李 健，張亞岐，周辰雨

Li Jian, Zhang Yaqi, Zhou Chenyu

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安 710064）

0 引 言

換道是最為普遍的駕駛行為，換道軌跡不僅能夠體現(xiàn)出駕駛員的駕駛技能，而且能反映出換道過(guò)程中駕駛員應(yīng)急反應(yīng)能力。合理有效的換道軌跡能夠有效減少交通事故、提高交通通行能力。由換道引發(fā)的交通事故頻頻發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由車輛變道引起的交通事故占總交通事故的 4%～10%左右，因此，獲取換道軌跡對(duì)交通事故責(zé)任界定、劃分具有重要的參考價(jià)值。當(dāng)前，獲取換道軌跡的方法主要是數(shù)據(jù)擬合、車輛動(dòng)力學(xué)分析和數(shù)學(xué)計(jì)算，但是這些方法計(jì)算量大，需求解非線性微分方程組，難度較大，且可操作性不強(qiáng)，而車載 GPS定位系統(tǒng)，抵抗電磁干擾能力差，且精度低，不能很好地對(duì)換道軌跡進(jìn)行跟蹤，因此，尋求簡(jiǎn)單易行的算法來(lái)獲取換道軌跡就成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。文中利用Carsim在車輛仿真方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，利用車載傳感器實(shí)時(shí)采集車輛的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角以及換道車速，進(jìn)行小波去噪后作為仿真參數(shù)，在Carsim環(huán)境下進(jìn)行換道模擬，試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，將實(shí)際換道軌跡作為基準(zhǔn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。該方法不僅簡(jiǎn)單易行，且能實(shí)時(shí)對(duì)換道軌跡進(jìn)行跟蹤，具有普遍適用性，且受外界干擾小，精度高。

1 換道

1.1 換道模型

換道是行為是駕駛行為中最為普遍的，研究人員分別用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1]、隱馬爾科夫（HMM）[2]等進(jìn)行換道軌跡生成，這些方法主要是確定最優(yōu)的換道軌跡，需將連續(xù)的變量離散化，易造成信號(hào)失真，因此，借用Carsim[3]進(jìn)行換道軌跡仿真，不僅保證輸入信號(hào)不失真，還可以將人-車-路有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。換道的過(guò)程如圖1所示。車輛的換道過(guò)程基本分為3個(gè)階段：換道準(zhǔn)備；換道；換道后調(diào)整。

規(guī)定換道起始點(diǎn)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，車輛的縱向速度方向?yàn)閄方向，車輛側(cè)向速度方向?yàn)閅方向。

1.2 小波分析

小波被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，在時(shí)頻兩域都有很好的局部特性。將信號(hào)f(t)進(jìn)行小波級(jí)數(shù)分解[4]：

j為伸縮參數(shù)；k為平移參數(shù)。小波變換的窗口是可調(diào)的時(shí)頻窗，尺度因子j不僅改變小波的頻譜結(jié)構(gòu)，而且改變時(shí)頻窗口的大小。若j大，此時(shí)對(duì)應(yīng)低頻端，頻率分辨率高，時(shí)間分辨率低；若j小，對(duì)應(yīng)高頻端，頻率分辨率低，時(shí)間分辨率高。

1.3 Carsim

Carsim軟件是專業(yè)的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，該軟件具有運(yùn)行速度快、計(jì)算準(zhǔn)確、易于操作等特點(diǎn)，將人-車-路有機(jī)結(jié)合起來(lái)，能夠模擬不同路面情況下的汽車制動(dòng)、加速等，能繪制專業(yè)的曲線，將車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡以及車輛其他難以直接測(cè)量量以曲線形式表達(dá)出來(lái)，并能夠分析汽車的各種響應(yīng)。在國(guó)外，Carsim已被通用、豐田等大型汽車企業(yè)認(rèn)可，被廣泛用于電控單元的開(kāi)發(fā)和虛擬試驗(yàn)[5-7]。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)中采集到的車速、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角如圖 3、圖4所示。由于車速傳感器采集的是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)換算轉(zhuǎn)化成車速，從而車速的波動(dòng)性較大，在Carsim環(huán)境下，若轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角或者車速的波動(dòng)性很大時(shí)，仿真易出錯(cuò)，因此，對(duì)2個(gè)參數(shù)均進(jìn)行濾波。選取db4作為小波函數(shù)進(jìn)行3層分解，車速的分解結(jié)果如圖2所示。為了防止信號(hào)失真，取第1層近似系數(shù)a1，車速經(jīng)過(guò)小波濾波后，基本維持在70 km/h左右（見(jiàn)圖3）。試驗(yàn)中采用基于CAN總線接口的SX4300A轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)現(xiàn)，采樣頻率設(shè)置為100 Hz，采樣精度為0.5°，并以一次向左換道進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為了區(qū)別向左換道與向右換道，轉(zhuǎn)向盤(pán)從中間位置向左轉(zhuǎn)為負(fù)，向右轉(zhuǎn)為正，車道寬度3.75 m。

圖4中的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的平衡位置不在0°，是由于車輛左右載荷不對(duì)稱，致使車輛的回正位置發(fā)生了偏離，可見(jiàn)，車輛載荷在縱向方向的不對(duì)稱性對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角影響不小，不過(guò)，轉(zhuǎn)向盤(pán)平衡位置發(fā)生平移，進(jìn)行試驗(yàn)仿真時(shí)，將車輛的縱向?qū)ΨQ中心向左偏離一定距離即可，試驗(yàn)中設(shè)置偏離量為15 cm，若要進(jìn)一步了解載荷不對(duì)稱性對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的影響，還需更為深入進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)分析。

從仿真結(jié)果可以看出，通過(guò)仿真獲得換道軌跡更為平滑（見(jiàn)圖 5），這主要是轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和車速經(jīng)過(guò)了濾波。換道開(kāi)始到縱向距離達(dá)到1 200 m，這段時(shí)間內(nèi)車輛軌跡近似1/4圓弧，圓弧的中心在Y軸上，2 000m后圓弧的中心在X軸上，中間段近似是直線，可見(jiàn)換道過(guò)程可以分為3部分（以向左換道為例）：①轉(zhuǎn)向盤(pán)左轉(zhuǎn)；②轉(zhuǎn)向盤(pán)回正；③轉(zhuǎn)向盤(pán)右轉(zhuǎn)。仿真結(jié)果跟實(shí)際結(jié)果極為相近。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采集實(shí)際換道過(guò)程中轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角及車速，將采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后作為仿真輸入?yún)?shù)，對(duì)換道軌跡進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果跟實(shí)際結(jié)果吻合度很高，該方法確定換道軌跡簡(jiǎn)單易行，且真實(shí)可靠。Carsim軟件能夠?qū)⒆攒嚨膽壹芟到y(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)以及動(dòng)力系統(tǒng)、輪胎側(cè)偏特性、自車幾何參數(shù)等有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使試驗(yàn)與實(shí)際更為接近。不過(guò)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，車輛載荷的不對(duì)稱性對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角影響較大，可見(jiàn)，車輛縱向?qū)ΨQ中心對(duì)換道、跟車以及彎道行駛都會(huì)產(chǎn)生影響。換道數(shù)據(jù)的采集是在開(kāi)闊無(wú)干擾的路段進(jìn)行的，且車速基本保持不變，對(duì)真實(shí)的換道模型進(jìn)行了大大簡(jiǎn)化，實(shí)際的換道受周圍車輛以及可見(jiàn)度等影響，因此，要作更為精確的研究必須對(duì)環(huán)境、天氣以及駕駛員技能進(jìn)行評(píng)估，提取相應(yīng)指標(biāo)作為Carsim的仿真參數(shù)，建立更為切合實(shí)際換道模型。

[1] MATLAB中文論壇. MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)30個(gè)案例分析 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010,4.

[2] 王暢. 基于隱馬爾科夫模型的駕駛員意圖辨識(shí)方法研究[D].吉林大學(xué)，2011，4.

[3] 李志魁. 基于Carsim的整車動(dòng)力學(xué)建模與操作穩(wěn)定性仿真分析[D]. 吉林大學(xué)，2006，4.

[4] 張善文，雷英杰，馮有前. MATLAB在時(shí)間序列分析中的應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007，4.

[5] Ying chen,Brandon Jones. Software Testing Strategies for Model-Based Chassis Control Systems. SAE Technical Papers, 2007-01-0505.

[6] Naoto Ohkubo,Takehiro Horiuchi. Brake Torque Sensing for Enhancement of Vehicle Dynamics Control Systems. SAE Technical Papers,2007-01-0867.

[7] Ming Une Jen,Ming-Hung Lu. Integration of Kinematics and Compliance Measurement with Vehicle Dynamics Validation for a Shared Platform. SAE Technical Papers, 2007-01-0832.