，辨識(shí)影響LTR值的參數(shù)，使預(yù)測(cè)模型接近于實(shí)車(chē)，能夠更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)半掛車(chē)的側(cè)翻穩(wěn)定性。

除LTR外，國(guó)外學(xué)者提出了很多側(cè)翻預(yù)警方法，Nalecz等人提出一種基于能量計(jì)算的側(cè)翻判定方法(RPER)，試驗(yàn)證明，該方法可以準(zhǔn)確地進(jìn)行側(cè)翻預(yù)警。

1997年，P.J.Liu研發(fā)了一套車(chē)載潛在側(cè)翻危險(xiǎn)警示裝置，建立了側(cè)翻失穩(wěn)RSF評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究表明，側(cè)翻失穩(wěn)評(píng)價(jià)指標(biāo)RSF與側(cè)向加速度和側(cè)傾角有關(guān)系。

2001年，Chen和 Peng提出了一種基于 TTR(Time To Rollover)側(cè)翻時(shí)間預(yù)測(cè)的側(cè)翻動(dòng)態(tài)預(yù)警算法，該算法簡(jiǎn)單，有較好的實(shí)用性。同時(shí)，Chen和Peng用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高了TTR值的精度。

2003年，Eger和Kiencke建立了車(chē)輛側(cè)翻時(shí)間序列，給出了側(cè)傾角速度和側(cè)傾角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，規(guī)定了車(chē)輛穩(wěn)定邊界。

2008年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的H.Yu提出一種基于實(shí)時(shí)TTR矩陣作為側(cè)翻危險(xiǎn)判據(jù)的側(cè)翻預(yù)警算法，并使用卡爾曼濾波技術(shù)提高TTR矩陣的精度，試驗(yàn)證明，該方法比較實(shí)用，能夠有效的預(yù)測(cè)車(chē)輛側(cè)翻狀態(tài)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)部分高校，如吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)和重慶交通大學(xué)等高校進(jìn)了大量的研究工作，取得了一定的成果。

2007年，南京航空航天大學(xué)的張先奎提出了一種基于姿態(tài)監(jiān)測(cè)的TTR側(cè)翻預(yù)警方法和雙飛輪側(cè)翻控制方法，用Simulink對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，側(cè)翻預(yù)警器能夠提供側(cè)翻預(yù)警信息，對(duì)車(chē)輛側(cè)翻能夠進(jìn)行有效的控制。

2008年，南京航空航天大學(xué)的金智林提出了一種基于動(dòng)態(tài)因子的車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警算法。試驗(yàn)表明，該算法能夠精確地算出車(chē)輛側(cè)翻時(shí)間值，判斷車(chē)輛側(cè)翻的危險(xiǎn)狀況。

2008年，吉林大學(xué)的朱天軍提出了一種基于回路傳輸恢復(fù)技術(shù)的LQG主動(dòng)側(cè)傾控制算法。仿真結(jié)果表明，該算法有效提高了車(chē)輛的側(cè)翻穩(wěn)定性。

2008年，吉林大學(xué)的宗長(zhǎng)富在回路傳輸恢復(fù)技術(shù)控制算法上，建了全局增度控制的全狀態(tài)反饋控制器。仿真結(jié)果，該算法能有效提高車(chē)輛側(cè)傾穩(wěn)定性。

2010年，重慶大學(xué)的連金江以TTR預(yù)警算法為基礎(chǔ)，提出了混凝土攪拌車(chē)側(cè)翻預(yù)警算法，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，該預(yù)警算法具有提前預(yù)測(cè)側(cè)翻的功能。

2010年，淮陰工學(xué)院的夏晶晶提出了一種基于模型預(yù)測(cè)的側(cè)翻主動(dòng)控制方法。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有提高車(chē)輛的側(cè)翻控制能力。

2011年，吉林大學(xué)的朱天軍在傳統(tǒng)TTR預(yù)警算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于改進(jìn)TTR重型車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警算法，并進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法可以對(duì)車(chē)輛側(cè)翻進(jìn)行提前預(yù)警。

3 重型車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警研究現(xiàn)狀

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外重型車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警技術(shù)方面的研究主要存在以下問(wèn)題。

(1)傳統(tǒng)的車(chē)輛預(yù)警算法多數(shù)屬于靜態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，不能動(dòng)態(tài)精確預(yù)測(cè)側(cè)翻程度。

(2)傳統(tǒng)的側(cè)翻預(yù)警算法需要精確獲得載荷、重心、加速度等參數(shù)，當(dāng)參數(shù)變化較大時(shí)，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)側(cè)翻狀況。

通過(guò)上述分析可知，建立精確的車(chē)輛動(dòng)態(tài)側(cè)翻預(yù)警模型，探索新的動(dòng)態(tài)預(yù)警方法，能夠早期發(fā)現(xiàn)潛在的側(cè)翻危險(xiǎn)，為防側(cè)翻穩(wěn)定控制奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

重型車(chē)輛側(cè)翻已成為影響道路交通安全的重要問(wèn)題，車(chē)輛側(cè)翻對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失。因此，研究開(kāi)發(fā)新型重型車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警算法及控制技術(shù)，提高車(chē)輛行駛的主動(dòng)安全性具有重要的意義，將會(huì)產(chǎn)生重要的經(jīng)濟(jì)效益。

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U461.6

A

1008-3383(2012)01-0089-01

2011-08-20

趙志國(guó)(1977-)，男，博士研究生，講師，主要從事車(chē)輛動(dòng)態(tài)仿真與控制方面的研究。

江蘇省高校自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(09KJB580001)。