基于速度策略的縱橫向駕駛員模型＊

謝 東

（安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232000）

前言

隨著智能輔助駕駛的迅速發展，“人機共駕”成為國內外學者研究的熱門方向。在人機共駕實驗及性能評價中，由于條件限制，大多采用仿真形式進行，因而其中“人”即駕駛員模型的建立成為研究人機共駕機理的重要一環。

郭孔輝[1]院士提出經典“預瞄—跟隨”理論，揭示了駕駛員以最小誤差為原則的特性，基于最優曲率控制實現駕駛員模型對路徑的良好跟隨。丁海濤[2]等在“預瞄—跟隨”理論基礎上，引入加速度反饋，補償橫向跟蹤誤差，同時建立以節氣門為控制對象的縱向駕駛員模型，實現縱橫向解耦控制。Chao W[3]等基于駕駛員的視覺特性與決策意愿，表征駕駛風格與駕駛能力，設計了多點多目標決策模型，反映了同駕駛員的駕駛行為。

本文基于單點預瞄理論，依據預瞄誤差以方向盤為控制對象，設計橫向駕駛員模型。利用彎道半徑制定速度策略，基于縱向加速度反饋，以節氣門開度與主缸壓力為控制對象，設計縱向駕駛員模型。最后通過Simulink/CarSim聯合仿真驗證模型縱橫向跟隨性能。

1 橫向駕駛員模型

某時刻汽車橫向位置y（t），期望路徑f（t），預瞄時間T后跟隨期望路徑則：

理想橫向加速度為：

此時駕駛員最佳方向盤轉角為：

式中Gay為加速度增益。

同時考慮駕駛員反應時間td和神經-肌肉延遲th，其傳遞函數為：

2 縱向駕駛員模型

2.1 速度策略

在汽車控制過程中，為保證汽車穩定性，面對不同半徑的彎道，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。

為保證平穩通過彎道，進入彎道前10m需達到入彎所需速度。

2.2 縱向控制策略

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

駕駛員對車速的跟蹤，通過對加速度的控制來實現。當期望車速為vx，實際車速為ux時，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，驅動模塊以節氣門開度為控制量，制動模塊以主缸壓力為控制量。驅動階段使用PID控制理想節氣門開度：

Kp、Ki、Kd可在仿真時調節參數。

制動階段通過期望加速度計算期望主缸壓力[4]P*，由制動系統控制獲得實際的制動壓力：

式中M為汽車質量，f為滾動摩擦系數；Kb為制動力與主缸壓力比值，取1185。

綜合橫向與縱向駕駛員模型，結合速度策略，同時考慮駕駛員反應與操作滯后，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，道路最大轉彎半徑為40m，最小為8m，路面附著系數為0.85，起始速度為40km/h。

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

圖2 路徑跟蹤與速度跟蹤

4 結論

基于速度策略的縱橫向駕駛員模型能準確跟蹤任意轉彎半徑的道路，同時對縱向車速也有良好的跟隨性能。