半掛列車轉(zhuǎn)彎盲區(qū)預(yù)警裝置設(shè)計(jì)

汪博海　康小鵬　 譚陽

摘 要：本文針對(duì)半掛列車轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了研究，建立了半掛列車簡化模型。通過該模型推導(dǎo)計(jì)算出穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎工況內(nèi)輪差公式，設(shè)計(jì)了可為行人展示的動(dòng)態(tài)內(nèi)輪差區(qū)域投影裝置。裝置安裝在左右后視鏡下方，依靠車輪轉(zhuǎn)角控制舵機(jī)進(jìn)行角度調(diào)整。實(shí)現(xiàn)了半掛列車內(nèi)輪差的主動(dòng)預(yù)警，直觀的展示汽車轉(zhuǎn)彎危險(xiǎn)區(qū)域，強(qiáng)化裝置對(duì)行人的警示作用。

關(guān)鍵詞：內(nèi)輪差 區(qū)域預(yù)警 半掛列車

1 前言

隨著中國工業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)貨車的保有量迅速增加。由于半掛列車的結(jié)構(gòu)特殊性，其內(nèi)輪差相較于城市常見的廂式貨車更大，在半掛列車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)因?yàn)樾腥藢?duì)此類車型的內(nèi)輪差認(rèn)識(shí)不足很容易造成交通事故。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)顯示，在涉及大型車輛發(fā)生的惡性交通事故中，內(nèi)輪差和盲區(qū)引發(fā)的事故占70%以上，死亡率超過90%[1]。現(xiàn)階段針對(duì)該類問題的解決方案主要有兩類，一類是以靜態(tài)視覺提醒，如在車側(cè)貼上提醒標(biāo)語，在地面標(biāo)識(shí)出右轉(zhuǎn)彎區(qū)域等，但大多數(shù)時(shí)候提醒效果不佳;另一類是聲音信號(hào)提醒，如在轉(zhuǎn)彎時(shí)通過外置喇叭發(fā)出提示音，但常常會(huì)被嘈雜的環(huán)境音所掩蓋，預(yù)警效果不直觀且受環(huán)境因素影響較大。針對(duì)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(biāo)識(shí)危險(xiǎn)區(qū)域的方案，可以實(shí)時(shí)地將車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的內(nèi)輪差覆蓋區(qū)域直觀地投影在地面。

2 車輛模型建立

由于在計(jì)算時(shí)，考慮轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角不一情況對(duì)內(nèi)輪差大小影響不大，同時(shí)為考慮簡化幾何關(guān)系推導(dǎo)。本文假設(shè)半掛列車被看做牽引車和掛車兩個(gè)剛體互相通過牽引銷連接。車輪轉(zhuǎn)角大小近似于車軸中心運(yùn)動(dòng)方向與車身間夾角，牽引銷可看作掛車的轉(zhuǎn)向輪車軸中心點(diǎn)。從而構(gòu)成一個(gè)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(zhuǎn)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(wěn)態(tài)工況下內(nèi)輪差計(jì)算

根據(jù)上述建立的模型，在前輪轉(zhuǎn)角保持不變的情況下，根據(jù)幾何關(guān)系牽引車中軸線和半掛車中軸線的夾角β會(huì)持續(xù)增大直至一個(gè)定值。在此過程中，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)輪與掛車中軸線的垂直距離會(huì)持續(xù)增大，到定值時(shí)距離最大。所以在進(jìn)彎過程中，內(nèi)輪差始終小于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎的內(nèi)輪差，出彎工況也是同理，因此進(jìn)出彎工況可以不考慮單獨(dú)進(jìn)行預(yù)警。

根據(jù)這一結(jié)論，同時(shí)考慮到裝置提醒時(shí)可以適當(dāng)增加一些安全余量，裝置設(shè)計(jì)便基于半掛列車在穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎情況下計(jì)算出其內(nèi)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(shí)，前輪轉(zhuǎn)角α作為輸入變量。

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

4 燈光預(yù)警裝置方案設(shè)計(jì)

考慮到預(yù)警裝置需易于安裝和普及的目標(biāo)，從設(shè)計(jì)上需要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性和系統(tǒng)的通用性，從產(chǎn)業(yè)化和推廣的角度來看，成本也需要重點(diǎn)考慮。為了保證裝置在盡可能多的環(huán)境下提供預(yù)警作用，還需要對(duì)預(yù)警裝置的燈光類型和顏色進(jìn)行篩選。

4.1 燈光控制裝置設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)激光燈投影區(qū)域隨車輛轉(zhuǎn)彎過程實(shí)時(shí)變化，需要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)激光燈偏轉(zhuǎn)角度的控制裝置，通過采集車輛的轉(zhuǎn)角信號(hào)，計(jì)算出投影區(qū)域，進(jìn)而計(jì)算控制裝置的偏轉(zhuǎn)角度。

圖2為半掛列車行駛工況為右轉(zhuǎn)彎、前輪轉(zhuǎn)角為α?xí)r的俯視圖，S1、S2分別為車輛前進(jìn)時(shí)牽引車前輪、掛車后輪預(yù)期軌跡，若保持前輪轉(zhuǎn)角不變，此時(shí)車輛的內(nèi)輪差覆蓋區(qū)域?yàn)镾1與S2圍成的黃色環(huán)扇形區(qū)域。K1、K2分別為車輛右轉(zhuǎn)彎前進(jìn)時(shí)的預(yù)警光線（如圖中藍(lán)色實(shí)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(gè)點(diǎn)，為了能夠控制K1和K2兩條光線可以獨(dú)立調(diào)整角度，所以每個(gè)點(diǎn)位都安裝兩個(gè)激光燈。點(diǎn)Ⅰ位于牽引車左后視鏡，其中包括1、2兩個(gè)激光燈（激光燈1照射方向朝前，激光燈2朝后）。點(diǎn)Ⅱ位于牽引車右后視鏡，其中包括3、4兩個(gè)激光燈（激光燈3照射方向朝前，激光燈4朝后），每個(gè)激光燈都由一個(gè)舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

照射K1光線的激光燈的轉(zhuǎn)動(dòng)是和前輪轉(zhuǎn)角大小一致。照射K2光線的激光燈控制與∠AOB有關(guān)，根據(jù)幾何關(guān)系

設(shè)掛車后輪路徑S2與理論中牽引車前輪轉(zhuǎn)彎半徑R1的交點(diǎn)為E，從E點(diǎn)出發(fā)做牽引車后輪轉(zhuǎn)彎半徑R2的垂線，交點(diǎn)為F。

假設(shè)舵機(jī)安裝高度為h，距離車輪中心的橫向距離a，舵機(jī)擺動(dòng)角度為θ，則

根據(jù)上述公式舵機(jī)可以通過α的變化控制θ的大小，進(jìn)而控制光線K2距車身的距離。

4.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的整體控制方案如圖3所示，裝置供電采用車輛供電系統(tǒng)，控制系統(tǒng)計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)來源從ECU的RAM中獲取，為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角信號(hào)和車速信號(hào)。根據(jù)公式（5）計(jì)算，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)向角為5°時(shí)，內(nèi)輪差的大小為1.34m，危險(xiǎn)性不大。根據(jù)調(diào)查，大型車轉(zhuǎn)彎平均時(shí)速約15km/h[3]，所以本文設(shè)置該裝置的觸發(fā)條件為：當(dāng)汽車車速小于20km/h，且轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角大于5°。燈光的安裝位置在左右后視鏡下方，每個(gè)安裝位有兩個(gè)激光燈，一個(gè)向車頭前方照射，一個(gè)向車尾方向照射。以右轉(zhuǎn)彎為例，舵機(jī)收到來自控制器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度命令，同時(shí)激光燈開啟，照向前后兩個(gè)方向，其中舵機(jī)的角度是隨著轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角變化而實(shí)時(shí)變化，其偏轉(zhuǎn)角度按照公式（12）計(jì)算得到。當(dāng)轉(zhuǎn)彎過程結(jié)束后，舵機(jī)歸位激光燈關(guān)閉。

5 結(jié)論

本文針對(duì)半掛列車轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)輪差過大、行人認(rèn)識(shí)不足等原因所導(dǎo)致的交通事故率較高的情況，基于半掛列車低速、大角度轉(zhuǎn)彎工況推導(dǎo)出了穩(wěn)態(tài)工況下內(nèi)輪差的實(shí)時(shí)計(jì)算公式，并對(duì)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了分析。提出了一種基于可視化的實(shí)時(shí)預(yù)警方案，并設(shè)計(jì)了一種激光燈的控制系統(tǒng)。該方案可以將車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的內(nèi)輪差覆蓋區(qū)域通過投影到地面的激光線組實(shí)時(shí)顯示，清晰直觀，可以有效提醒行人或非機(jī)動(dòng)車輛，結(jié)合聲音提醒裝置共同使用效果更好。

四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（CDU_CX_2021540）資助。

參考文獻(xiàn)：

[1]青島網(wǎng)警巡查執(zhí)法. 內(nèi)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(zhuǎn)彎車速影響因素研究[J]. 交通工程，2021-6.3D93F9FF-CB7F-4403-A174-389DD4494CF1