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汽車 — 司機(jī)系統(tǒng)的研究處理 M. A. A. . 夢(mèng)華 譯 摘要 ： 汽車 — 駕駛系統(tǒng)為 汽車設(shè)計(jì)處理分析 提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這份文件旨在對(duì)有關(guān)汽車與司機(jī)互動(dòng)中的司機(jī)操作和速度 控制 提供指導(dǎo)。通常的汽車 — 駕駛 數(shù)學(xué)模型通過數(shù)字化的模擬演習(xí)來落實(shí)，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(duì)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。 關(guān)鍵詞 ： 司機(jī) 車動(dòng)態(tài)、 駕駛員的行為 、 底盤提高系統(tǒng) 1 引言 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(jì)處理也廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究與制造兩個(gè)領(lǐng)域。為了處理模擬汽車，開發(fā)者需要汽車動(dòng)態(tài)模擬模型 (自從 20世紀(jì) 60年代 以來， 汽車動(dòng)態(tài) 模型的各種應(yīng)用已經(jīng)得到了開發(fā) , 包括動(dòng)態(tài)分析、交互式模擬駕駛、車輛檢驗(yàn)等復(fù)雜的模型，按規(guī)定的程序解決特定 問題 。從整個(gè)動(dòng)態(tài)模擬的過程中可以看出，車輛和司機(jī)是一個(gè)緊密結(jié)合的人工機(jī)械系統(tǒng)，汽車和司機(jī)的相互作用行為起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，出于人工機(jī)動(dòng)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(duì)安全、穩(wěn)定、舒適的影響減至最低，不過，有人認(rèn)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(qiáng)系統(tǒng)的上下文中明確的指出 ， 評(píng)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(jì)矛盾。這牽涉到司機(jī)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 8]提供的對(duì)重型 汽車底盤加強(qiáng)的 詳細(xì)審查制度， 包括諸如剎車防抱死系統(tǒng) (牽引控制系統(tǒng) (后橋督導(dǎo)制度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng) 。 因此建議把司機(jī)考慮到控制系統(tǒng)中。因?yàn)樗緳C(jī)是組成系統(tǒng)必需 的。為了使汽車易于控制 , 可鼓勵(lì)司機(jī)駕駛接近到汽車的極限， 因此影響了原定的安全性。 在以下的部分中將介紹一種基本的 4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(yàn)性的感覺縱向加速誤差。在第 4部分，將評(píng)論汽車 — 駕駛 交互作用。這個(gè)仿真系統(tǒng)將在第 5部分中用來分析包括在狹窄道路上的變向和在轉(zhuǎn)彎時(shí)的剎車制動(dòng)操作。 2 車輛模型 汽車模型用一個(gè) 4自由度的模型來描述 [4]：縱向，橫向，側(cè)向，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，雖然懸架沒有包含在這個(gè)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(gè)旋轉(zhuǎn)軸， 該 軸固定在車身前后 輪軸的旋轉(zhuǎn)中心的頂點(diǎn) 。模型參數(shù)在附錄中有說明。 1 圖 1 汽車模型 汽車車軸參數(shù)分別表示橫向垂直受力， 分別表示滾動(dòng)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(yùn)動(dòng)變量術(shù)語。 ?當(dāng)汽車勻速行駛時(shí)縱向運(yùn)動(dòng)可以從運(yùn)動(dòng)方程式中消去。 2 非線性汽車模型的動(dòng)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(fù)荷的影響通過特定 近似值來估算 [10]。假設(shè)一個(gè)固定的滾動(dòng)軸位置，前后輪的橫向路面 傳輸負(fù)荷表達(dá)式為： 橫向路面 傳輸負(fù)荷在各種汽車前進(jìn)速率計(jì)算時(shí)，用下式估算： 3 通過道路駕駛行為預(yù)覽 顯然，只有汽車本身不可能維持想得到的路徑。這就需要結(jié)合司機(jī)駕駛模型。司機(jī)對(duì)進(jìn)行中的操縱控制行為有視覺的和動(dòng)作的反饋。通過道路駕駛行為，可以預(yù)覽包含了建立在對(duì)命令理解感知基礎(chǔ)上的行為。對(duì)于方向的操縱控制，司機(jī)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(jī)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(bǔ)償性的控制行為處理。對(duì)于速度控制，雖然恰當(dāng)?shù)母杏X路面等級(jí)比理解水平曲面圖表困難的多且不夠精確，司機(jī)還是可以設(shè)法根據(jù)路況調(diào)整節(jié)氣門開度角等級(jí)。 向的操縱控制 對(duì)于駕駛者的視覺反饋，這里給出基于 3]的計(jì)劃策略下建立的雙標(biāo)準(zhǔn)（預(yù)見性和補(bǔ)償性）駕駛操作系統(tǒng)模型。司機(jī)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(duì)于不可預(yù)見的路面干擾，司機(jī)必須用補(bǔ)償性的操作抵消這些干擾，在路線中隨機(jī)的操縱汽車。 對(duì)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(jī)通過對(duì)前橫擺和路線位置誤差的感覺逐步進(jìn)行修正操作。在系統(tǒng)中通過一個(gè)預(yù)先的行為在汽車固定軸 點(diǎn)。表 2圖解了通過路線事先查看的駕駛行為。下面給出一個(gè)相對(duì)于預(yù)置點(diǎn)想得到的路線的綜合項(xiàng)誤差： 3 和 是在 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(diǎn)沿著路線的角誤差 。這里的預(yù)設(shè)距離 速度和預(yù)演時(shí)間 是符合我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)的 ,車速越慢 ,司機(jī)看的在距離越近，車速越高 ,看到的距離越遠(yuǎn)。 在馬克瑞爾 的跨越式模型中，司機(jī)的補(bǔ)償反饋控制被確定為綜合的角度誤差調(diào)整功能。 它包括三部分：增加量 合項(xiàng)誤差的補(bǔ)償量 ，引導(dǎo)術(shù)語 抵消司機(jī)感知汽車輪胎延時(shí)，滯后術(shù)語 相當(dāng)于神經(jīng)延誤，時(shí)間延誤近似司機(jī)反應(yīng)時(shí)間的延遲。 圖 2 示范道路駕駛通過預(yù)演 對(duì)司機(jī)的運(yùn)動(dòng)反饋，根據(jù)人體器官執(zhí)行的動(dòng)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(yùn)動(dòng)反饋原理。運(yùn)動(dòng)反饋 提供了司機(jī)補(bǔ)償汽車橫擺率遲滯的引導(dǎo)。 度控制 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(jí)別，對(duì)速度極限的反應(yīng)和避開緊急情況的急剎車。在直線運(yùn)行時(shí)司機(jī)保持指定的速度，當(dāng)司機(jī)發(fā)現(xiàn)有弧度 ,速度則相對(duì)減少 ,以維持理想的橫向加速。司機(jī)速度控制的定則可以用圖表 3（ a）描述。司機(jī)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) (牽引控制系統(tǒng) (等被使用后，速度控制更 4 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(dòng)，因此速度控制是不可逃避的。舉例來說 ,通過加入有效的 動(dòng)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(píng)價(jià)效果還是可行的。 圖 3 (b)駕駛速度控制規(guī)律 （ a） 統(tǒng)特性 4 汽 車 — 駕駛 互動(dòng) 有速度控制的汽車 — 控制動(dòng)力學(xué) 鑒于上汽車和司機(jī)的述動(dòng)態(tài)特征，可以給出一 個(gè)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(jìn)。汽車的橫向速度 v,側(cè)傾率 r,橫擺率 車的橫向速度 ,側(cè)傾率是在司機(jī)直接控制下的，雖然橫向運(yùn)動(dòng)沒有由司機(jī)直接控制，它仍然影響到司機(jī)的行為，尤其當(dāng)汽車前進(jìn)變量描述被引進(jìn)時(shí)。動(dòng)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(jī)根據(jù)復(fù)合項(xiàng)誤差做出糾正性操作。作為封閉性的分析，有兩個(gè)輸入系統(tǒng) ，一個(gè)是路徑命令 ，一個(gè)是最初的汽車方向角 。汽車將被按照路徑命令操作， 幫助補(bǔ)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(huì)發(fā)現(xiàn)側(cè)向偏差（表 5（ a）），可以假設(shè)司機(jī)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(diǎn)相符合。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(gè)并行的積分器，可以消除這個(gè)補(bǔ)償誤差（表 5（ b））。這個(gè)積分器的功能是補(bǔ)償綜合項(xiàng)誤差，這個(gè)誤差包括車頭方位誤差和路徑位置誤差 5 （表 4）。它對(duì)路徑位置比只有積分器更快的產(chǎn)生補(bǔ)償。轉(zhuǎn)向角誤差轉(zhuǎn)換綜合項(xiàng)誤差的機(jī)能可以用下式定義： 駛員 當(dāng)速度控制被關(guān)注的時(shí)候，司機(jī) 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(jī)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(jī)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。 圖 4 車輛定向控制系統(tǒng)模型 （ a） 沒有積分 器 （ b）有積分器 圖 5 平行合成效果 6 表 6 汽車 — 駕駛 互動(dòng)控制 5 績效分析 雙車道車速改變 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)。可以看出，道路信息輸入使得汽車的執(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(jī)沿著 0km/此司機(jī)的操作輸入是由理想的運(yùn)動(dòng)路徑?jīng)Q定的，該路徑通過預(yù)設(shè)距離 接器 的預(yù)設(shè)點(diǎn)。同時(shí)也取決于司機(jī)對(duì)汽車的反應(yīng)習(xí)慣。如圖表 7所示，這個(gè)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 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(jī)要在沒有觸及膠線劃定的情況下順利完成所需的操作。輕微的 延誤和超前不會(huì)引起不穩(wěn)定。其他結(jié)果顯示雙車道變換回應(yīng)的 系統(tǒng)反應(yīng)了 方向盤轉(zhuǎn)角（圖7（ b）），它造成約 7(c)）。這超出了一般驅(qū)動(dòng)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。 7 圖 7 雙車道短暫反應(yīng)變化 速度不變 V=80km/h 駕駛參數(shù)： (G = τ = = 1s) 彎道剎車情況 現(xiàn)在考慮綜合操作和反制動(dòng)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(jī)進(jìn)入一個(gè)半徑 300米的彎道，由于比預(yù)期的要急，導(dǎo)致過度橫向操縱加速 ，在圖 8中大約為 計(jì) [2]，謹(jǐn)慎的司機(jī)在駕駛時(shí)會(huì)適當(dāng)?shù)臏p速，因此 會(huì)減至 應(yīng)的速度減到 88km/度控制規(guī)則以前在 指定了制動(dòng)減速為 注意的是 ,如果橫向加速超過 圖 .8(b))，駕駛模型開始制動(dòng)，隨后帶來了 圖 8 (a))。這已 經(jīng)從實(shí)際的制動(dòng)過程軌跡得到證實(shí) (圖 ))。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)的橫向加速狀態(tài)并達(dá)到預(yù)期的速度后，如果轉(zhuǎn)向條件還是不足，司機(jī)可以降低車速 ,使車輛控制在穩(wěn)定的狀態(tài)。 8 圖 8 車輛的轉(zhuǎn)彎剎車反應(yīng) 6 結(jié)論和進(jìn)一步研究 理想的司機(jī)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)。 這份分析已經(jīng)證明了該模擬系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。穩(wěn)定的掌舵控制已經(jīng)通過速度變化補(bǔ)償模式實(shí)現(xiàn)。 該文件提出的模式旨在評(píng)估影響電子底盤提高系統(tǒng)。它為探索現(xiàn)行的底盤系統(tǒng)的效果提供了工具。