汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)第14章-駕駛?cè)四Ｐ团c車輛操縱品質(zhì)評(píng)價(jià)課件

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

2、行駛并實(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)有意圖地對(duì)其施加轉(zhuǎn)向輸入時(shí)車輛是如何運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(píng)價(jià)的車輛操縱穩(wěn)定性可以通過主動(dòng)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(píng)價(jià)所依賴的感覺不可避免地會(huì)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(píng)價(jià)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(duì)操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)及其與車輛設(shè)計(jì)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(jì)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(píng)價(jià)及其關(guān)系,并試圖建立兩者的定量關(guān)系。此外,由于對(duì)駕駛?cè)瞬倏v車輛行為的研究對(duì)研發(fā)更加安全、高效、舒適的路面車輛(尤其是在自動(dòng)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(yùn)動(dòng)一、駕駛?cè)丝刂菩袨槊枋鐾ㄟ^對(duì)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(dòng)以提高其自適應(yīng)性。實(shí)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(dòng)作對(duì)人而言并不輕松,如果控制目標(biāo)需要強(qiáng)微分動(dòng)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(shí)間、連續(xù)地操作的動(dòng)作是比例控制,再加上很弱的微分或積分動(dòng)作。第二節(jié) 駕駛?cè)丝刂葡碌能囕v運(yùn)動(dòng)二、一個(gè)基本的駕駛?cè)四Ｐ捅竟?jié)將對(duì)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(yùn)動(dòng)的駕駛?cè)丝刂菩袨?。一般而?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(dòng)作,那么駕駛?cè)藨?yīng)只需通過施加與微分相當(dāng)?shù)膭?dòng)作即可較好地控制車輛。第二節(jié) 駕駛?cè)丝刂葡碌能囕v運(yùn)動(dòng)基于上述討論,假定駕駛?cè)藭?huì)注視車輛前方L處,并預(yù)測車輛在前進(jìn)L距離后車輛相對(duì)于目標(biāo)路徑的側(cè)向位移偏移量。假設(shè)駕駛?cè)嘶谶@個(gè)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(diǎn)稱為前視點(diǎn)。上述模型是最常見的研究車輛運(yùn)動(dòng)的駕駛?cè)四Ｐ?。由于這種情況下車輛具有很強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)駕駛?cè)?車輛閉環(huán)系統(tǒng)第三節(jié) 駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)辨識(shí)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(yùn)動(dòng)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(píng)價(jià)其操縱品質(zhì)。另一方面看,由于駕駛?cè)藭?huì)根據(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(shí),那么就可利用得到的駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛操縱品質(zhì)的評(píng)價(jià)。第三節(jié) 駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)辨識(shí)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(yùn)動(dòng)第三節(jié) 駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)辨識(shí)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(shí)二、駕駛?cè)四Ｐ偷膮?shù)辨識(shí)通過直路上車輛的移線試驗(yàn),可以觀察到駕駛?cè)?車輛系統(tǒng)的典型行為。根據(jù)對(duì)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(shí)得到駕駛?cè)四Ｐ偷膮?shù)。這里,駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向角是對(duì)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?jì)得到。于是,實(shí)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(shí)第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)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(duì)操縱穩(wěn)定性主觀評(píng)價(jià)的方法,即飛行員評(píng)級(jí)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(píng)價(jià)方法,在對(duì)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(píng)級(jí)來衡量對(duì)車輛可控性的主觀評(píng)價(jià)。具體做法是:通過改變車輛的運(yùn)動(dòng)特性,然后進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn),并由駕駛?cè)私o可控性進(jìn)行評(píng)分。進(jìn)而通過,系統(tǒng)地研究這些評(píng)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€(gè)人的主觀評(píng)價(jià)上,因此這種方法應(yīng)該是最實(shí)際、最直接的。然而,該方法畢竟易受給出評(píng)價(jià)

9、的駕駛?cè)藗€(gè)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(huì)給車輛運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)特性發(fā)生新的改變時(shí),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(píng)價(jià)另一種評(píng)價(jià)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(shí)車試驗(yàn)來評(píng)價(jià)其可控性。例如,觀察車輛如何在某種速度下、在某時(shí)間段內(nèi)準(zhǔn)確無誤地通過設(shè)定的試驗(yàn)路程。目標(biāo)性能法的優(yōu)點(diǎn)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(píng)價(jià)所得的結(jié)果、是否能與駕駛?cè)说闹饔^評(píng)價(jià)結(jié)果很好地對(duì)應(yīng)。況且,推導(dǎo)車輛運(yùn)動(dòng)特性與可控性關(guān)系的理論研究也并非易事。還有一種評(píng)價(jià)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(yùn)動(dòng)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(píng)價(jià)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?huì)自適應(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?duì)

11、車輛的自適應(yīng)行為來評(píng)價(jià)車輛的操縱品質(zhì)。在移線試驗(yàn)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(bǔ)償這個(gè)較小的靜態(tài)增益。若車輛是在動(dòng)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(shí)間常數(shù)值L越大,駕駛?cè)嗽陬A(yù)期的轉(zhuǎn)彎中會(huì)越輕松。微分時(shí)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?duì)較大L值的響應(yīng)延遲所進(jìn)行的補(bǔ)償程度。對(duì)駕駛?cè)藖碇v,要求的微分時(shí)間越小,駕駛?cè)烁杏X駕駛車輛越容易?；谏鲜鲇^點(diǎn),對(duì)移線試驗(yàn)中的某款具體車輛而言,一旦得到駕駛?cè)四Ｐ偷谋孀R(shí)參數(shù),就可利用這些辨識(shí)參數(shù),推導(dǎo)出由駕駛?cè)藖碓u(píng)價(jià)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(píng)價(jià)1.駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)與車輛速度由于車速對(duì)車輛動(dòng)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?huì)根據(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(yàn)數(shù)據(jù),應(yīng)用第三節(jié)中介紹的辨識(shí)方法,就可以得到相應(yīng)的駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)的辨識(shí)結(jié)果。本節(jié)試驗(yàn)中,采用如圖14-5所示的移線試驗(yàn)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(shí)分別為15m、22.5m和30m。移線試驗(yàn)路線第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)不同駕駛?cè)说霓D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角測量值與計(jì)算值對(duì)比第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(duì)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(shí)間可描述為:第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)車速uc為80km/h時(shí)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(píng)價(jià)移線過程中駕駛?cè)说霓D(zhuǎn)向行為與車輛運(yùn)動(dòng)第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向行為測量結(jié)果與計(jì)

14、算結(jié)果第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)駕駛?cè)搜舆t時(shí)間常數(shù)L與主觀評(píng)價(jià)的關(guān)系第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)三、基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱品質(zhì)評(píng)價(jià)方法由于人會(huì)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(shí),則可利用辨識(shí)的駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛操縱品質(zhì)的評(píng)價(jià)。由前面對(duì)車輛的操縱性能評(píng)價(jià)的討論可知,與其緊密相關(guān)的一個(gè)駕駛?cè)四Ｐ蛥?shù)是辨識(shí)得到的延遲時(shí)間L。這里,通過觀察延遲時(shí)間常數(shù)L的影響來對(duì)汽車操縱品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),并在模擬器實(shí)驗(yàn)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(dòng)敏感性,以及是否采用了穩(wěn)定性控制系統(tǒng)對(duì)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(píng)價(jià)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(duì)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(jì)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(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)通過主動(dòng)補(bǔ)償前輪轉(zhuǎn)角,以實(shí)現(xiàn)車輛橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)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(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制參數(shù)可以分別在1.0附近獨(dú)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(dòng)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(píng)價(jià)在n-平面上駕駛?cè)搜舆t時(shí)間常數(shù)L的辨識(shí)結(jié)果第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)2.操縱品質(zhì)與轉(zhuǎn)向力矩轉(zhuǎn)向力矩同樣對(duì)操縱品質(zhì)評(píng)價(jià)的影響很大。這里,通過分析模擬器實(shí)驗(yàn)結(jié)果,觀察不同形式的轉(zhuǎn)向反饋力矩特性對(duì)辨識(shí)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(píng)價(jià)3.操縱品質(zhì)與擾動(dòng)敏感性車輛參數(shù)的變化會(huì)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(dòng)慣量;同時(shí)各個(gè)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(huì)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(píng)價(jià)不同車速和變道長度下L的平均增加率與駕駛?cè)嗽u(píng)價(jià)的對(duì)比第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)不同輪胎與車重下的車輛參數(shù)與辨識(shí)結(jié)果第四節(jié) 基于駕駛?cè)四Ｐ偷能囕v操縱評(píng)價(jià)輪胎垂向載荷對(duì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)4.操縱品質(zhì)與穩(wěn)定性