基于側(cè)向力和側(cè)傾角的超車安全預(yù)警方法*

吾澤胤，李培慶，蔣佳辰

（浙江科技學(xué)院 汽車工程系，浙江 杭州310023）

引言

隨著我國(guó)汽車保有量的指數(shù)型增長(zhǎng)，高速公路及普通道路上行駛的車輛與日俱增。然而，時(shí)下我國(guó)交通事故頻發(fā)，其中在高速公路上，60%以上的交通事故與超車密不可分[1]。因此，如何解決在超車時(shí)的車輛的安全預(yù)警問(wèn)題亟待解決。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)超車或換道安全的研究有很多。Zhao 等人采用逆動(dòng)力學(xué)方法求解車輛最小超車時(shí)間操縱問(wèn)題，獲得車輛完成安全超車的最短時(shí)間[2]；Rilett 等人論證了車輛安全超車與車輛加速、減速及安全距離等因素之間的關(guān)系[3]；Osman 等人提出了一種結(jié)合制導(dǎo)導(dǎo)航和基于圖像的視覺(jué)檢測(cè)的道路跟蹤超車機(jī)動(dòng)方法[4]；張文會(huì)等人基于MATLAB 軟件仿真得出超車車輛與前方車輛及對(duì)向車輛之間的臨界安全距離圖，并建立了安全距離模型[5-6]；劉志強(qiáng)等人基于駕駛?cè)诵袨樘匦缘膿Q道危險(xiǎn)感知模型，提出一種參數(shù)在線辨識(shí)、閾值可調(diào)的換道預(yù)警算法[7]。

本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合超車過(guò)程中車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征的變化，即輪胎的側(cè)向力和側(cè)向加速度這兩個(gè)參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并運(yùn)用MATLAB對(duì)曲線進(jìn)行擬合，得到的擬合函數(shù)作為車輛超車預(yù)警的依據(jù)并加以論證。

1 超車場(chǎng)景建模

1.1 構(gòu)建道路軌跡場(chǎng)景

根據(jù)實(shí)際工況和試驗(yàn)條件要求，將超車距離分的5種情況，即20m、30m、40m、50m、60m，其余距離均按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，保證實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一性。為研究汽車在高速行駛狀態(tài)下進(jìn)行直道超車過(guò)程中動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵響應(yīng)特征的變化，采用雙移線換道工況，模擬車輛超車換道并返回原來(lái)車道的典型超車過(guò)程。圖1 為對(duì)于路徑進(jìn)行的參數(shù)化分解，分解得到完成超車需做出的各個(gè)步驟和車道的寬度，及各步驟所需的行駛距離。

1.2 構(gòu)建車輛模型

依據(jù)某品牌轎車車型的關(guān)鍵參數(shù)作為建模要求，如表1 所示，通過(guò)Adams/Car 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，創(chuàng)建仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D2 所示。

表1 轎車關(guān)鍵參數(shù)值

圖1 超車場(chǎng)景參數(shù)化軌跡圖

圖2 整車試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 側(cè)向力變化情況

按照?qǐng)D1 參數(shù)化軌跡圖設(shè)置路徑文件，假設(shè)車輛完成轉(zhuǎn)向-換道-再轉(zhuǎn)向，即車輛從當(dāng)前行駛車道轉(zhuǎn)到另一條車道，這個(gè)動(dòng)作所需要的縱向距離x，車輛完成第一次換道后又行駛了50m 路程，然后完成與第一次換道相同的換道動(dòng)作，回到先前的車道。試驗(yàn)假設(shè)縱向距離x 分別為20m、30m、40m、50m、60m，對(duì)五條超車軌跡進(jìn)行不同速度的仿真實(shí)驗(yàn)。

其中，車輛行駛速度被設(shè)定在80km/h 至120km/h，以10km/h 為間隔進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，從而得到后處理曲線。

基于仿真結(jié)果得到的車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)曲線，從后處理中導(dǎo)出各種速度條件下輪胎側(cè)向力變化極限值曲線圖，將曲線圖參數(shù)化后輸入進(jìn)MATLAB 繼續(xù)進(jìn)行函數(shù)擬合，其中得到實(shí)驗(yàn)中的五種軌跡條件下輪胎側(cè)向力Fy 極值的曲線圖，如圖3 所示。

由于圖中標(biāo)記點(diǎn)分別取自不同速度條件下車輪上所受到的側(cè)向力極限值，車輛在超車過(guò)程中行駛時(shí)應(yīng)避免超過(guò)該極限值，由此可得到不同路徑軌跡下超車時(shí)的側(cè)向力極限值函數(shù)表達(dá)式。本文采用多項(xiàng)式的方式來(lái)表示。若設(shè)側(cè)向力極值與速度的方程式為

圖3 五條路徑下側(cè)向力極值與速度曲線圖

則由MATLAB 曲線擬合得到的各曲線函數(shù)表達(dá)式為：

該函數(shù)可從車輛反饋得到的速度與側(cè)向力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)車輛行駛安全性做出評(píng)價(jià)，隨后對(duì)駕駛員做出預(yù)警提示。

2.2 側(cè)傾角變化情況

當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)傾后，用來(lái)判斷車身姿態(tài)最直接的動(dòng)力學(xué)特征為輪胎側(cè)傾角的變化情況，故將車輛仿真后得到的后處理曲線進(jìn)行分析可知，相同路徑下，隨著速度的增加，側(cè)傾角也隨之增大。現(xiàn)提取出不同路徑，不同速度下輪胎側(cè)傾角（roll angle）的極大值，得到側(cè)傾角的值隨速度的變化曲線圖，如圖4 所示。

因?yàn)樵撉€涵蓋了不同路徑、不同速度條件下的極限值，故曲線的函數(shù)表達(dá)式為車輛在進(jìn)行超車時(shí)的極限情況，因此，車輛在超車時(shí)可將該曲線的函數(shù)表達(dá)式作為其預(yù)警函數(shù)。利用MATLAB 對(duì)曲線進(jìn)行函數(shù)擬合，設(shè)函數(shù)多項(xiàng)式表達(dá)式為：

圖4 五條路徑下側(cè)傾角極限值與速度曲線圖

則由MATLAB 曲線擬合得到的各曲線函數(shù)表達(dá)式為：

所得函數(shù)為車輛側(cè)傾角極限值與速度關(guān)系，車輛可通過(guò)采集到的這兩個(gè)指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)車輛超車過(guò)程中的行駛安全性做出安全評(píng)估，并對(duì)危險(xiǎn)情況做出預(yù)警。

最后，根據(jù)所得多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá)式，利用MATLAB繪制出側(cè)向力Fyf和側(cè)傾角φ 關(guān)于速度變化的三維曲線，如圖5 所示，由此可得到在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)車輛進(jìn)行超車時(shí)的安全預(yù)警范圍。

圖5 側(cè)向力與側(cè)傾角關(guān)于速度變化的三維曲面

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)車輛在不同的超車路徑下，隨著速度的改變對(duì)車輛進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)車輛行駛過(guò)程中的側(cè)向力和側(cè)傾角的變化情況切入對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，從中提取關(guān)鍵點(diǎn)作為該條件下的極限值，最后利用MATLAB 對(duì)仿真得到的極值曲線圖進(jìn)行函數(shù)擬合，獲取超車安全預(yù)警函數(shù)，進(jìn)而為汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)的研發(fā)和超車事故的減少提供參考和借鑒，避免交通事故的發(fā)生。