引言

車速是影響車輛行駛安全的重要因素，利用車輛車載傳感器采集車輛狀態(tài)、駕駛員操作和道路情況信息，依據(jù)電控單元計算出安全車速并向執(zhí)行器發(fā)出控制命令，實施車速限制，是實現(xiàn)車輛自動車速控制的另外一種技術(shù)途徑，可以有效地提高車輛行駛的安全性。

由于多軸特種車輛動力學(xué)特性及車速控制較為復(fù)雜，需要對自動限速控制系統(tǒng)的總體方案、控制算法以及標(biāo)定測試等方面進行深入的分析研究。本文基于ADAMS 和MATLAB/Simulink 聯(lián)合仿真技術(shù)搭建了多軸車輛自動限速控制仿真平臺，驗證了自動限速控制技術(shù)在多軸特種車輛上應(yīng)用的可行性。

1 車輛建模

1.1 基于ADAMS 的整車多體動力學(xué)模型

在ADAMS/VIEW 環(huán)境下建立了六軸特種車輛動力學(xué)模型。

與車架連接的其他總成通過質(zhì)量等效的方法簡化合成到車架總成模型中，懸架系統(tǒng)模型包括油氣彈簧、上下橫臂及轉(zhuǎn)向節(jié)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型包括轉(zhuǎn)向桿系，輪胎根據(jù)UA 模型修改，道路模型自建。ADAMS 環(huán)境下的整車模型見圖1.

整車模型共有31 個自由度，其中整車質(zhì)心6 個自由度，車輪旋轉(zhuǎn)12 個自由度，車輪豎直跳動12 個自由度，轉(zhuǎn)向1個自由度。車輛1 ~ 5 橋為驅(qū)動橋， 1、2、5、6 橋為轉(zhuǎn)向橋。

輸入為車輪驅(qū)動力矩、風(fēng)阻和加速阻力，輸出為整車及車輪的運動狀態(tài)。

1.2 聯(lián)合仿真驅(qū)動控制模型

在MATLAB/Simulink 中建立完整的動力傳動系統(tǒng)控制模型，模型包括發(fā)動機、自動變速箱、分動器、驅(qū)動橋和行駛阻力，真實地模擬車輛動力的傳遞過程。通過ADAMS/Control模塊將ADAMS 車輛動力學(xué)模型和MATLAB/Simulink 車輛傳動系統(tǒng)模型聯(lián)接起來，通過ADAMS 與Simulink 的接口模塊進行兩個軟件的實時數(shù)據(jù)交換。

2 特種車輛自動限速控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動限速控制系統(tǒng)總體方案

車輛自動限速系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由傳感器、中央控制器和執(zhí)行器三部分組成。系統(tǒng)利用車載傳感器采集車輛運行狀況、駕駛員操作意圖和道路交通環(huán)境信息，通過電子控制單元實時判斷安全車速，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有超速趨勢時進行報警，如駕駛員未采取減速措施，自動關(guān)閉發(fā)動機、并開啟輔助制動，避免車輛超速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間的關(guān)系見圖2.

2.2 自動限速控制模型

在MATLAB/Simulink 中設(shè)計自動限速系統(tǒng)控制模塊，通過ADAMS/Control 模塊實現(xiàn)車輛的閉環(huán)控制。

由于報警與輔助制動均是根據(jù)車輛狀況實施主動安全措施，其相互之間具有傳遞性和一致性，因此本文將報警控制模型以及自動限速控制模型設(shè)計為一體，采用查表計算和邏輯控制方法建立自動限速控制模型。

3 仿真結(jié)果

3.1 自動限速控制仿真

3.1.1 平直道路仿真

仿真方案為：在路面附著系數(shù)為0.8 的平直道路上，車輛從起步開始加速行駛，當(dāng)車速達(dá)到45km/h 時，報警裝置進行報警；此時如果駕駛員主動減小油門，車速降低至40km/h,報警取消；如果駕駛員未采取有效措施，車速繼續(xù)增加到48km/h 時，實施自動限速。

首先模擬報警后駕駛員主動降速情況的仿真，當(dāng)車速達(dá)到45km/h 時，系統(tǒng)報警，報警信號由0 跳為1 ;此時手動減小油門開度，車速降低，當(dāng)車速低于40km/h 后，報警終止，信號由1 跳為2,系統(tǒng)復(fù)位；繼續(xù)增大油門開度，車速回升，系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測車輛行駛狀況。

如果報警后駕駛員未主動減速，輔助制動系統(tǒng)實施制動，當(dāng)車速達(dá)到45km/h 時，系統(tǒng)報警；此時不改變油門開度，車速繼續(xù)增加至48km/h,輔助制動開啟，排氣制動信號由1 跳為0,此時發(fā)動機關(guān)閉，排氣制動開啟，車輛減速；直至車速降到40km/h 以下，自動限速系統(tǒng)關(guān)閉；之后如果增大動力，車速升高，自動限速系統(tǒng)實時監(jiān)測，循環(huán)工作。

3.1.2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真

①門檻值確定

影響車輛的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)因素除了車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還包括車輛狀態(tài)變量（側(cè)傾角和側(cè)向加速度）閾值之間的關(guān)系。當(dāng)側(cè)向加速度達(dá)到4.2m/s2 左右時，車輛出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，且方向盤轉(zhuǎn)角越大，出現(xiàn)不穩(wěn)定時的斜率越大，即方向盤轉(zhuǎn)角越大，車輛從穩(wěn)定狀態(tài)到不穩(wěn)定狀態(tài)的過渡時間越短。當(dāng)側(cè)傾角達(dá)到3 度左右后，側(cè)傾角急劇增大，方向盤轉(zhuǎn)角在250 度到640 度之間時，側(cè)傾角為6 度左右車輛側(cè)翻，方向盤轉(zhuǎn)角為770 度時，側(cè)傾角在4 度時直接側(cè)翻。

根據(jù)以上分析可知，由于不同方向盤轉(zhuǎn)角下的側(cè)向加速度或側(cè)傾角變化率差別均較大，因此安全閾值的范圍差別也較大。如果單獨用側(cè)向加速度或側(cè)傾角判定車輛穩(wěn)定性，則會出現(xiàn)小方向盤轉(zhuǎn)角安全余量過大，而大方向盤轉(zhuǎn)角安全余量小的情況。為此，將車輛的側(cè)向加速度和側(cè)傾角進行一次最小二乘擬合，得出線性判別函數(shù)g（x），見下式。

g（x） 將車輛“側(cè)傾角- 側(cè)向加速度”相平面分成a 和b 兩部分，其中a 區(qū)域為穩(wěn)定狀態(tài)，b 為不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)g（x）>0 時為安全狀態(tài)，當(dāng)g（x）<0 時為危險狀態(tài)。

②仿真

進行方向盤轉(zhuǎn)角為250°的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗，仿真方案為：車輛在附著系數(shù)為0.8 的水平路面上，從起步開始加速行駛，方向盤轉(zhuǎn)角固定為250°，當(dāng)g（x） 值下降到5 以下時，報警裝置進行報警；此時如果駕駛員主動降低車速，使g（x） 值迅速升至7 以上，報警取消；如果駕駛員未采取有效措施，g（x） 值降至0 時，實施自動限速；當(dāng)g（x） 值升至7以上時，限速取消。

4 結(jié)論

本文研究了特種車輛自動限速控制方法，在建立特種車輛整車動力學(xué)模型、驅(qū)動控制模型和自動限速控制模型的基礎(chǔ)上，通過聯(lián)合仿真，對自動限速控制策略的可行性進行了驗證。結(jié)果表明，自動限速控制系統(tǒng)利用車載傳感器采集車輛速度、縱向加速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角、橫擺角速度等車輛狀態(tài)信息，以及方向盤轉(zhuǎn)角、加速度踏板位置、制動狀態(tài)等駕駛員操作信息，通過車輛當(dāng)前狀態(tài)下的安全門檻值分析，能夠?qū)崿F(xiàn)超速報警和車速輔助控制功能，對自動限速控制系統(tǒng)的研制具有一定的指導(dǎo)意義。