秦洪武，石存杰，劉 軍

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

汽車道路行駛過(guò)程中，駕駛員的駕駛行為不僅是保證汽車高速行駛安全的一個(gè)主要條件之一，而且也是關(guān)系到汽車動(dòng)力學(xué)特性的主要因素。車輛在行駛過(guò)程中除了受到駕駛員的操縱外，同時(shí)還受到道路環(huán)境的影響［1］。此外，車輛對(duì)于駕駛員的操縱和道路環(huán)境的影響會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的響應(yīng)和反饋，這種響應(yīng)和反饋與道路環(huán)境一起又直接影響駕駛員的操縱。為了保證安全駕駛，在對(duì)駕駛?cè)藛T駕駛行為的研究中，有必要分析在各種不同駕駛環(huán)境下，駕駛員的駕駛行為，判斷在駕駛過(guò)程中對(duì)駕駛員的各種影響因素。通過(guò)采集駕駛員對(duì)車輛操作行為和車輛行駛狀態(tài)改變的各種信息，從中可以判斷、確定駕駛員在駕駛過(guò)程中的駕駛行為［2］。

MEMS產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)在于低成本、低功耗、小尺寸和批量化。隨著技術(shù)的進(jìn)步，它又向高精度傳感器的方向發(fā)展［3，4］。駕駛行為的獲取可以通過(guò)安裝不同的傳感器直接測(cè)量獲取，比如:節(jié)氣門位置傳感器測(cè)量節(jié)氣門開(kāi)度，制動(dòng)踏板角位移傳感器測(cè)量制動(dòng)踏板開(kāi)度，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角等，但這些儀器價(jià)格昂貴，會(huì)增加汽車的成本，同時(shí)傳感器數(shù)量的增多會(huì)導(dǎo)致硬件設(shè)計(jì)的困難等問(wèn)題［5］。正是由于駕駛行為和車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要性和駕駛行為監(jiān)測(cè)的不足之處，設(shè)計(jì)了基于MEMS和GPS的駕駛行為和車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員操縱行為的感知和汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于MEMS慣性傳感器和GPS設(shè)計(jì)了駕駛行為和車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的在線測(cè)量和駕駛員操縱動(dòng)作的感知。汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要是駕駛行為作用的結(jié)果，駕駛?cè)嗽隈{駛過(guò)程中的操作行為表現(xiàn)為對(duì)汽車操縱裝置的控制，汽車操縱裝置包括方向盤、變速桿、加速踏板、制動(dòng)踏板、離合器踏板等［6，7］。系統(tǒng)中所涉及的駕駛行為和車輛狀態(tài)信息之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 駕駛行為和車輛狀態(tài)信息分類Fig 1 Classification of driver behavior and vehicle state information

1．1 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

結(jié)合MEMS傳感器的特點(diǎn)，本文將MEMS傳感器應(yīng)用于車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的采集，結(jié)合GPS，利用加速度傳感器和角速度陀螺以及微慣性測(cè)量單元（MIMU），開(kāi)發(fā)了駕駛行為感知和車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量離合器踏板、油門踏板和剎車踏板信號(hào)，變速桿前后、左右方向信號(hào)，方向盤轉(zhuǎn)角速度信號(hào)，汽車運(yùn)動(dòng)速度信息和6自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。

通過(guò)安裝在車輛上的獨(dú)立傳感器，分別采集、融合各類信號(hào)到數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器、信息同步處理將各類模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)并口傳輸給實(shí)驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和顯示等操作。所設(shè)計(jì)的駕駛行為和車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 駕駛行為和車輛狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)方案框圖Fig 2 Scheme block diagram of driving behavior and vehicle state monitoring system

1．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所用到的主要設(shè)備有GPS接收器、MIMU、1只角速度陀螺、4只雙向加速度計(jì)、信號(hào)采集器、車載直流電源、實(shí)驗(yàn)車輛等。GPS用于實(shí)時(shí)測(cè)量汽車運(yùn)動(dòng)的車速，MIMU用于在線測(cè)量汽車的三軸加速度和三軸角速度，1只角速度陀螺測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角速度，4只加速度計(jì)分別感知離合器踏板、油門踏板、剎車踏板變速桿的加速度信號(hào)，車載直流電源（將12V直流電轉(zhuǎn)換成5V直流電后）向MIMU和各傳感器供電。其中GPS采集到的是數(shù)字信號(hào)，通過(guò)USB接口可直接連接至便攜式計(jì)算機(jī);MIMU和各傳感器采集到的均是模擬信號(hào)，需經(jīng)過(guò)信號(hào)采集器的模數(shù)轉(zhuǎn)換才能利用。

1．2．1 GPS 接收器

選用的GPS的型號(hào)是GPSport 245，該型號(hào)是一種高精度GPS接收機(jī)，具有32個(gè)衛(wèi)星頻道，更新速率為1 Hz，速度精度為 0．1 m/s，重新定位時(shí)間小于 0．1 s，位置為3．0 mCEP，水平誤差95%時(shí)間小于2．2 m，垂直誤差95%時(shí)間小于5 m。

1．2．2 加速度計(jì)

ADXL序列的加速度計(jì)是美國(guó)模擬器件（ADI）公司的新型單芯片雙軸傳感器，具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高和易生產(chǎn)等特點(diǎn)，是一種高精度、低功耗及單一的集成微電子機(jī)械系統(tǒng)（integration micro electronic measurement system，iMEMS）型 IC 芯片加速度計(jì)［8］。

1．2．3 角速度傳感器

ADXRS系列角速度傳感器是利用科里奧利（Coriolis）加速度來(lái)測(cè)量角速度的，內(nèi)部同時(shí)集成有角速率傳感器和信號(hào)處理電路，并帶有感應(yīng)溫度的傳感器，具有尺寸小、功耗低、抗沖擊和振動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)［9］。

1．2．4 信號(hào)采集器

實(shí)驗(yàn)選用的信號(hào)采集器是NI—USB系列采集卡，型號(hào)是USB—6211（M系列高性能），用于采集車輛6自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)和駕駛員操縱行為參數(shù)的模擬信號(hào)，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的處理。

1．2．5 MIMU

為了達(dá)到在線測(cè)量汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的目的，自主設(shè)計(jì)了 MIMU，MIMU結(jié)構(gòu)安裝誤差受溫度影響非常嚴(yán)重［10，11］，將MIMU直接固聯(lián)于運(yùn)動(dòng)載體上，測(cè)得的信號(hào)是沿載體坐標(biāo)系各軸相對(duì)于慣性空間的角速率和線加速度。所設(shè)計(jì)的MIMU中傳感器的布置如圖3所示，圖中立方塊代表雙向加速度計(jì)，圓柱體代表角速度陀螺，由于本文所用的是雙向加速度計(jì)，有2個(gè)方向的輸出信號(hào)，因此，采用2只雙向微加速度計(jì)和3只角速度陀螺儀，3只角速度陀螺安裝在立方體的3個(gè)正交平面上，2只雙向加速度計(jì)安裝在2個(gè)正交平面上，剩下的一個(gè)底面作為MIMU與汽車質(zhì)心處的安裝固定平面。

1．3 軟件功能與實(shí)現(xiàn)

圖3 加速度計(jì)和角速度陀螺的布置方案Fig 3 Layout scheme of accelerometers and angular velocity gyroscopes

軟件系統(tǒng)集實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)采集于一體，軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用Visual Basic2005語(yǔ)言和NI Measurement Studio作為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，各類信息的采樣頻率為5 Hz。

圖4 駕駛行為和車輛狀態(tài)信息采集系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Software function structure diagram of driving behavior and vehicle state information collection system

2 實(shí)車實(shí)驗(yàn)

2．1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

實(shí)車實(shí)驗(yàn)之前，需要進(jìn)行車載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息采集試驗(yàn)平臺(tái)的搭建主要包括MIMU的安裝，方向盤角速度陀螺的安裝，剎車踏板加速度計(jì)、離合器踏板加速度計(jì)和變速桿加速度計(jì)的安裝。MIMU在汽車上的安裝，角速度陀螺在方向盤的安裝，雙向加速度計(jì)在各個(gè)踏板和變速桿的安裝如圖5所示。

圖5 傳感器在汽車上的安裝Fig 5 Installation of sensor in vehicle

2．2 車載實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)車在線測(cè)量油門踏板、制動(dòng)踏板、離合器踏板、變速手柄的加速度信號(hào)、方向盤角速度信號(hào)、縱向加速度信號(hào)等。采用不同的實(shí)驗(yàn)方法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，針對(duì)駕駛員縱向操縱行為信息、縱向車速和縱向加速度的在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)，采用汽車直線行駛;針對(duì)駕駛員橫向操縱行為信息、橫擺角速度和側(cè)向加速度的在線測(cè)量，采用移線實(shí)驗(yàn)方法和蛇形線實(shí)驗(yàn)方法來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

2．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于離合器踏板、油門踏板和剎車踏板輸出的信號(hào)是垂直于踏板的踩踏方向的加速度，該信號(hào)受縱向加速度的影響比較大，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，將離合器踏板、油門踏板和剎車踏板的加速度減去縱向加速度近似作為踏板的加速度信號(hào)。各個(gè)傳感器信號(hào)如圖6～圖9所示。同理將變速桿前后方向的加速度減去汽車縱向加速度，如圖10所示。變速桿左右方向加速度信號(hào)如圖11所示，側(cè)向加速度仿真值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線如圖12所示，方向盤轉(zhuǎn)角求解結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線如圖13所示。

圖6 汽車縱向加速度Fig 6 Longitudinal acceleration of vehicle

圖7 汽車油門踏板加速度Fig 7 Acceleration of vehicle throttle pedal

圖8 汽車剎車踏板加速度Fig 8 Acceleration of vehicle brake pedal

圖9 離合器踏板加速度Fig 9 Acceleration of clutch pedal

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:加速度計(jì)對(duì)駕駛員踩剎車踏板的動(dòng)作感知效果較好，對(duì)油門踏板的感知較差，主要是由于駕駛員踩油門踏板時(shí)，動(dòng)作比較平穩(wěn)造成的。系統(tǒng)能夠較好地識(shí)別駕駛員對(duì)剎車踏板、離合器踏板和變速桿的操作，說(shuō)明了駕駛行為感知和汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于駕駛員操縱行為的感知具有一定的可行性。側(cè)向加速度和方向盤轉(zhuǎn)角不太光滑，由于系統(tǒng)的輸入—實(shí)驗(yàn)測(cè)得的橫擺角速度和側(cè)向加速度不是很光滑造成的，但是側(cè)向加速度和方向盤轉(zhuǎn)角的理論識(shí)別曲線與實(shí)車實(shí)驗(yàn)曲線在趨勢(shì)上比較吻合，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖10 變速桿前后方向加速度Fig 10 Longitudinal acceleration of gear shift lever

圖11 變速桿左右方向加速度Fig 11 Lateral acceleration of gear shift lever

圖12 側(cè)向加速度仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線Fig 12 Contrastive curves of lateral acceleration simulation values and test values

圖13 方向盤轉(zhuǎn)角識(shí)別值與實(shí)驗(yàn)值曲線Fig 13 Contrastive curves of steering angular recognition values and test values

3 結(jié)論

基于MEMS慣性傳感器和GPS所設(shè)計(jì)的駕駛行為和車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且自主設(shè)計(jì)了IMIU，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員行為轉(zhuǎn)向、變換檔位、踩踏油門、制動(dòng)和離合器控制等動(dòng)作的感知和車輛狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。搭建了車載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)，針對(duì)汽車縱向加速度、油門踏板加速度、剎車踏板加速度、離合器踏板加速度、變速桿加速度進(jìn)行感知，并且對(duì)側(cè)向加速度和方向盤轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)值曲線和仿真曲線進(jìn)行比較，曲線趨勢(shì)比較吻合，驗(yàn)證了開(kāi)展駕駛行為和車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理論可行性。這一結(jié)果為開(kāi)發(fā)駕駛?cè)藛T操縱動(dòng)作自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，也可為提高汽車行駛性和安全性提供重要的理論依據(jù)和工程應(yīng)用指導(dǎo)。

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