车辆侧翻预警研究现状与关键技术
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Key words：Vehicle, Rollover warning system, Key technology
1 前言
一些车辆如 SUV、重型半挂车等由于具有质心 位置偏高、质量和体积相对较大、轮距相对过窄等特 点，极易发生侧翻事故。 在侧翻事故发生时，驾驶员 几乎都察觉不到侧翻的发生。 据美国公路交通安全 局统计，1992 年~1996 年,美国每年发生的各类汽车 侧翻事故高达 22700 起， 是仅次于正面碰撞的行车 事故。 1993 年~1998 年，35 000 余人死于交通事故， 其中非 碰 撞 事 故 占 10％， 而 重 大 非 碰 撞 事 故 中 的 90％是侧翻事故[1]。 随着中国汽车数量的不断增长， 交通运输的快速发展， 车辆侧翻等重大交通事故也 持续增加。 可见研制一种侧翻预警系统来避免侧翻 事故的频繁发生十分必要。 车辆侧翻指车辆在行驶 过程中绕纵轴转动 90°或更大的角度， 以至使车身 和地面相接触的危险侧向运动[2]。 一般车辆侧翻分
* 基金项目：吉林大学“大学生创新性实验计划”项目（2009C42057）；高等学校博士学科点专项科研基金（200801830030）。 2010 年 第 8 期
— 27 —
·设计·计算·研究· 对驾驶员进行警示，但此方法较为简单，预警性能 较差。 2007 年 Sverrisson 申请了一个预警方法的专 利[4]，即 利 用 实 际 侧 向 加 速 度 占 极 限 侧 向 加 速 度 百 分比大小来判断侧翻危险程度。
2001 年，Chen 和 Peng 提出了一套使用侧翻时 间（Time To Rollover，TTR）预测的预警算法[13]。 TTR 算法简单易行，实时性也好。 为了提高 TTR 值的精 度，Chen 和 Peng 使用了神经网络技术，但正是使用 了神经网络技术，影响了算法的实时性。
2002 年 ，Trent 和 Greene 提 出 了 利 用 遗 传 算 法和车辆轮胎的变形量估计来判断车辆侧翻的 方 法 [14]。 此方法通过轮胎的模型计算得到轮胎变形 量，再通过遗传算法估计出轮胎的极限变形量，比较
除 LTR 外，预警侧翻的方法还有很多 ，密 苏 里 大 学 哥 伦 比 亚 分 校 Nalecz 开 发 出 一 种 利 用 侧 翻 保 护 能 量 储 备 （Rollover Prevention Energy Reserved， RPER） 法 来 预 警 侧 翻 [9]， 经 过 试 验 表 明 ， 此 方 法 可 以 准确有效地进行侧翻预警。
·设计·计算·研究·
车辆侧翻预警研究现状与关键技术 *
张不扬 1 宗长富 1 王德平 2
（1.吉林大学 汽车动态模拟国家重点实验室；2.中国第一汽车集团公司规划部）
【摘要】阐述了目前国内、外在车辆侧翻预警领域开展研究的现状。 简述了侧翻预警系统的工作原理，介绍了车 辆侧翻预警系统在侧翻算法门限值选取上采用的两种方式： 基于静态门限值的控制方法和基于动态稳定门限值的 控制方法。 指出侧翻预警算法和车辆行驶状态的获取是开发实用侧翻预警系统的关键技术，并展望了未来汽车侧翻 预警系统的发展方向。
主题词：汽车 侧翻预警系统 关键技术 中图分类号：U461.5 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2010）08－0027－05
Status of Research and Key Technology of Vehicle Rollover Warning System
Zhang Buyang1, Zong Changfu1, Wang Deping2 （1. State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation, Jilin University; 2. Planning Department, China First
在系统的实际应用上也有些例子， 如美国稳定 动力学公司（Stability Dynamics Ltd）开发出一套 LG Alert 系统安装在机场消防车上用于预 警 消 防 车 的 侧翻[16]，当 车 辆 侧 向 力 增 加 的 时 候 可 以 对 驾 驶 员 进 行危险提示。此公司还推出了一款 XM2 侧翻预警系 统， 该系统可以通过视觉信号警示驾驶员目前车辆 的侧翻危险程度。 2.2 国内相关研究发展状况
美国密歇根大学交通运输研究中心开发了一套 RSA （Rollove Stability Adviser） 物 理 样 机 [11]， 该 样 机 可以视觉警示驾驶员目前的行驶状态。 RSA 系统在 后来的研究中也得到了一定的应用。 在专利号为 WO2004110809 的专利中[12]，就使用了这一系统，来 实现预警的目的。
传统方法预警的精准性较差， 基于前人在侧翻 机理上的研究，Preston-Thomas 和 Woodrooffe 开发出 了 一 套 稳 定 控 制 和 警 报 系 统 [5]，在 此 系 统 中 使 用 了 横 向载荷转移率（LTR）作为判定车辆侧翻的危险指标。 自此之后很多研究以 LTR 作为判定标准。 1998 年 Dunwoody 等人提出了一个侧翻预警方法，并申请了 专利[6]，其中就使用了 LTR 作为判断依据，当有侧翻 危险时系统可以警示驾驶员。 Penzotii 申请的侧翻预 警 方 法 专 利 中 也 用 LTR 来 判 定 侧 翻 的 危 险 程 度[7]。 2003 年 ， 韩 国 Hyundai -Kai 汽 车 研 究 中 心 的 Dongyoon Hyun 建立了重型半挂车侧翻预警模型[8]， 并通过 LTR 值判定侧翻危险程度。 该研究考虑了悬 架和轮胎的非线性特点， 通过参数辨识技术辨识出 影响 LTR 值的参数，使预测模型更接近实车，能够 较好地反映车辆侧翻。
国内在相关研究上起步相对较晚， 但也取得了 一定的成绩。 贵州工业大学的何锋、杨利勇[17~20]等人 对车辆的侧翻稳定性进行了一系列的研究， 在侧翻 稳定性模拟和稳定性控制方面都取得了成果， 尤其 在非满载罐式汽车的侧翻分析上进行了深入的研 究。 南京林业大学刘静[21]进行了液罐车防侧翻车身 姿态控制和报警策略的研究， 并在 ADAMS 上进行 了仿真分析，考虑了质心变化对车辆侧翻的影响，但 尚没有考虑轮胎侧滑对车辆侧翻的影响。 上海交通 大 学 的 田 骅 [22]建 立 了 基 于 分 布 载 荷 的 消 防 车 静 态 和 动态侧翻稳定性模型， 并在 ADAMS 上进行了静态 试验， 但没有进行动态侧翻稳定性虚拟试验。 哈尔 滨 工 业 大 学 刘 晓 为 [23]等 人 研 发 出 一 种 汽 车 侧 翻 报 警 装置用于车辆侧翻预警并申请了专利， 专利中使用 侧倾角、侧向加速度来计算综合侧翻因子，通过计算 得出综合侧翻因子再与所设定的综合侧翻因子限制 值来判断是否侧翻。 南京航空航天大学张先奎[24]、成 光华[25]在侧翻预 警 控 制 方 面 进 行 了 有 关 算 法 研 究 ， 开 发 出 基 于 TTR 的 侧 翻 预 警 控 制 器 。 在 专 利 CN101350137 中[26]，清 华 大 学 的 王 建 强 、李 克 强 等 ， 通过计算质心高度来计算侧翻加速度阈值， 并以此 判断侧翻。 他们将侧翻预警范围分为 3 级， 当侧向 加速度小于 0.5 倍的侧向加速度阈值时为 0 级，此 时不报警； 当侧向加速度大于等于 0.5 倍且小于等 于 0.8 倍的阈值时，为 1 级，此时进行初级报警；当 大于 0.8 倍的侧向加速度阈值时，为 2 级，此时为高
为两种：一种是绊倒侧翻，即车辆行驶时发生侧向滑 移，与路面上的障碍物侧向撞击而将其“绊倒”；一种 是曲线运动引起的侧翻，即车辆在道路上行驶时，车 辆侧向加速度超过门限值， 使内侧车轮垂直反力为 零引起侧翻。
2 侧翻预警系统研究发展状况
2.1 国外研究发展状况 美国、德国、日本等国家在车辆侧翻模拟和预
汽车技术wk.baidu.com
·设计·计算·研究· 级报警。 此法依据货车侧向加速度与侧翻加速度阈 值的差值和预置的侧翻报警范围， 发出相应的报警 指示。吉林大学对车辆侧翻预警也进行了相关研究， 宗长富在 Matlab/simulink 中建立的重型半挂车数学 模型及动力学仿真模型基础上, 在变车速阶跃转向 输入下进行车辆结构参数与侧翻稳定性关系的仿真 分析，得出重型半挂车侧翻稳定性、车辆结构参数和 不同车速间的关系， 为后来的重型半挂车侧倾稳定 性研究提供了理论依据[27]。 黄杰燕研究开发了基于 TTR 预 警 的 防 侧 翻 控 制 系 统 ， 建 立 了 重 型 半 挂 车 5DOF 和 8DOF 模型，并深入分析了影响侧翻预警结 果的各种因素，为国内进一步进行基于 TTR 算法预 警 的 研 究 打 下 了 坚 实 基 础 [28]。 朱 天 军 在 总 结 传 统 TTR 预警算法优缺点后，提出了改进的 TTR 侧翻预 警算法，避免了质心、载荷等变化对预警的影响，提 高了算法的准确性和普适性[29]。
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两者，轮胎变形量若大于极限变形量，则车辆发生侧 偏。 但由于使用了遗传算法，导致实时性较差，使驾 驶员难以及时反应。
2009 年 ，Delphi 公 司 的 Stavroff 注 册 了 一 个 重 型车辆 侧 翻 预 警 方 法 的 专 利[15]，在 专 利 中 提 出 了 一 种自适应算法来预警侧翻。 此方法对每辆车的质心 高度进行预先的估计：先使车辆行驶一段路程，在此 过程中通过测量车速、 侧向加速度和横摆角速度 3 个状态量对车辆质心高度进行估计。 由于考虑了车 辆行驶中质心变化，此方法保证了预警的准确性。
Automobile Group Corporation） 【Abstract】The status of research on vehicle rollover warning system both in China and abroad is outlined in the paper. The operating principle of the system is introduced briefly, and the following two methods applied in the selection of vehicle rollover algorithm gate limits of the warning system is presented: control method based on static gate limit and control method based on dynamic and stable door limit. It is also pointed out in the paper that the acquisition of rollover warning algorithm and vehicle driving state is a key technology of developing a practical vehicle rollover warning system, an outlook of the development trend of future vehicle rollover warning system is also presented.
1999 年，P. J. Liu 研发出一套车载潜在侧翻危 险预警装置[10]，此系统用于半挂车的侧翻预警。 P. J. Liu 在 其 中 提 出 了 侧 翻 失 稳 评 价 指 标 RSF （Roll Safety Factor）。 该方法与驾驶员操纵输入和车辆尺 寸参数有关，具有良好的普适性。
警领域的研究起步较早，很多汽车厂家、科研机构 都针对车辆侧翻预警系统进行了深入研究。 传统的 预警装置采用单纯的比较侧倾角或车辆侧向加速 度与阈值的大小来预警。 1990 年 Rekheja 和 Alain Piche 开发出一套重型半挂车方向稳定性早期预警 系 统[3]，此 系 统 在 静 态 转 向 条 件 下 利 用 比 较 侧 向 加 速度是否大于设定的门限值来判断车辆状态，并可
1 前言
一些车辆如 SUV、重型半挂车等由于具有质心 位置偏高、质量和体积相对较大、轮距相对过窄等特 点，极易发生侧翻事故。 在侧翻事故发生时，驾驶员 几乎都察觉不到侧翻的发生。 据美国公路交通安全 局统计，1992 年~1996 年,美国每年发生的各类汽车 侧翻事故高达 22700 起， 是仅次于正面碰撞的行车 事故。 1993 年~1998 年，35 000 余人死于交通事故， 其中非 碰 撞 事 故 占 10％， 而 重 大 非 碰 撞 事 故 中 的 90％是侧翻事故[1]。 随着中国汽车数量的不断增长， 交通运输的快速发展， 车辆侧翻等重大交通事故也 持续增加。 可见研制一种侧翻预警系统来避免侧翻 事故的频繁发生十分必要。 车辆侧翻指车辆在行驶 过程中绕纵轴转动 90°或更大的角度， 以至使车身 和地面相接触的危险侧向运动[2]。 一般车辆侧翻分
* 基金项目：吉林大学“大学生创新性实验计划”项目（2009C42057）；高等学校博士学科点专项科研基金（200801830030）。 2010 年 第 8 期
— 27 —
·设计·计算·研究· 对驾驶员进行警示，但此方法较为简单，预警性能 较差。 2007 年 Sverrisson 申请了一个预警方法的专 利[4]，即 利 用 实 际 侧 向 加 速 度 占 极 限 侧 向 加 速 度 百 分比大小来判断侧翻危险程度。
2001 年，Chen 和 Peng 提出了一套使用侧翻时 间（Time To Rollover，TTR）预测的预警算法[13]。 TTR 算法简单易行，实时性也好。 为了提高 TTR 值的精 度，Chen 和 Peng 使用了神经网络技术，但正是使用 了神经网络技术，影响了算法的实时性。
2002 年 ，Trent 和 Greene 提 出 了 利 用 遗 传 算 法和车辆轮胎的变形量估计来判断车辆侧翻的 方 法 [14]。 此方法通过轮胎的模型计算得到轮胎变形 量，再通过遗传算法估计出轮胎的极限变形量，比较
除 LTR 外，预警侧翻的方法还有很多 ，密 苏 里 大 学 哥 伦 比 亚 分 校 Nalecz 开 发 出 一 种 利 用 侧 翻 保 护 能 量 储 备 （Rollover Prevention Energy Reserved， RPER） 法 来 预 警 侧 翻 [9]， 经 过 试 验 表 明 ， 此 方 法 可 以 准确有效地进行侧翻预警。
·设计·计算·研究·
车辆侧翻预警研究现状与关键技术 *
张不扬 1 宗长富 1 王德平 2
（1.吉林大学 汽车动态模拟国家重点实验室；2.中国第一汽车集团公司规划部）
【摘要】阐述了目前国内、外在车辆侧翻预警领域开展研究的现状。 简述了侧翻预警系统的工作原理，介绍了车 辆侧翻预警系统在侧翻算法门限值选取上采用的两种方式： 基于静态门限值的控制方法和基于动态稳定门限值的 控制方法。 指出侧翻预警算法和车辆行驶状态的获取是开发实用侧翻预警系统的关键技术，并展望了未来汽车侧翻 预警系统的发展方向。
主题词：汽车 侧翻预警系统 关键技术 中图分类号：U461.5 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2010）08－0027－05
Status of Research and Key Technology of Vehicle Rollover Warning System
Zhang Buyang1, Zong Changfu1, Wang Deping2 （1. State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation, Jilin University; 2. Planning Department, China First
在系统的实际应用上也有些例子， 如美国稳定 动力学公司（Stability Dynamics Ltd）开发出一套 LG Alert 系统安装在机场消防车上用于预 警 消 防 车 的 侧翻[16]，当 车 辆 侧 向 力 增 加 的 时 候 可 以 对 驾 驶 员 进 行危险提示。此公司还推出了一款 XM2 侧翻预警系 统， 该系统可以通过视觉信号警示驾驶员目前车辆 的侧翻危险程度。 2.2 国内相关研究发展状况
美国密歇根大学交通运输研究中心开发了一套 RSA （Rollove Stability Adviser） 物 理 样 机 [11]， 该 样 机 可以视觉警示驾驶员目前的行驶状态。 RSA 系统在 后来的研究中也得到了一定的应用。 在专利号为 WO2004110809 的专利中[12]，就使用了这一系统，来 实现预警的目的。
传统方法预警的精准性较差， 基于前人在侧翻 机理上的研究，Preston-Thomas 和 Woodrooffe 开发出 了 一 套 稳 定 控 制 和 警 报 系 统 [5]，在 此 系 统 中 使 用 了 横 向载荷转移率（LTR）作为判定车辆侧翻的危险指标。 自此之后很多研究以 LTR 作为判定标准。 1998 年 Dunwoody 等人提出了一个侧翻预警方法，并申请了 专利[6]，其中就使用了 LTR 作为判断依据，当有侧翻 危险时系统可以警示驾驶员。 Penzotii 申请的侧翻预 警 方 法 专 利 中 也 用 LTR 来 判 定 侧 翻 的 危 险 程 度[7]。 2003 年 ， 韩 国 Hyundai -Kai 汽 车 研 究 中 心 的 Dongyoon Hyun 建立了重型半挂车侧翻预警模型[8]， 并通过 LTR 值判定侧翻危险程度。 该研究考虑了悬 架和轮胎的非线性特点， 通过参数辨识技术辨识出 影响 LTR 值的参数，使预测模型更接近实车，能够 较好地反映车辆侧翻。
国内在相关研究上起步相对较晚， 但也取得了 一定的成绩。 贵州工业大学的何锋、杨利勇[17~20]等人 对车辆的侧翻稳定性进行了一系列的研究， 在侧翻 稳定性模拟和稳定性控制方面都取得了成果， 尤其 在非满载罐式汽车的侧翻分析上进行了深入的研 究。 南京林业大学刘静[21]进行了液罐车防侧翻车身 姿态控制和报警策略的研究， 并在 ADAMS 上进行 了仿真分析，考虑了质心变化对车辆侧翻的影响，但 尚没有考虑轮胎侧滑对车辆侧翻的影响。 上海交通 大 学 的 田 骅 [22]建 立 了 基 于 分 布 载 荷 的 消 防 车 静 态 和 动态侧翻稳定性模型， 并在 ADAMS 上进行了静态 试验， 但没有进行动态侧翻稳定性虚拟试验。 哈尔 滨 工 业 大 学 刘 晓 为 [23]等 人 研 发 出 一 种 汽 车 侧 翻 报 警 装置用于车辆侧翻预警并申请了专利， 专利中使用 侧倾角、侧向加速度来计算综合侧翻因子，通过计算 得出综合侧翻因子再与所设定的综合侧翻因子限制 值来判断是否侧翻。 南京航空航天大学张先奎[24]、成 光华[25]在侧翻预 警 控 制 方 面 进 行 了 有 关 算 法 研 究 ， 开 发 出 基 于 TTR 的 侧 翻 预 警 控 制 器 。 在 专 利 CN101350137 中[26]，清 华 大 学 的 王 建 强 、李 克 强 等 ， 通过计算质心高度来计算侧翻加速度阈值， 并以此 判断侧翻。 他们将侧翻预警范围分为 3 级， 当侧向 加速度小于 0.5 倍的侧向加速度阈值时为 0 级，此 时不报警； 当侧向加速度大于等于 0.5 倍且小于等 于 0.8 倍的阈值时，为 1 级，此时进行初级报警；当 大于 0.8 倍的侧向加速度阈值时，为 2 级，此时为高
为两种：一种是绊倒侧翻，即车辆行驶时发生侧向滑 移，与路面上的障碍物侧向撞击而将其“绊倒”；一种 是曲线运动引起的侧翻，即车辆在道路上行驶时，车 辆侧向加速度超过门限值， 使内侧车轮垂直反力为 零引起侧翻。
2 侧翻预警系统研究发展状况
2.1 国外研究发展状况 美国、德国、日本等国家在车辆侧翻模拟和预
汽车技术wk.baidu.com
·设计·计算·研究· 级报警。 此法依据货车侧向加速度与侧翻加速度阈 值的差值和预置的侧翻报警范围， 发出相应的报警 指示。吉林大学对车辆侧翻预警也进行了相关研究， 宗长富在 Matlab/simulink 中建立的重型半挂车数学 模型及动力学仿真模型基础上, 在变车速阶跃转向 输入下进行车辆结构参数与侧翻稳定性关系的仿真 分析，得出重型半挂车侧翻稳定性、车辆结构参数和 不同车速间的关系， 为后来的重型半挂车侧倾稳定 性研究提供了理论依据[27]。 黄杰燕研究开发了基于 TTR 预 警 的 防 侧 翻 控 制 系 统 ， 建 立 了 重 型 半 挂 车 5DOF 和 8DOF 模型，并深入分析了影响侧翻预警结 果的各种因素，为国内进一步进行基于 TTR 算法预 警 的 研 究 打 下 了 坚 实 基 础 [28]。 朱 天 军 在 总 结 传 统 TTR 预警算法优缺点后，提出了改进的 TTR 侧翻预 警算法，避免了质心、载荷等变化对预警的影响，提 高了算法的准确性和普适性[29]。
— 28 —
两者，轮胎变形量若大于极限变形量，则车辆发生侧 偏。 但由于使用了遗传算法，导致实时性较差，使驾 驶员难以及时反应。
2009 年 ，Delphi 公 司 的 Stavroff 注 册 了 一 个 重 型车辆 侧 翻 预 警 方 法 的 专 利[15]，在 专 利 中 提 出 了 一 种自适应算法来预警侧翻。 此方法对每辆车的质心 高度进行预先的估计：先使车辆行驶一段路程，在此 过程中通过测量车速、 侧向加速度和横摆角速度 3 个状态量对车辆质心高度进行估计。 由于考虑了车 辆行驶中质心变化，此方法保证了预警的准确性。
Automobile Group Corporation） 【Abstract】The status of research on vehicle rollover warning system both in China and abroad is outlined in the paper. The operating principle of the system is introduced briefly, and the following two methods applied in the selection of vehicle rollover algorithm gate limits of the warning system is presented: control method based on static gate limit and control method based on dynamic and stable door limit. It is also pointed out in the paper that the acquisition of rollover warning algorithm and vehicle driving state is a key technology of developing a practical vehicle rollover warning system, an outlook of the development trend of future vehicle rollover warning system is also presented.
1999 年，P. J. Liu 研发出一套车载潜在侧翻危 险预警装置[10]，此系统用于半挂车的侧翻预警。 P. J. Liu 在 其 中 提 出 了 侧 翻 失 稳 评 价 指 标 RSF （Roll Safety Factor）。 该方法与驾驶员操纵输入和车辆尺 寸参数有关，具有良好的普适性。
警领域的研究起步较早，很多汽车厂家、科研机构 都针对车辆侧翻预警系统进行了深入研究。 传统的 预警装置采用单纯的比较侧倾角或车辆侧向加速 度与阈值的大小来预警。 1990 年 Rekheja 和 Alain Piche 开发出一套重型半挂车方向稳定性早期预警 系 统[3]，此 系 统 在 静 态 转 向 条 件 下 利 用 比 较 侧 向 加 速度是否大于设定的门限值来判断车辆状态，并可