車輛可控性評價(jià)研究

向 飛 曹偉國

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072)

對普通機(jī)器而言，能客觀地觀察及預(yù)言該機(jī)器的性能和功能，從而客觀地進(jìn)行評價(jià)。而對于車輛而言，其性能僅僅由駕駛員直接操縱得以發(fā)揮，因而對其可控性的來說，駕駛員個(gè)人的主觀評價(jià)尤為重要。迄今為止，尚無推導(dǎo)車輛可控性的理論方法，只能基于一些案例及其經(jīng)驗(yàn)的研究方法進(jìn)行分析。

1 車輛可控性研究方法

目前，解析表達(dá)車輛的可控性的理論方法尚未建立，甚至還沒有一套通用的方法，以用于分析駕駛員人主觀評價(jià)及量化表達(dá)車輛運(yùn)動(dòng)特性與其可控性評價(jià)之間的關(guān)系。因此，主要有三種方法被研究者采用，如圖1所示，且每一種方法相應(yīng)地適用于不同的具體情況。

圖1 車輛可控性研究方法

1.1 飛行員評級法

在飛機(jī)領(lǐng)域，作為定量表達(dá)飛行員對操縱穩(wěn)定性主觀評價(jià)的方法，即飛行員評價(jià)法(PR)，被廣泛應(yīng)用。經(jīng)過改進(jìn)后，現(xiàn)已成為飛機(jī)操縱穩(wěn)定性的通用評價(jià)方法。在設(shè)計(jì)“易于操縱的飛機(jī)”，即對飛機(jī)操縱性改進(jìn)方面，發(fā)揮了重要作用［1］。

以PR為雛形，有人嘗試通過駕駛員評級來度量對車輛可控性的主觀評價(jià)。具體做法是：通過改變車輛的運(yùn)動(dòng)特性，然后進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，并由駕駛員給可控性進(jìn)行評分。據(jù)此，系統(tǒng)地研究這些評分，以試圖在一定程度上弄清車輛特性與其可控性之間的關(guān)系。由于車輛可控性最終體現(xiàn)于駕駛員個(gè)人的主觀評價(jià)，因此，這種方法應(yīng)該是最實(shí)際、最直接的。然而，該方法畢竟易受給出評價(jià)者個(gè)人差異的影響，因此，所得出的結(jié)果客觀性、通用性較差。此外，如果總是用這樣的方法，會(huì)為車輛運(yùn)動(dòng)特性與可控性的理論推導(dǎo)帶來困難。而且，當(dāng)車輛運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生變化時(shí)，其可控制性也將難以預(yù)先判斷。

1.2 目標(biāo)性能法

另一種評價(jià)車輛可控性的方法是目標(biāo)性能法。即：預(yù)先設(shè)定車輛的目標(biāo)途徑，然后進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)來評價(jià)車輛的可控性。例如：觀察車輛如何在某速度下、在某時(shí)間段內(nèi)精確無誤地通過設(shè)定的試驗(yàn)路程。目標(biāo)性能法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果客觀，但問題包括如何設(shè)定目標(biāo)路徑、如何評價(jià)所得的結(jié)果、是否能與駕駛員的主觀評價(jià)結(jié)果很好的對應(yīng)起來。況且，推導(dǎo)車輛運(yùn)動(dòng)特性與可控性關(guān)系的理論研究也較為困難。

1.3 駕駛員生理反應(yīng)法

還有一種評價(jià)車輛可控性的方法，即測量駕駛?cè)说纳矸磻?yīng)，如駕駛員工作負(fù)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(yùn)動(dòng)特性，研究駕駛員生理的反應(yīng)變化，以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可觀的測量結(jié)果，但其數(shù)據(jù)本身易受到干擾因素的影響且駕駛員生理反應(yīng)與車輛可控性之間確定性關(guān)系也不容易建立。

以上三種方法，都是由試驗(yàn)考察當(dāng)車輛運(yùn)動(dòng)特性改變時(shí)，駕駛員對其可控性的評價(jià)方法。通過改變車輛運(yùn)動(dòng)特性，并研究車輛相應(yīng)的可控性，有可能通過這些方法建立經(jīng)驗(yàn)法則，在一定程度上找出車輛運(yùn)動(dòng)特性與其可控性之間的關(guān)系。同時(shí)，還能知道當(dāng)車輛的運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生改變時(shí)候時(shí)，如何預(yù)測車輛的操縱性。

然而，即使迄今為止尚未建立車輛可控性的一般通用方法。

2 車輛可控性影響因素

車輛可控性與車輛轉(zhuǎn)向特性，車輛動(dòng)力學(xué)特性和車輛轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)都有一定關(guān)系，其相關(guān)性的研究有助于建立車輛可控性評價(jià)理論。

2.1 車輛轉(zhuǎn)向特性

車輛的轉(zhuǎn)向特性是影響車輛運(yùn)動(dòng)特性的一個(gè)重要因素。因此，首先研究車輛轉(zhuǎn)向特性與其可控制性的關(guān)系。根據(jù)測量可知［2］：駕駛具有US特性車輛時(shí)駕駛?cè)说男穆?20次/min左右，而駕駛員具有OS特性的車輛時(shí)，心律130～140次/min之間，意次味著與US駕駛特性的車輛相比，駕駛員駕駛OS特性車輛的工作負(fù)荷會(huì)更大。由此，可推斷具有US特性的車輛比具有OS特性的車輛更易于控制。

穩(wěn)定性因子A是評價(jià)車輛US/OS特性強(qiáng)弱的指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

經(jīng)過試驗(yàn)分析，可知：車輛US特性越強(qiáng)，車輛越易于控制。然而，車輛穩(wěn)定性因子A表示的是車輛轉(zhuǎn)向特性，也是唯一直接影響車輛穩(wěn)態(tài)特性的因素。但是，如果車輛的轉(zhuǎn)向特性改變了，車輛所固有的動(dòng)力學(xué)特性也會(huì)隨之改變。而且，除了轉(zhuǎn)向特性，其他因素也會(huì)影響車輛的動(dòng)力學(xué)特性。因此，僅靠車輛的轉(zhuǎn)向特性就來判斷其可控性未必合適，不能簡單得具有結(jié)論，說具有US特性的車輛更易于控制。

2.2 車輛動(dòng)力學(xué)特性

車輛動(dòng)力學(xué)特性包括車輛垂向、縱向和橫向動(dòng)力學(xué)特性。研究車輛可控性問時(shí)，主要考慮車輛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)特性。

對一輛原本就是直線行駛車輛，若突然給其轉(zhuǎn)向盤一個(gè)固定的側(cè)向轉(zhuǎn)角，然后松手，那么對一輛穩(wěn)定的車輛而言，將在經(jīng)歷一些振動(dòng)性的橫擺運(yùn)動(dòng)后趨于穩(wěn)態(tài)。這種情況下，決定車輛運(yùn)動(dòng)特性的指標(biāo)之一是橫擺阻尼，它受到車輛轉(zhuǎn)向特性、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性及車身側(cè)傾的影響。以兩自由度模型描述的車輛側(cè)向運(yùn)動(dòng)，得到理論上的系統(tǒng)國有頻率wn和阻尼比ζ表達(dá)式如下：

美國的林克通過實(shí)驗(yàn)證明［3］：阻尼比相同時(shí)，車輛的固有頻率越小，車輛的可控評級越不好。車輛固有頻率與橫擺阻尼比相比與可控性關(guān)聯(lián)度更大。另外，美國霍夫曼等人研究表明：隨著側(cè)偏響應(yīng)時(shí)間的增加，車輛變得更加難以控制。但僅以車輛的運(yùn)動(dòng)特性表達(dá)來評價(jià)車輛的可控制性還是不夠的。

2.3 車輛轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)

車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，對轉(zhuǎn)向輸入的車輛橫擺角速度響應(yīng)參數(shù)包括響應(yīng)時(shí)間tt和增益常數(shù)G。威爾等人對實(shí)際車輛的響應(yīng)時(shí)間tr和增益常數(shù)G等效值進(jìn)行了測量，并研究了兩者與車輛可控性的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對于增益常數(shù)G，不同的駕駛員其偏好的數(shù)值范圍不同;響應(yīng)時(shí)間范圍，越熟練的駕駛員，其適應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間范圍越大。另外，伯格曼等人還研究了車輛側(cè)向加速度增益Gy和側(cè)向響應(yīng)時(shí)間ty與可控性之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明：相比側(cè)向加速度增益常數(shù)，車輛運(yùn)動(dòng)的側(cè)偏響應(yīng)時(shí)間對車輛的可控性敏感程度更高。

通過考察車輛可控性以及兩個(gè)反應(yīng)運(yùn)動(dòng)特性的參數(shù)，可以較好地理解車輛可控性與車輛運(yùn)動(dòng)特性之間的關(guān)系。但如何表達(dá)車輛可控性這個(gè)問題，還無法保證應(yīng)考慮哪些運(yùn)動(dòng)特性。因此，當(dāng)主導(dǎo)車輛的參數(shù)發(fā)生變化，也不能輕言車輛就是易控的。

3 基于駕駛員模型的車輛可控性評價(jià)

到目前為止，對量化測量實(shí)際駕駛?cè)藢囕v可控性的評價(jià)，仍然沒有如飛機(jī)的飛行員評級法那樣精確、全面的通用方法。但在車輛轉(zhuǎn)彎過程中，駕駛員會(huì)自適應(yīng)于車輛不同特性，從而改變他自身的參數(shù)，由此可以認(rèn)為，駕駛員參數(shù)可以反映車輛的操縱特性。因此，可以考慮是否可能基于駕駛員模型來考察來評價(jià)車輛的可控性［4］。

可以利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過采用駕駛員參數(shù)辨識的方法，試圖表明駕駛員是如何隨著車輛運(yùn)動(dòng)特性的變化去調(diào)整其自身參數(shù)的。駕駛員人-車輛模型如圖2［5］。

圖2 簡化駕駛員人-車輛模型框圖

駕駛員模型主要由參數(shù)三個(gè)決定，車輛前視和微分動(dòng)作的綜合效果參數(shù)τh，駕駛員響應(yīng)延遲時(shí)間τL和比例因子h。y0為前方L處目標(biāo)路徑，y為前方L處的，車輛位置，駕駛員基于預(yù)估的目標(biāo)路徑，通過轉(zhuǎn)向操縱，使車輛達(dá)到目標(biāo)位置。駕駛員模型中，參數(shù)h和τL代表駕駛員的響應(yīng)性，參數(shù)τh表示駕駛員的微分動(dòng)作程度。對于駕駛員說要使微分時(shí)間越小，駕駛員感覺車輛越容易。基于該模型，一旦得到駕駛員模型的辯識參數(shù)，就可以利用這些辯識參數(shù)推導(dǎo)出由駕駛員評價(jià)的車輛可控性。

［1］喻凡.車輛操縱動(dòng)力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］T.Nakatsuka.Vehicle safety in high speed driving and human characteristics［J］.The Japanese Journal od Ergonomics，Vol.4，No.4，1968.

［3］W.Linke etal.Analysis on vehicle running stability subjected to side wind on high way［J］.Proceedings of Annual Meeting of JASE，No.761，1976.

［4］M.Abe et al.A study on vehicle handling evaluation through model based driber behavior［J］.Proceedings of FISITA 2008，Munish September 2008，in CD.

［5］郭孔輝.汽車操縱動(dòng)力學(xué)［M］.長春：吉林科技出版社，1991.