本发明涉及车辆安全预警的方法，尤其是一种货车侧翻风险预警装置及方法。
背景技术：
随着我国汽车工业的不断发展和道路交通设施的改善，汽车行驶速度不断提高，导致大量交通事故的发生，造成人员伤亡和巨大的经济损失，因此，汽车行驶的安全性越来越受到人们的重视。一些汽车如货车、中重型货车、重型半挂车等由于其质心位置高、质量和体积较大等特点，在高速转弯和弯道直径较小时极易发生侧翻事故。侧翻事故造成的损失严重，是道路交通安全和车辆安全研究领域的重要问题。如公开号为cn102756686的中国专利公开了一种预警车辆侧翻的方法及装置，利用传感器检测在行驶过程中车辆的横向载荷转移率及侧向加速度值，传感器将检测到的数据发送至微处理单元中，微处理单将横向载荷转移率及侧向加速度值分别与它们的预设阈值进行比较，当它们超过预设阈值后，处理器将控制报警装置进行报警。但是，该技术方案中提到的横向载荷转移率是受车辆重心高度的影响的，而本技术方案中并没有对车辆重心高度进行考虑，因此降低了侧翻检测的准确性和可靠性。又如公开号为cn205177176的中国专利公开了一种货车侧翻预警系统，包括单片机、可变信息情报板以及若干对压力传感器，各对压力传感器沿货车行进方向依次设于弯道路段上，各对压力传感器中的两个压力传感器分别位于弯道路段两侧的路面上，各对压力传感器的输出端与单片机的输入端相连接，单片机的输出端与可变信息情报板的控制端相连接。该技术方案虽然能对货车侧翻进行预警，但预警结果出现在可变信息情报板上，司机需要关注情报板上的预测结果，视线会不专注于驾驶，给驾驶带来了危险因素，因此该技术方案的实用性并不好。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有侧翻风险检测的准确性和可靠性不够的问题，实现一种能直接得出一个方向盘转角阈值的货车侧翻风险预警装置及方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种货车侧翻预警的装置，包括车体和车厢，其特征在于：所述车体的前轴、后轴、前轴左车轮、前轴右车轮、后轴左车轮、后轴右车轮均设有负荷感应器，所述车厢的下部设有重量感应器，所述车体内的方向盘设有转角感应器，所述车体内设有蜂鸣器，所述负荷感应器、所述重量感应器、所述转角感应器和所述蜂鸣器均与控制单元相连。负荷感应器能自动将空车静止时重心到前轴负荷m1’、空车静止时重心到后轴负荷m2’、载货后静止时前轴负荷m1、载货后静止时后轴负荷m2的重量测得，控制单元及时计算出前转向轮转角阈值，方向盘转角感应器能将实际的方向盘转角发送给控制单元，计算得出风险状态预估值r，对货车侧翻风险及时预估。当存在侧翻风险时，控制单元发出信号给蜂鸣器，蜂鸣器发出警报，提醒驾驶员安全操作，提高安全系数。
首先在不考虑整车质心水平会发生位移的情况下，一种货车侧翻风险预估的方法分为以下几步：
1)系统预存数据包括空车时簧载质量的重心离地高度hs'、非簧载重量的重心离地高度hu、空车簧载重量ms'、空车整车重量mz、前轮距b1、后轮距b2、座椅中心到前轴距离a座、车载货物等效容积重量mv、车载货物等效总长l货、车载货物等效总高h货、车载货物等效宽w货、货车车厢前端到前轴的水平距离a厢、货车车厢平面离地高度h厢、座椅平面离地高度h座、空车时簧载质量重心到前轴的水平距离as’、簧载质量重心所在侧倾平面侧倾中心轴高度ha、整车重心到前轴的水平距离a、整车重心到后轴的水平距离b、货车总体设计重心到前轴的水平距离a’、货车总体设计重心到后轴的水平距离b’；系统测得的数据包括货物重量m货、前非簧载质量mf、后非簧载质量mr、货车前轴左车轮负荷m1l、货车前轴右车轮负荷m1r、货车后轴左车轮负荷m2l、货车后轴右车轮负荷m2r；
2)获得空车重心高度
mz＝m1′+m2′＝mf+mr+ms′；
3)获得整车重心侧向偏移
4)获得货物重心离地高度
其中：a座为车内人员重心到前轴的水平距离(mm)，取为座椅中心到前轴距离；
车内包括驾驶员在内的乘员人数为n，乘员和驾驶员每人质量按65kg计，则m人＝65n；
则堆码货物的等效总长为：
堆码货物的等效总高为：
货物质心离地高度h货为：h货＝50×h货+h厢；
5)获得整车重心高度
6)装载后簧载质量重心位置获得：
车身由三部分组成：空车车身+车上乘员(包括驾驶员)+车载货物，则车身总质量ms＝ms′+m货+m人；
则装载后簧载质量质心到前轴的水平距离as为：
则装载后簧载质量质心离地高度hs为：
则装载后簧载质量质心侧向偏移ys为：
则装载后簧载质量侧倾角φs为：
7)获得前转向轮转角阈值δmax，包括以下几步：
a、货车在高速行驶、急转弯工况下的运动方程：
侧向运动：
横摆运动：
车身侧倾运动：
获得各车轮侧向力，侧偏刚度取为正值：
带入可得：
b、获得前轮角阶跃输入下进入的稳态转向响应状态参数：
货车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应是等速圆周行驶，稳态时，货车横摆角速度、车身侧倾角均为定值，此时
则货车稳态转向时输出的响应参数为：
稳态横摆角速度为：
其中，稳定因素
车身侧倾角为：
其中，侧倾因素
由转向引起的车身侧倾角为：
可见，当货车行驶在水平路面上，且车辆载荷没有引起车身侧倾时：
由转向引起的车身侧倾角达到最大值；
c、货车转弯侧向稳定条件：
货车急速转弯稳态转向时，有侧向加速度(离心力)和车身侧倾，车轮垂直载荷发生横向转移，侧向稳定的平衡条件为：
当内侧车轮垂直载荷为零，即fz1＝0，fz3＝0时，货车具有侧翻风险，而此时垂向载荷转移为最大值：
因此,货车不发生侧翻的条件为：
其中：
msh+mfr+mrr＝m·hg；
故，货车不发生侧翻的稳定条件为：
d、获得货车侧向失稳时的前转向轮转角阈值：
当
当
前转向轮转角δmax应满足：
则前转向轮转角阈值为：
8)货车侧翻报警分为以下几步：
a、驾驶员操作的方向盘转角为δ’，i为转向器总传动比，则：δ′＝δ·i；
当货车具有侧翻风险时，方向盘转角阈值为：δ′max＝δmax·i；
b、为判断进入弯道或车辆急转弯时的侧向失稳状态,定义货车侧翻风险预估函数r：
c、风险状态预估值r计算完毕之后,可根据其大小分级别对驾驶员进行报警提示，预防侧翻，报警规则如下所示：
d、高级报警时，蜂鸣器以高频发出警报；初级报警时，蜂鸣器以低频发出警报；作为优选，所述的整车重心会发生水平位移，该水平位置的指标包括整车重心到前轴的水平距离a、整车重心到后轴的水平距离b、空车整车重心到前轴的水平距离a’、空车整车重心到后轴的水平距离b’：
1)系统测得空车静止时重心到前轴负荷m1’、空车静止时重心到后轴负荷m2’、载货后静止时前轴负荷m1、载货后静止时后轴负荷m2、整车总重量m；
2)获得空车静止时重心到前轴的水平距离
空车静止时重心到后轴的水平距离
mz＝m1′+m2′；
3)获得整车重心到前轴的水平距离
整车重心到后轴的水平距离
m＝m1+m2；
4)因此，货车车速一定条件下，不发生侧翻的前转向轮转角应满足：
则，前转向轮转角阈值为：
其中，i为转向器总传动比；
5)货车侧翻报警分为以下几步：
a、驾驶员操作的方向盘转角为δ’，i为转向器总传动比，则：δ′＝δ·i；
当货车具有侧翻风险时，方向盘转角阈值为：δ′max＝δmax·i；
b、为判断进入弯道或车辆急转弯时的侧向失稳状态,定义货车侧翻风险预估函数r：
c、风险状态预估值r计算完毕之后,可根据其大小分级别对驾驶员进行报警提示，预防侧翻，报警规则如下所示：
d、高级报警时，蜂鸣器以高频发出警报；初级报警时，蜂鸣器以低频发出警报；有益效果：本发明提供的是一种货车侧翻预警的装置及方法，通过对车辆实际重心高度、重心水平位置、整车重心侧向偏移、行车速度的分析，得出前转向轮转角阈值，对比驾驶员操作的方向盘转角，控制单元通过实际方向盘转角与前转向轮转角阈值的比较得到风险状态预估值r，当风险状态预估值r超出安全范围时，控制单元发出信号，蜂鸣器会发出警报声，提醒驾驶员安全操作，降低货车侧翻风险，提高驾驶安全性。
附图说明
附图1是本发明所述一种货车侧翻预警装置的示意图。
1、车体；2、车厢；3、重量感应器。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例一，如图1所示，一种货车侧翻预警的装置，包括车体1和车厢2，所述车体1的前轴、后轴、前轴左车轮、前轴右车轮、后轴左车轮、后轴右车轮均设有负荷感应器，所述车厢2的下部设有重量感应器3，所述车体1内的方向盘设有转角感应器，所述车体1内设有蜂鸣器，所述负荷感应器、所述重量感应器3、所述转角感应器和所述蜂鸣器均与控制单元相连。负荷感应器能自动将空车静止时重心到前轴负荷m1’、空车静止时重心到后轴负荷m2’、载货后静止时前轴负荷m1、载货后静止时后轴负荷m2的重量测得，重量感应器3能测得货物的重量，控制单元及时计算出前转向轮转角阈值，方向盘转角感应器能将实际的方向盘转角发送给控制单元，计算得出风险状态预估值r，对货车侧翻风险及时预估。当存在侧翻风险时，控制单元发出信号给蜂鸣器，蜂鸣器发出警报，提醒驾驶员安全操作，提高安全系数。
一种货车侧翻风险预估的方法，首先在不考虑整车质心水平会发生位移的情况下，一种货车侧翻风险预估的方法分为以下几步：
1)系统预存数据包括空车时簧载质量的重心离地高度hs'、非簧载重量的重心离地高度hu、空车簧载重量ms'、空车整车重量mz、前轮距b1、后轮距b2、座椅中心到前轴距离a座、车载货物等效容积重量mv、车载货物等效总长l货、车载货物等效总高h货、车载货物等效宽w货、货车车厢前端到前轴的水平距离a厢、货车车厢平面离地高度h厢、座椅平面离地高度h座、空车时簧载质量重心到前轴的水平距离as’、簧载质量重心所在侧倾平面侧倾中心轴高度ha、整车重心到前轴的水平距离a、整车重心到后轴的水平距离b、货车总体设计重心到前轴的水平距离a’、货车总体设计重心到后轴的水平距离b’；系统测得的数据包括货物重量m货、前非簧载质量mf、后非簧载质量mr、货车前轴左车轮负荷m1l、货车前轴右车轮负荷m1r、货车后轴左车轮负荷m2l、货车后轴右车轮负荷m2r；
2)获得空车重心高度
mz＝m1′+m2′＝mf+mr+ms′；
3)获得整车重心侧向偏移
4)获得货物重心离地高度
其中：a座为车内人员重心到前轴的水平距离(mm)，取为座椅中心到前轴距离；
车内包括驾驶员在内的乘员人数为n，乘员和驾驶员每人质量按65kg计，则m人＝65n；
则堆码货物的等效总长为：
堆码货物的等效总高为：
货物质心离地高度h货为：h货＝50×h货+h厢；
5)获得整车重心高度
6)装载后簧载质量重心位置获得：
车身由三部分组成：空车车身+车上乘员(包括驾驶员)+车载货物，则车身总质量ms＝ms′+m货+m人；
则装载后簧载质量质心到前轴的水平距离as为：
则装载后簧载质量质心离地高度hs为：
则装载后簧载质量质心侧向偏移ys为：
则装载后簧载质量侧倾角φs为：
7)获得前转向轮转角阈值δmax，包括以下几步：
a、货车在高速行驶、急转弯工况下的运动方程：
侧向运动：
横摆运动：
车身侧倾运动：
获得各车轮侧向力，侧偏刚度取为正值：
带入可得：
b、获得前轮角阶跃输入下进入的稳态转向响应状态参数：
货车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应是等速圆周行驶，稳态时，货车横摆角速度、车身侧倾角均为定值，此时
则货车稳态转向时输出的响应参数为：
稳态横摆角速度为：
其中，稳定因素
车身侧倾角为：
其中，侧倾因素
由转向引起的车身侧倾角为：
可见，当货车行驶在水平路面上，且车辆载荷没有引起车身侧倾时：
由转向引起的车身侧倾角达到最大值；
c、货车转弯侧向稳定条件：
货车急速转弯稳态转向时，有侧向加速度(离心力)和车身侧倾，车轮垂直载荷发生横向转移，侧向稳定的平衡条件为：
当内侧车轮垂直载荷为零，即fz1＝0，fz3＝0时，货车具有侧翻风险，而此时垂向载荷转移为最大值：
因此,货车不发生侧翻的条件为：
其中：
msh+mfr+mrr＝m·hg；
故，货车不发生侧翻的稳定条件为：
d、获得货车侧向失稳时的前转向轮转角阈值：
当
当
前转向轮转角δmax应满足：
则前转向轮转角阈值为：
8)货车侧翻报警分为以下几步：
a、驾驶员操作的方向盘转角为δ’，i为转向器总传动比，则：δ′＝δ·i；
当货车具有侧翻风险时，方向盘转角阈值为：δ′max＝δmax·i；
b、为判断进入弯道或车辆急转弯时的侧向失稳状态,定义货车侧翻风险预估函数r：
c、风险状态预估值r计算完毕之后,可根据其大小分级别对驾驶员进行报警提示，预防侧翻，报警规则如下所示：
d、高级报警时，蜂鸣器以高频发出警报；初级报警时，蜂鸣器以低频发出警报；车辆侧翻模型参数表：
有益效果：本发明提供的是一种货车侧翻预警的装置及方法，通过对车辆实际重心高度、重心水平位置、整车重心侧向偏移、行车速度的分析，得出前转向轮转角阈值，对比驾驶员操作的方向盘转角，控制单元通过实际方向盘转角与前转向轮转角阈值的比较得到风险状态预估值r，当风险状态预估值r超出安全范围时，控制单元发出信号，蜂鸣器会发出警报声，提醒驾驶员安全操作，降低货车侧翻风险，提高驾驶安全性。
实施例二，如图1所示，一种货车侧翻预警的装置，包括车体1和车厢2，所述车体1的前轴、后轴、前轴左车轮、前轴右车轮、后轴左车轮、后轴右车轮均设有负荷感应器，所述车厢2的下部设有重量感应器3，所述车体1内的方向盘设有转角感应器，所述车体1内设有蜂鸣器，所述负荷感应器、所述重量感应器3、所述转角感应器和所述蜂鸣器均与控制单元相连。负荷感应器能自动将空车静止时重心到前轴负荷m1’、空车静止时重心到后轴负荷m2’、载货后静止时前轴负荷m1、载货后静止时后轴负荷m2的重量测得，重量感应器3能测得货物的重量，控制单元及时计算出前转向轮转角阈值，方向盘转角感应器能将实际的方向盘转角发送给控制单元，计算得出风险状态预估值r，对货车侧翻风险及时预估。当存在侧翻风险时，控制单元发出信号给蜂鸣器，蜂鸣器发出警报，提醒驾驶员安全操作，提高安全系数。
一种货车侧翻风险预估的方法，所述的整车重心会发生水平位移，该水平位置的指标包括整车重心到前轴的水平距离a、整车重心到后轴的水平距离b、空车整车重心到前轴的水平距离a’、空车整车重心到后轴的水平距离b’：
1)系统预存数据包括空车时簧载质量的重心离地高度hs'、非簧载重量的重心离地高度hu、空车簧载重量ms'、空车整车重量mz、前轮距b1、后轮距b2、座椅中心到前轴距离a座、车载货物等效容积重量mv、车载货物等效总长l货、车载货物等效总高h货、车载货物等效宽w货、货车车厢前端到前轴的水平距离a厢、货车车厢平面离地高度h厢、座椅平面离地高度h座、空车时簧载质量重心到前轴的水平距离as’、簧载质量重心所在侧倾平面侧倾中心轴高度ha、整车重心到前轴的水平距离a、整车重心到后轴的水平距离b、货车总体设计重心到前轴的水平距离a’、货车总体设计重心到后轴的水平距离b’；系统测得的数据包括货物重量m货、前非簧载质量mf、后非簧载质量mr、货车前轴左车轮负荷m1l、货车前轴右车轮负荷m1r、货车后轴左车轮负荷m2l、货车后轴右车轮负荷m2r、空车静止时重心到前轴负荷m1’、空车静止时重心到后轴负荷m2’、载货后静止时前轴负荷m1、载货后静止时后轴负荷m2、整车总重量m；
2)获得空车静止时重心到前轴的水平距离
空车静止时重心到后轴的水平距离
mz＝m1′+m2′；
3)获得整车重心到前轴的水平距离
整车重心到后轴的水平距离
m＝m1+m2；
4)获得空车重心高度
mz＝m1′+m2′＝mf+mr+ms′；
5)获得整车重心侧向偏移
6)获得货物重心离地高度
其中：a座为车内人员重心到前轴的水平距离(mm)，取为座椅中心到前轴距离；
车内包括驾驶员在内的乘员人数为n，乘员和驾驶员每人质量按65kg计，则m人＝65n；
则堆码货物的等效总长为：
堆码货物的等效总高为：
货物质心离地高度h货为：h货＝50×h货+h厢；
7)获得整车重心高度
8)装载后簧载质量重心位置获得：
车身由三部分组成：空车车身+车上乘员(包括驾驶员)+车载货物，则车身总质量ms＝ms′+m货+m人；
则装载后簧载质量质心到前轴的水平距离as为：
则装载后簧载质量质心离地高度hs为：
则装载后簧载质量质心侧向偏移ys为：
则装载后簧载质量侧倾角φs为：
9)获得前转向轮转角阈值δmax，包括以下几步：
a、货车在高速行驶、急转弯工况下的运动方程：
侧向运动：
横摆运动：
车身侧倾运动：
获得各车轮侧向力，侧偏刚度取为正值：
带入可得：
b、获得前轮角阶跃输入下进入的稳态转向响应状态参数：
货车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应是等速圆周行驶，稳态时，货车横摆角速度、车身侧倾角均为定值，此时
则货车稳态转向时输出的响应参数为：
稳态横摆角速度为：
其中，稳定因素
车身侧倾角为：
其中，侧倾因素
由转向引起的车身侧倾角为：
可见，当货车行驶在水平路面上，且车辆载荷没有引起车身侧倾时：
由转向引起的车身侧倾角达到最大值；
c、货车转弯侧向稳定条件：
货车急速转弯稳态转向时，有侧向加速度(离心力)和车身侧倾，车轮垂直载荷发生横向转移，侧向稳定的平衡条件为：
当内侧车轮垂直载荷为零，即fz1＝0，fz3＝0时，货车具有侧翻风险，而此时垂向载荷转移为最大值：
因此,货车不发生侧翻的条件为：
其中：
msh+mfr+mrr＝m·hg；
故，货车不发生侧翻的稳定条件为：
d、获得货车侧向失稳时的前转向轮转角阈值：
当
当
前转向轮转角δmax应满足：
则前转向轮转角阈值为：
其中：i为转向器总传动比。
10)货车侧翻报警分为以下几步：
a、驾驶员操作的方向盘转角为δ’，i为转向器总传动比，则：δ′＝δ·i；
当货车具有侧翻风险时，方向盘转角阈值为：δ′max＝δmax·i；
b、为判断进入弯道或车辆急转弯时的侧向失稳状态,定义货车侧翻风险预估函数r：
c、风险状态预估值r计算完毕之后,可根据其大小分级别对驾驶员进行报警提示，预防侧翻，报警规则如下所示：
d、高级报警时，蜂鸣器以高频发出警报；初级报警时，蜂鸣器以低频发出警报；车辆侧翻模型参数表：
有益效果：本发明提供的是一种货车侧翻预警的装置及方法，通过对车辆实际重心高度、重心水平位置、整车重心侧向偏移、行车速度的分析，得出前转向轮转角阈值，对比驾驶员操作的方向盘转角，控制单元通过实际方向盘转角与前转向轮转角阈值的比较得到风险状态预估值r，当风险状态预估值r超出安全范围时，控制单元发出信号，蜂鸣器会发出警报声，提醒驾驶员安全操作，降低货车侧翻风险，提高驾驶安全性。