运动型多功能汽车动态侧翻预警系统研究

ｃｎａｃｒｔｙｏｔ ｎｔｅｔ ｅｔ ｒ ｌ ｅ（ １ ｉ ｐｒ ｅｌｉｅａ ｄｉ ｐｏｅｖｈｃｅａｔｒ ｌ ｅ ｆｔ． ａ ｃｕａ ｌ ｂａ ｍ ｌ ｖｒ Ｉ’ ｎｓ ｅ ａ ｔ ｎ ｒｖ ｅｉ ｎｉ ｏｏ ｒ ａｅ ｅ ｉ ｈ ｉ ｏ ｏ ｏ Ｒ） ｕ ｒ —ｍ ｍ ｌ －ｌｖ ｓ ｙ
第 ９期
１ Ｓ ＵＶ动 态 侧 翻 预 警 机 理
金 智林 ， ： 等 运动型多功能汽车 动态侧 翻预警系统研究
３ ３
１ １ Ｓ Ｖ侧 翻 动 力 学模 型 ． Ｕ
为满足预警系统 的超 实 时性要求 ， 立 了简化 的线性 建 三 自由度汽车侧 翻动力学模 型 ， 图 １ 如 所示 。
脚＝ ＝ 詈 一
ｍ ｈ８ Ｌ ｋ 一眠 ｇ ） 。／ Ｈ（。 ｈ
Ｓ Ｖ动态侧翻预警算法流程如 图 ２所示 ， Ｕ 在单片机中采 用离散化编 程。取定合 适 的计算 步长 和 预警 时 间上 限
ｈ ｃ－ ｆ （
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故 Ｊ 。汽 车 侧 翻 总 在 很 短 时 间 内发 生 ， 至 于 驾 驶 员 来 不 以
出正常车道发生事 故 。Ｃ ｅ ｈｎＢ Ｃ等人根 据 汽车静 态侧
倾角 阈值定义汽车侧翻预警时间（ｉ ｅｔ ｒｌ ｖｒ Ｒ） ， ｔ ｌ ｅ， ｍ ｏ ｏ ｏ Ｊ
并基于该侧 翻预 警 系统进 行 了 Ｓ Ｖ 防侧 翻控 制 研究 。 Ｕ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｙ ｍ ｉ ｏ ｌ ｖ ｒ ｗａ ｎｉ ｙ ｔ ｍ ｏ ＵＶ ｓ ａ ｃ ｎ ｄ ｎａ ｃ ｒ ｌｏ ｅ ｒ ｎｇ ｓ ｓ ｅ ｆ ｒ Ｓ
ＪＮ Ｚ ｉ ｉ Ｉ ｈ — ｎ，Ｚ ｌ ＨＡＮＧ Ｈｏ ｇｓ ｅ ｇ ｎ —ｈ ｎ ，ＭＡ ｕ—ｈ ｎ Ｃ ｉｚ ｅ （ ｅ ａｔ ｎ ｆ ｈｃ ｎｉｅｒ ｇ Ｎ ｎｉｇＵ ｉｅｓｙｏ ｅｏ ａ ｔｓａ ｄ Ｄ ｐｒ ｍｅ ｔ ｉ ｅＥ ｇ ｅｉ ， ａ ｊ ｎｖｒｉ ｆ ｒ ｎ ｕｉ ｎ ｏ Ｖｅ ｌ ｎ ｎ ｎ ｔ Ａ ｃ
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１ ２ Ｓ Ｖ动 态侧 翻 指 标 ． Ｕ
。ｍｊ ｓ ‘ ２ ｈ ｋ ｆ
１ 。当 Ｒ ］ ＝Ｏ时 ， 汽车侧倾 角为 ０ 当 Ｒ ＝ ±１时 ， 车达 ； 汽 到临界侧翻点 。对所有汽车 ， 发生侧翻的条件都是 Ｒ 的绝
定义汽车一侧车 轮离 地为 侧翻 临界条 件 ， 应用 Ｒ ｕｈ ｏｔ— Ｈ ｒ ｉ 判据求解 式（ ） ｕｗｔ ｚ ３ 的动态稳 定性 条件 ， 融合 侧 翻临界 条件 、 动态稳定性条 件及 汽车侧 翻静态稳 定 因子可得 汽车
一
’ ，
图１ Ｓ ＵＶ 侧 翻 动 力 学 模 型
Ｆｉ Ｄｙ ｍｉ ｄ ｌｏ ｏ ｌ ｖ ｒ ｆ ｒ Ｓ ｇ １ ｎａ ｃ ｍｏ ｅ ｆｒ ｌｏ ｅ ｏ ＵＶ
该模 型忽略 汽车纵 向和俯仰方 向的动 力学特征 ， 并假 设汽车左右车轮动力学特性关 于 轴对称 。在预警算法一 个周期 的短时 间内， 可认 为车速 Ｕ为 常数 。由模 型 可得汽
及感受到汽车状态 而采取 防止 侧翻措施 。因此 ， 采用智 能装置对 汽车侧 翻进 行预警 ， 时准确地 预测汽车侧 翻状 及 态， 提醒驾驶员或电控执 行机构迅 速采取措 施 防止 汽车侧
该预警系统需要对不同汽车进行静态侧翻实验得到阈值 作 为汽车侧翻条件 。Ｂ ａａＭ ＪＬ等人 则针对 汽车侧 翻动 态 ｏｄ
汽车向左右两侧发生 侧倾甚 至侧 翻时 ， 向加速 度在 横
所定 义的坐标系 中可能为负值 ， 即 可取值 范 围为 ［一１ ，
３ ４
传 感 器 与 微 系 统
第３ ｌ卷
斟—］ 飞 思 — 尔
信 滤ｌ 单 号 １ ６ 片 位
波 路ｒ 电Ｉ机 ’
Ｉ 皇 塑塑 Ｉ
ｖ ｈ ｃｅ ｒ ｌ ｖ ｒ ａ ｔｒ ｅ ｄ ｇｅ ｆｆｅ ｄ ｍ ｄ ｌ ｉ ｅ ｔｂ ｉｈ ｄ ａ ｄ ｔｅ ｄ ｎ ｍｉ ｏ ｌｖ ｒ ｗ ｒ ｉ ｇ ａｇ ｒ ｈ ｉ ｅ ｉｌ ｏ ｌ ｅ ， ｈ ｅ ｅ ｒ ｅ ｏ ｒ ｅ ｏ ｍｏ ｅ ｓ ｓａ ｌ ｅ ｎ ｈ ｙ ａ ｃ ｒｌ ｅ ａ ｎ ｌｏ ｉ ｍ ｓ ｏ ｓ ｏ ｎ ｔ ｓ ｄ ｅ ｒＳ Ｖ． １ 一 ｉ ｍｉｒ ｃ ｍｐ ｔ ｒｉ ｓ ｄ ｔ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｔ ｓ ｂ ｎ ｈ ｏ ｅ ｉｌ ｙ ａ ｉ ｏｌ ｖ ｒｗａ ｉｇ ｔ ｉｄ ｆ Ｕ Ａ ６ ｂ ｔ ｃ ｏ ｏ ｕ ｅ ｓ ｕ ｅ ｏ ｄ ｓｇ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ｖ ｈｃ ｅ ｄ ｎ ｕ ｏ ｆ ｍ ｃ ｒ ｌ ｅ ｒ ｎ ． ｏ ｎ
确且实时性好 ， 减小重 心高度 、 向转角及车速 ， 方 增加轮距宽度将有助于获得更大的动态侧翻预警 时间 ， 提
高汽车防侧翻主动安全性 。
关键词 ：运动型多功能汽车 ；动态侧 翻预警 ； 翻预警 时间 ； 侧 实验分析 ；主动安全性 中图分类号 ：Ｕ４ １ ９ ６ ．１ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号：１０ － ７７ ２ １ ） ９０３ －４ ０ ０９ ８ （ ０２ ０ －０ ２－ － ０
３ ２
传感器与微系统 （ ｒｎｄｃｒ ｎ ｃｏｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ｓ Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎｌ ｉ ） ａ ｒ ｅ ｏｅ
２１ ０２年 第 ３ １卷 第 ９期
运 动型 多功 能汽 车动 态 侧 翻 预 警 系统 研 究
金 智林 ，张鸿 生 ，马翠 贞
（ 南京航空航天大学 车辆工程系 ， 江苏 南京 ２ ０ １ ） １０ ６ 摘 要 ：汽车侧翻是一种迅 速发 生且 非常致命 的事故 ， 为及时准确地获得汽车侧翻状态信息 ， 针对运动型
２ ｂ， ） （ｘ 一ｎ
Ａ ＝
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ｍＩ 一 ｍ２
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稳定性进行 了研究 ” ， 分析 汽车动态侧 翻过程 的运动 规律 和侧 翻评价指标 。 本文根据 Ｓ Ｖ特点建 立三 自由度侧翻动力学模 型 ， Ｕ 融
翻， 可有效地降低汽车侧翻事故 。
目前 ， 汽车上应用的预警装置很多 ， 车载倒车雷达 系 如 统和车载 防撞 系统 ， 可实时测量汽车与前／ 后物体之 间的距
侧 翻 动 态 稳 定 因 子 （ｙ ａ ｉ ｓ ｂ ｉ ｃ ｒＤ Ｆ 为 ｄｎ ｍ ｃ ｔ ｉｔ ｆ ｔ ， Ｓ ） ａ ｌｙ ａ ｏ
对值 大于或等于 １ 。因此 ， 汽车动 态侧 翻指 标 使不 同类
型汽车的侧翻条件有一定 的通用性 。 １３ Ｓ ． ＵＶ动 态侧 翻 预 警 算法
离， 提醒驾驶员采取相 应措施 避免发生 碰撞事 故。而汽 车 侧倾 状态的测 量 比较困难 ， 对汽车侧翻预警 的研究也很少 。
其中 ， ｎ ｅｈｕ 等人 研究 了汽车 碰撞 预警 系统 ， Ｍｉｄｒｏ ｄＭ Ｍ 可 应用在智能汽车 中预测 与前障碍 物碰撞 时间 ， 效避免 撞 有
式中
为汽车前后轴距 ， 轮距 宽度 。由式 （ ） 定义 为 ４可
Ｓ Ｖ动态侧 翻评价指标为 Ｕ
“ —Ｄ Ｆ Ｐ 一竺ｓ ｄ
角速度 ｒ横 向加速度 ａ 和横 向速度 ； ， 由侧倾角信号得到侧
（） ５
倾角 妒， 并通过差分方法计算侧倾 角速率。根据所得初始状
态和汽车侧翻动力学规 律计算 Ｓ Ｖ动 态侧翻指标 ， 通过 Ｕ 并 侧 翻条件和预警 时间上限条件判断得 到 １ Ｒ， Ｔ 完成一个预警 ｒ 周期 计算 。接着进行下一周期 的预警。
Ａ ｔｏ ａ ｔ ｓＮａ Ⅱ １０ ６ Ｃ ｉａ ｓ ｎ ｕｉ ， ｉｇ ０ １ ， ｈｎ ） ｒ ｃ ２
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｖｅ ｉｌ ｏｌｖ ｒｉ ａｆ ｔｌ ｃ ｉ ｅ ｔ ｈ ｃ ｃ ｕ ｓｒ ｐ ｄ ｙ Ｔ ｅ ｃ ｕ ａｅ ｉｆ ｒ ｔ ｎ ｏ ｅ ｉｌ ｏｌ ｖ ｒ ｓｒ ｃ ： ｈｃ ｅ ｒ ｌ ｅ ｓ ａａ ｃｄ ｎ ｉｈ ｏ ｃ ｒ ａ ｉｌ ． ｏ ｇ ｔａ ｃ ｒｔ ｎ ｏｍａｉ ｆｖ ｈｃ ｅｒ ｌ ｅ ｏ ａ ｗ ｏ ｏ
Ｓ ｍｅ ｔｐｉａ ｘ ｒｍｅ ｔ ｌｃ ｓ ｓ ａ ｅ ａ ｌｅ ｏ ａ ｌ ｚ ｈ ｙ ｔｍ ｒｏｍ ａ ｃ ． ｏ ｙ ｃ ｌｅ ｐｅ ｉ ｎ ａ ａ ｅ ｒ ｐｐ ｉｄ ｔ ｎａｙ ｅ ｔｅ ｓ ｓｅ ｐｅｆ ｒ ｎ ｅ Ｔｈｅ ｒ ｓ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｓ ｓｅ ｅ ｕｌｓｓ ｏ ｔａ ｈ ｙ ｔｍ
多功能汽车（ Ｕ 研究 了一种动态侧 翻预警 系统 。根据侧 翻运动 规律建立 了三 自由度 Ｓ Ｖ侧 翻动力学 Ｓ Ｖ） Ｕ
模型 ， 研究 了 Ｓ Ｖ动态侧翻预警算法 ， Ｕ 设计 了以 １ ６位单片机为核心 的动态侧 翻预警系统硬 件结构 。对典
型工况下 的 Ｓ Ｖ动态侧 翻预警性能进行 了实 验分析 ， Ｕ 结果表 明 ： 该系统计算 汽车侧 翻预警 时间 （Ｔ 准 １ Ｒ） ｒ
收稿 日期 ：０ ２０ — ８ ２ １ －６ １
合 汽 车 侧 翻预 警 机理 研 究 Ｓ Ｖ动 态 侧 翻 预警 算 法 。以 Ｕ
１ ６位单 片机 为核心设 计 Ｓ Ｖ动态侧 翻预警 系统 的软硬件 Ｕ 结构 ， 并选取典型侧翻工况进行系统预警性能的实验 。
基 金项 目： 江省重大科技计划资助项 目（ ０９ ０ ０ １ 浙 ２０Ｃ１０ ）
ａ ａｙ ｉ ｎ ｌｓｓ；ａ ｔｖ ａｅｙ ｃｉ ｅ ｓｆ ｔ
０ 引 言
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车事故 Ｊ 。Ｗｉｓｍ Ｗ 等人则对高速公路 车道偏离 预警 系 ｎｕ
统进行研究 ， 义汽车 即将偏离 车道 的时间来避免 汽车驶 定
近年来 ， 动型多功 能汽 车（ Ｕ 越来越受欢迎 ， 由 运 Ｓ Ｖ） 但 于重心高 ， 行驶 环境 复杂等因素使 得 Ｓ Ｖ容易发生 侧翻事 Ｕ
、
Ｃ］ （ ｒ’ ４ ） ）
（ 该值 表示 可认为汽车不会发生侧翻 ） 初始 步数为ｎ 。 ， ＝Ｏ
启动传感器组采 集信号 ， 计算 当前 时刻 的汽 车侧 翻状 态初
值 。由 ４ 车轮轮速信号计算车速 Ｕ 根据方 向盘转角信号 个 ； 计算前轮转角 ６ 由横摆角速度 和横 向加速度信号 得到横摆 ；
Ｋｅ ｒｓ ｓｏｔ ｔｉ ｅｉ ｅ Ｓ Ｖ） ｙａ ｉ ｒｌ ｖｒｗ ｒｉ ；ｔ ｏｒｌ ｖｒ ｒ ’ ；ｅｐｒ ｅｔ ｙｗｏｄ ： ｐｒ ｕｉｔ ｖｈｃ （ Ｕ ；ｄｎ ｃ ｏ ｏｅ ａ ｎ ｉ ｔ ｏ ｏｅ （ＩＲ） ｘ ｅ ｍ ｎａ ｌｙ ｌ ｍ ｌ ｎ ｇ ｍｅ ｌ ｆ Ｉ ｉ ｌ
车侧翻动力学方程
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