早期汽車設計駕駛?cè)四Ｐ突仡?/h1>
2014-02-20 06:18:18李曉旭陳燕芹
汽車實用技術(shù) 2014年3期
李曉旭，陳燕芹
（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）
早期汽車設計駕駛?cè)四Ｐ突仡?/p>
李曉旭，陳燕芹
（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）
系統(tǒng)回顧了早期汽車駕駛?cè)四Ｐ偷陌l(fā)展與演變，根據(jù)駕駛?cè)四Ｐ偷脑O計理論和研究方法，將駕駛?cè)四Ｐ头譃榉较蚩刂岂{駛?cè)四Ｐ?、STI模型、預期開環(huán)控制模型、雙模式模型以及其他種類的模型，其中方向控制駕駛?cè)四Ｐ陀挚煞譃轭A瞄駕駛?cè)四Ｐ秃途€性狀態(tài)變量控制模型。綜述了上述各類汽車駕駛?cè)四Ｐ偷难芯窟^程，分析論述了早期汽車駕駛?cè)四Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)特點，總結(jié)了各類駕駛?cè)四Ｐ痛嬖诘牟蛔?，提出了駕駛?cè)四Ｐ桶l(fā)展的新方向。
駕駛?cè)四Ｐ?；方向控制；反饋控制；駕駛行為
CLC NO.:U461.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-58-05
1、早期駕駛?cè)四Ｐ透攀?/h2>
汽車駕駛?cè)四Ｐ褪桥c汽車橫向動力學模型相結(jié)合的一種動態(tài)模型。在汽車設計過程中，駕駛?cè)四Ｐ涂商峁┰O計方面的反饋信息，例如設計的改變對駕駛?cè)瞬僮鹘Y(jié)果有何影響。Allen將這種汽車設計過程中的駕駛?cè)四Ｐ头Q為“輔助設計駕駛?cè)恕蹦Ｐ蚚1]。由于汽車設計師采用微分方程對汽車的行駛狀態(tài)進行描述，因此，駕駛?cè)四Ｐ屯瑯硬捎眠@種方法，特別是在對完整系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究中，采用基于線性控制原理的微分方程描述系統(tǒng)狀態(tài)，是十分有效的。雖然駕駛?cè)四Ｐ头N類較多，但普遍是基于線性控制原理，并且采用微分方程進行狀態(tài)描述的模型。由此，上世紀七十年代逐漸出現(xiàn)了算法模型，決策結(jié)
構(gòu)模型，模糊控制模型、神經(jīng)網(wǎng)絡控制模型、模糊-人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型等基于線性控制理論的新模型。
基于線性控制原理的駕駛?cè)四Ｐ鸵呀?jīng)得到較為詳細的論述[2-4]。而在此之前，汽車駕駛?cè)四Ｐ褪怯梢环N跟蹤模型演變而來，即模擬駕駛?cè)俗鳛槠噦?cè)向動力學的控制器，通過人為設置外部參數(shù)實現(xiàn)操縱目的（圖1），采用線性微分方程或者是差分方程進行狀態(tài)描述。
2、典型駕駛?cè)四Ｐ偷姆N類
2.1 方向控制模型
方向控制模型由日本汽車設計人員建立。1953年，Kondo根據(jù)側(cè)向風對汽車行駛狀態(tài)的干擾，提出兩種針對駕駛?cè)诵袨榈哪Ｐ停搭A瞄駕駛?cè)四Ｐ秃途€性狀態(tài)變量控制模型，并通過一種單軌道模型得到整個汽車系統(tǒng)以恒定速度沿直線軌跡行駛狀態(tài)下的測試結(jié)果。此后，汽車工程師們發(fā)布的大多數(shù)汽車模型都以Kondo的這兩種駕駛?cè)四Ｐ妥鳛閰⒖?，它們的基本結(jié)構(gòu)相同。
2.1.1 駕駛?cè)祟A瞄模型
在預瞄駕駛?cè)四Ｐ椭?，Kondo假設在距離為L的預設行駛路線上，始終存在一假想點，即駕駛?cè)说囊暰€點或目標點，駕駛?cè)艘赃@種方式駕駛汽車前行（如圖2）。根據(jù)控制理論，這種模型可以使駕駛?cè)嗽陬A瞄距離L內(nèi)，將汽車在地面上的投影中心線與預設路線間的橫向偏移△yL減至最小。
圖中，△v為行駛方向角誤差，L為預瞄距離，δH為車輪轉(zhuǎn)向角，△yo為橫向位置重心誤差，△ψ為橫擺角誤差，△yL為△yo的預測值，Φ為駕駛?cè)艘暯侵?，κV為汽車行駛軌跡曲率，κr為參考路徑曲率，κS為汽車行駛道路曲率，V為速度矢量。
Kondo的這種線性預測模型被多國汽車設計工程師采用，其中日本較為普遍，其次在德國。
根據(jù)控制理論，預瞄駕駛?cè)四Ｐ涂梢越⑷N不同的數(shù)學模型。首先，△yL可認為是△yo在預瞄時間TP下的預測值。公式為：
式中TP為預瞄時間，vo為汽車行駛速度，L為預瞄距離，δH為車輪轉(zhuǎn)向角，△yo為橫向位置重心誤差，K為常數(shù)
其次，對于小視角值Φ，駕駛?cè)祟A瞄模型可表述為：
式中△ψ為橫擺角誤差
再次，由于這種轉(zhuǎn)換，預瞄駕駛?cè)四Ｐ涂珊喕癁閷ζ囍匦倪M行控制的模型。對于較小轉(zhuǎn)向角，可以寫為：
則駕駛?cè)祟A瞄模型（1）可線性化為
2.1.2 線性狀態(tài)變量控制模型
Kondo的第二種模型稱為線性狀態(tài)變量控制模型（如圖3）。這種模型假設汽車轉(zhuǎn)向角δH與橫擺角誤差△ψ、行駛方向角誤差△v和橫向位置重心誤差△yo為線性結(jié)合，并且這種模型經(jīng)過修改同樣適用于其它種類的模型[5-6]。
這個模型的形式如圖4。
2.2 STI模型
STI模型是源于跟蹤模型和飛行員模型，由美國系統(tǒng)技術(shù)公司和McRuer，Weir，Klein等共同開發(fā)。將STI模型的原理視圖轉(zhuǎn)化為控制理論簡圖（如圖5）后，顯示了與Kondo所開發(fā)模型過程的相似性。
STI模型與Kondo模型的顯著區(qū)別是時間延遲量τ的存在，這個變量代表駕駛員反應時間。在五十年代早期發(fā)布的飛機駕駛?cè)四Ｐ椭写嬖?，時間延遲量τ主要針對干擾量的補償控制，而汽車駕駛操作則主要是控制汽車受沿行可預見曲線的影響，因而，在正常駕駛狀態(tài)下，駕駛?cè)搜啬繕说缆沸旭倳r基本沒有反應時間。STI模型源于具有駕駛?cè)诵袨檠a償功能的經(jīng)典模型，彌補了Kondo所建模型的缺陷，更加接近駕駛?cè)瞬僮髁晳T。
2.3 預期開環(huán)控制模型
預期開環(huán)控制概念是眾多基于控制理論的駕駛?cè)四Ｐ退捎玫幕纠砟?。根?jù)這種方法，駕駛?cè)瞬粌H需要對汽車狀態(tài)的變化作出反應，還需要對道路的變化作出反應。這種模型首先由Fiala和Ohno提出，假設汽車的部分轉(zhuǎn)向角由一段標定距離內(nèi)的車道曲率κ決定（如圖6），因為車道曲率獨立于車輛運動，所以這是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，因此Fiala又稱這種模型為“前大燈方向指導”模型[7]。圖5所示為具有預期開環(huán)結(jié)構(gòu)的模型，是Donges提出的“雙層結(jié)構(gòu)模型”，這是一個閉環(huán)形式的狀態(tài)變量控制器（如圖3）與開環(huán)結(jié)構(gòu)的組合，假設為一個有二自由度時間預期的線性系統(tǒng)[5]。其中，駕駛?cè)说姆磻獣r間τH由時間延遲變量來表示，而另一個未知影響（如駕駛?cè)嗽肼暎﹦t通過原來的飛行員模型獲得。
多名學者模仿這種具有附加開環(huán)結(jié)構(gòu)的補償閉環(huán)控制模型進行建模，然而，具有代表性的模型是由B?sch和Pl?chl、Lugner所開發(fā)的模型，這種新模型除補償性控制結(jié)構(gòu)和預期控制結(jié)構(gòu)外，又被引入第三種控制結(jié)構(gòu)稱為“自我控制”結(jié)構(gòu)（瞬時路徑偏差的校正）[8]。
2.4 雙模式模型
雙模式模型的特點是在仿真過程中可改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即在開環(huán)和閉環(huán)模式之間相互轉(zhuǎn)換[9]。這種模型已經(jīng)應用于DRIVEM中，同時還運用于環(huán)境突變的自適應模型中，例如在模擬汽車行駛過程中，突發(fā)狀況使模型內(nèi)部發(fā)生改變達到自我調(diào)整的目的。
2.5 其他種類的模型
對上述四種駕駛?cè)四Ｐ妥龀瞿承┓矫娴母淖?，則可得到其他種類的模型，這些新模型通過停滯時間，輸入或輸出參數(shù)的種類，亦或所依據(jù)的非線性原理等進行區(qū)分，例如Baxter和Harrison通過假設滯后現(xiàn)象建立了非線性模型；Carson等人所建模型需要用到感知閾值；某些駕駛?cè)四Ｐ蛣t在時間離散的形式下，采用簡單固有變量建立數(shù)學模型，并且根據(jù)優(yōu)化原則分析模型參數(shù)。還有一些模型與預瞄
模型相似，這類模型以視角φ作為輸入?yún)?shù)。大多數(shù)駕駛?cè)四Ｐ鸵赞D(zhuǎn)向角δH作為駕駛?cè)溯敵?，然而，也有些駕駛?cè)四Ｐ鸵赞D(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的頻率或轉(zhuǎn)矩作為駕駛?cè)说妮敵?。而系統(tǒng)的輸入則通常是預期的側(cè)向偏差或路徑曲率，當然還有其他的狀態(tài)變量，例如車輪側(cè)傾角，而Reichelt所建模型可有21種不同的信息參數(shù)作為系統(tǒng)輸入，從汽車姿態(tài)角速率到路徑參考曲率不等[10]。
3、駕駛?cè)四Ｐ偷膽?/h2>
這些駕駛?cè)四Ｐ徒^大多數(shù)是具有駕駛?cè)藱M向力控制機制的模型，其結(jié)構(gòu)類似于在機械系統(tǒng)上增設一個相應的控制器，這種建模方法的優(yōu)點是可以使用一個數(shù)學儀器描述整個系統(tǒng)。
目前，在車輛動力學實時仿真中使用的商業(yè)化駕駛?cè)四Ｐ陀衯e-DYNA的駕駛?cè)丝刂破?、ADAMS軟件中DRIVER模塊，ve-DYNA中的駕駛?cè)四Ｐ偷膽梅椒ㄊ且龑囇貥硕ㄜ壽E、以限制車速前行，在賽車的路線優(yōu)化等方面得到應用。
這些商用駕駛?cè)四Ｐ屯瑯討糜谔摂M駕駛測試領(lǐng)域，例如，雙移線實驗，以及ESP等電子控制單元系統(tǒng)的在環(huán)實驗。多數(shù)汽車電子控制器的設計目的是幫助駕駛?cè)苏莆绽щy的駕駛操作，以及減少駕駛操作失誤，因此，應當測試在緊急情況下，電子控制器的設計功能是否滿足要求，例如，以限制車速通過曲線道路，從而實現(xiàn)測試目的。但為合理測試控制器在車內(nèi)環(huán)境的運行狀況，則希望虛擬駕駛?cè)耍{駛?cè)四Ｐ停┡c普通駕駛員的正常駕駛行為類似。
因此，汽車設計師需要開發(fā)出一些符合人類特點的技術(shù)控制器駕駛?cè)四Ｐ汀Ｅc單純的技術(shù)控制器不同，駕駛員不會按照標定的軌跡駕駛汽車，而是在給定的約束條件下選擇合適的目標道路（例如，道路寬度或車道寬度）行駛，這種要求反映在駕駛?cè)四Ｐ吞匦灾校瑒t表現(xiàn)為兩個方面，即模型的引導性和穩(wěn)定性（如圖7）。
在引導性層面，要求汽車以時間為依據(jù)的目標位置、目標速度、目標方向和目標路徑曲率都是可以確定的。這些變量同時作為穩(wěn)定性層面的評價標準，是通過非線性系統(tǒng)解耦原理，以及提供輔助控制（通過感應汽車狀態(tài)信息的模型獲得，例如側(cè)傾角）的位置控制器，才得以實現(xiàn)的。穩(wěn)定層的位置控制器使汽車盡可能在標定軌跡上以目標位置行駛（如圖8）。汽車與目標點之間的距離是不固定的，可以想象成汽車和指引汽車移動的目標點之間為彈性連接，車輛偏離目標點越多，就越難捕捉到目標點，而理想情況為，駕駛?cè)嗽谌魏螤顟B(tài)下都使車輛與目標點保持一致。個體駕駛行為差異以及典型的駕駛操作錯誤，例如，不同駕駛?cè)藢︻A瞄距離、轉(zhuǎn)向響應延遲時間可通過設定不同駕駛?cè)四Ｐ偷膮?shù)特征來實現(xiàn)[11]。
4、總結(jié)與展望
雖然汽車設計師花費大量時間對模型進行迭代改進，但是相對于其他領(lǐng)域的模型來說，駕駛?cè)四Ｐ透倪M收效甚微，原因是個體之間或者個體內(nèi)部存在著很大的差異，而且個體動態(tài)行為也存在著偏差。在某些應用中，例如對于相對成熟的駕駛?cè)耸植亢褪直凵窠?jīng)肌肉模型來說，可以增加一個額外的第三級模型，而這種整體駕駛?cè)四Ｐ驮谘芯哭D(zhuǎn)向特性時，卻是很有用的。
因此，駕駛?cè)四Ｐ脱芯康慕裹c已從控制理論轉(zhuǎn)到其他建模方法上，即更適合描述非動態(tài)行為方面的建模方法，例如，尋找能夠?qū)崿F(xiàn)駕駛?cè)藳Q策或規(guī)劃等非動態(tài)行為方面的建模方法。然而，最后一個
例子說明，即使只將中心點結(jié)合到算法環(huán)境中，應用控制理論描述動態(tài)轉(zhuǎn)向特性仍然是最合適的方法。總之，雖然汽車設計師已經(jīng)進行了大量基于控制理論的駕駛?cè)四Ｐ脱芯?，但是在集成到一個“混合建?！钡膯栴}上，仍然面臨著難題。
[1] Allen R.W. Defining the design driver from a vehicle control point-of-view[C]. 62nd Annual TRB Meeting, Washington USA: STI-Report, 1983, No. 83327: S.1-11.
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[4] Guo K, Guan H. Modelling of driver/vehicle directional control system[J]. Vehicle System Dynamics,1993, 22: 141-184.
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[6] Reid L.D, Solowka E.N and Billing A.M. A systematic study of driver steering behaviour[J]. Ergonomics, 1981, 24(6): 447-462.
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[9] McRuer D.T, Allen W.R, Weir D.H and Klein R.H. New results in driver steering control models[J]. Human Factors, 1977, 19(4): 381-397.
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[11] Irmscher M, Ehmann M. Driver Classification using ve-DYNA Advanced Driver[S], SAE paper 2004, 1:0451.
Review and Outlook of the Driver Model for Vehicles Design
Li Xiaoxu, Chen Yanqin
(Chang an University, school of automobile, Shaanxi Xian 710064)
This thesis is a systematic review of the development and evolution of the early driver model, according to the driver model design theory and research methods, driver models are divided into different types such as directional control driver model、STI model、expected open-loop control model、dual-mode model and other driver models, the directional control driver model are divided two types: preview driver model and linear state variable control model. This thesis summarizes the research process of driver models above, analysis and discusses the characteristics of early model structure, summed up the shortcomings in the different kind of driver models, proposes a new direction of development of the driver model.
driver model; directional control; feedback control; driving behavior
U461.6
A
1671-7988(2014)03-58-05
李曉旭，就讀于長安大學汽車學院。
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李曉旭，陳燕芹
（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）
早期汽車設計駕駛?cè)四Ｐ突仡?/p>
李曉旭，陳燕芹
（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）
系統(tǒng)回顧了早期汽車駕駛?cè)四Ｐ偷陌l(fā)展與演變，根據(jù)駕駛?cè)四Ｐ偷脑O計理論和研究方法，將駕駛?cè)四Ｐ头譃榉较蚩刂岂{駛?cè)四Ｐ?、STI模型、預期開環(huán)控制模型、雙模式模型以及其他種類的模型，其中方向控制駕駛?cè)四Ｐ陀挚煞譃轭A瞄駕駛?cè)四Ｐ秃途€性狀態(tài)變量控制模型。綜述了上述各類汽車駕駛?cè)四Ｐ偷难芯窟^程，分析論述了早期汽車駕駛?cè)四Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)特點，總結(jié)了各類駕駛?cè)四Ｐ痛嬖诘牟蛔?，提出了駕駛?cè)四Ｐ桶l(fā)展的新方向。
駕駛?cè)四Ｐ?；方向控制；反饋控制；駕駛行為
CLC NO.:U461.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-58-05
1、早期駕駛?cè)四Ｐ透攀?/h2>
汽車駕駛?cè)四Ｐ褪桥c汽車橫向動力學模型相結(jié)合的一種動態(tài)模型。在汽車設計過程中，駕駛?cè)四Ｐ涂商峁┰O計方面的反饋信息，例如設計的改變對駕駛?cè)瞬僮鹘Y(jié)果有何影響。Allen將這種汽車設計過程中的駕駛?cè)四Ｐ头Q為“輔助設計駕駛?cè)恕蹦Ｐ蚚1]。由于汽車設計師采用微分方程對汽車的行駛狀態(tài)進行描述，因此，駕駛?cè)四Ｐ屯瑯硬捎眠@種方法，特別是在對完整系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究中，采用基于線性控制原理的微分方程描述系統(tǒng)狀態(tài)，是十分有效的。雖然駕駛?cè)四Ｐ头N類較多，但普遍是基于線性控制原理，并且采用微分方程進行狀態(tài)描述的模型。由此，上世紀七十年代逐漸出現(xiàn)了算法模型，決策結(jié)
構(gòu)模型，模糊控制模型、神經(jīng)網(wǎng)絡控制模型、模糊-人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型等基于線性控制理論的新模型。
基于線性控制原理的駕駛?cè)四Ｐ鸵呀?jīng)得到較為詳細的論述[2-4]。而在此之前，汽車駕駛?cè)四Ｐ褪怯梢环N跟蹤模型演變而來，即模擬駕駛?cè)俗鳛槠噦?cè)向動力學的控制器，通過人為設置外部參數(shù)實現(xiàn)操縱目的（圖1），采用線性微分方程或者是差分方程進行狀態(tài)描述。
2、典型駕駛?cè)四Ｐ偷姆N類
2.1 方向控制模型
方向控制模型由日本汽車設計人員建立。1953年，Kondo根據(jù)側(cè)向風對汽車行駛狀態(tài)的干擾，提出兩種針對駕駛?cè)诵袨榈哪Ｐ停搭A瞄駕駛?cè)四Ｐ秃途€性狀態(tài)變量控制模型，并通過一種單軌道模型得到整個汽車系統(tǒng)以恒定速度沿直線軌跡行駛狀態(tài)下的測試結(jié)果。此后，汽車工程師們發(fā)布的大多數(shù)汽車模型都以Kondo的這兩種駕駛?cè)四Ｐ妥鳛閰⒖?，它們的基本結(jié)構(gòu)相同。
2.1.1 駕駛?cè)祟A瞄模型
在預瞄駕駛?cè)四Ｐ椭?，Kondo假設在距離為L的預設行駛路線上，始終存在一假想點，即駕駛?cè)说囊暰€點或目標點，駕駛?cè)艘赃@種方式駕駛汽車前行（如圖2）。根據(jù)控制理論，這種模型可以使駕駛?cè)嗽陬A瞄距離L內(nèi)，將汽車在地面上的投影中心線與預設路線間的橫向偏移△yL減至最小。
圖中，△v為行駛方向角誤差，L為預瞄距離，δH為車輪轉(zhuǎn)向角，△yo為橫向位置重心誤差，△ψ為橫擺角誤差，△yL為△yo的預測值，Φ為駕駛?cè)艘暯侵?，κV為汽車行駛軌跡曲率，κr為參考路徑曲率，κS為汽車行駛道路曲率，V為速度矢量。
Kondo的這種線性預測模型被多國汽車設計工程師采用，其中日本較為普遍，其次在德國。
根據(jù)控制理論，預瞄駕駛?cè)四Ｐ涂梢越⑷N不同的數(shù)學模型。首先，△yL可認為是△yo在預瞄時間TP下的預測值。公式為：
式中TP為預瞄時間，vo為汽車行駛速度，L為預瞄距離，δH為車輪轉(zhuǎn)向角，△yo為橫向位置重心誤差，K為常數(shù)
其次，對于小視角值Φ，駕駛?cè)祟A瞄模型可表述為：
式中△ψ為橫擺角誤差
再次，由于這種轉(zhuǎn)換，預瞄駕駛?cè)四Ｐ涂珊喕癁閷ζ囍匦倪M行控制的模型。對于較小轉(zhuǎn)向角，可以寫為：
則駕駛?cè)祟A瞄模型（1）可線性化為
2.1.2 線性狀態(tài)變量控制模型
Kondo的第二種模型稱為線性狀態(tài)變量控制模型（如圖3）。這種模型假設汽車轉(zhuǎn)向角δH與橫擺角誤差△ψ、行駛方向角誤差△v和橫向位置重心誤差△yo為線性結(jié)合，并且這種模型經(jīng)過修改同樣適用于其它種類的模型[5-6]。
這個模型的形式如圖4。
2.2 STI模型
STI模型是源于跟蹤模型和飛行員模型，由美國系統(tǒng)技術(shù)公司和McRuer，Weir，Klein等共同開發(fā)。將STI模型的原理視圖轉(zhuǎn)化為控制理論簡圖（如圖5）后，顯示了與Kondo所開發(fā)模型過程的相似性。
STI模型與Kondo模型的顯著區(qū)別是時間延遲量τ的存在，這個變量代表駕駛員反應時間。在五十年代早期發(fā)布的飛機駕駛?cè)四Ｐ椭写嬖?，時間延遲量τ主要針對干擾量的補償控制，而汽車駕駛操作則主要是控制汽車受沿行可預見曲線的影響，因而，在正常駕駛狀態(tài)下，駕駛?cè)搜啬繕说缆沸旭倳r基本沒有反應時間。STI模型源于具有駕駛?cè)诵袨檠a償功能的經(jīng)典模型，彌補了Kondo所建模型的缺陷，更加接近駕駛?cè)瞬僮髁晳T。
2.3 預期開環(huán)控制模型
預期開環(huán)控制概念是眾多基于控制理論的駕駛?cè)四Ｐ退捎玫幕纠砟?。根?jù)這種方法，駕駛?cè)瞬粌H需要對汽車狀態(tài)的變化作出反應，還需要對道路的變化作出反應。這種模型首先由Fiala和Ohno提出，假設汽車的部分轉(zhuǎn)向角由一段標定距離內(nèi)的車道曲率κ決定（如圖6），因為車道曲率獨立于車輛運動，所以這是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，因此Fiala又稱這種模型為“前大燈方向指導”模型[7]。圖5所示為具有預期開環(huán)結(jié)構(gòu)的模型，是Donges提出的“雙層結(jié)構(gòu)模型”，這是一個閉環(huán)形式的狀態(tài)變量控制器（如圖3）與開環(huán)結(jié)構(gòu)的組合，假設為一個有二自由度時間預期的線性系統(tǒng)[5]。其中，駕駛?cè)说姆磻獣r間τH由時間延遲變量來表示，而另一個未知影響（如駕駛?cè)嗽肼暎﹦t通過原來的飛行員模型獲得。
多名學者模仿這種具有附加開環(huán)結(jié)構(gòu)的補償閉環(huán)控制模型進行建模，然而，具有代表性的模型是由B?sch和Pl?chl、Lugner所開發(fā)的模型，這種新模型除補償性控制結(jié)構(gòu)和預期控制結(jié)構(gòu)外，又被引入第三種控制結(jié)構(gòu)稱為“自我控制”結(jié)構(gòu)（瞬時路徑偏差的校正）[8]。
2.4 雙模式模型
雙模式模型的特點是在仿真過程中可改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即在開環(huán)和閉環(huán)模式之間相互轉(zhuǎn)換[9]。這種模型已經(jīng)應用于DRIVEM中，同時還運用于環(huán)境突變的自適應模型中，例如在模擬汽車行駛過程中，突發(fā)狀況使模型內(nèi)部發(fā)生改變達到自我調(diào)整的目的。
2.5 其他種類的模型
對上述四種駕駛?cè)四Ｐ妥龀瞿承┓矫娴母淖?，則可得到其他種類的模型，這些新模型通過停滯時間，輸入或輸出參數(shù)的種類，亦或所依據(jù)的非線性原理等進行區(qū)分，例如Baxter和Harrison通過假設滯后現(xiàn)象建立了非線性模型；Carson等人所建模型需要用到感知閾值；某些駕駛?cè)四Ｐ蛣t在時間離散的形式下，采用簡單固有變量建立數(shù)學模型，并且根據(jù)優(yōu)化原則分析模型參數(shù)。還有一些模型與預瞄
模型相似，這類模型以視角φ作為輸入?yún)?shù)。大多數(shù)駕駛?cè)四Ｐ鸵赞D(zhuǎn)向角δH作為駕駛?cè)溯敵?，然而，也有些駕駛?cè)四Ｐ鸵赞D(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的頻率或轉(zhuǎn)矩作為駕駛?cè)说妮敵?。而系統(tǒng)的輸入則通常是預期的側(cè)向偏差或路徑曲率，當然還有其他的狀態(tài)變量，例如車輪側(cè)傾角，而Reichelt所建模型可有21種不同的信息參數(shù)作為系統(tǒng)輸入，從汽車姿態(tài)角速率到路徑參考曲率不等[10]。
3、駕駛?cè)四Ｐ偷膽?/h2>
這些駕駛?cè)四Ｐ徒^大多數(shù)是具有駕駛?cè)藱M向力控制機制的模型，其結(jié)構(gòu)類似于在機械系統(tǒng)上增設一個相應的控制器，這種建模方法的優(yōu)點是可以使用一個數(shù)學儀器描述整個系統(tǒng)。
目前，在車輛動力學實時仿真中使用的商業(yè)化駕駛?cè)四Ｐ陀衯e-DYNA的駕駛?cè)丝刂破?、ADAMS軟件中DRIVER模塊，ve-DYNA中的駕駛?cè)四Ｐ偷膽梅椒ㄊ且龑囇貥硕ㄜ壽E、以限制車速前行，在賽車的路線優(yōu)化等方面得到應用。
這些商用駕駛?cè)四Ｐ屯瑯討糜谔摂M駕駛測試領(lǐng)域，例如，雙移線實驗，以及ESP等電子控制單元系統(tǒng)的在環(huán)實驗。多數(shù)汽車電子控制器的設計目的是幫助駕駛?cè)苏莆绽щy的駕駛操作，以及減少駕駛操作失誤，因此，應當測試在緊急情況下，電子控制器的設計功能是否滿足要求，例如，以限制車速通過曲線道路，從而實現(xiàn)測試目的。但為合理測試控制器在車內(nèi)環(huán)境的運行狀況，則希望虛擬駕駛?cè)耍{駛?cè)四Ｐ停┡c普通駕駛員的正常駕駛行為類似。
因此，汽車設計師需要開發(fā)出一些符合人類特點的技術(shù)控制器駕駛?cè)四Ｐ汀Ｅc單純的技術(shù)控制器不同，駕駛員不會按照標定的軌跡駕駛汽車，而是在給定的約束條件下選擇合適的目標道路（例如，道路寬度或車道寬度）行駛，這種要求反映在駕駛?cè)四Ｐ吞匦灾校瑒t表現(xiàn)為兩個方面，即模型的引導性和穩(wěn)定性（如圖7）。
在引導性層面，要求汽車以時間為依據(jù)的目標位置、目標速度、目標方向和目標路徑曲率都是可以確定的。這些變量同時作為穩(wěn)定性層面的評價標準，是通過非線性系統(tǒng)解耦原理，以及提供輔助控制（通過感應汽車狀態(tài)信息的模型獲得，例如側(cè)傾角）的位置控制器，才得以實現(xiàn)的。穩(wěn)定層的位置控制器使汽車盡可能在標定軌跡上以目標位置行駛（如圖8）。汽車與目標點之間的距離是不固定的，可以想象成汽車和指引汽車移動的目標點之間為彈性連接，車輛偏離目標點越多，就越難捕捉到目標點，而理想情況為，駕駛?cè)嗽谌魏螤顟B(tài)下都使車輛與目標點保持一致。個體駕駛行為差異以及典型的駕駛操作錯誤，例如，不同駕駛?cè)藢︻A瞄距離、轉(zhuǎn)向響應延遲時間可通過設定不同駕駛?cè)四Ｐ偷膮?shù)特征來實現(xiàn)[11]。
4、總結(jié)與展望
雖然汽車設計師花費大量時間對模型進行迭代改進，但是相對于其他領(lǐng)域的模型來說，駕駛?cè)四Ｐ透倪M收效甚微，原因是個體之間或者個體內(nèi)部存在著很大的差異，而且個體動態(tài)行為也存在著偏差。在某些應用中，例如對于相對成熟的駕駛?cè)耸植亢褪直凵窠?jīng)肌肉模型來說，可以增加一個額外的第三級模型，而這種整體駕駛?cè)四Ｐ驮谘芯哭D(zhuǎn)向特性時，卻是很有用的。
因此，駕駛?cè)四Ｐ脱芯康慕裹c已從控制理論轉(zhuǎn)到其他建模方法上，即更適合描述非動態(tài)行為方面的建模方法，例如，尋找能夠?qū)崿F(xiàn)駕駛?cè)藳Q策或規(guī)劃等非動態(tài)行為方面的建模方法。然而，最后一個
例子說明，即使只將中心點結(jié)合到算法環(huán)境中，應用控制理論描述動態(tài)轉(zhuǎn)向特性仍然是最合適的方法。總之，雖然汽車設計師已經(jīng)進行了大量基于控制理論的駕駛?cè)四Ｐ脱芯?，但是在集成到一個“混合建?！钡膯栴}上，仍然面臨著難題。
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Review and Outlook of the Driver Model for Vehicles Design
Li Xiaoxu, Chen Yanqin
(Chang an University, school of automobile, Shaanxi Xian 710064)
This thesis is a systematic review of the development and evolution of the early driver model, according to the driver model design theory and research methods, driver models are divided into different types such as directional control driver model、STI model、expected open-loop control model、dual-mode model and other driver models, the directional control driver model are divided two types: preview driver model and linear state variable control model. This thesis summarizes the research process of driver models above, analysis and discusses the characteristics of early model structure, summed up the shortcomings in the different kind of driver models, proposes a new direction of development of the driver model.
driver model; directional control; feedback control; driving behavior
U461.6
A
1671-7988(2014)03-58-05
李曉旭，就讀于長安大學汽車學院。
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