半掛列車轉彎盲區預警裝置設計

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摘 要：本文針對半掛列車轉彎產生的內輪差危險區域進行了研究，建立了半掛列車簡化模型。通過該模型推導計算出穩態轉彎工況內輪差公式，設計了可為行人展示的動態內輪差區域投影裝置。裝置安裝在左右后視鏡下方，依靠車輪轉角控制舵機進行角度調整。實現了半掛列車內輪差的主動預警，直觀的展示汽車轉彎危險區域，強化裝置對行人的警示作用。

關鍵詞：內輪差 區域預警 半掛列車

1 前言

隨著中國工業的迅速發展，國內貨車的保有量迅速增加。由于半掛列車的結構特殊性，其內輪差相較于城市常見的廂式貨車更大，在半掛列車轉彎行駛時因為行人對此類車型的內輪差認識不足很容易造成交通事故。據有關部門統計顯示，在涉及大型車輛發生的惡性交通事故中，內輪差和盲區引發的事故占70%以上，死亡率超過90%[1]。現階段針對該類問題的解決方案主要有兩類，一類是以靜態視覺提醒，如在車側貼上提醒標語，在地面標識出右轉彎區域等，但大多數時候提醒效果不佳;另一類是聲音信號提醒，如在轉彎時通過外置喇叭發出提示音，但常常會被嘈雜的環境音所掩蓋，預警效果不直觀且受環境因素影響較大。針對上述方案存在的問題，本文提出了一種基于光線投影的原理來標識危險區域的方案，可以實時地將車輛轉彎時的內輪差覆蓋區域直觀地投影在地面。

2 車輛模型建立

由于在計算時，考慮轉向輪轉角不一情況對內輪差大小影響不大，同時為考慮簡化幾何關系推導。本文假設半掛列車被看做牽引車和掛車兩個剛體互相通過牽引銷連接。車輪轉角大小近似于車軸中心運動方向與車身間夾角，牽引銷可看作掛車的轉向輪車軸中心點。從而構成一個類似于兩自行車連接模型[2]。

簡化后的車輛模型如圖1所示。其中，L1為牽引車軸距，L2為掛車軸距，l為牽引銷與牽引車后軸距離，α為前輪轉角大小，β為掛車和牽引車中線夾角，b1為牽引車后軸中心距一邊輪胎中心的長度，b2是掛車后軸中心距一邊輪胎中心的長度。

3 穩態工況下內輪差計算

根據上述建立的模型，在前輪轉角保持不變的情況下，根據幾何關系牽引車中軸線和半掛車中軸線的夾角β會持續增大直至一個定值。在此過程中，轉向內側輪與掛車中軸線的垂直距離會持續增大，到定值時距離最大。所以在進彎過程中，內輪差始終小于穩態轉彎的內輪差，出彎工況也是同理，因此進出彎工況可以不考慮單獨進行預警。

根據這一結論，同時考慮到裝置提醒時可以適當增加一些安全余量，裝置設計便基于半掛列車在穩定轉彎情況下計算出其內輪差。在掛車軸距L2、牽引車軸距L1和牽引銷距牽引車后軸距離l都已知時，前輪轉角α作為輸入變量。

如圖1，內輪差m是指牽引車轉向輪轉向半徑R1和掛車后輪轉向半徑R3之差。Rx和R2分別指牽引銷轉向半徑和牽引車后輪轉向半徑。

4 燈光預警裝置方案設計

考慮到預警裝置需易于安裝和普及的目標，從設計上需要考慮結構的緊湊性和系統的通用性，從產業化和推廣的角度來看，成本也需要重點考慮。為了保證裝置在盡可能多的環境下提供預警作用，還需要對預警裝置的燈光類型和顏色進行篩選。

4.1 燈光控制裝置設計

要實現激光燈投影區域隨車輛轉彎過程實時變化，需要設計一種能夠實時調節激光燈偏轉角度的控制裝置，通過采集車輛的轉角信號，計算出投影區域，進而計算控制裝置的偏轉角度。

圖2為半掛列車行駛工況為右轉彎、前輪轉角為α時的俯視圖，S1、S2分別為車輛前進時牽引車前輪、掛車后輪預期軌跡，若保持前輪轉角不變，此時車輛的內輪差覆蓋區域為S1與S2圍成的黃色環扇形區域。K1、K2分別為車輛右轉彎前進時的預警光線（如圖中藍色實線）。裝置激光燈安裝位置為位于左、右后視鏡下方的Ⅰ、Ⅱ共兩個點，為了能夠控制K1和K2兩條光線可以獨立調整角度，所以每個點位都安裝兩個激光燈。點Ⅰ位于牽引車左后視鏡，其中包括1、2兩個激光燈（激光燈1照射方向朝前，激光燈2朝后）。點Ⅱ位于牽引車右后視鏡，其中包括3、4兩個激光燈（激光燈3照射方向朝前，激光燈4朝后），每個激光燈都由一個舵機進行驅動。

照射K1光線的激光燈的轉動是和前輪轉角大小一致。照射K2光線的激光燈控制與∠AOB有關，根據幾何關系

設掛車后輪路徑S2與理論中牽引車前輪轉彎半徑R1的交點為E，從E點出發做牽引車后輪轉彎半徑R2的垂線，交點為F。

假設舵機安裝高度為h，距離車輪中心的橫向距離a，舵機擺動角度為θ，則

根據上述公式舵機可以通過α的變化控制θ的大小，進而控制光線K2距車身的距離。

4.2 控制系統總體設計

控制系統的整體控制方案如圖3所示，裝置供電采用車輛供電系統，控制系統計算所需要的數據來源從ECU的RAM中獲取，為轉向輪轉角信號和車速信號。根據公式（5）計算，當車輪轉向角為5°時，內輪差的大小為1.34m，危險性不大。根據調查，大型車轉彎平均時速約15km/h[3]，所以本文設置該裝置的觸發條件為：當汽車車速小于20km/h，且轉向輪轉角大于5°。燈光的安裝位置在左右后視鏡下方，每個安裝位有兩個激光燈，一個向車頭前方照射，一個向車尾方向照射。以右轉彎為例，舵機收到來自控制器的轉動角度命令，同時激光燈開啟，照向前后兩個方向，其中舵機的角度是隨著轉向輪的轉角變化而實時變化，其偏轉角度按照公式（12）計算得到。當轉彎過程結束后，舵機歸位激光燈關閉。

5 結論

本文針對半掛列車轉彎時內輪差過大、行人認識不足等原因所導致的交通事故率較高的情況，基于半掛列車低速、大角度轉彎工況推導出了穩態工況下內輪差的實時計算公式，并對車輛轉彎時的危險區域進行了分析。提出了一種基于可視化的實時預警方案，并設計了一種激光燈的控制系統。該方案可以將車輛轉彎時的內輪差覆蓋區域通過投影到地面的激光線組實時顯示，清晰直觀，可以有效提醒行人或非機動車輛，結合聲音提醒裝置共同使用效果更好。

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參考文獻：

[1]青島網警巡查執法. 內輪差！大貨車的“死亡彎月”[EB/OL]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1683689037262036925&wfr=spider&for=pc， 2020-11-18.

[2]MICHAEL W，SAYERS. Vehicle off tracking models[J]. Transportation Research Record 1052.

[3]江劍英. 城市道路交叉口右轉彎車速影響因素研究[J]. 交通工程，2021-6.3D93F9FF-CB7F-4403-A174-389DD4494CF1