基于TTR的汽車側(cè)翻預(yù)警研究

陳毅華，徐健康，毛建國(guó)，金智林

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016; 2.南京長(zhǎng)江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，南京 210038)

基于TTR的汽車側(cè)翻預(yù)警研究

陳毅華1，徐健康2，毛建國(guó)1，金智林1

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016; 2.南京長(zhǎng)江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，南京 210038)

提出了一種基于TTR的汽車側(cè)翻預(yù)警算法。建立了3自由度線性汽車側(cè)翻模型，推導(dǎo)了基于汽車側(cè)傾角度變化的TTR側(cè)翻預(yù)警計(jì)算公式，提出了TTR側(cè)翻預(yù)警算法。以某輕型卡車為研究對(duì)象進(jìn)行了汽車側(cè)翻過(guò)程中側(cè)傾角變化的仿真分析，獲得了TTR側(cè)翻預(yù)警算法的汽車側(cè)翻預(yù)警時(shí)間。仿真結(jié)果表明:該側(cè)翻預(yù)警算法能準(zhǔn)確地對(duì)汽車側(cè)翻時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為汽車側(cè)翻預(yù)警控制器開發(fā)提供理論依據(jù)。

汽車側(cè)翻;側(cè)翻預(yù)警;汽車主動(dòng)安全

汽車側(cè)翻是一個(gè)重要的交通安全問(wèn)題。根據(jù)美國(guó)公路安全局(NHTSA)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車側(cè)翻事故的危害程度僅次于汽車碰撞事故，居第2位［1］。由于汽車側(cè)翻時(shí)，駕駛員感覺(jué)不到具體征兆而來(lái)不及采取有效措施，使得汽車側(cè)翻事故的危害是致命的，因此汽車側(cè)翻已經(jīng)成為全世界關(guān)注的安全問(wèn)題，越來(lái)越受到重視。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車側(cè)翻進(jìn)行了大量的研究，提出了主動(dòng)橫向穩(wěn)定桿［2］、主動(dòng)轉(zhuǎn)向［3］、主動(dòng)懸架［4］和主動(dòng)制動(dòng)［5－6］等抗側(cè)翻措施。但是這些抗側(cè)翻措施都是在側(cè)翻危險(xiǎn)已經(jīng)產(chǎn)生時(shí)才開始執(zhí)行，可以減少側(cè)翻的可能性卻不能預(yù)見(jiàn)側(cè)翻事件，所以不能給駕駛員或側(cè)翻控制系統(tǒng)提供足夠早的預(yù)警信號(hào)來(lái)指導(dǎo)其采取有效的措施。側(cè)翻預(yù)警研究的目的是如何在側(cè)翻危險(xiǎn)將要發(fā)生但是還沒(méi)有開始時(shí)預(yù)見(jiàn)到側(cè)翻危險(xiǎn)，并給駕駛員或側(cè)翻控制系統(tǒng)提供參考信號(hào)。側(cè)翻預(yù)警研究主要有基于模型和基于檢測(cè)2種方法?；谀Ｐ偷姆椒ㄊ紫纫⒁粋€(gè)能夠準(zhǔn)確反映汽車側(cè)翻過(guò)程的模型，然后根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)通過(guò)模型計(jì)算出未來(lái)一段時(shí)間側(cè)翻判別因子的值，當(dāng)這個(gè)值第1次超過(guò)側(cè)翻閾值時(shí)記下這一時(shí)刻，即得到側(cè)翻預(yù)警時(shí)間。利用這種方法建立的模型能準(zhǔn)確反映實(shí)際側(cè)翻過(guò)程時(shí)可以達(dá)到很高的預(yù)警精度，但由于需要短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量重復(fù)的復(fù)雜運(yùn)算，其實(shí)時(shí)性很難保證。另一種基于參數(shù)檢測(cè)方法是在當(dāng)前瞬間對(duì)汽車運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)側(cè)翻預(yù)警算法對(duì)當(dāng)前參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算得到側(cè)翻預(yù)警時(shí)間。這種方法運(yùn)算速度快，適合工程應(yīng)用，通過(guò)選擇合適的預(yù)警算法可以獲得較高的精度。本文根據(jù)已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車產(chǎn)品的防撞預(yù)警及TTR側(cè)翻預(yù)警方法建立能準(zhǔn)確預(yù)警側(cè)翻的基于參數(shù)檢測(cè)的側(cè)翻預(yù)警模型，并選取典型工況進(jìn)行仿真分析。

1 3自由度線性汽車側(cè)翻模型

側(cè)翻模型是研究汽車側(cè)翻預(yù)警算法的基礎(chǔ)，因此建立一個(gè)簡(jiǎn)單且能精確反映汽車側(cè)翻性能的模型對(duì)于預(yù)警算法的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文建立了如圖1所示的3自由度線性汽車整車側(cè)翻模型。該模型比較簡(jiǎn)單，且能夠反映汽車側(cè)翻的一般規(guī)律。

該模型忽略汽車縱向和俯仰方向的動(dòng)力學(xué)特征，并假設(shè)汽車左右輪動(dòng)力學(xué)特性關(guān)于x軸是對(duì)稱的，即該模型由“自行車模型”和側(cè)傾平面模型組成，包括y方向的平動(dòng)橫向運(yùn)動(dòng)、繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)橫擺運(yùn)動(dòng)，以及繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。在輪胎相對(duì)汽車轉(zhuǎn)角很小的情況下，對(duì)于每個(gè)側(cè)翻預(yù)警計(jì)算時(shí)刻，汽車質(zhì)心速度u近似為一個(gè)常數(shù)，則汽車側(cè)翻模型的動(dòng)力學(xué)方程為:

圖1 汽車側(cè)翻模型

2 汽車側(cè)翻預(yù)警算法

2.1 TTR基本概念

汽車側(cè)翻是指汽車在行駛過(guò)程中繞其縱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)90°或更大的角度，以至車身與地面相接觸的一種危險(xiǎn)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。在側(cè)翻研究中可以將車身側(cè)傾到一邊輪胎與地面作用力為0時(shí)的汽車側(cè)傾角定義為TTR的側(cè)翻參考角，即側(cè)翻閾值。TTR (time－to－rollover)意義為到距離側(cè)翻的時(shí)間，在本文中TTR的精確定義為汽車?yán)^續(xù)保持當(dāng)前狀態(tài)行駛時(shí)將要側(cè)翻的時(shí)間。

在發(fā)生側(cè)翻事件后，如果回放整個(gè)側(cè)翻過(guò)程，在側(cè)翻前的第N s時(shí)刻，此時(shí)的實(shí)際TTR值為N s，也就是在此刻過(guò)后的第N s側(cè)傾角將超過(guò)側(cè)翻閾值。假設(shè)在側(cè)翻前對(duì)TTR值的預(yù)測(cè)絕對(duì)準(zhǔn)確的話，將得到一條在TTR值和時(shí)間值平面內(nèi)的斜率為－1的直線，如圖2所示。

圖2 理想的TTR側(cè)翻預(yù)警

2.2 TTR算法

TTR對(duì)汽車進(jìn)行x軸橫截面內(nèi)的動(dòng)力學(xué)預(yù)警，TTR定義為汽車?yán)^續(xù)保持當(dāng)前的橫向側(cè)傾角加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)將要發(fā)生側(cè)翻的時(shí)間，如圖3所示。如果在某時(shí)刻預(yù)見(jiàn)到汽車在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，例如X s內(nèi)不會(huì)發(fā)生側(cè)翻，就可以認(rèn)為汽車不會(huì)側(cè)翻。此X s被定義為側(cè)翻預(yù)警上限時(shí)間，當(dāng)TTR側(cè)翻預(yù)警值超過(guò)X，X被設(shè)定為TTR值。

其中:φ0為TTR側(cè)翻閾值，根據(jù)汽車參數(shù)確定(汽車側(cè)翻過(guò)程中車身側(cè)傾到一邊輪胎與地面作用力為0時(shí)的汽車側(cè)傾角定義為 TTR側(cè)翻閾值); φ(0)為汽車當(dāng)前的側(cè)傾角度;t為汽車側(cè)翻預(yù)警時(shí)間;X為側(cè)翻預(yù)警的上限時(shí)間。

圖3 汽車側(cè)翻預(yù)警示意圖

設(shè)定汽車逆時(shí)針側(cè)傾為正向，正向側(cè)傾角為正，如圖3所示。正向側(cè)傾TTR側(cè)翻閾值為φ0l，汽車順時(shí)針側(cè)傾為反向，反向側(cè)傾角為負(fù);反向側(cè)傾TTR側(cè)翻閾值為φ0r。φ0l和φ0r根據(jù)汽車相關(guān)參數(shù)確定，φ0r=－φ0l。由于汽車在行駛過(guò)程中正反方向的側(cè)翻均有可能，因此，側(cè)翻預(yù)警值TTR應(yīng)取正向側(cè)翻預(yù)警值TTRl和反向側(cè)翻預(yù)警值TTRr之間的最小值，即

3 某輕型卡車側(cè)翻預(yù)警仿真

選取某輕型卡車作為側(cè)翻預(yù)警仿真對(duì)象，卡車參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 卡車參數(shù)表

選取汽車最壞操作情況轉(zhuǎn)角變化作為側(cè)翻仿真模型的輸入，汽車最壞操作轉(zhuǎn)角變化如圖4所示。汽車方向盤正反方向不停地做類似階躍轉(zhuǎn)動(dòng)，車速設(shè)定為30 m/s，φ0l=10°，φ0r=－10°，X= 3 s。汽車側(cè)傾角如圖5所示，TTR側(cè)翻預(yù)警如圖6所示。

圖4 汽車最壞操作情況轉(zhuǎn)角輸入

圖5 汽車側(cè)傾角變化

圖6 TTR側(cè)翻預(yù)警結(jié)果

汽車在A點(diǎn)(圖5)發(fā)生側(cè)翻，側(cè)翻時(shí)間為2.36 s。TTR側(cè)翻預(yù)警模塊預(yù)測(cè)到汽車在a點(diǎn)(圖 6)發(fā)生側(cè)翻，計(jì)算得到的TTR值為2.36 s，與實(shí)際側(cè)翻時(shí)間吻合。

在側(cè)翻危險(xiǎn)區(qū)間C區(qū)(圖6)，實(shí)際側(cè)翻時(shí)間在0～1 s。由圖7可知，此間的TTR側(cè)翻預(yù)警值曲線近似一條斜率為－1的直線，表明側(cè)翻預(yù)警效果較好，此時(shí)的TTR值可作為駕駛員和側(cè)翻控制系統(tǒng)的控制信號(hào)。在B區(qū)由于輸入轉(zhuǎn)角信號(hào)有不符合現(xiàn)實(shí)的突變，導(dǎo)致TTR值在B區(qū)形成上下2個(gè)突變點(diǎn)，在平滑轉(zhuǎn)角輸入信號(hào)的突變點(diǎn)使其更符合實(shí)際情況后，在B區(qū)也有很好的預(yù)警效果，非危險(xiǎn)區(qū)域誤差最大只有8.1%，危險(xiǎn)區(qū)域誤差最大為2%，能給駕駛員提供有效的危險(xiǎn)信號(hào)。如圖7所示，基于TTR的側(cè)翻預(yù)警模型在整個(gè)仿真試驗(yàn)中都能有效地預(yù)測(cè)側(cè)翻發(fā)生的時(shí)間。

圖7 修整輸入轉(zhuǎn)角突變點(diǎn)后的TTR側(cè)翻預(yù)警效果

4 結(jié)論

3自由度線性汽車側(cè)翻模型和TTR側(cè)翻預(yù)警模型仿真試驗(yàn)結(jié)果表明:根據(jù)TTR的側(cè)翻預(yù)警方法計(jì)算側(cè)翻過(guò)程中側(cè)傾角變化，可有效地預(yù)測(cè)汽車可能發(fā)生側(cè)翻的時(shí)間，從而為駕駛員和側(cè)翻控制系統(tǒng)提供預(yù)警信號(hào)，提醒其進(jìn)行相應(yīng)處理，以避免汽車發(fā)生側(cè)翻。

［1］ Traffic safety facts 2009:A compilation of motor vehicle crash data from the fatality analysis reporting system and the general estimates system，National Highway Traffic Safety Administration［Z］.US，Department of Transportation，Washington，DC，2011.

［2］ Cronje P H，Els P S.Improving off－road vehicle handling using an active anti－roll bar［J］.Journal of Terramechanics，2010，47(3):179－189. ［3］ Imine H，Leonid M，Madani T.Steering control for rollover avoidance of heavy vehicles［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2012，61(8):3499－3509.

［4］ Yu H，Güven? L，?zgünerü.Heavy duty vehicle rollover detection and active roll control［J］.Vehicle System Dynamics，2008，46(6):451－470.

［5］ Huang H H，Yedavalli R K，Guenther D A.Active roll control for rollover prevention of heavy articulated vehicles with multiple－rollover－index minimisation［J］.Vehicle System Dynamics，2012，50(3):471－493.

［6］ 金智林，馬翠貞，張甲樂(lè)，等.采用電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的SUV防側(cè)翻魯棒控制［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，28(1):1－6.

(責(zé)任編輯 劉 舸)

Vehicle Rollover Warning Based on TTR

CHEN Yi－h(huán)ua1，XU Jian－kang2，MAO Jian－guo1，JIN Zhi－lin1
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China;2.Nanjing Changjiang Electronics Group Co.Ltd.，Nanjing 210038，China)

In this paper，a vehicle rollover warning algorithm is proposed.First，a three－DOF linear model of vehicle rollover is established.From the model，the rollover warning algorithm is proposed based on time to rollover(TTR).Also，the TTR value is obtained from the variation of vehicle rollover angel.Then the simulation is conducted for a light truck.And the results show that the rollover warning algorithm can accurately predict the time to rollover，thus providing a theoretical basis for the development of vehicle rollover warning controller.

vehicle rollover;rollover warning;vehicle active safety

U461.91

A

1674－8425(2014)07－0011－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.07.003

2014－03－22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11202096)

陳毅華(1964—)，男，上海人，工程師，主要從事車輛實(shí)驗(yàn)學(xué)與測(cè)試技術(shù)研究。

陳毅華，徐健康，毛建國(guó)，等.基于TTR的汽車側(cè)翻預(yù)警研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014 (7):11－14.

format:CHEN Yi－h(huán)ua，XU Jian－kang，MAO Jian－guo，et al.Vehicle Rollover Warning Based on TTR［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(7):11－14.