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        基于預(yù)期偏移距離的人機(jī)權(quán)值分配策略研究*

        2020-05-09 08:54:20陳無(wú)畏王其東丁雨康趙林峰王慧然謝有浩
        汽車(chē)工程 2020年4期
        關(guān)鍵詞:駕駛員分配系統(tǒng)

        陳無(wú)畏,王其東,2,丁雨康,趙林峰,王慧然,謝有浩

        (1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院,合肥 230009; 2.合肥學(xué)院機(jī)械工程系,合肥 230071;3.安徽獵豹汽車(chē)有限公司,滁州 239064)

        前言

        汽車(chē)的面世,極大地方便了人們的出行,但頻發(fā)的交通事故同樣也在威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。為保證行車(chē)安全,高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)應(yīng)運(yùn)而生,維持車(chē)輛行駛在道路中心線(xiàn)附近的車(chē)道保持輔助系統(tǒng)(LKAS)即為其典型產(chǎn)品[1-2]。但由于LKAS和駕駛員在轉(zhuǎn)向任務(wù)中都擁有自己獨(dú)立的控制方式,容易造成二者在控制上的沖突,因而進(jìn)入21世紀(jì)后,在車(chē)輛的主動(dòng)安全領(lǐng)域出現(xiàn)了并行發(fā)展的兩條路線(xiàn):一條是不依賴(lài)于駕駛員的全自動(dòng)駕駛路線(xiàn);另一條則是允許駕駛員介入對(duì)車(chē)輛控制的半自動(dòng)駕駛路線(xiàn)。

        自動(dòng)駕駛技術(shù)在現(xiàn)階段的發(fā)展尚不完善,并且從享受駕駛樂(lè)趣的角度出發(fā),駕駛員往往更希望將輔助系統(tǒng)定位在“引導(dǎo)者”的角色,而非取代駕駛員。因此,需要對(duì)駕駛員和輔助系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。根據(jù)駕駛員和輔助系統(tǒng)是否同時(shí)處于控制回路中,可將協(xié)調(diào)控制策略分為權(quán)限切換和權(quán)值分配兩類(lèi)。前者通過(guò)特定條件下的操作權(quán)限移交來(lái)避免控制沖突,但難以充分發(fā)揮系統(tǒng)的輔助作用[3-4];后者在駕駛員和輔助系統(tǒng)之間進(jìn)行合適的權(quán)值分配,從而協(xié)調(diào)二者的控制效果。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中探究了不同程度的權(quán)值分配對(duì)路徑跟蹤效果的影響,但如何制定合適的權(quán)值分配函數(shù)仍有待解決。

        權(quán)值分配有兩種實(shí)現(xiàn)途徑[7],其一為觸覺(jué)反饋式共享控制(haptic shared control,HSC)。在設(shè)計(jì)橫向運(yùn)動(dòng)控制器時(shí)考慮駕駛員的控制作用,將其轉(zhuǎn)向力矩Td或轉(zhuǎn)角δd作為狀態(tài)量,建立—人—車(chē) 路閉環(huán)模型,助力力矩Ta經(jīng)由轉(zhuǎn)向盤(pán)反饋給駕駛員,提供觸覺(jué)引導(dǎo)。文獻(xiàn)[8]中針對(duì)駕駛員行為的不確定性,基于H2優(yōu)化控制理論建立協(xié)調(diào)控制器;文獻(xiàn)[9]中將駕駛員的控制介入作為帶約束的優(yōu)化問(wèn)題來(lái)處理,在MPC框架下設(shè)計(jì)橫向運(yùn)動(dòng)控制器。HSC通常以車(chē)輛的預(yù)瞄偏差或方位偏差為優(yōu)化目標(biāo),基于現(xiàn)代控制理論(如最優(yōu)控制)設(shè)計(jì)橫向運(yùn)動(dòng)控制器。其優(yōu)點(diǎn)在于路徑跟蹤精度高,易滿(mǎn)足穩(wěn)定性等方面的限制要求,但輔助系統(tǒng)對(duì)駕駛員的干預(yù)程度較大,缺乏具體的權(quán)值分配函數(shù),無(wú)法優(yōu)先保證駕駛員的控制權(quán)限。

        另一種進(jìn)行權(quán)值分配的方式為混合式共享控制(blended shared control,BSC)。駕駛員和輔助系統(tǒng)獨(dú)立決策出各自的轉(zhuǎn)向控制量,經(jīng)由具體的權(quán)值分配函數(shù)作用后再共同施加到轉(zhuǎn)向管柱上。由于模糊控制在擬合非線(xiàn)性關(guān)系上的突出表現(xiàn),文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中建立了模糊協(xié)調(diào)控制器,以預(yù)瞄偏差yL和駕駛員轉(zhuǎn)矩Td為輸入,以駕駛員權(quán)值w為輸出,權(quán)值分配函數(shù)隱藏在隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則中,但模糊規(guī)則的建立過(guò)程較為復(fù)雜,駕駛員和輔助系統(tǒng)之間的分配關(guān)系仍不明朗,協(xié)調(diào)控制器的作用更多的是在權(quán)值w和控制精度之間做了簡(jiǎn)單的折中。因此,BSC通?;谀稠?xiàng)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[12]中從穩(wěn)定性的角度出發(fā),基于前輪側(cè)偏角設(shè)計(jì)權(quán)值分配函數(shù),輔助系統(tǒng)在車(chē)輛具有失穩(wěn)趨勢(shì)時(shí)介入轉(zhuǎn)向控制,但未考慮橫向運(yùn)動(dòng)控制精度的問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]中以預(yù)瞄偏差yL為權(quán)值分配函數(shù)的自變量,輔助系統(tǒng)的介入作用隨yL的增大而加大,但并未考慮駕駛員在當(dāng)前時(shí)刻的糾正作用,因而容易過(guò)度評(píng)估危險(xiǎn)度等級(jí),尤其在彎曲道路上。文獻(xiàn)[14]中依據(jù)駕駛員轉(zhuǎn)矩大小設(shè)計(jì)權(quán)值分配函數(shù),但是難以保證橫向運(yùn)動(dòng)控制精度。

        上述文獻(xiàn)中在進(jìn)行權(quán)值分配時(shí)以保證動(dòng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)(如側(cè)向偏差、方位偏差等)為優(yōu)先控制目標(biāo),但權(quán)值分配的目的是為了保證駕駛員的控制權(quán)值,而非追求位置偏差最小,因此容易出現(xiàn)駕駛員的控制權(quán)值較低,而輔助系統(tǒng)過(guò)度干預(yù)的情況。

        針對(duì)上述問(wèn)題,本文中在BSC框架下提出一種權(quán)值分配策略,通過(guò)駕駛員的實(shí)時(shí)控制作用對(duì)預(yù)瞄偏差yL進(jìn)行糾正,獲取預(yù)期偏移距離(preview distance to lane center,PDLC),設(shè)計(jì)權(quán)值分配函數(shù),以實(shí)現(xiàn)在一定的橫向運(yùn)動(dòng)控制精度下優(yōu)先保證駕駛員控制權(quán)值的目的,通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間常數(shù)獲得處于不同駕駛狀態(tài)(比如疲勞狀態(tài))的駕駛員模型,設(shè)計(jì)了幾種典型的駕駛員誤操作行為,對(duì)不同駕駛員在權(quán)值分配策略參與前后的行車(chē)表現(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比,分析了權(quán)值分配策略在提高橫向運(yùn)動(dòng)控制精度、降低工作負(fù)荷、糾正誤操作行為方面對(duì)駕駛員的輔助作用。

        1 人—車(chē)—路模型

        采用LKAS追蹤理想道路中心線(xiàn)時(shí)可不考慮車(chē)輛的縱向運(yùn)動(dòng)特性,忽略其側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)。設(shè)預(yù)瞄距離為ls,車(chē)輛在預(yù)瞄點(diǎn)處距車(chē)道中心線(xiàn)的距離為yL,車(chē)輛與車(chē)道線(xiàn)的相對(duì)橫擺角為ψL,道路曲率為ρ,則車(chē)輛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)特性可由下列簡(jiǎn)化的2自由度模型表示。

        其中:

        式中:β為質(zhì)心側(cè)偏角;r為橫擺角速度;Cf和Cr分別為前后輪胎的側(cè)偏剛度;lf和lr分別為質(zhì)心至前、后軸的距離;m為整車(chē)質(zhì)量;v為縱向車(chē)速;Iz為車(chē)輛繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;控制輸入δd為前輪轉(zhuǎn)角。

        車(chē)輛和道路的相對(duì)位置關(guān)系為

        道路的曲率一般較小,為簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略式(2)中的vρ項(xiàng)并聯(lián)立式(1)可得車(chē)輛 道路模型:

        式中:x=[βrψ y]T為狀態(tài)變量;控制量 u=δ。

        vLLvd

        為將駕駛員納入控制回路,增加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型以考慮駕駛員輸入轉(zhuǎn)矩對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的影響,從而聯(lián)立得到人—車(chē)—路模型,增廣后的狀態(tài)變量 xc=則人 車(chē) 路模型為

        其中:

        式中:控制輸入u=Td;Js為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Bs為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的等效阻尼系數(shù);Rs為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比;ηt為輪胎接觸地面寬度。

        2 人機(jī)權(quán)值分配策略

        橫向運(yùn)動(dòng)控制中的人機(jī)權(quán)值分配策略框圖如圖1所示。協(xié)調(diào)控制層的作用在于權(quán)值分配,根據(jù)駕駛員和LKAS的轉(zhuǎn)矩差異對(duì)預(yù)瞄偏差yL進(jìn)行修正以獲取預(yù)期偏移距離lPD,權(quán)值分配函數(shù)根據(jù)lPD計(jì)算出駕駛員權(quán)值w。橫向控制層的作用是決策出使車(chē)輛追隨道路中心線(xiàn)所需的控制量,令駕駛員和LKAS各自決策出的控制量分別為T(mén)d和Ta。由于在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,Td完全作用在轉(zhuǎn)向管柱上,無(wú)法直接調(diào)節(jié),因此根據(jù)Td、Ta和w計(jì)算出相應(yīng)的助力轉(zhuǎn)向力矩Tz,從而對(duì)駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向引導(dǎo)或糾偏。

        圖1 人機(jī)權(quán)值分配策略控制框圖

        2.1 MPC橫向運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

        考慮到控制過(guò)程中存在諸多約束,橫向運(yùn)動(dòng)控制器基于模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control,MPC)理論建立。MPC的優(yōu)化過(guò)程是有限時(shí)域內(nèi)的滾動(dòng)優(yōu)化過(guò)程,具有控制效果好,魯棒性強(qiáng),能較好地兼顧控制目標(biāo)和系統(tǒng)約束等優(yōu)點(diǎn)。

        為更符合實(shí)際駕駛員的轉(zhuǎn)向特征,根據(jù)兩點(diǎn)預(yù)瞄原理,以近視角θnear、近視角變化率θ·near和遠(yuǎn)視角變化率θ·far為控制器的輸出量,近視角和遠(yuǎn)視角的求解公式如下:

        式中:ls為前述的近預(yù)瞄距離;Dfar為遠(yuǎn)預(yù)瞄距離;Rv為車(chē)輛的轉(zhuǎn)向半徑。

        其中:

        令ξ=[xcu]T為增廣后的狀態(tài)變量,則式(4)可改寫(xiě)為下述以控制增量 Δu為控制量的狀態(tài)方程:

        其中:

        假設(shè):預(yù)測(cè)時(shí)域?yàn)?Np,控制時(shí)域?yàn)?Nc,式(8)中預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)狀態(tài)方程中的矩陣參數(shù)保持不變,則系統(tǒng)的狀態(tài)量ξ和輸出量η可用下式計(jì)算。

        ξ(t+Np|t)=ANpξ(t|t)+

        系統(tǒng)在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出以矩陣為

        其中:

        優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如式(12)所示,第1項(xiàng)由系統(tǒng)輸出量構(gòu)成,表征了控制系統(tǒng)對(duì)參考軌線(xiàn)的跟隨能力;第2項(xiàng)則反映了系統(tǒng)對(duì)控制量平穩(wěn)變化的要求,以避免瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩過(guò)大,Q和R是權(quán)重矩陣。

        MPC控制在每一個(gè)采樣時(shí)刻的帶約束的優(yōu)化求解問(wèn)題即轉(zhuǎn)化為求解式(18)的二次規(guī)劃問(wèn)題,解序列中的第一個(gè)值將作為下一個(gè)采樣時(shí)刻的控制輸入。

        2.2 權(quán)值分配策略

        權(quán)值分配策略的作用是協(xié)調(diào)駕駛員和LKAS的控制效果,在維持一定橫向運(yùn)動(dòng)控制精度的前提下給予駕駛員更多的控制權(quán)值。控制效果主要體現(xiàn)在兩方面:橫向運(yùn)動(dòng)控制精度和駕駛員的主觀(guān)感受。

        由于駕駛員生理上的限制,比如神經(jīng)反應(yīng)滯后和操作反應(yīng)滯后,導(dǎo)致其跟蹤效果不如LKAS準(zhǔn)確穩(wěn)定,因而提高輔助系統(tǒng)的權(quán)值有利于提高橫向運(yùn)動(dòng)控制精度。而在駕駛員的主觀(guān)感受方面,根據(jù)Mars[5]和 Iwano[6]等人的研究,輔助系統(tǒng)權(quán)值較低時(shí)的作用在于“觸覺(jué)引導(dǎo)”,指引駕駛員正確轉(zhuǎn)向;但隨著其權(quán)值的增加,駕駛員會(huì)逐漸覺(jué)得車(chē)輛不受控制,直至輔助系統(tǒng)權(quán)值增加到一定程度(即達(dá)到某一

        此外,控制系統(tǒng)還須滿(mǎn)足一定的限制條件。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限制和防止瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩過(guò)大,需要對(duì)控制量和控制增量進(jìn)行約束;為保證行車(chē)安全,輸出量需要限制在一定范圍內(nèi);在穩(wěn)定性方面,車(chē)輛的質(zhì)心側(cè)偏角也有相應(yīng)的要求:

        式中:k=0,…,Nc-1。

        預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出量偏差可表示為

        其中 Yref=[ηref(t+1|t),…,ηref(t+Np|t)]T由式(11)和式(12),優(yōu)化目標(biāo)可調(diào)整為閾值)后,會(huì)造成駕駛員對(duì)輔助系統(tǒng)的不信任,乃至產(chǎn)生心理上的恐慌。

        因此,在進(jìn)行控制權(quán)值分配時(shí)應(yīng)依循下述原則:(1)為保證駕駛員的主觀(guān)感受,須增加駕駛員權(quán)值w;(2)為提高橫向運(yùn)動(dòng)控制精度,須增加輔助系統(tǒng)權(quán)值 z,z=1-w;(3)為減少駕駛員對(duì)輔助系統(tǒng)的不信任感,要盡量避免w<0.5的情況。

        本文中采用預(yù)期偏移距離lPDLC來(lái)衡量車(chē)輛偏離程度,預(yù)期偏移距離定義為車(chē)輛在預(yù)瞄點(diǎn)處偏移道路中心線(xiàn)的距離:

        lPDLC值越小則車(chē)輛在接下來(lái)的預(yù)瞄時(shí)間內(nèi)的橫向運(yùn)動(dòng)控制精度越高,相應(yīng)的可為駕駛員分配更多的控制權(quán)值。

        僅采用yL衡量車(chē)道偏離程度時(shí)未考慮駕駛員的控制作用,可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)度的過(guò)度評(píng)估,尤其是在彎曲道路上。為此,根據(jù)Td和Ta間的轉(zhuǎn)矩偏差ΔT對(duì)lPDLC進(jìn)行修正:

        其中:

        我國(guó)高速公路的車(chē)道寬度為3.75 m,而轎車(chē)的寬度大多在1.6~1.8 m,則可將lPD分為3個(gè)部分:(1)安全區(qū)域(0~0.3 m),車(chē)道偏離程度較低,駕駛員占主要控制權(quán)限;(2)一般區(qū)域(0.3~0.6 m),車(chē)道偏離現(xiàn)象較為明顯,應(yīng)逐漸提高輔助系統(tǒng)的控制權(quán)值;(3)危險(xiǎn)區(qū)域(0.6 m以上),此時(shí)意味著車(chē)輛有沖出車(chē)道的趨勢(shì)。由于駕駛員對(duì)線(xiàn)性函數(shù)的適應(yīng)度最好,以及為了便于控制,具體的權(quán)值分配函數(shù)如式(21)所示。由于輔助系統(tǒng)權(quán)值超過(guò)0.5后會(huì)增加駕駛員對(duì)輔助系統(tǒng)的不信任程度,因此增加了w=0.5這一范圍的比重。

        經(jīng)過(guò)權(quán)值分配后,最后施加到轉(zhuǎn)向盤(pán)上的等效轉(zhuǎn)向力矩為

        式中:Tass為權(quán)值分配后施加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力矩;Td為駕駛員施加的轉(zhuǎn)向力矩;Ta為輔助系統(tǒng)決策出的理想轉(zhuǎn)向力矩。

        實(shí)際上,相較于線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可直接對(duì)駕駛員的輸入作用進(jìn)行調(diào)節(jié),機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中駕駛員施加的轉(zhuǎn)向力矩Td完全作用到了轉(zhuǎn)向管柱上。為達(dá)到權(quán)值分配的效果,設(shè)輔助系統(tǒng)實(shí)際提供的轉(zhuǎn)矩為T(mén)z,則權(quán)值分配后施加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力矩為

        輔助系統(tǒng)將通過(guò)Tz引導(dǎo)駕駛員正確轉(zhuǎn)向、降低其工作負(fù)荷以及糾正車(chē)輛的偏離行為。

        3 仿真結(jié)果分析

        采用權(quán)值分配進(jìn)行駕駛員和輔助系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制,其重要作用在于提高路徑跟蹤精度、降低駕駛員工作負(fù)荷以及提高橫向控制中的抗干擾能力。為分析本文中所提出的權(quán)值分配策略對(duì)駕駛員的輔助作用,進(jìn)行CarSim/Simulink聯(lián)合仿真。仿真道路采用如圖2所示的Alt 3 Road from FHWA,車(chē)速為20 m/s。模型主要參數(shù)如表1所示。

        圖2 仿真路徑

        表1 模型參數(shù)表

        仿真所用駕駛員模型采用預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型[15],處于不同狀態(tài)的駕駛員主要表現(xiàn)為反應(yīng)時(shí)間的差異。一般情況下,駕駛員的神經(jīng)反應(yīng)時(shí)間td和操作反應(yīng)時(shí)間Th約為0.2和0.1 s,當(dāng)駕駛員處于異常狀態(tài)但仍能駕駛車(chē)輛時(shí),這個(gè)時(shí)間要延長(zhǎng)3~5倍,且會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足(因情緒激動(dòng)導(dǎo)致的激進(jìn)駕駛也可能表現(xiàn)出轉(zhuǎn)向過(guò)度)、誤操作的情況。因此,在前述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)駕駛員模型基礎(chǔ)上改變反應(yīng)時(shí)間并對(duì)駕駛員的控制作用進(jìn)行削弱處理,可得到處于不同狀態(tài)的駕駛員模型,如表2所示,其中遲鈍狀態(tài)是疲勞狀態(tài)的進(jìn)一步加深。

        表2 不同狀態(tài)下的駕駛員

        為分析權(quán)值分配策略對(duì)駕駛員誤操作行為的糾正效果,在協(xié)調(diào)控制下,處于疲勞狀態(tài)的駕駛員B在第3個(gè)彎道入口處反向施加持續(xù)2 s的4 N·m誤操作轉(zhuǎn)向力矩;處于遲鈍狀態(tài)的駕駛員C在第3個(gè)彎道入口處完全脫離駕駛狀態(tài);激進(jìn)型駕駛員D以4 N·m的誤操作轉(zhuǎn)向力矩行駛過(guò)第3個(gè)彎道。不同駕駛員在采用協(xié)調(diào)控制前后的橫向運(yùn)動(dòng)控制效果如圖3所示。

        圖3 側(cè)向偏差

        根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)側(cè)向偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。側(cè)向偏差的最大值對(duì)行車(chē)安全性影響最大,相較于駕駛員單獨(dú)控制車(chē)輛,協(xié)調(diào)控制明顯抑制了車(chē)輛的最大偏離程度,并且這一作用隨著駕駛員異常狀態(tài)的加深更加明顯。在平均值方面,輔助系統(tǒng)的參與使總體的橫向運(yùn)動(dòng)控制效果有了明顯的提高。此外,當(dāng)駕駛員單獨(dú)控制車(chē)輛時(shí),會(huì)不斷調(diào)整行進(jìn)方向,從而車(chē)輛距道路中心線(xiàn)的側(cè)向偏差yLCG表現(xiàn)出一定的波動(dòng)現(xiàn)象;當(dāng)駕駛員處于異常狀態(tài)時(shí),這一現(xiàn)象更為明顯,而協(xié)調(diào)控制能大幅平緩車(chē)輛的轉(zhuǎn)向行為,使車(chē)輛的轉(zhuǎn)向過(guò)程平滑穩(wěn)定。

        表3 側(cè)向偏差數(shù)據(jù)分析

        圖4 駕駛員權(quán)值

        圖4 為駕駛員的權(quán)值變化情況。若認(rèn)為權(quán)值w≥0.5時(shí)駕駛員占據(jù)主要控制權(quán)限,w≥0.8時(shí)駕駛員占據(jù)絕對(duì)控制權(quán)限,則駕駛員處于正常狀態(tài)時(shí),有97.24%的時(shí)間享有主要控制權(quán)限,有74.98%的時(shí)間享有絕對(duì)控制權(quán)限,同時(shí)車(chē)輛的最大偏離程度在輔助系統(tǒng)的引導(dǎo)作用下降低了42.2%。當(dāng)駕駛員處于疲勞或遲鈍狀態(tài)時(shí),駕駛員的控制權(quán)值有所降低,但相比于輔助系統(tǒng)仍有更多的控制權(quán)限,同時(shí)輔助系統(tǒng)介入程度的加深也進(jìn)一步提高了路徑跟蹤精度。激進(jìn)型駕駛員雖然能維持車(chē)輛行駛在道路中心線(xiàn)附近,但其反復(fù)調(diào)整車(chē)輛行進(jìn)方向的現(xiàn)象更為明顯,權(quán)值分配策略通過(guò)觸覺(jué)引導(dǎo)的作用平緩了其轉(zhuǎn)向操作行為。當(dāng)駕駛員發(fā)生誤操作行為時(shí),為保證行車(chē)安全,輔助系統(tǒng)會(huì)接管轉(zhuǎn)向盤(pán),駕駛員的權(quán)值將大幅降低,如圖所示均不超過(guò)0.2。而相應(yīng)的,車(chē)輛的最大側(cè)向偏差均不超過(guò)0.35 m,即權(quán)值分配策略通過(guò)犧牲駕駛員權(quán)值的方式,對(duì)其誤操作行為進(jìn)行了有效的糾正。

        圖5展示了仿真過(guò)程中4位駕駛員的轉(zhuǎn)向力矩變化情況,圖中Tz通過(guò)式(24)計(jì)算得出。駕駛員的工作負(fù)荷表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是需要持續(xù)施加轉(zhuǎn)矩Td在轉(zhuǎn)向盤(pán)上;二是反復(fù)調(diào)整車(chē)輛行駛方向。前者本文中通過(guò)駕駛員的轉(zhuǎn)向工作負(fù)荷(steering effort of driver,SED)進(jìn)行衡量,即對(duì)Td求定積分獲取,如式(25)所示;后者通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)的方向變換次數(shù)(number of direction changes,NDC)衡量。只對(duì)第3個(gè)彎道前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表4。

        圖5 轉(zhuǎn)向力矩對(duì)比

        由表4可知,輔助系統(tǒng)參與轉(zhuǎn)向控制后,NDC值明顯下降,即駕駛員的轉(zhuǎn)向過(guò)程更為平滑,由于調(diào)整車(chē)輛行進(jìn)方向的行為次數(shù)減少而導(dǎo)致其重復(fù)工作量大幅降低。在SED上,無(wú)論輔助系統(tǒng)參與與否,同一駕駛員施加到轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)矩的大小量級(jí)不會(huì)有太大改變。因此分析時(shí)以駕駛員A單獨(dú)控制時(shí)的SED值為標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)駕駛員B、C的SED值分別只有標(biāo)準(zhǔn)值的82.63%和59.58%,駕駛員D由于其具有過(guò)度轉(zhuǎn)向傾向,因而其SED值為標(biāo)準(zhǔn)值的124.93%。

        表4 駕駛員工作負(fù)荷數(shù)據(jù)分析

        從Tz的角度來(lái)看,對(duì)于駕駛員A,輔助系統(tǒng)僅在彎道的入口和出口處提供少許的助力力矩,從而抑制車(chē)輛的最大側(cè)向偏差。激進(jìn)型駕駛員D由于仍能維持一定的控制精度,因而Tz同樣很小,主要是觸覺(jué)引導(dǎo)作用。對(duì)于駕駛員B和C而言,由于其不能提供足夠的轉(zhuǎn)向力矩,所以當(dāng)車(chē)輛偏離一定程度時(shí)系統(tǒng)會(huì)施加大轉(zhuǎn)矩以糾正車(chē)輛的偏離行為,因而在圖中表現(xiàn)出一定的“凸起”,從而補(bǔ)足轉(zhuǎn)向力矩不足的部分。

        4 硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)

        在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證權(quán)值分配策略的可行性。實(shí)驗(yàn)采用NI PXI主機(jī)為工控機(jī),在CarSim中搭建整車(chē)模型,在Labview中編寫(xiě)控制程序,通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)時(shí)采集駕駛員的轉(zhuǎn)矩信號(hào)并經(jīng)由PXI主機(jī)傳回Labview。硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)的具體流程如圖6所示。

        硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)分成兩部分,采用Alt 3 Road from FHWA仿真道路,路面附著系數(shù)為0.8。當(dāng)駕駛員熟悉了道路及實(shí)驗(yàn)臺(tái)操控后,其以80 km/h的時(shí)速單獨(dú)控制車(chē)輛跑完全程。在第二部分實(shí)驗(yàn)中加入權(quán)值分配策略,且駕駛員相較于第一部分的實(shí)驗(yàn)只施加部分轉(zhuǎn)向力矩并在第3個(gè)彎道入口處(即27 s時(shí))反向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)2 s以模擬疲勞狀態(tài)下的誤操作行為。硬件在環(huán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7~圖9所示。

        圖8 轉(zhuǎn)矩對(duì)比

        圖9 駕駛員權(quán)值

        圖7 展示了實(shí)驗(yàn)中的橫向運(yùn)動(dòng)控制效果。由于每次實(shí)驗(yàn)時(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向行為不完全相同,因而在權(quán)值分配前后,兩條曲線(xiàn)在同一時(shí)刻的偏差值的對(duì)比性較低。從總體上看,駕駛員單獨(dú)控制時(shí)的最大側(cè)向偏離程度為0.689 m,平均側(cè)向偏離程度為0.214 m;權(quán)值分配策略參與后且未發(fā)生誤操作行為時(shí)的最大側(cè)向偏離程度為 0.496 m,降低了28.01%,平均側(cè)向偏離程度為0.227 m??梢?jiàn)采用權(quán)值分配策略后,處于疲勞狀態(tài)的駕駛員也能很好地完成駕駛?cè)蝿?wù),其橫向運(yùn)動(dòng)控制效果不低于正常狀態(tài)下單獨(dú)控制時(shí)的效果。車(chē)輛在誤操作處的側(cè)向偏差為0.72 m,并未偏離車(chē)道,可見(jiàn)權(quán)值分配策略能有效糾正駕駛員的誤操作行為。

        圖8所示為實(shí)驗(yàn)中的轉(zhuǎn)向力矩變化情況。由于輔助系統(tǒng)的引導(dǎo)作用以及提供了部分轉(zhuǎn)向力矩,疲勞狀態(tài)下駕駛員轉(zhuǎn)矩相較于正常狀態(tài)有一定程度的下降,其SED值為正常值的84.71%。在NDC上,由圖可見(jiàn),駕駛員調(diào)整轉(zhuǎn)向盤(pán)的次數(shù)也有明顯下降,其重復(fù)工作量得以有效的降低。

        圖9展示了實(shí)驗(yàn)中的權(quán)值變化情況??梢?jiàn)駕駛員在直線(xiàn)路段上對(duì)車(chē)輛的控制度較高,但在彎曲路段上,為了跟蹤道路中心線(xiàn),避免事故的發(fā)生,其權(quán)值處于一個(gè)相對(duì)較低的水平。但總體而言,駕駛員仍有59.61%的時(shí)間享有主要控制權(quán)限,有39.39%的時(shí)間占據(jù)絕對(duì)控制權(quán)限。硬件在環(huán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前述仿真分析結(jié)果相一致。

        5 結(jié)論

        本文中考慮了駕駛員的輸入作用對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響,設(shè)計(jì)了基于MPC的橫向運(yùn)動(dòng)控制器,分析了不同程度的權(quán)值分配對(duì)路徑跟蹤效果和駕駛員主觀(guān)感受的影響,并基于預(yù)期偏移距離設(shè)計(jì)了權(quán)值分配函數(shù)。

        通過(guò)CarSim/Simulink聯(lián)合仿真和硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)對(duì)協(xié)調(diào)控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明:

        (1)采用權(quán)值分配策略可顯著抑制車(chē)輛的最大側(cè)向偏移量,提高橫向運(yùn)動(dòng)控制精度,并且這一作用隨著駕駛員異常狀態(tài)的加深更加明顯;

        (2)正常駕駛員和具有過(guò)度轉(zhuǎn)向傾向的激進(jìn)型駕駛員由于仍能維持車(chē)輛的側(cè)向位置,因而權(quán)值分配的作用主要在于通過(guò)觸覺(jué)引導(dǎo)平滑車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制行為,減少駕駛員反復(fù)調(diào)整車(chē)輛行進(jìn)方向的次數(shù),降低駕駛員在轉(zhuǎn)向任務(wù)中的重復(fù)工作量,輔助系統(tǒng)很少干涉駕駛員的操作行為;

        (3)對(duì)于疲勞駕駛員,權(quán)值分配策略除了上述作用外,還可在一定程度上降低駕駛員施加的轉(zhuǎn)向力矩Td,從而降低其工作負(fù)荷,但為了保證行車(chē)安全,輔助系統(tǒng)的權(quán)值也有相應(yīng)的提高;

        (4)對(duì)于駕駛員的誤操作行為,權(quán)值分配策略具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力,可以及時(shí)糾正車(chē)輛因誤操作而出現(xiàn)的偏離現(xiàn)象。

        由于個(gè)體間差異和存在駕駛員改變操作意圖的可能,將駕駛員的個(gè)體習(xí)慣及人機(jī)權(quán)限切換納入?yún)f(xié)調(diào)控制策略的問(wèn)題仍有待進(jìn)一步研究。

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