CN117131612B - 车辆倾覆预测方法、系统和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种车辆倾覆预测方法、系统。该车辆倾覆预测方法包括：以车辆初始质心为原点构建地面坐标系，以车辆在侧向冲击波作用下发生移动时的车辆质心为原点构建车体坐标系；根据车辆受侧向冲击波作用出现的侧翻角度和横摆角度，获取变换矩阵，所述变换矩阵表征所述车体坐标与所述地面坐标的转换关系；获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一受力参数，并根据所述变换矩阵将所述第一受力参数转换为所述车体坐标系下的第二受力参数；基于所述第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，当所述目标时刻迟于或者等于侧向冲击波的作用结束时刻，根据所述侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
Description
技术领域
本申请涉及车辆动力学理论模型领域，特别是涉及车辆倾覆预测方法、系统和电子设备。
背景技术
冲击波作用下引发的倾覆是车辆毁伤的一种重要形式。因此建立冲击波作用下车辆倾覆分析研究方法，对快速评估车辆毁伤程度以及提升车辆抗倾覆能力等有重要意义。
动力学理论模型是分析动力学响应的一项重要方法，对于车辆而言，其存在多种特定力学环境。车辆一般作为复杂的多体系统，其运动状态是综合车辆本体、驾驶员操纵、周围环境等因素的结果。现有技术通过建立车辆线性动力学模型对偏转运动进行求解，或通过横向稳定性或者纵向稳定性分析预测方法实现解横向或纵向运动求解。
但是现有技术对于冲击波所引发的车辆整体倾覆响应研究较少。通过建立车辆线性动力学模型进行求解无法应用于大角度偏转运动；通过横向稳定性或者纵向稳定性分析预测的方法仅为单个方向的运动求解，无法实现同时对多个运动方向进行预测。
发明内容
本申请实施例提供了一种车辆倾覆预测方法、系统和电子设备，以至少解决相关技术中无法同时对多个运动方向进行预测的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种车辆倾覆预测方法，包括：
以车辆初始质心为原点构建地面坐标系，以车辆在侧向冲击波作用下发生移动时的车辆质心为原点构建车体坐标系；
根据车辆受所述侧向冲击波作用出现的侧翻角度和横摆角度，获取变换矩阵，所述变换矩阵表征所述车体坐标与所述地面坐标的转换关系；
获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一受力参数，并根据所述变换矩阵将所述第一受力参数转换为所述车体坐标系下的第二受力参数；
基于所述第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，当所述目标时刻迟于或者等于侧向冲击波的作用结束时刻，根据所述侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
在一实施例中，所述第一受力参数包括车辆轮胎所承受的第一地面作用力，所述获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一受力参数，包括：
根据车辆轮胎在所述车体坐标系下的第一位置矢量获取所述车辆轮胎在车体坐标系中的第一坐标；
根据所述第一坐标和所述变换矩阵获取车辆轮胎在地面坐标系中的第二坐标；
响应于所述第二坐标沿竖直方向的坐标值等于所述第一坐标沿竖直方向的坐标值，获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一地面作用力。
在一实施例中，所述响应于所述第二坐标沿竖直方向的坐标值等于所述第一坐标沿竖直方向的坐标值，获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一地面作用力，包括：
根据所述侧翻角度和横摆角度获取所述车体坐标系的转动角速度；
根据所述第一坐标、所述变换矩阵、所述转动角速度和所述车辆质心在所述地面坐标系中的速度，获取所述车辆轮胎在所述地面坐标系中的第一速度和第一加速度；
根据所述第一速度和所述第一加速度获取所述车辆轮胎所受的第一地面作用力。
在一实施例中，所述第一受力参数还包括：第一重力矩阵和第一侧向冲击波矩阵；所述根据所述变换矩阵将所述第一受力参数转换为所述车体坐标系下的第二受力参数，包括：
根据所述变换矩阵和所述第一重力矩阵确定第二重力矩阵；
根据所述变换矩阵和所述第一侧向冲击波矩阵确定第二冲击力矩阵；
根据每个轮胎所承受的所述第一地面作用力和所述变换矩阵，确定每个轮胎所承受的第二地面作用力；
基于所述第二重力矩阵、所述第二冲击力矩阵和每个轮胎的所述第二地面作用力确定所述车辆所受合力以及合力矩。
在一实施例中，所述根据所述变换矩阵和所述第一侧向冲击波矩阵确定第二冲击力矩阵，包括：
根据预设的侧向冲击波压强和所述变换矩阵，获取侧向冲击波在所述车体坐标系中的冲击波压强矩阵；
根据所述冲击波压强矩阵和车体尺寸参数，获取所述第二冲击力矩阵。
在一实施例中，所述基于所述第二重力矩阵、所述第二冲击力矩阵和每个轮胎的所述第二地面作用力确定所述车辆所受合力矩，包括：
基于所述第二地面作用力和所述车辆轮胎在所述车体坐标系下的第一位置矢量确定所述车辆轮胎所受的第一力矩；
基于车体的尺寸参数、车辆质心距前端面长度和车辆质心高度确定冲击力在车体坐标系中的第二位置矢量；
基于所述第二冲击力矩阵和所述第二位置矢量确定所述车辆所受的第二力矩；
基于所述第二力矩和每个轮胎所受的所述第一力矩确定所述车辆所受合力矩。
在一实施例中，基于所述第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，包括：
根据所述合力在所述车体坐标系中沿各轴的分量建立受力动力学模型；
根据所述合力矩在所述车体坐标系中沿各轴的分量建立力矩动力学模型；
根据所述受力动力学模型和所述力矩动力学模型，确定所述目标时刻下的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度。
在一实施例中，所述基于所述第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，还包括：
响应于所述目标时刻早于预设的侧向冲击波的作用结束时刻，基于所述横摆角度和侧翻角度更新所述变换矩阵，继续下一目标时刻的计算；
响应于所述目标时刻迟于或者等于侧向冲击波的作用结束时刻，根据所述侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
第二方面，本申请实施例提供了一种车辆倾覆预测系统，包括：
构建模块：用于以车辆初始质心为原点构建地面坐标系，以车辆在侧向冲击波作用下发生移动时的车辆质心为原点构建车体坐标系；
转换模块：用于根据车辆受所述侧向冲击波作用出现的侧翻角度和横摆角度，获取变换矩阵，所述变换矩阵表征所述车体坐标与所述地面坐标的转换关系；
获取模块：用于获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一受力参数，并根据所述变换矩阵将所述第一受力参数转换为所述车体坐标系下的第二受力参数；
预测模块：用于基于所述第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，当所述目标时刻迟于或者等于侧向冲击波的作用结束时刻，根据所述侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：
存储器，处理器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面中任一实施例所述的车辆倾覆预测方法。
本申请实施例提供的车辆倾覆预测方法、系统和电子设备至少具有以下技术效果。
本申请针对车辆主体受到侧面冲击波的情况，提供了考虑侧滑、横摆和侧翻三个主要运动方向的车辆倾覆方法，通过对车辆受力分析获取车辆的受力参数，并将车体在侧向冲击波作用下的第一受力参数转换为车体坐标系下的第二受力参数，基于第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度。以此方式，更为直观地描述车辆在侧向冲击波作用下的运动趋势和位姿变化，实现对于三个方向进行运动预测，解决现有技术中存在的技术缺陷。以此方式，既满足了对主要运动方向上的研究需要，又降低了整体方法的计算复杂度和应用难度。同时，本申请主要针对车辆主体受到侧面冲击环境建立动力学模型，将一个复杂的汽车多体系统进行简化，不仅实现了对车辆本体主要运动的求解并且降低了计算的复杂度。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的车辆倾覆预测方法的流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的获取第一受力参数的流程图；
图3是根据一示例性实施例示出的获取第一地面作用力的流程图；
图4是根据一示例性实施例示出的获取第二受力参数的流程图；
图5是根据一示例性实施例示出的获取第二冲击力矩阵的流程图；
图6是根据一示例性实施例示出的获取车辆所受合力矩的流程图；
图7是根据一示例性实施例示出的建立动力学模型的流程图；
图8是根据一示例性实施例示出的侧滑位移时间历程；
图9是根据一示例性实施例示出的侧翻角度位移时间历程；
图10是根据一示例性实施例示出的横摆角度位移时间历程；
图11是根据一示例性实施例示出的车辆质心位置对横摆角度的影响；
图12是根据一示例性实施例提供的车辆倾覆预测系统的框图；
图13为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块（单元）的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
第一方面，本申请实施例提供了一种车辆倾覆预测方法，图1是根据一示例性实施例示出的车辆倾覆预测方法的流程图，如图1所示，车辆倾覆预测方法包括：
步骤S101，以车辆初始质心为原点构建地面坐标系，以车辆在侧向冲击波作用下发生移动时的车辆质心为原点构建车体坐标系。
其中，车体坐标系为固定于车体的坐标系，车体坐标系原点始终位于车辆质心位置，坐标轴方向与车体保持相对固定。具体来说，当车体受到侧向冲击波作用发生移动时，车体坐标系原点随车辆同步移动，车体坐标系各坐标轴随车体发生转动。通过构车体坐标系和地面坐标系便于对于后续车辆运动检测数据进行坐标转换，降低后续计算的复杂度。
步骤S102，根据车辆受侧向冲击波作用出现的侧翻角度和横摆角度，获取变换矩阵，变换矩阵表征车体坐标与地面坐标的转换关系。
其中，车体坐标系的y轴偏转角度用于描述侧翻角度，z轴偏转角度用于描述横摆角度。具体地，通过欧拉角实现两个坐标系中矢量的转换。换言之，地面坐标系中矢量通过欧拉角（0，θ，）的旋转可变换到车体坐标系中，各轴变换矩阵如下：。其中，θ表示侧翻角度，/>表示横摆角度。
在步骤S102中所获取的转换关系包括地面坐标系到车体坐标系的转换矩阵Lcg，以及车体坐标系到地面坐标系的转换矩阵Lgc。地面坐标系中矢量转换到车体坐标系中矢量的变换矩阵，为各轴的变换矩阵的点积：。
车体坐标系中矢量转换到地面坐标系的变换矩阵为Lcg的逆矩阵：。
步骤S103，获取车辆轮胎在地面坐标系下的第一受力参数，并根据变换矩阵将第一受力参数转换为车体坐标系下的第二受力参数。
可选地，在步骤S103中基于车辆的尺寸参数对车辆轮胎进行受力分析，所得到的第一受力参数包括车辆轮胎所承受的第一地面作用力、第一重力矩阵和第一侧向冲击波矩阵。基于第一受力参数，根据步骤S102中获取的变换矩阵确定第二受力参数，此时第二受力参数转换包括车辆所受的合力和合力矩。
其中，车体坐标系原点在地面坐标系下的坐标用于描述车辆平移运动，车体坐标系的y轴偏转角度用于描述侧翻角度，z轴偏转角度用于描述横摆角度。因此，将车体在侧向冲击波作用下的第一受力参数转换为车体坐标系下的第二受力参数，更为直观地描述车辆在侧向冲击波作用下的运动趋势和位姿变化。进而，通过坐标系的转换降低了整体方法的计算复杂度和应用难度。
步骤S104，基于第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，当目标时刻等于或者迟于侧向冲击波的作用结束时刻，根据侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
可选地，在步骤S104中根据车辆所受的合力在车体坐标系中沿各轴的分量建立受力动力学模型，根据合力矩在车体坐标系中沿各轴的分量建立力矩动力学模型。并对受力动力学模型和力矩动力学模型进行求解得到车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度。对比计算求解的时刻和侧向冲击波的作用时间历程的结束时刻，用于判断冲击是否结束。以此方式，获取车辆在受到侧向冲击波时，侧滑、横摆和侧翻三个运动方向上的响应情况，满足对主要运动方向上加速度、速度和位移的历程的研究需要。
综上所述，本申请针对车辆主体受到侧面冲击波的情况，提供了考虑侧滑、横摆和侧翻三个主要运动方向的车辆倾覆方法，通过对车辆受力分析获取车辆的受力参数，并将车体在侧向冲击波作用下的第一受力参数转换为车体坐标系下的第二受力参数，基于第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度。以此方式，更为直观地描述车辆在侧向冲击波作用下的运动趋势和位姿变化，现对于三个方向进行运动预测，解决现有技术中存在的技术缺陷。以此方式，既满足了对主要运动方向上的研究需要，又降低了整体方法的计算复杂度和应用难度。同时，本申请主要针对车辆主体受到侧面冲击环境建立动力学模型，将一个复杂的汽车多体系统进行简化，不仅实现了对车辆本体主要运动的求解并且降低了计算的复杂度。
在本申请实施例中，提供了关于步骤S103和步骤S104更详细的实现方案， 以下进行详细阐述。
<步骤S103的实现方式>
在一个示例中，第一受力参数包括车辆轮胎所承受的第一地面作用力，其中，基于车辆的尺寸参数确定轮胎的第一地面作用力。在该示例中涉及到的车辆尺寸参数如表1所示。
表1 车辆相关参数与其符号的对应关系表
图2是根据一示例性实施例示出的获取第一受力参数的流程图。如图2所示，步骤S103中获取车辆轮胎在地面坐标系下的第一受力参数，包括：
步骤S1031，根据车辆轮胎在车体坐标系下的第一位置矢量获取车辆轮胎在车体坐标系中的第一坐标。可选地，第一位置矢量为前轴距或后轴距，根据前轴距或后轴距可获取车辆轮胎在车体坐标系中的第一坐标rtcal。
步骤S1032，根据第一坐标和变换矩阵获取车辆轮胎在地面坐标系中的第二坐标。可选地，通过变换矩阵得到车辆轮胎在地面坐标系中的坐标rtal，具体计算公式如下：。
其中，rg表示车辆质心在地面坐标中的坐标，Lgc为将车体坐标系中矢量转换到地面坐标系的变换矩阵。
步骤S1033，响应于第二坐标中沿竖直方向的坐标值等于第一坐标中沿竖直方向的坐标值，获取车辆轮胎在地面坐标系下的第一地面作用力。
可选地，将地面假设为水平路面，忽略地面起伏不平对车辆运动的影响，车辆轮胎和地面的相互作用通过轮胎附着系数进行描述。将轮胎运动分解为随车体质心的平动和绕质心的转动，通过轮胎在地面坐标系中的沿竖直方向的坐标值判断轮胎是否处于离地状态。具体来说，若第二坐标中沿竖直方向的坐标值等于第一坐标中沿竖直方向的坐标值，表明轮胎未离地。若第二坐标中沿竖直方向的坐标值小于第一坐标中沿竖直方向的坐标值，表明轮胎离地，说明车辆处于侧翻状态，轮胎未受到地面作用力。
在该示例中，当判断轮胎未离地时，计算轮胎所受的第一地面作用力，以供后续预测车辆的倾覆情况。
在一个示例中，图3是根据一示例性实施例示出的获取第一地面作用力的流程图。如图3所示，步骤S1033具体包括：
步骤S301，根据侧翻角度和横摆角度获取车体坐标系的转动角速度。计算公式如下所示：。
其中，是车体坐标系的转动角速度，为欧拉角（0，θ，/>）的时间导数。
步骤S302，根据第一坐标、变换矩阵、转动角速度和车辆质心在地面坐标系中的速度，获取车辆轮胎在地面坐标系中的第一速度和第一加速度。车辆轮胎在地面坐标系中的速度drtal计算公式如下所示： 。其中，dr是车辆质心的速度，/>是车体坐标系的转动角速度，Lgc为将车体坐标系中矢量转换到地面坐标系的变换矩阵，rtcal为车辆轮胎在车体坐标系中的第一坐标。
步骤S303，根据第一速度和第一加速度获取车辆轮胎受地面作用力。
其中，对第一速度求导获取第一加速度，对轮胎运动的分析得到轮胎受地面作用力Fal。
在一个示例中，第一受力参数还包括：第一重力矩阵和第一侧向冲击波矩阵。图4是根据一示例性实施例示出的获取第二受力参数的流程图。如图4所示，根据变换矩阵将第一受力参数转换为车体坐标系下的第二受力参数，包括：
步骤S1034，根据变换矩阵和第一重力矩阵确定第二重力矩阵。其中重力在地面坐标系下的矩阵为重力矩阵，其在地面中的矩阵G为：。
参照表1，m为整车质量，g为重力加速度。通过变换矩阵Lcg可得到其在车体坐标系中的分布：。
步骤S1035，根据变换矩阵和第一侧向冲击波矩阵确定第二冲击力矩阵。
可选地，图5是根据一示例性实施例示出的获取获取第二冲击力矩阵的流程图。如图5所示，步骤S1035具体包括：
步骤S501，根据预设的侧向冲击波压强和变换矩阵，获取侧向冲击波在车体坐标系中的冲击波压强矩阵。其中，本申请中所关注的冲击来向为车辆侧面方向，侧向冲击在地面坐标系中的矩阵为：。
其中，侧向冲击波表示为压强-时间历程P(t)。通过变换矩阵Lcg可以得到冲击波压强矩阵Pc在车体坐标系中的分布：。
步骤S502，根据冲击波压强矩阵和车体尺寸参数，获取第二冲击力矩阵。
可选地，通过车体尺寸参数，建立冲击力压强转为冲击作用力的变换矩阵Lfp：。
参考表1，参数L、B、H分别为车辆长度、宽度和高度，通过变换矩阵Lfp获取冲击作用力在车体坐标系中的矩阵Fpc：。
在该示例中，将作用于车体侧面的冲击历程转为车体上的载荷分布，冲击波作用力和力矩会随着车辆的不同姿态角而改变，这种变化体现在后续所建立的车辆动力学方程组中，求解的分析结果会更好吻合冲击波作用特性。
继续参见图4，在步骤S1035之后执行以下步骤：
步骤S1036，根据每个轮胎所承受的第一地面作用力和变换矩阵，确定每个轮胎所承受的第二地面作用力。通过坐标变换获取车辆轮胎在车体坐标系中所受第二地面作用力Fcal。。
可选地，车辆的每个轮胎受地面作用力和力矩如表2所示。
表2 轮胎受力与力矩对应表
| 轮胎 | 力 | 力矩 |
| 左前轮 | Fcal | Mcal |
| 右前轮 | Fcar | Mcar |
| 左后轮 | Fcbl | Mcbl |
| 右后轮 | Fcbr | Mcbr |
步骤S1037，基于第二重力矩阵、第二冲击力矩阵和每个轮胎的第二地面作用力确定车辆所受合力以及合力矩。
参考表2，综合各作用力在车体坐标系中的分量，求和得到其合力F具体表示为：。
可选地，当有轮胎处于离地状态时，不分析和计算离地轮胎所受地面作用力。
在一个示例中，图6是根据一示例性实施例示出的获取车辆所受合力矩的流程图。如图6所示，步骤S1037中基于第二重力矩阵、第二冲击力矩阵和每个轮胎的第二地面作用力确定车辆所受合力矩，包括：
步骤S601，基于第二地面作用力和车辆轮胎在车体坐标系下的第一位置矢量确定车辆轮胎所受的第一力矩。其中，第一力矩Mcal的计算方式如下：。
步骤S602，基于车体的尺寸参数、车辆质心距前端面长度和车辆质心高度确定冲击力在车体坐标系中的第二位置矢量。各方向的冲击力在车体坐标系中作用点的位置矢量Lmf计算公式如下：。
其中，参照表1，参数CH、CL、H和L分别表示质心高度、质心距前端面长度、车辆高度和车辆长度。
步骤S603，基于第二冲击力矩阵和第二位置矢量确定车辆所受的第二力矩。可选地，第二力矩Mpc的计算方式如下：。
步骤S604，基于第二力矩和每个轮胎所受的第一力矩确定车辆所受合力矩。可选地，参考表2，车辆所受合力矩计算方式如下：。
可选地，当有轮胎处于离地状态时，说明车辆处于侧翻状态，轮胎未受到地面作用力矩。不分析和计算离地轮胎所受的第一力矩。
<步骤S104的实现方式>
在一个示例中，图7是根据一示例性实施例示出的建立动力学模型的流程图。如图7所示，基于第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，包括：
步骤S1041，根据合力在车体坐标系中沿各轴的分量建立受力动力学模型。具体方程如下所示：。
其中，Fx、Fy、Fz是合力F在车体坐标系中沿各轴的分量，和/>是车体侧滑的速度和加速度，/>是分别是车体的侧翻角速度和横摆角速度。
步骤S1042，根据合力矩在车体坐标系中沿各轴的分量建立力矩动力学模型。具体方程如下所示：。
其中，Mx、My、Mz是合力矩M在车体坐标系中沿各轴的分量，是车体坐标系相对于地面坐标系的转动角加速度，转动惯量I包括车辆绕质心坐标系y轴的转动惯量Iy和绕z轴的转动惯量Iz，可根据实际车辆参数计算得到。
步骤S1043，根据受力动力学模型和力矩动力学模型，确定目标时刻下的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度。
求解动力学模型得到车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度。对比计算求解的时刻和侧向冲击波的作用时间历程的结束时刻，用于判断冲击是否结束。以此方式，获取车辆在受到侧向冲击波时，侧滑、横摆和侧翻三个运动方向上的响应情况，满足对主要运动方向上加速度、速度和位移的历程的研究需要。
在一个示例中，基于第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，还包括：
响应于目标时刻早于预设的侧向冲击波的作用结束时刻，基于横摆角度和侧翻角度更新变换矩阵，继续下一目标时刻的计算。响应于目标时刻等于或者迟于侧向冲击波的作用结束时刻，根据侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
可选地，所述倾覆预测结果包括车辆的侧滑、横摆或侧翻状态，以及具体的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度的具体数值。以此方式，获取车辆在受到侧向冲击波时，侧滑、横摆和侧翻三个运动方向上的响应情况，满足对主要运动方向上加速度、速度和位移的历程的研究需要。
基于上述倾覆预测方法提供以下具体实施例。
冲击波超压峰值为76.0kPa，正压作用时间为0.99s，通过数值仿真方法得到冲击波在车辆上的载荷数据。该车辆的主要参数：满载质量80t，车长23m，车宽3m，车高3m，车辆轮胎的附着系数为0.7。
计算结果如图8、图9、图10所示，图8是根据一示例性实施例示出的侧滑位移时间历程，图9是根据一示例性实施例示出的侧翻角度位移时间历程，图10是根据一示例性实施例示出的横摆角度位移时间历程。同时，图11是根据一示例性实施例示出的车辆质心位置对横摆角度的影响，如图11所示，随着质心位置逐渐靠近车辆几何中心，车体的横摆角度越来越小。
在该示例中，通过上述实施例中的方式能够预测侧向冲击波作用下车辆在侧滑、侧翻和横摆三个运动方向上的响应。同时通过调整质心位置还会影响车辆的横摆角度，表明本申请在研究车辆抗倾覆设计方面具有指导和应用价值。
综上所述，本申请针对车辆主体受到侧面冲击波的情况，将一个复杂的汽车多体系统进行简化，不仅实现了对车辆本体主要运动的求解并且降低了计算的复杂度。本申请提供了考虑侧滑、横摆和侧翻三个主要运动方向的车辆倾覆方法，通过对车辆受力分析获取车辆的受力参数，并将车体在侧向冲击波作用下的第一受力参数转换为车体坐标系下的第二受力参数，基于第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，并且在建立动力学方程和求解过程中没有进行小角度近似算法，能够满足高强冲击载荷作用下，车辆大位移、大角度的运动响应求解计算。以此方式，实现对于三个方向进行运动预测，解决现有技术中存在的技术缺陷。本申请所提供的车辆倾覆预测方法既满足了对主要运动方向上的研究需要，又降低了整体方法的计算复杂度和应用难度。同时本发明将作用于车体侧面的冲击历程转为车体上的载荷分布，其作用力和力矩会随着车辆的不同姿态角而改变，这种变化体现在所建立的车辆动力学方程组中，求解的分析结果会更好吻合冲击波作用特性。
第二方面，本申请实施例提供了一种车辆倾覆预测系统，图12是根据一示例性实施例提供的车辆倾覆预测系统的框图，如图12所示，所述系统包括：
构建模块100：用于以车辆初始质心为原点构建地面坐标系，以车辆在侧向冲击波作用下发生移动时的车辆质心为原点构建车体坐标系；
转换模块200：用于根据车辆受侧向冲击波作用出现的侧翻角度和横摆角度，获取变换矩阵，变换矩阵表征车体坐标与地面坐标的转换关系；
获取模块300：用于获取车辆轮胎在地面坐标系下的第一受力参数，并根据变换矩阵将第一受力参数转换为车体坐标系下的第二受力参数；
预测模块400：用于基于第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，当目标时刻迟于或者等于侧向冲击波的作用结束时刻，根据侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
在一个示例中，第一受力参数包括车辆轮胎所承受的第一地面作用力，获取模块300中，获取车辆轮胎在地面坐标系下的第一受力参数，包括：
第一坐标获取单元：用于根据车辆轮胎在车体坐标系下的第一位置矢量获取车辆轮胎在车体坐标系中的第一坐标；
第二坐标获取单元：用于根据第一坐标和变换矩阵获取车辆轮胎在地面坐标系中的第二坐标；
获取单元：用于响应于第二坐标沿竖直方向的坐标值等于第一坐标沿竖直方向的坐标值，获取车辆轮胎在地面坐标系下的第一地面作用力。
在一个示例中，获取模块300中的获取单元具体包括：
第一获取子单元：用于根据侧翻角度和横摆角度获取车体坐标系的转动角速度；
第二获取子单元：用于根据第一坐标、变换矩阵、转动角速度和车辆质心在地面坐标系中的速度，获取车辆轮胎在地面坐标系中的第一速度和第一加速度；
第三获取子单元：用于根据第一速度和第一加速度获取车辆轮胎所受的第一地面作用力。
在一个示例中，获取模块300中，所述第一受力参数还包括：第一重力矩阵和第一侧向冲击波矩阵；根据变换矩阵将第一受力参数转换为车体坐标系下的第二受力参数，包括：
重力确定单元：用于根据变换矩阵和第一重力矩阵确定第二重力矩阵；
冲击力确定单元：用于根据变换矩阵和第一侧向冲击波矩阵确定第二冲击力矩阵；
地面作用力确定单元：用于根据每个轮胎所承受的第一地面作用力和变换矩阵，确定每个轮胎所承受的第二地面作用力；
确定单元：用于基于第二重力矩阵、第二冲击力矩阵和每个轮胎的第二地面作用力确定车辆所受合力以及合力矩。
在一个示例中，获取模块300中的冲击力确定单元具体包括：
第一获取子单元：用于根据预设的侧向冲击波压强和变换矩阵，获取侧向冲击波在车体坐标系中的冲击波压强矩阵；
第二获取子单元：用于根据冲击波压强矩阵和车体尺寸参数，获取第二冲击力矩阵。
在一个示例中，获取模块300中的确定单元具体包括：
第一力矩确定子单元：用于基于第二地面作用力和车辆轮胎在车体坐标系下的第一位置矢量确定车辆轮胎所受的第一力矩；
第二位置矢量确定子单元：用于基于车体的尺寸参数、车辆质心距前端面长度和车辆质心高度确定冲击力在车体坐标系中的第二位置矢量；
第二力矩确定子单元：用于基于第二冲击力矩阵和第二位置矢量确定车辆所受的第二力矩；
合力矩确定子单元：用于基于所述第二力矩和每个轮胎所受的所述第一力矩确定所述车辆所受合力矩。
在一个示例中，预测模块400具体包括：
受力模型构建单元：用于根据合力在车体坐标系中沿各轴的分量建立受力动力学模型；
力矩模型构建单元：用于根据合力矩在车体坐标系中沿各轴的分量建立力矩动力学模型；
求解单元：用于根据受力动力学模型和力矩动力学模型，确定目标时刻下的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度。
在一个示例中，预测模块400还包括：
计算单元：用于响应于目标时刻早于预设的侧向冲击波的作用结束时刻，基于横摆角度和侧翻角度更新变换矩阵，继续下一目标时刻的计算；
预测单元：用于响应于目标时刻迟于或者等于侧向冲击波的作用结束时刻，根据侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
综上所述，本申请针对车辆主体受到侧面冲击波的情况，将一个复杂的汽车多体系统进行简化，实现对车辆本体主要运动的求解。本申请提供了考虑侧滑、横摆和侧翻三个主要运动方向的车辆倾覆方法，通过获取模块300对车辆受力分析获取车辆的第一受力参数，并通过转换模块200将车体在侧向冲击波作用下的第一受力参数转换为车体坐标系下的第二受力参数，通过预测模块400基于第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，并且在建立动力学方程和求解过程中没有进行小角度近似算法，能够满足高强冲击载荷作用下，车辆大位移、大角度的运动响应求解计算。以此方式，实现对于三个方向进行运动预测，解决现有技术中存在的技术缺陷。本申请既满足了对主要运动方向上的研究需要，又降低了因计算复杂导致求解和应用的难度。同时本发明将作用于车体侧面的冲击历程转为车体上的载荷分布，其作用力和力矩会随着车辆的不同姿态角而改变，这种变化体现在所建立的车辆动力学方程组中，求解的分析结果会更好吻合冲击波作用特性。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备。图13为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。所述电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面提供的车辆倾覆预测方法，图13显示的电子设备60仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
电子设备60可以以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备60的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器61、上述至少一个存储器62、连接不同系统组件(包括存储器62和处理器61)的总线63。
总线63包括数据总线、地址总线和控制总线。
存储器62可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)621和/或高速缓存存储器622，还可以进一步包括只读存储器(ROM)623。
存储器62还可以包括具有一组(至少一个)程序模块624的程序/实用工具625，这样的程序模块624包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
处理器61通过运行存储在存储器62中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如本申请实施例1的车辆倾覆预测方法。
电子设备60也可以与一个或多个外部设备64(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口65进行。并且，模型生成的设备60还可以通过网络适配器66与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器66通过总线63与模型生成的设备60的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合模型生成的设备60使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID（磁盘阵列）系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种车辆倾覆预测方法，其特征在于，包括：
以车辆初始质心为原点构建地面坐标系，以车辆在侧向冲击波作用下发生移动时的车辆质心为原点构建车体坐标系；
根据车辆受所述侧向冲击波作用出现的侧翻角度和横摆角度，获取变换矩阵，所述变换矩阵表征所述车体坐标与所述地面坐标的转换关系；
获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一受力参数，并根据所述变换矩阵将所述第一受力参数转换为所述车体坐标系下的第二受力参数，第一受力参数包括车辆轮胎所承受的第一地面作用力、第一重力矩阵和第一侧向冲击波矩阵，第二受力参数包括车辆所受的合力和合力矩；
基于所述第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，当所述目标时刻迟于或者等于侧向冲击波的作用结束时刻，根据所述侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
2.根据权利要求1所述的车辆倾覆预测方法，其特征在于，所述第一受力参数包括车辆轮胎所承受的第一地面作用力，所述获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一受力参数，包括：
根据车辆轮胎在所述车体坐标系下的第一位置矢量获取所述车辆轮胎在车体坐标系中的第一坐标；
根据所述第一坐标和所述变换矩阵获取车辆轮胎在地面坐标系中的第二坐标；
响应于所述第二坐标沿竖直方向的坐标值等于所述第一坐标沿竖直方向的坐标值，获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一地面作用力。
3.根据权利要求2所述的车辆倾覆预测方法，其特征在于，所述响应于所述第二坐标沿竖直方向的坐标值等于所述第一坐标沿竖直方向的坐标值，获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一地面作用力，包括：
根据所述侧翻角度和横摆角度获取所述车体坐标系的转动角速度；
根据所述第一坐标、所述变换矩阵、所述转动角速度和所述车辆质心在所述地面坐标系中的速度，获取所述车辆轮胎在所述地面坐标系中的第一速度和第一加速度；
根据所述第一速度和所述第一加速度获取所述车辆轮胎所受的第一地面作用力。
4.根据权利要求2所述的车辆倾覆预测方法，其特征在于，所述第一受力参数还包括：第一重力矩阵和第一侧向冲击波矩阵；所述根据所述变换矩阵将所述第一受力参数转换为所述车体坐标系下的第二受力参数，包括：
根据所述变换矩阵和所述第一重力矩阵确定第二重力矩阵；
根据所述变换矩阵和所述第一侧向冲击波矩阵确定第二冲击力矩阵；
根据每个轮胎所承受的所述第一地面作用力和所述变换矩阵，确定每个轮胎所承受的第二地面作用力；
基于所述第二重力矩阵、所述第二冲击力矩阵和每个轮胎的所述第二地面作用力确定所述车辆所受合力以及合力矩。
5.根据权利要求4所述的车辆倾覆预测方法，其特征在于，所述根据所述变换矩阵和所述第一侧向冲击波矩阵确定第二冲击力矩阵，包括：
根据预设的侧向冲击波压强和所述变换矩阵，获取侧向冲击波在所述车体坐标系中的冲击波压强矩阵；
根据所述冲击波压强矩阵和车体尺寸参数，获取所述第二冲击力矩阵。
6.根据权利要求4所述的车辆倾覆预测方法，其特征在于，所述基于所述第二重力矩阵、所述第二冲击力矩阵和每个轮胎的所述第二地面作用力确定所述车辆所受合力矩，包括：
基于所述第二地面作用力和所述车辆轮胎在所述车体坐标系下的第一位置矢量确定所述车辆轮胎所受的第一力矩；
基于车体的尺寸参数、车辆质心距前端面长度和车辆质心高度确定冲击力在车体坐标系中的第二位置矢量；
基于所述第二冲击力矩阵和所述第二位置矢量确定所述车辆所受的第二力矩；
基于所述第二力矩和每个轮胎所受的所述第一力矩确定所述车辆所受合力矩。
7.根据权利要求4所述的车辆倾覆预测方法，其特征在于，基于所述第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，包括：
根据所述合力在所述车体坐标系中沿各轴的分量建立受力动力学模型；
根据所述合力矩在所述车体坐标系中沿各轴的分量建立力矩动力学模型；
根据所述受力动力学模型和所述力矩动力学模型，确定所述目标时刻下的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度。
8.根据权利要求1所述的车辆倾覆预测方法，其特征在于，所述基于所述第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，还包括：
响应于所述目标时刻早于预设的侧向冲击波的作用结束时刻，基于所述横摆角度和侧翻角度更新所述变换矩阵，继续下一目标时刻的计算；
响应于所述目标时刻迟于或者等于侧向冲击波的作用结束时刻，根据所述侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
9.一种车辆倾覆预测系统，其特征在于，包括：
构建模块：用于以车辆初始质心为原点构建地面坐标系，以车辆在侧向冲击波作用下发生移动时的车辆质心为原点构建车体坐标系；
转换模块：用于根据车辆受所述侧向冲击波作用出现的侧翻角度和横摆角度，获取变换矩阵，所述变换矩阵表征所述车体坐标与所述地面坐标的转换关系；
获取模块：用于获取车辆轮胎在所述地面坐标系下的第一受力参数，并根据所述变换矩阵将所述第一受力参数转换为所述车体坐标系下的第二受力参数；
预测模块：用于基于所述第二受力参数构建动力学模型，求解目标时刻下车辆的侧滑位移、横摆角度和侧翻角度，当所述目标时刻迟于或者等于侧向冲击波的作用结束时刻，根据所述侧滑位移、横摆角度和侧翻角度获取车辆倾覆预测结果。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，
处理器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8中任一项所述的车辆倾覆预测方法。
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