本公開涉及測試技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù):
車輛的安全性問題一直受到廣泛關(guān)注。特別是工程車輛,其作為一種現(xiàn)代化的施工機(jī)械廣泛地應(yīng)用在農(nóng)林水利、能源開采、礦山挖掘開采、礦山挖掘和貨物運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。但是由于工程車輛經(jīng)常處于較為惡劣的工作場所,再加上操作人員有時(shí)的操作錯(cuò)誤,因此工程車輛安全性問題成為其主要問題之一,也嚴(yán)重影響到操作人員的生命安全。
車輛穩(wěn)定性分析以及防傾翻預(yù)警屬于防傾翻系統(tǒng)的首要基礎(chǔ),車輛傾翻穩(wěn)定性和機(jī)理的研究是否透徹、深入臨界狀態(tài)判斷準(zhǔn)確,直接影響到主動(dòng)防傾翻系統(tǒng)能否起實(shí)際作用。因此,車輛的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)的研究,有著重要的意義。由于影響車輛穩(wěn)定性的因素很多,尤其是工程車輛,影響穩(wěn)定性的因素更為復(fù)雜,傳統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法準(zhǔn)確度低且通用性差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
有鑒于此,本公開提供了一種車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)和方法,能夠提高失穩(wěn)預(yù)警的準(zhǔn)確性和通用性。
根據(jù)本公開的第一方面,提供了一種車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng),包括:檢測模塊,用于檢測車輛的狀態(tài)參數(shù)并提供表示所述狀態(tài)參數(shù)的檢測信號;數(shù)據(jù)采集模塊,用于對來自檢測模塊的檢測信號進(jìn)行濾波處理以得到檢測數(shù)據(jù);預(yù)警模,用于基于檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來判斷是否存在翻車危險(xiǎn),如果是,則發(fā)出預(yù)警,其中所述代理函數(shù)是預(yù)先基于檢測數(shù)據(jù)通過克里金算法擬合的。
優(yōu)選地,所述車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)還包括代理函數(shù)擬合模塊,所述代理函數(shù)擬合模塊用于:根據(jù)克里金算法建立響應(yīng)函數(shù)模型y(x)=f(x)β+z(x),其中f(x)為關(guān)于x的多項(xiàng)式并且f(x)=[f1(x),…,fm(x)]t,β為回歸系數(shù)向量并且β=[β1,...,βm]t,m為回歸模型基函數(shù)的個(gè)數(shù),z(x)表示均值為零而方差不為零的隨機(jī)誤差函數(shù),z(x)的協(xié)方差矩陣為cov(xi,xj)=σ2r(θk,xi,xj),其中
優(yōu)選地,所述檢測模塊包括以下之中的一個(gè)或多個(gè):角度傳感器,用于測量車輛的轉(zhuǎn)向角度;速度傳感器,用于測量車輛行駛速度;壓力傳感器,用于測量車輛的鏟斗內(nèi)所裝物料重量;慣性測量單元,用于測量車輛的后車體的航向角、橫向加速度、橫擺角速度以及縱向加速度。
優(yōu)選地,所述數(shù)據(jù)采集模塊包括:數(shù)據(jù)采集卡,用于對來自檢測模塊的檢測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;模數(shù)轉(zhuǎn)換器,用于對來自數(shù)據(jù)采集卡的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以提供檢測數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地,所述的預(yù)警模塊包括:提示單元,用于發(fā)出翻車預(yù)警,所述翻車預(yù)警包括視頻提示、音頻提示、振動(dòng)提示中的至少一種;計(jì)算單元,用于存儲(chǔ)代理函數(shù),并基于數(shù)據(jù)采集模塊的檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來預(yù)測橫向載荷轉(zhuǎn)移率,如果預(yù)測的橫向載荷轉(zhuǎn)移率達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值,則控制提示單元發(fā)出翻車預(yù)警。
根據(jù)本公開的另一方面,提供了一種車輛失穩(wěn)預(yù)警方法,包括:檢測車輛的狀態(tài)參數(shù)并提供表示所述狀態(tài)參數(shù)的檢測信號;對檢測信號進(jìn)行濾波處理以得到檢測數(shù)據(jù);基于檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來判斷是否存在翻車危險(xiǎn),如果是,則發(fā)出預(yù)警,其中所述代理函數(shù)是預(yù)先基于檢測數(shù)據(jù)通過克里金算法擬合的。
優(yōu)選地,通過以下操作來擬合代理函數(shù):根據(jù)克里金算法建立響應(yīng)函數(shù)模型y(x)=f(x)β+z(x),其中f(x)為關(guān)于x的多項(xiàng)式并且f(x)=[f1(x),…,fm(x)]t,β為回歸系數(shù)向量并且β=[β1,...,βm]t,m為回歸模型基函數(shù)的個(gè)數(shù),z(x)表示均值為零而方差不為零的隨機(jī)誤差函數(shù),z(x)的協(xié)方差矩陣為cov(xi,xj)=σ2r(θk,xi,xj),其中
優(yōu)選地,所述檢測檢測車輛的狀態(tài)參數(shù)包括以下之中的一個(gè)或多個(gè):利用角度傳感器測量車輛的轉(zhuǎn)向角度;利用速度傳感器測量車輛行駛速度;利用壓力傳感器測量車輛的鏟斗內(nèi)所裝物料重量;利用慣性測量單元測量車輛的后車體的航向角、橫向加速度、橫擺角速度以及縱向加速度。
優(yōu)選地,所述濾波處理包括數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換。
優(yōu)選地,所述基于檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來判斷是否存在翻車危險(xiǎn)包括:基于檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來預(yù)測橫向載荷轉(zhuǎn)移率,如果預(yù)測的橫向載荷轉(zhuǎn)移率達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值,則判定存在翻車危險(xiǎn)。
優(yōu)選地,所述基于檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來判斷是否存在翻車危險(xiǎn)包括:基于檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來預(yù)測橫向載荷轉(zhuǎn)移率,當(dāng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率為-1或1時(shí),判定存在翻車危險(xiǎn),當(dāng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率為0時(shí),判定不存在翻車危險(xiǎn)。
附圖說明
為了更清楚地說明本公開實(shí)施例的技術(shù)方案,下面將對實(shí)施例的附圖作簡單介紹,顯而易見地,下面的描述中的附圖僅涉及本公開的一些實(shí)施例,而非對本公開的限制。
圖1示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)的檢測模塊安裝位置的示意圖。
圖3示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的車輛失穩(wěn)預(yù)警方法的示意流程圖。
具體實(shí)施方式
為使本公開實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面將結(jié)合本公開實(shí)施例的附圖,對本公開實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。顯然所描述的實(shí)施例是本公開的一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;谒枋龅谋竟_的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無需創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本公開保護(hù)的范圍。
本公開提供了一種車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)和方法,通過基于克里金(kriging)算法的代理函數(shù)的運(yùn)用,有效的建立車輛的狀態(tài)參數(shù)與車身穩(wěn)定性的函數(shù)關(guān)系,從而更準(zhǔn)確的進(jìn)行翻車預(yù)警。
圖1示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。本公開的實(shí)施例中,車輛可以是任何需要失穩(wěn)預(yù)警的車輛,特別是工程車輛,例如但不限于裝載機(jī)、挖掘機(jī)、起重機(jī)等等。如圖1所示,車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)包括檢測模塊10、數(shù)據(jù)采集模塊20和預(yù)警模塊30。在一些實(shí)施例中,車輛失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)還可以包括代理代理函數(shù)擬合模塊40。
檢測模塊10用于檢測車輛的狀態(tài)參數(shù)并提供表示所述狀態(tài)參數(shù)的檢測信號。在圖1所示的實(shí)施例中,檢測模塊10包括角度傳感器1、速度傳感器2、壓力傳感器3和慣性測量單元4,它們可以根據(jù)需要安裝在車輛的相應(yīng)位置上以提供檢測信號。角度傳感器1用于測量車輛的轉(zhuǎn)向角度;速度傳感器2用于測量車輛行駛速度;壓力傳感器3用于測量車輛的鏟斗內(nèi)所裝物料重量;慣性測量單元4用于測量車輛的后車體的航向角、橫向加速度、橫擺角速度以及縱向加速度。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)清楚,本公開的實(shí)施例不限于此,檢測模塊10可以根據(jù)需要而包括角度傳感器1、速度傳感器2、壓力傳感器3和慣性測量單元4中的任何一個(gè)或多個(gè),當(dāng)然也可以包括其他類型的感測部件以感測車輛的各種狀態(tài)參數(shù)。圖2示出了檢測模塊10在車輛上的安裝位置的示例。如圖2所示,車輛為鉸接式裝載機(jī),角度傳感器1安裝在車體前側(cè)和后側(cè),速度傳感器2安裝在車輪上,壓力傳感器3安裝在鏟斗上,慣性測量單元4可以安裝在車體上的任何位置,優(yōu)選地安裝在駕駛室下方。當(dāng)然本公開的實(shí)施例不限于此,各個(gè)感應(yīng)部件可以根據(jù)需要安裝在任何其他合適的位置。
返回參考圖1,數(shù)據(jù)采集模塊20用于對來自檢測模塊的檢測信號進(jìn)行濾波處理以得到檢測數(shù)據(jù)。在圖1所示的實(shí)施例中,數(shù)據(jù)采集模塊20包括數(shù)據(jù)采集卡5和模數(shù)轉(zhuǎn)換器6。數(shù)據(jù)采集卡5用于對來自檢測模塊10的各種檢測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。模數(shù)轉(zhuǎn)換器6用于對來自數(shù)據(jù)采集卡5的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以提供檢測數(shù)據(jù)。優(yōu)選地,數(shù)據(jù)采集模塊20還可以包括顯示器(圖中未示出)和外殼(圖中未示出),顯示器可以顯示與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的信息,外殼起到保護(hù)作用。
預(yù)警模塊30用于基于檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來判斷是否存在翻車危險(xiǎn),如果是,則發(fā)出預(yù)警,其中所述代理函數(shù)是預(yù)先基于檢測數(shù)據(jù)通過克里金算法擬合的。在圖1所示的實(shí)施例中,預(yù)警模塊30包括計(jì)算單元7和提示單元8。計(jì)算單元7可以由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn),其用存儲(chǔ)代理函數(shù),并基于數(shù)據(jù)采集模塊20的檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來預(yù)測橫向載荷轉(zhuǎn)移率,如果預(yù)測的橫向載荷轉(zhuǎn)移率達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值,則控制提示單元8發(fā)出翻車預(yù)警。例如,可以當(dāng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率為-1或1時(shí),判定存在翻車危險(xiǎn),從而控制提示單元8發(fā)出翻車預(yù)警;當(dāng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率為0時(shí),判定不存在翻車危險(xiǎn),從而根據(jù)新接收到的檢測數(shù)據(jù)來繼續(xù)進(jìn)行預(yù)測。提示單元8可以發(fā)出翻車預(yù)警,預(yù)警方式包括但不限于視頻提示、音頻提示、振動(dòng)提示等等。作為示例,提示單元8可以包括安裝在車輛駕駛室內(nèi)的報(bào)警器,其可以振動(dòng)和/或發(fā)出警報(bào)音。作為另一示例,提示單元8可以包括安裝在駕駛室內(nèi)的顯示屏,其可以顯示預(yù)警畫面。作為又一示例,提示單元8可以具有通信功能,可以向用戶攜帶的電子設(shè)備發(fā)出信號以使電子設(shè)備發(fā)出音頻、視頻或振動(dòng)提示等等。
代理函數(shù)擬合模塊40用于根據(jù)克里金算法建立響應(yīng)函數(shù)模型y(x)=f(x)β+z(x)并使用已獲得的檢測數(shù)據(jù)根據(jù)所述響應(yīng)函數(shù)模型來計(jì)算z(x)的協(xié)方差矩陣cov(xi,xj)=σ2r(θk,xi,xj)的相關(guān)性系數(shù)θ。代理函數(shù)擬合模塊40可以與計(jì)算單元7一起由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),當(dāng)然也可以由單獨(dú)的計(jì)算設(shè)備來實(shí)現(xiàn),或者甚至于也可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集模塊20中。擬合的代理函數(shù)可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中,以便用于橫向載荷轉(zhuǎn)移率的預(yù)測,從而進(jìn)行失穩(wěn)判斷。
下面詳細(xì)描述代理函數(shù)的擬合方法。
kriging算法作為半?yún)?shù)化插值方法,其模型包含多項(xiàng)式和隨機(jī)部分:
y(x)=ft(x)β+z(x)(1)
其中f(x)=[f1(x),...,fm(x)]t,β=[β1,...,βm]t,m是回歸模型基函數(shù)的個(gè)數(shù)。x表示檢測數(shù)據(jù)的樣本,y(x)表示待測響應(yīng)值,f(x)是關(guān)于x的多項(xiàng)式,提供模擬的全局近似,通常情況下,f(x)可以取常數(shù)而不影響模擬的準(zhǔn)確度,即f(x)對模擬準(zhǔn)確度不起決定作用。β是回歸系數(shù)向量,并且z(x)是均值為零而方差不為零的隨機(jī)誤差函數(shù),即:
e[z(x)]=0(2)
var[z(x)]=σz2(3)
提供模擬的局部誤差近似,然而z(x)不獨(dú)立而且同分布,即協(xié)方差不為零,其協(xié)方差矩陣為:
cov(xi,xj)=σ2r(xi,xj),i,j=1...n(4)
其中,xi表示第i個(gè)樣本點(diǎn),xj表示第j個(gè)樣本點(diǎn),n為樣本點(diǎn)數(shù),r()為相關(guān)方程,σ2為過程方差。
在kriging代理模型中,隨機(jī)誤差函數(shù)不是獨(dú)立的,而且相關(guān)聯(lián)的。其相關(guān)函數(shù)r(xi,xj)對模擬的精確程度起著決定作用。
n為已知樣本點(diǎn)數(shù)量,θk為相關(guān)性系數(shù),xik為xi的第k個(gè)分量,xjk為xj的第k個(gè)分量。
相關(guān)函數(shù)的形式有很多,常用的有以下幾種:
r(θk,xi,xj)=exp[-θk(xik-xjk)](6)
expg:r(θk,xi,xj)=exp[-θk(xik-xjk)δ],0<δ<2(7)
gauss:r(θk,xi,xj)=exp[-θk(xik-xjk)2](8)
lin:r(θk,xi,xj)=max{0,1-θk(xik-xjk)}(9)
spherical:r(θk,xi,xj)=1-1.5εk+0.5εk3,εk=min{1,θk(xik-xjk)}(10)
cubic:r(θk,xi,xj)=1-3εk+2εk3,εk=min{1,θk(xik-xjk)}(11)
當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)歐式距離很短時(shí),exp、lin和spherical常用來在線性對象的問題,gauss、cubic和sphine變現(xiàn)為拋物線,常用在連續(xù)可微的對象的問題。gauss相關(guān)函數(shù)的計(jì)算結(jié)果相對精確,因而被廣泛應(yīng)用。
在用kriging進(jìn)行模擬估計(jì)時(shí),相關(guān)函數(shù)對估計(jì)的精度起著決定性的作用,而相關(guān)函數(shù)的相關(guān)性系數(shù)θ是相關(guān)函數(shù)的核心。因此如何選取相關(guān)性系數(shù)成為代理函數(shù)擬合中的重要步驟。
通過對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行bucher設(shè)計(jì)、中心復(fù)合設(shè)計(jì)或者拉丁超立方取樣,可以產(chǎn)生一組隨機(jī)樣本點(diǎn)x={x1,x2,...xn},例如通過翻車實(shí)驗(yàn)測試獲得的相應(yīng)的響應(yīng)值y={y1(x),y2(x),...,yn(x)}。在式(9)的基礎(chǔ)上,給定任意一個(gè)待測點(diǎn)xd,其響應(yīng)值由已知樣本點(diǎn)的響應(yīng)值y估計(jì)得來:
預(yù)測的誤差為:
其中,f是由在樣本點(diǎn)處f(x)的估計(jì)值所組成的向量,即f=[f1,f2,…,fn]t,z=[z1,z2,…,zn]t。想要保證模擬的無偏性,需要誤差的均值為零,即
從而可以得到
ftω-f=0(16)
式(13)的預(yù)測的均方差為
由(3)、(4)式可知
σ2(xd)=σz2(1+ωtrω-2ωtγ)(18)
r(x)表示待測點(diǎn)集x與已知樣本點(diǎn)之間的相關(guān)性的矩陣,表示如下
r(x)={r(x,x1),...,r(x,xn)}(19)
這時(shí)候,可以通過下面方法求解預(yù)測方差系數(shù)ω:
其中find表示尋優(yōu)函數(shù),min表示最小值,s.t.表示尋優(yōu)限制條件。
引入拉格朗日(lagrangian)乘子
l(ω,λ)=σz2(1+ωtrω-2ωtγ)-λt(ftω-f)(21)
上式對ω求導(dǎo)得
lω'(ω,λ)=2σz2(rω-γ)-fλ(22)
令其得零,則
這樣,可以求出
將此結(jié)果帶入到式(13)和式(18)中得待測點(diǎn)xd的預(yù)測響應(yīng)值為
由以上的過程,便可估計(jì)出未知參數(shù)β和σ2:
r是在樣本點(diǎn)處r(xi,xj)的估計(jì)值所組成的相關(guān)方程矩陣,形式如下:
然而,在計(jì)算
根據(jù)求得的參數(shù),真實(shí)響應(yīng)值的最佳無偏預(yù)測值為
而向量
最后,通過求最大化問題,即可得到θ,即
在估算θ時(shí),可以首先基于
圖3示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的車輛失穩(wěn)預(yù)警方法的示意流程圖。
在步驟s301,基于克里金算法擬合代理函數(shù)。例如,可以根據(jù)以上描述的方式基于等式(1)至(33)進(jìn)行代理函數(shù)的擬合,在此不再贅述。代理函數(shù)擬合所使用的已知樣本可以是通過對預(yù)先獲得的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行例如布徹(bucher)設(shè)計(jì)、中心復(fù)合設(shè)計(jì)或者拉丁超立方取樣而獲得的,也可以是預(yù)設(shè)的樣本。
在步驟s302,檢測車輛的狀態(tài)參數(shù)并提供表示所述狀態(tài)參數(shù)的檢測信號。例如,可以利用角度傳感器測量車輛的轉(zhuǎn)向角度,利用速度傳感器測量車輛行駛速度,利用壓力傳感器測量車輛的鏟斗內(nèi)所裝物料重量,利用慣性測量單元測量車輛的后車體的航向角、橫向加速度、橫擺角速度以及縱向加速度等等。本公開的實(shí)施例不限于此,可以根據(jù)需要利用任何感測部件來感測任何所需的狀態(tài)參數(shù)。
在步驟s303,對檢測信號進(jìn)行濾波處理以得到檢測數(shù)據(jù)。例如可以對檢測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換,從而得到數(shù)字形式的檢測數(shù)據(jù)。在步驟s304,基于檢測數(shù)據(jù)根據(jù)代理函數(shù)來判斷是否存在翻車危險(xiǎn),如果是,則執(zhí)行步驟s305,否則返回步驟s304基于新的檢測數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行判斷。例如,可以將當(dāng)前獲得的檢測數(shù)據(jù)輸入代理函數(shù)中以預(yù)測橫向載荷轉(zhuǎn)移率,當(dāng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率為-1或1時(shí),判定存在翻車危險(xiǎn),當(dāng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率為0時(shí),判定不存在翻車危險(xiǎn)。
在步驟s305,發(fā)出預(yù)警,預(yù)警方式包括但不限于視頻提示、音頻提示、振動(dòng)提示中的任何一個(gè)或多個(gè)。例如可以利用安裝在車輛駕駛室內(nèi)的報(bào)警器發(fā)出振動(dòng)和警報(bào)音,利用安裝在駕駛室內(nèi)的顯示屏來顯示預(yù)警畫面,或者向用戶攜帶的電子設(shè)備發(fā)出信號以使電子設(shè)備發(fā)出音頻、視頻或振動(dòng)提示等等。
本發(fā)明可以對車輛的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行檢測,由于影響車身穩(wěn)定性的因素很多,且對于車身穩(wěn)定性沒有十分準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系可以表達(dá)出來,尤其是工程車輛,影響穩(wěn)定性的因素更為復(fù)雜,故采用克里金算法可以有效地構(gòu)建代理函數(shù),建立各影響因素與車身穩(wěn)定性的關(guān)系,預(yù)警準(zhǔn)確度高,并且適用于各種車輛的穩(wěn)定性預(yù)警分析,通用性強(qiáng),節(jié)省了專用設(shè)備的成本投入,且操作簡單。
以上所述僅為本公開的優(yōu)選實(shí)施例,并不用于限制本公開,對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言,本公開可以有各種改動(dòng)和變化。凡在本公開的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。