CN112141080A - 一种用于矿区运输车辆防侧翻控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于矿区运输车辆防侧翻控制系统及其控制方法，控制系统包括外界状态感知层、侧翻模型实时计算层、车辆防侧翻决策层和防侧翻执行层；所述外界状态感知层包括方向盘角度传感器、车身侧倾角传感器、横向加速度传感器、车速传感器和车载摄像头；所述侧翻模型实时计算层包括工况辨识模块和侧翻模型指标计算模块；所述车辆防侧翻决策层包括紧急决策模块、侧翻指标预测模块和防侧翻决策模块；所述防侧翻执行层包括主动转向控制模块和执行机构、差动制动控制模型和执行机构；基于该系统的控制方法将车辆行驶工况分区，选择合适的侧翻指标，与阈值进行比较，根据不同结果进行紧急决策或防侧翻决策，通过上述决策控制执行层对车辆进行控制。

Description

一种用于矿区运输车辆防侧翻控制方法

技术领域

本发明涉及车辆主动安全控制领域，更具体地，涉及一种矿区运输车辆防侧翻控制系统机器控制方法。

背景技术

随着汽车行业的迅速发展，随之而来的是道路运输领域事故的数量增长，造成巨大的财产损失和人员伤亡。其中，车辆侧翻是矿区运输车辆的一种高发且危险的事故，矿区运输车辆因装载矿物后重心较高尤其容易发生侧翻。相关文献表明，若能够在潜在车辆侧翻事故发生前1秒，发出警报信息提醒驾驶员或采取必要的主动防侧翻行为，则可以在一定程度上避免约90％的交通事故，如果能再提前1秒，则侧翻事故就有可能完全避免。

目前，关于车辆侧翻机理研究以及相关主动安全技术主要集中在公路车辆，如乘用车以及重型挂车等，主要包括侧翻预警和侧翻前车辆主动安全控制。如申请号:CN201810778294.9 的专利公开了一种基于车联网车辆防侧翻控制方法，该发明专利选取载荷转移率LTR作为侧翻指标，结合横摆角速度、侧倾角速度和俯仰角速度等传感器对公路车辆侧翻判别特征值进行多层递阶建模预测以实现侧翻预警及控制。同样的，申请号:CN201711 458963.6的专利公开了一种具有时滞辨识和补偿功能的车辆主动防侧翻控制系统，也选取了载荷转移率LTR作为侧翻指标，设计了时滞辨识模块进行侧翻预测。再如申请号:CN201910353704.X的专利公开了一种基于电动助力转向装置的车辆防侧翻系统及控制方法，该发明专利选取瞬态侧倾角作为汽车侧翻评价指标。

总之，目前的关于车辆侧翻控制技术主要集中在公路车辆，由于公路车辆行驶环境多为结构化道路，车辆侧翻一般由于转向过程中侧向加速度过大造成，选取的汽车侧翻指标单一，无法直接应用于矿区复杂道路行驶条件下的运输车辆防侧翻技术。

发明内容

针对矿区复杂道路行驶条件下的运输车辆防侧翻主动安全技术的需要，本发明提出的方法可以解决用于汽车和重型卡车等公路车辆的主动防倾翻控制方法不能直接用于矿区运输车辆的问题。

本发明提供一种用于矿区运输车辆防侧翻控制系统，具体包括由外界状态感知层、侧翻模型实时计算层、车辆防侧翻决策层和防侧翻执行层；

所述外界状态感知层包括方向盘角度传感器、车身侧倾角传感器、横向加速度传感器、车速传感器和车载摄像头。

所述侧翻模型实时计算层包括针对不同工况进行识别的工况辨识模块和侧翻模型指标计算模块。

所述车辆防侧翻决策层主要包括对于当前侧翻指标与阈值比较判断并决策的侧翻指标预测模块和紧急决策模块，以及对基于所述侧翻指标预测模块预测的未来侧翻指标与阈值的比较判断并且给出适当的决策的防侧翻决策模块。

所述防侧翻执行层包括主动转向控制模块、主动转向执行机构、差动制动控制模型和差动制动执行机构。

一种用于矿区运输车辆防侧翻控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1:车辆外界状态感知的传感器数据传输至车辆控制器的中央处理器进行数据处理。

S2：中央处理器首先通过多个传感器数据对当前的车辆行驶工况分类，具体分为：斜坡行驶、转向行驶、单边越障行驶和其它。

S3：依据上述行驶工况选择合适的侧翻指标，计算出对应的侧翻指标值，所述侧翻指标有3个，具体计算公式如下：

A)横向加速度a_y:由横向加速度传感器直接提供；

B)横向载荷转移率LTR：

公式中，a_y为车辆重心处的横向加速度；h为质心到侧倾中心的距离；h_RC为侧倾中心高度；d为轮距；θ为簧载质量的侧倾角。

C)非结构道路指标SI：

公式中，θ为簧载质量的侧倾角；

为侧倾角速度；θ_cri为侧翻时临界侧倾角；

为侧翻时临界侧倾角速度；当SI＝0代表车辆失稳，当SI＝1时代表车辆处于最稳定状态，SI越大车辆稳定性越好。

S4：比较当前的侧翻指标值与通过理论和试验设定的阈值。如果超过阈值，当前有发生侧翻危险，通过紧急决策模块进行紧急决策下的防侧翻执行S5；如果未超过阈值，针对侧翻指标通过侧翻指标预测模块的模型预测方法进行未来1到2秒的预测，得到预测的未来侧翻指标，与上述阈值进行比较，进而判断发生侧翻的可能，如果超过阈值，即有侧翻可能通过防侧翻决策模块进行防侧翻决策下的防侧翻执行S5，如果没有侧翻的可能，则继续执行S1。

S5：依据S4紧急决策或防侧翻决策任务，执行车辆当前工况下合适的防侧翻动作，控制车辆执行主动转向或差动制动行为。

其中，S3中，针对不同的工况匹配不同的侧翻指标，具体为：

1)结构化道路转弯工况

矿区运输车辆行驶在结构化道路，即普通公路，车辆侧翻一般是由于高速转弯过程中横向加速度过大造成，故将这种情况标记为转向行驶工况，侧翻指标为横向加速度a_y；

2)非结构化道路复杂工况

矿区运输车辆行驶在非结构化道路，特别是露天矿区不平坦的道路，车速一般比较慢，车辆侧翻由多种因素造成，将其分解如下：

2.1)矿区环境直行越障

当造成车辆侧翻的原因主要是单边越过较高的障碍物照成的，将这种情况标记为单边越障工况，侧翻指标为非结构道路指标SI；

2.2)矿区环境转弯越障

当造成车辆侧翻的原因主要是单边越过障碍物和转向时车身姿态不稳定或产生了横摆力矩；将这种情况标记为单边越障工况和转向工况的结合工况，侧翻指标为横向载荷转移率LTR；

2.3)矿区环境坡度路面行驶

在连续坡度路面行驶，造成车辆侧翻的根本原因是由于车辆产生了很大的侧向加速度导致的；将这种情况标记为斜坡行驶工况，侧翻指标为非结构道路指标SI和横向加速度a_y，两个指标只要有一个达到相应的阈值即触发防侧翻机制；

2.4)其它行驶情况

将其余的行驶情况标记为其他工况，侧翻指标为横向载荷转移率LTR。

其中，S4中根据不同工况下，得到的紧急决策或者防侧翻决策的具体决策行为具体为

1)结构化道路转弯工况；

当侧翻指标横向加速度a_y超过标定的相应的阈值，车辆速度一般过快；情况1：当前发生侧翻危险，紧急决策采取差动制动行为，差动制动结果是车速下降同时产生一个阻止侧翻的横摆力矩；情况2：预测会发生侧翻危险，防侧翻决策采取整体降低车速行为；

2)非结构化道路复杂工况

2.1)矿区环境直行越障

将这种情况标记为单边越障工况，如果侧翻指标非结构道路指标SI超过相应的阈值，上述两种决策均采取主动转向行为；

2.2)矿区环境转弯越障

将这种情况标记为单边越障工况和转向工况的结合工况，如果侧翻指标横向载荷转移率 LTR超过相应的阈值，上述两种决策采取主动转向行为；

2.3)矿区环境坡度路面行驶

将这种情况标记为斜坡行驶工况，非结构道路指标SI和横向加速度a_y只要有一个达到其相应的阈值，则上述两种决策均立即采取主动转向行为，以调整车身姿态，同时车辆减速；

2.4)其它行驶情况

将其余的行驶情况标记为其它工况，侧翻指标横向载荷转移率LTR超过相应的阈值，上述两种决策均采取车辆减速行为。

本发明的优点和积极效果在于：

1.本发明采取了多个车辆侧翻指标评价方法，将矿区运输车辆进行了多种工况分类，使得车辆侧翻指标更加符合矿区的道路环境；

2.本发明能够利用安装在车辆上的更多传感器，如视觉传感器实时检测车辆及道路环境信息，使得本发明的防侧翻控制方法有了更多的数据依据，提高侧翻危险情况的预测准确率。同时，该方法可以直接集成到已经装备了相关传感器的无人驾驶系统中，通用性强。

附图说明

图1是本发明所述的控制系统的控制方法流程图；

图2是现实路况中转向行驶侧翻示意图；

图3是现实路况中单边越障侧翻示意图

图4是现实路况中坡度路面侧翻示意图；

图5是现实路况中路面塌陷侧翻示意图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明提出的一种用于矿区运输车辆防侧翻控制系统及其控制方法做进一步的详细说明。

本发明提供一种用于矿区运输车辆防侧翻控制系统如图1所示，该控制系统的主要包括四个逻辑层：外界状态感知层、侧翻模型实时计算层、车辆防侧翻决策层和防侧翻执行层。该矿区运输车辆防侧翻控制方法尤其适用于已经集成了无人驾驶系统的矿区运输车辆。

外界状态感知层包括方向盘角度传感器、车身侧倾角传感器、横向加速度传感器、车速传感器和车载摄像头。其中实时的车身倾角数据和横向(侧向)加速度数据直接有车辆的IMU (惯性导航单元)得到，车载摄像头数据可以使用无人驾驶车前部视觉摄像头和驾驶员行为检测摄像头。

侧翻模型实时计算层包括针对工况辨识模块和侧翻模型指标计算模块。

车辆防侧翻决策层主要包括对于当前与未来侧翻指标与阈值的比较判断并且给出适当的决策。

防侧翻执行层包括主动转向控制模块、主动转向执行机构、差动制动控制模型和差动制动执行机构。

进一步，结合图1，用于矿区运输车辆防侧翻控制系统的控制方法主要流程如下：

第一步：车辆外界状态感知的传感器数据传输至车辆的中央处理器(一般为车辆无人驾驶系统计算中心)，无人驾驶计算中心对车辆的横向加速度数据、侧倾角数据、侧倾角速度数据、车速数据、转向角数据和车辆前方图像数据等进行预处理、滤波等得到实时最优值。

第二步：车辆无人驾驶系统计算中心通过诸多传感器数据融合处理，对当前的车辆行驶工况分类，将当前的车辆工况进行时间域上的时段划分，每个时段进行行驶工况分类，分类标签主要有：斜坡行驶、转向行驶、单边越障行驶和其它。

第三步：依据行驶工况选择合适的侧翻指标，计算出对应的侧翻指标值，本发明采取的三个侧翻指标公式如下：

A)横向加速度a_y:由横向加速度传感器直接提供；横向加速度的阈值a_ycri由特定车型试验提前标定。

B)横向载荷转移率LTR：

公式中，a_y为车辆重心处的横向加速度；h为质心到侧倾中心的距离；h_RC为侧倾中心高度；d为轮距；θ为簧载质量的侧倾角。

C)非结构道路指标SI：

公式中，θ为簧载质量的侧倾角；

为侧倾角速度；θ_cri为侧翻时临界侧倾角；

为侧翻时临界侧倾角速度；当SI＝0代表车辆失稳，当SI＝1时代表车辆处于最稳定状态，SI越大车辆稳定性越好。侧翻时临界侧倾角和侧翻时临界侧倾角速度由特定车型试验提前标定。

结合矿区运输车辆行驶工况，选取合适的侧翻指标进行侧翻风险性的评价，具体策略如下：

1)结构化道路转弯工况

矿区运输车辆行驶在结构化道路，即普通公路，车辆侧翻一般是由于高速转弯过程中横向加速度过大造成，如图2所示，这种情况标记为转向工况，侧翻指标为——横向加速度a_y。

2)非结构化道路复杂工况

矿区运输车辆行驶在非结构化道路，特别是露天矿区不平坦的道路，车速一般比较慢，车辆侧翻由多种因素造成，本发明将其分解如下：

2.1)矿区环境直行越障

矿区运输车辆在露天矿区不平坦的道路行驶时会遇到各种不同形状和不同尺寸的障碍，在实际分析中不可能全部列举，造成车辆侧翻的原因主要是单边越过较高的障碍物照成的，如图3所示。本发明将这种情况标记为单边越障工况，侧翻指标为——非结构道路指标SI。

2.2)矿区环境转弯越障

这种情况造成车辆侧翻的原因主要是单边越过障碍物和转向时车身姿态不稳定或产生了横摆力矩。本发明将这种情况标记为单边越障工况和转向工况，侧翻指标为——横向载荷转移率LTR。

2.3)矿区环境坡度路面行驶

在连续坡度路面行驶如图4所示，车辆侧翻原因之一是坡度过大，行驶时车辆的质心侧倾；原因之二是车辆在侧向滑移过程中车轮侧面遇到障碍，下车体在障碍物作用下停止滑移，上车体在惯性力作用下继续运动，导致车辆发生侧翻，根本原因是由于车辆产生了很大的侧向加速度导致的，整个过程车身不一定很高。本发明将这种情况标记为斜坡行驶，侧翻指标为——非结构道路指标SI和横向加速度a_y。两个指标只要有一个达到阈值即触发防侧翻机制。

2.4)其它行驶情况

矿区环境下运输车辆面对的路况较复杂，不可能一一对车辆进行工况划分及行驶时间段的工况标注，尤其是其中一些情况是无法主动干预的，如图5所示是一侧路面塌陷或路面土质松软的车辆侧翻示意图。本发明将其余的工况标记为其它，侧翻指标为横向载荷转移率LTR。

第四步：比较当前的侧翻指标值与通过理论、试验标定的阈值。如果超过阈值，当前有发生侧翻危险，进行紧急决策；如果未超过阈值，针对侧翻指标通过侧翻指标预测模块的模型预测方法进行未来1到2秒的预测，得到预测的未来侧翻指标，进而判断发生侧翻的可能，如果有侧翻可能采取防侧翻决策，如果没有继续返回第一步执行监测。

具体的，按照第二步中的划分的不同工况下采取以下的紧急决策或者防侧翻决策：

1)结构化道路转弯工况

当侧翻指标横向加速度a_y超过标定的阈值，车辆速度一般过快。情况1：当前发生侧翻危险，紧急决策采取差动制动行为，差动制动结果是车速下降同时产生一个阻止侧翻的横摆力矩；情况2：预测会发生侧翻危险，采取整体降低车速行为。一定不能采取主动转向行为，这会改变驾驶员的操作意图，特别是车辆在高速转弯过程中突然向相反方向主动转向时，在抑制失稳的同时极可能导致二次事故发生。

2)非结构化道路复杂工况

2.1)矿区环境直行越障

本发明将这种情况标记为单边越障工况，如果侧翻指标非结构道路指标SI超过阈值，采取主动转向行为。

2.2)矿区环境转弯越障

本发明将这种情况标记为单边越障工况和转向工况，如果侧翻指标横向载荷转移率LTR 超过阈值，采取主动转向行为。

2.3)矿区环境坡度路面行驶

本发明将这种情况标记为斜坡行驶，非结构道路指标SI和横向加速度a_y只要有一个达到阈值立即采取主动转向行为，以调整车身姿态，同时车辆减速。

2.4)其它行驶情况

本发明将其余的工况标记为其它，侧翻指标横向载荷转移率LTR超过阈值，采取车辆减速行为。

第五步：依据第四步输出的紧急决策或防侧翻决策任务，控制车辆执行主动转向或差动制动行为。

上述仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于矿区运输车辆防侧翻控制系统，其特征在于，包括外界状态感知层、侧翻模型实时计算层、车辆防侧翻决策层和防侧翻执行层；

所述外界状态感知层包括方向盘角度传感器、车身侧倾角传感器、横向加速度传感器、车速传感器和车载摄像头；

所述侧翻模型实时计算层包括针对不同工况进行识别的工况辨识模块和侧翻模型指标计算模块；

所述车辆防侧翻决策层主要包括对于当前侧翻指标与阈值比较判断后进行决策的紧急决策模块，基于上述比较结果进行预测的侧翻指标预测模块，以及将基于所述侧翻指标预测模块预测的未来侧翻指标与阈值的比较判断，并且给出适当的决策的防侧翻决策模块；

所述防侧翻执行层包括主动转向控制模块、主动转向执行机构、差动制动控制模型和差动制动执行机构。

2.基于权利要求1所述一种用于矿区运输车辆防侧翻控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:所述车辆外界状态感知的传感器数据传输至车辆控制器的中央处理器进行数据处理；

S2：所述中央处理器通过多个传感器数据对当前的车辆行驶工况分类，具体分为：斜坡行驶、转向行驶、单边越障行驶和其它；

S3：依据上述行驶工况选择合适的侧翻指标，计算出对应的侧翻指标值，所述侧翻指标有3个，具体计算公式如下：

A)横向加速度a_y:由横向加速度传感器直接提供；

B)横向载荷转移率LTR：

公式中，a_y为车辆重心处的横向加速度；h为质心到侧倾中心的距离；h_RC为侧倾中心高度；d为轮距；θ为簧载质量的侧倾角；

C)非结构道路指标SI：

公式中，θ为簧载质量的侧倾角；

为侧倾角速度；θ_cri为侧翻时临界侧倾角；

为侧翻时临界侧倾角速度；当SI＝0代表车辆失稳，当SI＝1时代表车辆处于最稳定状态，SI越大车辆稳定性越好；

S4：比较当前的侧翻指标值与通过理论和试验设定的阈值，如果超过所述阈值，当前有发生侧翻危险，通过紧急决策模块进行紧急决策下的防侧翻执行S5；如果未超过阈值，针对侧翻指标通过侧翻指标预测模块的模型预测方法进行未来1到2秒的预测，得到预测的未来侧翻指标，与上述阈值进行比较，进而判断发生侧翻的可能，如果超过阈值，即有侧翻可能通过防侧翻决策模块进行防侧翻决策下的防侧翻执行S5，如果没有侧翻的可能，则继续执行S1；

S5：依据S4紧急决策或防侧翻决策任务，执行车辆当前工况下合适的防侧翻动作，控制车辆执行主动转向或差动制动行为。

3.根据权利要求2所述的一种用于矿区运输车辆防侧翻控制系统的控制方法，其特征在于，S3中，针对不同的工况匹配不同的侧翻指标，具体为：

1)结构化道路转弯工况

矿区运输车辆行驶在结构化道路，即普通公路，车辆侧翻一般是由于高速转弯过程中横向加速度过大造成，将这种情况标记为转向行驶工况，侧翻指标为横向加速度a_y；

2)非结构化道路复杂工况

矿区运输车辆行驶在非结构化道路，特别是露天矿区不平坦的道路，车速一般比较慢，车辆侧翻由多种因素造成，将其分解如下：

2.1)矿区环境直行越障

此时造成车辆侧翻的原因主要是单边越过较高的障碍物照成的，将这种情况标记为单边越障工况，侧翻指标为非结构道路指标SI；

2.2)矿区环境转弯越障

此时造成车辆侧翻的原因主要是单边越过障碍物和转向时车身姿态不稳定或产生了横摆力矩；这种情况标记为单边越障工况和转向工况的结合工况，侧翻指标为横向载荷转移率LTR；

2.3)矿区环境坡度路面行驶

在连续坡度路面行驶，此时造成车辆侧翻的原因是由于车辆产生了很大的侧向加速度导致的；将这种情况标记为斜坡行驶，侧翻指标为非结构道路指标SI和横向加速度a_y，两个指标只要有一个达到相应阈值即触发防侧翻机制；

2.4)其它行驶情况

将其余的行驶情况标记为其它工况，侧翻指标为横向载荷转移率LTR。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于矿区运输车辆防侧翻控制系统的控制方法，其特征在于，S4中根据不同工况下，得到的紧急决策或者防侧翻决策的具体决策行为具体为：

1)结构化道路转弯工况；

将这种情况标记为转向行驶工况，当侧翻指标横向加速度a_y超过标定的相应的阈值，车辆速度一般过快；情况1：当前发生侧翻危险，紧急决策采取差动制动行为，差动制动结果是车速下降同时产生一个阻止侧翻的横摆力矩；情况2：预测会发生侧翻危险，防侧翻决策采取整体降低车速行为；

2)非结构化道路复杂工况

2.1)矿区环境直行越障

将这种情况标记为单边越障工况，如果侧翻指标非结构道路指标SI超过相应的阈值，上述两种决策均采取主动转向行为；

2.2)矿区环境转弯越障

将这种情况标记为单边越障工况和转向工况的结合工况，如果侧翻指标横向载荷转移率LTR超过相应的阈值，上述两种决策采取主动转向行为；

2.3)矿区环境坡度路面行驶

将这种情况标记为斜坡行驶工况，非结构道路指标SI和横向加速度a_y只要有一个达到其相应的阈值，则上述两种决策均立即采取主动转向行为，以调整车身姿态，同时车辆减速；

2.4)其它行驶情况

将其余的行驶情况标记为其它工况，侧翻指标横向载荷转移率LTR超过相应的阈值，上述两种决策均采取车辆减速行为。

Images