郝曉曦，陳 胡，陳 軍，黃健斌，許堯興

（五邑大學 智能制造學部，江門 529020）

0 引言

車輛側(cè)翻是指車輛在行駛時，發(fā)生繞縱軸轉(zhuǎn)動90°或者更大角度，車體與路面相觸碰[1]。大型車輛如重型泥頭車、重型翻斗車等，由于車輛結(jié)構(gòu)存在質(zhì)心高、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量大等特點，在大半徑轉(zhuǎn)彎和躲避障礙物等極限工況時，極易發(fā)生側(cè)翻事故，即為車輛曲線行駛引起的非絆倒型側(cè)翻[2]。如何在不改變車輛原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，預防該類型的側(cè)翻事故發(fā)生，已成為各類交通運輸行業(yè)關(guān)注的熱點問題。

二十世紀末，Dunwoody等人率先提出了橫向載荷轉(zhuǎn)移率（LTR）的預警方式，該預警系統(tǒng)通過耦合在車輛的傳感器件組，檢測車輛橫向轉(zhuǎn)移負荷信號和橫向加速度信號，并由力矩計算器計算出基于傳感器組件信號的滾動力矩，為交通工具提供一種可能性側(cè)翻指示計[3]。以H.Imine為代表的研究人員，利用高階滑動估計模式觀測器估計車輛橫向極限加速度和重心高度，希望以此提高控制算法的的精度[4]。2013年，Chad Larish等人在傳統(tǒng)的LTR算法基礎(chǔ)上，考慮到車子的側(cè)向加速度和轉(zhuǎn)向模式，提出了一種可以預測橫向載荷轉(zhuǎn)移率的算法，以此標定側(cè)翻指標的門檻值[5]。一直以來，為提高預警精度和實時性，研究者們不斷地提出改進預防側(cè)翻算法，因此這種側(cè)翻預警方法在理論上已經(jīng)較為成熟。然而，在實踐中，面對復雜的干擾狀況，仍需進一步考慮各類環(huán)境對預警檢測效果的影響。本文旨在通過實物仿真建立車輛在行駛過程中各主要動態(tài)性能參數(shù)與橫向載荷轉(zhuǎn)移率之間的關(guān)系，并優(yōu)化LTR理論中各種邊界條件和假設，進而更準確的判斷車輛在行駛過程中的姿態(tài)。

1 側(cè)翻預警系統(tǒng)設計

1.1 預警系統(tǒng)門限值確定

在側(cè)翻控制理論的研究中，車輛發(fā)生側(cè)翻時，路面對左、右車輪的支反力為零。根據(jù)式(1)知，LTR區(qū)間大小為（0，1），當值為0時，表示左、右車輪受到地面支反力相同，車輛在平穩(wěn)狀態(tài)行駛。當取值為1時，表示某側(cè)車輪支反力值為0，車輪與地面分離，車輛處于側(cè)翻狀態(tài)。通常，不會將門限值取在車輛已經(jīng)側(cè)翻狀態(tài)，具體門限值指標，根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定情況，在（0，1）范圍內(nèi)合理判斷。

目前，研究車輛側(cè)翻主要從剛性車輛模型和非剛性車輛模型出發(fā)。在剛性車輛模型的表達式中，可以明顯反應出加速度、質(zhì)心、輪距三者關(guān)系，但由于忽視了輪胎、懸架等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得推導方式簡單，計算閾值整體偏大。不能準確反應車輛運行時狀態(tài)。對于非剛性車輛側(cè)翻模型研究，一般以三自由度和多自由度為研究對象，考慮了懸架彈簧剛度、懸架阻尼和輪胎側(cè)偏力等影響因素，客觀地造成了模型復雜，加大了對硬件條件的限值。

因此，本文在構(gòu)建車輛側(cè)翻模型時，選取非剛性車輛模型為研究對象，忽視了輪胎動力學特性、前后軸不對稱性，假設在正常水平路面行駛，而不考慮其他意外狀況，并將彈簧結(jié)構(gòu)線性化作為整車內(nèi)部受力點，以簧載質(zhì)量變化作為其中一個主要輸入對象，進而探究各種主要動態(tài)特性參數(shù)與橫向載荷轉(zhuǎn)移率之間的關(guān)系。具體模型動力學分析如下文所述：

如圖1所示，車輛在左轉(zhuǎn)彎時的力學模型（后輪截面）。

圖1 車輛左轉(zhuǎn)彎力學模型（后輪）

由式（10）分析，可知這里在側(cè)翻準靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，考慮了側(cè)傾平面的加速度和懸架的柔順性，相比較傳統(tǒng)的剛性車輛模型，考慮增加了車體自身結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時，簡化了懸架的剛度和阻尼。以此，驗證車輛姿態(tài)變化與LTR的關(guān)系。

式中：

FL、FR為地面分別對應左后輪支反力

M為裝載質(zhì)量

H為裝載質(zhì)量重心至地面的高度

h為裝載重心至輪軸中心的距離

a為橫向加速度

m為空載時車身分布于后軸的質(zhì)量

B為后左右車輪與地面接觸中心距

b為簧距

g為重力加速度

具體一些有關(guān)模型的參數(shù)現(xiàn)已列出，如表1所示：

表1 模型中已知參數(shù)

1.2 預警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案

車輛側(cè)翻在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為上位機硬件和下位機硬件兩部分。系統(tǒng)設計框圖如圖2所示，該系統(tǒng)是在小車運動狀態(tài)下，下位機對加速度、速度傳感器和左、右位移傳感器的信號采集，做先期信號處理。再利用無線通信模塊，將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳遞給上位機，利用Labview軟件對串口傳遞過來的數(shù)據(jù)實時顯示、存儲和回放。

圖2 系統(tǒng)設計框圖

1）位移傳感器

本實驗選取HG-C1100作為測量實際位移偏差的激光位移傳感器[6]傳感器與被測物體定位點在100mm處，量程為65mm～135mm，中心光點半徑為6mm，重復精度70μm。利用標定好的彈簧系數(shù)Ks，再通過檢測簧載的微小變化量Δs，由下式得出簧載受到的力F：

2）速度傳感器

選取常用的光電編碼測速傳感器測量車子在行駛過程中的速度，該傳感器線數(shù)100線，內(nèi)外直徑分別是3.5mm、22mm。對管中包含兩根信號線，輸出為脈沖波，電源電壓5V。通過多次實際測量，電機轉(zhuǎn)動一周，行程公式為（C/100）*(14/57)*104*πmm。

3）加速度傳感器

選取六軸運行陀螺儀傳感器作為測量加速度，傳感芯片采用MPU6065，電壓范圍在3.3V～5V。方便嵌入式開發(fā)連接。該傳感器內(nèi)部用卡爾曼動態(tài)濾波算法寫入，在動力學求解方面可以做到快速求解，解決了系統(tǒng)延遲性問題。結(jié)合微處理器快速運算的特點，可以提高精度，降低寫入噪聲。在串口傳輸方面，可以通過串口電平TTL、串口總線232兩種傳輸方式。為用戶提供了多種選

2 側(cè)翻預警系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。首先進行初始化參數(shù)，上位機部分通過在Labview前面板設定好車輛相關(guān)參數(shù)，并調(diào)好與下位機溝通的通信參數(shù)，做好初始參數(shù)設置準備，下位機采集程序?qū)鞲衅髂K收集到的信號降噪、濾波。然后，發(fā)送給微處理單元，進行信息處理，將處理后的結(jié)果和各傳感器轉(zhuǎn)換的數(shù)字量信號，通過無線模塊傳遞給上位機[7]。上位機接收上傳數(shù)據(jù)，在通過編寫的程序框圖中進行內(nèi)部程序處理，將處理后的結(jié)果實時顯示在前面板中。并保存在指定的文件夾中，為后期數(shù)據(jù)處理分析提供數(shù)據(jù)。

圖3 軟件流程圖

3 側(cè)翻預警監(jiān)控平臺設計

3.1 前面板設計

車輛側(cè)翻在線監(jiān)測系統(tǒng)的前面板如圖4所示。分別有串口連接區(qū)、計數(shù)區(qū)、數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)、數(shù)據(jù)清除區(qū)、圖表顯示區(qū)。串口連接區(qū)用來配置好參數(shù)，溝通Labview和stm32的連接，計數(shù)區(qū)實時顯示stm32傳來的數(shù)據(jù)總數(shù)和單次傳送數(shù)據(jù)的數(shù)目以及共傳送數(shù)據(jù)的次數(shù)。數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)用來標定車體數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)。圖表顯示區(qū)用來顯示處理后的各參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖4 前面板界面

3.2 程序框圖設計

Labview程序框圖如圖6示，主要由數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)檢索模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)保存模塊組成[8]。

圖6 Labview主程序框圖

數(shù)據(jù)讀取模塊利用VISA模塊里的函數(shù)對stm32串口信息進行配置、緩存、讀取和關(guān)閉[9]。該模塊在編寫時，利用屬性節(jié)點，設置停止再啟動時數(shù)據(jù)自動清零和防止誤操作功能，具體內(nèi)容如圖5所示。數(shù)據(jù)檢索模塊檢索單片機處理后的數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)處理模塊利用字符串至數(shù)值函數(shù)，將檢索出來的字符串數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)值數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)保存模塊的任務是將實時采集得來的數(shù)據(jù)保存，這里將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形數(shù)據(jù)，并通過寫入波形至文件保存，在數(shù)據(jù)保存命令按下的同時，程序自動停止運行。將保存的數(shù)據(jù)存入安排好的文件路徑中，后續(xù)的工作是把采集得來的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)回放分析。為突出模塊化設計，將各模塊單獨編寫為子VI的模式，方便日后維護。

圖5 串口數(shù)據(jù)采集

4 系統(tǒng)測試

為探究車速、側(cè)向加速度、簧載位移和橫向載荷轉(zhuǎn)移率的關(guān)系，將系統(tǒng)測試分為靜載荷測試和動載荷測試兩種方案。

首先，進行靜載荷實驗，目的是驗證搭建平臺的可行性，及硬件電路的是否正常連接。將車輛模擬平臺上電運行，待工作平穩(wěn)后，打開由Labview軟件開發(fā)的大型重載車輛側(cè)翻在線監(jiān)測系統(tǒng)進行在線監(jiān)測，采集到一定的數(shù)據(jù)點后。利用編寫的數(shù)據(jù)處理程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行離線分析。在靜載實驗下，左、右兩處簧載位移下降值分別約為7.4mm和4.62mm，車速約為為0.72m/s，LTR值近似為0，車輛處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，同時，將Labview采集到的左、右位移傳感器值與傳感器本身實時數(shù)值做進一步分析。如表2所示。通過分析表2中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)測試平臺采集得到的數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)的誤差均在5%范圍內(nèi)，屬于合理范圍之內(nèi)，因此，可以確定所搭建的測試平臺，符合設計需要。

表2 靜載荷試驗下左、右位移傳感器相對誤差

動載荷測試為模擬車輛做曲線運動時，進行的測試方案。選取干燥的瀝青路面作為測試條件，摩擦系數(shù)為0.75，保持車速約為0.72m/s。在動載荷下采集數(shù)據(jù)，如圖7所示。在圖7(a)中，明顯發(fā)現(xiàn)左右位移出現(xiàn)較大變化，在采集次數(shù)為300至400間，車輛有側(cè)傾跡象。選取通道，放大LTR值，如圖7(b)所示，LTR值在該區(qū)間也存在明顯波動，峰值在0.85處，未達到1。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，建立的模型平臺與實車參數(shù)結(jié)構(gòu)存在一定差別，建立的數(shù)學模型未考慮車輛懸架的非線性及輪胎等參數(shù)對車體的影響?？梢酝ㄟ^控制對側(cè)翻閾值的取值范圍，進行預警判斷。綜上分析，該系統(tǒng)能夠檢測小車模擬平臺的運動狀態(tài)，對應的變化曲線在一定程度上反應出側(cè)翻姿態(tài)和LTR的相互關(guān)系，也從側(cè)面驗證側(cè)翻模型具有一定的可靠性。為以后改進方案設計提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

圖7 動態(tài)載荷采集數(shù)據(jù)前面板

5 結(jié)語

本文借助Labview軟件開發(fā)了用于車輛側(cè)翻在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用各模塊相互配合，完成對數(shù)據(jù)讀取、顯示、保存和回放的操作。實現(xiàn)了對車輛行駛過程中各參數(shù)實時監(jiān)測。同時，stm32單片機和NRF24L01的搭配，可以高效、穩(wěn)定地將采集的數(shù)據(jù)傳送給Labview平臺，解決了有線連接造成的實驗操作不易問題。利用Labview良好的人機交互和較高的可視化功能，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，為實驗者提供了一定具有參考性實驗數(shù)據(jù)。