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(jì)算出安全車速并向執(zhí)行器發(fā)出控制命令，實(shí)施車速限制，是實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)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(dòng)力學(xué)特性及車速控制較為復(fù)雜，需要對(duì)自動(dòng)限速控制系統(tǒng)的總體方案、控制算法以及標(biāo)定測(cè)試等方面進(jìn)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(dòng)限速控制仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了自動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型

在ADAMS/VIEW 環(huán)境下建立了六軸特種車輛動(dòng)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(jiǎn)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(gè)自由度，其中整車質(zhì)心6 個(gè)自由度，車輪旋轉(zhuǎn)12 個(gè)自由度，車輪豎直跳動(dòng)12 個(gè)自由度，轉(zhuǎn)向1個(gè)自由度。車輛1 ~ 5 橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋， 1、2、5、6 橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋。

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

1.2 聯(lián)合仿真驅(qū)動(dòng)控制模型

在MATLAB/Simulink 中建立完整的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制模型，模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速箱、分動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)橋和行駛阻力，真實(shí)地模擬車輛動(dòng)力的傳遞過程。通過ADAMS/Control模塊將ADAMS 車輛動(dòng)力學(xué)模型和MATLAB/Simulink 車輛傳動(dòng)系統(tǒng)模型聯(lián)接起來，通過ADAMS 與Simulink 的接口模塊進(jìn)行兩個(gè)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

2 特種車輛自動(dòng)限速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)限速控制系統(tǒng)總體方案

車輛自動(dòng)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(yùn)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(shí)時(shí)判斷安全車速，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有超速趨勢(shì)時(shí)進(jìn)行報(bào)警，如駕駛員未采取減速措施，自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)、并開啟輔助制動(dòng)，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(dòng)限速控制模型

在MATLAB/Simulink 中設(shè)計(jì)自動(dòng)限速系統(tǒng)控制模塊，通過ADAMS/Control 模塊實(shí)現(xiàn)車輛的閉環(huán)控制。

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

3 仿真結(jié)果

3.1 自動(dòng)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(shí)，報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警；此時(shí)如果駕駛員主動(dòng)減小油門，車速降低至40km/h,報(bào)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(shí)，實(shí)施自動(dòng)限速。

首先模擬報(bào)警后駕駛員主動(dòng)降速情況的仿真，當(dāng)車速達(dá)到45km/h 時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，報(bào)警信號(hào)由0 跳為1 ;此時(shí)手動(dòng)減小油門開度，車速降低，當(dāng)車速低于40km/h 后，報(bào)警終止，信號(hào)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(cè)車輛行駛狀況。

如果報(bào)警后駕駛員未主動(dòng)減速，輔助制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施制動(dòng)，當(dāng)車速達(dá)到45km/h 時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警；此時(shí)不改變油門開度，車速繼續(xù)增加至48km/h,輔助制動(dòng)開啟，排氣制動(dòng)信號(hào)由1 跳為0,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，排氣制動(dòng)開啟，車輛減速；直至車速降到40km/h 以下，自動(dòng)限速系統(tǒng)關(guān)閉；之后如果增大動(dòng)力，車速升高，自動(dòng)限速系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，側(cè)傾角為6 度左右車輛側(cè)翻，方向盤轉(zhuǎn)角為770 度時(shí)，側(cè)傾角在4 度時(shí)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(dú)用側(cè)向加速度或側(cè)傾角判定車輛穩(wěn)定性，則會(huì)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(jìn)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?yàn)榉€(wěn)定狀態(tài)，b 為不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)g（x）>0 時(shí)為安全狀態(tài)，當(dāng)g（x）<0 時(shí)為危險(xiǎn)狀態(tài)。

②仿真

進(jìn)行方向盤轉(zhuǎn)角為250°的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗(yàn)，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(shí)，報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警；此時(shí)如果駕駛員主動(dòng)降低車速，使g（x） 值迅速升至7 以上，報(bào)警取消；如果駕駛員未采取有效措施，g（x） 值降至0 時(shí)，實(shí)施自動(dòng)限速；當(dāng)g（x） 值升至7以上時(shí)，限速取消。

4 結(jié)論

本文研究了特種車輛自動(dòng)限速控制方法，在建立特種車輛整車動(dòng)力學(xué)模型、驅(qū)動(dòng)控制模型和自動(dòng)限速控制模型的基礎(chǔ)上，通過聯(lián)合仿真，對(duì)自動(dòng)限速控制策略的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，自動(dòng)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(dòng)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(bào)警和車速輔助控制功能，對(duì)自動(dòng)限速控制系統(tǒng)的研制具有一定的指導(dǎo)意義。