1、第十四章驾驶人模型与车辆操纵品质评价第十四章驾驶人模型与车辆操纵品质评价第一节第一节 概述概述 第二节第二节 驾驶人控制下的车辆运动驾驶人控制下的车辆运动 第三节第三节 驾驶人模型参数辨识驾驶人模型参数辨识 第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操作评价基于驾驶人模型的车辆操作评价第一节第一节 概述概述辆操纵稳定性研究中,由于对驾驶人特性缺乏基本的认识,人们通常仅关注汽车对一定的转向盘输入的响应如何(即开环评价),却难以判定整个人-车系统的性能如何(即闭环评价)。在前面的章节中已经介绍了车辆本身固有的动态特性,但其中并未考虑驾驶人主动对车辆施加有目的的控制输入下(即在转向、加速和制动操作作用下)车
2、辆产生的侧向、横摆运动、俯仰和垂向运动。而实际上驾驶人往往会根据对这些运动的感知给车辆施加适当的操作来控制车辆运动,以确保车辆按其驾驶意图正确行驶并实现期望路径。因此,有必要理解当驾驶人根据车辆的运动状态有意图地对其施加转向输入时车辆是如何运动的。第一节第一节 概述概述从另一方面看,随着车辆智能化的提升,主动控制应是提升车辆操纵稳定性及安全化的有效途径。由驾驶人进行主观评价的车辆操纵稳定性可以通过主动控制系统来调节,但是由于人(尤其是普通驾驶人)的主观评价所依赖的感觉不可避免地会受心理和感知等主观因素的影响,其结果虽然定性可靠却难以量化。因此,寻求一种可定量预测与评价车辆操纵稳定性的通用方法很
3、有必要。值得注意的是,目前人们对操纵稳定性的评价及其与车辆设计和控制参数的关系仍未明确,因而尚无可直接应用于车辆的设计和开发中的通用方法。最近,有学者提出了一些方法,用于研究车辆操纵特性和操纵品质评价及其关系,并试图建立两者的定量关系。此外,由于对驾驶人操纵车辆行为的研究对研发更加安全、高效、舒适的路面车辆(尤其是在自动驾驶、车联网以及智能交通等研究领域)很有必要,因此驾驶人模型在车辆闭环系统研究中的地位相当重要1。第二节第二节 驾驶人控制下的车辆运动驾驶人控制下的车辆运动一、驾驶人控制行为描述通过对人的操纵行为进行仔细观察可以发现,人的行为因素还是存在一些规律的。这里,可以根据控制工程中常用
4、的“黑箱”概念来推导人作为控制器的行为规律模型。常见的是,将人的控制行为视为一个连续的线性反馈控制并以传递函数表示2。第二节第二节 驾驶人控制下的车辆运动驾驶人控制下的车辆运动这里需要指出的是,作为控制器的驾驶人有别于其他通常控制系统的是,体现在H(s)中的参数可在一定的范围内变动以提高其自适应性。实际上,人可以轻松地改变其比例因子h,但其他参数则受一定的局限,特别是增加微分动作对人而言并不轻松,如果控制目标需要强微分动作并达到一定程度的情况下,一般人也不再有执行能力。或许可以这样说,作为控制器,人可以轻松、长时间、连续地操作的动作是比例控制,再加上很弱的微分或积分动作。第二节第二节 驾驶人控
5、制下的车辆运动驾驶人控制下的车辆运动二、一个基本的驾驶人模型本节将对上述关于人的控制行为进一步细化,在此只考虑通过转向操纵车辆运动的驾驶人控制行为。一般而言,驾驶人不仅能感知车辆的侧向位移,还能感知车辆在XOY平面内的姿态(即车辆的横摆角)。如果驾驶人通过感受横摆角而非侧向位移来施加控制动作,那么驾驶人应只需通过施加与微分相当的动作即可较好地控制车辆。第二节第二节 驾驶人控制下的车辆运动驾驶人控制下的车辆运动基于上述讨论,假定驾驶人会注视车辆前方L处,并预测车辆在前进L距离后车辆相对于目标路径的侧向位移偏移量。假设驾驶人基于这个侧向偏移量进行反馈控制,其过程如图14-1所示。驾驶人-车辆闭环系
6、统示意图如图14-2所示,其中L称为前视距离,前方L处的点称为前视点。上述模型是最常见的研究车辆运动的驾驶人模型。由于这种情况下车辆具有很强的积分特性(显然有一些微分控制成分被隐含在驾驶人控制行为的传递函数中),因而驾驶人模型的传递函数可简化为:第二节第二节 驾驶人控制下的车辆运动驾驶人控制下的车辆运动在前方L处的路径偏离量第二节第二节 驾驶人控制下的车辆运动驾驶人控制下的车辆运动驾驶人-车辆闭环系统第三节第三节 驾驶人模型参数辨识驾驶人模型参数辨识驾驶人模型的参数不仅取决于自身的内在特性,还能随适应车辆的操纵性能而改变。也就是说,即使车辆操纵性能变化范围很大,驾驶人也能在车辆运动过程中通过不
7、断修正其参数来保证车辆达到预期响应(即虽然车辆操纵性能有所改变,但由驾驶人操控的车辆表现也可能保持不变)。这是车辆响应特性并不能总是直接反映操纵特性的主要原因之一,因而很难从车辆响应的客观测量结果来评价其操纵品质。另一方面看,由于驾驶人会根据车辆操纵特性来修正自己的驾驶特性,驾驶人的模型参数不仅能直接反映驾驶人的内在驾驶特性,还能反映车辆操纵性能。显然,如果驾驶人模型参数能够被有效地辨识,那么就可利用得到的驾驶人模型参数来实现对车辆操纵品质的评价。第三节第三节 驾驶人模型参数辨识驾驶人模型参数辨识一、简化的驾驶人模型近似直线目标路径下驾驶人控制的车辆运动第三节第三节 驾驶人模型参数辨识驾驶人模
8、型参数辨识简化的驾驶人-车辆模型框图第三节第三节 驾驶人模型参数辨识驾驶人模型参数辨识二、驾驶人模型的参数辨识通过直路上车辆的移线试验,可以观察到驾驶人-车辆系统的典型行为。根据对驾驶人转向角*和车辆侧向位移y*所测得的数据结果,可以辨识得到驾驶人模型的参数。这里,驾驶人转向角是对车辆侧向位移y*和移线变道宽度yOL的响应,其可由式(14-6)表示的驾驶人模型估计得到。于是,实测的转向角*与驾驶人模型的转向角之间的误差定义如下:第三节第三节 驾驶人模型参数辨识驾驶人模型参数辨识第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价一、车辆操纵品质概述在飞机领域,作为定量表达飞行
9、员对操纵稳定性主观评价的方法,即飞行员评级法应用已久。几经改进后,现已成为飞机操纵稳定性的通用评价方法,在对飞机操控性改进方面发挥了作用以PR为雏形,有人尝试通过驾驶人评级来衡量对车辆可控性的主观评价。具体做法是:通过改变车辆的运动特性,然后进行实车试验,并由驾驶人给可控性进行评分。进而通过,系统地研究这些评分,试图在一定程度上弄清车辆特性与其可控性之间的关系由于车辆可控性最终体现在驾驶人个人的主观评价上,因此这种方法应该是最实际、最直接的。然而,该方法毕竟易受给出评价的驾驶人个人差异的影响,因此所得结果的客观性、通用性较差。如果总是采用这样的方法,会给车辆运动学特性与可控性的理论关系推导带来
10、困难。而且,当车辆运动特性发生新的改变时,其可控性也将难以预先推断。第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价另一种评价车辆可控性的方法是目标性能法,即预先设定车辆的目标路径,然后进行实车试验来评价其可控性。例如,观察车辆如何在某种速度下、在某时间段内准确无误地通过设定的试验路程。目标性能法的优点是结果客观,但存在的问题包括:如何设定目标路径、如何评价所得的结果、是否能与驾驶人的主观评价结果很好地对应。况且,推导车辆运动特性与可控性关系的理论研究也并非易事。还有一种评价车辆可控性的方法,即测量驾驶人的生理反应,如驾驶人工作负荷的心律、能量代谢、通过皮肤电流测得的发汗
11、量等。通过系统地改变车辆的运动特性,研究驾驶人的生理反应变化,从而找出使车辆易于控制的车辆特性。然而,即使这种方法能获得客观的测量结果,但其数据本身易受各干扰因素的影响,且驾驶人生理反应与车辆可控性之间确定性的关系也不易建立。第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价二、反映车辆操纵特性的驾驶人模型参数根据第二节的讨论可知,在转弯过程中驾驶人会自适应于车辆不同的特性,从而改变其自身的参数。由此也可以这样认为,驾驶人参数多少也可以反映车辆的操纵特性。因此,可以设想:是否有可能基于驾驶人转向模型,通过考察驾驶人对车辆的自适应行为来评价车辆的操纵品质。在移线试验中,若采用
12、如式(14-6)所示的驾驶人模型,则参数h和L代表的是驾驶人的响应性。若车辆静态增益小,则需驾驶人增加h值以补偿这个较小的静态增益。若车辆是在动态响应中,则较大的L有利于驾驶人控制车辆。而且,延迟时间常数值L越大,驾驶人在预期的转弯中会越轻松。微分时间h表示驾驶人所采取的微分控制程度,以使不够稳定的车辆稳定;或表示驾驶人对较大L值的响应延迟所进行的补偿程度。对驾驶人来讲,要求的微分时间越小,驾驶人感觉驾驶车辆越容易。基于上述观点,对移线试验中的某款具体车辆而言,一旦得到驾驶人模型的辨识参数,就可利用这些辨识参数,推导出由驾驶人来评价的车辆操纵品质。第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于
13、驾驶人模型的车辆操纵评价1.驾驶人模型参数与车辆速度由于车速对车辆动力学有显著的影响,正如本章第二节中讨论的那样,驾驶人一般会根据当前车速的变化来修正其驾驶特性。因此,根据车辆在给定路面上的移线试验数据,应用第三节中介绍的辨识方法,就可以得到相应的驾驶人模型参数的辨识结果。本节试验中,采用如图14-5所示的移线试验路线。其中,移线宽度dC为3m、移线长度LC在车辆速度为40km/h、60km/h和80km/h时分别为15m、22.5m和30m。移线试验路线第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价不同驾驶人的转向盘转角测量值与计算值对比第四节第四节 基于驾驶人模型的
14、车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价驾驶人模型的参数随车速变化的关系第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价2.驾驶人模型参数与轮胎特性同样,车辆的操纵特性还高度依赖于轮胎侧偏刚度。前面章节中已经得到,车辆响应参数对轮胎的高度依赖是显而易见的,主要包括前面介绍的由式(11-42)表达的稳定性因数、由式(11-36)表达的横摆角速度增益、由式(11-53)表达的固有频率、由式(11-54)表达的阻尼比,而横摆角速度响应时间可描述为:第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价车速uc为80km/h时四种车辆响应特性第四节第四节 基于驾驶
15、人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价移线过程中驾驶人的转向行为与车辆运动第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价驾驶人转向行为测量结果与计算结果第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价驾驶人参数与车辆响应参数关系第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价驾驶人延迟时间常数L与主观评价的关系第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价三、基于驾驶人模型的车辆操纵品质评价方法由于人会根据车辆的操纵特性来修正自己的驾驶特性,因此驾驶人模型参数也能反映车辆操纵性能。如果驾驶人模
16、型参数能被有效地辨识,则可利用辨识的驾驶人模型参数来实现对车辆操纵品质的评价。由前面对车辆的操纵性能评价的讨论可知,与其紧密相关的一个驾驶人模型参数是辨识得到的延迟时间L。这里,通过观察延迟时间常数L的影响来对汽车操纵品质进行评价,并在模拟器实验数据的基础上,依次分析车辆固有频率和阻尼比、转向力矩、质量及分布变化引起的扰动敏感性,以及是否采用了稳定性控制系统对操纵品质的影响。第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价1.操纵品质与固有频率和阻尼比影响车辆操纵品质的重要参数是系统横摆角速度与质心侧偏角对转向盘输入响应的系统固有频率n与阻尼比。一般情况下,很难通过改变车
17、辆的设计参数(如轮胎和悬架等)来分别改变n和的值。这里利用一种前馈主动前轮转向控制系统通过主动补偿前轮转角,以实现车辆横摆角速度与质心侧偏角对转向盘转角响应的固有频率和阻尼比的变化,记为:=Nn,*=D,这里的N和D是调节参数,通过改变主动前轮转向控制参数可以分别在1.0附近独立调节固有频率n和阻尼比。若将N和D都设为1.0,则相当于取消主动前轮转向控制,车辆响应与基准车辆相同。第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价在n-平面上驾驶人延迟时间常数L的辨识结果第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价2.操纵品质与转向力矩转向力矩同样对
18、操纵品质评价的影响很大。这里,通过分析模拟器实验结果,观察不同形式的转向反馈力矩特性对辨识参数L的影响。第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价3.操纵品质与扰动敏感性车辆参数的变化会影响车辆操纵品质,其中最显著的参数就是随乘客数量及载荷分布而变的车重和转动惯量;同时各个轮胎的垂向载荷也相应变化,进而引起轮胎侧偏刚度的变化。因此,车辆操纵品质会因车重的变化而改变。第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价不同车速和变道长度下L的平均增加率与驾驶人评价的对比第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价不同轮胎与车
19、重下的车辆参数与辨识结果第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价轮胎垂向载荷对五种轮胎侧偏刚度的不同影响第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价不同的车重下的四位驾驶人的L与车辆参数第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价4.操纵品质与稳定性控制系统小轮胎侧偏角情况下,轮胎特性与轮胎侧偏角呈线性关系,普通不足转向车辆的车身侧偏角会产生正的横摆力矩。然而,随着侧偏角的增加,轮胎侧向力对侧偏角的饱和特性会使正的横摆力矩随质心侧偏角的增加而减小,从而导致车辆不稳定。为了进行补偿,可以利用轮胎纵向力对车身产生的横摆力矩来稳定车辆运动。一个常用的车辆稳定性控制系统是DYC系统。它可以通过控制轮胎纵向力,即使当车辆运动进入了轮胎非线性区域,也可能通过施加给车辆更多的横摆力矩以提高车辆的稳定性。第四节第四节 基于驾驶人模型的车辆操纵评价基于驾驶人模型的车辆操纵评价辨识的驾驶人模型参数关系本章完本章完 谢谢谢谢！
