考虑群体操纵特性的方向控制驾驶员模型研究

发布时间：2020-10-30 12:54

　　 随着汽车的普及与发展,驾驶人数量逐年增加,其车辆驾驶水平呈现多样化发展趋势。面对相同的驾驶任务,具有不同驾驶经验或驾驶熟练度的驾驶员通常呈现不同车辆操控表现。如何在汽车的设计阶段就考虑广泛驾驶人员的车辆操纵特点,保证汽车具有出色的易驾驶性能,以此实现广泛驾驶员轻松、舒适以及出色的车辆驾驶表现是当前的研究热点之一。此外,对广泛驾驶人员车辆操纵行为规律的准确把握对未来汽车智能化、人性化发展亦具有重要意义。本文旨在建立一种可以表征广泛驾驶人员车辆转向操纵行为规律的数学模型,即考虑群体操纵特性的方向控制驾驶员模型(简称群体驾驶员转向控制模型),研究并揭示驾驶员群体操纵特性及其对车辆闭环跟随性能的影响,以此为车辆的适应人群能力评价提供了一种仿真分析手段。其中,驾驶员群体操纵特性的内涵解释为:广泛驾驶人员车辆驾驶过程中的操纵行为离散性与随机性,其离散性表征由驾驶员驾驶经验或驾驶熟练度不同的操纵行为差异性,随机性表征由于外界环境干扰与驾驶员自身生理心理偶然性等因素所引起的操纵行为不确定性。本文主要研究内容与结论如下:1.典型驾驶员转向控制行为建模。根据模型预测控制(简称MPC)理论对典型驾驶员的车辆转向控制行为,包括道路预瞄、方向盘转角决策以及方向盘操纵进行数学建模。在道路预瞄建模中,采用多点预瞄策略表征驾驶员观察前方道路获取期望路径信息的过程;在方向盘转角决策建模中,引入以等效侧偏刚度为变量的线性二自由度车辆模型组表征驾驶员对于不同车辆动态特性的认知,并以此作为预测模型,制定了相应MPC转向控制规则;在方向盘操纵建模中,考虑了驾驶员神经肌肉系统的反应滞后效应并采用时间延迟环节表征该延迟特性。通过典型驾驶员转向控制模型研究,揭示了驾驶员车辆转向任务中预瞄、决策以及执行等行为特性,为考虑群体操纵特性的方向控制驾驶员建模奠定基础。2.典型驾驶员转向控制模型求解。依据状态空间法建立典型驾驶员转向控制模型的解析与数值求解方法。在解析法中,通过极值点求导获得最优解析方向盘转角;在数值法中,建立了表征真实驾驶员生理限制等因素的约束条件,并采用一种原对偶-有效集二次规划算法获得最优数值方向盘转角。通过两种算法在不同工况下的对比仿真分析,验证了所述典型驾驶员转向控制模型的有效性,且明确了该模型数值解法在求解精度与速度方面的优越性,为群体驾驶员转向控制模型解算奠定基础。3.群体驾驶员转向控制行为建模。以典型驾驶员转向控制模型为基础,建立刻画广泛驾驶人员操纵行为离散性与随机性的数学模型。其中,以驾驶员对车辆状态的认知特性为切入点,提出一种轮胎侧偏角感知模型。该模型中,驾驶员对车辆侧向动力学的认知行为被具体描述为一种对轮胎侧偏角的感知行为,其感知轮胎侧偏角为服从高斯分布的随机变量,均值对应当前采样时刻的真实轮胎侧偏角,方差表征驾驶员驾驶熟练度与车辆侧向动力学非线性特性。最后,利用真实驾驶员双移线车辆轨道数据对上述轮胎侧偏角模型参数进行了辨识。4.群体驾驶员转向控制模型验证与分析。利用Car Sim-MATLAB/Simulink联合仿真手段,通过不同双移线工况下仿真车辆轨道数据库与真实车辆轨道数据库包络区域、车辆轨道误差统计特征的对比分析,验证了群体驾驶员转向控制模型的有效性,并据此对熟练驾驶人群、一般驾驶人群的车辆转向操纵行为规律进行分析。结果表明,在执行某一相同车辆轨道跟踪任务时,熟练驾驶人群相比一般驾驶人群表现更加精确且稳定;此外,驾驶员车辆轨道跟踪表现会随着车辆侧向动力学非线性的增加而降低。5.基于群体驾驶员转向控制模型的车辆易驾驶性能分析,即依据所提出的群体驾驶员转向控制模型,探索汽车操纵性能适应驾驶人群能力的仿真分析方法。首先,从驾驶安全与车辆闭环响应两方面构建了人车闭环性能评价指标;其次,依据人车闭环仿真试验建立了人车闭环性能评价指标数据库,并通过闭环性能评价指标数据的概率分布与相关统计特性(均值与方差)分析明确了同一车辆其不足转向适应人群能力相较于过多转向适应人群能力更强;最后,通过对车辆质心至后轴距离这一参数进行优化实现了车辆在不足转向特性条件下的最佳适应人群表现。通过本文研究,实现了典型驾驶员车辆转向任务中预瞄、决策以及执行等行为特性的准确刻画,建立了表征广泛驾驶人员操纵行为离散性与随机性的数学模型,为数字化、智能化以及人性化的汽车设计开发奠定理论基础。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：U491.25
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 驾驶员群体操纵特性内涵解释
    1.2 课题研究的提出
    1.3 驾驶员行为建模研究现状
        1.3.1 人车路闭环操纵稳定性驾驶员模型
        1.3.2 群体操纵驾驶员模型
        1.3.3 研究现状总结
    1.4 课题研究工作
第2章 典型驾驶员转向控制行为建模
    2.1 道路预瞄建模
    2.2 方向盘转角决策建模
        2.2.1 车辆状态认知建模
        2.2.2 车辆状态预测建模
        2.2.3 方向盘转角优化建模
    2.3 方向盘操纵建模
    2.4 本章小结
第3章 典型驾驶员转向控制模型求解
    3.1 MPC解析解法
        3.1.1 初始状态空间模型建模
        3.1.2 增广状态空间模型建模
        3.1.3 状态变量与输出变量预测
        3.1.4 极值点求解
    3.2 MPC数值解法
        3.2.1 目标函数构建
        3.2.2 约束条件构建
        3.2.3 约束条件软化
        3.2.4 参数化约束变量
        3.2.5 二次规划求解
    3.3 模型参数的获取
        3.3.1 二自由度车辆模型参数获取
        3.3.2 Uni Tire轮胎模型参数获取
        3.3.3 等效侧偏刚度参数获取
        3.3.4 MPC控制模型参数获取
    3.4 模型仿真验证与分析
    3.5 本章小结
第4章 群体驾驶员转向控制行为建模
    4.1 驾驶员群体操纵特性挖掘
    4.2 侧偏角感知建模
        4.2.1 熟练驾驶员轮胎侧偏角感知模型
        4.2.2 一般驾驶员轮胎侧偏角感知模型
    4.3 模型参数获取
        4.3.1 双移线车辆轨道数据库建立
        4.3.2 双移线车辆轨道数据库包络曲线获取
        4.3.3 基于“3σ”准则的轮胎侧偏角感知模型变换
        4.3.4 模型参数辨识
    4.4 本章小结
第5章 群体驾驶员转向控制模型验证与分析
    5.1 CarSim-MATLAB/Simulink联合仿真平台
        5.1.1 CarSim车辆动力学模型
        5.1.2 MATLAB/Simulink群体驾驶员转向控制模型
        5.1.3 CarSim-MATLAB/Simulink联合仿真接口
    5.2 群体驾驶员转向控制模型仿真验证
    5.3 基于群体驾驶员模型的驾驶员操纵行为规律分析
    5.4 本章小结
第6章 基于群体驾驶员转向控制模型的车辆易驾驶性能分析
    6.1 车辆易驾驶性能分析方法概述
    6.2 人车闭环性能评价指标
        6.2.1 驾驶安全性评价指标
        6.2.2 车辆闭环响应性评价指标
    6.3 车辆易驾驶性能分析
    6.4 基于车辆易驾驶性能的后轴距参数优化
    6.5 本章小结
第7章 全文总结与研究展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢

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本文编号：2862501