（光學(xué)工程專業(yè)論文）基于路面辨識(shí)的行車安全距離控制研究.pdf

摘要 出于行車安全的考慮 交通部門規(guī)定了高速公路行使車輛應(yīng)保持的間距 然而建議的安 全行車間距都是由單一路面狀況計(jì)算得到 沒有考慮路面狀況的多樣性 本文通過對輪胎滑 移率與路面附著率之間關(guān)系的深入研究 提出了一種基于現(xiàn)代控制理論 以車輛本身參數(shù)來 確定路面狀況 進(jìn)而通過信號(hào)處理技術(shù)和現(xiàn)代控制理論方法實(shí)現(xiàn)車輛安全間距的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技 術(shù) 該技術(shù)的效果取決于系統(tǒng)的控制邏輯和目標(biāo)控制參量的確定和精確獲取 由于這些目標(biāo) 控制變量是隨道路狀況的不同而有所區(qū)別的 所以車輛行駛過程中實(shí)時(shí)的路況識(shí)別對精確發(fā) 揮控制系統(tǒng)的作用卜分重要 傳統(tǒng)的路況識(shí)別方法需要大量附屬設(shè)備 使得整個(gè)測量與控制 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜 成本昂貴 不利于普及應(yīng)用 本文立足于車輛最基本的車輪速度信號(hào) 采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理的方法 通過對車身的速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理得到車輛的加速度信 號(hào) 進(jìn)而通過車輛動(dòng)力學(xué)模型獲得車輛制動(dòng)力矩 并以此來判斷車輪與路面間的附著狀況 從而為該方案輸出最佳的控制參數(shù)和策略 本文通過在不同附著率路面上進(jìn)行的大量試驗(yàn) 完成了輪速信號(hào)回歸車身加速度信號(hào)的 算法和仿真以及行車安全距離控制系統(tǒng)的模型的建立 其研究結(jié)果為提高高速公路的安全性 和使用率提出了一條有效的解決途徑 同時(shí)也為本課題的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)和思想 方法 關(guān)鍵詞 行車安全距離數(shù)字濾波傳感器 a b s t r a c t f o rt t l e 鈾托t yo fd r i n 舀t h eg o v e m m e n tm a l e st h en l l e st h a tm o v i n gv e h i d e sm u s th a v ea d e f i n i t ed i s t a n c cb e t w e e nt h e m h o w e v e r t h ev a d e t i e so fi o a da r en o tt a k e ni n t oa c c o u n t t h e a u t l 0 ri l l v e s t i g a t e dt h ec 0 玎e l a t i o nb e t c c nt h et i r cs l i p 卸dt h ef r i c t i o nc o e f f i d e n t 柚db r o u g l l t f o r w a t dam e t h o dt h a ta d j u s tt h ed i s t a n c eb yp a r a m e t e ro ft h ev e h i c i e st h e m s e t v e s t h ee f f c c to ft h i sm e t h o dd e p e n d so nt h ec o n 仃o la r i t l l i n e t i ca i l dt h eg o a lp a r a m e t e r s m o r v c r t h e p a 衄e t e r sc h 鋤譬ei nd i 骶r c n tr o a d s t h et r a d i t i o n a lw a y se s t i m a t et h e 舳c t i o nb e 咐e e nt i r e a n dm a dn e e dm a n ye q u i p m e n t m a k et h es y s t e mc o m p l e x e x p e n s i v ea n di m p r a c t i c a l b ym e a n so f 丘l t e r i n gt h ed i g i t a ls i 印a lo ft j l ev e h l c l es p c e d 她a c c c l e r a t i o no ft h ev e h i d ei sl i l o w na dw ec a i l a c h i et h ef o r c co ft h et i r cb yd y n 鋤i c sm o d e l f 0 re l i m i n a t et t l ef o r c cs c n s o r w eo n l yu s et h e w h c c ls p e c ds i 印a lt od c t e c tt i l er o a d 弛dp 州d ct h em o s t 軋i t a b l e n t r o lp a r 鋤e t c r sf o rt h e s y s t e m n i sd i s s c n a t i d c v e l o p saa r i t l l i n e t i ct h a tc a l c i l l a i ct h ev e h i c l ea c c e l e m t i b yw h c e is p c c d 柚d s i l n u l a t ei ti n 湖p u t e f t h cm o d e lo ft h es 趕b t yd r i v i n gd i s t a n o ei sa n o t h c ra c h i e v e m e n to ft h i s n 他s i s a l lt h cr c 蛐l(wèi) t sn o to n l yi i i c r e 弱et h cu t i 刪 o fh i g h w a yb u ta l s op 玉0 v i d et h em e t l l o d 粗d t h ct h e o r e t i c 蜥o nf 叫t h cf 缸t h e rr 髑a m 出o ft h i ss u b j o c t k e y w o r d s s a f c 哆d r i v i n gd i s t a l l c c d i 酉t a ls i 印a lp i 儀七蹣 s e n s o r 論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本入聲明 本人所鼙交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn)行 研究工作所取得的成果 除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 對論文的 研究做出重要貫獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均醺在文中以瞬確方式標(biāo)明 本論 文中不包含任何未加明確注明的其他個(gè)人或集體己經(jīng)公開發(fā)表的成 暴 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān) 論文作者簽名 專孛砂 年6 月p 日 論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 本人在導(dǎo)j i i 指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品 翹識(shí)產(chǎn)權(quán)婦 屬學(xué)校 學(xué)校擎有以任何方式發(fā)表 復(fù)制 公開閱覽 借閱以及申請 專利等權(quán)利 本人離校后發(fā)表或使用學(xué)位論文或與該論文直接相關(guān)的 學(xué)術(shù)論文或成果時(shí) 署名單位仍然為長安大學(xué) 傺密的論文在勰密后應(yīng)遵守此規(guī)定 論文作者簽名 磚售 導(dǎo)師簽名 馳饞嶙 p 6 年 月f 口日 枷口6 年 月 日 第一章緒論 1 1 我國高速公路發(fā)展概況 高速公路排除了行人 非機(jī)動(dòng)車的干擾 其路面寬闊 標(biāo)志醒目 標(biāo)線分明 全線 封閉 具有行車速度快 交通流量大 安全性高的特點(diǎn) 極大的促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 因 此自上世紀(jì)9 0 年代開始 中國進(jìn)入了公路建設(shè)快速發(fā)展的時(shí)期 尤其是1 9 9 8 年中國實(shí)施 積極的財(cái)政政策以來 中國公路建設(shè)投資數(shù)量之大 開工項(xiàng)目之多舉世矚目 從1 9 9 0 年 到2 0 0 3 年的1 4 年聞 中國公路建設(shè)累計(jì)投資近2 0 0 0 0 億元 其中僅2 0 0 3 年就達(dá)3 7 1 5 億元 創(chuàng)歷史新高 2 0 0 5 年1 至9 月 中國公路建設(shè)完成投資比去年同期又增長了2 6 6 到 去年底 中國公路通車總里程達(dá)1 8 l 萬公里 居世界第三位 高速公路總里程目前己突 破4 1 0 0 0 公里 位居世界第二 隨著我國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展 汽車保有量穩(wěn)中有升 據(jù) 國務(wù)院發(fā)展研究中心預(yù)測 2 0 0 卜2 0 2 0 年間 我國民用汽車的保有量將以1 0 的年均增 長速度遞增 2 0 2 0 年將達(dá)到1 1 億多輛 可以預(yù)見 公路交通運(yùn)輸在今后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展 中 仍將有較大的增長空間 根據(jù)交通部規(guī)劃 到2 0 1 0 年 公路總里程要達(dá)到2 1 0 至2 3 0 萬公里 全面建成 五縱七橫 國道主干線 目前人口在2 0 萬以上的城市高速公路連接 率將達(dá)到9 0 高速公路總里程達(dá)到5 0 0 0 0 公里 2 0 2 0 年 全國公路總里程要達(dá)到7 0 0 0 0 公里以上 連接所有目前人口在2 0 萬以上的城市 基本形成國家高速公路網(wǎng) 由此可見 我國高速公路行業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張期 行業(yè)處于快速發(fā)展期 如表卜l 所示 表卜i 我國高速公路建設(shè)里程表 年份公里 1 的52 1 4 1 1 蝴3 4 2 2 1 9 9 7 4 7 7 1 1 9 9 88 7 3 3 1 嘲1 1 6 0 5 2 0 0 01 6 3 1 4 2 0 0 11 9 4 3 7 2 0 0 22 5 1 3 0 2 0 玲3 0 咖 2 0 0 43 4 6 2 0 0 54 1 2 0 0 1 2 我國高速公路行車安全狀況 高速公路是交通現(xiàn)代化的重要標(biāo)志 對國家的現(xiàn)代化建設(shè)也有著極為重要的影響 高速公路如何進(jìn)行安全管理 減少交通事故 日益成為全社會(huì)共同關(guān)注的重大問題 我 國自2 0 0 1 年以來 連續(xù)三年交通事故死亡人數(shù)超過l o 萬人 平均每天死亡3 0 0 人 相當(dāng) 于一架民航客機(jī)失事 我國汽車保有量只占世界的2 道路交通事故死亡人數(shù)卻占全世 晃的1 5 左右 多年高居世界第一 僅2 0 0 4 年一年就造成了9 9 2 萬人死亡 4 5 1 8 萬人受 傷 直接經(jīng)濟(jì)損失2 7 7 億元 高速公路交通事故死亡人數(shù)大幅攀升 達(dá)到6 2 3 5 人 平均 每萬公里死亡1 8 2 3 人 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二 三級(jí)公路每萬公里的死亡水平 據(jù)日本統(tǒng)計(jì) 其高 速公路每百公里事故發(fā)生率為普通公路的1 2 1 3 而交通流量卻是普通公路的l o 倍 根據(jù)美國統(tǒng)計(jì) 其高速公路每百公里事故發(fā)生率僅為普通公路的1 l o 高速公路在全世 界范圍內(nèi)普遍被認(rèn)為是安全程度最高的公路 在我國 高速公路的交通流量基本與國外 相似 甚至低于許多國家 而這些事故給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失 給傷亡者家屬 帶來了巨大的悲痛 也對我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國際聲譽(yù)造成很大負(fù)面影響 隨著全面建 設(shè)小康社會(huì)進(jìn)程的推進(jìn) 全社會(huì)機(jī)動(dòng)化水平的提高 如不盡早采取行之有效的措施 道 路交通事故還可能呈爆發(fā)式增長 預(yù)防交通事故的發(fā)生已經(jīng)成為全社會(huì)的一項(xiàng)十分緊迫 的任務(wù) 表1 2 我國高速公路交通事故統(tǒng)計(jì)表 事故次數(shù)死亡人數(shù)直接經(jīng)濟(jì)損失 年份高速公路里程 k m 比重比重 次人億元比重 1 9 9 74 7 7 19 0 3 52 9 71 1 8 2l 61 7 0 8 8 1 9 9 88 7 3 31 0 5 7 43 0 51 4 8 71 9 l1 7 79 1 7 1 9 9 91 1 6 0 51 2 6 3 43 0 61 6 8 72 0 22 1 9l o 3 2 0 0 01 6 3 1 41 6 9 1 62 7 4z 1 5 42 3 02 9 7 4 2 0 0 l1 9 4 5 32 4 5 6 23 3 l3 1 5 02 9 74 1 01 3 2 7 2 0 0 22 5 1 3 02 9 6 1 l3 83 9 2 73 64 91 5 4 2 0 0 33 0 0 0 03 6 2 5 75 45 2 6 95 16 12 0 8 2 一 一1 一 根據(jù)對我國部分高速公路交通事故的統(tǒng)計(jì)分析 交通事故類型分布如表卜3 所示 表卜3 我國高速公路交通事故類型分布 交通事故類型所占比例 車對車事故 5 2 3 追尾事故3 3 4 接觸事故4 o 其他1 4 9 車輛單獨(dú)事故 4 6 3 與防護(hù)欄沖突2 8 3 翻車事故8 o 其他1 0 o 其他事故1 4 由表卜3 可見 在我國高速公路交通事故中 車隊(duì)車事故占5 2 3 而其中追尾事故 又成為主要原因 高達(dá)3 3 4 造成追尾事故的原因多數(shù)是由于未能保持行車安全距離 剎車不及所致 鑒于上述狀況 我國目前通過限制車速和規(guī)定車輛保持一定的間距以及 研究開發(fā)車間距離警報(bào)裝置 來保證高速行駛過程中的車輛安全 1 2 1 行車問距的規(guī)定 在現(xiàn)行的高速公路交通管理中 依據(jù)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的行車視距要求 規(guī)定一 定行駛速度下的車輛 在路面干燥 輪胎新的情況下必須保持相應(yīng)的間距 如表l 4 所 示 表1 4 高速公路的行車間距 車速 k m h 1 2 01 0 0 8 0 6 0 間距 m 2 1 5 0 1 0 07 0 密度 輛 l 鋤 571 0 1 4 在考慮天氣 駕駛員延遲反應(yīng) 制動(dòng)滯后時(shí)間動(dòng)強(qiáng)度 車重等因素的影響時(shí) 行車 3 安全距離如表卜5 所示 表l 咱不同車速 不同路面 不同天氣下的最小行車安全距離 m 蛩慧瀝等孳慧圣囂 但是現(xiàn)實(shí)狀況是 若保持表卜4 的間距 其相應(yīng)的車輛密度 不僅不符合實(shí)際情況 而且降低了公路使用率 造成通行能力的極大浪費(fèi) 而表卜5 所示的間距情況又過于復(fù) 雜 不利于實(shí)際中的執(zhí)行 因此 合理建立行車安全距離控制系統(tǒng)對提高高速公路的安 全性以及利用率有著積極的作用 1 2 2 車間距離警報(bào)裝置 由于車速傳感器以及激光雷達(dá)的普及應(yīng)用 在我國汽車自適應(yīng)巡航控制 a o c 系統(tǒng) 主要是車間距離警報(bào)裝置 的開發(fā)及應(yīng)用也得到了很大的發(fā)展 的確取得了一些成果 避免了一些事故的發(fā)生 但是國內(nèi)車輛a c c 系統(tǒng)的研究目前還存在一些技術(shù)問題需要加 以完善 主要包括 a c c 控制器軟件算法對環(huán)境的適應(yīng)性較差 往往是針對幾種典型的 行駛工況 而當(dāng)行車環(huán)境發(fā)生變化時(shí) 主要是路況發(fā)生變化時(shí) 算法的有效性有較大程 度降低 人工智能 尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與方法在a c c 系統(tǒng)中的應(yīng)用還有待于深入研究 開發(fā) a c c 系統(tǒng)性能的評價(jià)目前沒有一個(gè)完善的體系 不能綜合評價(jià)不同a c c 系統(tǒng)的性能 從目前國內(nèi)a c c 系統(tǒng)的研究應(yīng)用情況來看 應(yīng)該關(guān)注以下技術(shù) 多傳感器信息融合技術(shù) 如車輛雷達(dá)測距傳感器與計(jì)算機(jī)視覺信息的融合技術(shù)等 通訊技術(shù) 包括車內(nèi)通訊 車 輛問的通訊及車輛與控制中心的通訊等 a c c 系統(tǒng)與其它車輛縱向控制系統(tǒng)的集成化技 術(shù) 如a c c 系統(tǒng)與車輛停一走 s g 系統(tǒng) 以及與車輛前向防撞 預(yù)警系統(tǒng)及后向防撞 4 一 v 一 1 預(yù)警系統(tǒng)的集成等 一般車間距離警報(bào)裝置模型 如圖卜l 所示 假設(shè)車輛初速度為v 車輛制動(dòng)時(shí)的 最大減速度為a 模型車輛制動(dòng)減速過程包括駕駛員反應(yīng)動(dòng)作時(shí)間t 制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間t 持續(xù)制動(dòng)時(shí)間t 在實(shí)際車輛制動(dòng)過程中減速度增長時(shí)間t 約為o 1 s 在模型制動(dòng)過程 中 將t 與制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間t 合并為t 統(tǒng)稱制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間 假設(shè)在減速度增長時(shí)間內(nèi) 減速度呈線性增長 則t 時(shí)間內(nèi)車輛行程為 即 鏟j y 2 t 臚卜靠 ts 1 2 r z t 2 轷v o 一蹙叫 s v r 曇a t d 在上式中 由于將t 與t 合并為t d 統(tǒng)稱制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)問 即認(rèn)為t 時(shí)間內(nèi)無減速度 則 t 時(shí)間內(nèi)車輛行程為 s 1 v o t z 1 2 對比 1 1 1 2 兩式可發(fā)現(xiàn) 其誤差僅為a t 3 6 結(jié)合上述t 約為o 1 s 故此項(xiàng)誤差 可以忽略不計(jì) 車輛制動(dòng)過程中 在持續(xù)制動(dòng)時(shí)間t 內(nèi) 認(rèn)為減速度恒定 實(shí)際上 在 車輛持續(xù)制動(dòng)時(shí)間內(nèi) 減速度的變化主要來自于駕駛員用力的抖動(dòng) 使制動(dòng)力出現(xiàn)上下 波動(dòng) 若用波動(dòng)的中心值直線代替此波動(dòng)曲線 所帶的誤差是可以忽略的 駕駛員反應(yīng) 動(dòng)作時(shí)間t 和制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間t 內(nèi)車輛的自由行程s 持續(xù)制動(dòng)時(shí)間t 內(nèi)車輛走過的距離島 s 3 v 呲 1 3 1 4 實(shí)際制動(dòng)過程中 由于函數(shù)v t 及v t 隨各種外界條件而變化 無通用格式可用 不 5 過從數(shù)學(xué)推導(dǎo)上看 在相同的路面條件 相同制動(dòng)初速度 相同駕駛員條件下 制動(dòng)停 車距離近似服從正態(tài)分布 則由式 1 2 1 3 1 4 得車輛制動(dòng)停車距離為 s s l s s v 1 f 托 蕓 5 刊 搿 譬 囂 一l l 薅血 譬墻耘 圖卜l圖卜2 路面摩擦系數(shù)選擇裝置 對于如何進(jìn)行預(yù)警我們不予以深入了解 但是注意到式 1 5 中減速度a 是計(jì)算安 全距離的主要依據(jù) 而a 值的選取由表卜6 得到 實(shí)際使用中則在駕駛室的儀表板上設(shè)置 一個(gè)選擇開關(guān) 如圖卜2 所示 駕駛員需要根據(jù)實(shí)際路面情況將按鈕置于合適位置 報(bào) 警系統(tǒng)據(jù)此選擇路面摩擦系數(shù)供數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行計(jì)算 駕駛員可以根據(jù)天氣狀況大體 判斷路面的附著率 但是人的視力是不能檢查出黑冰的存在的 而且剛下過雨的濕路面 和長時(shí)閫被雨水沖刷的濕路面也沒有什么差別 但是這兩種路面的附著率是有差別的 如果能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的判斷路面狀況 則這一技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展 表l 6 不同路面摩擦系數(shù) 路面情況 a 值 m 1 2 干路面6 o 濕路面5 5 冰雪路面2 o 6 醑 1 3 國外高速公路安全 近幾年在世界各發(fā)達(dá)國家都得到普遍重視的一項(xiàng)技術(shù)是安全輔助駕駛 s d a 各個(gè)國家根據(jù)本國的實(shí)際情況 對它的研究內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)都做了具體的規(guī)定 總的來 說它包括自動(dòng)高速公路系統(tǒng) a u t o m a t e dh i g h w a ys y s t e m 簡稱a h s 和高級(jí)安全汽車 a d v a n c e ds a f e t yv e h i c l e 簡稱s a v 兩方面 自動(dòng)高速公路系統(tǒng) a h s 包括自動(dòng)高速公路信息系統(tǒng) a d v a n c e dh i g h w a ys y s t e m i n f o r i i l a t i o ns y s t e m 簡稱a i s i 自動(dòng)高速公路控制系統(tǒng) a d v a n c e dh 1 9 h w a ys y s t e m c o n t r o ls y s t e m 簡稱a h s c 自動(dòng)高速公路自適應(yīng)巡航系統(tǒng) a d v a n c e dh i g h w a yc r u i s e s y s t e m 如圖卜3 所示 圖卜3a i s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 自動(dòng)高速公路信息系統(tǒng) a h s i 可以給行進(jìn)中的司機(jī)提供他們看不見的前方路況信 息 諸如運(yùn)行前方有無交通事故 是否有障礙物 前方道路有無塌方 前方路面是否結(jié) 冰等等 并給他們發(fā)出必要的警告信息 據(jù)統(tǒng)計(jì)在日本1 9 9 5 年因交通事故死去的人中 有大約4 0 9 6 是因?yàn)闆]有能夠及時(shí)意識(shí)到前方的潛在危險(xiǎn)才遇難的 高速公路信息系統(tǒng) a h s i 則可以在這一領(lǐng)域給司機(jī)提供有益的幫助 在美國大約9 0 9 6 的交通事故是因?yàn)樗緳C(jī)的人為因素造成的 在日本大約4 0 9 6 的交通事 故是因?yàn)樗緳C(jī)的誤操作引發(fā)的 而在中國 由駕車司機(jī)造成的人為交通事故占8 7 7 自動(dòng)高速公路系統(tǒng)控制技術(shù) a h s c 可以幫助司機(jī)控制行進(jìn)中的車輛 比如預(yù)防車輛偏 離車道 保證車距在一定的安全范圍之內(nèi)及幫助司機(jī)在惡劣的天氣條件下開車等等 日 本人的研究成果表明 在高速公路上引入控制技術(shù)后 可以使由司機(jī)引發(fā)的人為交通事 7 故明顯減少 可以使車流更加通暢 由此而帶來的經(jīng)濟(jì)效益是每年挽回1 1 5 億美元的經(jīng) 濟(jì)損失 在高速公路上引入自適應(yīng)巡航技術(shù) a h s 以 可以實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛 自適 應(yīng)巡航技術(shù) a h s a 通過諸如車一車通訊 路一車通訊等智能運(yùn)輸領(lǐng)域的其他子系統(tǒng) 可 以使道路上車隊(duì)中的車輛實(shí)現(xiàn)同時(shí)加速和減速 可以使車輛的響應(yīng)滯后時(shí)間縮短 還可 以使車輛之間的距離拉短等等 美國人的研究成果表明 車輛在一個(gè)緊湊的自動(dòng)車隊(duì)中 以半個(gè)車長的車距行進(jìn) 可以在現(xiàn)有的道路上兩倍甚至數(shù)倍地增加車流量 還可以大大 降低空氣的拖曳力 這將增加2 0 9 6 到2 5 的燃油經(jīng)濟(jì)性及減少2 0 9 6 到2 5 的廢氣排放 從而 大大緩解了交通擁擠 并且被動(dòng)地保護(hù)了我們的生存環(huán)境 因?yàn)榻煌ǘ氯且l(fā)交通事 故的另一個(gè)致命因素 所以自適應(yīng)巡航控制技術(shù) a h s a 也是解決交通安全的方法之一 另一方面車輛安全運(yùn)行的先決條件是 司機(jī)明確知道自己駕駛車輛的性能參數(shù)及 將欲運(yùn)行的道路路況信息 然后再在此基礎(chǔ)上做出正確判斷 最后實(shí)施正確的操作 高 級(jí)安全車輛 a s v 可以從三個(gè)方面幫助司機(jī)安全駕駛車輛 如圖卜4 所示 圖l 4 l s v 系統(tǒng)計(jì)構(gòu)圖 首先 高級(jí)安全車輛 a s v 上安裝有一些預(yù)防交通事故發(fā)生的司機(jī)工作狀態(tài)及車輛 性能參數(shù)檢測裝置 比如 當(dāng)司機(jī)打瞌睡或喝醉了酒卻仍在繼續(xù)開車時(shí) 安裝在車輪上 的司機(jī)工作狀態(tài)傳感器 通過車輛上的控制系統(tǒng)立即向司機(jī)發(fā)出警告信息 如果司機(jī)在 數(shù)秒之內(nèi)沒有反映 那么控制系統(tǒng)就會(huì)立即把車輛自動(dòng)開到道路旁停下來 再例如 如 果車輛輪胎氣壓太低或發(fā)動(dòng)機(jī)溫升過高 相應(yīng)的傳感器就會(huì)通過車輛上的控制系統(tǒng)向司 機(jī)發(fā)出警告信息 高級(jí)安全車輛 a s v 上還安裝有交通信息接受裝置 以便接收交通信 息總站發(fā)來的路況信息 例如某某路段交通堵塞 某某路段有塌方 某某路段路面結(jié)冰 到某某方向去的車輛請走某某路段等等 8 一 一一 一 一一一1 一 第二 高級(jí)安全車輛 a s v 上安裝有很多自動(dòng)操作裝置 在緊急情況下 可以幫助 司機(jī)避免交通事故的發(fā)生 例如安裝在車身前部的車距傳感器 當(dāng)檢測到前方有一物體 時(shí) 就提醒司機(jī)保持一定的安全距離 以避免發(fā)生碰撞 如果前方的物體是車輛 也處 在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中 那么控制器在一定的距離內(nèi) 向司機(jī)發(fā)出警告信息 如果司機(jī)不聽 繼 續(xù)向前方行駛 那么高級(jí)安全車輛 a s v 將進(jìn)入自動(dòng)追蹤狀態(tài)或繞道而行 如果前方的 物體是障礙物 處于靜止?fàn)顟B(tài) 那么 高級(jí)安全車輛 a s v 在離障礙物一定距離范圍內(nèi) 會(huì)自動(dòng)停下來或繞道而行 高級(jí)安全車輛 a s v 還可以檢測到運(yùn)行道路前方彎道的轉(zhuǎn)彎 半徑 并自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的減速操作 第三 高級(jí)安全車輛 a s v 上安裝有一些減緩交通事故危害的設(shè)旌及善后處理裝置 在交通事故發(fā)生后 高級(jí)安全車輛 a s v 可以自動(dòng)檢測發(fā)動(dòng)機(jī)是否起火 并將火及時(shí)熄 滅 可以利用一些特殊裝置 立即把乘員自動(dòng)送出車外 可以立即向急救中心或救護(hù)服 務(wù)中心發(fā)出求救信號(hào) 并向其報(bào)告發(fā)生事故車輛的準(zhǔn)確位置 高級(jí)安全車輛 a s v 的車 皮上 還安裝有一些氣囊 當(dāng)氣囊傳感器檢測到前面與行人發(fā)生碰撞或側(cè)面受到擠壓的 信號(hào)時(shí) 氣囊會(huì)立即自動(dòng)打開 以緩沖車皮對行人頭部的沖擊或保護(hù)乘客 高級(jí)安全車 輛 a s v 上同時(shí)還配備有一個(gè)像飛機(jī) 黑匣子 一樣的裝置 記錄交通事故發(fā)生前一剎 那 日 車輛上各個(gè)信號(hào)傳感器的工作狀態(tài) 該記錄對事后分析交通事故起因很有幫助 聯(lián)系上一節(jié)國內(nèi)及這一節(jié)國外的高速公路安全技術(shù) 可以看出路面狀況 即路面的 附著率是高速公路行車安全距離控制技術(shù)最重要的參數(shù) 如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲得該參數(shù)已 成為提高高速公路安全及效率的關(guān)鍵 1 4 路面狀況辨識(shí)研究現(xiàn)狀 道路狀況的評價(jià)方法總體上可以分為直接儀器測量 數(shù)字特征參量測量識(shí)別和采用 車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)解析辨識(shí)三類 通過試驗(yàn)儀器來對路面附著率進(jìn)行測量是一種最簡單 的方法 2 0 世紀(jì)7 0 年代在英 美 瑞典等國就已有了可以測量路面附著率的設(shè)備 國內(nèi) 的科技工作者在道路附著率的檢測儀器研究方面也開展了一定的工作 提出了可行的測 量與計(jì)算方法 但由于測定附著率的試驗(yàn)存在可重復(fù)性差 影響因素多等問題 從而給 精確確定附著率造成了一定困難 部分國外的研究人員將光學(xué)傳感器裝備在汽車上 通過對地面反射光進(jìn)行頻譜分析來對路面狀況進(jìn)行評估 日本學(xué)者通過采用一種峰值功 率為2 0 0 霄的激光束掃描的方法來對路面進(jìn)行判別 該裝置對干路面 濕路面以及冰雪 路面的正確識(shí)別率可達(dá)9 8 9 6 基于同樣的原理 超聲波傳感器在路面檢測中也有一定的 應(yīng)用 有些國外學(xué)者將聲學(xué)傳感器安裝在汽車上來采集車輪與路面間的摩擦噪聲 并以 此作為識(shí)別路面的依據(jù) 近年來在道路識(shí)別系統(tǒng)的研究中采用雷達(dá)波 毫米波等電磁波 9 的方法日益增多 基于數(shù)字圖像處理和特征識(shí)別理論的道路判別技術(shù)的研究在最近一段 時(shí)期來也逐漸被一些國外的科研工作者所采用 和采用儀器直接測量道路附著率的方法 一樣 采用光學(xué) 聲學(xué)以及微波等傳感器來對路面狀況進(jìn)行判別的方法雖然能夠獲得較 好的判別效果 但也存在著諸如需要很多附加設(shè)備等缺點(diǎn) 而且它最大的問題是無法使 用車輛安全性控制系統(tǒng)本身所固有的如輪速傳感器 加速度傳感器等設(shè)備 不能夠與車 輛本身的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成化 基于上述原因 采用車輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)來對路面狀況 進(jìn)行評估和預(yù)測的研究近來被越來越多的學(xué)者提上了日程 作為一項(xiàng)隨著車輛動(dòng)力學(xué)控 制系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生的技術(shù) 這種方法能夠直接應(yīng)用a b s 防抱死制動(dòng)系統(tǒng) 等系統(tǒng)固 有的傳感器 亦無需附加其它的任何設(shè)備 從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本 具有廣 闊的實(shí)用前景和潛力 國外在車輛主動(dòng)安全性控制系統(tǒng)中采用車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)來識(shí)別道 路的技術(shù)研究可以追溯至1 9 9 2 年 美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)的g e o r gm a u e r 在1 9 9 4 年提出了一 種基于a b s 系統(tǒng)道路識(shí)別系統(tǒng)的方案 他利用車輛滑移率及輪缸制動(dòng)壓力的變化來判別 車輛行駛的實(shí)際道路狀況 1 9 9 6 年 美國軍方與克萊斯勒公司 i t t 汽車公司等聯(lián)合 進(jìn)行了一項(xiàng)針對美軍4 4 型高機(jī)動(dòng)性多用途輪式車輛 啪n j l 1 的t c s 驅(qū)動(dòng)防滑控制 系統(tǒng) 系統(tǒng)的研制項(xiàng)目 該項(xiàng)目采用模糊邏輯的t c s 控制器 根據(jù)不同的道路狀況采取 不同的模糊控制規(guī)則 瑞典的g u s t a f s s o nf r e d r i k 和韓國的w 0 0 k u gh 霄a n g 等人分別對 車輛正常行駛情況下車輪滑移率與地面作用的切向力之間的關(guān)系進(jìn)行了探討 并提出了 采用估計(jì)出的道路附著率對車輪滑移率相對變化的梯度來對路面進(jìn)行分類的理論 日本 東京大學(xué)的h i d e os a d o 和s h i n i c h i r os a k a i 等人以電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制試驗(yàn)為基礎(chǔ) 對在整個(gè)滑移率變化范圍內(nèi)以非線性化的i i s 曲線的斜率來對路面的附著狀況進(jìn)行評 估進(jìn)行了探討 近年來國內(nèi)部分從事a b s 理論研究的科研工作者對道路識(shí)別技術(shù)的理論 也進(jìn)行了一些探討 但就整體研究狀況來看 國內(nèi)關(guān)于汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的技術(shù)水平 和國外相比相對落后 尚未有利于道路狀況實(shí)時(shí)識(shí)別技術(shù)控制行車安全距離的研究報(bào) 道 1 5 課題的提出及本文主要內(nèi)容 目前國外正在進(jìn)行研究的這些提高高速公路安全性的技術(shù) 也是我國高速交通安全 努力的方向 然而通過1 3 節(jié)的介紹我們可以知道 a h s 和a s v 兩方面的實(shí)現(xiàn)需要良好的 先進(jìn)的通訊技術(shù) 包括車內(nèi)通訊 車輛聞的通訊及車輛與控制中心的通訊等新技術(shù)的應(yīng) 用以及在車輛上安裝一些昂貴的傳感器 我國屬于發(fā)展中國家 且改裝車 中低檔車保 有量相當(dāng)高 因此 在我國要普遍推廣這些技術(shù)十分困難 也不切實(shí)際 反觀國內(nèi)現(xiàn)行 的主流做法 在對汽車制動(dòng)過程理論分析的基礎(chǔ)上 建立了實(shí)用安全跟車距離計(jì)算模型 l o 一 一 一 一 一一一 一一 以此模型為基礎(chǔ) 采用各種傳感器收集行車環(huán)境信息 采用單片機(jī)作為中央控制中心 對各種信息加以分析判斷 當(dāng)跟車距離小于安全跟車距離存在追尾事故隱患時(shí)向駕駛員 發(fā)出警報(bào) 但是模型中減速度a 是由駕駛員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)出的值 并不完全符合實(shí)際路 況 因此這種方案并不完善 然而 隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善 基于輪 胎滑移率判定路面摩擦狀況的技術(shù)已日趨成熟 因此 探索和研究一種基于數(shù)字技術(shù)的 快速簡單的 根據(jù)路面附著率控制車輛安全距離技術(shù) 已成為可能 車輛間距控制方案的效果主要依賴于其控制算法和策略的準(zhǔn)確性 由于在各種道路 工況下車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的目標(biāo)控制參數(shù)都不盡相同 相應(yīng)地應(yīng)該采取的控制策略和 算法也應(yīng)該有所差別 所以在車輛行駛的過程中實(shí)時(shí) 地精確地識(shí)別路面狀況對車輛安 全距離控制系統(tǒng)的意義非常重大 在道路識(shí)別技術(shù)的研究中采用車輛本身的動(dòng)力學(xué)參數(shù) 來對車輪所處路面進(jìn)行判別的方法不僅能夠避免使用額外的傳感器簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并降 低成本 而且也能夠保證路面的判別的準(zhǔn)確性 本文立足于采用車輛最基本的車輪速度 信號(hào)來回歸車輛整體的動(dòng)力學(xué)參數(shù) 同時(shí)以回歸得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)來判斷車輪與路面間 的附著狀況 然后采用高精度專用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性及準(zhǔn) 確性 方案結(jié)構(gòu)如圖卜5 所示 這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于能夠確保每一個(gè)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性 并 且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤 便于修正 圖卜5 方案結(jié)構(gòu)圖 本著基于車輪信息的道路識(shí)別技術(shù)探索方向 本文主要做了以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研 究 第一 利用n s 曲線斜率對路面狀況進(jìn)行評估的理論 第二 基于利用車輛安全性控制系統(tǒng)本身所固有的如輪速傳感器 加速度傳感器等 設(shè)備 設(shè)計(jì)推導(dǎo)出基于輪速計(jì)算得出制動(dòng)及驅(qū)動(dòng)力的算法及計(jì)算機(jī)程序 第三 利用以上這些參數(shù)對路面狀況做出準(zhǔn)確的評價(jià) 通過實(shí)際傳感器對該方案進(jìn) 行試驗(yàn)驗(yàn)證 第二章基于滑移率的道路狀況評價(jià)方法 2 1 概述 在目前有關(guān)道路識(shí)別技術(shù)的研究中基于光電傳感器 照相技術(shù)和數(shù)字圖像處理的做 法近年來在國外采用得比較普遍 這些方法通過對路面反射的電磁脈沖頻譜或?qū)νㄟ^照 相技術(shù)取得的路面圖像進(jìn)行分析處理 從而判斷出路面的狀況 具有路況分類細(xì) 識(shí)別 程度高的特點(diǎn) 但對于實(shí)際的汽車安全距離控制系統(tǒng)而言 由于沒有額外的傳感器來測 試更多的參數(shù) 所以采用直接獲取路面信息來對路況進(jìn)行識(shí)別的方法便顯得不切實(shí)際 而且考慮到成本 系統(tǒng)的復(fù)雜程度 需添加的附屬設(shè)備等一系列的問題 該方法僅限于 試驗(yàn)研究階段的探索 在實(shí)際的車輛防滑控制系統(tǒng)中其應(yīng)用價(jià)值有待于進(jìn)一步推敲 另一方面 道路作為車輛行駛的界面 其表面狀況的任何差異必然引起與車輛行駛 有關(guān)的參數(shù)的變化 輪胎作為車輛上直接與路面接觸的媒介 它與地面之間力學(xué)狀態(tài)的 變化必然與路面的狀況息息相關(guān) 這種變化則體現(xiàn)在車輪與路面間附著性能的差別 車 輛 她面之問附著性能除了與路面狀況有關(guān)之外 還與車輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有關(guān) 汽車的運(yùn)動(dòng)依賴于車輪所受到的路面的作用力 力矩 如縱向的制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力 側(cè) 偏力和側(cè)傾力 回轉(zhuǎn)力矩及翻轉(zhuǎn)力矩等 所有這些路面作用力 力矩 都是車輪滑移率 側(cè)偏角 車輪載荷 道路摩擦系數(shù)以及車身速度等反映地面及車輛動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的參量的 函數(shù) 地面 車輛力學(xué)模型研究的目的在于有效而精確地揭示路面與輪胎界面之間的 力學(xué)狀態(tài)和規(guī)律 適當(dāng)?shù)乇硎錾鲜龈鲄⒘恐g的函數(shù)關(guān)系 作為汽車整體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的 一個(gè)組成部分 輪胎模型的力學(xué)特性對汽車的操縱穩(wěn)定性以及防滑控制系統(tǒng)的性能將會(huì) 有重要的影響 所以地面一車輛力學(xué)模型研究的要?jiǎng)?wù) 是確定路面縱向附著率與車輪 滑移率等參量的函數(shù)關(guān)系 影響道路縱向附著率的因素可歸納為四大類 路面因素 輪胎因素 汽車因素和車 輛的行駛工況因素 路面狀況因素包括 路面基礎(chǔ) 路面材料 路面宏觀不平度 路面 微觀粗糙度 路面的橫向坡度及路面曲率 路面覆蓋物如灰塵 油污 水 冰 雪等 在汽車行駛的過程中 這些不確定因素隨時(shí)都可能在改變 輪胎因素則包括 輪胎的尺寸及其比例 簾布層的結(jié)構(gòu) 輪胎的徑向 切向和側(cè)向 剛度 胎壓 胎面花紋和磨損程度 輪胎類型等 根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論 在一般的道路工況下子午線輪胎的附著性能明顯優(yōu)于普通的斜交輪胎 而對于同 輪胎 而言 當(dāng)胎面花紋磨損l 嘞時(shí)要比全新的輪胎能夠獲得更大的地面附著率 在對同一車 輛的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析的時(shí)候 由于汽車輪胎的因素相對穩(wěn)定 故在建立輪胎力學(xué)模 型時(shí)可對這一因素進(jìn)行規(guī)避 車輛方面的因素包括 整車質(zhì)量 質(zhì)心位置 車輛的軸距 輪距 作用于車輪的動(dòng) 態(tài)載荷 車身繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 各車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 轉(zhuǎn)換到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 車輪外傾角 懸掛裝置的類型和性能 制動(dòng)系統(tǒng)的類型和性能等 在車輛行駛的過程中 這些參數(shù)有的保持恒定 有的則隨時(shí)間而改變 1 2 一 一 一一 一一 一 車輛行駛工況的因素包括 車速 輪速 制動(dòng)踏板及油門踏板動(dòng)作速度 車輛行駛 軌跡 空氣阻力及方向 側(cè)向干擾力及方向 制動(dòng)器溫度等 這些都是不確定的參量 在車輛的行駛過程中隨時(shí)間而變化 表2 一l 為常見路面狀況下平均峰值附著率 滑動(dòng)附著率值 表2 一l 各種路面上的平均附著率 路面 峰值附著系數(shù)滑動(dòng)附著系數(shù) 瀝青或混凝土 干 0 8 o 9o 7 5 瀝青 濕 o 5 0 7o 4 5 o 6 混凝七 濕 o8o 7 礫石o 60 5 5 土路 干 o 6 80 6 5 土路 濕 o 5 50 4 o 5 5 雪 壓緊 o 2o 1 5 冰o 1o 0 7 輪胎與路面之間的縱向及側(cè)向附著率主要與車輪的滑移率有關(guān) 但也受到上述各因 素的影響 在大多數(shù)的研究中 它們呈復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系 唯有當(dāng)路面條件和車輪 車輛狀況的信息確定時(shí) 才能夠?qū)Φ缆犯街实淖兓M(jìn)行精確的描述 2 2 1 附著率和滑移率 2 2 理論基礎(chǔ) 在軍輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí) 路面對于軍輛能提供的最大的制動(dòng)力與車輛的垂直載荷的比值 即為路面附著率 它用來描述車輛在路面上打滑的難易程度 用最大摩擦系數(shù) 來量 化這個(gè)程度 對于給定的輪胎 其縱向力i i 為 p 孥 其中f l f 和n 是其所受到的縱向 側(cè)向和法向力 則i l il il 在本文中 只考慮車輛的縱向運(yùn)動(dòng) 故側(cè)向力f 可以被忽略 如圖2 一l 所示 因此有 弘 巹 l 廠 j l o 顯然 滾動(dòng)半徑與地面制動(dòng)力成正比的增大 u s 曲 線0 a 段近似直線 至a 點(diǎn)后 輪胎接地面積中出現(xiàn)局部的相對滑動(dòng) l l 值的增大速度 減慢 因?yàn)槟Σ粮遍g的動(dòng)摩擦因數(shù)小于靜摩擦因數(shù) 故i i 值在b 點(diǎn)達(dá)最大值后又逐漸降 低 如果利用部分u s 值 o a 段 對i l s 曲線做回歸分析 則其斜率k 將影響整個(gè)曲 線的形狀 即k 與整條曲線的最大值 峰值附著率 有對應(yīng)關(guān)系 直觀的 k 值越大 i l 值越大 那么這條直線的斜率k 可以作為路面附著率的指示值 h 螺 皤 毒 督 囂 圖2 4 圖2 5 中顯示了在不同附著率路路面上車輪的滑移曲線 其中左圖為干燥混凝土路 面上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 右圖為在路面上灑水后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 制動(dòng)時(shí)使汽車處于空檔狀態(tài) 逐 漸增加制動(dòng)壓力直至車輪抱死 且只有前輪有制動(dòng)力矩 后輪自由轉(zhuǎn)動(dòng) 車速由非接觸 式速度傳感器獲得 輪速由扭矩傳感器獲得 汽車的載荷為車輛裝備質(zhì)量與乘客及實(shí)驗(yàn) 設(shè)備質(zhì)量相加 對比兩圖可以看出兩圖中滑移曲線斜率k 有明顯區(qū)別 附著率高的路 面其滑移曲線斜率高于附著率低的路面 為了從理論上解釋這一現(xiàn)象 必須從輪胎的特 性入手 圖2 5 不同附著率路路面上車輪的滑移曲線 1 6 2 3 輪胎模型 為了揭示路面附著率與輪胎滑移率的聯(lián)系 首先從輪胎模型的研究入手 輪胎模型 的構(gòu)造一般分為兩種 一種是物理模型 理論模型 即通過對輪胎結(jié)構(gòu)和形變機(jī)制的數(shù) 學(xué)描述 建立剪切力和回正力矩與相應(yīng)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系 1 9 5 4 年 f i a l a 就通過簡化的 輪胎理論模型推導(dǎo)出無量綱的輪胎力特性公式 后來 通過對計(jì)入胎體彈性的輪胎力學(xué) 模型進(jìn)行深入研究 f i a l a 與s a k a i 提出了梁模型 h b p a c e j k a 提出了弦模型 最 近 g g i m 在b e r g m a n 1 9 6 1 年 的三維彈簧模型的基礎(chǔ)上 推導(dǎo)出完整的輪胎力特性公 式 與理論模型相對照的是經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式 它是通過對大量的輪胎力特性的實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析 將輪胎力特性通過含有擬合參數(shù)的公式有效地表達(dá)出來 1 9 7 0 年 d o g u f f 等人根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 建立了表示驅(qū)動(dòng) 制動(dòng) 力 側(cè)偏力 滑移率 側(cè)偏角和 輪胎其它設(shè)計(jì)參數(shù)問關(guān)系的表達(dá)式 曾得到廣泛的應(yīng)用 近來 b a k k e r 和p a c e j k a 的 魔術(shù)公式 使輪胎的力特性表達(dá)得更為精確和簡潔 輪胎b r u s h 模型是一個(gè)在多個(gè)方 面都有很好的表現(xiàn) 如精確 能夠概括輪胎各個(gè)狀態(tài)的力特性 參數(shù)的物理意義明確 參數(shù)的計(jì)算方法簡單及能真實(shí)表達(dá)出實(shí)驗(yàn)范圍以外的輪胎力特性等 2 3 1 輪胎b m s h 模型 輪胎胎冠變形的b r u s h 模型的輪胎胎冠元素用允許彈性變形但無阻尼 無質(zhì)量的鬃 狀纖維來描述 進(jìn)入接地區(qū)域的胎鬃 由于胎帶 相對于地面的滑移 其末端與地面之間產(chǎn)生摩擦 應(yīng)力 致使胎鬃發(fā)生了彈性伸長 胎鬃的彈性變 形量受最大靜摩擦應(yīng)力的制約 當(dāng)胎鬃剛進(jìn)入接 地區(qū)時(shí) 固摩擦應(yīng)力較小 其末端相對于地面不 發(fā)生滑移 此時(shí)處在輪胎印跡的附著區(qū) 當(dāng)胎鬃 在附著區(qū)時(shí) 其彈性變形隨位置變化呈線性增 大 這意味著胎鬃末端摩擦應(yīng)力亦線性增大 當(dāng) 該摩擦力超過最大靜摩擦應(yīng)力時(shí) 其末端將發(fā)生 滑移 胎鬃就進(jìn)入了滑移區(qū) 胎鬃在滑移區(qū)時(shí)的 變形量 取決于垂直載荷在該區(qū)的分布 如圖2 6 岫 卜搿 所示 圖2 6 輪胎b r t l s h 模型的受力圖示 當(dāng)胎鬃進(jìn)入接觸區(qū)而未發(fā)生形變時(shí)其受到的剪應(yīng)力為o 若該鬃毛單元的初速度為 y 而在b 點(diǎn)以速度咖移出時(shí) r 為滾動(dòng)半徑 為輪胎角速度 由于速度的變化 其 形變 增大 同時(shí)產(chǎn)生剪應(yīng)力 而輪胎在b 點(diǎn)的形變?nèi)Q于輪胎與路面的相對速度以及 胎鬃單元在接觸區(qū)停留的時(shí)間a t 且有 t 毫 咖 2 1 1 7 則胎鬃發(fā)生的形變e 與b 點(diǎn)位置b 之間的關(guān)系有 c r m v t r 一v 毫 r 壘 業(yè)毫 2 2 m 我們可以發(fā)現(xiàn)此式與滑移率s 的定義十分相似 只是少了限制條件而已 定義 則形變 s 1 竺立 瑚 e s l 此時(shí)形變e 一直增大到胎鬃單元到達(dá)最大附著力 并在該位置開始發(fā)生滑移 設(shè)此時(shí)位 置為鼉 p 位靜摩擦系數(shù) p 傳 為垂直載荷的分布方程 k 為胎鬃單元的剛度 則根 據(jù)力學(xué)原理有 k b e 晤 o p 酚 2 4 在理想情況下 輪胎不發(fā)生滑移 輪胎所受的縱向力為 e 2 br k b c 毫 疇 2 b k br s l 殘 4 a 2 b k b s l 2 5 o鼬 若垂直載荷為n 且其在接觸面上的分布為常量即n 4 a b 則此時(shí)附著率為 p 2 憊2 警s 位6 此時(shí) l i s 曲線 i i s 曲線相對應(yīng) 中所有參數(shù)與路面狀況相互獨(dú)立 而該曲線的斜 率半被稱之為輪胎的縱向硬度 車輛實(shí)際行駛中若輪胎不發(fā)生滑移 則利用i l s 曲線的斜率預(yù)測路面附著率將不可能進(jìn)行 2 3 2 輪胎b m s h 模型改進(jìn) 改變垂直載荷的分布函數(shù)p 傳 引入 s c 礬te f f e c t 方法i 刪解決了這一問題 若 垂直載荷的分布在橫向上相同 在縱向上服從梯形分夸 即p g p o 1 一生二考孚生 其中p o 芒娑為最大垂直壓力 將此式代入 2 4 式有 組d 1 8 一 h 一 一一 一 其中 由式 2 3 則式 2 7 可寫為 危 專 2 a 一號(hào) e 俜 掣 e 堂 3 o n 毛2 2 a 卜e l s 1 2 7 2 8 由該式可以看出 由于號(hào) 總小于2 a 則s 總是存存的 則此時(shí)輪胎所受的縱向力為 則 f 1 2 z n n e 固a 毫 0 p 黔南磚2 k 1 一去 3 裔 c z 9 p 2 6 占瀘 固疇 p o p 固裔磚邛o n 冉一秀 3 裔 他 p 2 巹2 曠s 呱 2 爵坩s 3 汜 烀等刪峨仉代入式 2 1 0 有 峭伯一誓s 1 2 爵 屯 2 1 1 由式 2 1 1 可知 函數(shù) s 包含了與路面狀況無關(guān)的一次項(xiàng)以及與h 相關(guān)的非線 性項(xiàng) 如前一節(jié)所述 影響道路縱向附著率的主要因素包括 路面因素 輪胎因素 而當(dāng) 滑移率較小時(shí) s 的高次項(xiàng)很小 因此可以認(rèn)為i l l s 呈線性變化 小結(jié) 這一章主要介紹了基于滑移率的路面狀況評價(jià)的基本方法 從不同路面上的滑移率 曲線的形狀直觀的看出其斜率k 能夠作為路面狀況的評價(jià)參數(shù) 同時(shí)改進(jìn)了經(jīng)典的輪胎 b r u s h 模型 對上述方法做出了理論解釋 另一方面 由于車輛在高速公路上正常行使 時(shí)全力加速以及緊急制動(dòng)的工況并不頻繁 即其輪胎滑移率水平較低 則利用整條滑移 率曲線來評價(jià)路面狀況的并不可行 然而利用l l i i s 曲線斜率k 對路面狀況進(jìn)行評估 能夠利用較小的滑移率解決這一問題 1 9 第三章實(shí)驗(yàn)參數(shù)的獲取 在上一章中介紹了利用 p s 曲線的斜率k 作為評價(jià)路面狀況參數(shù)的理論依據(jù) 這一章將介紹如何通過傳感器獲得制動(dòng)力矩 驅(qū)動(dòng)力矩以及滑移率 3 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介 長期以來 汽車道路制動(dòng)試驗(yàn)限于測試手段 試驗(yàn)測量參數(shù)只能是制動(dòng)速度和制動(dòng) 時(shí)間 通過制動(dòng)速度 時(shí)間衍生出制動(dòng)距離 制動(dòng)減速度 五輪儀是道路制動(dòng)試驗(yàn)的通 用儀器 國內(nèi)上世紀(jì)八十年代才開始在道路試驗(yàn)中比較廣泛的采用速度分析儀 速度分 析儀測量參數(shù)仍是速度和時(shí)間 通過道路制動(dòng)試驗(yàn)測量輪制動(dòng)力 制動(dòng)力矩 輪制動(dòng) 速度 輪制動(dòng)時(shí)間曾是很困難的 而測量汽車制動(dòng)過程的車輪 路面 制動(dòng)力 輪制動(dòng) 減速度 了解 掌握車輪制動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程 對于定量分析 研究 評價(jià)汽車的制動(dòng)性 改進(jìn)制動(dòng)系結(jié)構(gòu) 以及了解 掌握制動(dòng)系的技術(shù)狀況卻是十分有效 可靠的途徑 因此 車輪制動(dòng)力 制動(dòng)減速度的動(dòng)態(tài)測量已成為汽車道路制動(dòng)試驗(yàn)中的關(guān)鍵技術(shù) 發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)8 0 年代中期就開始了基于動(dòng)態(tài)測量車輪力矩的汽車道路試驗(yàn)系 統(tǒng)的研究 國內(nèi)也在上世紀(jì)9 0 年代進(jìn)行了車輪力動(dòng)態(tài)測量的研究 現(xiàn)已形成了汽車車 輪力矩動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)的產(chǎn)品 本論文中為準(zhǔn)確獲得試驗(yàn)參數(shù)采用了國內(nèi)最先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè) 備 其中包括奇石樂公司生產(chǎn)的石英式車輪力傳感器 非接觸式速度傳感器以及 d 唧0 0 0 多通道數(shù)據(jù)采集儀 車輪力矩測試系統(tǒng)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理兩個(gè)系統(tǒng)的硬 件和軟件設(shè)備構(gòu)成 車輪制動(dòng)力矩測試系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng) 的硬件主要由傳感器 數(shù)據(jù)采集箱 和計(jì)算機(jī)組成 測試系統(tǒng)是由傳感器部分 信號(hào)處理部分 數(shù)據(jù)采集部分構(gòu)成 信號(hào)處 理部分和數(shù)據(jù)采集部分主要是把這些信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ) 顯示 傳感器有車輪力傳感器 車輪轉(zhuǎn)速傳感器 車身速度感器等 主要用來獲取車輪力 車輪轉(zhuǎn)速等各種信號(hào) 并送到集成化多通道儀表箱 集成化多通道儀表箱 將各種信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 濾波 放大等處理 并實(shí)時(shí)顯示 報(bào) 告處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 這些數(shù)據(jù)可以事后分析 也可給隨車試驗(yàn)人員和駕駛員進(jìn)行直觀檢 測 便攜式計(jì)算機(jī)測試部分 內(nèi)含a d 卡和定時(shí)計(jì)數(shù)卡 用于對模擬信號(hào)和頻率信號(hào) 采樣 并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 在系統(tǒng)硬件構(gòu)建的基礎(chǔ)上 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于系統(tǒng)的測試軟件 系統(tǒng)測試 軟件主要完成測試傳感器的標(biāo)定 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù) 信號(hào) 處理 數(shù)據(jù)管理 報(bào)告處理 等功能 x 系統(tǒng)軟件部分的主要功能模塊如下 1 數(shù)據(jù)采集部分 采樣頻率可調(diào) 并按指定格式進(jìn)行保存 2 0 一 一 一一一 一 2 數(shù)據(jù)處理部分 對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和二次處理 并進(jìn)行曲線顯示 3 數(shù)據(jù)管理部分 對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理 能通過多項(xiàng)關(guān)鍵字進(jìn)行查詢 4 打印報(bào)表部分 可根據(jù)國標(biāo)指定的格式輸出報(bào)表 5 幫助部分 介紹系統(tǒng)的主要功能及操作使用方法 系統(tǒng)的主要功能如下 1 實(shí)時(shí)測量汽車行駛過程中每個(gè)車輪的轉(zhuǎn) 力 矩和轉(zhuǎn)速 2 能對汽車整車速度進(jìn)行測量 3 在獲取各種參數(shù)的基礎(chǔ)上 可進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí) 或事后 處理和分析 如 顯示 各測量數(shù)據(jù)及對應(yīng)的特性曲線 如輪制動(dòng)特性曲