基于驾驶员输入预测的汽车防侧翻系统及控制策略的制作方法

本发明属于汽车安全技术领域，具体涉及一种基于驾驶员输入预测的汽车防侧翻系统及控制策略。

背景技术：

汽车的出现为人类的生活方式带来了巨大变化，汽车工业的高速发展与经济水平的不断提高推动了汽车的普及使用，与此同时，也带来了一系列的社会问题。随着汽车的日益普及和道路车流的增多，道路交通事故已成为全球范围内日益严重的公共安全问题，成为现代社会的一大公害。

一些车辆如suv、客车、重型半挂车等由于具有质心位置偏高、质量和体积相对较大、轮距相对过窄等特点，极易发生侧翻事故。在侧翻事故发生时，驾驶员几乎都察觉不到侧翻的发生。据美国公路交通安全局统计，1992年至1996年,美国每年发生的各类汽车侧翻事故高达22700起，是仅次于正面碰撞的行车事故。1993年至1998年，35000余人死于交通事故其中非碰撞事故占10％，而重大非碰撞事故中的90％是侧翻事故。随着中国汽车数量的不断增长，交通运输的快速发展，车辆侧翻等重大交通事故也持续增加。可见研制一种侧翻预警系统来避免侧翻事故的频繁发生十分必要。

目前，大多数的交通事故都是由于驾驶员的错误操作引起的，因此对基于驾驶意图的主动安全控制研究的需求十分迫切。而利用现有的防侧翻控制策略，则不可避免存在以下几个问题：第一，控制系统存在时滞，以致得到的侧翻评价指标具有滞后性；第二，无法考虑到驾驶意图；第三，无法估计未来时刻的侧翻状态。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于驾驶员输入预测的汽车防侧翻系统及控制策略，预测未来时刻驾驶员的方向盘输入，有效防止车辆侧翻。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于驾驶员输入预测的汽车防侧翻系统，包括依次连接的传感器模块、方向盘转角预估单元、汽车参数预估单元和侧翻评价单元，其中，所述传感器模块还与汽车参数预估单元连接，传感器模块包括车速传感器、方向盘转角传感器，分别测量车辆的车速和方向盘转角；所述方向盘转角预估单元与方向盘转角传感器连接，所述汽车参数预估单元与方向盘转角预估单元和车速传感器连接，所述侧翻评价单元分别与方向盘转角预估单元和汽车参数预估单元相连；

所述侧翻评价单元将所得信息分别输出给前轮差动制动模块和控制ecu，其中输出触发信号给差动制动模块，输出侧翻评价值给ecu；所述控制ecu输出制动压力差信号给前轮差动制动模块。

上述的基于驾驶员输入预测的汽车防侧翻系统的控制策略，包含以下步骤：

步骤1)，方向盘转角传感器感应车辆的方向盘转角，并将方向盘转角值传递给方向盘转角预估单元；车速传感器感应车辆的车速，并将其传递给汽车参数预估单元；

步骤2)，方向盘转角预估单元基于当前时刻的方向盘转角值和灰色预测模型理论，预估未来时刻的方向盘输入值，并将此预估值输出到汽车参数预估单元进行汽车侧翻相关参数的预测；

步骤3)，汽车参数预估单元将得到的方向盘预测值及车速做为输入，计算得到汽车各项参数的预测值，包括车身侧向加速度预测值、车身侧倾角预测值、车身侧倾角速度预测值，并将其输入到侧翻评价单元；

步骤4)，侧翻评价单元根据接收到的车身侧倾角预测值、车身侧倾角速度预测值、车身侧向加速度预测值计算出侧翻评价值，并将其传递给控制器ecu，并在所述侧翻评价值大于预设的侧翻阈值时发送触发信号给前轮差速制动模块；

步骤5)，控制ecu将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值做比较，如果接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值，则将制动压力差信号输出给前轮差速制动模块；

步骤6)，前轮差动制动模块根据接收到的制动压力差信号调节车辆外前轮的制动压力，使得两个前轮制动压力的差值和接收到的前轮差动制动信号相应，对车辆进行制动。

进一步的，步骤2)所述灰色预测模型为：采用灰色预测gm(1，1)模型，将当前时刻的方向盘转角值作为输入值，当采样时间ts为0.02s时，提前预测步数k取5，表示提前预测时间t(t＝ts×k)为0.1s，可算出在第5步即0.1s后的方向盘转角值；取传感器得到的方向盘转角为输入量，利用灰色预测模型提前预测0.1s后的方向盘转角值，并将其输出到汽车参数预估单元。

进一步的，所述步骤3)具体实现步骤如下：

步骤3.1)，建立一个线性三自由度汽车侧翻模型

步骤3.1.1)，车辆模型

该模型忽略汽车纵向和俯仰方向的动力学特征,并假设汽车左右轮动力学关于x轴是对称的，即模型由“自行车模型”和侧倾平面模型组成，包括沿y方向的横向运动，绕z轴的横摆运动，以及绕x轴的侧倾运动；

考虑3个自由度之间的耦合影响，汽车侧翻动力学方程为：

横向运动：

横摆运动：

侧倾运动：

由横摆及横向运动耦合关系可得汽车质心位置横向加速度为：

式中：a和b分别为汽车质心到前后轴的距离；ff和fr分别为前后轮侧偏力；h为侧倾中心到质心距离；ix为簧载质量的侧倾转动惯量；iz为横摆转动惯量；和为悬架等效侧倾刚度和等效侧倾阻尼系数；m为整车质量；ms为簧载质量；为控制系统输出的附加横摆力矩；r为横摆角速度；v为横向速度；为簧载质量侧倾角；u为汽车纵向速度；ay为汽车侧向加速度；ff和fr为前后轮侧偏力；

步骤3.1.2)建立轮胎模型

考虑侧倾转向、侧倾外倾、变形转向以及变形外倾对轮胎侧向特性的影响，由侧向力与速度及转角关系，可得到前后轮的侧偏角为：

式中：ka为外倾系数，δsw为方向盘转角值，i为车辆传动比；

则可得到前后轮的侧偏力为：

ff＝kfβf

fr＝krβr

式中：kf为前轮侧偏刚度，kr为后轮侧偏刚度；

步骤3.2)，根据方向盘转角预测值、车速及上述公式，计算得到汽车的车身侧向加速度预测值、车身侧倾角预测值和车身侧倾角速度预测值。

进一步的，所述步骤4)具体步骤如下：

步骤4.1)将横向载荷转移率作为汽车的侧翻因子，横向载荷转移率定义为左右轮胎垂直载荷之差与整车总的垂直载荷之比，表达式如下：

式中fzl和fzr分别为汽车左右垂直载荷，且可知：

fzr+fzl＝mg

式中m为汽车总质量；ltr的值为[-1,l]，当ltr＝0时，汽车没有侧倾，也就不会发生侧翻，当ltr＝±1时，有一侧车轮垂直载荷为0，一侧轮胎离地，发生侧翻危险；

步骤4.2)，汽车绕侧倾中心的受力平衡方程为：

汽车绕位于地面上的轮距中心点的受力平衡方程为：

可以得到汽车的侧向载荷转移率为：

式中：tw为轮距，hr为侧倾中心到地面的距离。

进一步的，步骤5)的具体方法为：控制ecu将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值做比较，

步骤5.1)，如果接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值；

步骤5.1.1)，将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值作差得到侧翻差值，根据侧翻差值计算得到制动压力差信号；

步骤5.1.2)，将制动压力差信号输出给所述前轮差速制动模块；

进一步的，步骤5)中所述侧翻阈值为0.7-0.9。

有益效果：本发明提供的基于驾驶员输入预测的汽车防侧翻系统及控制策略，与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.可以预测未来时刻驾驶员的方向盘输入，较好的模拟了传统控制策略中由于控制系统的时滞性带来的影响。

2.该方法可以一定程度上反映出驾驶员的转向意图。

附图说明

图1为防侧翻控制系统工作流程图；

图2为方向盘转角预估单元工作流程图；

图3为前轮差动制动模块工作流程图；

图4为实施例的方向盘转角输入示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明为一种基于灰色预测的驾驶员方向盘输入预估模型，利用灰色预测gm(1，1)模型，将当前时刻的方向盘转角值作为输入值，当采样时间ts为0.02s时，提前预测步数k取5，表示提前预测时间t(t＝ts×k)为0.1s，可算出在第5步(0.1s后)的方向盘转角值。

方向盘转角预估单元与方向盘转角传感器和侧翻评价单元相连，取传感器得到的方向盘转角为输入量，利用灰色预测模型提前预测0.1s后的方向盘转角值，并将其输出到汽车参数预估单元。

如图1所示，本发明公开了一种车辆防侧翻系统，包含传感器模块、前轮差动制动模块、方向盘转角预估单元、汽车参数预估单元、侧翻评价单元和控制器ecu；

传感器模块包含车速传感器和方向盘转角传感器。

传感器模块包含车速传感器、方向盘转角传感器和加速度传感器，分别用于测量车辆的车速和方向盘转角。

方向盘转角预估单元和方向盘转角传感器相连，其作用为基于当前时刻的方向盘转角值和灰色预测模型理论，预估未来时刻的方向盘输入值，并将此预估值输出到汽车参数预估单元进行汽车侧翻相关参数的预测；

汽车参数预估单元与方向盘转角预估单元和车速传感器模块相连，以得到的方向盘预测值及车速做为输入，计算得到汽车各项参数的预测值(车身侧向加速度预测值、车身侧倾角预测值、车身侧倾角速度预测值)。

侧翻评价单元分别和方向盘转角预估单元和汽车参数预估单元相连，用于根据方向盘转角预测值及车速传感器的感应数据计算侧翻评价值后将其传递给控制器ecu，并在侧翻评价值大于预设的侧翻阈值时发送触发信号即前轮差动制动信号给前轮差动制动模块；

车辆内前轮的制动压力恒定，前轮差动制动模块用于根据接收到的制动压力差信号调节车辆外前轮的制动压力，使得两个前轮制动压力的差值和接收到的前轮差动制动信号相应；

控制ecu分别和侧翻评价单元、前轮差速制动模块相连，用于在接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值时，将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值作差得到前轮差动制动信号，并将制动压力差信号输出给前轮差速制动模块。

该汽车防侧翻控制策略的实现包含以下步骤：

步骤1)，方向盘转角传感器感应车辆的方向盘转角，并将方向盘转角值传递给方向盘转角预估单元；车速传感器感应车辆的车速，并将其传递给汽车参数预估单元；

步骤2)，方向盘转角预估单元基于当前时刻的方向盘转角值和灰色预测模型理论，预估未来时刻的方向盘输入值，并将此预估值输出到汽车参数预估单元进行汽车侧翻相关参数的预测；

步骤3)，汽车将得到的方向盘预测值及车速做为输入，计算得到汽车各项参数的预测值(车身侧向加速度预测值、车身侧倾角预测值、车身侧倾角速度预测值)，并将其输入到侧翻评价单元；

步骤4)，侧翻评价单元根据接收到的车身侧倾角预测值、车身侧倾角速度预测值、车身侧向加速度预测值计算出侧翻评价值后将其传递给控制器ecu，并在侧翻评价值大于预设的侧翻阈值时发送触发信号给前轮差速制动模块；

步骤5)，控制ecu将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值做比较；

步骤5.1)，如果接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值；

步骤5.1.1)，将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值作差得到侧翻差值，根据侧翻差值计算得到前轮差动制动信号；

步骤5.1.2)，将制动压力差信号输出给前轮差动制动模块。

步骤6)，前轮差动制动根据接收到的制动压力差信号调节车辆外前轮的制动压力，使得两个前轮制动压力的差值和接收到的制动压力差信号相应，对车辆进行制动。

如图2所示，作为补充说明，方向盘转角预估单元采用了一种基于灰色预测的驾驶员方向盘输入预估模型，采用gm(1，1)模型，步骤2)的实现有如下步骤：

步骤2.1)，生成预测模型的原始输入数据序列：

x⁽⁰⁾＝[x⁽⁰⁾(1)，x⁽⁰⁾(2)，…，x⁽⁰⁾(n)]

式中：n为建模维数，表示预测时用到的历史数据量；x⁽⁰⁾(i)，i＝1，2，…，n为预测模型的输入。

步骤2.2)，对原始数据进行一次累加可得：

x⁽¹⁾＝[x⁽¹⁾(1)，x⁽¹⁾(2)，…，x⁽¹⁾(n)]

式中

步骤2.3)，组成数据矩阵b和y：

步骤2.4)，计算发展系数和

步骤2.5)，根据gm(1，1)模型，在j时刻对j+k时刻的预测值表示为：

式中：为j－n+1时刻的预测值；k为提前预测的步数。

步骤2.6)，取方向盘转角为输入量，当采样时间ts为0.02s时，提前预测步数k取5，表示提前预测时间t(t＝ts×k)为0.1s，可算出在第5步(0.1s后)的方向盘转角值。

作为补充说明，汽车参数预估单元，其与方向盘转角预估单元和车速传感器相连，将得到的方向盘预测值及车速做为输入，计算得到汽车各项参数的预测值(车身侧向加速度预测值、车身侧倾角预测值、车身侧倾角速度预测值)。步骤3)具体实现步骤如下：

步骤3.1)，建立一个3自由度车模型。本发明建立了线性三自由度汽车侧翻模型。

步骤3.1.1)，车辆模型

该模型忽略汽车纵向和俯仰方向的动力学特征,并假设汽车左右轮动力学关于x轴是对称的，即模型由“自行车模型”和侧倾平面模型组成，包括沿y方向的横向运动，绕z轴的横摆运动，以及绕x轴的侧倾运动。

考虑3个自由度之间的耦合影响，根据达朗贝尔原理可得汽车侧翻动力学方程。

横向运动：

横摆运动：

侧倾运动：

由横摆及横向运动耦合关系可得汽车质心位置横向加速度为：

式中：a和b分别为汽车质心到前后轴的距离；ff和fr分别为前后轮侧偏力；h为侧倾中心到质心距离；ix为簧载质量的侧倾转动惯量；iz为横摆转动惯量；和为悬架等效侧倾刚度和等效侧倾阻尼系数；m为整车质量；ms为簧载质量；为控制系统输出的附加横摆力矩；r为横摆角速度；v为横向速度；为簧载质量侧倾角。

步骤3.1.2)建立轮胎模型。

考虑侧倾转向、侧倾外倾、变形转向以及变形外倾对轮胎侧向特性的影响，由侧向力与速度及转角关系，可得到前后轮的侧偏角为：

式中：ka为外倾系数，δsw为方向盘转角值，i为车辆传动比。

则可得到前后轮的侧偏力为

ff＝kfβf

fr＝krβr

式中：kf为前轮侧偏刚度，kr为后轮侧偏刚度。

步骤3.2)，根据方向盘转角预测值、车速及上述公式，计算得到汽车的车身侧向加速度预测值、车身侧倾角预测值和车身侧倾角速度预测值。

作为补充说明，汽车侧翻评价单元根据接收到的车身侧倾角预测值、车身侧倾角速度预测值、车身侧向加速度预测值计算出侧翻评价值，步骤4)具体步骤如下：

步骤4.1)车轮的垂直载荷变化可以通过横向载荷转移率(lateral一loadtransferrate,ltr)来描述，同时横向载荷转移率可以评价汽车稳定状态，因此，将横向载荷转移率作为汽车的侧翻因子。横向载荷转移率定义为左右轮胎垂直载荷之差与整车总的垂直载荷之比，表达式如下：

式中fzl和fzr分别为汽车左右垂直载荷，且可知：

fzr+fzl＝mg

式中m为汽车总质量，当汽车发生侧倾时，垂直载荷在左右车轮上重新分配，显然，ltr的值在[-1,l]之间，当ltr＝0时，汽车没有侧倾，也就不会发生侧翻，当ltr＝±1时，有一侧车轮垂直载荷为0，一侧轮胎离地，发生侧翻危险。

由于需要提前预知侧翻的发生，因此取侧翻阈值为0.85。

步骤4.2)，汽车绕侧倾中心的受力平衡方程为：

汽车绕位于地面上的轮距中心点的受力平衡方程为：

可以得到汽车的侧向载荷转移率为：

式中：tw为轮距，hr为侧倾中心到地面的距离。

所述控制ecu分别和侧翻评价单元、前轮差速制动模块相连，用于在接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值时，将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值作差得到制动压力差信号，并将制动压力差信号输出给所述前轮差速制动模块。其具体实施步骤如下：

步骤5.1)，如果接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值；

步骤5.1.1)，将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值作差得到侧翻差值，根据侧翻差值经过pid控制计算，得到制动压力差信号；

步骤5.1.2)，将制动压力差信号输出给前轮差速制动模块。

如图3所示，所述前轮差动制动模块用于根据接收到的制动压力差信号调节车辆外前轮的制动压力，使得两个前轮制动压力的差值和接收到的前轮差动制动信号相应。具体实施步骤如下：

步骤6.1)，所述车辆内前轮的制动压力恒定，前轮差动制动模块根据ecu计算得到的制动压力差值调节转向外侧前轮的制动压力值；

步骤6.2)，实施制动前该车轮的侧向力为ff，施加制动压力后，得到该轮的地面制动力为fx1，由制动力产生的附加横摆力矩为：

对外前轮施加了制动力fx1后，由于摩擦圆的限制，该车轮的侧向力会下降，从而又产生一个附加的横摆力矩：

δmy＝-(fy1-f′y1)a

得到作用于车辆的防侧翻横摆力矩值为：

如图3所示，该差动制动模块得到防侧翻横摆力矩值作用于车辆，以达到防侧翻控制效果。

差动制动模块与ecu以及侧翻评价单元相连。其中差动制动模块包含差动制动决策器及车辆外前轮，差动制动决策器与ecu及侧翻评价单元相连，外前轮与差动制动决策器及车辆相连。侧翻评价单元分别发送触发信号和ltr预估值到差动制动决策器和ecu，ecu经过计算后，输出制动压力差值到差动制动决策器，差动制动决策器经过决策，输出车轮侧向力ff到车辆外前轮，车辆外前轮通过车轮侧向力ff的作用，与地面形成地面制动力fx1，该地面制动力产生横摆力矩δm，作用于车辆。

实施例

仿真工况选为j-turn试验。在j-turn试验中，车辆的初始速度为100km/h，路面附着系数为0.85，方向盘最大转角为180°，方向盘转角输入如图4所示：

如图1所示流程：

(1)传感器接收车辆方向盘转角信号并输出方向盘转角δsw到方向盘预估单元，接收车速信号v并输出到；

(2)方向盘转角预估单元通过计算预估未来时刻的方向盘输入值δswf，并将此预估值输出到汽车参数预估单元进行汽车侧翻相关参数的预测。

(3)车辆参数预估模块根据方向盘转角预测值δswf和车速v，计算得到汽车的车身侧向加速度预测值ayf、车身侧倾角预测值和车身侧倾角速度预测值

(4)侧翻评价单元根据接收到的车身侧倾角预测值车身侧倾角速度预测值车身侧向加速度预测值ayf计算出侧翻评价值ltrf后将其传递给控制器ecu，并在侧翻评价值ltr大于预设的侧翻阈值ltrm时发送触发信号给前轮差速制动模块；

(5)控制器ecu接受侧翻评价预测值ltrf，输出制动压力差信号δp到前轮差动制动模块；

(6)前轮差动制动模块根据接收到的前轮差动制动信号δp调节车辆外前轮的制动压力，使得两个前轮制动压力的差值和接收到的前轮差动制动信号相应，对车辆进行制动，降低了侧翻危险。

步骤6.1)，图2为方向盘预估单元的工作流程，该工作原理主要基于灰色预测模型对方向盘输入进行预测，以补偿控制系统的时滞性。

在具体实施中，以方向盘转角为灰色预测模型的输入，根据控制系统的时滞确定需要提前预测的时间，由灰色预测模型输出未来时刻的方向盘转角估计值。

通过文献查阅和技术咨询，可知车辆防侧翻控制系统的时滞一般为0～0.2s。提前预测的时间越长，预测精度越低。由灰色预测模型可知，提前预测时间与采样时间、提前预测步数成正比，与建模维数无关。随着提前预测时间的增大，预测曲线波动增加，预测精度下降，但在预测时间0.2s内，预测精度仍有较高水准。方向盘转角预估单元工作流程如下：

(1)以2s到3s间的方向盘转角输入值为原始输入对象，采样时间间隔取0.2s，生成预测模型的原始输入数据序列：

x⁽⁰⁾＝[0，45，87，137，180]

(2)对原始数据进行一次累加可得：

x⁽¹⁾＝[x⁽¹⁾(1)，x⁽¹⁾(2)，…，x⁽¹⁾(5)]

式中

(3)组成数据矩阵b和y：

(4)计算发展系数和

(5)当采样时间ts为0.02s时，提前预测步数k取5，表示提前预测时间t(t＝ts×k)为0.1s，可算出在第5步(0.1s后)的方向盘转角值。根据gm(1，1)模型，第5步(0.1s后)的方向盘转角值的预测值表示为：

如图3所述差动制动模块与ecu以及侧翻评价单元相连。其中差动制动模块包含差动制动决策器及车辆外前轮，所述差动制动决策器与ecu及侧翻评价单元相连，所述外前轮与差动制动决策器及车辆相连。侧翻评价单元分别发送触发信号和ltr预估值到差动制动决策器和ecu，ecu经过计算后，输出制动压力差值到差动制动决策器，差动制动决策器经过决策，输出车轮侧向力ff到车辆外前轮，车辆外前轮通过车轮侧向力ff的作用，与地面形成地面制动力fx1，该地面制动力产生横摆力矩δm，作用于车辆。所述车辆内前轮的制动压力恒定，前轮差动制动模块根据ecu计算得到的制动压力差值调节转向外侧前轮的制动压力值；

步骤6.2)，实施制动前该车轮的侧向力为ff，施加制动压力后，得到该轮的地面制动力为fx1，由制动力产生的附加横摆力矩为：

对外前轮施加了制动力fx1后，由于摩擦圆的限制，该车轮的侧向力会下降，从而又产生一个附加的横摆力矩：

δmy＝-(fy1-f′y1)a

得到作用于车辆的防侧翻横摆力矩值为：

通过附加防侧翻横摆力矩，车辆的侧翻危险有效的得到了降低。

车辆防侧翻控制系统的时滞一般为0～0.2s，为了避免时滞性带来的影响，本发明种的控制策略利用灰色预测模型预测出0.1s后车辆的侧翻状态并基于此对车辆提早进行防侧翻控制，以降低车辆的侧翻危险。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。