多轴重载车辆自动限速技术的研究

引言

车速是影响车辆行驶安全的重要因素，利用车辆车载传感器采集车辆状态、驾驶员操作和道路情况信息，依据电控单元计算出安全车速并向执行器发出控制命令，实施车速限制，是实现车辆自动车速控制的另外一种技术途径，可以有效地提高车辆行驶的安全性。

由于多轴特种车辆动力学特性及车速控制较为复杂，需要对自动限速控制系统的总体方案、控制算法以及标定测试等方面进行深入的分析研究。本文基于ADAMS 和MATLAB/Simulink 联合仿真技术搭建了多轴车辆自动限速控制仿真平台，验证了自动限速控制技术在多轴特种车辆上应用的可行性。

1 车辆建模

1.1 基于ADAMS 的整车多体动力学模型

在ADAMS/VIEW 环境下建立了六轴特种车辆动力学模型。

与车架连接的其他总成通过质量等效的方法简化合成到车架总成模型中，悬架系统模型包括油气弹簧、上下横臂及转向节，转向系统模型包括转向杆系，轮胎根据UA 模型修改，道路模型自建。ADAMS 环境下的整车模型见图1.

整车模型共有31 个自由度，其中整车质心6 个自由度，车轮旋转12 个自由度，车轮竖直跳动12 个自由度，转向1个自由度。车辆1 ~ 5 桥为驱动桥， 1、2、5、6 桥为转向桥。

输入为车轮驱动力矩、风阻和加速阻力，输出为整车及车轮的运动状态。

1.2 联合仿真驱动控制模型

在MATLAB/Simulink 中建立完整的动力传动系统控制模型，模型包括发动机、自动变速箱、分动器、驱动桥和行驶阻力，真实地模拟车辆动力的传递过程。通过ADAMS/Control模块将ADAMS 车辆动力学模型和MATLAB/Simulink 车辆传动系统模型联接起来，通过ADAMS 与Simulink 的接口模块进行两个软件的实时数据交换。

2 特种车辆自动限速控制系统设计

2.1 自动限速控制系统总体方案

车辆自动限速系统基本结构由传感器、中央控制器和执行器三部分组成。系统利用车载传感器采集车辆运行状况、驾驶员操作意图和道路交通环境信息，通过电子控制单元实时判断安全车速，当发现有超速趋势时进行报警，如驾驶员未采取减速措施，自动关闭发动机、并开启辅助制动，避免车辆超速。系统结构间的关系见图2.

2.2 自动限速控制模型

在MATLAB/Simulink 中设计自动限速系统控制模块，通过ADAMS/Control 模块实现车辆的闭环控制。

由于报警与辅助制动均是根据车辆状况实施主动安全措施，其相互之间具有传递性和一致性，因此本文将报警控制模型以及自动限速控制模型设计为一体，采用查表计算和逻辑控制方法建立自动限速控制模型。

3 仿真结果

3.1 自动限速控制仿真

3.1.1 平直道路仿真

仿真方案为：在路面附着系数为0.8 的平直道路上，车辆从起步开始加速行驶，当车速达到45km/h 时，报警装置进行报警；此时如果驾驶员主动减小油门，车速降低至40km/h,报警取消；如果驾驶员未采取有效措施，车速继续增加到48km/h 时，实施自动限速。

首先模拟报警后驾驶员主动降速情况的仿真，当车速达到45km/h 时，系统报警，报警信号由0 跳为1 ;此时手动减小油门开度，车速降低，当车速低于40km/h 后，报警终止，信号由1 跳为2,系统复位；继续增大油门开度，车速回升，系统继续监测车辆行驶状况。

如果报警后驾驶员未主动减速，辅助制动系统实施制动，当车速达到45km/h 时，系统报警；此时不改变油门开度，车速继续增加至48km/h,辅助制动开启，排气制动信号由1 跳为0,此时发动机关闭，排气制动开启，车辆减速；直至车速降到40km/h 以下，自动限速系统关闭；之后如果增大动力，车速升高，自动限速系统实时监测，循环工作。

3.1.2 稳态回转仿真

①门槛值确定

影响车辆的稳态回转因素除了车辆的结构参数外，还包括车辆状态变量（侧倾角和侧向加速度）阈值之间的关系。当侧向加速度达到4.2m/s2 左右时，车辆出现不稳定状态，且方向盘转角越大，出现不稳定时的斜率越大，即方向盘转角越大，车辆从稳定状态到不稳定状态的过渡时间越短。当侧倾角达到3 度左右后，侧倾角急剧增大，方向盘转角在250 度到640 度之间时，侧倾角为6 度左右车辆侧翻，方向盘转角为770 度时，侧倾角在4 度时直接侧翻。

根据以上分析可知，由于不同方向盘转角下的侧向加速度或侧倾角变化率差别均较大，因此安全阈值的范围差别也较大。如果单独用侧向加速度或侧倾角判定车辆稳定性，则会出现小方向盘转角安全余量过大，而大方向盘转角安全余量小的情况。为此，将车辆的侧向加速度和侧倾角进行一次最小二乘拟合，得出线性判别函数g（x），见下式。

g（x） 将车辆“侧倾角- 侧向加速度”相平面分成a 和b 两部分，其中a 区域为稳定状态，b 为不稳定状态。当g（x）>0 时为安全状态，当g（x）<0 时为危险状态。

②仿真

进行方向盘转角为250°的稳态转向特性试验，仿真方案为：车辆在附着系数为0.8 的水平路面上，从起步开始加速行驶，方向盘转角固定为250°，当g（x） 值下降到5 以下时，报警装置进行报警；此时如果驾驶员主动降低车速，使g（x） 值迅速升至7 以上，报警取消；如果驾驶员未采取有效措施，g（x） 值降至0 时，实施自动限速；当g（x） 值升至7以上时，限速取消。

4 结论

本文研究了特种车辆自动限速控制方法，在建立特种车辆整车动力学模型、驱动控制模型和自动限速控制模型的基础上，通过联合仿真，对自动限速控制策略的可行性进行了验证。结果表明，自动限速控制系统利用车载传感器采集车辆速度、纵向加速度、侧向加速度、侧倾角、横摆角速度等车辆状态信息，以及方向盘转角、加速度踏板位置、制动状态等驾驶员操作信息，通过车辆当前状态下的安全门槛值分析，能够实现超速报警和车速辅助控制功能，对自动限速控制系统的研制具有一定的指导意义。