孔昕昕，鄧召文，余思家，易強(qiáng)，金永輝

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 十堰442002）

駕駛員模型研究初期，主要將駕駛員模型看成是駕駛員對(duì)車輛的操縱行為，為了獲得理想的運(yùn)動(dòng)軌跡不斷調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角。20世紀(jì)50年代國外研究人員首次提出駕駛員模型概念，主要針對(duì)方向控制駕駛員模型進(jìn)行研究。Donges 提出一種雙層駕駛員模型［1］，由開環(huán)預(yù)瞄控制和閉環(huán)補(bǔ)償控制2個(gè)環(huán)節(jié)組成，而后Johannes［2］在此基礎(chǔ)上加入了預(yù)瞄曲率的輸入，進(jìn)一步改進(jìn)了駕駛員模型。1982 年我國郭孔輝院士在MacAdam 提出的“最優(yōu)預(yù)瞄模型”［3］基礎(chǔ)上提出了“預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型”［4］。馬軍等人在郭孔輝院士的基礎(chǔ)上采用模糊PID控制，建立加速度反饋?zhàn)赃m應(yīng)模糊PID控制駕駛員模型［5］。劉晉霞［6］針對(duì)駕駛員模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析論證，并對(duì)未來的駕駛員模型發(fā)展進(jìn)行了展望。文中根據(jù)恒定橫擺角速度假設(shè)，建立單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型，再根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，設(shè)計(jì)了滑?？刂岂{駛員模型，在聯(lián)合仿真環(huán)境下對(duì)所建駕駛員模型的路徑跟蹤性和操縱穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 二自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型

選取二自由度車輛為參考模型，狀態(tài)方程為

式中：m為整車質(zhì)量；νx為縱向車速；Iz為汽車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Cf為前輪等效側(cè)偏剛度；Cr為后輪等效側(cè)偏剛度；a為質(zhì)心到前軸距離；b為質(zhì)心到后軸距離；β為質(zhì)心側(cè)偏角；δ為前輪轉(zhuǎn)角；ω為橫擺角速度。汽車處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，ω為定值［7］，此時(shí)v?和ω?均為0，由式（1）得穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益為

2 單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型

假設(shè)一段時(shí)間內(nèi)橫擺角速度保持不變［8］，因?yàn)槠嚳v向車速遠(yuǎn)大于側(cè)向車速，認(rèn)為其合速度保持不變，且方向始終與目標(biāo)軌跡相切，汽車做圓周運(yùn)動(dòng)。圖1為恒定橫擺角速度的車輛軌跡，其中點(diǎn)G為當(dāng)前時(shí)刻的質(zhì)心位置，點(diǎn)P為目標(biāo)軌跡上的預(yù)瞄點(diǎn)，Δf為預(yù)瞄偏差。由圖1可得點(diǎn)C的橫向偏差為

圖1 恒定橫擺角速度的車輛軌跡

3 滑?？刂岂{駛員模型

滑模控制器因其自身特點(diǎn)可以克服擾動(dòng)和不穩(wěn)定因素對(duì)車輛行駛穩(wěn)定性的影響［9］，因此采用滑?？刂破鲗?duì)汽車橫擺角速度進(jìn)行控制，控制誤差為

式中：δ1為滑?？刂频那拜嗈D(zhuǎn)角。滑?？刂岂{駛員模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 滑?？刂岂{駛員模型結(jié)構(gòu)圖

4 仿真試驗(yàn)

在Simulink 中搭建上述單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型及滑?？刂岂{駛員模型，并聯(lián)合CarSim 進(jìn)行聯(lián)合仿真。根據(jù)ISO3888—1：1999進(jìn)行雙移線試驗(yàn)，設(shè)定路面附著系數(shù)為0.8,分別以車速為30 km·h?1和80 km·h?1進(jìn)行試驗(yàn)分析。在駕駛員模型中，預(yù)瞄時(shí)間一般取0.5～2 s 之間［10］，經(jīng)過對(duì)不同車速選取不同預(yù)瞄時(shí)間的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終選取30 km·h?1工況的預(yù)瞄時(shí)間為0.7 s，80 km·h?1工況的預(yù)瞄時(shí)間為0.6 s。車輛仿真參數(shù)如表1所示，iSW為轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比。

表1 車輛仿真參數(shù)表

1）30 km·h-1雙移線工況 車速為30 km·h?1時(shí)仿真結(jié)果如圖3a～3d 所示。由圖3a～3b 可知，所建立的單點(diǎn)預(yù)瞄模型和滑?？刂岂{駛員模型的行駛軌跡圖像與目標(biāo)軌跡都有很好的擬合度，且最大的側(cè)向偏差均未超過0.18 m，可見2個(gè)駕駛員模型在低速工況都有較好的路徑跟蹤性。由圖3a～3d可知，2 個(gè)駕駛員模型方向盤轉(zhuǎn)角均保持在-45～45°之間，與CarSim 自帶駕駛員模型變化趨勢(shì)一致，操縱穩(wěn)定；質(zhì)心側(cè)偏角在-1.2～1.2°之間，相比于CarSim 自帶模型質(zhì)心側(cè)偏角變化范圍小，可見單點(diǎn)預(yù)瞄模型與滑?？刂岂{駛員模型在低速工況均有較好的操縱穩(wěn)定性。

2）80 km·h-1雙移線工況 車速為80 km·h?1時(shí)仿真對(duì)比如圖3e～3h 所示。由圖3e～3f 可知，單點(diǎn)預(yù)瞄模型和滑模控制駕駛員模型的行駛軌跡圖像與目標(biāo)軌跡都有一定偏差，單點(diǎn)預(yù)瞄模型偏差更加明顯，最大側(cè)向偏差約為0.74 m，而滑?？刂岂{駛員模型側(cè)向偏差較小，約為0.58 m。滑?？刂岂{駛員模型的側(cè)向偏差比CarSim自帶駕駛員模型的側(cè)向偏差更小，說明滑?？刂岂{駛員模型與Car-Sim 自帶駕駛員模型相比具有更好的路徑跟蹤性能。由圖3g～3h可知，單點(diǎn)預(yù)瞄模型與滑?？刂岂{駛員模型的方向盤轉(zhuǎn)角為-50～40°，與CarSim 自帶駕駛員模型變化趨勢(shì)一致，最大偏差10°左右；質(zhì)心側(cè)偏角為-0.18～0.12°，與CarSim 模型最大偏差0.1°左右，可見所建的單點(diǎn)預(yù)瞄模型與滑?？刂岂{駛員模型在高速是都具有較好的操縱穩(wěn)定性。

圖3 不同工況下的仿真結(jié)果

5 結(jié)論

通過聯(lián)合仿真對(duì)所建駕駛員模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，所建單點(diǎn)預(yù)瞄模型與滑?？刂岂{駛員模型在低速和高速工況均具有較好的路徑跟蹤性和操縱穩(wěn)定性，特別是滑?？刂岂{駛員模型在高速工況下比CarSim自帶駕駛員模型的路徑跟蹤性能更好，控制效果更優(yōu)。