汽车侧翻稳定性与预警综述分解.doc

汽车侧翻稳定性与预警综述摘要：近年来，汽车侧翻事故作为重要的安全问题，受到越来越多的关注。美国高速公路交通安全管理局统计数据表明，在汽车事故中，侧翻的危害程度仅次于碰撞事故居第二位。然而，我国目前针对高速急转弯时汽车侧翻动态稳定性及预警方面的研究还很少。因此，本文总结归纳了目前主流侧翻稳定性模型，侧翻预警的硬件系统与算法。通过仿真来计算侧倾角，来得测算汽车侧翻稳定性。以及时下最为新颖的通过DPS来获得汽车的侧倾角，横向加速度等数据来预警。本文比较了各种方案的利弊，对目前汽车的侧翻稳定性分析及预警研究做了一定程度的综述。关键字：侧翻模型，侧翻控制器，预警算法，侧翻仿真，GPS侧翻控制系统Abstract: in recent years, the most important safety problems as vehicle rollover accident, has attracted more and more attention. High U.S.Highway traffic safety administration statistics show that, in a car accident, harm degree rollover after touchHit the house second. However, Chinas current high speed sharp turning vehicle dynamic rollover stability and rollover warningThe study is also very little. Therefore, this paper summarizes the current mainstream rollover stability model, hardware system and rollover warning algorithm. Through the simulation to calculate the roll angle measurement, more automobile side tumbling stability. And nowadays the most novel through the DPS to get the cars side angle, lateral acceleration and other data to alert. In this paper, based on the comparison of the advantages and disadvantages of the various schemes on the current car rollover stability analysis and early warning research made a certain degree of review.Keywords: rollover model, rollover warning algorithm, controller, rollover simulation, GPS rollover control system1.汽车侧翻模型及动态稳定性分析1.1简明汽车模型 建立模型为研究汽车侧翻提供了很大的便利。合适的模型可以直观反应汽车的运动状态。成光华在分析国内外有关汽车侧翻预警的研究基础上，建立了由“自行车模型”或侧倾平面模型组成的线性三自由度汽车侧翻模型。该模型不仅包含了汽车静态因数，也包含轮胎、悬架等造成的动态因数，是汽车侧翻预警算法和硬件在环仿真的基础。汽车侧翻预警算法中选用汽车的横向载荷转移率作为汽车是否发生侧翻的判断标准，根据汽车左右车轮的载荷LTR（Lateral-load Transfer Rate）的变化，计算汽车模型当前状态距离侧翻的时间值TTR（Time-To-Rollover），对汽车侧翻状态及时地预警。 而对于客车这类形状较为单一的运载工具。覃祯员建立了立柱模型，揭示了侧面结构。依据侧翻试验要求，客车应从水平位置缓慢翻转到不稳定角，在这个翻转过程中车辆不应出现摆动和受翻转速度的影响。在侧翻仿真模拟过程中，可以模拟车辆及翻转平台从水平位置翻转到不稳定角后车辆靠自身重力自由翻转撞击到刚性地面，但为了节省仿真计算时间，笔者将客车翻转过程中与地面接触时刻作为初始仿真时刻，并赋予车辆绕着旋转平台转轴作旋转，其初始翻转角速度 计算方式如下:式中: m 为车辆整备质量，mm; IXX为转动惯量，kgmm2; H 为车辆从不稳定角翻转到接触地面过程中其质心高度的变化量，mm; r 为车辆在不稳定角位置其质心到翻转平台旋转轴的旋转半径，mm。通过刚性单元模拟生存空间，生存空间与车身地板骨架刚性连接，生存空间与车辆结构件、地面之间无需定义接触，目的是为了观察侧翻过程中侧面结构请入情况。笔者建立了某12 m 客车侧翻有限元仿真模型，如图4 所示。1.2三自由度汽车模型 金智林等人 以运动型多功能汽车为研究对象，在车辆坐标系下建立了其线性三自由度侧翻模型。该模型包括横向、横摆以及侧倾方向的响应及其耦合影响，能反映影响运动型多功能汽车高速急转弯时侧翻的主要因素。此外，考虑汽车侧翻过程中引起的轮胎及悬架变形因素对车轮侧偏角的影响，建立了线性的轮胎动力学模型。1.3.1 汽车侧翻动力学模型 汽车侧翻动力学模型是研究汽车侧翻问题的基础，其形式和复杂程度因不同的研究目的而异。为了研究汽车侧翻动力学基础的一般规律，可以抓住汽车侧翻的主要特征，而对其它影响因素进行简化，建立简单的侧翻动力学模型。三自由度汽车侧倾模型59-97，是研究汽车侧倾运动的最为基础的模型。如图1.5 所示，该模型由“自行车”模型和侧倾平面模型组成，包括汽车横向运动、横摆运动以及侧倾运动。运用理论力学可以得到这三个自由度方向反映汽车侧翻运动特性的数学模型，根据数学模型可以分析汽车侧翻指标以及汽车结构参数和随机因素对侧倾运动的影响。祝军等人分析汽车在侧翻和滚翻过程中的受力状态和轮胎或车身与路面的相互作用方式,建立汽车侧翻和滚翻的运动学和动力学模型,揭示汽车临界侧翻碰撞力与持续作用时间等参数的关系,推导侧翻车辆侧向速度的范围,确定滚筒模型中关键参数的选取方法。杨利勇利用具有可变形悬架和轮胎的汽车侧翻模型,分析了悬架及轮胎等因素对汽车侧翻的影响,推导出包括轮距变化、举升效应、轮胎转动惯性力矩等因素在内的汽车侧翻阈值公式,突出影响汽车侧翻的悬架因素,为评估悬架对汽车侧翻稳定性影响提供了理论依据。果忽略了悬架和轮胎侧偏的影响,汽车就视为刚性汽车。刚性汽车做稳态转向时,受力如图1所示。对弯道外侧轮胎的接地点取矩,则有: T= mgB/2- mayhg- FziB= 0式中,m为汽车质量,g为重力加速度,B为汽车轮距,ay为侧向加速度,hg为质心高度,Fzi为转弯内侧的垂直载荷。当汽车转向时的侧向加速度达到侧翻阈值时,转弯内侧的轮胎载荷Fzi为零。因此侧翻阈值为:ayg=B/2hg忽略了悬架的影响和轮胎的侧偏,会使计算值比实际值大很多。因此,上式的计算结果通常用来比较汽车的侧翻稳定性。1.2具有可变形悬架的汽车侧翻模型 具有可变形悬架的汽车侧翻模型的建立稳态转向中,车身会绕侧倾轴线转过 角,即: =T K =mayhK (3)式中,T 为作用在车身上的侧倾力矩;m为汽车的质量;h为质心到侧倾中心的距离;K 为汽车悬架组合侧倾角刚度。其中,mhK 表示汽车的侧倾率,即单位加速度的侧倾角。它表明,包括轮胎刚度在内的组合侧倾角刚度,会直接影响汽车的侧倾率。在轮胎发生变形(垂直方向)时,侧倾角会增大,如图2所示。图中,hr为侧倾中心高度,点C为汽车的侧倾中心。同时,车身的侧倾导致了汽车质心的侧向偏移,将使汽车轮距发生一定的变化。车身的侧倾使重心有了沿加速度方向的分力,这个分力反过来又加剧了车身的侧倾。余强等人针对被动悬架系统侧翻稳定性比较差的问题,提出采用主动悬架系统的方法进行改善。通过汽车侧倾运动状态分析,建立了被动悬架系统、主动悬架系统和控制系统模型。模拟分析得到主动悬架系统使得汽车在弯道行驶时的侧倾角有效值下降了92.8%,侧倾角加速度有效值下降了78.2%,侧翻因子有效值下降了92.6%。结果表明:利用主动悬架系统可以有效地降低汽车非直线行驶时的侧倾角以及侧倾角加速度,提高汽车的侧翻稳定性,是提高汽车非直线行驶状态下安全性的一个合理的解决方案。2.侧翻控制器2.1 防侧翻控制器设计 汤敏等人通过对侧向加速度信号反馈控制的方式，计算确定汽车所需的补偿横摆力矩M ，控制器算法采用经典的 PID 控制，输入为反馈信号的参考值和实际值的差值 e，侧向加速度的参考值设置为0，即控制器的目标是减小扰动输入的作用，控制器的输出为补偿横摆力矩M ，该防侧翻控制流程图结构如图3.4所示。 图3.4 防侧翻控制流程图 控制器的触发条件如3.1部分所讲的，当 0.8thLTR LTR = 时进行侧翻预警和触发控制器；施加制动的方式为外前轮制动的差动制动方式。 翁建生等人为了减少汽车侧翻事故,提出了一种基于模型的汽车侧翻预警算法以及在预警基础上的防侧翻控制算法岑达希提出了主动转向技术可以主动改变转向角的大小来调整汽车的运动姿态。本文通过深入分析转向角大小对汽车侧翻的影响,采用主动转向来进行防侧翻控制,并进行了数值仿真分析,分析结果说明主动转向能够通过改变汽车的横摆角速度和侧向加速度来降低汽车的横向载荷转移率,从而提高了汽车的防侧翻能力。同时该分析结果为主动转向防侧翻控制设计提供依据。差动制动能够通过改变汽车的动力学特性来改变汽车的行驶姿态。本文通过分析单轮差动制动对汽车动力学特性的影响以及差动制动防侧翻控制的基本原理,建立了基于横向载荷转移率的汽车差动制动防侧翻动力学模型,并在此基础上进行数值仿真研究。通过比较了差动制动与普通制动的防侧翻效果来说明差动制动的优越性,然后研究分析了差动制动时制动力大小对汽车运动姿态的影响,为防侧翻控制设计提供依据。械式主动转向系统的主要工作原理为汽车行驶的运动状态参数由传感器测得,主要参数包括车速,横摆角速度。,方向盘转角占、等,按照预先编制好的控制逻辑,设定附加转角占。的目标值,并通过执行机构将氏叠加到方向盘转角上,实现总的前轮转角今。这样,可以使得转向盘转角和前轮转角的传动比根据汽车的实际行驶状态而发生连续的变化,从而提高汽车的操纵稳定性。那么主动前轮转角应为双行星齿轮机构产生的前轮转角与伺服电机通过转向机构产生的前轮转角之和,表达式为刘汪洋等人根据PID控制主动转向技术能够主动改变驾驶员给定的转向轮转角，使得汽车的响应尽可能地与理想响应特性一致，从而提高汽车的操级稳定性。通过深入分析转向角对汽车侧翻特性的影响，釆用主动转向技术进行防侧翻控制，并通过仿真分析说明主动转向能够通过改变汽车的侧向加速度和横摆角速度来降低汽车的横向载荷转移率，因而可以提高汽车的防侧翻性能。本文采用自适应模糊控制器来对驾驶员模型进行控制。系统的输入为误差和误差变化率，参数可以使用模糊控制规则进行在线修正。该控制系统的原理框图如图所示。该控制的传递函数可以表达为其中，分别表示为比例增益，积分增益和微分增益。其中，比例增益尺可以加快系统的崎应速度，从而提高系统的调节精度；积分增益火可以消除系统的稳态误差；微分增益：的主要作用则是在控制过程中抑制误差的变化，从而改善系统的动态特性。 李占旗设计了基于差动制动的横摆稳定性控制算法。算法以汽车的横摆角速度偏差以及质心侧偏角导数作为控制变量，利用门限值和PID控制方法进行横摆力矩决策，然后选择效率车轮进行差动制动并通过液压调节实现需求的制动压力，从而实现汽车的横摆稳定性。通过 GM 公司的 ESP 评价方法设定的低附着路面工况以及 NHTSA 的FMVSS126 法规关于 ESP 评价设定的高附着路面工况的仿真验证，表明本文的横摆稳I 定性控制算法可以有效地提高汽车的横摆稳定性。 综合以上，我们对 YSC 与 RSC 进行集成的基本思路是：在汽车仅有横摆危险时把横摆稳定性作为唯一控制目标；仅有侧翻危险时把侧翻稳定性作为唯一控制目标；而兼有横摆与侧翻危险时把横摆与侧翻稳定性作为联合控制目标，并根据横摆与侧翻的危险程度充分协调地实现汽车的横摆与侧翻稳定性。 3.侧翻预警算法3.1侧翻预警侧翻预警时间(Time-To-Rollover)定义为固定当前时刻输入,以当前时刻状态为初始条件,汽车运行到产生侧翻(即一侧轮胎离开地面)的时间.TTR能实现超实时地对汽车进行侧倾平面内的动力学预警.预警算法流程如图2所示.在该算法中,先要建立一个简单且能准确反映汽车侧翻规律性的模型。在预警算法中,假设从当前时刻运行到产生侧翻这段时间内汽车外部输入条件不发生变化,而汽车实际行驶时,汽车外部输入可能时刻变化的.由于预警算法计算时间非常短,在完成一次预警的时间内,汽车外部输入变化可以忽略.吴新烨汽车侧翻是道路交通事故的主要形态之一.虽然对汽车横向稳定性,我国有一定的研究,但对于汽车侧翻稳定性的研究还不够深入.汽车侧翻研究根据汽车侧翻理论,建立起汽车侧翻模型,利用Matalab等模拟软件,对汽车的侧翻行模拟,3.2计算机模拟分析计算机模拟时,给定s一个初始值0,在循环计算中每次增加0.01 rad.不断计算式(11)(13)的值,当Fi= 0时停止.此时可以得到汽车的侧翻阈值ay,簧载质量的最大侧偏角s,非簧载质量的最大侧偏角u.由于计算是连续的,所得的参数的变化也是连续的,它们代表了每一个状态的参量值的变化.因此,这个模型就模拟了汽车从开始到即将侧翻时的状态变化,达到对汽车侧翻真实模拟的目的.计算机模拟按要求输入不同的参数,通过计算机编程运算,得到此模型的侧翻阈值;也可以通过该模型不同参数的变化,得到参数变化对汽车侧翻阐值的影响.具体模拟的参数如表1.由表1得ay= 0.270 g,u= 0.235 rad,s= 0.238 rad.3.3侧翻控制器系统硬件原理 张先奎等人 设计了基于TMS320LF2407 DSP和 XC866 单片机的汽车侧翻预警器和侧翻控制器软硬件，并将 TTR 侧翻预警方法和双飞轮侧翻控制方法应用到侧翻预警器和侧翻控制器之中。 2407 是具有特殊结构的 DSP 微处理器，有多达 41 个通道、双向的数字I/O(GPIO)引脚，其中大多数都是基本功能和通用复用引脚20。本系统用IOPA3-IOPA5、IOPB0-IOPB3 和 IOPE1-IOPE4 作为和外部 D/A 模块的接口；2407地址和数据总线用来控制LED显示驱动22。选择8位D/A转换芯片DAC0832，片内具有两个输入数据寄存器，电流稳定时间 1us，可单缓冲、双缓冲或直接数字输入，单一电源供电(5V15V)，低功耗。D/A 模块电路如图3.6所示。 A4-A6 分别对应 IOPA3-IOPA5 用于 0832 功能控制，D0-D7 对应 IOPB0-IOPB3和IOPE1-IOPE4作为2407与0832间的数据线。D/A转换后的模拟信号从VOUT输出23。 王坤等人在 Matlab/Simulink 环境下搭建了半挂汽车二十一自由度非线性车辆动力学仿真模型和控制器模型，分别在阶跃转向工况、鱼钩转向工况和双移线工况下进行了防侧翻控制算法的开环和闭环仿真验证，并对控制效果进行了评价，仿真结果表明控制算法在一定程度上可以有效地防止半挂汽车侧翻。 图 3.1 为防侧翻控制算法总流程图。算法包括四个方面的内容：转弯和转弯类型识别、防侧翻控制阈值的设定、防侧翻控制开始和结束的判定以及防侧翻控制策略。根据图3.1，当防侧翻控制系统开始工作时，系统首先判断半挂汽车是否正在转弯以及转弯类型，然后系统根据相应的转弯类型设定防侧翻控制开始和结束的阈值。当半挂车侧向加速度大于控制开始阈值时，开始防侧翻控制，控制系统向相应的牵引车外侧车轮施加制动压力；当半挂车侧向加速度小于控制结束阈值时，结束防侧翻控制。 4.侧翻仿真 王艳等人采用滤波进行汽车侧翻状态参数的状态估计，然后再采用最为流行也最为普遍的预警算法推算预警值及作为主动控制的参数值。本文利用对状态估计器进行了车辆状态参数的仿真；在防侧翻主动控制中，提出采用参数模糊自整定算法，并仿真验证了参数模糊自整定控制算法在主动侧翻控制的适用性。 根据以上四种工况下仿真结果图分析可得：在系统未进行主动控制时的绝对值均存在大于的情况，表明汽车均会发生侧翻现象；增加主动控制后，绝对值不会超过，表明汽车均没有发生侧翻。也就是说施加主动控制可以有效的防止汽车侧翻的发生；在前轮转角模拟输入为工况时，由于其转角变化较为缓慢，施加常规的和参数自整定模糊主动控制后，绝对值均可以在时间内稳定在值附近，两种方案控制速度都比较快，并无很大差别；在工况下，施加两种主动控制后与工况相似，对的控制率差别不大；在较为恶劣的工况工况、工况下，由于其前轮转角变化速度很快，通过分析两种主动控制方案的控制结果可知常规控制效果不及参数自整定模糊理想，后者使得系统响应速度更快、更稳。王波等人采用动力学软件 ADAMS 对整车的侧翻进行模拟分析，其理论可靠，结果准确可信，且降低试验成本。 5.基于GPS的侧翻控制 张金柱针对汽车稳定性控制关键参数估算的需要，以实时性和准确性为目标，提出了基于双天线 GPS 系统的汽车行驶状态参数与路面附着系数测量与估计方法。提出基于 GPS技术的汽车侧偏角、质心侧倾角、车速等的测量与估计算法；设计了基于双级卡尔曼滤波的GPS与INS信息融合方法，解决了GPS信号丢失与更新率低的难题；提出基于GPS的路面附着系数估算算法。实验研究结果表明，GPS测量与估计效果良好，可以满足汽车稳定性控制器的设计要求。 . GPS 信号接收程序 图3.12为GPS信号接收与处理程序，信号通过串口送入sbRIO-9612 嵌入式系统。图 3.13为GPS信号接收界面。 获取汽车稳定性控制所需的汽车行驶状态参数是实现稳定性控制的前提和关键技术之一。针对汽车稳定性控制关键状态参数估算的需要，以实时性和准确性为目标，本章提出了基于 GPS 的汽车状态参数测量与估算方法。基于 GPS 测姿和测速技术，提出测量与估计汽车质心侧偏角、质心侧倾角和车速等汽车状态参数的方法。采用以双级卡尔曼滤波为基础的GPS与INS信息融合方法，解决 GPS信号丢失与更新率低的难题。提出利用 GPS与INS 估算路面附着系数和轮胎侧偏刚度的方法。利用LabVIEW测试平台编写 GPS 与 INS 测试程序，并利用双轴向光学速度仪检测了在典型汽车行驶工况下汽车状态参数测量与估计的效果。 6. 总结与展望 随着交通运输的迅猛发展，汽车交通事故在不断增加，汽车侧翻等重大交通事故尤为突出。现今已成为人们十分关注的课题。在国内外学者以往的侧翻研究中，多注重于侧翻检测和侧翻控制方面的研究，在侧翻预警方面的研究还比较少。而侧翻预警能有效减少人为导致的侧翻事故，具有比较大的研究价值。本文的研究旨在为汽车稳定性，侧翻预警和控制系统的设计和试验提供一种参考方案。主要的工作简述如下： 1研究了汽车侧翻，建立了三自由度汽车侧翻模型，以这个模型为基础对侧翻预警及控制进行了研究。根据汽车防撞预警系统的工作原理，提出了一种类似TTC 的TTR侧翻预警方法，建立了 TTR侧翻预警模型。以卫星姿态控制方法为基础，提出了用于汽车的双飞轮侧翻控制方法，建立了双飞轮模型。并在 Simulink中对这些算法和模型进行了仿真分析。结果表明，基于姿态监测的TTR 侧翻预警方法能精确可靠的对汽车的侧翻进行预警，得到的侧翻预警值能用于指导驾驶员的操作和侧翻控制系统的动作。同时结果表明，双飞轮侧翻控制方法能在侧翻危机时刻对汽车侧翻进行控制，为驾驶员提供足够反应和动作时间来采取正确措施以防止侧翻。 2设计了汽车侧翻预警器和侧翻控制器软硬件。利用 SZ-DSPII 开发平台和 CCS DSP 开发环境开发了基于 TMS320LF2407 的汽车侧翻预警器，并在其中实现了 TTR侧翻预警算法。利用 Multi Infineon开发平台和 Wave 866开发环境开发了基于 XC866 的侧翻控制器，并在其中实现了对双飞轮电机的力矩控制驱动和 PID侧翻控制算法。 3设计了硬件在环仿真试验平台。利用 PC 机、NI PCI-6024E 多功能数据采集卡、SC-2075端子板和其它外围硬件作为平台硬件，使用VC+和Simulink中的Real-Time Workshop完成了平台软件和数学模型程序，从而实现了HIL仿真平台。在平台上进行了侧翻预警及控制硬件在环仿真试验。结果表明：侧翻预警器能可靠稳定的提供基于汽车姿态监测的侧翻预警信息，侧翻控制器模型也能在紧急时刻对汽车侧翻进行有效控制。 本文从理论研究入手，研究了基于姿态监测的侧翻预警及控制方法，将这些方法应用到侧翻预警器及控制器的设计中，设计了硬件在环仿真试验平台，最后在平台上进行了试验验证，基本上完成了任务要求。 汽车侧翻预警及控制方案能有效的预测汽车的侧翻并对侧翻进行控制，提高汽车的侧向稳定性，减少侧翻事故的发生。利用侧翻预警和侧翻控制相结合来提高汽车安全性的方法必然会受到越来越多人的重视。 参考文献 1主动悬架系统对汽车侧翻稳定性改善分析_余强2 重型汽车的侧翻稳定性分析方法的研究_王波3 运动型多功能汽车防侧翻控制与评价方法研究_汤敏4 运动型多功能汽车侧翻稳定性及防侧翻控制_金智林5 影响汽车侧翻的悬架因素分析_杨利勇6 一种改进的汽车侧翻模型及其应用研究_宋小文7汽车侧翻预警系统的研究_王庆一 8 汽车侧翻预警及防侧翻控制_金智林9 汽车侧翻稳定性研究_吴新烨10 汽车侧翻和滚翻事故建模研究_祝军11 客车侧翻试验上部结构强度分析及改进措施_覃祯员12 基于姿态监测的汽车侧翻预警及控制研究_张先奎13 基于主动转向与差动制动的汽车防侧翻控制研究_岑达希14 基于驾驶员模型的汽车防侧翻控制研究_刘汪洋15 基于动态稳定性的汽车侧翻预警_金智林16 基于差动制动的汽车横摆与侧翻稳定性集成控制研究_李占旗17 基于差动制动的汽车横摆与侧翻稳定性集成控制研究_李占旗(1)18 基于TTR的汽车侧翻预警器设计_成光华19 基于GPS的载重汽车侧翻控制与仿真_喻云龙20 基于GPS的汽车稳定性控制系统研究_张金柱21 基于DSP的汽车防侧翻控制系统的研究_王艳22 飞行汽车陆地行驶的侧翻稳定性研究_杨林23 大型露天矿山电动轮汽车侧翻典型事故分析及控制_张伟旗24 半挂汽车防侧翻控制算法研究_王坤