混凝土搅拌运输车侧翻预警技术的研究.pdf

T E CHNI C F oR UM 技术论坛 l 2 o 1 3 o 9 混凝土搅拌运输车侧翻预警技术的研究 Re s e a r c h o f C on c r e t e M i x i n g Ve h i c l e Ro l l o v e r E a r l y W a r n i n g Te c h n o l o g y 倪 菲菲杨志 刚 Nl F e i f e i e t a I 1 重庆交通大学交通运输学院 重庆4 0 0 0 7 4 2 重庆交通大学机电与汽车工程学院 重庆4 0 0 0 7 4 摘 要 ：介绍了一种防止混凝土搅拌运输车发 生侧 翻的预警技术 ，该技术通过主控 芯片实时将采集 到的道路参数和车辆参数带人预瞽算法中， 从而得出侧翻速度阈值，并与车辆实际的行驶速度相比 较。当出现潜在侧翻危险时 ，语音芯片会 立即给驾驶员发送预警信号 ，让其采取适 当的措施防止车 辆侧翻。这种预警技术可以降低大型车辆的交通事故率，具有潜在的研究价值。 关键词 ：预警技 术 侧翻 预警算法 Abs t r a c t An e a r l y wa r n i n g t e c h n o l o g y t o p r o t e c t r o l l o v e r o f c o n c r e t e mi x e r wa s i n t r o d u c e d Th r o u g h r o a d a n d v e h i c l e p a r a me t e r c o l l e c t e d b y t h e m a i n c l i p， t h e r o l l o v e r ve l o c i ty t h r e s h o l d wa s g a i n e d wh i c h c a n b e c o mp a r e d wi t h t he a c t ua l s p e e d o f t h e v e hi c l e I n c a s e o fr o l l o v e r t e n d e n c y , e a r l y wa rni ng wo u l d be s e n t b y c l i p wh i c h i n f o r m d riv e r t o t a k e a c t i o n Th i s e a r l y wa r n i n g t e c h n ol o g y c a n l o we r t h e a c c i d e n t r a t e o f l a r g e r v e h i c l e ， wh i c h h a v e h u g e r e s e a r c h v a l u e Ke y wor d s e a r l y wa rn i n g t e c h no l o g y； r o l l o v e r ； e a r l y wa rn i n g a l g o rit h m 中图分类号： U 4 6 9 6 5 O 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 4 0 2 2 6 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 8 2 0 3 1 前言 随着经济的快速发展 ，汽车保有量不断增加 ，由此引发的交 通安全 问题也 日益明显。特别是混凝土搅拌运输车引起的侧翻事 故给人们带来 了巨大的财产损失和严重的生命安全威胁。因此 ， 研究侧翻预警技术对预防或遏制侧翻事故的发生具有重大的意 义。国内外相关研究人员主要从事主动安全技术方面的研 究，但 就侧翻事故并没有研究出较好的预防措施 。根据美国公路安全局 ( NH T S A ) 的数据统计 ，汽车侧翻事故的危害程度仅次于汽车碰撞 事故 ，高居汽车危害程度的第二位 。据有关资料表明，在面临潜 在的危险时 ，提前给驾驶员一个预警信号 ，可以避免的侧翻事故 数占到侧翻事故总数的4 0 左右 。下面介绍一种防止混凝土搅拌 运输车发生侧翻的预警技术 。 2 混凝 土搅拌运输车侧翻模型 2 1侧翻分析 汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线旋转9 0 。 或更大的 角度 ，以至车身与地面相接触的一种极其危险的侧 向运动 。有很 多因素可能引起 汽车的侧翻 ，包括车辆 自身结构、驾驶员驾驶水 平和心理特征、道路环境等。侧翻的根本原因是由于车辆侧向加 速度超过了轮胎侧 向载荷所能补偿的极限 ，且车辆未达到轮胎与 路面间的摩擦极限所确定的最大转弯能力 ，导致车辆发生过大的 侧向运动。混凝土搅拌运输车与一般的汽车结构不 同，其质量较 大 ，质心较高且随着搅拌筒的旋转而不断发生变化 ，因此 ，更易 第一作者 ：倪菲菲 ，女 ，1 9 8 7 年 生 ，硕士研究生 ，现从事 交通与 车辆安全方面的研究。 发生侧翻事故。 2 2侧翻动力学模型 混凝土搅拌运输车侧翻动力学模型是研究侧翻预警算法的基 础 ，因此 ，建立一个既简单又能够准确全面反映车辆运动状态 的 动力学模型至关重要 。本文建立了简化的线性三自由度车辆模 型 用于侧翻预警系统的设计 ，如图1 所示 ，该模型包括 了沿lv 轴方向 的横 向运动、绕z 轴的横摆运动 以及绕x 轴的侧向运动。 图1混凝 土搅 拌运输 车侧翻模 型 由模型可得动力学方程如下 ，沿y 轴运动的平衡方程式 ： mV ( y ) 一 m ( h h ) 6 一 ( 2 F j c o s O + 4 F + 4 ) ( 1 ) 绕z 轴运动的平衡方程式 ： I 一 2 d F + 4 b F+ 4 c F l 2 、 绕礴由 运动的平衡方程式 ： L O =- m( h ) ? ) + mg h O 一 0 ( 3 ) 其 中 ：F y ； = s ： ； k re ；e = fl + T a v ；s ： - ， j 一 ? b 一 ， = I 抟 ， 一 专 B 一 | 专 _e 。 式中， 为前轮的转向角： 为混凝土搅拌运输车质心侧偏角；y 为 横摆 角速度 ；0 为车身侧倾角 ；哟车辆 的行驶速度；a 、b、c 分 别为质心到前轴中轴后轴的距 离： 、 、 分别 为前轮、中轮 和后轮的侧偏力；s 、 s 3 分别为前轮、中轮和后轮的侧偏角； 为混凝土的重力 ； 、t 分别为前中后轮的侧偏刚度 ： 为 阻尼系数 ： 为悬挂侧倾角刚度 ； 为搅拌罐整备质量质心到地面 的距离 ：h i 为侧倾中心到地面的距离 ；， z 为横摆转动惯量 ； 为簧 载质量绕X 轴 的转动惯量 ； 。 为转 向机构减速 比；B为轮距 ； 、善 为车身侧倾运动影响系数 ；L 。 为侧倾 中心至前轮的距离 ； 厶为前轴的搅拌车第一轴至第二轴的距离 ； L 为搅拌车第二轴到三 轴的距离。 2 3 侧翻指标 为了研究混凝土搅拌运输车的侧翻稳定性 ，本文引入了侧翻 系数L T R 即车辆左右轮胎的载荷差值与总的载荷之比 ，L T R 的定 义如下： I F 7 一 l LT R ( 4 ) 式中， 、 分别为车辆左右侧前后轮所受的垂直载荷之和。当 豫 = O 时 ，左右轮胎 的垂直载荷相等 ，表明车辆不会发生侧翻 ； 当 豫 = 1 时 ，左右轮胎 中其 中一侧轮胎的垂直载荷为0 ，该侧轮胎 离开地面 ，表明将发生侧翻事故。 为了能更好地研究侧翻预警系统 ，车辆侧倾模型忽略了轮胎 的变形量和侧倾角变化量 ，考虑 了悬挂的变化量。 根据 力矩 平衡 对车辆非悬挂 的质心0 到地 面的垂直投影点 D 。 取矩，可得如下公式 ： 一 + - 一 m- 一 h ) t a n 0 ( 5 ) 做圆周运动时的离心加速度为： q= 当 豫= 1 时 ，车辆发生侧翻。由式( 5 ) 、( 6 ) 可得 ： ： 皇 二 二 ) 里 ( 7 ) 2m1 h 式中，m为混凝土搅拌运输车整车的质量 ；m ， 为搅拌罐和混凝土的 总质量 ： R为车辆的转弯半径。 由式7 可知 ，混凝土搅拌运输车的速度阈值主要受到以下几个 因素的影响 ，如混凝 土搅拌车的悬挂质量 、混凝土搅拌运输车整 车的质量、车辆的侧倾角、整备车质量的质心位置、混凝土搅拌 运输车的行驶速度和转弯半径等。 3预警算法 本文研究的预警算法是基于车辆的行驶速度。假设车辆的当 前行驶速度为 ，侧翻阈值速度 为 ，若 ，并假设车辆现在 做匀减速运动，则预警时间公式为： 户 = = 一 f 8 、 + T ECHNI C F oRU M 技术 论坛I 2 0 1 5 0 9 式 中， 为车辆现在位置的点到前方弯道的点的距离 ；若 ， 说 明车辆 以现在的速度行驶可以安全通过前方的弯道，不需要预 警( 速度始终不变的情况下)。 为了保 证预警系统的实时预警 ，本文设定了相应的时间间 隔 。 预警时间= ma x ( X , 0 ( 9 ) 式 中， xN预警时间的下限值 ，假设为1 s ( 驾驶员的反应时间和操 作时间指令运算时间之和 ) 。当预警时间取捌直时，说 明 、 于 值 ，此时语音芯片不需要发出语音信号 ，以此速度行驶能够安全 通过前方弯道 。 4侧翻预警系统总体设计方案 通过对混凝土搅拌运输车侧翻预警算法的分析可知 ，若要实 现对车辆的实时性预警 ，则必须实时采集车辆行驶道路参数和车 辆 自身的参数并经过一定的处理之后将其送人到处理器中，通过 预警算法得出一个速度 阀值 ，再与传感器测 出的速度进行比较 ， 确认是否存在危险 ，若存在危险，预警芯片就会发出相应的预警 信号，让驾驶员采取适当的措施来防止车辆的侧翻。 4 1系统总体设计 混凝 土搅拌运输车侧翻预警 系统主要 由输 入模块 ( G P S 定位 模块和车辆行驶参数的采集) 、处理器 ( DS P ) 、输 出模块 ( 报警模 块) 三部分组成。如图2 所示。 圈2 预警 系统总 体框 架 4 2 信号采集模块 根据预警系统要实现的功能 ，在混凝土搅拌运输车侧翻指标 的基础上 ，可进一步分析出侧翻预警系统需要采集的信号。 4 2 1道路参数 本文主要通过G P S 定位 、导航 电子地图和道路参数数据库相 结合的方法来获取车辆行驶的路段、车辆位置点坐标和道路弯道 半径，其总流程图如图3 所示 ，架构图如图4 所示。 4 _ 2 _ 2车载传感器 a 车辆侧倾角传感器 。选用S T M1 1 3 A x 0 5 x 单轴侧倾角传感 器 ，该传感器使用芬兰某公司的3 D ME MS 传感器技术 ，抗震达到 2 0 k g ；使用V T I 原装生产线 ，经过严格的零点 ，灵敏度和温度校 正 ，精度非常高 ；采用I P 6 7 防护等级的外壳封装 ，可以适应 比较 恶劣的工作环境。 TE CHNI C F ORUM 技术 论坛l 2 0 1 3 0 9 定 圈3 道路 参数 获取总体 设计流 程图 前方道路情况 ： 圈4道路参数获取过程图 b 压力传感器 。选用型号为P 2 0 1 的压 阻式传感器 ，压阻式传 感器来测量混凝土搅拌运输车左右车轮的载荷 ，这种传感器是利 用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器 ，在安装 此传感器时 ，应把压 力传感器的应变片放置在混凝土搅拌运输模 型车的前后桥上 ，且左右都 安置一个 ，这样可以准确地测量其左 右轮的悬挂质量。其质心位置可由如下公式计算 ： 搅拌车的质心与右侧车轮的距离： L 罟B 0 o )B 昔 搅拌车的质心与左侧车轮的距离： ( 1 1 ) ： B ) C 车辆行驶速度传感器。选用DH 4 3 F 系列霍尔传感器 ，该传 感器 的工作原理是根据磁感应强度的变化转变为 电压信号的变 化 。在靠近车轮的地方 ，每个驱动车轮应安装两个此类传感器 时 ，这样可以同时检测出车辆行驶速度的大J j D 方向。 4 3 主控芯片的选择 根 据侧 翻 预 警 的需 要 ，本文 选 取 的核 心 芯 片 是 型号 为 T Ms 3 2 O L F 2 4 O 7 A的数据处理器D S P ，该芯片的计算速度和运行速 度快 ，集成度高 ，含有丰富的外围接 口电路 ，在开发系统时可 以 缩短大量的开发时间，节约开发成本 。 4 4 输 出模块 本预警系统提前给出的预警信号通过语音 芯片I s D1 7 3 0 驱动 扬声器来实现的 ，该芯片通过S P I 接口与主控芯片进行 串口通信。 语音芯片可以提供优质的语音信号 ，且断电后信息不会丢失 。 4 5 软件设计 为了实现系统的预警功能，软件设计是必不可少的。通过编 程可以实现各种串口之间的通信和预警算法的实现等。本文研究 的预警算法流程图如图5 所示。 图5 预 警算法 流程图 预警的实现是把采集来的道路参数和车辆参数经预警算法后 得 出阈值 ，并将该阈值与车辆实际的行驶速度进行比较 ，若现在 的行驶速度大于阈值速度( 即 ) ，再计算预警时间，若预警时 间大于 直时，语音芯片就发出预警信号，让驾驶员采取相应的措 施来防止侧翻事故的发生。 5 结语 根据预警系统的需求 ，本文建立了三 自由度侧翻模型 ，设定 了侧翻指标 ，并研究了预警算法。接着对系统进行了整体设计及 其对各个组成部分的分析 ，最后简要阐述 了系统的软件设计，从 而实现系统的预警功能。 参考 文献 1 何锋 影响载 重汽车倾翻的主要汽车因素分析 贵州工业大学学报( 自然科学 版) ， 2 0 0 1 8 ： 9 2 - 9 6 2 Ht ts e y i n A b u t ， J o h n Ha n s e n ，Ka z u y a T a k e d a DS P f o r I n V e h i c l e a n d Mo b i le S y s t e ms M】 US A S p r i n g e r 2 0 0 5 3 余志生 汽车理论 M 北京： 机械 工业出版社 2 0 0 6 4 徐延海基 于主动转 向技术的汽车防侧翻控制的研 究明 汽车工程 2 0 0 5 ( 5 ) ： 5 1 8 5 2l 5 B o c h i u a n c h e n ， h u e i p e nAR e a l t ime R o ll o v e r T h r e a t I n d e xf o r S p o r t s Uti l i tyV e h ic l e s c P r o c e e d in g s o f t h e Ame r i c a nCo n t r o l Co n f e r e n c e S a nDi e g o ，Ca l i f o rnia1 9 9 9 ： 1 2 34 1 23 7 6 连金江 混凝土搅拌运输车防侧翻预瞽控制系统硬件设计及软件开发 D l 重庆 交通大学，2 0 1 0 7 张宏伟， 邹霞， 贾冲 D S P 芯片原理与应用 M】 北京： 机械工业出版社 2 0 0 5 【 8 何苏勤， 靳丽基于T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 D S P 控制器语音模块的设计与实现 M DS P 开发与应用2 0 0 6 收 稿 日期 ：2 0 l 3 一 O 5 一 ( ) 2 _ _ 詈 _ _ j