基于TTR和LTR的轻型客车侧翻预警及仿真.pdf

汽车技术 A u t o m o b il eT e ch n o l o g y 基于T T R 和L T R 的轻型客车侧翻预警及仿真 肖葵1 余卓平2 熊璐2 ( 1 同济大学中德学院，上海2 0 0 0 9 2 ；2 同济大学汽车学院，上海2 0 1 8 0 4 ) 【摘要】针对某轻型客车的非绊倒性侧翻机理进行了分析，提出了基于丌R 和L T R 的车辆侧翻预测方法，并建立了 T r u 。k S i。和S im 。l in k 的联合仿真模型，利用该模型对轻型客车在鱼钩工况下的侧翻性能进行了仿真。仿真结果表明，所建 立的侧翻预警系统能适时地对轻型客车进行侧翻预警，且在鱼钩工况下T T R = 0 4 时的预警最可靠。 主题词：轻型客车鱼钩工况侧翻预警 中图分类号：U 4 6 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 3 7 0 3 ( 2 0 1 7 ) 0 6 - 0 0 0 7 - 0 4 R o l l o v e rW a r n in ga n dS im u l a t io no fL ig h tB u sw it hT T Ra n dL T R X ia oK u il ，Y uZ h u o p in 9 2 ，X io n gL u 2 7 ( 1 S io n - G e r m a nC o l l e g eo fT o n g j iU n iv e r s it y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ；2 S ch o o lo fA u t co m o t iv eS t u d ie s ，T o n g j iU n iv e r s it y ， S h a n g h a i，2 0 1 8 0 4 ) 【A b s t r a ct 】U n t r ip p e dr o l l o v e rm e ch a n is mo fal ig h t b u sisa n a l y z e dint h isp a p e r ，a n dav e h icl er o l l o v e rp r e d ict io n m e t h o db a s e do nr 豫a n dL T Risp r o p o s e d ，a n dC O s im u l a t io nm o d e lisb u il t inT r u ck S ima n dS im u l in k ，t h a tisu s e dt o s im u l a t et h er o l l o v e rb e h a v io ro fl ig h tb u sinf is h h o o kco n d it io n s T h es im u l a t io nr e s u l t ss h o wt h a tt h eb u il tr o l l o v e rw a r n in g s y s t e mca nw a r nt h el ig h tb u sinat im e l ym a n n e r ，a n ditcanp r o v id et h em o s tr e l ia b l ew a r n in gw h e nT T R = O 4inf is h h o o k co n d it io n s K e yw o r d s ：L ig h tb u s ，F is h h o o k ，R o l l o v e r ，W a r n in g 1 前言 据相关统计资料表明”1 ，仅2 0 1 5 年，营运客货车辆 肇事总计5 0 4 万件，占汽车责任事故总量的3 0 5 ，因 客车翻车事故导致乘员死亡的人数占客车乘员总死亡 人数的2 7 4 ，客车侧翻已经成为破坏人们生命财产以 及交通安全的重要问题，因此针对客车侧翻的研究备受 国内外学者的关注。 为了提高车辆的侧倾稳定性，侧翻预警系统在汽车 稳定性控制中得到了广泛应用。如，P r e s t o nT h o m a sJ 等 人【2 】提出了基于横向载荷转移率( L a t e r a lL o a dT r a n s f e r R a t io ，L T R ) 的汽车稳定性控制和预警系统；C h e nB o 等 人提出了基于侧翻时间r I Y I R ( T im eT oR o l l o v e r ) 的预警 算法；C h a dL a r is h 等人” 于2 0 1 3 年提出了利用P L T R ( P r e d ict iv eL T R ) 指标来评定车辆的侧翻危险程度，提高 了预警系统的实时性；成光华等人 5 1 开发出基于1 T r R 的 侧翻预警控制器；于志新等人”，提出了实时的r r R 侧翻 预警算法和防侧翻L Q R 最优主动控制策略；朱天军”】开 发了重型车辆侧翻预警车载测试平台。虽然国内外学 2 0 1 7 年第6 期 者对防侧翻预警的研究取得了一定成果，但这些研究主 要应用于重型半挂车，针对轻型客车的研究较少，而且 大部分侧翻研究并未对侧翻预警值的设定进行分析。 为此，针对轻型客车的侧翻特点，本文提出了基于 T T R 和L T R 的侧翻预警算法，建立了侧翻预警模型，并 利用L T R 算法计算出了轻型客车模型的侧倾阈值。通 过在鱼钩工况下对轻型客车模型的联合仿真，设定出 了1 T r R 预警值，并对该1 Y I R 预警值的合理性进行了试 验验证。 2 轻型客车侧翻机理 汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动 9 0 。或更大角度，以至车身与地面相接触的一种危险的 侧向运动。引起轻型客车侧翻的因素很多，如轻型客车 结构、道路条件和驾驶员误操作等。汽车侧翻可分为绊 倒性侧翻( T r ip p e dR o l l o v e r ) 和曲线运动引起的侧翻 ( M a n e u v e rI n d u ce dR o l l o v e r ) 两类，绊倒性侧翻是指汽车 行驶时产生侧向滑移，与路面上的障碍物侧向撞击而将 其“绊倒”；曲线运动引起的侧翻指汽车在道路上行驶 一一7 一 肖葵，等：基于，I T I R 和L T R 的轻型客车侧翻预警及仿真 时，由于汽车的侧向加速度超过一定限值而使得汽车内 侧车轮的垂直反力为零而引起的侧翻。 绊倒性侧翻主要是由于驾驶员酒后驾驶、疲劳驾 驶、超速行驶、高速公路上超车行驶等行为导致的；曲线 运动引起的侧翻与汽车本身的设计及车辆行驶时的道 路线形有关，如车辆的重心高度、轮距、轮胎特性以及在 弯道或高速变道上行驶等m I 。本文主要针对曲线运动引 起的侧翻进行预警算法及仿真分析研究。 3 侧翻预警算法 侧翻预警的目的是在车辆即将发生侧翻危险时，能 够给驾驶员或车辆主动安全系统提供信息，使其能够有 充足的时间做出反应，避免侧翻事故的发生。 3 1 侧翻预警算法原理 本文采用基于丁豫的侧翻预警算法，丁豫表示车 辆当前状态距离发生侧翻所需要的时间，其反映出车 辆发生侧翻风险的程度，7 1 豫值越小，说明车辆发生侧 翻的风险越大，若T T R = O ，说明车辆已经发生侧翻。因 此，根据m 的数值可以设定一个预警值，以提醒驾驶 员或侧翻控制装置采取有效防侧翻措施，避免发生车 辆侧翻事故。 3 2 侧翻预测模型 在侧翻预警算法中，定义车身侧倾到一边轮胎与地 面作用力为0 时的汽车侧倾角为r 豫的侧翻参考角，即 侧倾阈值妒。本文在计算刀暖时，定义车辆朝逆时针 方向侧倾为正向侧倾，所得到的侧倾角为正值。正向侧 倾时的r 豫阈值为9 l ；车辆朝顺时针方向侧倾为反向 侧倾，反向侧倾角为负值，丁豫阈值为妒：。尽管侧倾阈 值因车型而异，但9 ，= 妒：，如图l 所示。 劁1 车辆侧倾角，J i息 由于车辆侧倾方向是不确定的，设正、反向侧翻预 测值分别为丁豫和r 豫：，则车辆侧翻预测值珊取二 者的最小值。 首先计算r 豫值，设妒。= 驴，若当前时刻的车辆侧 倾角9 ( i) 妒。，判定车辆已经发生侧翻，这时丁豫 = o ； 若9 ( i) 妒。，则7 1 豫。计算式为： 一8 一 f ：坠掣v 妒( i) 0 ( 1 ) 矿( i) ” 丌R 。= m in P o s iN u m ( t ，X ) ( 2 ) 式中，t 为车辆达到侧倾阈值的时间；x 为设定时间。 式( 2 ) 的函数意义为选取参量t 、X 中的最小值。 丁豫：的推导与丁豫。的推导相同”】。因此，可以根据上式 建立丁豫的S im u l in k 模型，如图2 所示。 i车辆侧倾f f 图2 侧翻预测值r 豫的S im u l in k 模型 3 3 侧倾阈值确定 目前，通常选取车辆横向载荷转移率、侧倾角或侧 向加速度作为大型车辆的侧翻指标。考虑到车辆的动 态特性，以车辆的动态横向载荷转移率L T R 。作为轻型 客车侧翻指标，并用其确定轻型客车的侧倾阈值。 动态载荷转移率z 品表达式为： 2 卜r 妒札r 妒j (3)LTRd = _ r 上 ”7 m g 式中，k 。为轻型客车悬架的等效刚度；C ，为轻型客车悬 架的等效阻尼；9 为侧倾角；g 为车辆侧倾角的变化 率；m 为轻型客车质量；g 为重力加速度；T 为轮距。 根据式( 3 ) 可建立动态横向转移率L T R 。的S im u l in k 模型，如图3 所示。 图3 动态横向载荷转移率L T R 。的S im u l in k 模型 根据相关文献“，为了保证车辆的行驶安全，L T D 。 的门限值一般设定为0 9 。将车辆相关参数输入S im u 1 in k 模型便可求出L T D 。= 0 9 1 t , 寸车辆的侧倾阈值妒o 。 汽车技术 肖葵，等：基于1 v r R 和L T R 的轻型客车侧翻预警及仿真 本文选取的车辆模型为软件T r u ck S im 中的轻型客 车模型T o u rB u sL o a d e d T o u rB u sL o a d e d 的T r u ck S im 模型如图4 所示。软件T r u ck S im 提供了T o u rB u sL o a d e d 的所有车辆参数，部分参数如表l 所列。将车辆参数代 入式( 3 ) ，可得到L T D 。= 0 9 时车辆侧倾角为2 5 。，即该轻 型客车模型的侧倾阈值妒。= 2 5 。j ；I4l I I | ；I I 、1 I Ir 0l n _ k S if 池”。o 表1T o u rB u sL o a d e d 的部分参数 车身质量m k g 63 6 0 质心高度h , m m l2 0 0 车身侧翻惯量，。k g m 2 76 9 5 6 车身俯仰惯量，。k g m 1 3 07 8 2 4 车身横摆惯量l J k g 一2 3 07 8 2 4 前轮距B l m m 20 3 0 后轮距B , _ m m l8 6 3 悬架等效刚度k J N m n l “ 2 5 0 悬架等效阻尼系数c以N s in 。 1 5 4 T r u ck S im 与S im u l in k 联合仿真分析 本文采用T r u ck S im 和S im u l in k 仿真软件，参照标准 G B T6 3 2 3 - - 2 0 1 4 4 汽车操纵稳定性试验方法，在典型 的鱼钩工况下对轻型客车模型T o u rB u sL o a d e d 进行侧 翻预警算法的联合仿真分析，以确定合理的T T R 预警 值。首先启动T r u ck S im 中的联合仿真模块，将7 1 豫和 L T R 算法加入S im u l in k 模型中，然后建立T r u ck S im 与 S im u l in k 的联合仿真模刑如图5 昕示 H5r k l l JS iH il l I il l k 驳i巾“0 使州 在T r u ck S im 中选择T o u rB u s 的鱼钩转向工况，并设 置鱼钩工况下的转向盘转角时间历程如图6 所示。 由于车辆在侧翻时的状态与路面附着系数及车速 密切相关，因此针对高、低附着系数路面及高、低车速等 2 0 1 7 年第6 期 4 种情况进行仿真分析。分别设定高附着系数路面的 附着系数为O 8 5 ，低附着系数路面的附着系数为0 2 ，并 采取控制变量法，排除两种不同附着系数下车速的影 响，统一设定初始车速为1 0 0k m h ，以便于观察轻型客 车发生侧翻的情况。分别设定较高车速为1 5 0k m h ，较 低车速为2 0k m h ，并排除两种车速下附着系数的影响， 统一设定此时的附着系数为0 8 5 。 j J n ：2 0 0 I ( ) ( ) 0 ( ) I 01 d3 04 05 ( 1 I J A 一l ( ) ( ) ： 一2 0 0 图6 鱼钩T 况下转向盘转角时间历程 4 1 高附着系数路面对轻型客车侧翻状态的影响 利用T r u ck S im 软件建立轻型客车仿真模型，采用 鱼钩转向工况进行仿真试验，并加人r 豫预警算法，仿 真结果如图7 所示。 岗7 鱼钩I 况卜高附着系数路面仿真试验结果 由图7 可看出，轻型客车侧翻时间约在3 9S ，因为 此时T T R = O ，并且在此时间后7 7 R 恒为0 ，表明此时轻型 客车已经侧翻。另外，从网7 还可看出，在t = 2 9s 和 t = 3 0s 时，7 豫也为0 ，但此时轻型客车并没有发生侧 翻，因为在t = 2 9 3 0S 和t 3 0S 的时间范围内，r 豫 不恒为0 ，这两个点只是侧翻的危险点，这可能是由仿 真误差造成的，实际上这两点的7 1 豫并不为0 。 由相关文献可知，一般条件下驾驶员的反应时间在 0 3 ls 内，因此设定T T R = O 4S 时预警，此时轻型客车侧 翻预警时间约为t = 2 7 1S ，留给驾驶员的反应时间约为 1 2S ，驾驶员有足够的时间做出阻止侧翻的操作，可以 避免侧翻危险的发生。 若设定r 豫在0 4 2 0s 之间预警，虽然驾驶员的反 一9 一 肖葵，等：基于1 T r R 和L T R 的轻型客车侧翻预警及仿真 应时间会有所增加，但报警过早容易造成驾驶员紧张， 反而不利于驾驶员的正常操作。若设定m 在0 0 4S 之间预警，虽然理论上驾驶员仍有足够时间做出防侧翻 操作，但若驾驶员反应较慢，则会因没有足够时间做出 阻止侧翻操作而发生侧翻危险。冈此设定T T R = O 4S 为 预警值较合理。 4 2 低附着系数路面对轻型客车侧翻状态的影响 轻型客车在低附着系数路面进行鱼钩工况仿真试 验，试验结果显示侧翻预警时间7 T 豫是一条直线，说明 在低附着路面上该轻型客车没有侧翻的趋势，T r u ck s im 仿真动面与此结果一致，南此表明7 1 豫控制策略具有一 定的准确性，也说明T r u ck s im 的仿真结果与T r u ck s im 和 S im u l in k 联合仿真结果一致。 4 3 高车速对轻型客车侧翻状态的影响 轻型客车以1 5 0k m h 的初始速度进行鱼钩转向工 况仿真试验，试验结果如网8 所示。 I 冬j8 鱼钩1 况r 局牟速仿真试验结果 设定T T R = O 4 时预警，则由网8 可看出，侧翻预警时 间约为t = 1 9S ，而在t = 3 2S 左右时车辆发生侧翻，留给 驾驶员的反应时间约为1 3S ，驾驶员有足够的时间做出 阻止侧翻的操作，正常情况下可避免侧翻危险的发生。 4 4 低车速对轻型客车侧翻状态的影响 轻型客车以2 0k m h 的初始速度进行鱼钩工况仿真 试验，仿真结果显示侧翻预警时间丁豫是一条直线，说 明在低车速下该轻型客车没有侧翻的趋势，T r u ck s im 仿 真动画与此结果一致： 由以上仿真结果可知，本文设定的鱼钩工况下 T T R = O 4s 能可靠并且适时地对该轻型客车的侧翻危险 一1 0 一 进行预警，既不会产生误报，也不会产生早报行为，能够 给驾驶员留有足够的时间进行防侧翻操作。 5 结束语 本文提出了基于r 豫和动态横向载荷转移率L T R 的侧翻预警算法，并利用T r u ck S im 和S im u l in k 对轻型客 车模型T o u rB u sL o a d e d 进行了侧翻预警算法的联合仿 真分析，得出了T o u rB u sL o a d e d 的7 1 豫侧翻曲线，并针 对该曲线设定了一个合理的r 豫预警值。利用所设定 的预警值能可靠并且适时地对该轻型客车的侧翻危险 进行预警，能够给驾驶员留有足够的时间进行防侧翻操 作，避免侧翻危险的发生。 参考文献 1 国家统计局中华人民共和国2 0 1 5 年交通事故数据统 计2 0 1 6 2P r e s t o nT h o m a sJ W o o d r o o f f eJ H F F e a s ib il it yS t u d yo fA R o l l o v e rW a r n in gD e v icef o rH e a v yT r u ck s T r a n s p o r t C a n a d aP u b l ica t io nN o T P1 0 6 I O E 3C H E NB o ，P E N GH D if f e r e n t ia l b