CN115092119A - 一种基于车载气动力和力矩的实时感知系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于车载气动力和力矩的实时感知系统及方法，系统包括分布式无线压力传感器、内嵌式处理器、信号传输模块和综合感知与预警模块。分布式无线压力传感器采用硅片或光学传感器。通过布置在汽车车身上的特定位置，对汽车运行过程中的表面动态压力信号进行实时监控。并且根据这些表面动态压力信息求解汽车的实时受力情况，并根据受力情况推算汽车的加速度变化，提前预判汽车的运动趋势。本发明所提出的一种基于车载气动力和力矩实时感知的装置和方法，对汽车运行过程中的环境进行自主感知并智能决策，为类似大风或侧风条件下的侧倾风险提供预警。
Description
技术领域
本发明属于车载智能化技术领域和汽车空气动力学技术领域，具体是一种基于车载气动力和力矩实时感知系统和感知方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展和提高，现代交通工具如飞机、高铁和汽车等也在不断地朝着更快、更舒适、更高效的方向快速发展，为经济发展和人们生活水平的提高做出了重要贡献。然而，随着交通工具速度的提高和应用场景的不断扩大，对交通工具在非常规气候或极端天气条件下的运行安全也提出了更高的挑战。例如，大型民用客机在降落过程中经常会遭遇大侧风或风切变的过程，这种突如其来的风向风力变化，会对飞机的降落造成危害，甚至会诱发安全事故；再如我国的高铁网络已经遍布全国，而当列车高速行驶在如沙漠戈壁或海边时，也容易遭遇大侧风的状况，影响运行安全；再者，我国中西部山区等地往往采用高架桥和隧道的方式建造高速公路，在桥隧连接处，运行的汽车会受大侧风或突风影响，存在倾覆的风险；轮船在河道或海上航行时，也会遭遇侧风的影响，存在侧翻的风险。
传统的如汽车运行过程中，缺少不了驾驶员这一“大脑”。在驾驶过程中，驾驶员通过手中的方向盘和身体的感受，来主观地判断当前汽车的运行状态，以及周围的气流环境是否稳定。但是在处理突发事件时，驾驶员可能会面临诸多困难：一方面是对外部流动环境无法全面知晓，身体的感觉和判断需要依靠个人的经验和驾驶技术来决定，在感知时间上会出现延迟；另一方面，驾驶员在操作过程中，容易因为紧张或经验不足，导致操作过度，从而进一步增加了额外的风险，造成安全事故。
当前针对汽车运行过程中侧风监测的方法较少，从公开发明中可知，现有的技术主要以风速传感器为主的汽车侧向风自动监测系统(CN018545077A)，是通过传感器直接测量到的风速、车速、流入角来对当前汽车的整体侧向风进行监测和预警。上述方法需要较多的传感器和复杂的运算过程，仍然有许多工程化的改进空间和未解决的问题。所以优化汽车运行过程中的侧风监测方法和侧倾预警机制，有利于保证汽车运行的安全性。
发明内容
针对现有汽车缺少气动力和力矩感知和预警的技术问题，本发明提供一种基于车载气动力和力矩的实时感知系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于车载气动力和力矩的实时感知系统，包括分布式无线压力传感器、内嵌式处理器、信号传输模块和综合感知与预警模块；
分布式无线压力传感器用于采集动态压力信号并发送至内嵌式处理器处理；
内嵌式处理器收集压力信号并实时转化为数字信号，基于信号传输模块将数字信号传输至综合感知与预警模块，同时实现汽车车身上各压力传感器之间的无线连接与数据通信；
综合感知与预警模块包括计算中心和输出端，计算中心基于收集到的压力信号进行实时处理和解算，并与数据库中的结果进行比对判定，通过输出端给驾驶员提供预警信号或给汽车中央控制系统提供减速修正指令。
进一步的，所述的无线压力传感器具备独立供电、独立采集和独立发送功能，通过无线方式进行数据传输，能够单独使用或组合使用。通过机械固定或粘接的方式，可以安装在车体的正面、侧面、顶部或者尾部。
进一步的，所述的汽车不受车型的限制，包括轿车、面包车、SUV、厢式货车、集装箱货车。
进一步的，所述的无线压力传感器可以采用表面孔式压力传感器或光学压力传感器来测量目标位置的实时动态气动压力信号，并将转化为数字信号对外发送到综合感知与预警模块。
进一步的，所述的综合感知和预警模块将多个传感器的信号进行解算后，能够求解得到汽车的侧向力和侧倾力矩状况，并跟数据库中的数据进行比对，提前判断汽车是否存在侧滑和侧倾运动的趋势。
本发明还提供一种基于车载气动力和力矩的实时感知系统的感知方法，包括以下步骤：
步骤1，基于表面分布式压力传感器获得汽车周围表面的动态压力，测量获取汽车当前的运行速度、运行状态和绕流状态；
步骤2，将动态压力信号经过内嵌式处理器转化为数字信号；
步骤3，将数字信号经过信号传输模块发送到车上的综合感知与预警模块，求解得到汽车的受力状况，基于受力状况得到全车的侧向加速度和侧倾角加速度，并与地面实验所得到的数据库和危险阈值进行比对，判断汽车是否存在侧滑或侧倾运动趋势。
进一步的，步骤3中数字信号结合各个压力传感器所对应的表面测压点局部参考面积s以及各表面测压点到全车力矩参考中心的特征距离z计算汽车受力状况，汽车受力状况包括汽车所受的侧向力Fs以及汽车所受的侧倾力矩MR。
进一步的，汽车受力状况具体表示为：
其中，p为汽车前进方向车身的表面测压点压力，s为对应表面测压点的局部参考面积,z为表面测压点到全车力矩参考中心的特征距离,下标i,j,k分别表示右侧车身、左侧车身及车顶。
进一步的，得到全车的侧向加速度和侧倾角加速度的方法为：对汽车所受的侧向力Fs以及汽车所受的侧倾力矩MR积分得到基于表面压力测量的全车侧向力和侧倾力矩，通过下式求解实时的侧向加速度和侧倾角加速度：
Fs＝K1×M×aFs (3)
MR＝K2×I×αR (4)
其中，aFs为侧向加速度，αR为侧倾角加速度。K1,K2为校准系数，M和I分别为汽车的质量和滚装转动惯量。
进一步的，将得到的实时侧向加速度和侧倾角加速度与地面实验所得到的数据库和危险阈值进行比对，通过综合感知与预警模块将自主判断当前汽车运动趋势是否存在侧滑或侧倾风险，当判断为存在侧滑或侧倾风险时为驾驶员及时提供预警信号，或形成控制指令，通过汽车的中央控制系统调整汽车的运行速度和方向。
有益效果
本发明所提出的一种车载气动力和力矩感知方法和装置，具有自主测量、自主解算、自主预警的能力，能够在汽车受到较大测风影响的情况下及时预测汽车运动趋势的变化，给驾驶员发出提醒信号(亮光和警示音)或给汽车中央控制系统提供减速修正指令，从而缓解驾驶员的驾驶压力，提高行车的安全性。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中卡车的结构示意图以及压力传感器的分布示意图；
图2是本发明的系统工作流程图；
图3是本发明的一个实施例通过表面压力积分求和感知得到的侧倾力矩与天平测力比对的实验结果图。
附图标记：1-卡车车身，2-第一截面表面测压孔，3-第二截面表面测压孔。
具体实施方法
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1至图2所示，本发明公开了一种基于车载气动力和力矩的实时感知系统，包括分布式无线压力传感器、内嵌式处理器、信号传输模块和综合感知与预警模块。
无线压力传感器具备独立供电、独立采集和独立发送功能，通过无线方式进行数据传输，能够单独使用或组合使用。通过机械固定或粘接的方式，可以安装在车体的正面、侧面、顶部或者尾部，其中汽车不受车型的限制，轿车、面包车、SUV、厢式货车、集装箱货车等均可实现。
无线压力传感器采用表面孔式压力传感器或光学压力传感器，基于该传感器测量得到目标位置实时的表面动态压力信号，本实施例优选表面孔式压力传感器，通过测风来流得动态压力信号。
如图1所示，无线压力传感器被分布式安装在汽车表面的不同位置，如安装在卡车车头第一截面测压孔2和卡车车身1的第二截面测压孔3。汽车运行时，无线压力传感器中第一截面测压孔2和第二截面测压孔3检测到来流条件为Vw，无线压力传感器将动态压力信号传输至内嵌式处理器处理后，发送到车载综合感知与预警模块，并结合其他传感器的信号进行实时处理和解算，经过与数据库中的结果进行比对判定，通过输出端给驾驶员提供预警信号或汽车中央控制系统减速修正指令。
本发明还公开了一种基于车载气动力和力矩的实时实时感知系统的感知方法，步骤如下：
步骤1，通过表面分布式压力传感器获得汽车周围三个表面的动态压力pi、pj、pk；
步骤2，将动态压力信号经过内嵌式处理器转化为数字信号；
步骤3，将数字信号经过信号传输模块发送到车上的综合感知与预警模块，结合已经输入系统中各压力传感器所对应的表面测压点局部参考面积si,sj,sk，和各表面测压点到全车力矩参考中心的特征距离zi,zj,zk，分别计算汽车所受的侧向力Fs和侧倾力矩MR，如图1所示，公式为：
其中，Fs为汽车所受的侧向力，MR为汽车所受的侧倾力矩；pi为汽车前进方向右侧车身的表面测压点压力，pj为汽车前进方向左侧车身的表面测压点压力，pk为汽车前进方向车顶的表面测压点压力，由前述的无线压力传感器测得；si,sj,sk分别为对应表面测压点的局部参考面积，通过地面安装时确定；zi,zj,zk分别为各表面测压点到全车力矩参考中心的特征距离，通过地面安装时确定。
通过公式(1)和(2)，可以积分得到基于表面压力测量的全车侧向力和侧倾力矩，再通过下列公式来求解实时的侧向加速度和侧倾角加速度：
根据所计算的侧向力和侧倾力矩，再求解实时的侧向加速度aFs和侧倾角加速度αR，公式为：
Fs＝K1×M×aFs (3)
MR＝K2×I×αR (4)
aFs为侧向加速度，αR为侧倾角加速度。K1,K2为校准系数，由地面实验标定获得。M和I分别为汽车的质量和滚装转动惯量，由地面标定获得。
将计算得到侧向加速度aFs和侧倾角加速度αR与综合感知与预警模块中预存的安全侧向加速度aFs，safe和安全侧倾角加速度αR,safe进行对比。其中，安全侧向加速度aFs，safe和安全侧倾角加速度αR,safe通过地面实验标定获得，提前录入综合感知与预警模块中，并根据汽车的实际状况进行及时调整。
当侧向加速度aFs或侧倾角加速度αR中的一个或者两个大于安全侧向加速度aFs，safe和安全侧倾角加速度αR,safe，即aFs>aFs，safe或/和αR>αR,safe，则该系统会在驾驶舱屏幕上产生红色闪烁亮光，同时发出警示音提示，提醒驾驶员减速和控制好方向。或者如果汽车处于自动辅助驾驶模式，综合感知与预警模块将把预警信号发送给汽车中央控制系统，及时调整汽车的运行速度和方向。
如图3所示，为通过表面压力测量得到的侧倾力矩与天平测力的侧倾力矩比对的实验结果图，用于地面标定该套系统气动力和力矩感知方法的可行性。
第一、第二截面为图1中车头及车身的截面，在第一、第二截面上分布若干测压孔，即第一截面测压孔2和第二截面测压孔3，通过上述公式(2)得到汽车基于表面压力积分求和所感知到的侧倾力矩MR，即图3中黑色空心圆标记。同时，在地面风洞标定实验中，还通过盒式天平同步测量了汽车模型真实的侧倾力矩MR，即图3中黑色正方形标记。可见二者变化趋势相吻合，幅值大小接近，其相关性系数高达0.99。
| 相关系数 | 第一、二截面压力积分求和感知结果M<sub>R</sub> |
| 天平测力结果M<sub>R</sub> | 0.99 |
由此可见，基于表面压力测量的全车侧向力和侧倾力矩可用于求解侧向加速度和侧倾角加速度，以用于安全预警。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于车载气动力和力矩的实时感知系统，其特征在于，包括分布式无线压力传感器、内嵌式处理器、信号传输模块和综合感知与预警模块；
分布式无线压力传感器用于采集汽车周围表面的动态压力信号并发送至内嵌式处理器处理；
内嵌式处理器收集压力信号并实时转化为数字信号，基于信号传输模块将数字信号传输至综合感知与预警模块，同时实现汽车车身上各压力传感器之间的无线连接与数据通信；综合感知与预警模块包括计算中心和输出端，计算中心基于收集到的压力信号进行实时处理和解算，并与数据库中的结果进行比对判定，通过输出端给驾驶员提供预警信号或给汽车中央控制系统提供减速修正指令。
2.根据权利要求1所述的基于车载气动力和力矩的实时感知系统，其特征在于，所述分布式无线压力传感器为表面孔式压力传感器或光学压力传感器，基于该传感器测量得到目标位置实时的表面动态压力信号。
3.根据权利要求2所述的基于车载气动力和力矩的实时感知系统，其特征在于，计算中心基于表面动态压力信号解算汽车的实时受力情况，并根据受力情况推算汽车的加速度变化，以预判汽车的运动趋势。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的基于车载气动力和力矩的实时感知系统的感知方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，基于表面分布式压力传感器获得汽车周围表面的动态压力，用于气动力和力矩的解算；
步骤2，将动态压力信号经过内嵌式处理器转化为数字信号；
步骤3，将数字信号经过信号传输模块发送到车上的综合感知与预警模块，求解得到汽车的受力状况，基于受力状况得到全车的侧向加速度和侧倾角加速度，并与地面实验所得到的数据库和危险阈值进行比对，判断汽车是否存在侧滑或侧倾运动趋势。
5.根据权利要求4中的基于车载气动力和力矩的实时感知系统的感知方法，其特征在于，步骤3中数字信号结合各个压力传感器所对应的表面测压点局部参考面积s以及各表面测压点到全车力矩参考中心的特征距离z计算汽车受力状况，汽车受力状况包括汽车所受的侧向力Fs以及汽车所受的侧倾力矩MR。
6.根据权利要求5中的基于车载气动力和力矩的实时感知系统的感知方法，其特征在于，所述汽车受力状况具体表示为：
其中，p为汽车前进方向车身的表面测压点压力，s为对应表面测压点的局部参考面积,z为表面测压点到全车力矩参考中心的特征距离,下标i,j,k分别表示右侧车身、左侧车身及车顶。
7.根据权利要求6所述的基于车载气动力和力矩的实时感知系统的感知方法，其特征在于，得到全车的侧向加速度和侧倾角加速度的方法为：对汽车所受的侧向力Fs以及汽车所受的侧倾力矩MR积分得到基于表面压力测量的全车侧向力和侧倾力矩，通过下式求解实时的侧向加速度和侧倾角加速度：
Fs＝K1×M×aFs (3)
MR＝K2×I×αR (4)
其中，aFs为侧向加速度，αR为侧倾角加速度，K1,K2为校准系数，M和I分别为汽车的质量和滚装转动惯量。
8.根据权利要求7所述的基于车载气动力和力矩的实时感知系统的感知方法，其特征在于，将得到的实时侧向加速度和侧倾角加速度与地面实验所得到的数据库和危险阈值进行比对，通过综合感知与预警模块将自主判断当前汽车运动趋势是否存在侧滑或侧倾风险，当判断为存在侧滑或侧倾风险时为驾驶员及时提供预警信号，或形成控制指令，通过汽车的中央控制系统调整汽车的运行速度和方向。
9.根据权利要求8所述的基于车载气动力和力矩的实时感知系统的感知方法，其特征在于，通过地面实验标定获得安全侧向加速度aFs，safe和安全侧倾角加速度αR,safe，将实时的侧向加速度aFs和侧倾角加速度αR分别与安全侧向加速度aFs，safe和安全侧倾角加速度αR,safe比较，若aFs＞aFs，safe或/和αR＞αR,safe，则形成预警信号；汽车处于正常驾驶模式时，预警信号在驾驶舱屏幕上产生红色闪烁亮光，同时发出警示音提示，提醒驾驶员减速和控制方向；汽车处于自动辅助驾驶模式时，基于预警信号形成控制信号，及时调整汽车的运行速度和方向。
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| CN117473769A (zh) * | 2023-11-09 | 2024-01-30 | 中南大学 | 一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法及系统 |
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