楊 浩，薛 鋒，稅永波，韓中海

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 401520；2.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

前言

基于駕駛員的前視作用，不同學(xué)者提出了不同的駕駛員模型。李紅志等人在最優(yōu)預(yù)瞄駕駛員模型的基礎(chǔ)上，提出了一種預(yù)瞄時(shí)間自適應(yīng)算法，該算法可以完成復(fù)雜道路和邊界約束條件下的駕駛操作任務(wù)[1]。陳無(wú)畏等人基于駕駛員具有預(yù)測(cè)汽車(chē)軌跡的能力，建立了多種不同的預(yù)瞄駕駛員模型，表現(xiàn)出良好的路徑跟蹤精度和很強(qiáng)的魯棒性[2]。顧筠等人通過(guò)融合遠(yuǎn)近預(yù)瞄點(diǎn)的位置信息進(jìn)行轉(zhuǎn)向決策，建立了一種基于兩點(diǎn)融合的方向預(yù)瞄駕駛員模型[3]。趙治國(guó)等人為了提高車(chē)輛路徑跟蹤的精度，兼顧轉(zhuǎn)向頻度和車(chē)輛穩(wěn)定性，建立了基于粒子群多目標(biāo)優(yōu)化的無(wú)人駕駛車(chē)輛路徑跟蹤控制預(yù)瞄距離自適應(yīng)優(yōu)化算法，該方法可以提高路徑跟蹤的精度，增大對(duì)路況與車(chē)況的適應(yīng)性，提高了車(chē)輛路徑跟蹤的可靠性[4]。管欣等人提出一種對(duì)汽車(chē)非線性動(dòng)力學(xué)具有自適應(yīng)性的復(fù)活校正方法，設(shè)計(jì)的模型無(wú)需進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，該模型對(duì)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)的非線性特性具有很好的自適應(yīng)能力[5]。以上駕駛員模型在路徑跟蹤精度方面有較大提高，但是較少分析預(yù)瞄距離對(duì)路徑跟蹤的影響。因此，本文基于曲率與車(chē)速，對(duì)預(yù)瞄距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行選擇，建立了基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)瞄距離自適應(yīng)模型，主要用于改進(jìn)路徑跟蹤的精度和適應(yīng)性，逼近真實(shí)的駕駛員預(yù)瞄跟蹤行為。

1 預(yù)瞄遠(yuǎn)近點(diǎn)的決策

真實(shí)的駕駛員在路徑跟蹤時(shí)，往往通過(guò)前視作用對(duì)目標(biāo)路徑的信息進(jìn)行獲取。為確保車(chē)輛跟蹤路徑的精度，駕駛員需要對(duì)預(yù)瞄的橫向誤差進(jìn)行控制，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，來(lái)使車(chē)輛的跟蹤軌跡與預(yù)瞄的目標(biāo)路徑橫向誤差最小，實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤的有效性，提高路徑跟蹤的精度。駕駛員的預(yù)瞄距離示意圖如圖1 所示。

圖1 駕駛員預(yù)瞄距離示意圖

駕駛員在預(yù)瞄的過(guò)程中，其預(yù)瞄跟蹤的原理如下，假設(shè)駕駛員處于車(chē)輛的質(zhì)心位置O 點(diǎn)，其預(yù)瞄視線區(qū)域沿車(chē)輛的正前方。駕駛員跟蹤的目標(biāo)路徑為f（x），在目標(biāo)路徑上預(yù)瞄的了A0、A1、A2、A3四個(gè)點(diǎn)。其對(duì)應(yīng)的預(yù)瞄方向的值分別為xo、x1、x2、x3。對(duì)應(yīng)的橫向誤差分別e0、e1、e2、e3。當(dāng)駕駛員在路徑跟蹤時(shí)，假設(shè)駕駛員在預(yù)瞄方向預(yù)瞄的路線為直線路徑，如A0、A1路徑。對(duì)應(yīng)的側(cè)向誤差為e0、e1，由于在直線路徑，駕駛員的視線距離應(yīng)該放得較遠(yuǎn)，這樣決策的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角小，車(chē)輛受到的離心力小，有利于提高車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)直線路徑跟蹤的精度，增強(qiáng)車(chē)路徑跟蹤的適應(yīng)性。駕駛員預(yù)瞄環(huán)節(jié)的流程圖如以下圖2 所示。

圖2 駕駛員預(yù)瞄環(huán)節(jié)流程圖

隨著車(chē)輛的往前行駛，駕駛員跟蹤的目標(biāo)路徑由直線路徑變?yōu)閺澋缆窂健Ｈ缏窂紸1、A2，在彎道路徑行駛時(shí)，由于車(chē)輛受到的離心力較大，車(chē)輛容易失穩(wěn)，且彎道路徑行駛時(shí)，駕駛員往往注意力相對(duì)集中，為了兼顧路徑跟蹤的精度和行駛穩(wěn)定性，因此駕駛員往往采用近點(diǎn)預(yù)瞄跟蹤。

駕駛員選擇不同的預(yù)瞄點(diǎn)對(duì)車(chē)輛的跟蹤精度有較大影響。預(yù)瞄距離選擇過(guò)大，其決策的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角往往較小，這樣雖然提高了車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性，但是無(wú)法兼顧車(chē)輛路徑跟蹤的精度。當(dāng)預(yù)瞄距離選擇較小時(shí)，雖然駕駛員此時(shí)預(yù)瞄視線相對(duì)較短，注意力相對(duì)集中，對(duì)車(chē)輛跟蹤的側(cè)向誤差過(guò)于看重，決策出的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角往往較大。此時(shí)在較大的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角下，車(chē)輛可以較快地響應(yīng)轉(zhuǎn)向需求，有利于側(cè)向誤差迅速減小。但是此時(shí)，駕駛員決策的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角較大，車(chē)輛轉(zhuǎn)向的離心力較大，車(chē)輛容易失去溫度性。因此，距離較遠(yuǎn)雖然可以較快響應(yīng)側(cè)向誤差，但是容易失去車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性。

基于以上分析，只有合理地選擇預(yù)瞄距離的遠(yuǎn)近，才能符合真實(shí)駕駛員的預(yù)瞄跟蹤行為，比較駕駛員的實(shí)際駕車(chē)行為，提高車(chē)輛路徑跟蹤的適應(yīng)性，兼顧駕駛員在路徑跟蹤時(shí)的精度和行駛穩(wěn)定性。參考心理與生理學(xué)家Land 和Horwood在對(duì)駕駛員跟車(chē)行為的研究表明[6-7]，真實(shí)駕駛員在不同曲率的路徑上跟蹤時(shí)，目光視線主要集中在車(chē)前方較近區(qū)域6 m～8 m，有利于大曲率路徑跟蹤。當(dāng)在直線路徑跟蹤時(shí)，此時(shí)的曲率較小，駕駛員的視線主要集中在車(chē)前方較遠(yuǎn)區(qū)域10 m～20 m。其預(yù)瞄跟隨的機(jī)理如圖3 所示。

圖3 駕駛員預(yù)瞄遠(yuǎn)近點(diǎn)決策示意圖

圖2 的預(yù)瞄跟蹤原理如下：假設(shè)駕駛員在視線前方預(yù)瞄的目標(biāo)路徑為直線路徑，在直線路徑上預(yù)瞄了兩個(gè)點(diǎn)，分別為近、遠(yuǎn)點(diǎn)A0、A1。在直線路徑時(shí)，目標(biāo)路徑的曲率ρ為0，此時(shí)駕駛員根據(jù)目標(biāo)路徑曲率值為0 的大小來(lái)選擇遠(yuǎn)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)瞄跟蹤，由于直線路徑車(chē)輛的行駛的穩(wěn)定性較高，此時(shí)駕駛員更關(guān)注來(lái)提高車(chē)輛路徑跟蹤的精度，因此選擇遠(yuǎn)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)瞄跟蹤，如A1進(jìn)行預(yù)瞄跟蹤。在彎道路徑時(shí)，目標(biāo)路徑的曲率ρ大于0，此時(shí)駕駛員根據(jù)目標(biāo)路徑曲率值非0 的大小來(lái)選擇近點(diǎn)進(jìn)行預(yù)瞄跟蹤，由于彎道路徑車(chē)輛的行駛的穩(wěn)定性較低，此時(shí)駕駛員更關(guān)注提高車(chē)輛路徑跟蹤的穩(wěn)定性，因此選擇近點(diǎn)進(jìn)行預(yù)瞄跟蹤，如A2進(jìn)行預(yù)瞄跟蹤。在不同曲率的路徑上選擇不同的預(yù)瞄點(diǎn)進(jìn)行路徑跟蹤，更符合真實(shí)駕駛員的駕駛行為，有利于提高車(chē)輛的路徑跟蹤精度和行駛溫度性。

基于以上分析，可以建立以下預(yù)瞄遠(yuǎn)、近點(diǎn)的決策模型。

式中，d為預(yù)瞄距離，d0為駕駛員的初始預(yù)瞄距離，△d為預(yù)瞄距離的增量，參考心理與生理學(xué)家Land 和Horwood的研究成果，可以設(shè)定初始預(yù)瞄距離為12 m，預(yù)瞄距離的增量為6 m。當(dāng)駕駛員預(yù)瞄到前方路徑的曲率為0 時(shí)，表明跟蹤的路徑為直線路徑，選擇遠(yuǎn)點(diǎn)18 m 進(jìn)行預(yù)瞄跟蹤。當(dāng)駕駛員預(yù)瞄到前方路徑的曲率非為0 時(shí)，表明駕駛員跟蹤的路徑為彎道路徑，選擇遠(yuǎn)點(diǎn)18 m 進(jìn)行預(yù)瞄跟蹤。駕駛員預(yù)瞄遠(yuǎn)、近點(diǎn)的決策流程圖如圖以下圖4 所示。

圖4 駕駛員預(yù)瞄遠(yuǎn)近點(diǎn)決策示意圖

2 預(yù)瞄距離自適應(yīng)變化

駕駛員預(yù)瞄距離的遠(yuǎn)近點(diǎn)的選擇，在一定程度上逼近了駕駛員的預(yù)瞄跟蹤行為。但是真實(shí)駕駛員在路徑跟蹤時(shí)，其預(yù)瞄的視線是連續(xù)變化的。而遠(yuǎn)近點(diǎn)的預(yù)瞄方式會(huì)產(chǎn)生跳變，這與真實(shí)駕駛員的預(yù)瞄跟蹤行為有所差異。根據(jù)郭孔輝院士的研究成果表明[8]，駕駛員預(yù)瞄更一般的形式是其目光不只集中于前方一點(diǎn)，而是著眼于前方一段路，并使汽車(chē)在這一段路程內(nèi)的誤差最小。同時(shí)駕駛員的預(yù)瞄視線應(yīng)隨目標(biāo)路徑曲率的大小和車(chē)的速度自適應(yīng)調(diào)整。當(dāng)車(chē)速較高和目標(biāo)路徑曲率較小時(shí)，此時(shí)駕駛員的預(yù)瞄距離應(yīng)自適應(yīng)增大。當(dāng)車(chē)速較低和目標(biāo)路徑曲率較大時(shí)，此時(shí)駕駛員的預(yù)瞄距離應(yīng)該自適應(yīng)降低。

基于以上分析，本文通過(guò)數(shù)學(xué)模擬的方法，提出一種預(yù)瞄距離自適應(yīng)變化模型。通過(guò)設(shè)置不同的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，來(lái)尋求一種預(yù)瞄距離隨車(chē)速和目標(biāo)路徑曲率自適應(yīng)調(diào)節(jié)的模型。雖然不同的駕駛員預(yù)瞄的風(fēng)格有所差異，但是每個(gè)駕駛員預(yù)瞄跟蹤的趨勢(shì)是一致的，這就是預(yù)瞄距離可連續(xù)變化，且預(yù)瞄距離隨目標(biāo)路徑曲率和車(chē)速自適應(yīng)變化。駕駛員預(yù)瞄距離自適應(yīng)的流程圖如以下圖5 所示。

圖5 預(yù)瞄距離自適應(yīng)流程圖

為了更真實(shí)地逼近駕駛員預(yù)瞄距離調(diào)節(jié)機(jī)理，本文建立如下預(yù)瞄距離自適應(yīng)模型。該模型可以實(shí)現(xiàn)預(yù)瞄距離自適應(yīng)跟蹤。

式2 中的公式含義如下，d為預(yù)瞄距離，φ1、φ2、φ3、φ4為不同的駕駛員經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。不同的駕駛員決策的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)有所不同，因此預(yù)瞄距離調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)近有所差異，但是駕駛員調(diào)節(jié)的趨勢(shì)是預(yù)瞄距離隨曲率的變大減小，反之亦然。隨車(chē)速的升高而增大，反之亦然。根據(jù)反比例函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)，為了滿足預(yù)瞄距離隨車(chē)速的升高而增大，設(shè)計(jì)車(chē)速變量V 作為反比例函數(shù)的分子。為了滿足預(yù)瞄距離隨道路曲率的增大而減小的變化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)路徑曲率的函數(shù)作為分母。由于當(dāng)目標(biāo)路徑為直線路徑時(shí)，目標(biāo)路徑的曲率值為0，而反比例函數(shù)的分母不能為0，因此，引入指數(shù)函數(shù)作為分母，為了使設(shè)計(jì)的預(yù)瞄距離便于計(jì)算和應(yīng)用于實(shí)際工程，選擇常用的e 作為指數(shù)函數(shù)的底數(shù)。同時(shí)不同的駕駛員在預(yù)瞄跟蹤時(shí)，初始的預(yù)瞄距離有所不同，設(shè)計(jì)了兩個(gè)常數(shù)作為預(yù)瞄定距離的調(diào)節(jié)量，分別為φ3、φ4。φ3為預(yù)瞄距離初始設(shè)定距離，φ4為駕駛員校正預(yù)瞄距離。

式2 中的系數(shù)取值如下，先設(shè)定初始預(yù)瞄距離φ3為6m，當(dāng)在直線路徑跟蹤時(shí)，目標(biāo)路徑的曲率為0，為了使預(yù)瞄距離最遠(yuǎn)，因此在車(chē)速取最大值為120 km/h 時(shí)，應(yīng)使預(yù)瞄距離最遠(yuǎn)20 m，因此設(shè)定φ1為0.11。為了使模型趨于簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)指數(shù)函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為1，這樣建立的指數(shù)模型就直接與目標(biāo)路徑曲率相關(guān)聯(lián)。校正補(bǔ)償系數(shù)是對(duì)駕駛員的預(yù)瞄距離快速響應(yīng)，可設(shè)計(jì)-2 m～2 m 作為補(bǔ)償校正量。因此整理預(yù)瞄距離自適應(yīng)模型的結(jié)構(gòu)框圖如以下圖6 所示。

圖6 預(yù)瞄距離自適結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了一種預(yù)瞄距離自適應(yīng)路徑跟蹤模型，根據(jù)駕駛員當(dāng)前車(chē)速和目標(biāo)路徑的曲率，可以實(shí)現(xiàn)在車(chē)速較高或目標(biāo)路徑曲率較小時(shí)的遠(yuǎn)距離預(yù)瞄，在車(chē)速較低或目標(biāo)路徑曲率較大時(shí)的近距離預(yù)瞄。因此，建模的預(yù)瞄模型可以實(shí)現(xiàn)預(yù)瞄距離的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高路徑跟蹤的精度和行駛穩(wěn)定性。