基于速度策略的縱橫向駕駛員模型＊

謝 東

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232000）

前言

隨著智能輔助駕駛的迅速發(fā)展，“人機(jī)共駕”成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門方向。在人機(jī)共駕實(shí)驗(yàn)及性能評(píng)價(jià)中，由于條件限制，大多采用仿真形式進(jìn)行，因而其中“人”即駕駛員模型的建立成為研究人機(jī)共駕機(jī)理的重要一環(huán)。

郭孔輝[1]院士提出經(jīng)典“預(yù)瞄—跟隨”理論，揭示了駕駛員以最小誤差為原則的特性，基于最優(yōu)曲率控制實(shí)現(xiàn)駕駛員模型對(duì)路徑的良好跟隨。丁海濤[2]等在“預(yù)瞄—跟隨”理論基礎(chǔ)上，引入加速度反饋，補(bǔ)償橫向跟蹤誤差，同時(shí)建立以節(jié)氣門為控制對(duì)象的縱向駕駛員模型，實(shí)現(xiàn)縱橫向解耦控制。Chao W[3]等基于駕駛員的視覺特性與決策意愿，表征駕駛風(fēng)格與駕駛能力，設(shè)計(jì)了多點(diǎn)多目標(biāo)決策模型，反映了同駕駛員的駕駛行為。

本文基于單點(diǎn)預(yù)瞄理論，依據(jù)預(yù)瞄誤差以方向盤為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)橫向駕駛員模型。利用彎道半徑制定速度策略，基于縱向加速度反饋，以節(jié)氣門開度與主缸壓力為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)縱向駕駛員模型。最后通過Simulink/CarSim聯(lián)合仿真驗(yàn)證模型縱橫向跟隨性能。

1 橫向駕駛員模型

某時(shí)刻汽車橫向位置y（t），期望路徑f（t），預(yù)瞄時(shí)間T后跟隨期望路徑則：

理想橫向加速度為：

此時(shí)駕駛員最佳方向盤轉(zhuǎn)角為：

式中Gay為加速度增益。

同時(shí)考慮駕駛員反應(yīng)時(shí)間td和神經(jīng)-肌肉延遲th，其傳遞函數(shù)為：

2 縱向駕駛員模型

2.1 速度策略

在汽車控制過程中，為保證汽車穩(wěn)定性，面對(duì)不同半徑的彎道，駕駛員有不同的速度選擇。通常駕駛員選擇在半徑較小的彎道提前減速，對(duì)于直道則選擇加速至較高車速通過。

定義速度策略：

式中R為彎道半徑，v為車速。

為保證平穩(wěn)通過彎道，進(jìn)入彎道前10m需達(dá)到入彎所需速度。

2.2 縱向控制策略

汽車縱向控制即是駕駛員對(duì)車速的控制，加速階段駕駛員通過踩油門踏板控制節(jié)氣門開度獲得加速度，制動(dòng)階段駕駛員通過踩制動(dòng)踏板控制主缸壓力獲得減速度。

駕駛員對(duì)車速的跟蹤，通過對(duì)加速度的控制來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)期望車速為vx，實(shí)際車速為ux時(shí)，理想加速度a*x表示為：

在縱向駕駛員模型中引入縱向加速度反饋，驅(qū)動(dòng)模塊以節(jié)氣門開度為控制量，制動(dòng)模塊以主缸壓力為控制量。驅(qū)動(dòng)階段使用PID控制理想節(jié)氣門開度：

Kp、Ki、Kd可在仿真時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)。

制動(dòng)階段通過期望加速度計(jì)算期望主缸壓力[4]P*，由制動(dòng)系統(tǒng)控制獲得實(shí)際的制動(dòng)壓力：

式中M為汽車質(zhì)量，f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；Kb為制動(dòng)力與主缸壓力比值，取1185。

綜合橫向與縱向駕駛員模型，結(jié)合速度策略，同時(shí)考慮駕駛員反應(yīng)與操作滯后，得到圖1的縱橫向駕駛員模型。

圖1 縱橫向駕駛員模型

3 仿真分析

仿真工況：在CarSim中搭建多彎道路面仿真場景，道路最大轉(zhuǎn)彎半徑為40m，最小為8m，路面附著系數(shù)為0.85，起始速度為40km/h。

仿真結(jié)果如圖2，（a）圖中極限工況下橫向誤差平均約0.3m，瞬時(shí)最大橫向誤差為1.05m，（b）圖中短時(shí)加減速中，瞬時(shí)最大車速誤差為4km/h，對(duì)車速突變有良好跟隨性。

圖2 路徑跟蹤與速度跟蹤

4 結(jié)論

基于速度策略的縱橫向駕駛員模型能準(zhǔn)確跟蹤任意轉(zhuǎn)彎半徑的道路，同時(shí)對(duì)縱向車速也有良好的跟隨性能。