李 健，張亞岐

隨機(jī)路譜下?lián)Q道平順性仿真分析

李 健1，張亞岐2

Li Jian1，Zhang Yaqi2

（1.公安部道路交通安全研究中心，北京 100062；2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056 ）

針對(duì)換道模型難以精確控制以及缺乏統(tǒng)一的換道平順性評(píng)價(jià)體系，提出以碰撞限位器概率、懸架位移以及豎直加速度為指標(biāo)對(duì)換道平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，建立評(píng)價(jià)體系。結(jié)果表明：所建立的換道平順性評(píng)價(jià)體系能夠較為全面的體現(xiàn)駕駛員對(duì)姿態(tài)舒適感的響應(yīng)，且該評(píng)價(jià)體系對(duì)復(fù)雜環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。

換道；平順性；指標(biāo)體系；真車換道樣本；Carsim

0 引 言

換道作為交通流仿真主要的微觀模型之一，對(duì)其精確控制是深入分析交通流的必要前提。換道過程包含人、車、路等復(fù)雜的不可控因子，換道過程中平順性分析對(duì)建立精確換道模型尤為重要，車輛自身姿態(tài)變化參數(shù)以及道路參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取，且獲取成本較高，因此，建立有效的換道平順性評(píng)價(jià)體系是深入開展換道模型研究的必要前提。由于傳統(tǒng)換道模型在換道過程中存在側(cè)向加速度過大或者躍變以及換道軌跡不連續(xù)的問題，李煒等人在 4段式換道基礎(chǔ)上，提出自由換道軌跡曲線函數(shù)，為保證軌跡的連續(xù)性，采用 B樣條曲線對(duì)換道軌跡進(jìn)行規(guī)劃，并給出相應(yīng)的模型評(píng)價(jià)參數(shù)[1]。任殿波對(duì)換道過程期望側(cè)向加速度作了正反梯形的假設(shè)，根據(jù)原始車道與目標(biāo)車道曲率變化的差異性，提出彎道換道軌跡規(guī)劃的方法，建立相應(yīng)的車輛動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)車輛期望運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)計(jì)算出期望的橫擺角、角速度和角加速度，采用非奇異終端滑膜控制方法實(shí)現(xiàn)橫擺角速度的跟蹤，在李雅普諾夫穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，采用相平面法對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間收斂性進(jìn)行分析[2]。以上算法大部分基于智能車，將換道過程進(jìn)行單一化處理，缺乏廣泛的適應(yīng)性，且未充分考慮換道過程的平順性和操作舒適性，難以建立精確的控制模型。而換道平順性是換道過程中不可或缺的因素，為此，文中在真車試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建以回彈限位器概率、懸架撓度以及豎直加速度為指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系。假定駕駛員每次自由換道是以最佳的姿態(tài)進(jìn)行，并采集大量的換道樣本，將自由式換道軌跡和車速作為模型的期望輸入，在Carsim中對(duì)換道過程參數(shù)進(jìn)行分析，依據(jù)各個(gè)參數(shù)的變化特征建立換道平順性評(píng)價(jià)體系，并作出相應(yīng)的論證。

1 換道過程參數(shù)分析

1.1 換道過程界定

換道一般可分為強(qiáng)制式和自由式。自由式換道是駕駛員以最舒適的方式進(jìn)行，換道過程不受第三方干預(yù)；指令性的強(qiáng)制性換道是駕駛員在聽到換道指令后而采取換道，其操作行為受外部指令的強(qiáng)制性干預(yù)，該過程與駕駛員期望的換道過程存在較大的差異性，此過程是與自由式換道相對(duì)的換道方式。2種換道方式的界定過程如圖 1所示。

圖中p0點(diǎn)是駕駛員認(rèn)定應(yīng)該換道的起始點(diǎn)，p1點(diǎn)是指令式強(qiáng)制換道的起始點(diǎn)，當(dāng)然p1也可在p0點(diǎn)前，強(qiáng)制式換道的起始點(diǎn)不確定，具有隨機(jī)性。當(dāng)前道路環(huán)境得到極大改善，路面不平度大大降低，在試驗(yàn)過程中假定路譜是隨機(jī)變化的。

1.2 參數(shù)分析和指標(biāo)確定

車輛換道過程中受路面不平度影響，車輛左右車輪跳動(dòng)的差異性導(dǎo)致車輛產(chǎn)生側(cè)傾以及俯仰運(yùn)動(dòng)，若運(yùn)動(dòng)過程過于劇烈會(huì)使駕駛員的生理特征指標(biāo)偏離正常值，容易導(dǎo)致駕駛員操作異常和產(chǎn)生不適感，進(jìn)而影響行車安全。通過分析換道過程車身各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化情況，確定合理的換道平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立更為精確的換道模型，為車載換道輔助系統(tǒng)的精確控制提供參考。將真實(shí)換道樣本的換道路徑以及換道車速作為Carsim[3-4]車輛模型的輸入，通過仿真獲取車輛相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。圖 2是換道過程中前懸的位移變化情況。

從圖 2可以看出，在換道起始階段左右前懸位移變化的差異性較為明顯，整個(gè)過程左右懸架位移基本保持一致。整個(gè)換道過程中，自由式換道左右前懸的位移差異性相對(duì)較小，而指令式換道較大。特別是在第2 s時(shí)，指令式換道的左右前懸位移出現(xiàn)了較大差異，此時(shí)車身會(huì)出現(xiàn)明顯側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。車輛實(shí)際行駛過程中，前懸左右位移的不對(duì)稱會(huì)使車輛產(chǎn)生較大的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，側(cè)傾運(yùn)動(dòng)過大會(huì)使駕駛員產(chǎn)生不適，并影響到車輛與路面的接觸面積，影響車輪的附著力，從而對(duì)車輛的操穩(wěn)性以及制動(dòng)性造成影響。懸架左右位移的對(duì)稱性直接影響到行車安全，為此，將懸架左右位移的對(duì)稱性作為換道平順性的一個(gè)指標(biāo)。假設(shè)整個(gè)換道過程形成N個(gè)樣本點(diǎn)，這N個(gè)樣本點(diǎn)構(gòu)成N維向量，L1、R1分別為前懸的位移向量，將2個(gè)向量之間的距離（向量的 2范數(shù)）作為換道平順性的定量指標(biāo)。

根據(jù)信號(hào)疊加原理，對(duì)圖 2中前懸位移進(jìn)行擬合分析，左前懸架位移的擬合關(guān)系式如下

擬合后SSE=65.57，R2=0.925 1，調(diào)整R2=0.923 4，RMSE=0.358 9，由此可見左側(cè)前懸位移在隨機(jī)路譜路面下近似滿足關(guān)系式（1），利用同樣的方法可得到其他前懸的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系式。對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可得到信號(hào)帶寬。經(jīng)分析，前懸位移信號(hào)量（自由式換道）峰值頻率接近0.001，遠(yuǎn)小于1 Hz，而指令式換道的峰值頻率接近0.2，一般人直立行走時(shí)的頻率約為1～1.6 Hz，一般振動(dòng)都應(yīng)遠(yuǎn)離該頻率，所以，通過頻域分析，指令式換道的頻域特性略差于自由式換道。

若車輛在行駛過程中持續(xù)對(duì)限位塊產(chǎn)生沖擊，易使懸架結(jié)構(gòu)疲勞工作，降低其壽命，且限位器頻繁受到?jīng)_擊，沖擊載荷會(huì)直接傳遞給車身，進(jìn)而對(duì)駕駛員產(chǎn)生影響，所以，在行車過程中應(yīng)盡量避免沖擊限位器。實(shí)際上，車輛在換道過程中一般不會(huì)沖擊到限位器，但為了使換道更加舒適，設(shè)定懸架位移閾值，當(dāng)懸架位移大于該閾值時(shí)即可認(rèn)定懸架對(duì)假想的限位器產(chǎn)生了沖擊，并將沖擊概率作為換道平順性的另一個(gè)指標(biāo)。假設(shè)換道過程中有k個(gè)樣本點(diǎn)的懸架位移超過了閾值，則將k/N作為懸架沖擊限位器的概率，并設(shè)定相應(yīng)的概率閾值，若大于該閾值即可認(rèn)定此次換道平順性較差。圖3是2種不同換道方式下懸架位移分布情況。

從圖3中可以看出，2種換道方式下懸架位移均值的差異性不是很明顯，而指令式帶寬明顯大于自由式換道帶寬，表明指令式換道過程中懸架位移的變化離散程度更高。統(tǒng)計(jì)大量自由式換道懸架位移分布，并將百分位數(shù) 95%作為懸架位移閾值。

車輛的豎直加速度表示車身在豎直方向速度變化大小，間接反映了車身振動(dòng)的頻率，所以將車身豎直加速度也作為換道平順性的指標(biāo)。圖4是2種不同換道方式所產(chǎn)生的豎直加速度變化情況。

圖 4表明指令式換道過程中豎直加速度的離散程度高，變化范圍廣。在換道起始階段和終止階段，2種換道方式所產(chǎn)生的加速度均表現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)，但自由式換道的離散化程度明顯低于指令式換道，而在換道中間階段，2種換道方式所產(chǎn)生的加速度變化差異性不明顯。在換道起始和換道終止時(shí)駕駛員均是轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤偏離中間位置，這 2個(gè)階段的豎直加速度主要是由車身側(cè)傾運(yùn)動(dòng)引起的。

2 換道平順性評(píng)價(jià)體系

通過以上分析，懸架位移和豎直加速度在 2種換道方式下均表現(xiàn)出一定的差異性，而上述指標(biāo)容錯(cuò)能力和抗噪性能較差，信號(hào)數(shù)值基數(shù)小，若將上述單一參數(shù)作為評(píng)價(jià)換道平順性的指標(biāo)其評(píng)價(jià)結(jié)果難以達(dá)到預(yù)期，為此，利用卡爾曼濾波器[5-6]對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，降低部分噪聲干擾，并通過合理的權(quán)值分配，將上述 3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合，以綜合結(jié)果來評(píng)價(jià)換道的平順性能。設(shè)懸架位移判定結(jié)果為SP1，碰撞假想限位器概率判定結(jié)果為 SP2，豎直位移判定結(jié)果為SP3，各個(gè)指標(biāo)的權(quán)值分別為α，β，γ，則綜合判定結(jié)果P為

依據(jù)指標(biāo)與閾值比將各個(gè)指標(biāo)的判定結(jié)果劃分為 6個(gè)等級(jí)，依次是：很舒適（6），較為舒適（5），一般舒適（4），舒適（3），不舒適（2），很不舒適（1）。依據(jù)不同權(quán)值下評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確率確定最佳權(quán)值，圖 5是不同權(quán)值下評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確率。

最終確定的權(quán)值分別為0.4，0.4和0.2，利用測(cè)試樣本對(duì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)估，測(cè)試結(jié)果表明評(píng)價(jià)體系總體有效率為96.85%，評(píng)價(jià)模型具有很好的分類效果，且對(duì)復(fù)雜交通環(huán)境下的換道樣本具有同樣的分類能力。

3 結(jié)束語

換道平順性不僅影響到駕駛員操作舒適性，且對(duì)行車安全造成一定影響?，F(xiàn)有換道模型中駕駛員控制過于單一化，缺乏統(tǒng)一精確的控制模型，建立合理有效的評(píng)價(jià)體系不僅能夠?yàn)閾Q道模型的精確控制提供參考，且能夠?yàn)轳{駛員提供最佳的換道決策。為此，采集大量隨機(jī)路譜路面下的真車換道樣本，假定自由式換道是駕駛員以最佳舒適方式進(jìn)行，將實(shí)車換道軌跡和換道車速作為Carsim車輛模型的期望輸入，在Carsim中對(duì)換道過程中車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行提取分析，并將換道樣本劃分為自由式換道和指令式強(qiáng)制換道，依據(jù) 2種換道方式下各個(gè)參數(shù)變化的差異性確定碰撞限位器概率、懸架位移以及豎直加速度作為換道平順性指標(biāo)，建立相應(yīng)的閾值，通過指標(biāo)與閾值的關(guān)系確定此次換道平順性等級(jí)。最后采用真車樣本對(duì)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行論證，結(jié)果表明：所建立的換道平順性評(píng)價(jià)體系能夠較為全面地體現(xiàn)駕駛員對(duì)姿態(tài)舒適感的響應(yīng)，且該評(píng)價(jià)體系對(duì)復(fù)雜環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。

[1]李煒，高德芝，段建明.智能車輛自由換道模型研究[J].公路交通科技，2010，27（2）：119-123.

[2]任殿波，張繼業(yè)，張京明，等. 智能車輛彎路換道軌跡規(guī)劃與橫擺率跟蹤控制[J]. 中國科學(xué)技術(shù)科學(xué)，2011，41（3）：306-317.

[3]江燕華，熊光明，姜巖，等. 基于Carsim和Matlab的智能車輛視覺里程計(jì)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（22）：113-120.

[4]朱茂桃，邵長征，王國林. 基于Carsim的路面模型重構(gòu)及車輛平順性仿真分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（10）：78-81.

[5]虞旦，韋魏，張遠(yuǎn)輝. 一種基于卡爾曼預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤算法研究[J]. 光電工程，2009，36（1）：52-57.

[6]丁峰，劉艷君，于麗. 基于卡爾曼濾波器思想的時(shí)變?cè)鲆孀顑?yōu)觀測(cè)器設(shè)計(jì)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8（15）：4346-4348.

TP391.9：U461.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.005

1002-4581（2015）02-0017-04

2014?12?29