基于速度策略的纵横向驾驶员模型＊

谢 东

（安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232000）

前言

随着智能辅助驾驶的迅速发展，“人机共驾”成为国内外学者研究的热门方向。在人机共驾实验及性能评价中，由于条件限制，大多采用仿真形式进行，因而其中“人”即驾驶员模型的建立成为研究人机共驾机理的重要一环。

郭孔辉[1]院士提出经典“预瞄—跟随”理论，揭示了驾驶员以最小误差为原则的特性，基于最优曲率控制实现驾驶员模型对路径的良好跟随。丁海涛[2]等在“预瞄—跟随”理论基础上，引入加速度反馈，补偿横向跟踪误差，同时建立以节气门为控制对象的纵向驾驶员模型，实现纵横向解耦控制。Chao W[3]等基于驾驶员的视觉特性与决策意愿，表征驾驶风格与驾驶能力，设计了多点多目标决策模型，反映了同驾驶员的驾驶行为。

本文基于单点预瞄理论，依据预瞄误差以方向盘为控制对象，设计横向驾驶员模型。利用弯道半径制定速度策略，基于纵向加速度反馈，以节气门开度与主缸压力为控制对象，设计纵向驾驶员模型。最后通过Simulink/CarSim联合仿真验证模型纵横向跟随性能。

1 横向驾驶员模型

某时刻汽车横向位置y（t），期望路径f（t），预瞄时间T后跟随期望路径则：

理想横向加速度为：

此时驾驶员最佳方向盘转角为：

式中Gay为加速度增益。

同时考虑驾驶员反应时间td和神经-肌肉延迟th，其传递函数为：

2 纵向驾驶员模型

2.1 速度策略

在汽车控制过程中，为保证汽车稳定性，面对不同半径的弯道，驾驶员有不同的速度选择。通常驾驶员选择在半径较小的弯道提前减速，对于直道则选择加速至较高车速通过。

定义速度策略：

式中R为弯道半径，v为车速。

为保证平稳通过弯道，进入弯道前10m需达到入弯所需速度。

2.2 纵向控制策略

汽车纵向控制即是驾驶员对车速的控制，加速阶段驾驶员通过踩油门踏板控制节气门开度获得加速度，制动阶段驾驶员通过踩制动踏板控制主缸压力获得减速度。

驾驶员对车速的跟踪，通过对加速度的控制来实现。当期望车速为vx，实际车速为ux时，理想加速度a*x表示为：

在纵向驾驶员模型中引入纵向加速度反馈，驱动模块以节气门开度为控制量，制动模块以主缸压力为控制量。驱动阶段使用PID控制理想节气门开度：

Kp、Ki、Kd可在仿真时调节参数。

制动阶段通过期望加速度计算期望主缸压力[4]P*，由制动系统控制获得实际的制动压力：

式中M为汽车质量，f为滚动摩擦系数；Kb为制动力与主缸压力比值，取1185。

综合横向与纵向驾驶员模型，结合速度策略，同时考虑驾驶员反应与操作滞后，得到图1的纵横向驾驶员模型。

图1 纵横向驾驶员模型

3 仿真分析

仿真工况：在CarSim中搭建多弯道路面仿真场景，道路最大转弯半径为40m，最小为8m，路面附着系数为0.85，起始速度为40km/h。

仿真结果如图2，（a）图中极限工况下横向误差平均约0.3m，瞬时最大横向误差为1.05m，（b）图中短时加减速中，瞬时最大车速误差为4km/h，对车速突变有良好跟随性。

图2 路径跟踪与速度跟踪

4 结论

基于速度策略的纵横向驾驶员模型能准确跟踪任意转弯半径的道路，同时对纵向车速也有良好的跟随性能。