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汽車—司機(jī)系統(tǒng)的研究處理
M. Lin, A. A. Popov and S. McWilliam
劉夢華 譯
摘要：汽車—駕駛系統(tǒng)為汽車設(shè)計處理分析提供了堅實的基礎(chǔ)。這份文件旨在對有關(guān)汽車與司機(jī)互動中的司機(jī)操作和速度控制提供指導(dǎo)。通常的汽車—駕駛數(shù)學(xué)模型通過數(shù)字化的模擬演習(xí)來落實，并處理那些理典型特征。 隨著當(dāng)今汽車底盤廣泛采用了信息技術(shù)和電子系統(tǒng).。人的因素已構(gòu)成對車輛的模擬研究處理的新問題。這里所推薦的模型為研究有積極影響干預(yù)的底盤系統(tǒng)的汽車—駕駛系統(tǒng)提供了工具。
關(guān)鍵詞：司機(jī)-汽車系統(tǒng)、汽車動態(tài)、駕駛員的行為、 底盤提高系統(tǒng)
1 引言
近來，由于在車輛發(fā)展中越來越多地采用虛擬原型車，汽車在虛擬環(huán)境中設(shè)計處理也廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究與制造兩個領(lǐng)域。為了處理模擬汽車，開發(fā)者需要汽車動態(tài)模擬模型(VDSMS)。自從20世紀(jì)60年代以來，汽車動態(tài)模型的各種應(yīng)用已經(jīng)得到了開發(fā), 包括動態(tài)分析、交互式模擬駕駛、車輛檢驗等復(fù)雜的模型，按規(guī)定的程序解決特定問題。從整個動態(tài)模擬的過程中可以看出，車輛和司機(jī)是一個緊密結(jié)合的人工機(jī)械系統(tǒng)，汽車和司機(jī)的相互作用行為起著至關(guān)重要的作用。同時，出于人工機(jī)動性的考慮，汽車底盤提高系統(tǒng)被引入車輛，目標(biāo)是把環(huán)境對安全、穩(wěn)定、舒適的影響減至最低，不過，有人認(rèn)為，在某些情況下，這些提高底盤系統(tǒng)是弊多于利的。在[9]電子增強(qiáng)系統(tǒng)的上下文中明確的指出，評估汽車—駕駛系統(tǒng)的質(zhì)量包括不同的質(zhì)量問題和設(shè)計矛盾。這牽涉到司機(jī)的行車速度控制及其定向/督導(dǎo)管理，直到最近才獲得重視。由Palkovics and Fries [8]提供的對重型汽車底盤加強(qiáng)的詳細(xì)審查制度，包括諸如剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、牽引控制系統(tǒng)(TCS)，后橋督導(dǎo)制度和動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。因此建議把司機(jī)考慮到控制系統(tǒng)中。因為司機(jī)是組成系統(tǒng)必需的。為了使汽車易于控制, 可鼓勵司機(jī)駕駛接近到汽車的極限，因此影響了原定的安全性。
在以下的部分中將介紹一種基本的4-DOF（縱向，橫向，側(cè)傾，旋轉(zhuǎn)）汽車模型和駕駛控制模型。駕駛模型可以控制汽車前橫擺角的特定結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)驗性的感覺縱向加速誤差。在第4部分，將評論汽車—駕駛交互作用。這個仿真系統(tǒng)將在第5部分中用來分析包括在狹窄道路上的變向和在轉(zhuǎn)彎時的剎車制動操作。
2 車輛模型
汽車模型用一個4自由度的模型來描述[4]：縱向，橫向，側(cè)向，旋轉(zhuǎn)運動。如圖1所示，雖然懸架沒有包含在這個模型里，但模型中采用了簡化的描述，把車身旋轉(zhuǎn)假設(shè)成一個旋轉(zhuǎn)軸，該軸固定在車身前后輪軸的旋轉(zhuǎn)中心的頂點。模型參數(shù)在附錄中有說明。
圖 1 汽車模型
Fxf, Fxr, Fyf, Fyr和Fzf, Fzr 是汽車車軸參數(shù)分別表示橫向垂直受力，r表示橫擺率，p和?分別表示滾動率和側(cè)傾角。前后輪的側(cè)偏角和車輪外傾角和 可被定義為汽車運動變量術(shù)語。
當(dāng)汽車勻速行駛時縱向運動可以從運動方程式中消去。
非線性汽車模型的動力學(xué)包括非線性輪胎特性，這將在[7]“不可思議的規(guī)則”中模擬到。橫向和縱向的傳輸負(fù)荷的影響通過特定近似值來估算[10]。假設(shè)一個固定的滾動軸位置，前后輪的橫向路面?zhèn)鬏斬?fù)荷表達(dá)式為：
橫向路面?zhèn)鬏斬?fù)荷在各種汽車前進(jìn)速率計算時，用下式估算：
3 通過道路駕駛行為預(yù)覽
顯然，只有汽車本身不可能維持想得到的路徑。這就需要結(jié)合司機(jī)駕駛模型。司機(jī)對進(jìn)行中的操縱控制行為有視覺的和動作的反饋。通過道路駕駛行為，可以預(yù)覽包含了建立在對命令理解感知基礎(chǔ)上的行為。對于方向的操縱控制，司機(jī)可以用預(yù)演行為在彎路上行駛，汽車將在給出的轉(zhuǎn)向角下通過彎路。因此司機(jī)可以根據(jù)水平道路曲率給出適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向角，剩余的路線轉(zhuǎn)移可以通過補(bǔ)償性的控制行為處理。對于速度控制，雖然恰當(dāng)?shù)母杏X路面等級比理解水平曲面圖表困難的多且不夠精確，司機(jī)還是可以設(shè)法根據(jù)路況調(diào)整節(jié)氣門開度角等級。
3.1 方向的操縱控制
對于駕駛者的視覺反饋，這里給出基于Donges [3]的計劃策略下建立的雙標(biāo)準(zhǔn)（預(yù)見性和補(bǔ)償性）駕駛操作系統(tǒng)模型。司機(jī)通過預(yù)先的調(diào)節(jié)盡力控制駕駛?cè)ミm應(yīng)路線位置，操縱汽車在彎路上的行駛，改變路線或繞開障礙物。對于不可預(yù)見的路面干擾，司機(jī)必須用補(bǔ)償性的操作抵消這些干擾，在路線中隨機(jī)的操縱汽車。
對于預(yù)見性控制，韋爾和馬克瑞爾[12]提出的控制前側(cè)偏角和側(cè)向位置或航向角和側(cè)向位置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了閉合回路特性。因此，這里假定司機(jī)通過對前橫擺和路線位置誤差的感覺逐步進(jìn)行修正操作。在系統(tǒng)中通過一個預(yù)先的行為在汽車固定軸X上設(shè)置一個P點。表2圖解了通過路線事先查看的駕駛行為。下面給出一個相對于預(yù)置點想得到的路線的綜合項誤差：
ye是路線位置誤差，LP是預(yù)設(shè)距離，和是在X軸和直線AP間的車頭方位角，分別代替車頭方位和路線位置誤差百分比。駕駛者僅僅需要感覺預(yù)設(shè)點沿著路線的角誤差 。這里的預(yù)設(shè)距離LP是由汽車的前進(jìn)速度和預(yù)演時間TP構(gòu)成，這是符合我們的日常生活經(jīng)驗的,車速越慢,司機(jī)看的在距離越近，車速越高,看到的距離越遠(yuǎn)。
在馬克瑞爾的跨越式模型中，司機(jī)的補(bǔ)償反饋控制被確定為綜合的角度誤差調(diào)整功能。
它包括三部分：增加量G用來放置道路轉(zhuǎn)向角綜合項誤差的補(bǔ)償量，引導(dǎo)術(shù)語抵消司機(jī)感知汽車輪胎延時，滯后術(shù)語相當(dāng)于神經(jīng)延誤，時間延誤近似司機(jī)反應(yīng)時間的延遲。
圖2 示范道路駕駛通過預(yù)演
對司機(jī)的運動反饋，根據(jù)人體器官執(zhí)行的動作和重力作用的方位提供的信息，在[1]中，艾倫注釋到橫擺率可以設(shè)置為運動反饋原理。運動反饋提供了司機(jī)補(bǔ)償汽車橫擺率遲滯的引導(dǎo)。
3.2 速度控制
各種情況下的速度控制都很重要，包括在安全方面的彎路上行駛的加速級別，對速度極限的反應(yīng)和避開緊急情況的急剎車。在直線運行時司機(jī)保持指定的速度，當(dāng)司機(jī)發(fā)現(xiàn)有弧度,速度則相對減少,以維持理想的橫向加速。司機(jī)速度控制的定則可以用圖表3（a）描述。司機(jī)發(fā)出符合理想變速的減速命令，并感覺減速誤差。尤其當(dāng)電子控制底盤，像剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、牽引控制系統(tǒng)(TCS)等等被使用后，速度控制更必不可少。從這些控制系統(tǒng)的工作原理我們可以看到, 大部分都是在緊急情況下啟動，因此速度控制是不可逃避的。舉例來說,通過加入有效的ABS，制動踏板力和汽車減速之間的關(guān)系如圖3（b）所示，由上述的使用關(guān)系和速度控制規(guī)律，這樣的電子控制評價效果還是可行的。
圖3 (b)駕駛速度控制規(guī)律
（a）ABS 系統(tǒng)特性
4 汽車—駕駛互動
4.1 沒有速度控制的汽車—控制動力學(xué)
鑒于上汽車和司機(jī)的述動態(tài)特征，可以給出一個沒有速度控制的汽車—控制模型方框圖如圖表4所示。假定車輛以不變的速度前進(jìn)。汽車的橫向速度v,側(cè)傾率r,橫擺率p由操縱輸入到汽車運動方程式。汽車的橫向速度,側(cè)傾率是在司機(jī)直接控制下的，雖然橫向運動沒有由司機(jī)直接控制，它仍然影響到司機(jī)的行為，尤其當(dāng)汽車前進(jìn)變量描述被引進(jìn)時。動力學(xué)方程式中，可以由汽車的橫向速度與側(cè)傾率提供汽車的方向角和橫向路徑位置。最后將由司機(jī)根據(jù)復(fù)合項誤差做出糾正性操作。作為封閉性的分析，有兩個輸入系統(tǒng) ，一個是路徑命令，一個是最初的汽車方向角。汽車將被按照路徑命令操作，幫助補(bǔ)充矯正視覺誤差。然而，隨著交互式方程式的應(yīng)用，在模擬中會發(fā)現(xiàn)側(cè)向偏差（表5（a）），可以假設(shè)司機(jī)繼續(xù)操縱直到汽車的形式姿態(tài)與沿著路徑的預(yù)設(shè)點相符合。這種方法最終消除了汽車行駛姿態(tài)的誤差，但是不能糾正路徑位置誤差。通過在系統(tǒng)中加入一個并行的積分器，可以消除這個補(bǔ)償誤差（表5（b））。這個積分器的功能是補(bǔ)償綜合項誤差，這個誤差包括車頭方位誤差和路徑位置誤差（表4）。它對路徑位置比只有積分器更快的產(chǎn)生補(bǔ)償。轉(zhuǎn)向角誤差轉(zhuǎn)換綜合項誤差的機(jī)能可以用下式定義：
4.2 駕駛員-汽車動力與速度控制
當(dāng)速度控制被關(guān)注的時候，司機(jī)汽車相互作用是駕駛員橫向和縱向操縱的結(jié)果，這在更高的層面反映了司機(jī)的控制作用。表6圖解了相互作用的結(jié)構(gòu)。表6的上部分描述了司機(jī)方向控制行為，下部分描述了速度控制行為。通過觀察道路車輛的反應(yīng)和反饋信息,，他們之間的關(guān)系就可以處理了。
圖4 車輛定向控制系統(tǒng)模型
（a）沒有積分器 （b）有積分器
圖5 平行合成效果
表6 汽車—駕駛互動控制
5 績效分析
5.1 雙車道車速改變
沒有速度控制的車輛控制模式同樣適用于這里的雙車道操作，附錄指出了車輛的參數(shù)。表7顯示系統(tǒng)的反應(yīng)。可以看出，道路信息輸入使得汽車的執(zhí)行分析是可能的?？梢钥闯?道路信息的加入使得汽車性能分析更合理。司機(jī)沿著ISO標(biāo)準(zhǔn)雙車道以不變的前進(jìn)速度80km/h變換操作。因此司機(jī)的操作輸入是由理想的運動路徑?jīng)Q定的，該路徑通過預(yù)設(shè)距離LP上聯(lián)接器的預(yù)設(shè)點。同時也取決于司機(jī)對汽車的反應(yīng)習(xí)慣。如圖表7所示，這個操縱要求汽車在最初的車道上行駛15米，然后在30 米內(nèi)側(cè)向轉(zhuǎn)位3.5米后改變行車路線，保持這一路徑25米，又在接下來的25米內(nèi)回到最初的路線。司機(jī)要在沒有觸及膠線劃定的情況下順利完成所需的操作。輕微的延誤和超前不會引起不穩(wěn)定。其他結(jié)果顯示雙車道變換回應(yīng)的W形特點。該系統(tǒng)反應(yīng)了1.6的方向盤轉(zhuǎn)角（圖7（b）），它造成約0.4g峰值橫向加速度（圖7(c)）。這超出了一般驅(qū)動器要求。選擇2可以防止輪胎的峰值接近飽和，它具有模型的自然頻率和阻尼特性。
圖7 雙車道短暫反應(yīng)變化 速度不變V=80km/h
駕駛參數(shù)：(G = 0.35, τ = 0.1s, TL = 0.1s,
TI = 0.2s, Kψ = 0.05, Km = 0.01, TP = 1s)
5.2 彎道剎車情況
現(xiàn)在考慮綜合操作和反制動操作下的汽車—駕駛模型的速度控制。圖8說明了模型的反饋特性。司機(jī)進(jìn)入一個半徑300米的彎道，由于比預(yù)期的要急，導(dǎo)致過度橫向操縱加速，在圖8中大約為0.3g。統(tǒng)計[2]，謹(jǐn)慎的司機(jī)在駕駛時會適當(dāng)?shù)臏p速，因此會減至0.26g,相應(yīng)的速度減到88km/h左右。速度控制規(guī)則以前在3.2章描述過，且指定了制動減速為0.2g.s。要注意的是,如果橫向加速超過0.3g.s (圖.8(b))，駕駛模型開始制動，隨后帶來了0.2g.s的輕微增長(圖8 (a))。這已經(jīng)從實際的制動過程軌跡得到證實(圖.8(C))。這是由于后橋轉(zhuǎn)彎的遲滯導(dǎo)致的。在汽車表現(xiàn)出平穩(wěn)的橫向加速狀態(tài)并達(dá)到預(yù)期的速度后，如果轉(zhuǎn)向條件還是不足，司機(jī)可以降低車速,使車輛控制在穩(wěn)定的狀態(tài)。
圖8 車輛的轉(zhuǎn)彎剎車反應(yīng)
6 結(jié)論和進(jìn)一步研究
理想的司機(jī)操縱駕駛和速度控制模型應(yīng)該指定汽車的側(cè)向位置和輕度減速控制的姿態(tài)。
這份分析已經(jīng)證明了該模擬系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。穩(wěn)定的掌舵控制已經(jīng)通過速度變化補(bǔ)償模式實現(xiàn)。
該文件提出的模式旨在評估影響電子底盤提高系統(tǒng)。它為探索現(xiàn)行的底盤系統(tǒng)的效果提供了工具。
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