车辆主动前轮转向与直接横摆力矩自适应控制

基于Lyapunov理论提出车辆主动前轮转向与直接横摆力矩的集成控制方法, 在二自由度车辆模型的基础上设计了自适应控制器, 对轮胎刚度进行自适应估计以补偿轮胎侧向力的非线性, 基于MATLAB和CarSim软件搭建了车辆闭环仿真模型, 在路面上进行了正弦输入仿真试验。仿真结果表明: 附着系数为0.8、车速为100 km·h^-1时, 前轴侧向力最大误差为210 N, 约占前轴实际侧向力的8.1%, 后轴侧向力最大误差为296 N, 约占后轴实际侧向力的8.5%;附着系数为0.3、车速为80 km·h^-1时, 前轴侧向力最大误差为146 N, 约占前轴实际侧向力的8.5%, 后轴侧向力最大误差为142 N, 约占后轴实际侧向力的9.8%。车辆主动前轮转向与直接横摆力矩集成控制的效果优于主动前轮转向和直接横摆力矩单独控制的效果。     

山区圆曲线路段半挂汽车列车行驶安全性分析

根据山区圆曲线路段的特点, 分析了轮胎的受力和变形情况, 建立了半挂汽车列车与山区圆曲线路段的耦合动力学模型。以牵引车和半挂车的轮胎侧偏角和折叠角为指标, 运用提出的动力学仿真法分析了不同车速下圆曲线路段半径、超高、滑动附着系数对半挂汽车列车行驶安全性的影响, 并与运行速度法和理论极限速度法的计算结果进行对比。仿真结果表明: 当圆曲线半径为125m, 路面超高为2%, 滑动附着系数分别为0.20、0.35、0.50、0.80时, 运用动力学仿真法求得的临界安全车速分别为20、35、55、72km·h^-1, 运用运行速度法求得的临界安全车速均为50km·h^-1, 运用理论极限速度法求得的临界安全车速分别为18、20、25、30km·h^-1; 当圆曲线半径为250m, 滑动附着系数为0.35, 超高分别为0、2%、4%、6%时, 运用动力学仿真法求得的临界安全车速分别为35、38、25、20km·h^-1, 运用运行速度法求得的临界安全车速均为60km·h^-1, 运用理论极限速度法求得的临界安全车速分别为30、31、32、33km·h^-1; 当路面超高为6%, 滑动附着系数为0.50, 圆曲线半径分别为125、250、400、650m时, 运用动力学仿真法求得的临界安全车速分别为58、62、70、72km·h^-1, 运用运行速度法求得的临界安全车速分别为50、60、68、71km·h^-1, 运用理论极限速度法求得的临界安全车速分别为28、37、48、60km·h^-1。可见, 提出的动力学仿真法考虑了车辆悬架动力学特性、天气与路面条件, 可以准确描述半挂汽车列车的运行状态。     

车辆系统空气弹簧失气安全性分析

建立了具有刚度衰变特性的空气弹簧失气模型和非线性粘滑接触模型, 结合车辆系统动力学, 模拟空气弹簧失气动态过程与失气后的应急状态, 分析了空气弹簧失气后车辆系统的稳定性与空气弹簧突然失气对车辆动力学性能的影响, 研究了不同失气过程时长、运行速度与曲线通过工况下空气弹簧失气车辆的安全性。计算结果表明: 空气弹簧失气后车辆临界速度由623 km·h^-1大幅降低为351 km·h^-1。空气弹簧突然失气导致轮轨垂向力减小, 轮重减载率增大, 且失气过程越短, 轮重减载率越大, 失气过程为0.2 s时轮重减载率达到0.651。车辆运行速度低于300 km·h^-1时, 车速对轮重减载率和轮轨力影响不明显, 当大于300 km·h^-1时, 减载率随车速增大迅速增大。车辆通过曲线时, 在圆曲线上失气最危险, 轮重减载率最大为0.652。     

车辆超载对公路使用寿命的影响

分析了轴载与公路使用寿命的关系, 根据路面不平度的频域模型和时域模型, 建立了4自由度车辆动力学模型。利用Mathcad软件进行数值仿真计算, 获得不同工况下车辆前后轮的最大动载荷, 分析了车轮动载荷与车速、车轮载荷与超载、轮荷冲击系数与超载之间的关系, 并预测了不同载荷条件下公路的实际使用寿命。研究结果表明: 车轮动载荷和轮荷冲击系数与车速成线性增大关系, 当车速由10km·h^-1增大到100km·h^-1时, 车轮动载荷增大2.5~3.1倍, 轮荷冲击系数增大17%~20%;超载降低了车辆的轮荷冲击系数, 但使得车轮的实际最大载荷大幅增大; 在超载100%的情况下, 当以沥青层层底拉应力为设计指标时, 公路实际使用寿命下降96%, 当以半刚性材料层层底拉应力为设计指标时, 公路实际使用寿命下降99%。     

路面条件对行车安全影响的闭环仿真试验分析

为研究路面条件对行车安全的影响,作者利用多体动力学仿真软件ADAMS／Car与ADAMS／Solve建立了车辆模型、道路模型、驾驶员模型以及^一车一路的耦合模型,并通过改变路面摩擦系数,分别模拟了晴天、雨天、雪天和在结冰状况下的路面条件,并进行了闭环仿真试验,得到了车辆的侧向位移、At向角以及轮胎的侧向反力的响应输出,分析了不同路面条件对行车安全的影响。计算结果表明：随着路面条件的恶化,驾驶员操纵方向盘的转动角速度突变增加;当结冰路面摩擦系数为0．18时,左右后轮侧向力均趋于0,会导致车辆绕前轮旋转,甚至失去控制。     

融合稳定性的高速无人驾驶车辆纵横向协调控制方法

提出了一种纵横向协调控制的路径跟踪控制方法; 建立了车辆预瞄误差模型和考虑路面地形的高速车辆等效动力学模型, 以此引入道路曲率地形因素; 基于模糊规则设计了预瞄距离发生器, 解决预瞄误差模型中固定预瞄距离的问题; 建立了预测时域与道路曲率的函数关系, 运用模型预测控制算法求解前轮转角, 从而建立路径跟踪控制器; 运用指数模型表示车辆期望车速, 设计了比例积分微分纵向控制器控制车速以改善路径跟踪精度; 运用质心侧偏角相平面图表征车辆稳定性特征, 设计比例积分微分稳定性控制器以改善车辆稳定性。研究结果表明: 提出的控制方法能在不同附着系数路面上对车辆跟踪性能进行优化, 在干燥沥青路面以车速90 km·h^-1行驶时, 与只运用模型预测控制算法进行路径跟踪控制的车辆相比, 最大横向误差可减少33%;在潮湿沥青路面以车速70 km·h^-1行驶时, 与只运用模型预测控制算法进行路径跟踪控制的车辆相比, 最大横向误差可减少30%;在冰雪路面以车速55 km·h^-1行驶时, 与只运用模型预测控制算法进行路径跟踪控制的车辆相比, 最大横向误差可减少16%。可见, 所提出的控制方法能有效改善路径跟踪精度。     

现代无轨列车横摆稳定控制策略

为改善现代无轨列车车体横摆稳定性和路径跟踪性能较差的问题,基于拉格朗日方程建立车辆动力学模型,分析了液压杆刚度对车辆转向性能的影响;为解决方程中含有未知约束力,导致其定量关系无法求解的问题,以横摆角速度误差和轨迹跟踪误差为优化目标,采用遗传算法离线优化了刚度参数,并利用函数插值方法在线预测,得到了不同车速、不同前轮转角下的最优液压杆刚度;为提高车辆轨迹跟踪性能,将横摆角速度跟踪误差与轨迹跟踪误差作为评价车辆横摆稳定性的标准,定义了车辆行驶过程中各个轴的侧向误差与航向角误差,基于滑模控制(SMC)算法设计了车辆横摆运动控制器,计算了期望横摆角速度,并进行了稳定性证明和稳态误差分析;由比例积分(PI)控制器计算分配到各个驱动轴的车体横摆力矩,并在U型弯路径上进行了仿真与试验。研究结果表明：车辆稳态转向时,液压杆刚度与车速、前轮转角直接相关,且在任何情况下,连接模块前部液压杆刚度一定大于后部液压杆刚度,车速在22 km·h^-1左右时最优液压杆刚度最小;车速大于22 km·h^-1时,速度越大,最优液压杆刚度越大,且前部液压杆刚度变化率明显大于后部;车速小于22 km·h^-1时,速度越小,最优液压杆刚度越大;直线路段上车轴侧向误差小于0.03 m,航向角误差小于0.03 rad;弯道路段上车轴侧向误差小于0.06 m,航向角误差小于0.06 rad;行驶过程中,车体横摆角速度可以快速跟踪给定值,车辆的行驶稳定性得到了提高,验证了控制策略的有效性。     

钢弹簧故障状态的车辆动力学性能

考虑了车辆导向轮对一侧轴箱钢簧出现失效的四种工况: 钢簧内外圈均断裂、外圈断裂、内圈断裂和钢簧“冻死”, 建立了钢簧失效工况下的车辆系统动力学模型, 分析了钢簧失效对车辆动力学性能的影响。仿真结果表明: 钢簧失效后, 轮对的平衡位置偏离轨道中心线, 全断裂工况下偏离最大, 约为3mm; 车辆的临界速度降低, 全断裂工况下降低最大, 约为30km·h^-1;失效弹簧所在轮对的轮载差变化较大, 全断裂工况下轮载差最大, 约为50kN; 转向架断裂弹簧处及其斜对角轴箱悬挂垂向力将减小, 另一对角处的轴箱悬挂垂向力将增大, 从而使转向架承受较大的扭曲载荷; 钢簧失效很容易使脱轨系数和轮重减载率等安全性指标超过限定值, 增加了车辆运行安全的隐患, 在直线上200~300km·h^-1速度范围内和曲线(半径为7 000m)上100~300km·h^-1速度范围内, 全断裂工况下的减载率都超过0.8;钢簧失效对车辆横向平稳性影响不大, 但钢簧“冻死”会使垂向平稳性变差, 相对于正常工况, 在300km·h^-1时增加约0.1。     

磁浮列车单铁悬浮车桥耦合振动分析

为研究单铁悬浮车桥耦合振动, 将悬浮控制系统、车辆结构、弹性轨道梁及桥梁安装系统作为整体系统, 建立整体系统的磁浮列车的悬浮控制-弹性桥梁-机械结构垂向耦合振动模型, 以不同频率的外力激扰模拟磁浮列车不同的速度下对桥梁的作用, 分析了不同梁型在整体系统耦合条件下的跨中挠度与振动加速度的变化。研究结果表明: 单铁悬浮稳定后, 简支梁跨中挠度约为两跨连续梁悬浮处挠度的2.5倍; 以200km·h^-1车速通过桥梁时其挠度略小于400km·h^-1车速通过工况, 但前者再次达到稳定状态所需时间约为后者的1/3;车辆以相同速度通过桥梁时, 连续梁悬浮处跨中挠度约为简支梁的40%, 且前者振动加速度小于后者; 仿真过程中桥梁安装临界刚度范围为(5.5~6.5)×10⁷ N·m^-1; 两跨连续梁动力学性能较简支梁更为优秀。     

大风雨雪气象条件下高速公路车辆稳定行驶的临界车速研究

为保证车辆在大风及雨雪气象条件下的行驶安全,构建了车辆模型、气象环境模型和道路模型,利用Carsim软件进行仿真模拟分析,考虑不同风级条件下车辆在降雨积水路面、积雪路面和降雪结冰路面上,以特定线形组合为例,选取侧向力系数和侧向偏移量作为评价指标,研究车辆稳定行驶的临界车速.研究给出了不同气象条件下车辆在直线和圆曲线上的限速建议,结果表明:车辆在5级风以上的雨天积水路面,路段线形为直线时,车速应不高于80 km/h,当路段为圆曲线时,应将车速控制在50 km/h以下;车辆在5级风以上的积雪或结冰路面,路段线形为直线时,安全限速值为60 km/h;当路段为圆曲线时,应将车速控制在30 km/h以下.研究结果对恶劣天气下安全驾驶和道路限速提供一定参考,并提供风雨雪作用下车辆安全行驶临界车速的计算方法.     

汽车主动安全关键参数联合估计方法

针对汽车主动安全系统的需求, 提出了一种包括纵向、侧向车速与附着系数的汽车主动安全参数的联合估计方法。基于3自由度车辆动力学模型和刷子轮胎模型, 建立不同道路附着系数条件下的扩展卡尔曼滤波模型, 利用交互多模型算法实现纵向、侧向车速的自适应估计, 并根据计算出的各模型概率实现道路附着系数的实时估计。计算结果表明: 该方法能在不同道路附着系数条件下进行车速的准确估计, 纵向车速估计误差小于1%, 侧向车速估计误差小于5%, 与扩展卡尔曼方法相比误差减小了50%以上, 且能够实时给出道路附着系数估计值, 估计误差小于0.1, 对路面突变的响应时间低于2s。     

考虑多维动态特征交互的高速公路实时事故风险建模

为探究天气和道路等特征,以及交通流、天气、道路及时间等多维动态特征之间的交互作用对实时事故风险预测模型精度的影响,本文基于京哈高速公路北京段的事故数据,以及匹配的交通传感器数据、天气数据和道路特征等,构建4个数据集,分别为只包含交通流变量,包含交通流变量、天气及时间特征变量,包含交通流变量、道路及时间特征变量,包含交通流变量、天气、道路及时间特征变量。从考虑多维动态特征的交互效应出发,基于深度交叉网络,提出一种新的实时事故风险预测模型。结果显示,本文所构建的深度交叉网络模型比其他几种实时事故风险预 测方法显示出更高的精度。模型的AUC值(Area Under Curve)可达0.8562,在0.2的概率阈值下, 可以正确分类84.26%的非事故数据和77.55%事故数据。结论表明,本文采用的多维动态特征交互样本条件下的深度交叉网络模型能够有效地预测高速公路交通事故,可为我国高速公路安全管理部门提供理论与技术支持。     

基于行驶稳定性的山区公路弯道最小半径优化

做好山区公路弯道最小半径指标设计是提升山区公路安全性的重要举措.通过对车辆弯道行驶动力学分析,以事故临界状态为限制建立安全模型,讨论了在不同设计车速下,弯道圆曲线最小半径与超高、横向附着系数等参数的关系,通过Carsim仿真软件验证了安全模型的正确性.理论分析及仿真结果表明,弯道设计应重点考虑避免车辆发生横向侧滑失稳,弯道最小半径与超高、横向附着系数值成反比,与车速呈正比,并与车型参数无关,进而提出山区公路弯道最小半径指标优化建议.在实际设计应用中,还应根据预测弯道最大运行车速值和横向附着系数值对最小半径指标进行校核.     

公路客车横向加速度实验研究

为提供不同类型公路几何线形参数的计算依据,在12条不同地形环境、不同等级的公路上采集了小客车和大客车的横向加速度、行驶速度和轨迹曲率半径数据,评估了试验公路的行驶舒适性,给出了六车道、四车道、双车道3类公路的横向加速度特征分位值,针对不同公路类型和车型,建立了横向加速度-曲率半径和横向加速度-速度的均值模型、极限值模型和85分位值模型.研究结果表明:（1）车道数越少,行驶舒适性越差,设计速度低于30 km/h的双车道公路部分路段的行驶舒适性极差;（2）横向加速度累计频率曲线的拐点在第90~92分位,双车道公路的横向加速度最大值大于8 m/s2;（3）行驶轨迹越缓和、车道数越多,横向加速度分布越集中,且大客车的横向加速度分布要比小客车集中;（4）第85分位值模型可用于公路几何参数的最大值与最小值控制,均值模型可用于几何参数的一般值控制.      

不同能见度条件下高速公路车辆速度特性研究

本文以京港澳高速公路湖北省内金山-武汉南路段内的交通流检测器及其附近设置于路侧的公路气象站的历史数据为主要研究数据,针对雾天低能见度等天气因素,分析有无雾及不同能见度条件对车辆速度均值及速度离散型的影响;研究在雾天条件下,不同车道位置、不同车辆类型、不同时间时段的车辆行驶速度的差异性;基于交通流Greenshield 经典V-K关系,采用非线性回归方法,建立雾天车辆平均行驶速度综合预测模型,模型的拟合优度达到80%.研究成果对研究公路沿线能见度因素对行车安全影响,分析雾天等低能见度条件下的公路通行能力,制定雾天等低能见度条件下可变速度控制等交通控制措施具有重要参考与借鉴意义.     

九自由度乘坐动力学模型的人体振动特性仿真

为高效预测动态环境下人-车系统的人体振动响应特性及汽车乘坐舒适性, 依据人-车-路系统间的相互作用和多体动力学原理, 建立了9自由度汽车乘坐动力学模型, 应用拉格朗日原理推导了乘坐动力学方程。基于路面不平度激励及汽车行驶速度变化, 构建了路面随机激励的时域模型。利用MATLAB/Simulink仿真工具, 建立了人-车-路系统仿真模型, 并对某轻型车辆在不同路面、不同车速下的人体振动响应进行了仿真分析。仿真结果表明: 在同样车速下, 随着路面等级的降低, 人体各部位的加速度响应幅值明显增大; 当车辆行驶在随机路面上时, 路面不平度随机激励引起的人体振动能量主要集中在低频段, 约在5 Hz出现第1阶共振频率, 大约在10 Hz出现第2阶峰值, 这与众多试验结果一致。可见, 9自由度汽车乘坐动力学模型及其仿真模型, 不仅能快速计算动态激励下人体的振动特性和乘坐舒适性, 而且具有较好的可信度。     

道路事故多发路段动力学仿真识别系统

为了从车-路耦合角度客观、直接地识别道路事故多发路段, 开发了事故多发路段动力学仿真识别系统, 建立了车辆模型、道路模型与车-路耦合模型, 提出了事故多发路段识别方法, 通过小附着系数路面动力学仿真试验和弯道制动动力学仿真试验进行验证。采用闭环控制方法控制汽车的运行状态, 依据道路的特性, 选择表征车辆行驶安全性的特征参数, 通过特征参数曲线识别事故多发路段。仿真结果表明: 在主要考虑道路因素导致事故多发时, 所识别出的事故多发路段与依据交警部门事故统计信息所识别出的事故多发路段一致, 因此, 此系统可行。     

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针对目前我国寒冷地区冬季冰雪天气条件下道路交通安全管理被动、消极，部门间协调性差，紧急救援效率低的局面，对比分析了国内外寒冷地区冰雪天气条件下的道路交通安全特征，通过总结国内外冰雪天气条件下的道路交通安全处理策略，得出了三类有效降低冰雪天气对道路交通安全影响的管理措施——信息提供、交通控制、冰雪处理，并从道路维护管理者、紧急事件管理者、道路交通管理者和道路交通参与者四个方面就三种管理措施所能取得的安全效果进行了分析，期望能对我国寒冷地区的冰雪道路交通安全管理有所帮助。