汽车行驶状态参数预测的主动安全探讨

刘昭

摘 要：汽车数量的快速增长，道路交通面临更大的压力，汽車安全事故时有发生。对处于行驶状态下的汽车状态各项参数进行安全预测，对于减少交通事故，提高车辆运行稳定性具有十分重要的作用。车辆发生侧翻的主要原因在于受离心力的影响，车辆行驶稳定性受到破坏，加上驾驶员判断和操作上的失误，很容易造成侧翻事故。该文利用AR模型，对行驶状态下车辆的参数进行测量，对状态参数进行预测，据此在安全区间内控制汽车，提高主动安全性能，对于减少交通事故的发生具有积极的意义。

关键词：汽车 行驶状态 侧翻 参数预测 主动安全

中图分类号：U463.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（b）-0043-02

经济的快速增长，人们生活水平的不断提高，现今，汽车已经成为人类社会的交通出行工具，我国汽车保有量持续增长。汽车数量的增加，道路交通事故也时有发生。在多种类型的交通事故中，汽车侧翻事故十分常见，往往会造成严重的后果。从交通事故统计数据来看，汽车在弯道和转向高速行驶状态下发生的侧翻事故往往会造成重大的人员伤亡，占交通事故伤亡总数的近1/3。相对于侧滑来说，侧翻造成的伤亡后果更为严重，危害更大。国内外专家和学者对于汽车在转向行驶状态下的安全事故预防方面做了大量的分析和研究，通过建立动力学模型，参数测量等方向来实现对车辆行驶状态的稳定性测量，对行驶状态的主动安全性进行分析和预测，以期提高行驶状态下的稳定性。

1 汽车行驶状态主动安全性概述

汽车行驶的主动安全性是赋予汽车自己主动思考的能力，能够在行驶状态下实现对自身状态的“主动思考”，发现异常情况能够自觉采取一定的控制措施，以防止交通安全事故的发生。汽车驾驶员在长时间或者长距离驾驶汽车的过程中，自身注意力和判断力下降，对距离和车子状态的判断准确性大打折扣，当有异样的情况发生时，或遇到突发状态，很容易做出错误的判断，或者在操作上出现人为的失误，造成交通安全事故的发生。由此看来，深入研究汽车主动安全技术，加大研究和开发的力度，对于减少驾驶员驾驶压力，降低驾驶员判断失误率，提高交通安全具有十分重要的意义。汽车主动安全决策控制系统能够将车辆行驶的信息（包括车辆自身状态信息和外界路况信息）传递给汽车驾驶员，并根据车况和路况的综合情况对车辆的运行状态、安全程度进行测量和判断，在突发的、紧急的情况下能够根据判断结果采取必要的测量对汽车行驶的稳定性加以控制，赋予汽车主动避险的能力，提高汽车行驶的安全性。

汽车在行驶的过程中发生侧翻事故，主要是因为受到离心力的影响，汽车行驶稳定性受到破坏从而发生侧翻。汽车发生侧翻的时候大多是因为进入弯道行驶，或者行驶轨迹突然发生变化，这些都是汽车发生侧翻时常见的运行状态。从大量交通事故的研究资料可以看出，约有1/3的交通事故是由于汽车驾驶员操作失误，使得汽车偏离了安全行驶的路线而造成的，比如紧急转向避让障碍物、弯道高速行驶等。大多数汽车的转向系统传动比都是固定不变的，驾驶员对汽车方向盘的控制以及对紧急情况的处理多依靠自己的驾驶技术和驾驶经验，这极大地考验着驾驶员自身的应变能力。随着汽车技术的发展，线控转向系统逐渐取代了传统转向系统的机械传动，转向操作系统与执行系统各自独立，通过系统传动比的改变来对车辆转向过程中的力传递特性进行控制和调节，提高了汽车传动系统的安全性能。

2 车身行驶姿态的预测

汽车的动力学系统复杂性高，容易受外界因素的干扰影响，因此要对汽车行驶状态的各个参数进行全面准确地预测是具有很高的难度的。综合比较起来，运用AR模型对汽车行驶姿态进行预测还是具有一定优势的，可以将汽车运动本身的历史数据作为有利的已知条件，探索其中蕴含的规律，在风阻系数、路面功率谱特性及驾驶员操纵特性等信息的情况下建立起预测模型，对汽车行驶状态参数进行分析和预测。

2.1 车辆姿态预测模型的建立

该文对于车辆姿态预测是通过AR（p）模型来实现的。时间序列是已知条件，表示为，测量数据的数量表示为N。待估参数为自回归系统，表示为，时间点表示为S，阶数表示为p，方差表示为，与各自独立，得出公式为：

2.2 汽车姿态预测结果

采样时间总共为120 s，其中前60 s的数据用来进行编程建模，后60 s的数据用于对模型预测效果进行检验。根据传感器获得测量数据绘制出侧倾加速度的曲线，采样频率为4 Hz，也正因为这个频率，要得到1 s的预测值，则需要向前预测4步，每加1 s需要向前递增4步。每增加一个数据，就用新的数据替代旧的数据，这样就可以得到一序列的向前4步和向前8步预测值。将实验值与预测值进行对照，加上计算可以得出，侧倾角速度2 s预测的平均值比1s预测的平均值相对误差要大些。对汽车行驶姿态的预测是极短期的预报，也就是说很短时间状态的预测就能够有效地预防行驶危险。预测时间越长，相对预测误差也就越大。

3 侧倾角速度与行驶安全的关系

通过大量的资料分析和验证，侧倾角速度与汽车行驶安全之间的关系如图1所示。

从图1中可以看出，汽车行驶状态下，其安全性从W1区到W5区呈逐渐递增的趋势。从W4和W5两个区间来看，车辆在行驶状态下即使存在一定的倾斜角度，但是只要侧倾角速度控制得当，把握好侧倾角变化规律，车辆仍然处于相对安全的区间内，保持安全行驶的状态。从W1和W2两个区间来看，虽然车辆侧倾角并不大，但是因为侧倾角速度较快，车辆状态转向危险状态，车辆安全性已经受到威胁。由此可见，车辆是否进入侧翻危险的状态，很大程度上取决于侧倾角速度。

4 车辆主动安全控制策略的仿真

根据车辆模型在Simulink下建立起基于主动安全的变传动比控制的车辆控制模型，控制系统结构图如图2所示。

车辆主动安全控制仿真实验模拟在行车过程中紧急避开障碍物的状况，要求当车辆速度达到要求后，驾驶员转动方向盘呈270°，再向相反方向快速转动540°。通过比较两种车辆行驶过程中的侧向加速度以及侧倾角值，我们可以明显看出有侧翻控制的车辆则行驶状态良好，而没有进行主动安全控制的车辆很快发生了侧翻。而当车辆呈正常行驶状态时，主动安全控制策略对车辆行驶没有影响。

由此可见，当车辆出现危险姿态时该控制策略能使线控转向系统提前做出反应，从而抑制汽车侧翻，避开危险状态，而且对车辆的正常行驶无影响。主动安全控制策略的应用，可以有效地对车辆危险状态进行预测，对于提高车辆稳定性，减少交通安全事故的发生具有非常重要的作用。

参考文献

[1] 催胜民.现代汽车系统控制技术[M].北京：北京大学出版社，2014.

[2] 夏安邦.系统建模理论与方法[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2013.