汽車系統(tǒng)動力學(xué)第14章-駕駛?cè)四Ｐ团c車輛操縱品質(zhì)評價課件

1、第十四章駕駛?cè)四Ｐ团c車輛操縱品質(zhì)評價第一節(jié) 概述 第二節(jié) 駕駛?cè)丝刂葡碌能囕v運動 第三節(jié) 駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)辨識 第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操作評價第一節(jié) 概述輛操縱穩(wěn)定性研究中,由于對駕駛?cè)颂匦匀狈镜恼J(rèn)識,人們通常僅關(guān)注汽車對一定的轉(zhuǎn)向盤輸入的響應(yīng)如何(即開環(huán)評價),卻難以判定整個人-車系統(tǒng)的性能如何(即閉環(huán)評價)。在前面的章節(jié)中已經(jīng)介紹了車輛本身固有的動態(tài)特性,但其中并未考慮駕駛?cè)酥鲃訉囕v施加有目的的控制輸入下(即在轉(zhuǎn)向、加速和制動操作作用下)車輛產(chǎn)生的側(cè)向、橫擺運動、俯仰和垂向運動。而實際上駕駛?cè)送鶗鶕?jù)對這些運動的感知給車輛施加適當(dāng)?shù)牟僮鱽砜刂栖囕v運動,以確保車輛按其駕駛意圖正確

2、行駛并實現(xiàn)期望路徑。因此,有必要理解當(dāng)駕駛?cè)烁鶕?jù)車輛的運動狀態(tài)有意圖地對其施加轉(zhuǎn)向輸入時車輛是如何運動的。第一節(jié) 概述從另一方面看,隨著車輛智能化的提升,主動控制應(yīng)是提升車輛操縱穩(wěn)定性及安全化的有效途徑。由駕駛?cè)诉M(jìn)行主觀評價的車輛操縱穩(wěn)定性可以通過主動控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié),但是由于人(尤其是普通駕駛?cè)?的主觀評價所依賴的感覺不可避免地會受心理和感知等主觀因素的影響,其結(jié)果雖然定性可靠卻難以量化。因此,尋求一種可定量預(yù)測與評價車輛操縱穩(wěn)定性的通用方法很有必要。值得注意的是,目前人們對操縱穩(wěn)定性的評價及其與車輛設(shè)計和控制參數(shù)的關(guān)系仍未明確,因而尚無可直接應(yīng)用于車輛的設(shè)計和開發(fā)中的通用方法。最近,有學(xué)者提

3、出了一些方法,用于研究車輛操縱特性和操縱品質(zhì)評價及其關(guān)系,并試圖建立兩者的定量關(guān)系。此外,由于對駕駛?cè)瞬倏v車輛行為的研究對研發(fā)更加安全、高效、舒適的路面車輛(尤其是在自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)以及智能交通等研究領(lǐng)域)很有必要,因此駕駛?cè)四Ｐ驮谲囕v閉環(huán)系統(tǒng)研究中的地位相當(dāng)重要1。第二節(jié) 駕駛?cè)丝刂葡碌能囕v運動一、駕駛?cè)丝刂菩袨槊枋鐾ㄟ^對人的操縱行為進(jìn)行仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),人的行為因素還是存在一些規(guī)律的。這里,可以根據(jù)控制工程中常用的“黑箱”概念來推導(dǎo)人作為控制器的行為規(guī)律模型。常見的是,將人的控制行為視為一個連續(xù)的線性反饋控制并以傳遞函數(shù)表示2。第二節(jié) 駕駛?cè)丝刂葡碌能囕v運動這里需要指出的是,作為控制器的駕

4、駛?cè)擞袆e于其他通?？刂葡到y(tǒng)的是,體現(xiàn)在H(s)中的參數(shù)可在一定的范圍內(nèi)變動以提高其自適應(yīng)性。實際上,人可以輕松地改變其比例因子h,但其他參數(shù)則受一定的局限,特別是增加微分動作對人而言并不輕松,如果控制目標(biāo)需要強微分動作并達(dá)到一定程度的情況下,一般人也不再有執(zhí)行能力?；蛟S可以這樣說,作為控制器,人可以輕松、長時間、連續(xù)地操作的動作是比例控制,再加上很弱的微分或積分動作。第二節(jié) 駕駛?cè)丝刂葡碌能囕v運動二、一個基本的駕駛?cè)四Ｐ捅竟?jié)將對上述關(guān)于人的控制行為進(jìn)一步細(xì)化,在此只考慮通過轉(zhuǎn)向操縱車輛運動的駕駛?cè)丝刂菩袨椤Ｒ话愣?駕駛?cè)瞬粌H能感知車輛的側(cè)向位移,還能感知車輛在XOY平面內(nèi)的姿態(tài)(即車輛的橫擺

5、角)。如果駕駛?cè)送ㄟ^感受橫擺角而非側(cè)向位移來施加控制動作,那么駕駛?cè)藨?yīng)只需通過施加與微分相當(dāng)?shù)膭幼骷纯奢^好地控制車輛。第二節(jié) 駕駛?cè)丝刂葡碌能囕v運動基于上述討論,假定駕駛?cè)藭⒁曑囕v前方L處,并預(yù)測車輛在前進(jìn)L距離后車輛相對于目標(biāo)路徑的側(cè)向位移偏移量。假設(shè)駕駛?cè)嘶谶@個側(cè)向偏移量進(jìn)行反饋控制,其過程如圖14-1所示。駕駛?cè)?車輛閉環(huán)系統(tǒng)示意圖如圖14-2所示,其中L稱為前視距離,前方L處的點稱為前視點。上述模型是最常見的研究車輛運動的駕駛?cè)四Ｐ?。由于這種情況下車輛具有很強的積分特性(顯然有一些微分控制成分被隱含在駕駛?cè)丝刂菩袨榈膫鬟f函數(shù)中),因而駕駛?cè)四Ｐ偷膫鬟f函數(shù)可簡化為:第二節(jié) 駕駛?cè)丝刂?/p>

6、下的車輛運動在前方L處的路徑偏離量第二節(jié) 駕駛?cè)丝刂葡碌能囕v運動駕駛?cè)?車輛閉環(huán)系統(tǒng)第三節(jié) 駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)辨識駕駛?cè)四Ｐ偷膮?shù)不僅取決于自身的內(nèi)在特性,還能隨適應(yīng)車輛的操縱性能而改變。也就是說,即使車輛操縱性能變化范圍很大,駕駛?cè)艘材茉谲囕v運動過程中通過不斷修正其參數(shù)來保證車輛達(dá)到預(yù)期響應(yīng)(即雖然車輛操縱性能有所改變,但由駕駛?cè)瞬倏氐能囕v表現(xiàn)也可能保持不變)。這是車輛響應(yīng)特性并不能總是直接反映操縱特性的主要原因之一,因而很難從車輛響應(yīng)的客觀測量結(jié)果來評價其操縱品質(zhì)。另一方面看,由于駕駛?cè)藭鶕?jù)車輛操縱特性來修正自己的駕駛特性,駕駛?cè)说哪Ｐ蛥?shù)不僅能直接反映駕駛?cè)说膬?nèi)在駕駛特性,還能反映車輛操縱

7、性能。顯然,如果駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)能夠被有效地辨識,那么就可利用得到的駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)來實現(xiàn)對車輛操縱品質(zhì)的評價。第三節(jié) 駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)辨識一、簡化的駕駛?cè)四Ｐ徒浦本€目標(biāo)路徑下駕駛?cè)丝刂频能囕v運動第三節(jié) 駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)辨識簡化的駕駛?cè)?車輛模型框圖第三節(jié) 駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)辨識二、駕駛?cè)四Ｐ偷膮?shù)辨識通過直路上車輛的移線試驗,可以觀察到駕駛?cè)?車輛系統(tǒng)的典型行為。根據(jù)對駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向角*和車輛側(cè)向位移y*所測得的數(shù)據(jù)結(jié)果,可以辨識得到駕駛?cè)四Ｐ偷膮?shù)。這里,駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向角是對車輛側(cè)向位移y*和移線變道寬度yOL的響應(yīng),其可由式(14-6)表示的駕駛?cè)四Ｐ凸烙嫷玫?。于?實測的轉(zhuǎn)向角*與駕駛?cè)四Ｐ偷霓D(zhuǎn)向角之間

8、的誤差定義如下:第三節(jié) 駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)辨識第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價一、車輛操縱品質(zhì)概述在飛機(jī)領(lǐng)域,作為定量表達(dá)飛行員對操縱穩(wěn)定性主觀評價的方法,即飛行員評級法應(yīng)用已久。幾經(jīng)改進(jìn)后,現(xiàn)已成為飛機(jī)操縱穩(wěn)定性的通用評價方法,在對飛機(jī)操控性改進(jìn)方面發(fā)揮了作用以PR為雛形,有人嘗試通過駕駛?cè)嗽u級來衡量對車輛可控性的主觀評價。具體做法是:通過改變車輛的運動特性,然后進(jìn)行實車試驗,并由駕駛?cè)私o可控性進(jìn)行評分。進(jìn)而通過,系統(tǒng)地研究這些評分,試圖在一定程度上弄清車輛特性與其可控性之間的關(guān)系由于車輛可控性最終體現(xiàn)在駕駛?cè)藗€人的主觀評價上,因此這種方法應(yīng)該是最實際、最直接的。然而,該方法畢竟易受給出評價

9、的駕駛?cè)藗€人差異的影響,因此所得結(jié)果的客觀性、通用性較差。如果總是采用這樣的方法,會給車輛運動學(xué)特性與可控性的理論關(guān)系推導(dǎo)帶來困難。而且,當(dāng)車輛運動特性發(fā)生新的改變時,其可控性也將難以預(yù)先推斷。第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價另一種評價車輛可控性的方法是目標(biāo)性能法,即預(yù)先設(shè)定車輛的目標(biāo)路徑,然后進(jìn)行實車試驗來評價其可控性。例如,觀察車輛如何在某種速度下、在某時間段內(nèi)準(zhǔn)確無誤地通過設(shè)定的試驗路程。目標(biāo)性能法的優(yōu)點是結(jié)果客觀,但存在的問題包括:如何設(shè)定目標(biāo)路徑、如何評價所得的結(jié)果、是否能與駕駛?cè)说闹饔^評價結(jié)果很好地對應(yīng)。況且,推導(dǎo)車輛運動特性與可控性關(guān)系的理論研究也并非易事。還有一種評價車輛可

10、控性的方法,即測量駕駛?cè)说纳矸磻?yīng),如駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的心律、能量代謝、通過皮膚電流測得的發(fā)汗量等。通過系統(tǒng)地改變車輛的運動特性,研究駕駛?cè)说纳矸磻?yīng)變化,從而找出使車輛易于控制的車輛特性。然而,即使這種方法能獲得客觀的測量結(jié)果,但其數(shù)據(jù)本身易受各干擾因素的影響,且駕駛?cè)松矸磻?yīng)與車輛可控性之間確定性的關(guān)系也不易建立。第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價二、反映車輛操縱特性的駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)根據(jù)第二節(jié)的討論可知,在轉(zhuǎn)彎過程中駕駛?cè)藭赃m應(yīng)于車輛不同的特性,從而改變其自身的參數(shù)。由此也可以這樣認(rèn)為,駕駛?cè)藚?shù)多少也可以反映車輛的操縱特性。因此,可以設(shè)想:是否有可能基于駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向模型,通過考察駕駛?cè)藢?/p>

11、車輛的自適應(yīng)行為來評價車輛的操縱品質(zhì)。在移線試驗中,若采用如式(14-6)所示的駕駛?cè)四Ｐ?則參數(shù)h和L代表的是駕駛?cè)说捻憫?yīng)性。若車輛靜態(tài)增益小,則需駕駛?cè)嗽黾觝值以補償這個較小的靜態(tài)增益。若車輛是在動態(tài)響應(yīng)中,則較大的L有利于駕駛?cè)丝刂栖囕v。而且,延遲時間常數(shù)值L越大,駕駛?cè)嗽陬A(yù)期的轉(zhuǎn)彎中會越輕松。微分時間h表示駕駛?cè)怂扇〉奈⒎挚刂瞥潭?以使不夠穩(wěn)定的車輛穩(wěn)定;或表示駕駛?cè)藢^大L值的響應(yīng)延遲所進(jìn)行的補償程度。對駕駛?cè)藖碇v,要求的微分時間越小,駕駛?cè)烁杏X駕駛車輛越容易?；谏鲜鲇^點,對移線試驗中的某款具體車輛而言,一旦得到駕駛?cè)四Ｐ偷谋孀R參數(shù),就可利用這些辨識參數(shù),推導(dǎo)出由駕駛?cè)藖碓u價的車

12、輛操縱品質(zhì)。第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價1.駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)與車輛速度由于車速對車輛動力學(xué)有顯著的影響,正如本章第二節(jié)中討論的那樣,駕駛?cè)艘话銜鶕?jù)當(dāng)前車速的變化來修正其駕駛特性。因此,根據(jù)車輛在給定路面上的移線試驗數(shù)據(jù),應(yīng)用第三節(jié)中介紹的辨識方法,就可以得到相應(yīng)的駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)的辨識結(jié)果。本節(jié)試驗中,采用如圖14-5所示的移線試驗路線。其中,移線寬度dC為3m、移線長度LC在車輛速度為40km/h、60km/h和80km/h時分別為15m、22.5m和30m。移線試驗路線第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價不同駕駛?cè)说霓D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角測量值與計算值對比第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價駕駛

13、人模型的參數(shù)隨車速變化的關(guān)系第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價2.駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)與輪胎特性同樣,車輛的操縱特性還高度依賴于輪胎側(cè)偏剛度。前面章節(jié)中已經(jīng)得到,車輛響應(yīng)參數(shù)對輪胎的高度依賴是顯而易見的,主要包括前面介紹的由式(11-42)表達(dá)的穩(wěn)定性因數(shù)、由式(11-36)表達(dá)的橫擺角速度增益、由式(11-53)表達(dá)的固有頻率、由式(11-54)表達(dá)的阻尼比,而橫擺角速度響應(yīng)時間可描述為:第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價車速uc為80km/h時四種車輛響應(yīng)特性第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價移線過程中駕駛?cè)说霓D(zhuǎn)向行為與車輛運動第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向行為測量結(jié)果與計

14、算結(jié)果第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價駕駛?cè)藚?shù)與車輛響應(yīng)參數(shù)關(guān)系第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價駕駛?cè)搜舆t時間常數(shù)L與主觀評價的關(guān)系第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價三、基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱品質(zhì)評價方法由于人會根據(jù)車輛的操縱特性來修正自己的駕駛特性,因此駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)也能反映車輛操縱性能。如果駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)能被有效地辨識,則可利用辨識的駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)來實現(xiàn)對車輛操縱品質(zhì)的評價。由前面對車輛的操縱性能評價的討論可知,與其緊密相關(guān)的一個駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)是辨識得到的延遲時間L。這里,通過觀察延遲時間常數(shù)L的影響來對汽車操縱品質(zhì)進(jìn)行評價,并在模擬器實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,依次分析車輛固有頻率和

15、阻尼比、轉(zhuǎn)向力矩、質(zhì)量及分布變化引起的擾動敏感性,以及是否采用了穩(wěn)定性控制系統(tǒng)對操縱品質(zhì)的影響。第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價1.操縱品質(zhì)與固有頻率和阻尼比影響車輛操縱品質(zhì)的重要參數(shù)是系統(tǒng)橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角對轉(zhuǎn)向盤輸入響應(yīng)的系統(tǒng)固有頻率n與阻尼比。一般情況下,很難通過改變車輛的設(shè)計參數(shù)(如輪胎和懸架等)來分別改變n和的值。這里利用一種前饋主動前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)通過主動補償前輪轉(zhuǎn)角,以實現(xiàn)車輛橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角響應(yīng)的固有頻率和阻尼比的變化,記為:=Nn,*=D,這里的N和D是調(diào)節(jié)參數(shù),通過改變主動前輪轉(zhuǎn)向控制參數(shù)可以分別在1.0附近獨立調(diào)節(jié)固有頻率n和阻尼比。若將N和D都

16、設(shè)為1.0,則相當(dāng)于取消主動前輪轉(zhuǎn)向控制,車輛響應(yīng)與基準(zhǔn)車輛相同。第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價在n-平面上駕駛?cè)搜舆t時間常數(shù)L的辨識結(jié)果第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價2.操縱品質(zhì)與轉(zhuǎn)向力矩轉(zhuǎn)向力矩同樣對操縱品質(zhì)評價的影響很大。這里,通過分析模擬器實驗結(jié)果,觀察不同形式的轉(zhuǎn)向反饋力矩特性對辨識參數(shù)L的影響。第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價3.操縱品質(zhì)與擾動敏感性車輛參數(shù)的變化會影響車輛操縱品質(zhì),其中最顯著的參數(shù)就是隨乘客數(shù)量及載荷分布而變的車重和轉(zhuǎn)動慣量;同時各個輪胎的垂向載荷也相應(yīng)變化,進(jìn)而引起輪胎側(cè)偏剛度的變化。因此,車輛操縱品質(zhì)會因車重的變化而改變。第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價不同車速和變道長度下L的平均增加率與駕駛?cè)嗽u價的對比第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價不同輪胎與車重下的車輛參數(shù)與辨識結(jié)果第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價輪胎垂向載荷對五種輪胎側(cè)偏剛度的不同影響第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價不同的車重下的四位駕駛?cè)说腖與車輛參數(shù)第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評價4.操縱品質(zhì)與穩(wěn)定性