隨機路譜下換道平順性仿真分析

李 健，張亞岐

隨機路譜下換道平順性仿真分析

李 健1，張亞岐2

Li Jian1，Zhang Yaqi2

（1.公安部道路交通安全研究中心，北京 100062；2.東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430056 ）

針對換道模型難以精確控制以及缺乏統一的換道平順性評價體系，提出以碰撞限位器概率、懸架位移以及豎直加速度為指標對換道平順性進行評價分析，建立評價體系。結果表明：所建立的換道平順性評價體系能夠較為全面的體現駕駛員對姿態舒適感的響應，且該評價體系對復雜環境具有良好的適應性。

換道；平順性；指標體系；真車換道樣本；Carsim

0 引 言

換道作為交通流仿真主要的微觀模型之一，對其精確控制是深入分析交通流的必要前提。換道過程包含人、車、路等復雜的不可控因子，換道過程中平順性分析對建立精確換道模型尤為重要，車輛自身姿態變化參數以及道路參數難以準確獲取，且獲取成本較高，因此，建立有效的換道平順性評價體系是深入開展換道模型研究的必要前提。由于傳統換道模型在換道過程中存在側向加速度過大或者躍變以及換道軌跡不連續的問題，李煒等人在 4段式換道基礎上，提出自由換道軌跡曲線函數，為保證軌跡的連續性，采用 B樣條曲線對換道軌跡進行規劃，并給出相應的模型評價參數[1]。任殿波對換道過程期望側向加速度作了正反梯形的假設，根據原始車道與目標車道曲率變化的差異性，提出彎道換道軌跡規劃的方法，建立相應的車輛動力學模型，根據車輛期望運動狀態參數計算出期望的橫擺角、角速度和角加速度，采用非奇異終端滑膜控制方法實現橫擺角速度的跟蹤，在李雅普諾夫穩定性分析的基礎上，采用相平面法對系統的時間收斂性進行分析[2]。以上算法大部分基于智能車，將換道過程進行單一化處理，缺乏廣泛的適應性，且未充分考慮換道過程的平順性和操作舒適性，難以建立精確的控制模型。而換道平順性是換道過程中不可或缺的因素，為此，文中在真車試驗數據的基礎上，構建以回彈限位器概率、懸架撓度以及豎直加速度為指標的評價體系。假定駕駛員每次自由換道是以最佳的姿態進行，并采集大量的換道樣本，將自由式換道軌跡和車速作為模型的期望輸入，在Carsim中對換道過程參數進行分析，依據各個參數的變化特征建立換道平順性評價體系，并作出相應的論證。

1 換道過程參數分析

1.1 換道過程界定

換道一般可分為強制式和自由式。自由式換道是駕駛員以最舒適的方式進行，換道過程不受第三方干預；指令性的強制性換道是駕駛員在聽到換道指令后而采取換道，其操作行為受外部指令的強制性干預，該過程與駕駛員期望的換道過程存在較大的差異性，此過程是與自由式換道相對的換道方式。2種換道方式的界定過程如圖 1所示。

圖中p0點是駕駛員認定應該換道的起始點，p1點是指令式強制換道的起始點，當然p1也可在p0點前，強制式換道的起始點不確定，具有隨機性。當前道路環境得到極大改善，路面不平度大大降低，在試驗過程中假定路譜是隨機變化的。

1.2 參數分析和指標確定

車輛換道過程中受路面不平度影響，車輛左右車輪跳動的差異性導致車輛產生側傾以及俯仰運動，若運動過程過于劇烈會使駕駛員的生理特征指標偏離正常值，容易導致駕駛員操作異常和產生不適感，進而影響行車安全。通過分析換道過程車身各個運動參數的變化情況，確定合理的換道平順性評價指標，建立更為精確的換道模型，為車載換道輔助系統的精確控制提供參考。將真實換道樣本的換道路徑以及換道車速作為Carsim[3-4]車輛模型的輸入，通過仿真獲取車輛相關的運動參數。圖 2是換道過程中前懸的位移變化情況。

從圖 2可以看出，在換道起始階段左右前懸位移變化的差異性較為明顯，整個過程左右懸架位移基本保持一致。整個換道過程中，自由式換道左右前懸的位移差異性相對較小，而指令式換道較大。特別是在第2 s時，指令式換道的左右前懸位移出現了較大差異，此時車身會出現明顯側傾運動。車輛實際行駛過程中，前懸左右位移的不對稱會使車輛產生較大的側傾運動，側傾運動過大會使駕駛員產生不適，并影響到車輛與路面的接觸面積，影響車輪的附著力，從而對車輛的操穩性以及制動性造成影響。懸架左右位移的對稱性直接影響到行車安全，為此，將懸架左右位移的對稱性作為換道平順性的一個指標。假設整個換道過程形成N個樣本點，這N個樣本點構成N維向量，L1、R1分別為前懸的位移向量，將2個向量之間的距離（向量的 2范數）作為換道平順性的定量指標。

根據信號疊加原理，對圖 2中前懸位移進行擬合分析，左前懸架位移的擬合關系式如下

擬合后SSE=65.57，R2=0.925 1，調整R2=0.923 4，RMSE=0.358 9，由此可見左側前懸位移在隨機路譜路面下近似滿足關系式（1），利用同樣的方法可得到其他前懸的位移隨時間變化的關系式。對信號進行頻譜分析，可得到信號帶寬。經分析，前懸位移信號量（自由式換道）峰值頻率接近0.001，遠小于1 Hz，而指令式換道的峰值頻率接近0.2，一般人直立行走時的頻率約為1～1.6 Hz，一般振動都應遠離該頻率，所以，通過頻域分析，指令式換道的頻域特性略差于自由式換道。

若車輛在行駛過程中持續對限位塊產生沖擊，易使懸架結構疲勞工作，降低其壽命，且限位器頻繁受到沖擊，沖擊載荷會直接傳遞給車身，進而對駕駛員產生影響，所以，在行車過程中應盡量避免沖擊限位器。實際上，車輛在換道過程中一般不會沖擊到限位器，但為了使換道更加舒適，設定懸架位移閾值，當懸架位移大于該閾值時即可認定懸架對假想的限位器產生了沖擊，并將沖擊概率作為換道平順性的另一個指標。假設換道過程中有k個樣本點的懸架位移超過了閾值，則將k/N作為懸架沖擊限位器的概率，并設定相應的概率閾值，若大于該閾值即可認定此次換道平順性較差。圖3是2種不同換道方式下懸架位移分布情況。

從圖3中可以看出，2種換道方式下懸架位移均值的差異性不是很明顯，而指令式帶寬明顯大于自由式換道帶寬，表明指令式換道過程中懸架位移的變化離散程度更高。統計大量自由式換道懸架位移分布，并將百分位數 95%作為懸架位移閾值。

車輛的豎直加速度表示車身在豎直方向速度變化大小，間接反映了車身振動的頻率，所以將車身豎直加速度也作為換道平順性的指標。圖4是2種不同換道方式所產生的豎直加速度變化情況。

圖 4表明指令式換道過程中豎直加速度的離散程度高，變化范圍廣。在換道起始階段和終止階段，2種換道方式所產生的加速度均表現出不同程度的波動，但自由式換道的離散化程度明顯低于指令式換道，而在換道中間階段，2種換道方式所產生的加速度變化差異性不明顯。在換道起始和換道終止時駕駛員均是轉動轉向盤偏離中間位置，這 2個階段的豎直加速度主要是由車身側傾運動引起的。

2 換道平順性評價體系

通過以上分析，懸架位移和豎直加速度在 2種換道方式下均表現出一定的差異性，而上述指標容錯能力和抗噪性能較差，信號數值基數小，若將上述單一參數作為評價換道平順性的指標其評價結果難以達到預期，為此，利用卡爾曼濾波器[5-6]對采集到的原始數據進行濾波處理，降低部分噪聲干擾，并通過合理的權值分配，將上述 3個指標進行綜合，以綜合結果來評價換道的平順性能。設懸架位移判定結果為SP1，碰撞假想限位器概率判定結果為 SP2，豎直位移判定結果為SP3，各個指標的權值分別為α，β，γ，則綜合判定結果P為

依據指標與閾值比將各個指標的判定結果劃分為 6個等級，依次是：很舒適（6），較為舒適（5），一般舒適（4），舒適（3），不舒適（2），很不舒適（1）。依據不同權值下評價結果的準確率確定最佳權值，圖 5是不同權值下評價結果的準確率。

最終確定的權值分別為0.4，0.4和0.2，利用測試樣本對評價模型進行評估，測試結果表明評價體系總體有效率為96.85%，評價模型具有很好的分類效果，且對復雜交通環境下的換道樣本具有同樣的分類能力。

3 結束語

換道平順性不僅影響到駕駛員操作舒適性，且對行車安全造成一定影響。現有換道模型中駕駛員控制過于單一化，缺乏統一精確的控制模型，建立合理有效的評價體系不僅能夠為換道模型的精確控制提供參考，且能夠為駕駛員提供最佳的換道決策。為此，采集大量隨機路譜路面下的真車換道樣本，假定自由式換道是駕駛員以最佳舒適方式進行，將實車換道軌跡和換道車速作為Carsim車輛模型的期望輸入，在Carsim中對換道過程中車輛運動參數進行提取分析，并將換道樣本劃分為自由式換道和指令式強制換道，依據 2種換道方式下各個參數變化的差異性確定碰撞限位器概率、懸架位移以及豎直加速度作為換道平順性指標，建立相應的閾值，通過指標與閾值的關系確定此次換道平順性等級。最后采用真車樣本對評價體系進行論證，結果表明：所建立的換道平順性評價體系能夠較為全面地體現駕駛員對姿態舒適感的響應，且該評價體系對復雜環境具有良好的適應性。

[1]李煒，高德芝，段建明.智能車輛自由換道模型研究[J].公路交通科技，2010，27（2）：119-123.

[2]任殿波，張繼業，張京明，等. 智能車輛彎路換道軌跡規劃與橫擺率跟蹤控制[J]. 中國科學技術科學，2011，41（3）：306-317.

[3]江燕華，熊光明，姜巖，等. 基于Carsim和Matlab的智能車輛視覺里程計仿真平臺設計[J]. 機械工程學報，2012，48（22）：113-120.

[4]朱茂桃，邵長征，王國林. 基于Carsim的路面模型重構及車輛平順性仿真分析[J]. 機械設計與制造，2010（10）：78-81.

[5]虞旦，韋魏，張遠輝. 一種基于卡爾曼預測的動態目標跟蹤算法研究[J]. 光電工程，2009，36（1）：52-57.

[6]丁峰，劉艷君，于麗. 基于卡爾曼濾波器思想的時變增益最優觀測器設計[J]. 科學技術與工程，2008，8（15）：4346-4348.

TP391.9：U461.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.005

1002-4581（2015）02-0017-04

2014?12?29