CN111361523B - 无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法，包括顺次进行的以下步骤：行驶监测步骤、判断步骤；执行步骤；当货车在一定条件下制动时，控制单元向执行单元发出信号，执行单元将电动货车后下部防钻入装置降低ΔH，使车辆制动时防钻入装置距地面的距离H与车辆停止或匀速行驶时防钻入装置距离地面的高度H0一致；弥补了制动时货车后端上翘的高度，使得电动货车紧急制动时其后方的追尾车辆可以与电动货车的后下部防钻入装置碰撞于正确的位置，发挥防钻入装置的应有作用，极大提高了电动货车在被追尾事故中对于后方追尾车辆的保护性。

Description

无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法
技术领域
本发明涉及电动货车主动保护系统，具体涉及无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法。
背景技术
目前无人驾驶汽车正在成为汽车领域发展的新方向，无人驾驶的最大优势是可以通过环境识别模块识别车辆周围环境，然后由数据处理模块对车辆下一步的操作发出指令，由执行模块控制车辆进行加速、减速、转弯、避让、自动寻路等功能，控制过程还可以通过神经网络模型进行深度学习，从而应对复杂的行驶路况，根据相关试验资料表明，无人驾驶汽车发生交通事故的概率远低于人工驾驶汽车；
现有技术中，多家汽车公司已经推出了至少具备L3级的无人驾驶货车，对于L3级别的车辆，汽车自动驾驶可以完全负责整个车辆的操控，但是当遇到紧急情况，驾驶员仍需要在某些时候接管汽车，但有足够的预警时间。比如：车辆即将进入修路的路段时，需要驾驶员来接管。但驾驶员不再对行车安全负责，不必监视道路状况。也就是说，处于该级别下的车辆正常行驶时是由无人驾驶模式负责，对于具备了至少L3级别的电动货车来说，其正常行驶时也是由无人驾驶模式实现。这样的货车可以实现24小时连续运行，不需要中途休息，对于货运来说其经济效益极高。
具备至少L3级别的货车在无人驾驶模式下，在车道中正常行驶时是否需要减速制动是通过对前方环境的识别判断实现的，也就是说先对本车车速、本车与前方障碍物的距离进行判断，当本车在当前车速下紧急制动的距离小于其前方障碍物的距离，则判断该时刻车辆不需要减速，可以原速度或加速行驶，更好的无人驾驶方法是同时还监测前方障碍物的速度，如前方障碍物同样是行驶中的车辆，则计算安全制动距离时刻将前方车辆的当前速度一并计算，这样可以缩短两车之间的安全距离，提高道路车辆通行效率。
但是出现交通事故或前方道路拥堵时，本车可在安全距离内进行紧急制动，保证不与前方车辆发生碰撞，而对于本车后方的车辆来说，无法确保后方车辆与本车具有足够的安全距离，这是因为目前无人驾驶汽车和有人驾驶汽车在同样的道路上行驶，并没有设置专用车道，无人驾驶模式下的电动货车进行紧急制动时，后方车辆如果是人工驾驶，往往对前方车辆的紧急制动过程难以反应，也无法有效保证两车之间的安全距离，可能出现后方车辆对本车辆的追尾；在高速公路交通事故中，这类前方车辆紧急制动导致后方车辆追尾的事故，约占交通事故的10％以上；如果被追尾车辆是货车，追尾车辆是轿车，则后方追尾车辆非常危险，因此货车在其后方都设置了防钻入装置，防止后方车辆追尾时，由于货车车架较高，导致后方追尾车辆钻入货车车底的情况发生。
另一方面，为了提高货车的通过性，电动货车后部的防钻入装置高度往往较高，国家相应国标规定的防钻入装置有最高设置高度要求，该高度是一个静态参数，电动货车在静止或匀速行驶时其后部的防钻入装置高度是低于国家标准，但是在速度较高的情况下紧急制动时，由于惯性力的作用，电动货车的后端上翘，使得防钻入装置的实际高度较高，可能使得后方追尾车辆追尾时没有与防钻入装置碰撞，直接钻入货车车底；根据林洋(日本)著《实用汽车事故鉴定学》中关于追尾事故的调查可知，追尾车辆在追尾前通常会采取紧急制动，这使得追尾车的前防护板往往降低高度导致钻到被撞车的防护板下面。
综上，目前具有无人驾驶模式的电动货车在一定速度行驶时，如果紧急制动会导致车辆后端上翘，使后部防钻入装置的实际高度升高，后方追尾车辆的前部保险杠可能无法与防钻入装置直接碰撞，从而导致追尾车辆钻入电动货车车底，危害追尾车辆的人员安全。
发明内容
本发明目的是提供一种提高后方追尾车辆安全性的无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法，所述的保护方法包括顺次进行的以下步骤：行驶监测步骤、判断步骤；执行步骤；
所述的行驶监测步骤为：当电动货车处于无人驾驶模式下行驶时，无人驾驶系统中的控制单元接收电动货车行驶速度信号V，电动货车制动加速度信号a，然后进入判断步骤：
所述的判断步骤为：
d.车辆行驶速度V大于某一速度V0时，进入步骤b；
e.制动加速度信号a大于一定值a0时，进入步骤c：
所述的执行步骤为：
f.控制单元向执行单元发出信号，执行单元将电动货车后下部防钻入装置降低ΔH，使车辆制动时防钻入装置距地面的距离H与车辆停止或匀速行驶时防钻入装置距离地面的高度H0一致；
所述的ΔH的计算方法按(1-1)进行计算：
ΔH＝(m·a·h·L2)/(2·k2·12·L0) (1-1)
d.控制单元持续接收a值，当a重新小于a0，则控制单元控制执行单元防钻入装置升高ΔH，恢复初始位置；
上式中，k2为电动货车后悬架刚度系数，l2为电动货车质心至后轴距离，L0为电动货车轴距，L2为质心距电动货车后端距离，m为电动货车质量，a为汽车制动产生的加速度值，h为电动货车质心距地面高度。
优选的，所述的ΔH的计算方法按(1-2)至(1-5)进行计算：
FB＝m·a (1-2)
ΔG＝(FB·h)/(2·L0) (1-3)
FB2＝FB·(1-β)/2 (1-4)
Figure GDA0002815950300000041
上式中，FB为总制动力，ΔG为制动过程中，电动货车质心上作用惯性力使前、后轮上发生载荷转移情况下，前、后轮上引起的垂直力增量，β为制动力分配系数，k2为后悬架刚度；d2为后悬架瞬心到后轴中心的水平距离，e2为后悬架瞬心到地面的垂向距离，将式(1-5)中计算的ΔH作为防钻入装置的降低量。
优选的，所述的V0为50km/h或60km/h或70km/h或80km/h，所述的a0为5.0-6.0m/s2。
根据上述的无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法对应的主动保护装置，所述的主动保护装置包括设置在电动货车车架后下方的防钻入装置，所述的防钻入装置包括相对于汽车横向方向水平布置的防护板，防护板与车架之间通过执行单元连接，在执行单元的驱动下；防护板可沿电动货车垂向方向升高或降低；执行单元的控制线与控制单元的I/O端口连接，控制单元的I/O端口还分别与车速传感器、车身加速度传感器的信号线连接；车速传感器采集车速V，车身加速度传感器采集制动加速度a，所述的执行单元、控制单元、车速传感器、车身加速度传感器各自的电源线分别与蓄电池连接或与电动货车的电池供电导线连接。
优选的，所述的执行单元包括滑块，防护板两端内侧面分别与一个滑块的外侧面螺栓连接或焊接连接，滑块安装在竖直设置的导轨上且相对导轨上下滑动，导轨的上、下两端的侧面与水平放置的截面为H型的连接支架的后端上、下端头分别通过法兰螺栓连接或插销连接，连接支架的H型构架向货车驾驶室方向的内侧凹槽处与车架后部横梁通过螺栓连接；
沿汽车左右对称布置的两个电动推杆竖直放置或沿货车纵向方向倾斜放置在防护板与连接支架之间；电动推杆的活塞杆杆端与防护板之间通过插销连接或铰链连接，电动推杆的底座与连接支架的前端通过插销连接或铰链连接。
优选的，所述的车速传感器通过螺栓或卡扣或粘接方式安装在变速器输出轴上或驱动桥壳的内侧壁上；所述的车身加速度传感器通过螺栓或卡扣或粘接方式安装在驾驶员座椅底部坐垫上或安装在防护板的外侧面上。
优选的，所述的车速传感器为御捷MsZD车速传感器或众晟公司的XH96563变速器车速传感器或其他公司或电动货车使用的车速传感器，车身加速度传感器为MPU-6050-GY-521三轴陀螺仪或GY-362-ADXL362三轴加速度传感器模块或其他型号的加速度传感器，所述的控制单元为特斯拉的FSD处理器，或英伟达的Drive Xavier处理器，或百度开源的Nuvo-5095G，或AT89C52单片机或PLC控制板；所述的电动推杆为龙翔公司的步进50电动推杆或普菲德公司的12V/24V电动伸缩杆或康工公司的高速笔式电推杆或其他型号的电动推杆。
本发明以下有益效果：电动货车在具有一定速度的情况下紧急制动时，其后部防钻入装置下降一定高度，弥补了紧急制动时货车前俯产生的车身后端上翘的高度，保护电动货车后方车辆的安全，极大提高了追尾事故中的车辆安全性。
附图说明
图1为电动推杆竖直设置时的主动保护装置结构示意图；
图2为电动推杆倾斜设置时的主动保护装置结构示意图；
图3为控制单元电路连接示意图；
图4为AT89C52单片机管脚图；
图5为后驱式电动货车后轮轮速传感器安装示意图；
图6为车速传感器安装在变速器上示意图；
图7为电动货车制动时后端防护板降低高度计算示意图。
具体实施方式
如图1-7所示的，无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法包括顺次进行的以下步骤：行驶监测步骤、判断步骤；执行步骤；
实施例一：
所述的行驶监测步骤为：当电动货车处于无人驾驶模式下行驶时，无人驾驶系统中的控制单元接收电动货车行驶速度信号V，电动货车制动加速度信号a，然后进入判断步骤：
所述的判断步骤为：
a.车辆行驶速度V大于某一速度V0时，进入步骤b；
b.制动加速度信号a大于一定值a0时，进入步骤c：
参考GB7258-2013——《机动车运行安全技术条件》中对于货车制制动装置的安全技术要求，所述的V0取值可以为50km/h或60km/h或70km/h或80km/h，所述的a0可以为5.0-6.0m/s2。
所述的执行步骤为：
c.控制单元向执行单元发出信号，执行单元将电动货车后下部防钻入装置降低ΔH，使车辆制动时防钻入装置距地面的距离H与车辆停止或匀速行驶时防钻入装置距离地面的高度H0一致；
对于一般货车来说，其后悬架刚度是已知的，当需要较快的计算速度时，可以将后悬架看成是沿汽车垂向方向的线性弹簧，以简化计算量，这时ΔH的计算方法按(1-1)进行计算：
ΔH＝(m·a·h·L2)/(2·k2·12·L0) (1-1)
d.控制单元持续接收a值，当a重新小于a0，则控制单元控制执行单元防钻入装置升高ΔH，恢复初始位置；
上式中，k2为电动货车后悬架刚度系数，l2为电动货车质心至后轴距离，L0为电动货车轴距，L2为质心距电动货车后端距离，m为电动货车质量，a为汽车制动产生的加速度值，h为电动货车质心距地面高度。
电动货车后部发生追尾碰撞时，碰撞能量依次经过防护板1、滑块3、导轨4、连接支架6、车架8，电动货车在具有一定速度的情况下紧急制动时，后部防钻入装置下降一定高度，弥补了紧急制动时货车后端车身抬起的高度，使得货车后下部防钻入装置位于正确高度，发挥防护板的吸能作用，极大提高了电动货车在追尾事故中的安全性。
所述的主动保护装置包括设置在电动货车车架后下方的防钻入装置，所述的防钻入装置包括相对于汽车横向方向水平布置的防护板1，防护板1与车架之间通过执行单元连接，在执行单元的驱动下；防护板1可沿电动货车垂向方向升高或降低；执行单元的控制线与控制单元的I/O端口连接，控制单元的I/O端口还分别与车速传感器21、车身加速度传感器22的信号线连接；车速传感器21采集车速V，车身加速度传感器22采集制动加速度a，所述的执行单元、控制单元、车速传感器21、车身加速度传感器22各自的电源线分别与蓄电池连接或与电动货车的电池供电导线连接。
所述的执行单元包括滑块3，防护板1两端内侧面分别与一个滑块3的外侧面螺栓连接或焊接连接，滑块3安装在竖直设置的导轨4上且相对导轨4上下滑动，导轨4的上、下两端的侧面与水平放置的截面为H型的连接支架6的后端上、下端头分别通过法兰螺栓连接或插销连接，连接支架6的H型构架向货车驾驶室方向的内侧凹槽处与车架8的后部横梁通过螺栓连接；
沿汽车左右对称布置的两个电动推杆5竖直放置或沿货车纵向方向倾斜放置在防护板1与连接支架6之间；电动推杆5的活塞杆杆端与防护板1之间通过插销连接或铰链连接，电动推杆5的底座与连接支架6的前端通过插销连接或铰链连接。
所述的车速传感器21通过螺栓或卡扣或粘接方式安装在电动货车变速器输出轴上或驱动桥壳的内侧壁上；所述的车身加速度传感器22通过螺栓或卡扣或粘接方式安装在驾驶员座椅底部坐垫上或安装在防护板1的外侧面上。
所述的车速传感器21为御捷MsZD车速传感器或众晟公司的XH96563变速器车速传感器或其他公司或电动货车使用的车速传感器，车身加速度传感器22为MPU-6050-GY-521三轴陀螺仪或GY-362-ADXL362三轴加速度传感器模块或其他型号的加速度传感器，所述的控制单元为特斯拉的FSD处理器，或英伟达的Drive Xavier处理器，或百度开源的Nuvo-5095G，或AT89C52单片机或PLC控制板；所述的电动推杆5为龙翔公司的步进50电动推杆或普菲德公司的12V/24V电动伸缩杆或康工公司的高速笔式电推杆或其他型号的电动推杆。
实施例二：
当电动货车后悬架的瞬心位置确定时，也可以采用另一种方法计算ΔH，如图7所示的，车辆制动受力分析时，忽略非悬架质量的惯性力对轮荷转移的影响；近似认为悬架质量的惯性力等于制动力；忽略纵倾后车轮定位角以及0点位置的变化；不考虑车轮的旋转惯性力等因素，则ΔH可按(1-2)至(1-5)进行计算：
FB＝m·a (1-2)
ΔG＝(FB·h)/(2·L0) (1-3)
FB2＝FB·(1-β)/2 (1-4)
Figure GDA0002815950300000081
上式中，FB为总制动力，m为车辆质量，a为制动加速度，ΔG为制动过程中，电动货车质心上作用惯性力使前、后轮上发生载荷转移情况下，前、后轮上引起的垂直力增量，β为制动力分配系数，k2为后悬架刚度；d2为后悬架瞬心到后轴中心的水平距离，e2为后悬架瞬心到地面的垂向距离，将式(1-5)中计算的ΔH作为防钻入装置的降低量。
实施例三：
为了减少防钻入装置的升高的次数，避免过度频繁的升高、降低，更好的实施方式是：所述的监测步骤中，电动货车的控制单元还接收后方车辆距本方车辆距离L；该距离L可由环境识别模块或雷达或红外距离传感器采集得到；
所述的判断步骤b中，当制动加速度信号a大于一定值a0时，按下式计算出的车辆当前最小制动距离Lmin，若Lmin＞L，则进入步骤C；
L min＝V2/2·g·μ (1-9)
上式中μ为轮胎与地面之间摩擦系数，计算时μ取0.5-0.8。
所述的μ的取值方法为：电动货车的控制单元还接收前轮滑移率参数s，滑移率s按下式计算：
s＝V-Rβ/V (1-10)
β＝n·2·π/60 (1-11)
上式中R为轮胎有效半径，β为轮胎旋转角速度，n为轮胎转速；
当s≤0.15，μ取0.5；
当0.15＜s≤0.3，μ取0.8；
当s＞0.3，μ取0.6-0.7；
根据式1-9至式1-11可以较准确的计算出电动货车在当前制动减速状态下的制动距离，从而提前判断出本紧急制动时后方车辆是否有可能发生追尾碰撞，只有当Lmin＞L，也就是本车辆制动后，后方车辆可能来不及紧急制动，才进入步骤c，将防护板下降一定高度。
实施例一、实施例二、实施例三中的保护方法可以单独应用在货车上，也可以使用编程软件设计为多种选择模式，由驾驶员或无人驾驶系统根据车辆所处的环境进行适应性选择，例如设计成可选择性的模型，由驾驶员决定是否开启本技术方案中的主动保护方法。

Claims (6)

1.无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法，其特征在于：所述的保护方法包括顺次进行的以下步骤：行驶监测步骤、判断步骤；执行步骤；
所述的行驶监测步骤为：当电动货车处于无人驾驶模式下行驶时，无人驾驶系统中的控制单元接收电动货车行驶速度信号V，电动货车制动加速度信号a，然后进入判断步骤：
所述的判断步骤为：
a. 车辆行驶速度V大于某一速度V0时，进入步骤b；
b. 制动加速度信号a大于一定值a0时，进入步骤c：
所述的执行步骤为：
c. 控制单元向执行单元发出信号，执行单元将电动货车后下部防钻入装置降低ΔH，使车辆制动时防钻入装置距地面的距离H与车辆停止或匀速行驶时防钻入装置距离地面的高度H0一致；
所述的ΔH的计算方法按（1-1）进行计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1-1)
d.控制单元持续接收a值，当a重新小于a0，则控制单元控制执行单元防钻入装置升高ΔH，恢复初始位置；
上式中，k2为电动货车后悬架刚度系数，l2为电动货车质心至后轴距离，L0为电动货车轴距，L2为质心距电动货车后端距离，m为电动货车质量，a为汽车制动产生的加速度值，h为电动货车质心距地面高度。
2.根据权利要求1所述的无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法，其特征在于：所述的ΔH的计算方法按（1-2）至（1-5）进行计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(1-2)
Figure DEST_PATH_IMAGE005
(1-3)
Figure DEST_PATH_IMAGE007
(1-4)
Figure DEST_PATH_IMAGE009
(1-5)
上式中，FB为总制动力，ΔG为制动过程中，电动货车质心上作用惯性力使前、后轮上发生载荷转移情况下，前、后轮上引起的垂直力增量，β为制动力分配系数，k2为后悬架刚度；d2为后悬架瞬心到后轴中心的水平距离，e2为后悬架瞬心到地面的垂向距离，将式（1-5）中计算的∆H作为防钻入装置的降低量；L0为电动货车轴距，m为电动货车质量，h为电动货车质心距地面高度。
3.根据权利要求1所述的无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法，其特征在于：所述的V0为50km/h或60km/h或70km/h或80km/h，所述的a0为5.0-6.0m/s2。
4.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的无人驾驶模式下的电动货车预防追尾事故的主动保护方法对应的主动保护装置，其特征在于：所述的主动保护装置包括设置在电动货车车架后下方的防钻入装置，所述的防钻入装置包括相对于汽车横向方向水平布置的防护板（1），防护板（1）与车架之间通过执行单元连接，在执行单元的驱动下；防护板（1）可沿电动货车垂向方向升高或降低；执行单元的控制线与控制单元的I/O端口连接，控制单元的I/O端口还分别与车速传感器（21）、车身加速度传感器（22）的信号线连接；车速传感器（21）采集车速V，车身加速度传感器（22）采集制动加速度a，所述的执行单元、控制单元、车速传感器（21）、车身加速度传感器（22）各自的电源线分别与蓄电池连接或与电动货车的电池供电导线连接；
所述的执行单元包括滑块（3），防护板（1）两端内侧面分别与一个滑块（3）的外侧面螺栓连接或焊接连接，滑块（3）安装在竖直设置的导轨（4）上且相对导轨（4）上下滑动，导轨（4）的上、下两端的侧面与水平放置的截面为H型的连接支架（6）的后端上、下端头分别通过法兰螺栓连接或插销连接，连接支架（6）的H型构架向货车驾驶室方向的内侧凹槽处与车架后部横梁通过螺栓连接；
沿汽车左右对称布置的两个电动推杆（5）竖直放置或沿货车纵向方向倾斜放置在防护板（1）与连接支架（6）之间；电动推杆（5）的活塞杆杆端与防护板（1）之间通过插销连接或铰链连接，电动推杆（5）的底座与连接支架（6）的前端通过插销连接或铰链连接。
5.根据权利要求4所述的主动保护装置，其特征在于：所述的车速传感器（21）通过螺栓或卡扣或粘接方式安装在变速器输出轴上或驱动桥壳的内侧壁上；所述的车身加速度传感器（22）通过螺栓或卡扣或粘接方式安装在驾驶员座椅底部坐垫上或安装在防护板（1）的外侧面上。
6.根据权利要求4所述的主动保护装置，其特征在于：所述的车速传感器（21）为御捷MsZD车速传感器或众晟公司的XH96563变速器车速传感器，车身加速度传感器（22）为MPU-6050-GY-521三轴陀螺仪或GY-362-ADXL362三轴加速度传感器模块或其他型号的加速度传感器，所述的控制单元为特斯拉的FSD处理器，或英伟达的Drive Xavier处理器，或百度开源的Nuvo-5095G，或AT89C52单片机或PLC控制板；所述的电动推杆（5）为龙翔公司的步进50电动推杆或普菲德公司的12V/24V电动伸缩杆或康工公司的高速笔式电推杆。
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