汽車系統(tǒng)動力學第14章-駕駛人模型與車輛操縱品質評價課件

1、第十四章駕駛人模型與車輛操縱品質評價第一節(jié) 概述 第二節(jié) 駕駛人控制下的車輛運動 第三節(jié) 駕駛人模型參數辨識 第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操作評價第一節(jié) 概述輛操縱穩(wěn)定性研究中,由于對駕駛人特性缺乏基本的認識,人們通常僅關注汽車對一定的轉向盤輸入的響應如何(即開環(huán)評價),卻難以判定整個人-車系統(tǒng)的性能如何(即閉環(huán)評價)。在前面的章節(jié)中已經介紹了車輛本身固有的動態(tài)特性,但其中并未考慮駕駛人主動對車輛施加有目的的控制輸入下(即在轉向、加速和制動操作作用下)車輛產生的側向、橫擺運動、俯仰和垂向運動。而實際上駕駛人往往會根據對這些運動的感知給車輛施加適當的操作來控制車輛運動,以確保車輛按其駕駛意圖正確

2、行駛并實現(xiàn)期望路徑。因此,有必要理解當駕駛人根據車輛的運動狀態(tài)有意圖地對其施加轉向輸入時車輛是如何運動的。第一節(jié) 概述從另一方面看,隨著車輛智能化的提升,主動控制應是提升車輛操縱穩(wěn)定性及安全化的有效途徑。由駕駛人進行主觀評價的車輛操縱穩(wěn)定性可以通過主動控制系統(tǒng)來調節(jié),但是由于人(尤其是普通駕駛人)的主觀評價所依賴的感覺不可避免地會受心理和感知等主觀因素的影響,其結果雖然定性可靠卻難以量化。因此,尋求一種可定量預測與評價車輛操縱穩(wěn)定性的通用方法很有必要。值得注意的是,目前人們對操縱穩(wěn)定性的評價及其與車輛設計和控制參數的關系仍未明確,因而尚無可直接應用于車輛的設計和開發(fā)中的通用方法。最近,有學者提

3、出了一些方法,用于研究車輛操縱特性和操縱品質評價及其關系,并試圖建立兩者的定量關系。此外,由于對駕駛人操縱車輛行為的研究對研發(fā)更加安全、高效、舒適的路面車輛(尤其是在自動駕駛、車聯(lián)網以及智能交通等研究領域)很有必要,因此駕駛人模型在車輛閉環(huán)系統(tǒng)研究中的地位相當重要1。第二節(jié) 駕駛人控制下的車輛運動一、駕駛人控制行為描述通過對人的操縱行為進行仔細觀察可以發(fā)現(xiàn),人的行為因素還是存在一些規(guī)律的。這里,可以根據控制工程中常用的“黑箱”概念來推導人作為控制器的行為規(guī)律模型。常見的是,將人的控制行為視為一個連續(xù)的線性反饋控制并以傳遞函數表示2。第二節(jié) 駕駛人控制下的車輛運動這里需要指出的是,作為控制器的駕

4、駛人有別于其他通?？刂葡到y(tǒng)的是,體現(xiàn)在H(s)中的參數可在一定的范圍內變動以提高其自適應性。實際上,人可以輕松地改變其比例因子h,但其他參數則受一定的局限,特別是增加微分動作對人而言并不輕松,如果控制目標需要強微分動作并達到一定程度的情況下,一般人也不再有執(zhí)行能力。或許可以這樣說,作為控制器,人可以輕松、長時間、連續(xù)地操作的動作是比例控制,再加上很弱的微分或積分動作。第二節(jié) 駕駛人控制下的車輛運動二、一個基本的駕駛人模型本節(jié)將對上述關于人的控制行為進一步細化,在此只考慮通過轉向操縱車輛運動的駕駛人控制行為。一般而言,駕駛人不僅能感知車輛的側向位移,還能感知車輛在XOY平面內的姿態(tài)(即車輛的橫擺

5、角)。如果駕駛人通過感受橫擺角而非側向位移來施加控制動作,那么駕駛人應只需通過施加與微分相當的動作即可較好地控制車輛。第二節(jié) 駕駛人控制下的車輛運動基于上述討論,假定駕駛人會注視車輛前方L處,并預測車輛在前進L距離后車輛相對于目標路徑的側向位移偏移量。假設駕駛人基于這個側向偏移量進行反饋控制,其過程如圖14-1所示。駕駛人-車輛閉環(huán)系統(tǒng)示意圖如圖14-2所示,其中L稱為前視距離,前方L處的點稱為前視點。上述模型是最常見的研究車輛運動的駕駛人模型。由于這種情況下車輛具有很強的積分特性(顯然有一些微分控制成分被隱含在駕駛人控制行為的傳遞函數中),因而駕駛人模型的傳遞函數可簡化為:第二節(jié) 駕駛人控制

6、下的車輛運動在前方L處的路徑偏離量第二節(jié) 駕駛人控制下的車輛運動駕駛人-車輛閉環(huán)系統(tǒng)第三節(jié) 駕駛人模型參數辨識駕駛人模型的參數不僅取決于自身的內在特性,還能隨適應車輛的操縱性能而改變。也就是說,即使車輛操縱性能變化范圍很大,駕駛人也能在車輛運動過程中通過不斷修正其參數來保證車輛達到預期響應(即雖然車輛操縱性能有所改變,但由駕駛人操控的車輛表現(xiàn)也可能保持不變)。這是車輛響應特性并不能總是直接反映操縱特性的主要原因之一,因而很難從車輛響應的客觀測量結果來評價其操縱品質。另一方面看,由于駕駛人會根據車輛操縱特性來修正自己的駕駛特性,駕駛人的模型參數不僅能直接反映駕駛人的內在駕駛特性,還能反映車輛操縱

7、性能。顯然,如果駕駛人模型參數能夠被有效地辨識,那么就可利用得到的駕駛人模型參數來實現(xiàn)對車輛操縱品質的評價。第三節(jié) 駕駛人模型參數辨識一、簡化的駕駛人模型近似直線目標路徑下駕駛人控制的車輛運動第三節(jié) 駕駛人模型參數辨識簡化的駕駛人-車輛模型框圖第三節(jié) 駕駛人模型參數辨識二、駕駛人模型的參數辨識通過直路上車輛的移線試驗,可以觀察到駕駛人-車輛系統(tǒng)的典型行為。根據對駕駛人轉向角*和車輛側向位移y*所測得的數據結果,可以辨識得到駕駛人模型的參數。這里,駕駛人轉向角是對車輛側向位移y*和移線變道寬度yOL的響應,其可由式(14-6)表示的駕駛人模型估計得到。于是,實測的轉向角*與駕駛人模型的轉向角之間

8、的誤差定義如下:第三節(jié) 駕駛人模型參數辨識第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價一、車輛操縱品質概述在飛機領域,作為定量表達飛行員對操縱穩(wěn)定性主觀評價的方法,即飛行員評級法應用已久。幾經改進后,現(xiàn)已成為飛機操縱穩(wěn)定性的通用評價方法,在對飛機操控性改進方面發(fā)揮了作用以PR為雛形,有人嘗試通過駕駛人評級來衡量對車輛可控性的主觀評價。具體做法是:通過改變車輛的運動特性,然后進行實車試驗,并由駕駛人給可控性進行評分。進而通過,系統(tǒng)地研究這些評分,試圖在一定程度上弄清車輛特性與其可控性之間的關系由于車輛可控性最終體現(xiàn)在駕駛人個人的主觀評價上,因此這種方法應該是最實際、最直接的。然而,該方法畢竟易受給出評價

9、的駕駛人個人差異的影響,因此所得結果的客觀性、通用性較差。如果總是采用這樣的方法,會給車輛運動學特性與可控性的理論關系推導帶來困難。而且,當車輛運動特性發(fā)生新的改變時,其可控性也將難以預先推斷。第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價另一種評價車輛可控性的方法是目標性能法,即預先設定車輛的目標路徑,然后進行實車試驗來評價其可控性。例如,觀察車輛如何在某種速度下、在某時間段內準確無誤地通過設定的試驗路程。目標性能法的優(yōu)點是結果客觀,但存在的問題包括:如何設定目標路徑、如何評價所得的結果、是否能與駕駛人的主觀評價結果很好地對應。況且,推導車輛運動特性與可控性關系的理論研究也并非易事。還有一種評價車輛可

10、控性的方法,即測量駕駛人的生理反應,如駕駛人工作負荷的心律、能量代謝、通過皮膚電流測得的發(fā)汗量等。通過系統(tǒng)地改變車輛的運動特性,研究駕駛人的生理反應變化,從而找出使車輛易于控制的車輛特性。然而,即使這種方法能獲得客觀的測量結果,但其數據本身易受各干擾因素的影響,且駕駛人生理反應與車輛可控性之間確定性的關系也不易建立。第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價二、反映車輛操縱特性的駕駛人模型參數根據第二節(jié)的討論可知,在轉彎過程中駕駛人會自適應于車輛不同的特性,從而改變其自身的參數。由此也可以這樣認為,駕駛人參數多少也可以反映車輛的操縱特性。因此,可以設想:是否有可能基于駕駛人轉向模型,通過考察駕駛人對

11、車輛的自適應行為來評價車輛的操縱品質。在移線試驗中,若采用如式(14-6)所示的駕駛人模型,則參數h和L代表的是駕駛人的響應性。若車輛靜態(tài)增益小,則需駕駛人增加h值以補償這個較小的靜態(tài)增益。若車輛是在動態(tài)響應中,則較大的L有利于駕駛人控制車輛。而且,延遲時間常數值L越大,駕駛人在預期的轉彎中會越輕松。微分時間h表示駕駛人所采取的微分控制程度,以使不夠穩(wěn)定的車輛穩(wěn)定;或表示駕駛人對較大L值的響應延遲所進行的補償程度。對駕駛人來講,要求的微分時間越小,駕駛人感覺駕駛車輛越容易?；谏鲜鲇^點,對移線試驗中的某款具體車輛而言,一旦得到駕駛人模型的辨識參數,就可利用這些辨識參數,推導出由駕駛人來評價的車

12、輛操縱品質。第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價1.駕駛人模型參數與車輛速度由于車速對車輛動力學有顯著的影響,正如本章第二節(jié)中討論的那樣,駕駛人一般會根據當前車速的變化來修正其駕駛特性。因此,根據車輛在給定路面上的移線試驗數據,應用第三節(jié)中介紹的辨識方法,就可以得到相應的駕駛人模型參數的辨識結果。本節(jié)試驗中,采用如圖14-5所示的移線試驗路線。其中,移線寬度dC為3m、移線長度LC在車輛速度為40km/h、60km/h和80km/h時分別為15m、22.5m和30m。移線試驗路線第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價不同駕駛人的轉向盤轉角測量值與計算值對比第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價駕駛

13、人模型的參數隨車速變化的關系第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價2.駕駛人模型參數與輪胎特性同樣,車輛的操縱特性還高度依賴于輪胎側偏剛度。前面章節(jié)中已經得到,車輛響應參數對輪胎的高度依賴是顯而易見的,主要包括前面介紹的由式(11-42)表達的穩(wěn)定性因數、由式(11-36)表達的橫擺角速度增益、由式(11-53)表達的固有頻率、由式(11-54)表達的阻尼比,而橫擺角速度響應時間可描述為:第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價車速uc為80km/h時四種車輛響應特性第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價移線過程中駕駛人的轉向行為與車輛運動第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價駕駛人轉向行為測量結果與計

14、算結果第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價駕駛人參數與車輛響應參數關系第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價駕駛人延遲時間常數L與主觀評價的關系第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價三、基于駕駛人模型的車輛操縱品質評價方法由于人會根據車輛的操縱特性來修正自己的駕駛特性,因此駕駛人模型參數也能反映車輛操縱性能。如果駕駛人模型參數能被有效地辨識,則可利用辨識的駕駛人模型參數來實現(xiàn)對車輛操縱品質的評價。由前面對車輛的操縱性能評價的討論可知,與其緊密相關的一個駕駛人模型參數是辨識得到的延遲時間L。這里,通過觀察延遲時間常數L的影響來對汽車操縱品質進行評價,并在模擬器實驗數據的基礎上,依次分析車輛固有頻率和

15、阻尼比、轉向力矩、質量及分布變化引起的擾動敏感性,以及是否采用了穩(wěn)定性控制系統(tǒng)對操縱品質的影響。第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價1.操縱品質與固有頻率和阻尼比影響車輛操縱品質的重要參數是系統(tǒng)橫擺角速度與質心側偏角對轉向盤輸入響應的系統(tǒng)固有頻率n與阻尼比。一般情況下,很難通過改變車輛的設計參數(如輪胎和懸架等)來分別改變n和的值。這里利用一種前饋主動前輪轉向控制系統(tǒng)通過主動補償前輪轉角,以實現(xiàn)車輛橫擺角速度與質心側偏角對轉向盤轉角響應的固有頻率和阻尼比的變化,記為:=Nn,*=D,這里的N和D是調節(jié)參數,通過改變主動前輪轉向控制參數可以分別在1.0附近獨立調節(jié)固有頻率n和阻尼比。若將N和D都

16、設為1.0,則相當于取消主動前輪轉向控制,車輛響應與基準車輛相同。第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價在n-平面上駕駛人延遲時間常數L的辨識結果第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價2.操縱品質與轉向力矩轉向力矩同樣對操縱品質評價的影響很大。這里,通過分析模擬器實驗結果,觀察不同形式的轉向反饋力矩特性對辨識參數L的影響。第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價3.操縱品質與擾動敏感性車輛參數的變化會影響車輛操縱品質,其中最顯著的參數就是隨乘客數量及載荷分布而變的車重和轉動慣量;同時各個輪胎的垂向載荷也相應變化,進而引起輪胎側偏剛度的變化。因此,車輛操縱品質會因車重的變化而改變。第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價不同車速和變道長度下L的平均增加率與駕駛人評價的對比第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價不同輪胎與車重下的車輛參數與辨識結果第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價輪胎垂向載荷對五種輪胎側偏剛度的不同影響第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價不同的車重下的四位駕駛人的L與車輛參數第四節(jié) 基于駕駛人模型的車輛操縱評價4.操縱品質與穩(wěn)定性