基于MATLAB的汽車駕駛員模型探究

張輝

摘 要：以預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型作為研究對(duì)象，建立人—車閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)道路信息和汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，駕駛員輸出最佳的方向盤轉(zhuǎn)角，維持汽車預(yù)期的行車軌跡。構(gòu)建MATLAB/Simulink仿真模型，引入側(cè)風(fēng)干擾，對(duì)所建立的駕駛員模型控制汽車操作穩(wěn)定性進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明：相比于開環(huán)控制，基于預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能很好地維持汽車行車軌跡跟隨能力，從而提高汽車的操作穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：預(yù)瞄最優(yōu)曲率 駕駛員模型 閉環(huán)控制 操作穩(wěn)定性

隨著汽車動(dòng)力學(xué)研究的不斷深入，駕駛員對(duì)汽車操作穩(wěn)定性的反饋和主動(dòng)操縱越來(lái)越受到大家的重視。單純的汽車結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)研究很難準(zhǔn)確、全面地評(píng)價(jià)汽車操作穩(wěn)定性，因此，“人—車”閉環(huán)系統(tǒng)研究正成為主流趨勢(shì)[1][2]。

面對(duì)路況、車況等環(huán)境信息的變化，駕駛員會(huì)根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)做出主動(dòng)操縱行為，如調(diào)整剎車、油門、方向盤等，以保持汽車處于安全的行駛狀態(tài)。駕駛員作為“人—車”閉環(huán)系統(tǒng)的核心組成，是研究重點(diǎn)也是研究難點(diǎn)。如何建立既能最大程度符合實(shí)際，又能適用于理論研究的駕駛員模型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一些研究。上世紀(jì)70年代，McRuer等人基于飛行員—飛機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)的相關(guān)研究，首次提出汽車駕駛員模型[3]。1982年，郭孔輝院士基于預(yù)瞄—跟隨理論，提出了預(yù)瞄最優(yōu)曲率和預(yù)瞄最優(yōu)加速度駕駛員模型[4][5]。孔昕昕等人結(jié)合滑?？刂评碚?，建立了汽車橫向單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型，并進(jìn)行汽車操作穩(wěn)定性閉環(huán)控制研究[6]。曹艷玲等人基于道路橫向偏差，建立了自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的方向駕駛員模型，并對(duì)路徑跟隨性進(jìn)行驗(yàn)證[7]。本文基于預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型，建立人—車閉環(huán)系統(tǒng)，在MATLAB/Simulink仿真軟件中，驗(yàn)證所建立的駕駛員模型路徑跟隨能力。

1 預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型

預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，概念清晰，模型數(shù)據(jù)易獲取，并能夠較好地反映駕駛員行為特征，適合進(jìn)行非線性汽車模型操作穩(wěn)定性仿真研究[8][9]。該模型的基本原理為：駕駛員根據(jù)道路和汽車行駛狀態(tài)反饋，預(yù)估汽車實(shí)際行車軌跡和預(yù)期軌跡的偏差，輸出合適的方向盤轉(zhuǎn)角，使軌跡偏差達(dá)到最小[10]，這也是本文駕駛員模型的控制目標(biāo)。

假定汽車行駛在一個(gè)預(yù)定道路，對(duì)應(yīng)在t時(shí)刻，道路中心線方程為f（t），汽車實(shí)際側(cè)向位移為y（t）。令駕駛員前視距離為d，前視時(shí)間為T。

經(jīng)過(guò)時(shí)間T，汽車行車軌跡的側(cè)向位移為：

根據(jù)“最小誤差原則”，在經(jīng)過(guò)前視距離d之后，駕駛員總希望汽車實(shí)際側(cè)向位移與預(yù)期位置相一致，這就要求選擇一個(gè)最優(yōu)的行車軌跡曲率1/R*。

汽車側(cè)向加速度為，

當(dāng)?shù)缆非什淮髸r(shí)，

由式（3）和式（4）可得，

為了保持汽車行車軌跡能很好地跟隨預(yù)期軌跡，理想狀態(tài)下的方向盤轉(zhuǎn)角輸入為，駕駛員的校正環(huán)節(jié)為：

其中，為校正參數(shù)，為校正時(shí)間，為L(zhǎng)aplace變量。

但實(shí)際上駕駛員觀察到路況、車況的變化，到操縱方向盤，存在著神經(jīng)-操作反應(yīng)滯后。則實(shí)際的方向盤轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角之間存在著以下滯后關(guān)系，

，神經(jīng)反應(yīng)滯后時(shí)間系數(shù);，操縱滯后時(shí)間系數(shù)。

綜上，預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型可以用圖1表示。

根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)關(guān)系和以上各式，可得駕駛員模型的表達(dá)函數(shù)，

2 駕駛員仿真模型

根據(jù)式（8）預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型的表達(dá)函數(shù)，在MATLAB/Simulink軟件中建立仿真模型，如圖2所示。仿真輸入（In1）為汽車實(shí)際側(cè)向位移y（t），（In2）為道路輸入f（t）;仿真輸出（Out1）為方向盤轉(zhuǎn)角。

3 仿真試驗(yàn)及分析

本文采用4WS汽車作為整車載體，結(jié)合上文建立的預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型，構(gòu)建人—車閉環(huán)仿真系統(tǒng)。選取高速行駛汽車受橫向側(cè)風(fēng)干擾這一典型工況作為研究目標(biāo)，探究在預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型的調(diào)整下，對(duì)汽車操作穩(wěn)定性的提升。

仿真參數(shù)設(shè)置如下：車速30m/s;道路中心線方程為f（t）=0;側(cè)風(fēng)選取典型的單側(cè)輸入，參數(shù)如圖3所示;仿真時(shí)間為5s。

仿真結(jié)果重點(diǎn)分析用來(lái)表征汽車操作穩(wěn)定性的兩個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度，以及用來(lái)表征路徑跟隨能力的參數(shù)，橫向位移。圖4表明，在側(cè)風(fēng)干擾下，閉環(huán)控制和開環(huán)控制下的4WS汽車質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)特性基本一致，0.8s左右都能趨于穩(wěn)定零值。圖5表明，橫擺角速度也能快速趨于穩(wěn)定零值，兩種變化趨勢(shì)基本一致，但閉環(huán)控制汽車在0.8s以后有少量波動(dòng)，但波動(dòng)量小，不會(huì)造成行車異常，該波動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是駕駛員調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角引起的。圖6顯示閉環(huán)控制在側(cè)向位移修正方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，最大偏移量為0.05m左右，遠(yuǎn)小于開環(huán)控制的0.28m，具有更優(yōu)的路徑跟隨能力。三個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性值在側(cè)風(fēng)作用初期，兩種控制模式下的變化趨勢(shì)是一致的，這是由于在駕駛員模型中考慮了神經(jīng)和操作滯后，符合實(shí)際工況。

仿真結(jié)果表明，兩種控制模式下的4WS汽車都能較好地保證質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度跟隨理想模型。但隨著側(cè)風(fēng)干擾地持續(xù)，開環(huán)控制的汽車側(cè)向位移會(huì)不斷增大，造成行車安全隱患;而閉環(huán)控制的汽車通過(guò)駕駛員修正方向盤轉(zhuǎn)角，大幅減小側(cè)向位移值，提高汽車路徑跟隨能力。

4 結(jié)論

通過(guò)MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證所建立的預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型的有效性，結(jié)果表明該模型在汽車受側(cè)風(fēng)干擾作用下還能夠很好地跟隨預(yù)期行車軌跡，提升了汽車操作穩(wěn)定性，驗(yàn)證了其可行性。但該模型還是簡(jiǎn)化了一些參數(shù)，跟實(shí)際情況有些差距，需要再后續(xù)研究中不斷完善。

基金項(xiàng)目：臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校青年課題（2020QN05）。

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