CN108573109B - 一种基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法，分别建立横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值安全边界计算模型，利用模型计算获得横摆角速度安全边界和前轮侧偏角绝对值均值安全边界；在汽车动力学仿真软件Carsim中建立驾驶员控制‑车辆‑3D公路耦合仿真模型，在仿真模型中以汽车的设计速度为起始仿真车速，逐步增加仿真车速，获取汽车在公路上运行时反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值，当反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值中任一数值达到安全边界时，此时的仿真车速即为对应公路圆曲线路段的限速值。本发明方法能准确反映公路立体线形、路面附着条件对汽车侧向运动的影响，可提高不同天气条件、圆曲线路段几何参数下的行车安全。

Description

一种基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法

技术领域

本发明涉及了一种公路限速值的计算方法，具体说是一种基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法，可用于设定汽车在圆曲线路段行驶的限速值，达到提升公路圆曲线路段行车安全的目的。属于公路交通管理和公路交通安全领域。

背景技术

圆曲线路段是公路事故的多发路段，当汽车行驶于圆曲线路段时，容易因侧向失稳引发道路交通事故，超速行驶进一步增加了事故风险。

车速管理和控制是保障公路行车安全的重要手段。由于运行速度、基于专家决策支持系统的限速(如美国联邦公路局研发的USLimits2、澳大利亚道路研究委员会研发的VLIMITS)、公路瓶颈区域的可变限速等限速策略能够反映驾驶员的车速期望、提高通行效率，近年来得到了广泛关注。然而，上述已有策略并未从汽车行驶稳定性出发，对不同路面附着条件下汽车的临界(最高)安全车速进行深入探究，因此，难以有效保障自由流状态下、汽车行驶于圆曲线路段的安全性。

指定设计速度(Designated design speed，DS)、推算设计速度(Inferred designspeed，IS)也是各国交警部门制定限速策略的重要依据，这两种方法对线形复杂路段的汽车行驶稳定性进行了探讨。DS是依据整条公路中一些对交通安全最不利的地理几何特征(如最小平曲线、最小纵曲线等)设计的临界安全车速。IS则适用于几何指标大于公路设计速度所对应的最小几何指标的路段的限速，可通过分析行车稳定性、停车视距确定临界安全车速。DS和IS均采用横向力系数为评价指标，以横向力系数与路面摩阻系数的平衡作为汽车侧向失稳条件(认为此时汽车侧滑)，并据此推算限速值。然而，该计算方法存在以下问题：一是横向力系数仅能反映汽车的轨迹保持能力，无法表征转向稳定性；二是轮胎是弹性体，其侧偏特性使得汽车完全侧滑之前就已失去了轨迹保持能力，采用侧滑作为临界失稳条件并不准确；三是为提供较大的安全裕度，选取了较低的路面摩阻系数，因此，限速值为定值，且对于附着系数较高路面偏保守。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的问题，提供一种基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法，考虑不同天气条件、圆曲线路段几何参数的限速值，使得其限速值能够准确反映公路立体线形、路面附着条件对汽车侧向运动的影响，提高不同天气条件、圆曲线路段几何参数下的行车安全，有效预防道路交通事故。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、获取公路圆曲线路段相关设计资料；包括：圆曲线半径R，圆曲线超高i_h和路面附着系数

步骤2、建立横摆角速度安全边界计算模型，并利用其计算获得横摆角速度安全边界；

步骤3、建立汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界计算模型；并利用其计算获得前轮侧偏角绝对值均值安全边界；

步骤4、利用所述公路圆曲线路段相关设计资料，在汽车动力学仿真软件Carsim中建立驾驶员控制-车辆-3D公路耦合仿真模型，在所述驾驶员控制-车辆-3D公路耦合仿真模型中以汽车的设计速度为起始仿真车速，以1km/h为间隔逐步增加仿真车速，并逐步获取汽车动力学仿真软件Carsim中汽车在公路上运行时反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值，将所述反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值分别与横摆角速度安全边界和前轮侧偏角绝对值均值安全边界进行比较，当所述反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值中任一数值达到对应的安全边界时，将此时的仿真车速设置为对应的公路圆曲线路段的限速值。

本发明基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法的特点也在于：所述横摆角速度安全边界计算模型由式(1)所表征：

式(1)中，ω_boundary为横摆角速度安全边界，u_lim为临界车速，δ_lim为临界前轮转角，L为轴距，K_crct是由式(2)计算获得的修正的稳定性因数：

式(2)中，m为整车质量，a_y为侧向加速度，a和b一一对应为整车质心至前轴和后轴的距离，k₁和k₂一一对应为前轮总侧偏刚度和后轮总侧偏刚度，

和

一一对应为汽车前轴侧偏刚度修正系数和后轴侧偏刚度修正系数，且由式(3)定义：

其中，i＝1,2，a_y1为0.4g，a_y2为0.6g，g为重力加速度；

所述临界车速u_lim由式(4)计算获得：

式(4)中，a_ylim是由式(5)计算获得的圆曲线路段汽车的临界侧向加速度：

所述临界前轮转角δ_lim由式(6)计算获得：

利用式(2)、式(4)、式(6)和式(1)计算获得横摆角速度安全边界ω_boundary。

本发明基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法的特点也在于：所述汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界计算模型由式(7)所表征：

式(7)中，α_flim为汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界。

本发明基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法的特点也在于：在所述步骤4中，按如下方式获取反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值：

4.1：在所述汽车动力学仿真软件Carsim中按如下方式建立驾驶员控制模型：

在[Driver Controls]模块中，以设计速度为起始仿真车速；设置车辆行驶方向为沿公路中心线行驶；设置车辆状态为自动切换离合器和自动换挡；设置驾驶员预瞄时间为2s；

4.2：针对设定型号的车辆，依据车辆的外形尺寸和轮胎结构的相关参数，在汽车动力学仿真软件Carsim中建立车辆模型；

4.3：依据所述公路圆曲线路段的相关参数，在汽车动力学仿真软件Carsim中按如下方式创建能够反映公路立体线形的3D公路模型：

在所述汽车动力学仿真软件Carsim的[Additional Data]模块中，依次进入[3DSurface]子模块和[500-ft circle(Flat)]子模块，针对公路圆曲线路段设置设定的圆曲线半径R的值和设定的路面摩擦系数，创建公路圆曲线路段的3D公路模型；

4.4：运行驾驶员控制-车辆-3D公路耦合仿真模型，获取汽车在公路圆曲线路段运行时横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值的峰值；以所述横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值的峰值一一对应作为反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明综合考虑了不同天气条件以及圆曲线路段几何参数对限速值的影响，在天气条件较好的情况下，路面附着系数较高，圆曲线半径较大时，实行较高的限速标准，能有效地提高公路的运输效率；而在天气条件较差的情况下，路面附着系数较低，圆曲线半径较小时，实行较低的限速标准，能有效的保障行车安全。这样避免出现行车条件很好，却依照设计速度执行过低限速标准的情况，或者行车条件很差，却执行过高限速标准的情况，确保限速值的设置更为合理。

2、横摆角速度可表征汽车在圆曲线路段的转向稳定性，而轮胎侧偏角则可反映汽车在圆曲线路段的轨迹保持能力，本发明选取这两种指标作为汽车在圆曲线路段侧向稳定性的评价指标，并且依据各评价指标的安全边界，提出的圆曲线路段临界安全车速的高精度理论计算方法，可进一步提高了汽车在圆曲线路段的侧向行驶安全性。

附图说明

图1为本发明基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法基本流程图。

具体实施方式

参见图1，本实施例中基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法是按如下步骤进行：

步骤1、获取公路圆曲线路段相关设计资料；包括：单位为m的圆曲线半径R，圆曲线超高i_h和路面附着系数

步骤2、选取汽车的横摆角速度作为转向稳定性评价指标。建立横摆角速度安全边界计算模型，并利用其计算获得横摆角速度安全边界。

具体实施中，横摆角速度安全边界计算模型由式(1)所表征：

式(1)中，ω_boundary为横摆角速度安全边界，u_lim为临界车速，δ_lim为临界前轮转角，L为轴距，K_crct是修正的稳定性因数。

关于式(1)是按如下方式获得：当轮胎侧向力和轮胎侧偏角满足线性关系时，横摆角速度ω由式(1.1)计算获得：

u为汽车质心处纵向车速，δ为车辆前轮转角，K是由式(1.2)所表征的稳定性因数：

m为整车质量，a和b分别为整车质心至前轴和后轴的距离，k₁和k₂一一对应为前轮总侧偏刚度和后轮总侧偏刚度。

在平行于地面的侧向加速度a_y<0.4g时，式(1.1)和式(1.2)的描述是准确的，

但当a_y≥0.4g时，轮胎侧向力和轮胎侧偏角不再是线性关系，需要对式(1.1)和式(1.2)进行修正；

通过对式(1.1)的修正，获得如式(1)所表征的横摆角速度安全边界计算模型。

通过对式(1.2)的修正，获得修正的稳定性因数K_crct由式(2)所表征：

式(2)中，m为整车质量，a_y为侧向加速度，a和b为分别整车质心至前轴和后轴的距离，

和

一一对应为四轮汽车的前轴侧偏刚度的修正系数和后轴侧偏刚度的修正系数，且由式(3)定义：

其中，i＝1,2，a_y1为0.4g，a_y2为0.6g，g为重力加速度；

临界车速u_lim由式(4)计算获得：

式(4)中，a_ylim是由式(5)计算获得的圆曲线路段汽车的侧向临界加速度：

关于式(5)是按如下方式获得：为使汽车在圆曲线路段不产生横向滑移，必须使横向力小于或等于轮胎和路面之间的横向摩阻力，如式(5.1)：

为横向摩阻系数，且

由于超高横坡角θ较小，sinθ≈tanθ＝i_h，cosθ≈1，则式(5.1)改写为式(5.2)，并由式(5.2)获得式(5)，

临界前轮转角δ_lim由式(6)计算获得：

利用式(2)、式(4)、式(6)和式(1)计算获得横摆角速度安全边界ω_boundary。

步骤3、建立汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界计算模型，并利用其计算获得前轮侧偏角绝对值均值安全边界。

具体实施中，汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界计算模型由式(7)所表征：

式(7)中，α_flim为汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界。

关于式(7)是按如下常规方式获得：

在Matlab/Simulink中构建七自由度汽车模型和Dugoff轮胎模型，通过仿真，拟合α_flim与路面附着系数

超高值i_h和圆曲线半径R之间的关系。仿真过程中，当外侧车轮滑出车道时，认为α_flim到达安全边界。采用山区圆曲线路段参数如表1所示：

表1：圆曲线路段参数

由此获得如式(7)所示的汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界计算模型。

步骤4、利用公路圆曲线路段相关设计资料，在汽车动力学仿真软件Carsim中建立驾驶员控制-车辆-3D公路耦合仿真模型，在驾驶员控制-车辆-3D公路耦合仿真模型中以汽车设计速度为起始仿真车速，以1km/h为间隔逐步增加仿真车速，并逐步获取汽车动力学仿真软件Carsim中汽车在公路上运行时反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值，将反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值分别与横摆角速度安全边界和前轮侧偏角绝对值均值安全边界进行比较，当反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值中任一数值达到对应的安全边界时，将此时的仿真车速设置为对应的公路圆曲线路段的限速值。

本实施例中，按如下过程获取反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值：

4.1：在汽车动力学仿真软件Carsim中按如下方式建立驾驶员控制模型：在[Driver Controls]模块中，以设计速度为起始仿真车速；设置车辆行驶方向为沿公路中心线行驶；设置车辆状态为自动切换离合器和自动换挡；设置驾驶员预瞄时间为2s。

4.2：针对设定型号的车辆，依据车辆的外形尺寸和轮胎结构的相关参数，在汽车动力学仿真软件Carsim中建立车辆模型。

4.3：依据公路圆曲线路段的相关参数，在汽车动力学仿真软件Carsim中按如下方式创建能够反映公路立体线形的3D公路模型：在汽车动力学仿真软件Carsim的[Additional Data]模块中，依次进入[3D Surface]子模块和[500-ft circle(Flat)]子模块，针对公路圆曲线路段设置设定的圆曲线半径R的值和设定的路面摩擦系数，创建公路圆曲线路段的3D公路模型。

4.4：运行驾驶员控制-车辆-3D公路耦合仿真模型，获取汽车在公路圆曲线路段运行时横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值的峰值；以横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值的峰值一一对应作为反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值。

以Carsim中的C级车为例，示例如下：

1、获取公路圆曲线路段相关设计资料；包括：圆曲线半径R：当设计速度分别为40km/h、60km/h、80km/h时，分别选取超高值为4％、6％、8％对应的最小半径作为圆曲线路段的半径，圆曲线超高i_h：4％、6％、8％，路面附着系数

0.60、0.40、0.24。

2、建立横摆角速度安全边界计算模型，并利用其计算获得横摆角速度安全边界如表2：

表2：各公路圆曲线路段参数下横摆角速度安全边界

3、建立汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界计算模型，并利用其计算获得前轮侧偏角绝对值均值安全边界如表3：

表3：各公路圆曲线路段参数下前轮侧偏角绝对值均值安全边界

4、以设计速度为起始，进行Carsim仿真；以1km/h为间隔增加车速，直至横摆角速度、前轮侧偏角绝对值均值中任一指标达到相应的安全边界，此时的仿真车速即为基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值。在不同附着系数下，将本发明中基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法与运行速度、设计速度进行对比，如表4所示。

表4：三种限速方法的比较

由表4可见：采用设计速度限速可有效保障路面附着系数较低(0.24)时汽车行驶的安全性，但对于潮湿、干燥路面，设计速度的值过于保守，不利于提高公路的通行效率。

表4中的运行速度为圆曲线路段入口、中点、出口处运行速度的最小值。将运行速度与本发明的限速策略对比可知，当车辆行驶于干燥路面时，以运行速度限速可保障行车安全；然而，当行驶于潮湿、积雪路面时，部分圆曲线路段的运行速度超出了基于Carsim仿真的限速值，此时应将限速值修正为基于Carsim仿真的限速值以下。

由此可见，本发明中基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法确定的限速值能准确反映公路立体线形、路面附着条件对汽车侧向运动的影响，保证汽车在不同天气条件、圆曲线路段几何参数下的行车安全，较其它限速方法而言，有极大的优越性。

Claims (3)

1.一种基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、获取公路圆曲线路段相关设计资料；包括：圆曲线半径R，圆曲线超高i_h和路面附着系数

步骤2、建立横摆角速度安全边界计算模型，并利用其计算获得横摆角速度安全边界；

步骤3、建立由式(7)所表征的汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界计算模型；并利用其计算获得前轮侧偏角绝对值均值安全边界；

式(7)中，α_flim为汽车前轮侧偏角绝对值均值安全边界；

步骤4、利用所述公路圆曲线路段相关设计资料，在汽车动力学仿真软件Carsim中建立驾驶员控制-车辆-3D公路耦合仿真模型，在所述驾驶员控制-车辆-3D公路耦合仿真模型中以汽车的设计速度为起始仿真车速，以1km/h为间隔逐步增加仿真车速，并逐步获取汽车动力学仿真软件Carsim中汽车在公路上运行时反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值，将所述反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值分别与横摆角速度安全边界和前轮侧偏角绝对值均值安全边界进行比较，当所述反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值中任一数值达到对应的安全边界时，将此时的仿真车速设置为对应的公路圆曲线路段的限速值。

2.根据权利要求1所述的基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法，其特征是，所述横摆角速度安全边界计算模型由式(1)所表征：

式(1)中，ω_boundary为横摆角速度安全边界，u_lim为临界车速，δ_lim为临界前轮转角，L为轴距，K_crct是由式(2)计算获得的修正的稳定性因数：

式(2)中，m为整车质量，a_y为侧向加速度，a和b一一对应为整车质心至前轴和后轴的距离，k₁和k₂一一对应为前轮总侧偏刚度和后轮总侧偏刚度，

和

一一对应为汽车前轴侧偏刚度修正系数和后轴侧偏刚度修正系数，且由式(3)定义：

其中，i＝1,2，a_y1为0.4g，a_y2为0.6g，g为重力加速度；

所述临界车速u_lim由式(4)计算获得：

式(4)中，a_ylim是由式(5)计算获得的圆曲线路段汽车的临界侧向加速度：

所述临界前轮转角δ_lim由式(6)计算获得：

利用式(2)、式(4)、式(6)和式(1)计算获得横摆角速度安全边界ω_boundary。

3.根据权利要求1所述的基于Carsim仿真的公路圆曲线路段限速值计算方法，其特征是：在所述步骤4中，按如下方式获取反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值：

3.1：在所述汽车动力学仿真软件Carsim中按如下方式建立驾驶员控制模型：

在[Driver Controls]模块中，以设计速度为起始仿真车速；设置车辆行驶方向为沿公路中心线行驶；设置车辆状态为自动切换离合器和自动换挡；设置驾驶员预瞄时间为2s；

3.2：针对设定型号的车辆，依据车辆的外形尺寸和轮胎结构的相关参数，在汽车动力学仿真软件Carsim中建立车辆模型；

3.3：依据所述公路圆曲线路段的相关参数，在汽车动力学仿真软件Carsim中按如下方式创建能够反映公路立体线形的3D公路模型：

在所述汽车动力学仿真软件Carsim的[Additional Data]模块中，依次进入[3DSurface]子模块和[500-ft circle(Flat)]子模块，针对公路圆曲线路段设置设定的圆曲线半径R的值和设定的路面摩擦系数，创建公路圆曲线路段的3D公路模型；

3.4：运行驾驶员控制-车辆-3D公路耦合仿真模型，获取汽车在公路圆曲线路段运行时横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值的峰值；以所述横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值的峰值一一对应作为反馈的横摆角速度和前轮侧偏角绝对值均值。

Images