CN103171490B - 一种道路车辆弯道侧翻预警方法及预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种道路车辆弯道侧翻预警方法及预警系统，其特征是对于弯道行驶中的车辆，实时检测获得车轴端部的竖向剪应力和对应车轴端部的车轮竖向加速度，从而得到车轮与地面的接触力；由接触力得到各个车轴的侧翻因子，进而加权得出所有车轴的综合侧翻因子，在加权侧翻因子超出侧翻因子临界值时通过报警装置发出警示。本发明方法的实施可以使道路车辆弯道行驶更为安全可靠，有效降低发生侧翻危险的可能性。

Description

一种道路车辆弯道侧翻预警方法及预警系统

技术领域

本发明涉及一种道路车辆在弯道行驶时的侧翻预警方法及预警系统。

背景技术

车辆弯道侧翻事故是一种常见的道路交通事故，过大的离心力使车辆失去了行驶稳定性，一旦发生往往导致严重的人员伤亡和重大的经济损失。

国内外对于车辆侧翻预警系统开展了一系列研究，提出了一些反映侧翻趋势的性能指标及相应的侧翻预警方案。描述车辆侧翻的指标主要包括横向加速度、车身侧倾角、车身侧倾角速度、单轴横向载荷转移率、侧翻的预计剩余时间等。其中，横向加速度可以很方便地通过加速度传感器测得，且静态侧翻极限值可通过实验获得，但是，该方法并未考虑路面不平度激励对侧翻稳定性的影响，仅适用于平滑路面上的车辆侧翻预警；汽车的车身侧倾角和车身侧倾角速度阈值在不同的行驶状态下是动态变化的，增加了应用的难度；单轴横向载荷转移率没有考虑汽车侧翻的整体趋势；侧翻的预计剩余时间虽然较为准确，但算法较为复杂。

上述现有技术中的道路车辆侧翻预警系统往往仅适用于两轴汽车的某种具体车型，不能预测多轴汽车的侧翻趋势，使侧翻预警系统的适用性受到制约。

发明内容

本发明为克服上述现有技术存在的不足，提供一种道路车辆弯道侧翻预警方法及预警系统，以便在车辆弯道行驶时及时准确地对车辆侧翻进行预警，提高行车安全性。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明道路车辆侧翻预警方法的特点是：

a、对于弯道行驶中的车辆，实时检测获得车轴端部的竖向剪应力F_shear和对应车轴端部的车轮竖向加速度a；

由式（1）计算获得车辆在弯道行驶时所述车轴端部所有车轮与地面的竖向接触力之和F_wheel

F_wheel=F_shear+F_g+ma    （1）

式（1）中，F_g为车辆静止状态下所述车轴端部所有车轮与地面的竖向接触力之和；m为所述车轴端部所有车轮质量之和；定义F_wheel和a向上为正方向；

由式（2）获得作为侧翻危险指标的侧翻因子R：

$R=\left|\frac{F_R-F_L}{F_R+F_L}\right|---\left(2\right)$

式（2）中，F_L为车辆在弯道行驶时同一车轴上左侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；F_R为在弯道行驶时同一车轴上右侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；

利用式（2）分别计算车轴数量为n的多车轴车辆上各个车轴的侧翻因子R₁,R₂,R₃......R_n，并按式（3）获得加权侧翻因子R′：

R'=k₁R₁+k₂R₂+k₃R₃+……+k_nR_n    （3）

式（3）中k_i(i=1,2……n)为各个车轴的加权系数；

由式（4）获得各个车轴的加权系数k_i：

$\begin{array}{cc}{k}_i=\frac{f_R+f_L}{\mathrm{Mg}}& (i=\mathrm{1,2}\·\·\·\·\·\·n)\end{array}---\left(4\right)$

式（4）中f_L为车辆静止状态下同一车轴上左侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；f_R为车辆静止状态下同一车轴上右侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；M为车辆总质量；g为重力加速度9.8N/kg；

b、利用虚拟样机模型，通过动态模拟的方式，并利用式（2）、式（3）和式（4）计算获得不同车辆的侧翻因子临界值；

c、将步骤a检测获得的加权侧翻因子R′与通过步骤b动态模拟方式获得的对应车型的侧翻因子临界值进行比较，在所述加权侧翻因子R′大于侧翻因子临界值时通过报警装置发出警示，实现道路车辆弯道侧翻预警。

本发明道路车辆侧翻预警系统的特点是设置：

电阻式应变片，设置在各车轴的端部侧面、位于近悬架支撑位上，用于检测各车轴端部的竖向剪应变，进而得到竖向剪应力；

加速度传感器，设置在车轴端部，传感器底部中心距车轴与轮毂结合处的水平距离为5-10厘米，用于检测各车轮的竖向加速度；

中央处理器，用于计算获得加权侧翻因子，根据不同的车辆动态模拟的侧翻因子临界值，判断所述加权侧翻因子是否超出侧翻因子临界值；

非功能型光纤传感器，用于在所述电阻式应变片与中央处理器之间，以及在加速度传感器与中央处理器之间利用光纤进行信号传输；

报警装置，包括声音提示报警和LED显示报警器，在由中央处理器判断加权侧翻因子R′超出侧翻因子临界值时，由所述声音提示报警发出警告声，并由所述LED显示报警器显示报警图符。

所述声音提示报警采用蜂鸣器，所述LED显示报警器采用触摸显示屏，并可以通过触摸显示屏给定车轮静载荷、车轮质量以及侧翻因子临界值。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是以车轴端部的竖向剪应力F_shear和对应车轴上对应一端的车轮竖向加速度a为检测信号，并综合考虑所有车轴的荷载情况，从而能更准确地判断道路车辆的侧翻危险性，降低了误判的概率。

2、本发明通过应变片和加速度传感器实时检测并计算轮胎与地面的竖向接触力，检测数据及时准确，适用于各种车型和路面。

3、本发明利用光纤进行信号传输，采用非功能型（或称传光型）光纤传感器，充分利用现有的传感器，无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现。

4、本发明应用于道路车辆总线，能在极其恶劣的行驶条件下稳定地传输道路车辆部件的参数，完成各个部分协调合作的任务。

5、本发明成本更低，系统结构简单。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图；

图2为本发明荷载感应子系统示意图；

图3为SUV车辆侧翻因子与时间关系图；

图4为客车侧翻因子与时间关系图；

图5为两轴平头货车侧翻因子与时间关系图；

图6为半挂车汽车列车侧翻因子与时间关系图；

图中标号：1应变片；2光纤传感器；3中央处理器；4报警装置；5加速度传感器；6车轴；7悬架；8车身。

具体实施方式

本实施例中道路车辆弯道侧翻预警方法是按如下过程进行：

步骤a、对于弯道行驶中的车辆，实时检测获得车轴端部的竖向剪应力F_shear和对应车轴端部的车轮竖向加速度a；车轮进入弯道行驶后，若弯道半径较小，车速较快，过大的离心力会使车辆在短时间内发生侧翻，实时检测以便能够及时地发出预警信号，避免车辆发生侧翻事故。

由式（1）计算获得车辆在弯道行驶时所述车轴端部所有车轮与地面的竖向接触力之和F_wheel为：

F_wheel=F_shear+F_g+ma    （1）

式（1）中，F_g为车辆静止状态下所述车轴端部所有车轮与地面的竖向接触力之和；m为所述车轴端部所有车轮质量之和；定义F_wheel和a向上为正方向；

对于轿车或小型客车，转向轴的一端为单轮，此时式（1）中的F_wheel为车轴一端单轮与地面的接触力；对于大型客车或货车，驱动轴的一端往往为双轮，此时式（1）中的F_wheel为车轴一端两个车轮与地面接触力之和。

由式（2）获得作为侧翻危险指标的侧翻因子R：

$R=\left|\frac{F_R-F_L}{F_R+F_L}\right|---\left(2\right)$

式（2）中，F_L为车辆在弯道行驶时同一车轴上左侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；F_R为在弯道行驶时同一车轴上右侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；

利用式（2）分别是计算车轴数量n的多车轴车辆上各个车轴的侧翻因子R₁,R₂,R₃......R_n，并按式（3）获得加权侧翻因子R′：

R'=k₁R₁+k₂R₂+k₃R₃+……+k_nR_n    （3）

式（3）中k_i(i=1,2……n)为各个车轴的加权系数；

由式（4）获得各个车轴的加权系数k_i：

$\begin{array}{cc}{k}_i=\frac{f_R+f_L}{\mathrm{Mg}}& (i=\mathrm{1,2}\·\·\·\·\·\·n)\end{array}---\left(4\right)$

式（4）中f_L为车辆静止状态下同一车轴上左侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；f_R为车辆静止状态下同一车轴上右侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；M为车辆总质量；g为重力加速度9.8N/kg；

步骤b、利用虚拟样机模型，通过动态模拟的方式，并利用式（2）、式（3）和式（4）计算获得不同车辆的侧翻因子临界值；

步骤c、将步骤a检测获得的加权侧翻因子R′与通过步骤b动态模拟方式获得的对应车型的侧翻因子临界值进行比较，在所述加权侧翻因子R′大于侧翻因子临界值时通过报警装置发出警示，实现道路车辆弯道侧翻预警。

参见图1和图2，本实施例中用于实现道路车辆侧翻预警方法的预警系统设置为：

电阻式应变片1，设置在各车轴6的端部侧面、位于接近悬架7支撑位上，用于检测各车轴端部的竖向剪应变，进而得到竖向剪应力F_shear；图2中所示的车轴6通过悬架7与车身8相连接，两端安装车轮。

加速度传感器5，设置在车轴端部，传感器底部中心距车轴与轮毂结合处的水平距离为5-10厘米，用于检测各车轮的竖向加速度a；对于在车轴同一侧有多个车轮的情况，所述轮毂是指最内侧的车轮的轮毂，由于各车轮轮毂之间的距离很小，所以各车轮的竖向加速度均视为a。

中央处理器3，用于计算获得加权侧翻因子R′，根据不同的车辆通过动态模拟获得侧翻因子临界值，判断加权侧翻因子R′是否超出侧翻因子临界值；

非功能型光纤传感器2，用于在所述电阻式应变片与中央处理器之间，以及在加速度传感器与中央处理器之间利用光纤进行信号传输；

报警装置4，包括声音提示报警和LED显示报警器，在由中央处理器判断加权侧翻因子R′超出侧翻因子临界值时，由所述声音提示报警发出警告声，并由所述LED显示报警器显示报警图符。

具体实施中，声音提示报警采用蜂鸣器，LED显示报警器采用触摸显示屏，并可以通过触摸显示屏给定车轮静载荷F_g、车轮质量m以及侧翻因子临界值。

关于侧翻因子临界值的获得：

实施例1：SUV车辆的弯道侧翻因子临界值

针对SUV车型，选择虚拟样机模型，通过多体系统动力学分析软件CarSim进行动态模拟，并利用式（2）、式（3）和式（4）计算获得不同车辆的侧翻因子临界值。

在CarSim中，将SUV车辆的场景设置为典型的容易发生侧翻的半径为100m的弯道，输入不同的车速观察车辆的侧翻状态，当车速设置为80km/h时，SUV在进入弯道7.4秒后发生侧翻。

SUV汽车为两轴车，各车轴一端均为一个车轮。在计算各车轴一端车轮与地面的竖向接触力之和时为此端一个车轮与地面的竖向接触力。对于两轴车，综合侧翻因子的表达式为：R'=k₁R₁+k₂R₂

通过CarSim软件输出的每个时刻车辆各轮胎与地面的接触力数据，按照式（2）可得出各个时刻两个车轴各自的侧翻因子值；根据时间为0时即车辆为静止状态时的各轮胎与地面的接触力数据，按照式（4）可得出两个车轴相应的加权系数，将式（2）和式（4）的计算结果带入式（3）得到各个时刻综合侧翻因子的值，用MATLAB绘制出综合侧翻因子与时间的关系如图3所示。

通常认为，驾驶员对于报警装置发出的报警信号的感知时间为0.2-0.5秒，方向盘回转时间为0.3-0.5秒，因此，驾驶员在精神状况良好的情况下，为防止侧翻所需的反应时间为0.5－1秒。

综合侧翻因子的值到达1时为侧翻发生点，在侧翻因子到达1对应时间下的前2秒对应的侧翻因子值设定为初级预警点，在侧翻因子到达1对应时间下的前1秒对应的侧翻因子值设定为高级预警点。

由图3所示，本实施例中进入弯道的SUV车，行驶时间达到7.4秒时，侧翻因子为1，即发生侧翻，行驶时间为6.4秒时的侧翻因子为0.64，行驶时间为5.4秒时的侧翻因子为0.47，因此设定本实施例中SUV的侧翻因子初级预警临界值为0.47，高级预警临界值为0.64，当实际检测获得的综合因子临界值超过初级预警临界值时即发出报警信号，并可以在达到高级预警临界值时加强报警信号。

实施例2客车的弯道侧翻因子临界值

针对客车车型，选择虚拟样机模型，通过多体系统动力学分析软件TruckSim进行动态模拟，并利用式（2）、式（3）和式（4）计算获得不同车辆的侧翻因子临界值。

在TruckSim中，将客车的场景设置为典型的容易发生侧翻的半径为100m的弯道，输入不同的车速观察车辆的侧翻状态，当车速设置为90km/h时，客车在进入弯道2.4秒后发生侧翻。

客车为两轴车，前轴一端为一个车轮，后轴一端有两个车轮。在计算后轴一端车轮与地面的竖向接触力时为此端两个车轮与地面的竖向接触力之和。对于两轴车，综合侧翻因子的表达式为：R'=k₁R₁+k₂R₂

通过TruckSim软件输出的每个时刻车辆各轮胎与地面的接触力数据，按照式（2）可得出各个时刻两个车轴各自的侧翻因子值；根据时间为0时即车辆为静止状态时的各轮胎与地面的接触力数据，按照式（4）可得出两个车轴相应的加权系数，将式（2）和式（4）的计算结果带入式（3）得到各个时刻综合侧翻因子的值，用MATLAB绘制出综合侧翻因子与时间的关系如图4所示。

通常认为，驾驶员对于报警装置发出的报警信号的感知时间为0.2-0.5秒，方向盘回转时间为0.3-0.5秒，因此，驾驶员在精神状况良好的情况下，为防止侧翻所需的反应时间为0.5－1秒。

综合侧翻因子的值到达1时为侧翻发生点，在侧翻因子到达1对应时间下的前2秒对应的侧翻因子值设定为初级预警点，在侧翻因子到达1对应时间下的前1秒对应的侧翻因子值设定为高级预警点。

由图4所示，本实施例中进入弯道的客车，行驶时间达到2.4秒时，侧翻因子为1，即发生侧翻，行驶时间为1.4秒时的侧翻因子为0.84，行驶时间为0.4秒时的侧翻因子为0.43，因此设定本实施例中客车的侧翻因子初级预警临界值为0.43，高级预警临界值为0.84，当实际检测获得的综合因子临界值超过初级预警临界值时即发出报警信号，并可以在达到高级预警临界值时加强报警信号。

实施例3两轴平头货车的弯道侧翻因子临界值

针对两轴平头货车车型，选择虚拟样机模型，通过多体系统动力学分析软件TruckSim进行动态模拟，并利用式（2）、式（3）和式（4）计算获得不同车辆的侧翻因子临界值。

在TruckSim中，将两轴平头货车的场景设置为典型的容易发生侧翻的半径为100m的弯道，输入不同的车速观察车辆的侧翻状态，当车速设置为80km/h时，两轴平头货车在进入弯道2.8秒后发生侧翻。

两轴平头货车为两轴车，前轴一端为一个车轮，后轴一端有两个车轮。在计算后轴一端车轮与地面的竖向接触力时为此端两个车轮与地面的竖向接触力之和。对于两轴车，综合侧翻因子的表达式为：R'=k₁R₁+k₂R₂

通过TruckSim软件输出的每个时刻车辆各轮胎与地面的接触力数据，按照式（2）可得出各个时刻两个车轴各自的侧翻因子值；根据时间为0时即车辆为静止状态时的各轮胎与地面的接触力数据，按照式（4）可得出两个车轴相应的加权系数，将式（2）和式（4）的计算结果带入式（3）得到各个时刻综合侧翻因子的值，用MATLAB绘制出综合侧翻因子与时间的关系如图5所示。

通常认为，驾驶员对于报警装置发出的报警信号的感知时间为0.2-0.5秒，方向盘回转时间为0.3-0.5秒，因此，驾驶员在精神状况良好的情况下，为防止侧翻所需的反应时间为0.5－1秒。

综合侧翻因子的值到达1时为侧翻发生点，在侧翻因子到达1对应时间下的前2秒对应的侧翻因子值设定为初级预警点，在侧翻因子到达1对应时间下的前1秒对应的侧翻因子值设定为高级预警点。

由图5所示，本实施例中进入弯道的两轴平头货车，行驶时间达到2.8秒时，侧翻因子为1，即发生侧翻，行驶时间为1.8秒时的侧翻因子为0.72，行驶时间为0.8秒时的侧翻因子为0.40，因此设定本实施例中两轴平头货车的侧翻因子初级预警临界值为0.40，高级预警临界值为0.72，当实际检测获得的综合因子临界值超过初级预警临界值时即发出报警信号，并可以在达到高级预警临界值时加强报警信号。

实施例4半挂车汽车列车的弯道侧翻因子临界值

针对半挂车汽车列车车型，选择虚拟样机模型，通过多体系统动力学分析软件TruckSim进行动态模拟，并利用式（2）、式（3）和式（4）计算获得不同车辆的侧翻因子临界值。

在TruckSim中，将半挂车汽车列车的场景设置为典型的容易发生侧翻的半径为100m的弯道，输入不同的车速观察车辆的侧翻状态，当车速设置为80km/h时，半挂车汽车列车在进入弯道3.0秒后发生侧翻。

半挂车汽车列车有五个车轴，第1个车轴一端为一个车轮，其余第2，3，4车轴一端均有两个车轮。在计算第2，3，4车轴时一端车轮与地面的竖向接触力时为此端两个车轮与地面的竖向接触力之和。

对于五轴车，综合侧翻因子的表达式为：R'=k₁R₁+k₂R₂+k₃R₃+k₄R₄+k₅R₅

通过TruckSim软件输出的每个时刻车辆各轮胎与地面的接触力数据，按照式（2）可得出各个时刻两个车轴各自的侧翻因子值；根据时间为0时即车辆为静止状态时的各轮胎与地面的接触力数据，按照式（4）可得出五个车轴相应的加权系数，将式（2）和式（4）的计算结果带入式（3）得到各个时刻综合侧翻因子的值，用MATLAB绘制出综合侧翻因子与时间的关系如图6所示。

通常认为，驾驶员对于报警装置发出的报警信号的感知时间为0.2-0.5秒，方向盘回转时间为0.3-0.5秒，因此，驾驶员在精神状况良好的情况下，为防止侧翻所需的反应时间为0.5－1秒。

综合侧翻因子的值到达1时为侧翻发生点，在侧翻因子到达1对应时间下的前2秒对应的侧翻因子值设定为初级预警点，在侧翻因子到达1对应时间下的前1秒对应的侧翻因子值设定为高级预警点。

由图6所示，本实施例中进入弯道的半挂车汽车列车，行驶时间达到3.0秒时，侧翻因子为1，即发生侧翻，行驶时间为2.0秒时的侧翻因子为0.80，行驶时间为1.0秒时的侧翻因子为0.28，因此设定本实施例中半挂车汽车列车的侧翻因子初级预警临界值为0.28，高级预警临界值为0.80，当实际检测获得的综合因子临界值超过初级预警临界值时即发出报警信号，并可以在达到高级预警临界值时加强报警信号。

Claims (3)

1.一种道路车辆弯道侧翻预警方法，其特征是：

a、对于弯道行驶中的车辆，实时检测获得某一侧车轴端部的竖向剪应力F_shear和对应车轴端部的车轮竖向加速度a；

由式（1）计算获得车辆在弯道行驶时所述某一侧车轴端部所有车轮与地面的竖向接触力之和F_wheel

F_wheel=F_shear+F_g+ma        （1）

式（1）中，F_g为车辆静止状态下所述某一侧车轴端部所有车轮与地面的竖向接触力之和；m为所述某一侧车轴端部所有车轮质量之和；定义F_wheel和a向上为正方向；

由式（2）获得作为侧翻危险指标的侧翻因子R：

$R=\left|\frac{F_R-F_L}{F_R+F_L}\right|---\left(2\right)$

式（2）中，F_L为车辆在弯道行驶时同一车轴上左侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；F_R为在弯道行驶时同一车轴上右侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；

利用式（2）分别计算车轴数量为n的多车轴车辆上各个车轴的侧翻因子R₁,R₂,R₃......R_n，并按式（3）获得加权侧翻因子R′：

R'=k₁R₁+k₂R₂+k₃R₃+......+k_nR_n  （3）

式（3）中ki(i=1,2......n)为各个车轴的加权系数；

由式（4）获得各个车轴的加权系数k_i：

$k_i=\frac{f_R+f_L}{\mathrm{Mg}}(i=\mathrm{1,2}......n)---\left(4\right)$

式（4）中f_L为车辆静止状态下同一车轴上左侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；f_R为车辆静止状态下同一车轴上右侧所有车轮与地面的竖向接触力之和；M为车辆总质量；g为重力加速度9.8N/kg；

b、利用虚拟样机模型，通过动态模拟的方式，并利用式（2）、式（3）和式（4）计算获得不同车辆的侧翻因子临界值；

c、将步骤a检测获得的加权侧翻因子R′与通过步骤b动态模拟方式获得的对应车型的侧翻因子临界值进行比较，在所述加权侧翻因子R′大于侧翻因子临界值时通过报警装置发出警示，实现道路车辆弯道侧翻预警。

2.一种用于实现权利要求1所述道路车辆侧翻预警方法的预警系统，其特征是设置：

电阻式应变片（1），设置在各车轴（6）的端部侧面、位于近悬架（7）支撑位上，用于检测各车轴端部的竖向剪应变，进而得到竖向剪应力；

加速度传感器（5），设置在车轴端部，传感器底部中心距车轴与轮毂结合处的水平距离为5-10厘米，用于检测各车轮的竖向加速度；

中央处理器，用于计算获得加权侧翻因子，根据不同的车辆动态模拟的侧翻因子临界值，判断所述加权侧翻因子是否超出侧翻因子临界值；

非功能型光纤传感器（2），用于在所述电阻式应变片与中央处理器之间，以及在加速度传感器与中央处理器之间利用光纤进行信号传输；

报警装置（4），包括声音提示报警和LED显示报警器，在由中央处理器判断加权侧翻因子R′超出侧翻因子临界值时，由所述声音提示报警发出警告声，并由所述LED显示报警器显示报警图符。

3.根据权利要求2所述的用于实现权利要求1所述道路车辆侧翻预警方法的预警系统，其特征是所述声音提示报警采用蜂鸣器，所述LED显示报警器采用触摸显示屏，并可以通过触摸显示屏给定车轮静载荷、车轮质量以及侧翻因子临界值。

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