[发明专利]强侧向风作用下的公路车辆行驶危险态势预警方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及强侧向风下公路车辆行驶危险态势预警方法及预警系统，属于交通安全领域。

背景技术

随着我国高等级公路的快速发展，人们对公路车辆的稳定性和安全性等提出了越来越高的要求。但是，由于侧向风的普遍存在，车辆的动态性能往往会因侧向风的干扰而降低。特别当车辆高速行驶时，若受到强侧向风作用，其行驶稳定性、安全性等都会显著降低，极端情况下还会使车辆偏离正确行驶路线，甚至发生侧滑、侧翻等严重事故。

侧向风属于自然界中一种很普遍的现象，特别是它会随时间和空间作非稳态的变化。风速的变化梯度越大，车辆在驶经强侧向风区域时，车身上的气动特性变化就越剧烈，此时车辆的稳定性和安全性将受到严重威胁。例如，车辆在行驶途中突遇桥梁、隧道或高大建筑物等，或者驶入沿海公路、高架桥等开阔地带，都可能遭遇强侧向风。当车辆经过强侧向风环境时，车辆侧滑、侧翻的风险也会大大增加，极易导致交通事故的发生，可见环境侧向风对车辆动态性能有重要影响。

侧向风对车辆的稳定性与安全性有着重要的影响，而当今车身结构的发展以轻量化为趋势，这种车身结构的优化反而会加剧车辆对侧向风的敏感度，同时由于侧向风具有较大的不确定性，较难通过直接安装车载传感器等来采集侧向风力与力矩等侧向风参数。

因此，发明侧向风力与力矩等侧向风参数的估计方法，以及强侧向风作用下公路车辆的危险态势预警系统，对于保证车辆的稳定性和安全性有着十分重要的作用和意义。换言之，侧向风力与力矩等侧向风参数的有效估计是开发车辆危险态势预警系统的前提，只有准确获取侧向风力与力矩这两个参数，提出侧向风的风险评估策略，才能开发出可靠的预警系统。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种能适应强侧向风下公路车辆行驶危险态势的预警方法和系统，该方法和系统能预测强侧向风下可能发生的车辆危险态势，提前发出警告，提醒驾驶员采取正确的措施。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的强侧向风作用下公路车辆行驶危险态势预警方法，是以期建立强侧向风的风险评估策略，通过该评估体系对强侧向风下车辆行驶危险态势进行准确辨识，达到预警的效果，该方法主要包括以下步骤：

(1)建立强侧向风下公路车辆的动力学模型：

该模型是一个包含车辆侧向与横摆运动的线性二自由度动力学模型；

(2)建立卡尔曼滤波器：

所述卡尔曼滤波器为：

其中：

式中：状态向量x＝[β，ω_r，y，ΔΨ]^T，β为质心侧偏角，ω_r为横摆角速度，y为横向位移，ΔΨ为横摆角增量；由侧向风引起的侧向风力、力矩作为系统的观测量W＝[F_w,M_w]^T；A、B、B_W、C为方程的系数矩阵；F_w为侧向风力；M_w为侧向风力矩；M为车辆质量；v为车辆速度；I_z为车辆绕垂向的转动惯量；C_f、C_r为前后轮的侧偏刚度；L_f、L_r为重心到前、后轴的距离；L为车辆轴距。

经过系统扩展，上述卡尔曼滤波器变形为：

式中：

其中：A、B、B_W、C为方程的系数矩阵。

(3)建立侧向风力与力矩M_w的估计值：

所述侧向风力F_w为：车辆在路面行驶时受到来自自然环境的侧向风扰动的作用力，

所述力矩M_w为：车辆在路面行驶时受到来自自然环境的侧向风扰动的作用力矩；

根据获得的观测值，结合卡尔曼滤波算法，估计侧向风力与力矩参数。通过扩展矩阵M，状态估计量及系统方程如下：

定义误差其误差动力学方程为：为确保这个误差动力学方程趋于稳定，须使误差动力学方程的所有特征值都有负实数根。

(4)建立风险评估策略：

1)利用下述计算的前、后轮胎-路面附着系数为：