（载运工具运用工程专业论文）半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统的研究.pdf

c i a s s i f i e dl n d e x ：t u 4 6 3 u d c ： d i s s e r l a l i o nf o rt h em a s l e rd e g r e ei ne n g i n e e r n g co n t r o ls y s t e m 一 一 j t o rs e m l t r a l l e r c a n d i d a t e ： 圣b 坌凸g 垡凸丕i 坌n g a d v i s o r ： 已堕! ：墨q d g 丛l 坌d 丕i 丝 a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e d f i o r ： 凹坌墨! 金 q fe d g i d 金金 1 凸g s p e c i a l 锣： d a t eo fo r a ie x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i 够： 篁金b i 鱼! 曼q q 曼堕i l q de 凸g i d 金鱼 1 d g d e c e m b e r2 0 0 9 q l 凸鱼垡坌q 卫旦昼b 凸q ! q g i 昼坌! 型凸i y 金匝l ! ) ，卅-r，翔1屋固叼譬御蕾门ql噜a，吒；， qi，；hqi。钙、；，喟冀11“圹f v。幽-唧翻n。，叫i， 硕士学位论文 半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统的研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 2 1 1 呈! 趁：丕里一 塞轻 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘 要一i a b s 觚c t i i 第l 章绪论1 1 1 半挂车防侧翻控制系统的研究意义1 1 2 汽车防侧翻控制技术简介2 1 2 1 现代汽车电子控制技术简介2 1 2 2 汽车防侧翻控制技术简介2 1 3 半挂车防侧翻控制技术的研究现状j 。3 1 4 课题研究的内容和目标8 1 4 1 课题研究内容8 1 4 2 课题目标9 1 5 本章小结1 0 第2 章半挂车侧翻分析及其动力学建模1 1 2 1 半挂车侧翻分析1 1 2 1 1 侧翻的分类1 1 2 1 2 侧翻的原因1 2 2 2 半挂车数学建模方法分析1 4 2 3 建立半挂车三自由度数学模型1 5 2 3 1 车辆的坐标系的建立15 2 3 2 三自由度侧翻模型的建立1 6 2 4 侧翻指标的确立2 1 2 5 本章小结2 1 第3 章半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统控制算法的研究2 2 3 1 控制算法的确定2 2 3 2 控制算法简介2 3 3 2 1 p i d 算法2 3 3 2 2 史密斯( si m t h ) 预估控制技术2 7 3 3p i d 参数的确定2 8 3 4 算法的具体操作2 9 3 5 本章小结3 0 第4 章系统传感器的选择和改进3 1 4 1 传感器综述31 4 2 改进后轮胎六分力测力仪的结构3 2 4 3 改进后轮胎六分力测力仪的工作原理3 3 4 4 温度补偿与坐标转换3 5 4 5 本章小结3 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 第5 章半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统硬件设计3 7 5 1 侧翻预警及防侧翻控制系统的总体框架图3 7 5 2 系统微控制器的选择及基本外围电路设计3 8 5 2 1 微控制器的选择3 8 5 2 2 微控制器最小系统的设计4 0 5 3 轮胎六分力测力仪的电路设计4 2 5 4 人机接口电路设计4 4 5 4 1 键盘输入电路设计4 4 5 4 2 数码显示电路4 6 5 4 3 报警电路设计4 6 5 5 电源转换电路单元设计4 8 5 6 刹车执行器模块的设计4 8 5 6 1 电机的选择4 8 5 6 2 刹车执行器模块电路设计。4 9 5 7 系统硬件设计的抗干扰技术5 0 5 7 1p c b 板的布线原则5 1 5 7 2 配置去耦电容。5 1 5 8 电路板设计制作5 2 5 9 本章小结5 3 第6 章半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统软件设计5 4 6 1 系统控制软件的总体设计5 4 6 1 1 概述5 4 6 1 2 程序设计语言及程序编译器的选择5 5 6 2 系统主程序设计5 6 6 3 人一机交互模块软件设计5 9 6 3 1 报警模块软件设计5 9 6 3 2 键盘输入及显示模块软件设计6 1 6 4 测量执行模块软件设计6 3 6 4 1 定时器中断软件设计。6 3 6 4 2 传感器测量模软件设计6 4 6 4 3 数据处理模块软件设计6 8 6 5 本章小结7 2 结论与展望7 3 参考文献7 5 附图7 7 攻读硕士期间发表的学术论文及科研工作7 9 致谢8 0 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。1 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着全球经济的高速发展，世界联系日渐紧密，世界各地之间的物资交换更 加频繁，半挂车以其灵活、高效的特点在运输领域中扮演着越来越重要的角色； 其具有运输效率高、运输成本低、装载质量大、装卸方便、能完成一些特殊运输 作业等优势。但由于半挂车重心较高、轮距较小等结构特点决定了其更容易发生 侧翻事故，因此研究半挂车侧翻控制技术具有非常重要的现实意义。 本文综合运用现代传感器技术、现代控制技术、电子技术和信息转换技术等 设计一种新型的半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统；目的是提高半挂车的抗侧翻 能力，保护国家财产和人民生命安全。 查阅了国内外同类产品的相关资料，系统的分析了国内外同类产品的发展历 程和特点；在总结前人成果和考虑以后汽车发展方向的基础上，确立了本课题的 研究目标和研究方向。 论文首先建立半挂车三自由度侧翻动力学模型，列出半挂车的侧翻方程，分 析半挂车侧翻原因，并确立以简单易测的横向载荷转移率的绝对值作为本设计系 统的侧翻指标；然后确立结合s i m m 预估器的p i d 算法作为本设计系统的控制算 法，该算法容易实现且具有很高的可靠性。 本文对半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统的硬件进行了相关的设计和介绍， 并考虑了抗干扰措施；系统选用轮胎六分力测力仪作为系统的传感器；并根据设 计系统的特点，对六分力测力仪做了相应的改进，有效的降低了系统的成本。然 后，用c 5 1 语言对硬件系统进行编程，并进行了仿真调试。 本文不但设计所选用的侧翻指标一横向载荷转移率的绝对值具有通用性，其 侧翻阈值不需要根据车型重新标定，而且系统选用的轮胎六分力测力仪也具有通 用性，不同车型只须更换不同的连接盘即可。仿真和调试结果证明，当系统测得 的横向载荷转移率的绝对值大于系统设定的侧翻阈值时，系统能及时的进行声光 报警，并能控制电机工作，生成抗横摆力矩；基本上能达到设计的目的和要求。 在论文最后，给出了设计系统存在的缺陷和不足，为以后此系统的改进和发 展提供了研究思路和方向。 关键词：防侧翻；横向载荷转移率；p i d ；轮胎六分力测力仪 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i mm er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m xm em a t 嘶a le x c h a n g e b e t w e e nt h ew o 订dm o r e 丘e q u e m l y s e m i - 把a i l e rw i mi t sf l e x i b l ea i l de m c i e i l t c h a r a c t e r i s t i c si nm ef i e l do ft r a n s p o r t a t i o na r ep l a y i n ga ni n c r e a s i n 誊yi i n p o r t a n tr 0 1 e w i mi t sl l i 曲e 伍c i e i l c y ，l o wt r 觚s p o r tc o s t s ，1 0 a d i n gm eq u a l i t yo fl a 玛e ，l o a d i n ga n d u n l o a d i n gc o n v e l l i e l l c e ，t h es e i i l i 一慨l e ra b l et oc o n l p l e t es o m es p e c i a la d v 觚t a g e si n 仃a n s p o r to p e r a t i o n s b u ta st h es 锄i - 仃a i l e rl l i 曲e rc e i l t e ro fg r a v i t ya n di t ss m a l l e r 舰c kd e t e r m i n ei ti sm o r e l n 耐b l et oh a p p e nr 0 1 l o v e ra c c i d e l l t s ，s or e s e a r c ht 1 1 e s e n l i 一仃a i l e rr 0 1 lc o n 们lt e c l l l l o l o g yh a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g m 6 c a n c e h lt h i sp a p e r ，t h ea u t l l o rs y i l m e t i c a l l y 叩p l y i n gt h ep r e s e n ts e i l s o rt e c l l i l o l o g y ，t h e p r e s e n t c o n 的1 t e c h n o l o g y e l e c r o i l i c t e c l l l l o l o g y a i l di n f o r 玎f t i o nc o n v e r s i o n r e s e a c h e dan e wt y p eo fr 0 1 l o v e rw a m i n ga i l da 1 1 t i r o l lc o n t r o ls y s t e mf o rs e m i 电a i l 既 i nt h ep u 印o s eo fr e d u c i n gm er i s ko fs e i i l i - 仃a i l e rr o l l o v e ro c c u r st 0p r o t e c tc o u n 仃y a n dp e o p l e sp r o p e r t ya n dl i v e s i i lm ep a p m ea u t h o ri n t r o d u c e sm ec h a r a c t 耐s t i c 锄dt 1 1 ed e v e l o p m e i l to f f o r e i g np r o d u c t sa n da n a l y z e st h ed o m e s t i cs t a t u s i n 1 eb a s eo fm ep r e v i o u 8m l i t s a 1 1 dt h ea u t o m o t i v ed e v e l o p m e i l ti nm e 如t r i l e ，m ea u m o ra s c e n a i n st 1 1 ed i r e c t i o n 锄d t h eg o a lo ft h er e s e a c ho ft h es e m i - 仃a i l e rr 0 1 l o v e rw a m i n g 锄da l l t i - r o nc o l l 昀l s y s t 锄 f i r s t ，i i lm ep a p a u t o re s t a b l i s h e dt h i - e ed e g r e e so f 舶e d o mm l l o v e rm o d e l ， 1 i s t e dm er o l l o v e re q u a t i o n so fs e m i 一砌1 a i l a l y z e ds 础一仃a i l e rr 0 1 1 v e rc a u s e sa n d e s t a b l i s h e dt 1 1 ea b s o l u t ev a l u eo fl t rw a st h er 0 1 l v o e r e s h o l dv a l u e t 1 1 e nse t i 耐 w i t hs m i t hp r e d o c t o ra n dp i da l g o r i u na sm ed e s i 伊e ds y s t e l i lc o n 们la l g o r i 恤n ， b e c a u s et h i sa l g o r i t h i ne a a yt oi m p l e n l e l l ta 1 1h a sh i 曲e rr a l i a b i l 够 1 1 1t h i sp 印a u t o rd e s i 弘e da n di n 臼d u c e dm eh 砌w a r eo ft h es e m i - 捌1 e r r 0 1 l o v e r w a n ：1 i n g a 1 1 da n t i - r o l lc o n 缸0 1 s y s t e m 加1 d向1 1 y c o n s i d e r e dt l l e a n t i i n t e r 】f e r e n c em e a s u r e s s y s t 锄u s e dm es i xc o i n p o n e n tf o r c et e s t e rf o ra u t o m o b i l e t i r ea st h es y s t e mo fs e n s o r s a c c o r d i n gt ot h ed e s i 盟c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m ， a u t o rc o r r e s p o n d i n 西yi m p r o v e dm es i xc o i n p o n e n tf o r c et e s t e rf o ra u t o m o b i l et i r et o i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 d e c r e a s e dm ec o s to fm es y s t e m 1 1 1 e i l ，u s e dm ec 51p r o 鲫l i i 】眦i n gl a i l g u a g e p r o 踟e dm e h a i d w a r e a t1 嬲t ，d e b u g e dt l l ep r o 伊a m n o to i l l ym ed e s i 萨c h o s e dr o l l o v e rt h r e s h o l dr a t eo fl t rw i mag e n 甜c ，b u t a l s o 也es e n s o rh a sau 1 1 i v c 稻a lu s 龟l ，0 1 1 l yf o r d i 丘打e n tm o d e l sc a l ls w i t c ht oa d i 镌r e n ts e to fc 0 衄e c t i o n s t h e i la u t o rp r o 蹦n e dm es y s t e i n 锄dd e b u g e d ，1 1 1 e r e s u l t sp r o v e dt h a tw h t l l es y s t 锄m e a s 删t l l ea b s o l u t ev a l u eo fl 1 ri s 伊e a t e r m a nm es y s t e ms e tb ym er o l l o v e rt 1 1 r e s h o l d ，n l es y r s t 锄w i l lp r o m p tf 0 rs o u l l da i l d l i g h ta l a n i l ，a i l dc a l lc o n t r o lt l l e c l e c t r i c a lw o r kt 0g e i l e r a t ea n t i - y a wm o m e m ，n l e d e s i 印o fs y s t e i l lr c l i a b i l 毋a i l df e a s i b l e 锄db a s i c a l l y m e t e dt h ep u 印o s ea i l d r a q 咖e i l t so ft h es y s t 锄h o p e d a t l e 既do f m e 龇s i s ，t h ea u t h o rp o i n t e do u tm ef l a w sa n dd e j f i c i e i l c i e so f m e d e s i 纳e ds y s 嗽n a n dt h ei d e af o r 缸地e rr e s e a r c ho nt h i st o p i cw a sp r o v i d e d k e y w o r d s ：a m i r o l l ；u r ； p 玎) ； s i xc o m p o n e n tf o r c et e s t e rf o r 卸t o m o b i l et i r e 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 半挂车防侧翻控制系统的研究意义 随着全球经济的高速发展，世界联系日渐紧密，世界各地之间的物资交换更 加频繁，半挂车以其灵活、高效的特点在运输领域中扮演着越来越重要的角色。 半挂汽车列车可以实现“甩挂运输、“区间运输 和“滚装运输”等，具有运输 效率高、运输成本低、装载质量大、装卸方便、能完成一些特殊运输作业等优势。 以美国为例，其整个公路货物周转量的6 0 左右都是由半挂汽车列车完成的， 半挂汽车列车已成为公路运输的主要力量。在国内，据国家交通部统计，2 0 0 8 年上半年全国公路货运量为8 6 5 亿吨，其中半挂车承担了4 2 的公路运输量。 到2 0 0 8 年底，我国各类货运车的总量约为2 7 5 1 9 万辆，据权威人士预测，随着 现代物流业的发展，5 年内国内货运车的7 0 将被半挂汽车列车替代。 由于汽车车速的不断提高和汽车保有量的不断增加，汽车发生侧翻的概率越 来越大，侧翻危害造成的损失也越来越大，根据美国公路安全局( n h t s a ) 的 数据统计，汽车侧翻事故的危害程度仅次于汽车碰撞事故而高居第二位。当汽车 在发生侧翻事故时，驾驶员往往来不及采取有效的措施，甚至是在不知道的情况 下发生的，侧翻事故的危害常常是致命的，在美国，每年死于公路事故的卡车司 机约有9 0 0 名( 美国2 0 0 0 2 0 0 6 年卡车致命事故初步估计) ，其中有一半是在翻 车事故中丧生的；在国内，平均每年因汽车发生翻车事故而导致的伤亡人数也多 达1 3 0 0 0 人。由于半挂汽车列车的重心远高于小汽车，因此更容易发生翻车事故， 且事故损害比较大，造成的损失也比较大。因此，近几年，以提高半挂车侧翻稳 定性的研究受到了国家和政府的高度重视，很多专家学者也投身到半挂车防侧翻 控制的研究之中。 因此，我们以提高半挂车的抗侧翻性能为研究目标，分析半挂车发生侧翻的 原因，建立半挂车侧翻动力学模型，并利用一种可以实时测量半挂车轮胎载荷的 传感器轮胎六分力测力仪，结合信息转换技术、电子技术及控制技术来研制和开 发一种可以提高半挂车抗侧翻能力的半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统；其可以 为未来智能半挂车提高稳定性提供研究方向，具有非常广泛的应用前景。 厂一 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 汽车防侧翻控制技术简介 1 2 1 现代汽车电子控制技术简介 目前汽车电子控制系统由多种传感器、中央控制e c u 、微处理器、存储器、 i o 接口、执行机构、显示器、数据总线和相应软件集合而成。该系统采用复杂 的多元过程控制，使车辆系统工作在适时的最佳状况。典型的汽车控制系统一般 可分为如图1 1 所示的子单元【1 1 。 图1 1 汽车电子控制系统的组成 f i g u r c1 1t l l ec 伽叩o n e f l t s0 fa u t oe l e c 栅l i c c o n 仃0 l l c ds y s t e m 现代汽车电子控制技术是将汽车、环境与人融合为一体，随着环境的变化， 始终使三者处于最佳匹配。 1 2 2 汽车防侧翻控制技术简介 汽车防侧翻控制技术是汽车安全与舒适性控制的一种，也是汽车电子稳定程 序系统e s p ( e l e c t r 0 i l i cs t a b i l 埘p r o 掣锄) 的重要组成部分【2 1 。 汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动9 0 。或更大的角度，以至车 身与地面相接触的一种极其危险的侧向运动。有很多因素可能引起汽车的侧翻， 包括汽车结构、驾驶员和道路条件等。汽车侧翻大体上可分为两大类，一类是曲 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 线运动引起的侧翻，另一类是绊倒侧翻。前者指汽车在道路上行驶时，由于汽车 的侧向加速度超过了一定的限值，使得汽车内侧车轮的垂直反力为零而引起的侧 翻；后者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 掣3 】【4 1 。 汽车防侧翻技术是利用现代传感器技术、电子技术、通信技术、智能控制技 术等，实时的测量汽车的行驶状态和行驶环境，并通过微处理器对测量的数据进 行计算和处理，计算出汽车当前的稳定程度，然后微处理器控制执行系统动作， 来产生抗横摆力矩以减小汽车发生侧翻的概率。 1 3 半挂车防侧翻控制技术的研究现状 由于半挂汽车列车中心高、轴距小的结构特点易导致其发生侧翻，其安全性 引起人们越来越多的重视。为减少半挂汽车列车翻车事故的发生，国内外的很多 专家学者都致力于半挂车的防侧翻研究，从电子控制方向利用传感器技术来提高 车辆的侧倾稳定性已成为当前研究的主流，目前国内外已经使用以及正在研究的 高新技术主要有下述几种： 1 侧倾稳定与支持系统( r s c r s s ) 侧倾稳定控制系统r s c ( r d l ls t a b i l 时c o n 仃0 1 ) 作为车辆稳定控制系统重要 的组成部分，常常与车辆电子稳定控制系统e s c ( e l e c t r i c a ls t a b i l i t yc o n 仃0 1 ) 或 车辆悬架系统一起使用，有的也与电子控制制动系统整合在一起。侧倾稳定支持 系统是主动控制系统，其通过对路面关系以及车辆运行状态的连续监测，当传感 器监测到车辆有侧翻趋势时，侧倾稳定支持系统将会自动分配制动力或减小发动 机输出功率来控制车辆速度从而达到提高车辆操纵稳定性的目的【5 】。 侧倾稳定支持系统r s s ( r o us t a b i l i t ys u p p o r t ) 也是一种主动控制系统，其 辅助驾驶员减小半挂车潜在的侧翻可能性。虽然牵引车是半挂汽车列车的动力来 源，但半挂车却是承载单元，所以r s s 用来监测半挂车侧向加速度、半挂车车 速以及悬架的压力，当半挂车临近侧翻极限时，侧倾稳定支持系统r s s 施加半 挂车制动减慢车速【6 j 。 2 侧倾控制系统( r c s r o c o n t r o ls y s t e m ) 车辆常用的侧倾控制系统可分为半主动侧倾控制系统和主动侧倾控制系统 青岛理工大学工学硕士学位论文 两种。在半主动侧倾控制系统中，半挂车有一个可变换的侧倾刚度。侧倾刚度的 变换通过在防侧倾杆上两个液压作动器的开启和关闭来实现。当车辆受到较小的 横向作用力时，为了使半挂车在行驶过程中具有较好的平顺性，将侧倾刚度设为 较小值；而当车辆受到较大的横向力时，为了使半挂车载行驶中具有很好的侧倾 稳定性，而将侧倾刚度设为较大值。 主动侧倾控制系统的实现是利用伺服阀在主动防侧倾杆上施加液压控制。把 两个液压动作器安装在在车架横向梁上，液压作动器同防侧倾杆连接，以用伺服 阀调节开关位移来提供主动侧倾控制的力矩。在转向时，控制车辆向转弯内侧倾 斜，从而提高车辆的侧倾稳定性【刀- 【8 1 。 3 侧倾警告装置( i m ，d r o l l i n g 、r 删m gd e v i c e ) 侧倾警告装置r w d 比较适合用于重心高度与轮距比值较大的重型车，比如 半挂汽车列车。该装置采用人工智能神经网络技术学习车辆的动力学，并根据车 辆的行驶工况和路面情况来预测半挂车的侧倾稳定性。其动态侧倾稳定性可以用 载荷转移比例( l t r ) 来评价；根据模糊逻辑规则，将l t r 的变化率传送给侧倾 警告装置。侧倾警告装置是建立在广泛的计算机模拟基础上并经试验数据仿真验 证过的。不过这个装置存在一定的缺点，需依靠驾驶员根据不同的情况采取相应 操作，由于驾驶员的反应存在滞后性，导致这个装置在危险工况下的性能受到很 大的限制 9 1 。 4 联合制动系统( a b s - a s s o c i a t e db r a h n gs y s t e m ) 联合制动系统a b s 的重要组成部分是半挂汽车列车电控制动系统和缓速 器。其利用电子控制系统e c u 实时的监测车辆状态并实时调整制动力在牵引车 与挂车之间的分配来使半挂汽车列车在减速时保持牵引车与挂车具有一致的减 速度，这样就可以防止由于挂车巨大惯性力引起牵引车倾翻，即所谓的“回转折 合”现象。联合制动系统a b s 利用施加在牵引车与半挂车制动力矩间的分配关 系，以及缓速器的励磁电流与其提供的制动力矩之间的关系，合理的调节挂车与 牵引车的制动气压，从而达到挂车与牵引车制动的协调统一【1 0 1 。 5 后轴转向系统 后轴转向系统是在半挂车的后轴上安装一定数量的液压缸，在半挂车转向 时，后轴通过液压缸控制也能自动的产生一定的偏转角，使后轴能按照希望的方 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 式主动转向。其可以减小半挂汽车列车的有效转向轴距，不但可以大大提高半挂 汽车列车的通过能力；而且还可以提高半挂汽车列车的低速机动性；后轴转向系 统可有效的减小半挂汽车列车发生侧翻的概率，其在半挂汽车列车在出现侧翻的 危险之前，就可以通过后轴转向系统的主动调整，迫使半挂汽车列车恢复到稳定 状态 1 l 】。 6 全主动与半主动悬架系统 使用一个具有自身能源的力发生器来代替被动悬架中的振荡器和弹簧的悬 架系统成为主动悬架系统。主动悬架根据作动器响应频率的不同，可分为有限带 宽主动悬架和带宽主动悬架，也可称为半主动悬架和全主动悬架。图1 2 为半挂 车全主动悬架的结构。 图1 2 半挂车全主动悬架 f i g u 鹏1 - 2t h es 仃u c 衄eo f a c t i v cs l l s p e i l s i o ns y s t e m ( 1 ) 有效带宽主动悬架系统在结构上先由作动器和普通弹簧串联后，再与 被动阻尼器并联构成。该系统在低频时( 一般小于5 或6 赫兹) 采用主动控制， 而高于这个频率时其相当于被动悬架，而被动悬架在高频时的效果较好。由于有 点带宽主动悬架作动器仅需在较窄带频率范围内工作，所以它的成本和复杂程度 都有所降低1 2 1 。 ( 2 ) 全主动悬架系统的作动器具有较宽的响应频带，能对车轮的共振进行 有效的控制。控制带宽应至少肚1 5 h z 。其显著的特点是作动器产生的力能很好 的跟踪任何控制信号，控制信号通常是由微处理器产生，根据传感器反馈回来的 测量信息，在结合一定的控制律以使车辆达到最佳的总体性能【1 3 】。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 半主动悬架系统的减震器阻尼是可调的，能使车辆在运行在不同的状态下 是，行驶平顺性和安全性都能达到了较好的状态。车辆转向时由于离心力的作用 使车辆产生侧翻的趋势，半主动悬架系统可以通过调整左右悬架阻尼力的大小来 减小车辆的侧倾角，使车辆在行驶动力学方面处于稳定状态，从而减少车辆侧翻 事故的发生率【1 4 】。图1 3 为半挂车的半主动悬架系统结构图。 1 图1 3 半主动悬架系统 1 左阻尼减震器；2 右阻尼减震器 f i 丹鹏1 3t h es t m c t u r eo fs e r i l i a c t i v es u s p e i l s i o ns y s t 锄 1 - t h el e r 咖i i l ga b s o r b e ；2 一t h e 啦蛳d a r n p i n ga b s o r b e 7 防侧倾杆( a b a n 博r o ub a r ) ( 1 ) 被动防侧倾杆 防侧倾杆是一根u 型金属杆，也叫做横向稳定杆，其安装位置通常在左右 悬吊的下臂，车辆在转向时因为离心力会作用在车辆的滚动中心，从而造成车身 的侧倾，车身的侧倾会导致弯外轮和弯内轮的悬吊压缩和拉伸，从而使防侧倾杆 受力扭转变形，而防侧倾杆的扭曲变形可以产生反作用力来防止车辆侧翻。被动 防侧倾杆的结构如图1 4 所示。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 图1 _ 4 被动防侧倾杆的结构 f i g u r e1 4t h e s 仇l c t u i eo f m ep a s s i v cp v e mr o l l 刚 ( 2 ) 主动防侧倾杆 主动防侧倾杆的中间是两个液压作动器连接到车架上。作动器和车轮的位置 可以决定主动侧倾杆的位置。通过拉伸一个作动器和压缩另一个作动器使侧倾杆 扭转变形，从而对车辆产生主动抗侧倾扭矩，控制车体向转弯内侧倾斜从而避免 车辆发生侧翻事故。作动器储存的是高压油，这样可以满足连续的操作所需的强 大的压力和流速的要求【1 5 】。 美国政府在2 0 0 7 年4 月颁布一条法令，强制要求所有的新车都必须使用防 侧翻技术，以减少翻车和交通事故死亡率。美国国家公路交通安全局局长妮科 尔内森也要求，在2 0 1 1 年之前，所有的新车都必须强制性使用“电子稳定控制 技术”。据美国政府估计，电子稳定控制技术如果在所有车辆中得以推行，每年 将可以挽救5 0 0 0 至9 6 0 0 个生命【1 6 1 。大众汽车公司也表示，该公司将在2 0 0 9 年 在其所有推出的车型上配置抗侧翻系统。 我国的汽车防侧翻技术发展起步比较晚，目前，虽然在一些高档的半挂车中 青岛理工大学工学硕士学位论文 也安装了防止发生侧翻的装置，如侧倾稳定与支持系统和侧倾警告系统等，但是 还有很多半挂车上没有安装专门的防侧翻控制装置；而我国道路设施不完善、汽 车整体技术相对落后等因素都决定了半挂车更容易发生侧翻事故，可见，在我国 研究半挂车侧翻具有现实意义和广泛的市场前景。 1 4 课题研究的内容和目标 1 4 1 课题研究内容 ( 1 ) 建立半挂车的侧翻动力学模型 从实际出发，利用半挂车的一些主要的参数，建立半挂车三自由度的侧翻动 力学模型，列出半挂车侧翻方程，分析半挂车侧翻的主要原因。并确立半挂车的 横向载荷转移率的绝对值作为半挂车侧翻的侧翻指标。 ( 2 ) 确立半挂车侧翻预警及防侧翻控制的控制算法 本文设计的半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统采用一阶刹车模型的传递函 数作为执行机构的动力学模型，并结合p i d 算法和s i m m 预估器控制技术来更精 确更有效地对执行机构进行控制。 ( 3 ) 控制系统传感器的选择和改进 根据系统的要求和特性，选择一种电阻应变片式传感器轮胎六分力测力仪为 设计系统的传感器，并按实际系统需要对六分力测力仪进行了改进，并介绍了改 进后的轮胎六分力测力仪的结构和工作原理。 ( 4 ) 确定单片机硬件系统的控制方案 根据选择的传感器特点和设计控制系统的要求等设计出单片机硬件系统的 控制方案。本方案是用由a t m e l 公司设计的a t 8 9 c 5 1 单片机和相应的扩展电 路组成，选用低功耗和高可靠性的电路和元器件。用e d a 软件p r o t e l9 9 s e 软件 绘制硬件原理电路图和印刷版电路图，用万用板对硬件电路进行调试等。 ( 5 ) 编写系统控制程序 结合单片机硬件系统的设计，用c 5 1 语言编写系统的控制程序，包括键盘 控制程序、数码管显示程序、声光报警程序、执行器控制程序等。并对编写程序 用k e i l 软件进行调试、生成h e x 文件载入到单片机控制系统。 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 6 ) 全文结论和展望 总结全文的工作，指出了设计的不足和缺陷，并对以后半挂车侧翻预警及防 侧翻控制系统的发展和完善提出了建议和思路。 本文的研究工作流程所图1 5 所示： 1 4 2 课题目标 图l 一5 研究工作流程图 f i g u r el 一5f l o wc h a ro f r e s a c a c hw o r k 任何车辆控制系统的构成都将由三大组成部分，即：控制算法、传感器技术 和执行机构的开发。本文在综合分析国内外半挂车侧翻研究的基础上，以提高半 挂车的防侧翻控制和实现侧翻危险信号的预警为目的，充分利用现代传感器技 术、信息转换技术、电子技术及控制技术，选用p i d 算法和s i m t h 预估器控制技 术，运用轮胎六分力测力仪和控制电机等设计一种半挂车侧翻预警及防侧翻控制 系统，为以后半挂车防侧翻稳定性的研究奠定了一定得基础。 由于当车辆停止或车速很小时，半挂车发生侧翻的概率很低，为了降低功耗、 节约能源，利用离心力开关对执行系统的电源进行控制，当车速超过2 0 h 泊时， 执行系统才开始工作，轮胎六分力测力仪将检测到的轮胎受力传输到单片机，单 片机将数据进行计算处理等转化为横向载荷转移率的绝对值，实时得到的横向载 荷转移率的绝对值与原先设定的侧翻阈值进行比较，当横向载荷转移率的绝对值 小于侧翻阈值时 值大于单片机设 取响应的措施， 同的制动力来产 系统不但设 其侧翻阈值不需 力仪也具有通用 同的车型进行不同的研究。 半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统的主要硬件组成和分布如图1 6 所示： 图l - 6 半挂车侧翻预警及防侧翻控制系统的硬件组成及其分布 f i g u r el - 6t h e h a r d w a r e sc 伽叩o s i t i o na i l dd i s t r i b u t i o no f r o l l o v e rw a m i r i ga n da i l t i r o l l o v 盯 c o n 缸d ls y s t e mf 1 0 rs “- t r a i l e r 1 5 本章小结 本章首先阐述了研究半挂车侧翻技术的意义，并通过查找相关文献，系统的 介绍了半挂车侧翻技术的研究现状；并介绍了本文要完成的主要工作和要实现的 目标。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章半挂车侧翻分析及其动力学建模 2 1 半挂车侧翻分析 2 1 1 侧翻的分类 据有关部门研究表明：在半挂车每行驶1 0 0 万公里的里程中，半挂车平均会 发生2 5 次侧翻事故。驾驶人员、车辆、环境因素等是导致事故发生的主要原因， 例如：驾驶员磕睡、车辆的侧倾稳定性等级较低、转向时发生路面塌陷等等，有 时导致半挂车侧翻的原因可能只是一个简单的转向输入。在大多数的侧翻事故 中，半挂汽车列车的每个部分都负有责任。但半挂车工况可以通过驾驶员辅助系 统或车辆检测系统来检测和识别，因此采用一些防侧翻控制技术可以有效地防止 半挂车侧翻。 半挂车侧翻分为在路侧翻和离路侧翻两类，具体见图2 1 所示【l 7 】： 图2 1 侧翻的分类 f i g u r e2 - 1 弧ec l a s s i f i c a t i o no fr o l l o v e r ( 1 ) 离路侧翻 离路侧翻发生在驾驶人员不知情的情况下车辆离开路面形成的。由于离路地 形不可预测，其可能是碰撞大的物体、绊到小的物体、滑进沟里、进入高摩擦土 青岛理工大学工学硕士学位论文 路面等等，因此既不容易确定到也是不容易检测。不过这类事故可以通过增强半 挂车的横摆稳定系统来避免，因此离路侧翻不作为本论文研究的重点。 ( 2 ) 在路侧翻 在路侧翻又分为搅拌性侧翻和操纵性侧翻两种。 绊倒性侧翻中，碰撞性侧翻是因为碰撞别的车辆或其它大的障碍物而引起的 侧翻；如果是由小的障碍物如撞到路沿等绊倒引起的侧翻，叫做障碍性绊倒，障 碍性侧翻事故相对比较容易预测和防止。 由于驾驶操纵性引起的侧翻成为操纵性侧翻，这类侧翻是在各种文献中讨论 的比较多的，也是不容易分析和控制的。横摆不稳定或者横摆稳定时侧向力较高 等容易引起操纵性侧翻；操纵性侧翻往往是操纵性突变的结果，其主要发生在环 形路和斜坡路上，是本论文主要的研究目标；至少有一个车轴的轮胎力饱和使车 辆发生滑移，生成的侧向轮胎力足够大从而引起车辆侧翻是横摆不稳定引起的侧 翻，这种侧翻可以通过横摆稳定系统避免。对于侧向导致的侧翻，轮胎力虽然不 一定饱和，但是仍足以导致车辆侧翻，因此需要由侧倾稳定系统来避免。横摆不 稳定和侧向导致的侧翻也是本论文设计考虑的重点。 2 1 2 侧翻的原因 造成半挂车侧翻的原因主要有低的静态侧翻极限、高的动态载荷转移比、低 的横摆阻尼比等【4 4 1 。 侧翻极限，即半挂车侧翻稳定性极限，其衡量指标是侧向加速度。车辆在转 弯时重心向转弯外侧横向偏移造成半挂车的侧翻，而半挂车的典型构造特点是重 心高、轮距小，这导致在较小侧向加速度时就会翻车。以横向加速度为衡量指标， 小客车侧翻极限值大部分都大于1 9 ，敞篷车、轻型卡车、运动型多用途车大约 在o 8 9 1 2 9 之间，但是半挂车的侧翻极限值常常小于o 5 9 1 8 】。由于不同的车型 的侧翻极限值不同，很难形成统一的标准，所以本文设计系统引入横向载荷转移 率l t r ( l a t e r a l 一l o a dt r a l l s 断r a t e ) 作为侧翻极限的衡量标准。 横向载荷转移率( l a t e r a l 1 0 a dt r a l l s 向r a t e ) 定义为：左右轮胎的垂直载荷 ff 之差与总轮胎载荷的比值，l t i p 等等，式中：r 为右轮胎受到的垂直载荷， 1 2 青岛理工