運動型多功能汽車動態側翻預警系統研究*

金智林，張鴻生，馬翠貞

（南京航空航天大學車輛工程系，江蘇南京 210016）

0 引言

近年來，運動型多功能汽車（SUV）越來越受歡迎，但由于重心高，行駛環境復雜等因素使得SUV容易發生側翻事故［1］。汽車側翻總在很短時間內發生，以至于駕駛員來不及感受到汽車狀態而采取防止側翻措施［2］。因此，采用智能裝置對汽車側翻進行預警，及時準確地預測汽車側翻狀態，提醒駕駛員或電控執行機構迅速采取措施防止汽車側翻，可有效地降低汽車側翻事故。

目前，汽車上應用的預警裝置很多，如車載倒車雷達系統和車載防撞系統，可實時測量汽車與前/后物體之間的距離，提醒駕駛員采取相應措施避免發生碰撞事故。而汽車側傾狀態的測量比較困難，對汽車側翻預警的研究也很少。其中，Minderhoud M M等人研究了汽車碰撞預警系統，可應用在智能汽車中預測與前障礙物碰撞時間，有效避免撞車事故［3］。Winsum W等人則對高速公路車道偏離預警系統進行研究，定義汽車即將偏離車道的時間來避免汽車駛出正常車道發生事故［4］。Chen B C等人根據汽車靜態側傾角閾值定義汽車側翻預警時間（time to rollover，TTR）［5］，并基于該側翻預警系統進行了SUV防側翻控制研究［6］。該預警系統需要對不同汽車進行靜態側翻實驗得到閾值作為汽車側翻條件。Boada M J L等人則針對汽車側翻動態穩定性進行了研究［7］，分析汽車動態側翻過程的運動規律和側翻評價指標。

本文根據SUV特點建立三自由度側翻動力學模型，融合汽車側翻預警機理研究SUV動態側翻預警算法。以16位單片機為核心設計SUV動態側翻預警系統的軟硬件結構，并選取典型側翻工況進行系統預警性能的實驗。

1 SUV動態側翻預警機理

1．1 SUV側翻動力學模型

為滿足預警系統的超實時性要求，建立了簡化的線性三自由度汽車側翻動力學模型，如圖1所示。

圖1 SUV側翻動力學模型Fig 1 Dynamic model of rollover for SUV

該模型忽略汽車縱向和俯仰方向的動力學特征，并假設汽車左右車輪動力學特性關于x軸對稱。在預警算法一個周期的短時間內，可認為車速u為常數。由模型可得汽車側翻動力學方程

式中a和b分別為汽車重心到前后軸的距離，m為整車質量，ms為簧載質量，h為側傾中心到重心距離，H為重心高度，Ix為側傾轉動慣量，Iz為橫擺轉動慣量，kφ和cφ為懸架等效側傾剛度和等效側傾阻尼系數，kf和kr分別為前后輪側偏剛度。

考慮側傾外傾與側傾轉向的影響，可以得到前后輪側偏角為

式中cf和cr分別為側傾外傾和側傾轉向對前后車輪側偏角影響系數。

選取狀態變量為x（t）=［v rφ˙φ］T，并將其代入式（1）和式（2），得到SUV側翻動力學的狀態空間模型為

1．2 SUV動態側翻指標

定義汽車一側車輪離地為側翻臨界條件，應用Routh-Hurwitz判據求解式（3）的動態穩定性條件，融合側翻臨界條件、動態穩定性條件及汽車側翻靜態穩定因子可得汽車側翻動態穩定因子（dynamic stability factor，DSF）［8］為

式中L為汽車前后軸距，T為輪距寬度。由式（4）可定義SUV動態側翻評價指標為

汽車向左右兩側發生側傾甚至側翻時，橫向加速度在所定義的坐標系中可能為負值，即Rd可取值范圍為［－1，1］。當Rd=0時，汽車側傾角為0;當Rd=±1時，汽車達到臨界側翻點。對所有汽車，發生側翻的條件都是Rd的絕對值大于或等于1。因此，汽車動態側翻指標Rd使不同類型汽車的側翻條件有一定的通用性。

1．3 SUV動態側翻預警算法

SUV動態側翻預警算法流程如圖2所示，在單片機中采用離散化編程。取定合適的計算步長Ts和預警時間上限Tup（該值表示可認為汽車不會發生側翻），初始步數為n=0。啟動傳感器組采集信號，計算當前時刻的汽車側翻狀態初值。由4個車輪輪速信號計算車速u;根據方向盤轉角信號計算前輪轉角δ;由橫擺角速度和橫向加速度信號得到橫擺角速度r，橫向加速度ay和橫向速度v;由側傾角信號得到側傾角φ，并通過差分方法計算側傾角速率。根據所得初始狀態和汽車側翻動力學規律計算SUV動態側翻指標，并通過側翻條件和預警時間上限條件判斷得到TTR，完成一個預警周期TW計算。接著進行下一周期的預警。

圖2 SUV動態側翻預警算法流程圖Fig 2 Flow chart of dynamic rollover warning algorithm for SUV

2 SUV動態側翻預警系統實現

2．1 預警系統的結構

SUV動態側翻預警系統結構如圖3所示，包括數據采集與處理單元、SUV側翻動力學模型、TTR計算單元、報警和顯示裝置、傳感器組及輪速信號處理單元。其中，4只輪速傳感器安裝在車輪上，輸出的輪速信號經處理后，與其余傳感器信號一起輸入側翻狀態初始化單元，并計算得到該時刻汽車的前進車速u，前輪轉角δ，橫向速度v，橫擺角速度r，橫向加速度ay，側傾角φ及側傾角速率的初始狀態值。汽車側翻動力學模型根據這些初始狀態值和汽車側翻動力學規律得到汽車動態穩定側翻指數，并由TTR計算單元得到TTR，輸出到顯示和報警裝置。

圖3 SUV動態側翻預警系統框圖Fig 3 Block diagram of dynamic rollover warning system for SUV

2．2 預警系統硬件實現

如圖4所示，SUV動態側翻預警系統的硬件部分包括電源模塊、傳感器組、輪速信號處理電路、信號濾波電路、單片機、顯示及報警裝置驅動電路。

圖4 SUV動態側翻預警系統的硬件組成Fig 4 Hardware structure of dynamic rollover warning system for SUV

單片機是預警系統的核心部件，要求具有高速運算能力和高可靠性。選擇汽車上可靠應用的飛思卡爾系列16位單片機MC9S12XEP100，它以更高速度的CPU12為核心，具有定時捕獲功能，16通道的A/D轉換器（轉換時間3 μs）等資源，滿足預警系統傳感器信號的處理要求;鎖相環倍頻器可使工作頻率達50 MHz和自帶64 kB的RAM和1 MB的flash內存，可滿足預警系統的高速計算要求。CAN總線功能可預留與汽車上其他電子控制單元的通信接口;8路PWM信號可預留防側翻控制。

輪速信號處理:輪速傳感器輸出為正弦信號，用NCV1124芯片設計Schmitt遲滯比較電路消除干擾后得到脈沖信號，由單片機捕獲定時器計算單位時間內的脈沖數，得到4個車輪的輪速。

信號濾波:根據各傳感器測量的物理量信號性質，將傳感器信號經過簡單RC濾波處理去除干擾。

顯示與報警:將系統得到的TTR用LED顯示，蜂鳴器根據TTR值的大小發出不同頻率的聲音，使駕駛員獲得汽車側翻預警狀態的視覺和聽覺信號。

電源模塊:該預警系統電源直接來從汽車上的12 V電池，經過電源模塊后得到單片機、傳感器及其他芯片使用的各種電壓值的直流電源。

3 典型工況的預警性能實驗分析

為分析SUV動態側翻預警系統的性能，選取典型汽車側翻工況（理想J-Turn工況）進行實驗分析，該工況模擬汽車以恒定的車速和前輪轉角在標準圓形跑道上行駛。SUV參數如表1所示。

表1 某SUV參數表Tab 1 Parameters of SUV

3．1 預警時間的準確性

在理想J-Turn工況下，汽車從零時刻到發生側翻時間內，外部操縱輸入不變，即油門、轉向和制動操縱不變化，且不考慮外界干擾。因此，這段時間汽車TTR的值應該連成一條斜率為－1的直線段［6］。圖5為SUV動態側翻預警系統在車速90 km/h，步長20 ms，預警時間上限2．0 s時的預警結果。零時刻TTR定義為最大側翻預警時間（maxTTR）為0．44 s，從零時刻到發生側翻的時間內TTR結果是斜率為－1的直線段，表明該預警算法可以準確地計算汽車TTR值，提供汽車側翻危險信號。

圖5 理想J-Turn工況下側翻預警結果Fig 5 Rollover warning result in ideal J-turn condition

3．2 預警系統的超實時性

預警系統能提供有效的汽車側翻危險信號，須保證超實時性，即完成一次預警的消耗時間應小于計算步長Ts和TTR。最小側翻預警時間（minTTR）等于計算步長（20 ms），而系統完成一次預警消耗時間接近甚至超過20 ms，則提供側翻危險信號時汽車已處于側翻邊緣甚至發生側翻，預警失效。

定義TTR與預警消耗時間的比值為預警效率，用來描述基于動態穩定的汽車防側翻預警系統的超實時性。選取不同計算步長和預警時間上限，得到實驗結果如表2所示。結果表明:該系統預警效率高，具有很好的超實時性。預警效率受到預警時間上限、計算步長、TTR影響。計算步長大，則預警效率高，系統的實時性好，但TTR的精度變差;相反，則精度高，實時性差。因此，需要根據駕駛員反應時間選擇合適的步長。TTR大，則預警效率高，系統的實時性好。不發生側翻時，TTR為預警時間上限，此時預警效率最高。但預警時間上限過大則預警消耗時間大，甚至超過計算步長導致預警失效。

表2 側翻預警實時性實驗結果Tab 2 Experimental results of rollover warning real-time

3．3 maxTTR的影響參數分析

汽車maxTTR大，駕駛員就可以有越充足的時間采取措施防止汽車側翻;maxTTR小，若比駕駛員反應時間和汽車操縱機構（轉向或制動等）動作的時間還短，則表明這種狀態下汽車側翻無法避免，預警系統失效。

圖6～9為汽車maxTTR隨汽車主要結構參數和操縱參數的變化關系實驗結果。可以看出:隨著汽車重心高度減小和輪距寬度增加，maxTTR增大;重心高度不變時，maxTTR隨著側傾中心到重心距離減小而增大;降低車速和減小前輪轉角，maxTTR也增大。

圖6 重心高度對maxTTR的影響Fig 6 Effect of height of center of gravity on maxTTR

圖7 輪距寬度對maxTTR的影響Fig 7 Effect of track width on maxTTR

圖8 前輪轉角對maxTTR的影響Fig 8 Effect of steering angle of front wheel on maxTTR

圖9 車速對maxTTR的影響Fig 9 Effect of vehicle speed on maxTTR

4 結論

1）提出的SUV動態側翻預警算法具有很好的實時性，能及時準確地獲得SUV的側翻狀態信息。

2）減小重心高度、方向轉角及車速，增加輪距寬度，將有助于獲得更大的動態TTR，提高汽車防側翻主動安全性。

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