CN111667705B - 一种重型卡车弯道防侧翻预警系统 - Google Patents

一种重型卡车弯道防侧翻预警系统 Download PDF

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Abstract

一种重型卡车弯道防侧翻预警系统，本发明方法包括以下步骤：1)设置一种基于动态监测的重型卡车弯道防侧翻预警系统，其中包括：测量装置，预警装置，人机协同装置和云计算连接装置。2)利用摄像头摄取道路坡度宽度和车辆周围障碍物等信息，并结合倾角仪所测车厢侧倾角、云端测量的弯道曲率与质心高度，计算出车辆侧倾加速度，推测侧倾预警时间与侧倾对相邻车辆影响结果。3)根据质心偏移距离、车轮外倾角和车厢倾斜角判断预警级别，预警装置起作用，并结合云计算结果采取人机协同作用下的预警应对方案。与现有技术相比，此发明可以更加安全的解决重型卡车在弯道保持高速前进并防止侧倾的问题。

Description

一种重型卡车弯道防侧翻预警系统
技术领域
本发明涉及一种重型卡车安全监控装置,特别是关于一种基于动态检测的重型卡车弯道防侧翻预警装置。
背景技术
随着社会的进步发展，对重型卡车的载重和车速的需求日益增长，但由于其质心位置高、质量和体积较大等特点,在高速转弯和道路曲率较小时极易发生侧翻事故。侧翻是一种高发且很危险的交通事故，与其他形式的交通事故相比具有更高的伤亡率。美国高速公路交通安全局数据统计报告中侧翻造成的死亡人数增长显著高于碰撞，另外在乘用车侧翻事故减少的同时，重型卡车致命侧翻事故却大幅增加。车辆侧翻分为静态侧翻和动态侧翻，而汽车动态侧翻又分为绊倒型侧翻和操纵型侧翻，即非绊倒侧翻。目前，国外文献主要针对重型车辆稳态转向时的静态侧倾稳定性进行大量研究，动态侧翻研究文献较少。而重型卡车侧翻事故则以动态侧翻居多。
目前车辆防侧翻控制系统主要有四轮转向、主动悬架、主动横向稳定器和差动制动等方法来抑制车身侧倾的趋势，减少侧翻事故的发生。而对于车辆侧倾的预警，基于车辆自身的性能数据，主要的检测技术是利用角度仪和称重仪检测质心高度和利用轮胎压力传感器检测载荷转移率。因此对于目前检测预警方法存在以下主要问题：第一，车辆载重发生变化且在高速行驶时不便于对质心高度测量；第二，在坡度较大路面测量的载荷转移率与实际情况有较大误差，不能作为预警依据数据，因此无法保证重型卡车在弯道安全高速行驶。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种可靠性高且在重型卡车转弯时能够及时准确地提供预警信息及应对方案的重型卡车弯道防侧翻预警系统。
本发明采取以下技术方案实现上述目的：一种重型卡车弯道防侧翻预警系统包括以下步骤：1)设置一种重型卡车弯道防侧翻预警系，它包括以下装置：测量装置，预警装置，人机协同装置和云计算连接装置。2)利用摄像头摄取道路坡度宽度和车辆周围障碍物等信息，并结合倾角仪所测车厢侧倾角、云端测量的弯道曲率与质心高度，计算出车辆侧倾加速度，推测侧倾预警时间与侧倾对相邻车辆影响结果。3)根据车轮外倾角、质心偏移距离和车厢倾斜角判断预警级别，预警装置起作用，并结合云计算结果采取人机协同作用下的预警应对方案。
所述步骤2)中的所述车厢侧倾角计算式为:
Figure BDA0002525646330000021
悬架总的角刚度
Figure BDA0002525646330000022
由单横臂独立悬架的线刚度
Figure BDA0002525646330000023
求得。
式中：
Figure BDA0002525646330000024
为车厢侧倾角，
Figure BDA0002525646330000025
为侧倾力矩，
Figure BDA0002525646330000026
为悬架总的角刚度，ks为弹簧刚度，m为弹簧中心至横臂铰接点的距离，n为横臂长，K1为单横臂独立悬架的线刚度，δs为单横臂上弹簧力作用点的虚位移，δt为地面法向反作用力作用点的虚位移。
所述步骤2)中的所述弯道曲率由云端卫星获取道路信息并进行计算得到。
所述质心高度由倾角仪数据结合车辆载重传输至后台管理者计算得到。并由此与相同载重安全行驶时的质心高度进行相比，从而得出质心偏移距离。
所述车辆侧倾加速度由车辆瞬时速度、质心高度和道路曲率半径相结合计算所得。
所述步骤3)所述车轮外倾角计算式为
Figure BDA0002525646330000027
式中：γ为车轮外倾角；
Figure BDA0002525646330000031
为车厢侧倾引起的外倾角变化率。
所述步骤3)所述在车辆前侧外倾系数
Figure BDA0002525646330000032
为0.61～0.88°，即不足，后侧倾斜角系数
Figure BDA0002525646330000033
为0～0.86°，即过多的条件下；根据质心偏离距离与车厢倾斜角，将预警分为以下四个级别：当9h/10＜a＜11h/10且0＜b＜＝5°时为一级预警,报警灯作用，驾驶员自行调节行驶速度；当9h/10＜a＜11h/10且5°＜b＜＝10°时为二级预警，报警灯与报警器同时作用，车内显示屏出示具体调节措施，由驾驶员完成调节；当a＜9h/10或a＞11h/10且10°＜b＜＝15°时为三级预警，报警灯与报警器同时作用，人机协同驾驶车辆，其中驾驶员的权力大于车辆；当a＞11h/10且15°＜b时为四级预警，报警灯与报警器同时作用，由人机界面操作通过加速遏制装置夺取驾驶员加速权力，并自动减速至安全速度范围内；其中，a表示质心偏移距离，h表示正常行驶下车辆质心高度，b表示车厢倾斜角。
一种重型卡车弯道防侧翻预警系统,其特征在于：它包括六枚摄像机，分别安装于车辆四条竖直边线和前上边线，后下边线中点；置于车辆四条竖直边线的摄像机安装于此点伸出k1距离的支架上，置于前上边线、后下边线中点的摄像机安装于此点伸出k2距离的支架上，两支架伸出长度k1、k2由如下关系式确定：
Figure BDA0002525646330000034
其中，x为车长，y为车宽，z为车高；六枚摄像机均贴紧右侧面摄像100°范围；四个超声波传感器，左右各两个放置于车厢两侧下边线端点；一个倾角仪，其安装于车辆底盘中心；一个防侧倾预警装置，其安装于驾驶室挡风玻璃左上角；一个防侧倾人机协同装置，其安装于驾驶室的中控台上表面；一个防侧倾云计算链接装置，其安装于驾驶室的中控台内部。
所述预警装置包括；一个报警灯，其安装于仪表盘左侧；一个报警器，其安装于驾驶员正上方；一个车内显示屏，其安装于驾驶室的中控台上表面右侧；一个加速遏制装置，安装于驾驶室脚刹上方。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明采用6枚100°广角摄像机，将其安装在四角及上下边线，可以水平垂直360°实时监测摄取道路坡度宽度和车辆周围障碍物等信息，为预警监测提供可靠的环境数据。2、本发明通过倾角仪测量与云端测量数据相结合，并由后台管理者判断给出应对方案，使计算结果更加精准科学。3、本发明将预警分为四个级别并给予不同应对方案，对驾驶员的警示程度不同，可以改正驾驶员不良驾驶习惯，同时使预警方案更加科学灵活。4、本发明仅使用左右各两个超声波传感器采集侧倾趋势内侧与相邻车辆或隔离带距离，原理简单易懂，安装方便，性价比高。5、本发明采用加速遏制装置，在发生预警时遏制驾驶员持续加速权力，减缓侧倾趋势，安全性高，可靠性高6、本发明采用人机协同装置，在三级预警时采取人机协同驾驶车辆，其中驾驶员的权力大于车辆；在四级预警时剥夺驾驶员操作权力，人工智能应急反应能力高于人类，可以及时调整车辆数据至安全范围之内，并最大程度减少损失，安全可靠性高。7、本发明摄取路面图像信息并计算道路坡度，减小倾角仪误差，从而使对车厢倾斜角以及质心偏移距离数据的计算更加精准，可靠性高。8、本发明利用微波通信传输信息，其具有低延迟、不易受自然灾害影响、传输容量大、传输质量好和传输距离远的优点。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图
图2是重型卡车的侧倾模型
图3是本发明的测量装置中摄像机安装位置示意图
图4是本发明的测量装置中超声波传感器安装位置示意图
图5是本发明外倾角系数过多与不足时的受力示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明包括以下步骤：
1)设置一种重型卡车弯道防侧翻预警系，它包括防侧倾测量装置，防侧倾预警装置，防侧倾人机协同装置和防侧倾云计算连接装置。
2)利用摄像头摄取道路坡度宽度和车辆周围障碍物等信息，并结合倾角仪所测车厢侧倾角、云端测量的弯道曲率与质心高度，计算出车辆侧倾加速度，推测侧倾预警时间与侧倾对相邻车辆影响结果。
3)根据车轮外倾角、质心偏移距离和车厢倾斜角判断预警级别，预警装置起作用，并结合云计算结果采取人机协同作用下的预警应对方案。
如图1所示，即本发明的系统结构框图。
如图2所示，即重型卡车的侧倾模型。其中FL与FR表示车辆左右轮胎的受力。
防侧倾测量装置包括6枚100°广角摄像机、左超声波传感器、右超声波传感器和倾角仪：
六枚摄像机分别置于车辆四条竖直边线和前上边线，后下边线中点；置于车辆四条竖直边线的摄像机安装于此点伸出k1距离的支架上，置于前上边线、后下边线中点的摄像机安装于此点伸出k2距离的支架上，两支架伸出长度k1、k2由如下关系式确定：
Figure BDA0002525646330000051
其中，x为车长，y为车宽，z为车高；六枚摄像机均贴紧右侧面摄像100°范围，用于水平竖直360°摄取前及前方行驶路段的坡度宽度和车辆周围障碍物等信息，并结合云端道路曲率和车厢倾斜角，模拟侧倾时间与侧倾对两侧车辆影响结果。超声波传感器左右各两个放置于车厢两侧下边线端点，用于采集侧倾趋势内侧与相邻车辆或隔离带距离，并于后台生成图像信息，为后台连接管理者提供最佳侧倾避让应对数据，使其计算防侧倾速度最大值与车辆所需转向偏角。倾角仪置于车辆底盘几何中心，用于采集测量车厢侧倾角，即倾角仪读数减去道路坡度，其中道路坡度由云端储存数据提供。
如图3所示，即本发明的测量装置中摄像机安装位置示意图。摄像机采用具有带有畸变矫正功能和夜视功能的100°广角摄像机，可以使卡车行驶过程中避免视线盲区，并在夜晚能够安全通过弯道。摄像机主要用于摄取道路坡度宽度，车辆所处道路位置，周围车辆人群密集度与周围其他障碍物的图像信息。
如图4所示，是本发明的测量装置中超声波传感器安装位置示意图。
其中超声波传感器测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t,就可以计算出发射点距障碍物的距离S,即:①
Figure BDA0002525646330000061
这就是所谓的时间差测距法。由于超声波传播速度受温度影响较大，故此处改正为：已知现场环境温度T时,超声波传播速度V的计算公式为：②v＝331.45+0.607T。由此可求得所需与相邻车辆或隔离带距离。
防侧倾预警装置包括报警灯、报警器、车内显示屏和加速遏制装置：
报警灯安装于仪表盘左侧，其作用是通过光学信号提醒驾驶员车辆处于侧倾即将发生状态，根据预警级别以不同频率闪烁；报警器安装于驾驶员正上方，其作用是通过声学信号提醒驾驶员车辆处于侧倾发生状态，根据预警级别发出频率不同的蜂鸣声；车内显示屏安装于驾驶室的中控台上表面右侧，用于显示侧倾预警级别和预警应对方案；加速遏制装置安装于驾驶室脚刹上方，用于发生预警时遏制驾驶员持续加速权力。
防侧倾云计算连接装置置于车辆前部，通过卫星云端摄取道路曲率，利用微波通信发出测量装置所测数据，向后台连接管理者，即数据库运算系统，由其计算出相应应对方案并利用微波通信发回至驾驶员车内显示屏。即云端测量的弯道曲率与质心高度，车辆侧倾加速度，将上述三个数据传送至后台管理者，利用云端运算侧倾预警时间与侧倾对相邻车辆影响结果，并将结果以图像形式呈现。由后台管理者根据结果判断预警级别，并将相对应的应对方案反馈至重型卡车，驾驶员根据相应方案作出预警应对措施。
利用云端与摄像头采集图像信息相结合，由数据库运算系统计算得到弯道曲率，并计算安全行驶通过时，车辆的侧向加速度与载重的范围和关系，并求出车轮外倾角：
M＝fr则
Figure BDA0002525646330000071
汽车过弯,侧向摩擦力提供向心力：f＝ma，且
Figure BDA0002525646330000072
M为阻力矩，f为阻力，r为阻力作用点到转轴垂直距离，m为车辆载重后质量，a为车辆加速度，γ为车轮外倾角；
Figure BDA0002525646330000073
为车厢侧倾引起的外倾角变化率，即侧倾外倾系数：
Figure BDA0002525646330000074
如图5所示，即本发明外倾角系数过多与不足时的受力示意图，其中F所受力。
利用左右超声波传感器测量侧倾趋势内侧与相邻车辆或隔离带距离；后台连接管理者结合所测距离、图像信息、道路坡度计算防侧倾速度最大值与车辆所需最大转向偏角，并利用质心高度和载荷转移确定侧倾角度阈值，为驾驶员提供最佳侧倾避让应对数据；后台连接管理者对最佳侧倾避让应对数据的计算以车辆载重和道路坡度为变量，其中h为静止时质心高度，a为质心偏移距离，b为质心偏移角度；底盘放置倾角仪，当车厢相对于地面倾斜角大于0时作出预警，报警灯作用，车辆处于侧倾即将发生状态；当倾角仪达到侧倾角度阈值时车辆处于侧倾发生状态；
Figure BDA0002525646330000081
Figure BDA0002525646330000082
在车辆前侧外倾系数
Figure BDA0002525646330000083
为0.61～0.88°，即不足，后侧倾斜角系数
Figure BDA0002525646330000084
为0～0.86°，即过多的条件下；根据质心偏离距离与车厢倾斜角，将预警分为以下四个级别：
1)一级预警：9h/10＜a＜11h/10且0＜b＜＝5°,报警灯作用，驾驶员自行调节行驶速度；
2)二级预警：9h/10＜a＜11h/10且5°＜b＜＝10°，报警灯与报警器同时作用，车内显示屏出示具体调节措施，由驾驶员完成调节；
3)三级预警：a＜9h/10或a＞11h/10且10°＜b＜＝15°，报警灯与报警器同时作用，人机协同驾驶车辆，其中驾驶员的权力大于车辆；
4)四级预警：a＜9h/10或a＞11h/10且15°＜b，报警灯与报警器同时作用，由人机界面操作通过加速遏制装置夺取驾驶员加速权力，并自动减速至安全速度范围内；
其中，a表示质心偏移距离，h表示正常行驶下车辆质心高度，b表示车厢倾斜角。
将人机协同装置置于驾驶座前，当预警级别为一、二级时，人机界面操作不发生作用；仅当预警级别为三级时，人机协同驾驶车辆，其中驾驶员的权力大于车辆；当预警级别为四级时，人机界面操作通过加速遏制装置夺取驾驶员加速权力，并自动减速至安全速度范围内。
即针对不同级别的预警，报警装置有四种不同的工作状态：
表1：
Figure BDA0002525646330000091
最后应当说明的是,以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种重型卡车弯道防侧翻预警系统，其特征在于：包括防侧倾测量装置，防侧倾预警装置，防侧倾人机协同装置和防侧倾云计算连接装置；其中防侧倾测量装置包括6枚100°广角摄像机、两个左超声波传感器、两个右超声波传感器和倾角仪，1)六枚摄像机分别置于车辆四条竖直边线和前上边线、后下边线中点；置于车辆四条竖直边线的摄像机安装于此点伸出k1距离的支架上，置于前上边线、后下边线中点的摄像机安装于此点伸出k2距离的支架上，两支架伸出长度k1、k2由如下关系式确定：
Figure FDA0003501544120000011
其中，x为车长，y为车宽，z为车高；六枚摄像机均贴紧右侧面摄像100°范围，用于水平竖直360°摄取当前及前方行驶路段的坡度宽度和车辆周围障碍物信息；2)超声波传感器左右各两个放置于车厢两侧下边线端点，用于采集侧倾内侧与相邻车辆或隔离带距离；3)倾角仪置于车辆底盘几何中心，用于采集测量车厢侧倾角，即倾角仪读数减去道路坡度，其中道路坡度由云端储存数据提供；防侧倾预警装置包括报警灯、报警器、车内显示屏和加速遏制装置，报警灯安装于仪表盘左侧，其作用是通过光学信号提醒驾驶员车辆处于侧倾即将发生状态，根据预警级别以不同频率闪烁；报警器安装于驾驶员正上方，其作用是通过声学信号提醒驾驶员车辆处于侧倾发生状态，根据预警级别发出频率不同的蜂鸣声；车内显示屏安装于驾驶室的中控台上表面右侧，用于显示侧倾预警级别和预警应对方案；加速遏制装置安装于驾驶室脚刹上方，用于发生预警时遏制驾驶员持续加速权力；防侧倾人机协同装置包括人机操作界面，置于驾驶座前，当预警级别为一、二级时，人机界面操作不发生作用；仅当预警级别为三级时，人机协同驾驶车辆，其中驾驶员的权力大于车辆；当预警级别为四级时，人机界面操作通过加速遏制装置夺取驾驶员加速权力，并自动减速至安全速度范围内；防侧倾云计算连接装置包括云端卫星数据、后台管理者和计算装置，置于车辆前部，通过卫星云端摄取道路曲率，利用微波通信发出测量装置所测数据，向后台连接管理者，即数据库运算系统，由其计算出相应应对方案并利用微波通信发回至驾驶员车内显示屏；该系统工作步骤如下：利用摄像头摄取道路坡度宽度和车辆周围障碍物信息，并结合倾角仪所测车厢侧倾角、云端测量的弯道曲率与质心高度，计算出车辆侧倾加速度，推测侧倾预警时间与侧倾对相邻车辆影响结果；根据车轮外倾角、质心偏移距离和车厢倾斜角判断预警级别，预警装置起作用，并结合云计算结果采取人机协同作用下的预警应对方案。
2.如权利要求1所述的一种重型卡车弯道防侧翻预警系统，其特征在于：在车辆前侧外倾系数
Figure FDA0003501544120000012
为0.61～0.88，即不足，后侧倾斜角系数
Figure FDA0003501544120000013
为0～0.86，即过多的条件下，根据质心偏离距离与车厢倾斜角，将预警分为以下四个级别：
1)一级预警：9h/10＜a＜11h/10且0＜b＜＝5°,报警灯作用，驾驶员自行调节行驶速度；
2)二级预警：9h/10＜a＜11h/10且5°＜b＜＝10°，报警灯与报警器同时作用，车内显示屏出示具体调节措施，由驾驶员完成调节；
3)三级预警：a＜9h/10或a＞11h/10且10°＜b＜＝15°，报警灯与报警器同时作用，人机协同驾驶车辆，其中驾驶员的权力大于车辆；
4)四级预警：a＜9h/10或a＞11h/10且15°＜b，报警灯与报警器同时作用，由人机界面操作通过加速遏制装置夺取驾驶员加速权力，并自动减速至安全速度范围内；
其中，a表示质心偏移距离，h表示正常行驶下车辆质心高度，b表示车厢倾斜角。
3.如权利要求1所述的一种重型卡车弯道防侧翻预警系统，其特征在于：摄像机水平360°摄取车辆四周信息；6枚摄像机用于水平竖直360°摄取道路坡度宽度和车辆周围障碍物信息；并结合云端道路曲率和车厢倾斜角，模拟侧倾时间与侧倾对两侧车辆影响结果。
4.如权利要求1所述的一种重型卡车弯道防侧翻预警系统，其特征在于：利用左右超声波传感器测量侧倾趋势内侧与相邻车辆或隔离带距离；后台连接管理者结合所测距离、图像信息、道路坡度计算防侧倾速度最大值与车辆所需最大转向偏角，并利用质心高度和载荷转移确定侧倾角度阈值，为驾驶员提供最佳侧倾避让应对数据；后台连接管理者对最佳侧倾避让应对数据的计算以车辆载重和道路坡度为变量，其中h为静止时质心高度，a为质心偏移距离，b为质心偏移角度；底盘放置倾角仪，当车厢相对于地面倾斜角大于0时作出预警，报警灯作用，车辆处于侧倾即将发生状态；当倾角仪达到侧倾角度阈值时车辆处于侧倾发生状态；
其中，车厢侧倾角＝侧倾力矩/悬架总的角刚度，即
Figure FDA0003501544120000021
其中，
Figure FDA0003501544120000022
为车厢侧倾角，
Figure FDA0003501544120000023
为侧倾力矩，
Figure FDA0003501544120000024
为悬架总的角刚度。
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