駕駛員彎道操縱能力實車測試與分析方法研究*

梁耘瀚 張慧珺 劉斌 羅逍 胡宏宇

（1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.中國第一汽車股份有限公司智能網聯開發院，長春 130013；3.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：駕駛行為 彎道行駛 實車試驗 操縱能力分析

1 前言

駕駛員操縱能力測試分析是提升智能汽車行駛安全與穩定性，使系統高效協調工作的基礎。操縱能力可通過主、客觀兩方面進行分析評價。駕駛員的主觀評價帶有主觀傾向，且測試結束后的問卷打分無法實時反映動態變化情況?？陀^評價以往主要針對車輛運動狀態或駕駛員操縱狀態的量化結果進行評價。同時，駕駛員操縱行為是人-車-路綜合作用的結果，因此，通過逆向分析模仿駕駛員的操控行為來搭建駕駛員模型更容易使自動駕駛汽車達到仿人的目的。

彎道行駛是相對復雜的操縱過程，熟練駕駛員在彎道駕駛中的操縱誤差小、駕駛放松、平穩性更好。Russo 等研究了道路特征對駕駛速度的影響；Hallac等研究表明，不同類型駕駛員的駕駛行為、習慣在彎道處較為明顯；Li等提出了一種以連續機動車狀態為識別參數的駕駛風格精確預測模型；徐進等通過心率增長率研究了轉向盤轉角與轉速、駕駛負荷之間的關系；Scialfa等針對新手駕駛員駕駛特點和心理狀態進行研究，證明了新手駕駛員在特殊駕駛情況下，相比于熟練駕駛員反應時間明顯較長，行駛過程更不平穩；Nakayama 等提出了一種轉向熵法來量化駕駛員的轉向行為工作量?，F有的研究大多通過駕駛模擬器測試駕駛員的操縱行為，缺乏實車場地試驗，特別是缺乏針對復雜彎道操縱工況的行為量化的深入系統分析，因此有必要對該方面的研究進行進一步討論。

基于以上研究背景，本文擬設計實車場地試驗，針對由簡至繁的彎道行駛工況變化，解析不同駕駛能力駕駛員的操縱行為特性。試驗期間采集并對比分析彎道行駛過程中的縱向車速、縱向加速度、縱向急動度、轉向盤轉角、側向加速度、橫擺角速度增益、轉向熵等指標，探討不同駕駛能力駕駛員在彎道行駛過程中的縱向操縱特性與側向操縱特性差異，深入理解彎道駕駛的操縱行為機理，在此基礎上提出駕駛員彎道操縱能力分析方法，為智能汽車個性化彎道控制系統開發與行駛性能的測試評價提供依據。

2 試驗設計

2.1 試驗工況及任務描述

彎道行駛過程中，駕駛員的操控動作呈現規律性，其控制汽車的行為都應以一定的原則為指導，即使汽車的運動盡可能與預期軌跡一致。本文實車場地測試采用大曲率彎道工況，使其具有一定的駕駛難度，能夠在駕駛過程中充分反映不同駕駛能力駕駛員的駕駛特性差異。同時，與標準路寬相比，增大試驗道路寬度以確保安全，降低心理緊張對駕駛員操縱能力的影響?；谝陨峡紤]，在試驗場地以錐桶擺出大曲率半圓形彎道，彎道兩側每隔約5 m 放置一個彩色錐桶，如圖1 所示。本文選取標準化專業試驗場作為試驗場地，道路平坦，路況良好，路面摩擦因數約為0.6。

圖1 實車試驗場地與試驗工況示意

試驗前每位受試駕駛員有20 min 時間操作測試車輛并熟悉駕駛場地。試驗開始后，令駕駛員在彎道入口處分別以30 km/h、40 km/h、50 km/h的初速度進入，駕駛難度由易到難。駕駛員在每一車速下進行2次試驗，以降低試驗結果的偶然性。

2.2 試驗設備

實車試驗平臺為某國產品牌中型SUV，配備2.0 L渦輪增壓發動機和6 擋手自一體變速器。數據采集設備為Vector vn1630a CAN 數據記錄儀。試驗車輛開放了底層電子穩定程序（Electronic Stability Program，ESP）傳感器接口，控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）數據記錄儀可以從車載診斷接口獲取轉向盤轉角、縱向加速度、側向加速度、發動機轉速和橫擺角速度等信號，采樣頻率為1 kHz。

2.3 試驗人員

招募12 名身體狀況良好的男性駕駛員作為受試者，分為普通駕駛員與專業駕駛員2種駕駛員類型。其中，專業駕駛員6人，由整車廠資深底盤測評師擔任，駕齡10 年以上，年均駕駛里程超過1.5×10km；普通駕駛員6 人，均未從事對駕駛技能有要求的職業，駕齡1～5年，年均駕駛里程小于1×10km。所有受試者在駕駛測試前都被要求不應飲酒和服用任何藥物，并接受實車駕駛測試程序的指導。

3 車輛運行狀態對比分析

車輛運行狀態是駕駛員操縱行為的直接結果。通過對不同駕駛能力駕駛員在彎道行駛過程中的縱向操縱特性與側向操縱特性差異進行深入比較分析，可從輸出層面對駕駛行為進行分析描述，并在此基礎上提出駕駛員彎道操縱能力分析方法。車輛運行狀態參數包括縱向車速、縱向加速度、縱向急動度、轉向盤轉角、側向加速度、橫擺角速度增益、轉向熵等指標。

3.1 駕駛員轉彎的縱向特性結果分析

3.1.1 速度特性

圖2所示為車輛在彎道路段的受力分析情況，出現車輛側滑現象需要滿足：

圖2 彎道路段車輛受力情況

式中，、分別為內、外側車輪的法向力；為車輛自身重力；F為橫向附著力；F=/()為彎道行駛時的離心力；為車速；為重力加速度；為轉彎半徑。

發生側滑現象的臨界條件為：

式中，為路面摩擦因數。

從而可得，車輛側滑的臨界速度為：

計算可得本文試驗工況測試車輛側滑臨界速度為44.532 km/h。

圖3所示為在不同入彎速度下，不同駕駛能力的駕駛員在彎道行駛過程中的速度變化情況。由圖3可知：在入彎車速為30 km/h時，在14 s中，專業駕駛員速度下降5.08%，普通駕駛員速度下降22.41%；在入彎車速為40 km/h 時，由于操作難度的提高，行駛車速明顯降低，在12 s 內專業駕駛員速度下降6.35%，普通駕駛員速度下降38.53%；在入彎車速為50 km/h 時，由于駕駛難度進一步提高，在10 s 內，專業駕駛員略有減速且車速變化較為平緩，速度下降29.40%，普通駕駛員大幅度減速駛過彎道，車速變化較為急劇，速度下降57.29%。

圖3 不同入彎速度下的縱向速度特性

專業駕駛員在30 km/h、40 km/h車速進入時基本能保持車速不變駛過整個彎道；在50 km/h車速下入彎時，由于車速超過車輛側滑臨界車速，駕駛難度大幅提高，專業駕駛員小幅降速，以低于側滑臨界車速的速度駛過彎道，而普通駕駛員入彎后通常會采取大幅減速操作以保證行車穩定。普通駕駛員速度分布范圍大，駕駛員操作差異大，彎道行駛時駕駛表現波動較大；專業駕駛員速度分布范圍較小，彎道行駛時行為一致性強，對車輛的操控相似。因此，彎道行駛過程平均縱向車速變化數據可用于分析駕駛員操縱能力。

3.1.2 縱向加速度

在彎道行駛過程中，隨著制動減速度增加，駕駛員的轉向傾向于更劇烈。圖4所示為平均縱向加速度特性曲線，由圖4 可以看出，專業駕駛員的平均縱向加速度均比普通駕駛員更接近零，即專業駕駛員在彎道行駛過程中縱向速度變化更小，控制更穩定。在30 km/h 的入彎速度下，普通駕駛員的平均減速度略大于專業駕駛員，約為0.166 m/s；在40 km/h的入彎速度下，由于駕駛難度提高，此時普通駕駛員需要較為明顯的減速，以順利通過彎道；以50 km/h的車速駛入彎道時，由于駕駛任務難度進一步增加，專業駕駛員和普通駕駛員的平均減速度均比車速較低時明顯增大，普通駕駛員在該工況下需要以較大的減速度將車速降低以安全駛過彎道。

由圖4可知，各車速下專業駕駛員的縱向加速度分布范圍均小于普通駕駛員，專業駕駛員與普通駕駛員的縱向加速度分布范圍均隨著車速的增大而增大，且兩類駕駛員之間的縱向操縱差異增大。結果表明，專業駕駛員對車速變化的控制更平穩，在彎道中行駛能夠維持較小且穩定的減速度，普通駕駛員為保證安全以較大的減速度在彎道中行駛，尤其是在有難度的駕駛任務中，減速度明顯大于專業駕駛員。因此，彎道行駛過程中的縱向加速度變化也可用于分析駕駛員彎道操縱能力。

圖4 不同入彎速度下的縱向加速度特性

3.1.3 縱向急動度

急動度是加速度的變化率，通?？捎米餍旭傔^程中的舒適性指標。圖5所示為縱向急動度曲線，從圖5中可以看出：以30 km/h的速度駛入彎道時，專業駕駛員和普通駕駛員的平均縱向急動度都非常小，接近于零，且波動很小；以40 km/h的速度駛入彎道時，專業駕駛員的平均縱向急動度也接近于零，此時數值存在小的波動，普通駕駛員的平均縱向急動度也存在一定的波動；以50 km/h的速度駛入彎道時，駕駛任務難度增大，專業駕駛員的平均縱向急動度隨之增大，且急動度波動也有所增大，該工況下駕駛員操縱車輛的舒適性與前2種工況相比有所下降，普通駕駛員平均縱向急動度與前2種工況相比明顯增大，波動也更為明顯，該工況的任務難度大，普通駕駛員操縱車輛的舒適性下降明顯。

圖5 不同入彎速度下的縱向急動度特性

總的來說，在各車速下，專業駕駛員操作車輛的平均縱向急動度均略小于普通駕駛員，專業駕駛員駕駛車輛時更平穩舒適；而隨著入彎速度的提高，駕駛任務難度增大，平均縱向急動度也隨之增大，舒適性有所下降。從圖5中分布范圍對比情況可以看出，專業駕駛員的縱向急動度分布范圍較普通駕駛員小。因此，縱向急動度可以用來分析駕駛員的彎道操縱能力。

3.2 駕駛員轉彎的側向特性結果分析

不同于直道工況下車速基本只受油門和制動踏板控制的影響，彎道行駛時汽車行駛狀態還會受到轉向盤控制的影響，增加了駕駛員在彎道中控制車輛的難度，需要縱、側向協同操縱，隨著入彎速度的提高，汽車操作難度會進一步上升。

3.2.1 轉向盤轉角

圖6所示為轉向盤轉角曲線，從圖6a中可以看出，在30 km/h的入彎速度下，專業駕駛員的轉向盤轉角在4 s內快速增大至100°左右，隨后一段時間內保持穩定。這表明，入彎過程中專業駕駛員能夠較為迅速地調整轉向盤使其達到合適的轉角，以適應彎道曲率；而之后的轉彎過程轉向動作穩定，使車輛能夠較好地按照預期軌跡穩態行駛。普通駕駛員入彎過程調整轉向盤較為緩慢，無法準確快速地找到合適的轉向盤轉角以適應彎道曲率，完成彎道行駛任務所需的轉向盤平均轉角峰值大于專業駕駛員，約為170°，整個過程缺少較為穩定的轉向狀態，轉向盤轉角在時序上的分布也比專業駕駛員的更大。

圖6 不同入彎速度下的轉向盤轉角特性

在40 km/h 的入彎速度下，如圖6b 所示，雖然此時駕駛任務難度略有增大，但專業駕駛員仍可快速入彎，使平均轉向盤轉角在4 s 內快速增大至115°左右，隨后處于小范圍修正階段，使車輛能夠按照預期的彎道軌跡通過。普通駕駛員在該工況下轉向盤轉角增大的速度仍然小于專業駕駛員，由于其彎道行駛過程減速度較大，轉彎過程平均轉向盤轉角峰值達到175°，與專業駕駛員差別顯著，且轉向盤轉角分布大于專業駕駛員。

在50 km/h 的入彎速度下，如圖6c 所示，專業駕駛員同樣可實現快速入彎，并較平順地完成轉向操縱，平均轉向盤轉角峰值約為160°。普通駕駛員幾乎無法實現高速過彎，其減速幅度明顯，故轉向盤轉角變化狀態與40 km/h工況下類似，轉向盤轉角分布范圍同樣較大。

結合上述分析，彎道行駛過程中，專業駕駛員與普通駕駛員轉向盤轉角的明顯差異表明，轉向盤轉角變化可用于分析駕駛員彎道操縱能力。

3.2.2 側向加速度

圖7 所示為不同入彎車速下專業駕駛員與普通駕駛員的側向加速度。如圖7a所示，在30 km/h入彎速度下，理論側向加速度約為2.67 m/s，專業駕駛員與普通駕駛員的平均最大側向加速度均十分接近該理論值，2類駕駛員都能理想地完成彎道任務。對比可知，普通駕駛員的側向加速度分布范圍更大，個體間操作差異較大。

從圖7b 中可以看出，在40 km/h 的入彎速度下，理論側向加速度值約為4.75 m/s，專業駕駛員在彎道行駛過程的平均側向加速度高于普通駕駛員。較30 km/h入彎工況，駕駛任務難度有所提高，2 類駕駛員的側向加速度分布范圍都有較明顯的增大，同樣地，普通駕駛員的分布范圍更大，駕駛員個體操作差異性較大。

如圖7c所示，在具有難度的50 km/h入彎速度工況下，車輛易失穩側滑，理論側向加速度約為7.42 m/s，此時，結合前文的分析，為了保證安全地通過彎道，專業駕駛員與普通駕駛員的平均側向加速度均明顯低于該理論值。同時，專業駕駛員在該工況下行駛的平均側向加速度明顯大于普通駕駛員。由于駕駛難度的進一步增大，專業駕駛員與普通駕駛員的側向加速度分布范圍都較大，駕駛員個體間操作差異也都較大。

圖7 不同入彎速度下的側向加速度特性

3.2.3 橫擺角速度

橫擺角速度代表車輛行駛方向的穩定性。圖8 所示為不同入彎車速下的平均橫擺角速度及其分布隨時間變化的關系。如圖8a 所示：在30 km/h 的入彎車速下，專業駕駛員與普通駕駛員的平均橫擺角速度差異不大，專業駕駛員的平均橫擺角速度峰值較普通駕駛員略小；專業駕駛員進入彎道后，平均橫擺角速度可以在一段時間內保持穩定，普通駕駛員的橫擺角速度分布范圍較大，駕駛員個體之間操作差異較明顯。

由圖8b 可知：在40 km/h 的入彎車速下，駕駛任務難度增大，專業駕駛員和普通駕駛員的平均橫擺角速度比30 km/h 時的大；同樣的，專業駕駛員進入彎道后，平均橫擺角速度也可在一段時間內保持相對穩定，專業駕駛員的平均橫擺角速度峰值略小于普通駕駛員，普通駕駛員的橫擺角速度分布范圍更大，個體間操作差異更大。

從圖8c 中可以看出：在50 km/h 的入彎車速下，隨著駕駛任務難度的進一步增大，專業駕駛員的平均橫擺角速度增大，平均橫擺角速度的穩定段不明顯，但也體現出變化的相對平滑性；普通駕駛員由于無法完成高速過彎任務，大幅降低車速才能較為平順地通過彎道，因此，普通駕駛員的平均橫擺角速度均值曲線與40 km/h時類似，且普通駕駛員的橫擺角速度分布范圍明顯更大，駕駛員個體之間操作差異更為明顯。

圖8 不同入彎車速下的橫擺角速度

3.2.4 操縱穩定性

圖9 所示為不同入彎車速下側向操縱橫擺角速度與轉向盤轉角的關聯特性。由圖9a 可以看出，30 km/h入彎速度下，專業駕駛員進入彎道后能將橫擺角速度與轉向盤轉角的關系控制在線性區域內，橫擺角速度-轉向盤轉角的相關性很高，普通駕駛員橫擺角速度-轉向盤轉角線性相關程度略低于專業駕駛員。

從圖9b 中可看出，在40 km/h 的入彎速度下，專業駕駛員同樣可以在進入彎道后將橫擺角速度與轉向盤轉角的關系控制在線性區域內，此時橫擺角速度-轉向盤轉角回歸直線的相關性也很高，系數為0.976 8，而普通駕駛員橫擺角速度-轉向盤轉角回歸直線的相關系數為0.884 4，線性程度略低于專業駕駛員。

圖9c 顯示，在有難度的50 km/h 的入彎速度下，專業駕駛員仍可在進入彎道后將橫擺角速度與轉向盤轉角的關系控制在線性區域內，橫擺角速度-轉向盤轉角曲線的回歸直線的相關性很高，系數為0.976 2。專業駕駛員經驗豐富，對于車輛運動特性、橫擺位姿更為了解，進而有更快、更精準的操縱響應，能進行主動轉向調整。普通駕駛員橫擺角速度-轉向盤轉角回歸直線的相關系數為0.774 5，線性程度明顯低于專業駕駛員。普通駕駛員對于高速過彎的車輛運動狀態不甚了解，操作控制精度較低。因此，通過實車試驗，從入彎、出彎的橫擺角速度-轉向盤轉角的關聯特性參數數值分析來看，彎道行駛過程中專業駕駛員與普通駕駛員的操作差異顯著，橫擺角速度與轉向盤轉角關聯特性可用于分析評價駕駛員彎道操縱能力。

圖9 不同入彎車速下側向操縱橫擺角速度-轉向盤轉角關聯特性

3.3 轉向熵

轉向熵法用于量化駕駛員轉向行為的平穩程度，駕駛員的操縱控制越平穩，轉向熵越小。從轉向角數據的時間歷程中獲得轉向熵，使用當前待求時刻的前3個時間步長的轉向角(-3)、(-2)、(-1)對時間(-1)的二階泰勒展開獲得當前時刻的預測轉向角()（即如果非常平穩地執行轉向，可能獲得的轉向角）：

實際轉向角()和()間的差值定義為預測誤差()：

預測誤差頻率分布的90 百分位值記為，根據將預測誤差的頻率分布以-5、-2.5、-、-0.5、0.5、、2.5、5劃分為9 個區域，p(=1,2,3,…,9)表示預測誤差()在第個區域的比例，則轉向熵計算公式為：

圖10所示為不同車速下專業與普通駕駛員的彎道過程轉向熵對比，從圖10 可知，2 類駕駛員在3 個不同入彎速度時的轉向熵隨著入彎速度的增大而增加，說明隨著駕駛任務難度的增加，2類駕駛員的操縱平穩程度都略有下降。專業駕駛員轉向熵在0.40～0.60范圍內變化，普通駕駛員轉向熵在0.42～0.70范圍內變化，普通駕駛員的轉向熵隨入彎速度的增加呈現更明顯的增大趨勢。在0.05的置信水平下，專業駕駛員和普通駕駛員的轉向熵存在顯著差異。獨立樣本檢驗結果為：30 km/h時，=0.015 1＜0.05；40 km/h 時，=0.013 2＜0.05；50 km/h時，=0.012 4＜0.05。因此，轉向熵法可用于分析評價駕駛員彎道操縱能力差異。

圖10 不同車速下專業與普通駕駛員的彎道過程轉向熵

4 結束語

本研究的出發點是通過在實際車輛試驗中的不同速度條件的彎道駕駛事件中提取車輛操控數據，研究車輛運動狀態，探究駕駛員彎道操縱能力差異的分析方法。通過設計實車場地試驗，采集并對比分析普通駕駛員和專業駕駛員的縱向操縱特性和側向操縱特性差異，提出駕駛員彎道操縱能力分析方法。結果表明：普通駕駛員和專業駕駛員彎道行駛過程中的縱向速度、縱向加速度、縱向急動度、轉向盤轉角、側向加速度、橫擺角速度、轉向熵值指標有明顯差異，上述指標可以用于分析駕駛員彎道操縱能力。

本文通過縱向減速特性、側向操縱穩定性方面的分析，客觀評價了不同類型駕駛員的操縱能力，研究結果可為個性化駕駛研究提供技術支撐。為此，下一步將在更多路況下對研究內容進行驗證和完善，同時將本文方法擴展應用于自動駕駛汽車行駛性能的測試評價方面。