建立客车侧翻控制预警系统预防客车侧翻

摘要

　　近年来，随着公路旅客运输量的快速增长，汽车侧翻事故也在不断增加，造成了严重的人员伤亡与巨大的经济损失。在汽车事故中，侧翻事故的危害程度高，受到越来越多的关注。客车由于载客量大、质心高、质量大等特点，比其他汽车更容易发生侧翻。研究如何提高汽车行驶稳定性，减少侧翻事故的发生，已成为当前研究的热点。本文主要的研究内容如下：

　　（1）以客车为研究对象，建立三自由度侧翻模型，在 Simulink 环境下搭建的三自由度车辆动力学模型，与 Trucksim 中模型对比。

　　（2）从理论方面分析了影响了客车行驶稳定性的因素，提出了能更准确描述汽车稳定性的评价指标：动态稳定性系数。分析了影响动态稳定性系数的汽车结构参数和操纵参数。

　　（3）选取横向载荷转移率作为汽车侧翻的判别指标，建立基于侧倾角估计的侧翻预警算法并提出基于TTR预警的差动制动防侧翻控制。利用Matlab/Simulink与Trucksim软件对基于 TTR 预警的差动制动防侧翻控制进行联合仿真分析。

　　关键词：客车，侧翻稳定性，TTR 预警，差动制动，模糊 PID 控制

Abstract

　　In recent years, with the rapid growth of highway passenger traffic, the vehicle rollover accident is also increasing, resulting in serious casualties and huge economic losses.In the car accident, rollover accident harm degree is high, has attracted more and more attention.Due to the large passenger capacity, high center of mass, mass and other characteristics, more prone to rollover than other cars.It has become a hot topic to study how to improve the stability and reduce the occurrence of rollover accidents.The main contents of this paper are as follows:

　　（1）Taking the bus as the research object, the three degree of freedom rollover model is established, and the dynamic model of the vehicle with three degrees of freedom is built in the Simulink environment, which is compared with the Trucksim model.

　　（2）This paper analyzes the factors that affect the stability of the passenger car, and puts forward the evaluation index which can describe the stability of the vehicle more accurately.Analysis of the impact of the structural parameters of a vehicle dynamic stability coefficient and control parameters（3）The lateral load transfer rate is chosen as the index of vehicle rollover.The rollover warning algorithm based on side slope estimation is established, and the differential braking anti rollover control based on TTR is proposed.Using Matlab/Simulink and Trucksim software to simulate and analyze the differential braking anti rollover control based on TTR.

　　Key words:Passenger car,Rollover stability,TTR warning,Differential braking,Fuzzy PID control

　　高速网络的不断完善也带动了公路客运量和旅游业的快速增长。旅游业的飞快进步，使越来也多的客车投入使用。在我国轿车人均占有率还比较低的情况下，客车以其独特的方便性和灵活性在人们的出行中占有重要的角色。

　　旅客运输量的快速增长使越来越多的营运客车不断投入使用，同时，带动中国客车制造业的快速发展，2014 年中国客车产量达 158.63 万辆，在全球客车市场上的份额为40%以上，中国客车产量已居世界第一[1]。中国客车产业在市场上的竞争能力明显提高。

　　随着客车数量的快速增加，在客车上发生的交通事故也引起了人们对客车安全性的关注。客车由于其质量大、重心高等特点，发生侧翻的危险比乘用车更高，而客车载客量大，一旦发生侧翻，其对人们的生命安全造成更大的威胁和更大的社会影响[2]。根据对交通事故的统计，发现客车侧翻事故对百姓的生命安全造成更大的危害。根据美国对交通事故的数据统计，2012 年美国发生的交通事故有 561.5 万次，客车侧翻事故在总交通事故的比例为 1.5%左右，但其造成的伤亡数占总伤亡数的比例为 20.3%，由此可见，客车侧翻事故对人员的生命安全构成了很大的危害[3]。客车侧翻事故的发生，对乘客造成了严重的伤害，同时，在社会上引起了极坏的影响，由此可见，对客车侧翻预警和防侧翻的研究是非常有必要的。

　　客车侧翻事故的发生受到多方面的因素影响，根据研究表明，40%左右的侧翻事故是可以避免的，例如：驾驶员疲劳驾驶、驾驶员精力不集中或者是雨雪天气等这些因素造成的侧翻事故是可以避免的。为了尽量减少这 40%事故的发生以保障乘客的安全，开发侧翻预警和防侧翻系统显得尤为必要。

　　目前国内外很多研究机构对侧翻的研究重点放在研究静态侧翻方面，对动态侧翻的研究相对较少[4]。汽车在高速行驶或者极限工况下发生的侧翻比较普遍。汽车动态行驶时发生的侧翻可以分为两类：一类是绊倒型侧翻，因碰到路缘或者障碍物而导致汽车发生的侧翻，汽车发生此类侧翻的过程比较难以用数学模型表示，目前对汽车在运动过程中遇到障碍物而发生侧翻的研究不是很深入；另一类侧翻是非绊倒型侧翻，汽车在高速行驶或者极限工况行驶时，车辆的行驶状态参数超过门限值而使汽车发生侧翻[5]。

　　传统的汽车侧翻 预警算法以侧倾角等作为判别车辆侧翻的指标。此种方法简单，但是不能预测未来一段时间汽车是否发生侧翻。目前，大部分汽车侧翻 预警系统以横向载荷转移率作为判别车辆侧翻的门限值，来进行汽车的侧翻 预警。车辆侧翻预警系统的原理是：利用传感器获取车辆行驶状态参数（侧倾角、行驶车度等），传感器获取的数据经过 A/D 转换和 Kalman 滤波后传递给控制器芯片，侧翻预警 算法实时计算横向载荷转移率的值，一旦超过汽车设定的门限值就进行报警[6]。以横向载荷转移率（LTR）作为判别指标，能准确的对汽车即将发生的侧翻进行预警，避免汽车发生侧翻。

建立客车侧翻控制预警系统预防客车侧翻：

TTR 侧翻预警示意图

客车方向盘转角输入

客车横向载荷转移率

客车 TTR 侧翻预警值

各车辆制动力与抗横摆力矩的关系曲线

目录

　　第一章绪论
　　　　1.1 研究的背景及意义
　　　　1.2 汽车侧翻预警研究现状
　　　　　　1.2.1 国外研究发展状况
　　　　　　1.2.2 国内研究发展状况
　　　　　　1.2.3 汽车侧翻预警研究的发展方向
　　　　1.3 汽车防侧翻控制研究现状
　　　　　　1.3.1 主动防侧翻研究
　　　　1.4 本文研究的主要内容
　　第二章客车侧翻动力学模型的构建及验证
　　　　2.1 客车侧翻模型
　　　　　　2.1.1 客车三自由度侧翻模型
　　　　　　2.1.2 轮胎侧向力模型
　　　　　　2.1.3 客车侧翻系统微分方程
　　　　　　2.1.4 客车侧翻系统状态方程
　　　　2.2 客车侧翻模型的仿真验证
　　　　　　2.2.1 双移线工况仿真验证
　　　　　　2.2.2 鱼钩转向工况仿真验证
　　　　2.3 本章小结
　　第三章客车侧翻稳定性影响因素分析
　　　　3.1 汽车侧翻的产生
　　　　3.2 汽车侧翻的试验工况
　　　　3.3 汽车侧翻稳定性分析
　　　　　　3.3.1 汽车侧翻稳态响应
　　　　　　3.3.2 汽车侧翻平衡稳定性
　　　　　　3.3.3 汽车侧翻动态稳定性系数
　　　　　　3.4.4 鱼钩（Fishhook）仿真试验工况
　　　　　　3.4.5 双移线（Double Lane Change）仿真试验工况
　　　　3.4 本章小结
　　第四章客车侧翻预警系统研究及仿真分析
　　　　4.1 汽车侧翻指标
　　　　　　4.1.1 横向载荷转移率(LTR)
　　　　　　4.1.2 侧翻预警时间（TTR
　　　　　　4.1.3 基于 TTR 的侧翻预警算法
　　　　　　4.1.4 客车侧翻预警算法仿真分析
　　　　　　4.1.5 预警算法的超实时性
　　　　4.2 最大侧翻预警时间的影响参数分析
　　　　4.3 本章小结
　　第五章基于 TTR 预警的客车防侧翻控制系统及仿真分析
　　　　5.1 差动制动防侧翻控制系统
　　　　　　5.1.1 差动制动防侧翻原理
　　　　　　5.1.2 差动制动制动力分配
　　　　5.2 PID 控制
　　　　　　5.2.1 PID 控制原理
　　　　　　5.2.2 PID 控制的局限性
　　　　5.3 模糊 PID 控制
　　　　　　5.3.1 模糊 PID 控制原理
　　　　　　5.3.2 模糊 PID 参数整定原则
　　　　　　5.3.3 模糊 PID 控制器的设计
　　　　5.4 基于预警的模糊 PD 控制算法
　　　　5.5 客车防侧翻控制仿真分析
　　　　　　5.5.1 鱼钩试验工况仿真分析
　　　　　　5.5.2 双移线试验工况仿真分析
　　　　5.6 本章小结
　　第六章总结与展望
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 研究展望
　　参考文献
　　致谢

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