外文翻譯--汽車—司機系統(tǒng)的研究處理 中文版

1、<p>　　汽車—司機系統(tǒng)的研究處理</p><p>　　M. Lin, A. A. Popov and S. McWilliam</p><p><b>　　劉夢華 譯</b></p><p>　　摘要：汽車—駕駛系統(tǒng)為汽車設(shè)計處理分析提供了堅實的基礎(chǔ)。這份文件旨在對有關(guān)汽車與司機互動中的司機操作和速度控制提供指導(dǎo)。通常的汽車—駕

2、駛數(shù)學(xué)模型通過數(shù)字化的模擬演習(xí)來落實，并處理那些理典型特征。 隨著當(dāng)今汽車底盤廣泛采用了信息技術(shù)和電子系統(tǒng).。人的因素已構(gòu)成對車輛的模擬研究處理的新問題。這里所推薦的模型為研究有積極影響干預(yù)的底盤系統(tǒng)的汽車—駕駛系統(tǒng)提供了工具。</p><p>　　關(guān)鍵詞：司機-汽車系統(tǒng)、汽車動態(tài)、駕駛員的行為、 底盤提高系統(tǒng)</p><p><b>　　1 引言</b></p

3、><p>　　近來，由于在車輛發(fā)展中越來越多地采用虛擬原型車，汽車在虛擬環(huán)境中設(shè)計處理也廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究與制造兩個領(lǐng)域。為了處理模擬汽車，開發(fā)者需要汽車動態(tài)模擬模型(VDSMS)。自從20世紀(jì)60年代以來，汽車動態(tài)模型的各種應(yīng)用已經(jīng)得到了開發(fā), 包括動態(tài)分析、交互式模擬駕駛、車輛檢驗等復(fù)雜的模型，按規(guī)定的程序解決特定問題。從整個動態(tài)模擬的過程中可以看出，車輛和司機是一個緊密結(jié)合的人工機械系統(tǒng)，汽車和司機的相互作用行

4、為起著至關(guān)重要的作用。同時，出于人工機動性的考慮，汽車底盤提高系統(tǒng)被引入車輛，目標(biāo)是把環(huán)境對安全、穩(wěn)定、舒適的影響減至最低，不過，有人認為，在某些情況下，這些提高底盤系統(tǒng)是弊多于利的。在[9]電子增強系統(tǒng)的上下文中明確的指出，評估汽車—駕駛系統(tǒng)的質(zhì)量包括不同的質(zhì)量問題和設(shè)計矛盾。這牽涉到司機的行車速度控制及其定向/督導(dǎo)管理，直到最近才獲得重視。由Palkovics and Fries [8]提供的對重型汽車底盤加強的詳細審查制度，包括諸

5、如剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、牽引控制系統(tǒng)(TCS)，后橋督導(dǎo)制度和動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。因此建議把司機考慮到控制系統(tǒng)中。因為司機是組成系統(tǒng)必需的。為了使汽車易</p><p>　　在以下的部分中將介紹一種基本的4-DOF（縱向，橫向，側(cè)傾，旋轉(zhuǎn)）汽車模型和駕駛控制模型。駕駛模型可以控制汽車前橫擺角的特定結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)驗性的感覺縱向加速誤差。在第4部分，將評論汽車—駕駛交互作用。這個仿真系統(tǒng)將在第5部分中用來分析包括在狹

6、窄道路上的變向和在轉(zhuǎn)彎時的剎車制動操作。</p><p><b>　　2 車輛模型</b></p><p>　　汽車模型用一個4自由度的模型來描述[4]：縱向，橫向，側(cè)向，旋轉(zhuǎn)運動。如圖1所示，雖然懸架沒有包含在這個模型里，但模型中采用了簡化的描述，把車身旋轉(zhuǎn)假設(shè)成一個旋轉(zhuǎn)軸，該軸固定在車身前后輪軸的旋轉(zhuǎn)中心的頂點。模型參數(shù)在附錄中有說明。</p>&l

7、t;p>　　圖 1 汽車模型</p><p>　　Fxf, Fxr, Fyf, Fyr和Fzf, Fzr 是汽車車軸參數(shù)分別表示橫向垂直受力，r表示橫擺率，p和?分別表示滾動率和側(cè)傾角。前后輪的側(cè)偏角和車輪外傾角和 可被定義為汽車運動變量術(shù)語。</p><p>　　當(dāng)汽車勻速行駛時縱向運動可以從運動方程式中消去。</p><p>　　非線性汽車模

8、型的動力學(xué)包括非線性輪胎特性，這將在[7]“不可思議的規(guī)則”中模擬到。橫向和縱向的傳輸負荷的影響通過特定近似值來估算[10]。假設(shè)一個固定的滾動軸位置，前后輪的橫向路面?zhèn)鬏斬摵杀磉_式為：</p><p>　　橫向路面?zhèn)鬏斬摵稍诟鞣N汽車前進速率計算時，用下式估算：</p><p>　　3 通過道路駕駛行為預(yù)覽</p><p>　　顯然，只有汽車本身不可能維持想得到的路

9、徑。這就需要結(jié)合司機駕駛模型。司機對進行中的操縱控制行為有視覺的和動作的反饋。通過道路駕駛行為，可以預(yù)覽包含了建立在對命令理解感知基礎(chǔ)上的行為。對于方向的操縱控制，司機可以用預(yù)演行為在彎路上行駛，汽車將在給出的轉(zhuǎn)向角下通過彎路。因此司機可以根據(jù)水平道路曲率給出適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向角，剩余的路線轉(zhuǎn)移可以通過補償性的控制行為處理。對于速度控制，雖然恰當(dāng)?shù)母杏X路面等級比理解水平曲面圖表困難的多且不夠精確，司機還是可以設(shè)法根據(jù)路況調(diào)整節(jié)氣門開度角等級。&

10、lt;/p><p>　　3.1 方向的操縱控制</p><p>　　對于駕駛者的視覺反饋，這里給出基于Donges [3]的計劃策略下建立的雙標(biāo)準(zhǔn)（預(yù)見性和補償性）駕駛操作系統(tǒng)模型。司機通過預(yù)先的調(diào)節(jié)盡力控制駕駛?cè)ミm應(yīng)路線位置，操縱汽車在彎路上的行駛，改變路線或繞開障礙物。對于不可預(yù)見的路面干擾，司機必須用補償性的操作抵消這些干擾，在路線中隨機的操縱汽車。</p><p&g

11、t;　　對于預(yù)見性控制，韋爾和馬克瑞爾[12]提出的控制前側(cè)偏角和側(cè)向位置或航向角和側(cè)向位置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了閉合回路特性。因此，這里假定司機通過對前橫擺和路線位置誤差的感覺逐步進行修正操作。在系統(tǒng)中通過一個預(yù)先的行為在汽車固定軸X上設(shè)置一個P點。表2圖解了通過路線事先查看的駕駛行為。下面給出一個相對于預(yù)置點想得到的路線的綜合項誤差：</p><p>　　ye是路線位置誤差，LP是預(yù)設(shè)距離，和是在X軸和直線AP間的

12、車頭方位角，分別代替車頭方位和路線位置誤差百分比。駕駛者僅僅需要感覺預(yù)設(shè)點沿著路線的角誤差 。這里的預(yù)設(shè)距離LP是由汽車的前進速度和預(yù)演時間TP構(gòu)成，這是符合我們的日常生活經(jīng)驗的,車速越慢,司機看的在距離越近，車速越高,看到的距離越遠。</p><p>　　在馬克瑞爾的跨越式模型中，司機的補償反饋控制被確定為綜合的角度誤差調(diào)整功能。</p><p>　　它包括三部分：增加量G用來放置道路轉(zhuǎn)

13、向角綜合項誤差的補償量，引導(dǎo)術(shù)語抵消司機感知汽車輪胎延時，滯后術(shù)語相當(dāng)于神經(jīng)延誤，時間延誤近似司機反應(yīng)時間的延遲。</p><p>　　圖2 示范道路駕駛通過預(yù)演</p><p>　　對司機的運動反饋，根據(jù)人體器官執(zhí)行的動作和重力作用的方位提供的信息，在[1]中，艾倫注釋到橫擺率可以設(shè)置為運動反饋原理。運動反饋提供了司機補償汽車橫擺率遲滯的引導(dǎo)。</p><p>

14、<b>　　3.2 速度控制</b></p><p>　　各種情況下的速度控制都很重要，包括在安全方面的彎路上行駛的加速級別，對速度極限的反應(yīng)和避開緊急情況的急剎車。在直線運行時司機保持指定的速度，當(dāng)司機發(fā)現(xiàn)有弧度,速度則相對減少,以維持理想的橫向加速。司機速度控制的定則可以用圖表3（a）描述。司機發(fā)出符合理想變速的減速命令，并感覺減速誤差。尤其當(dāng)電子控制底盤，像剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、牽

15、引控制系統(tǒng)(TCS)等等被使用后，速度控制更必不可少。從這些控制系統(tǒng)的工作原理我們可以看到, 大部分都是在緊急情況下啟動，因此速度控制是不可逃避的。舉例來說,通過加入有效的ABS，制動踏板力和汽車減速之間的關(guān)系如圖3（b）所示，由上述的使用關(guān)系和速度控制規(guī)律，這樣的電子控制評價效果還是可行的。</p><p>　　圖3 (b)駕駛速度控制規(guī)律</p><p>　?。╝）ABS 系統(tǒng)特性&

16、lt;/p><p>　　4 汽車—駕駛互動</p><p>　　4.1 沒有速度控制的汽車—控制動力學(xué)</p><p>　　鑒于上汽車和司機的述動態(tài)特征，可以給出一個沒有速度控制的汽車—控制模型方框圖如圖表4所示。假定車輛以不變的速度前進。汽車的橫向速度v,側(cè)傾率r,橫擺率p由操縱輸入到汽車運動方程式。汽車的橫向速度,側(cè)傾率是在司機直接控制下的，雖然橫向運動沒有由司機

17、直接控制，它仍然影響到司機的行為，尤其當(dāng)汽車前進變量描述被引進時。動力學(xué)方程式中，可以由汽車的橫向速度與側(cè)傾率提供汽車的方向角和橫向路徑位置。最后將由司機根據(jù)復(fù)合項誤差做出糾正性操作。作為封閉性的分析，有兩個輸入系統(tǒng) ，一個是路徑命令，一個是最初的汽車方向角。汽車將被按照路徑命令操作，幫助補充矯正視覺誤差。然而，隨著交互式方程式的應(yīng)用，在模擬中會發(fā)現(xiàn)側(cè)向偏差（表5（a）），可以假設(shè)司機繼續(xù)操縱直到汽車的形式姿態(tài)與沿著路徑的預(yù)設(shè)點相符合。

18、這種方法最終消除了汽車行駛姿態(tài)的誤差，但是不能糾正路徑位置誤差。通過在系統(tǒng)中加入一個并行的積分器，可以消除這個補償誤差（表5（b））。這個積分器的功能是補償綜合項誤差，這個誤差包括車頭方位誤差和路徑位置誤差（表4）。它對路徑位置比只有積分器更快的產(chǎn)生補償。轉(zhuǎn)向角誤差轉(zhuǎn)換綜合項誤差的機能可以用下式定義：</p><p>　　4.2 駕駛員-汽車動力與速度控制</p><p>　　當(dāng)速度控制被

19、關(guān)注的時候，司機汽車相互作用是駕駛員橫向和縱向操縱的結(jié)果，這在更高的層面反映了司機的控制作用。表6圖解了相互作用的結(jié)構(gòu)。表6的上部分描述了司機方向控制行為，下部分描述了速度控制行為。通過觀察道路車輛的反應(yīng)和反饋信息,，他們之間的關(guān)系就可以處理了。</p><p>　　圖4 車輛定向控制系統(tǒng)模型</p><p>　　（a）沒有積分器 （b）有積分器</p>&l

20、t;p>　　圖5 平行合成效果</p><p>　　表6 汽車—駕駛互動控制</p><p><b>　　5 績效分析</b></p><p>　　5.1 雙車道車速改變</p><p>　　沒有速度控制的車輛控制模式同樣適用于這里的雙車道操作，附錄指出了車輛的參數(shù)。表7顯示系統(tǒng)的反應(yīng)?？梢钥闯?，道路信息輸

21、入使得汽車的執(zhí)行分析是可能的。可以看出,道路信息的加入使得汽車性能分析更合理。司機沿著ISO標(biāo)準(zhǔn)雙車道以不變的前進速度80km/h變換操作。因此司機的操作輸入是由理想的運動路徑?jīng)Q定的，該路徑通過預(yù)設(shè)距離LP上聯(lián)接器的預(yù)設(shè)點。同時也取決于司機對汽車的反應(yīng)習(xí)慣。如圖表7所示，這個操縱要求汽車在最初的車道上行駛15米，然后在30 米內(nèi)側(cè)向轉(zhuǎn)位3.5米后改變行車路線，保持這一路徑25米，又在接下來的25米內(nèi)回到最初的路線。司機要在沒有觸及膠線劃

22、定的情況下順利完成所需的操作。輕微的延誤和超前不會引起不穩(wěn)定。其他結(jié)果顯示雙車道變換回應(yīng)的W形特點。該系統(tǒng)反應(yīng)了1.6的方向盤轉(zhuǎn)角（圖7（b）），它造成約0.4g峰值橫向加速度（圖7(c)）。這超出了一般驅(qū)動器要求。選擇2可以防止輪胎的峰值接近飽和，它具有模型的自然頻率和阻尼特性。</p><p>　　圖7 雙車道短暫反應(yīng)變化 速度不變V=80km/h</p><p>　　駕駛參數(shù)：(G

23、= 0.35, τ = 0.1s, TL = 0.1s,</p><p>　　TI = 0.2s, Kψ = 0.05, Km = 0.01, TP = 1s)</p><p>　　5.2 彎道剎車情況</p><p>　　現(xiàn)在考慮綜合操作和反制動操作下的汽車—駕駛模型的速度控制。圖8說明了模型的反饋特性。司機進入一個半徑300米的彎道，由于比預(yù)期的要急，導(dǎo)致過度

24、橫向操縱加速，在圖8中大約為0.3g。統(tǒng)計[2]，謹慎的司機在駕駛時會適當(dāng)?shù)臏p速，因此會減至0.26g,相應(yīng)的速度減到88km/h左右。速度控制規(guī)則以前在3.2章描述過，且指定了制動減速為0.2g.s。要注意的是,如果橫向加速超過0.3g.s (圖.8(b))，駕駛模型開始制動，隨后帶來了0.2g.s的輕微增長(圖8 (a))。這已經(jīng)從實際的制動過程軌跡得到證實(圖.8(C))。這是由于后橋轉(zhuǎn)彎的遲滯導(dǎo)致的。在汽車表現(xiàn)出平穩(wěn)的橫向加速狀

25、態(tài)并達到預(yù)期的速度后，如果轉(zhuǎn)向條件還是不足，司機可以降低車速,使車輛控制在穩(wěn)定的狀態(tài)。</p><p>　　圖8 車輛的轉(zhuǎn)彎剎車反應(yīng)</p><p><b>　　結(jié)論和進一步研究</b></p><p>　　理想的司機操縱駕駛和速度控制模型應(yīng)該指定汽車的側(cè)向位置和輕度減速控制的姿態(tài)。</p><p>　　這份分析已經(jīng)證