随机路谱下换道平顺性仿真分析

李 健，张亚岐

随机路谱下换道平顺性仿真分析

李 健1，张亚岐2

Li Jian1，Zhang Yaqi2

（1.公安部道路交通安全研究中心，北京 100062；2.东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430056 ）

针对换道模型难以精确控制以及缺乏统一的换道平顺性评价体系，提出以碰撞限位器概率、悬架位移以及竖直加速度为指标对换道平顺性进行评价分析，建立评价体系。结果表明：所建立的换道平顺性评价体系能够较为全面的体现驾驶员对姿态舒适感的响应，且该评价体系对复杂环境具有良好的适应性。

换道；平顺性；指标体系；真车换道样本；Carsim

0 引 言

换道作为交通流仿真主要的微观模型之一，对其精确控制是深入分析交通流的必要前提。换道过程包含人、车、路等复杂的不可控因子，换道过程中平顺性分析对建立精确换道模型尤为重要，车辆自身姿态变化参数以及道路参数难以准确获取，且获取成本较高，因此，建立有效的换道平顺性评价体系是深入开展换道模型研究的必要前提。由于传统换道模型在换道过程中存在侧向加速度过大或者跃变以及换道轨迹不连续的问题，李炜等人在 4段式换道基础上，提出自由换道轨迹曲线函数，为保证轨迹的连续性，采用 B样条曲线对换道轨迹进行规划，并给出相应的模型评价参数[1]。任殿波对换道过程期望侧向加速度作了正反梯形的假设，根据原始车道与目标车道曲率变化的差异性，提出弯道换道轨迹规划的方法，建立相应的车辆动力学模型，根据车辆期望运动状态参数计算出期望的横摆角、角速度和角加速度，采用非奇异终端滑膜控制方法实现横摆角速度的跟踪，在李雅普诺夫稳定性分析的基础上，采用相平面法对系统的时间收敛性进行分析[2]。以上算法大部分基于智能车，将换道过程进行单一化处理，缺乏广泛的适应性，且未充分考虑换道过程的平顺性和操作舒适性，难以建立精确的控制模型。而换道平顺性是换道过程中不可或缺的因素，为此，文中在真车试验数据的基础上，构建以回弹限位器概率、悬架挠度以及竖直加速度为指标的评价体系。假定驾驶员每次自由换道是以最佳的姿态进行，并采集大量的换道样本，将自由式换道轨迹和车速作为模型的期望输入，在Carsim中对换道过程参数进行分析，依据各个参数的变化特征建立换道平顺性评价体系，并作出相应的论证。

1 换道过程参数分析

1.1 换道过程界定

换道一般可分为强制式和自由式。自由式换道是驾驶员以最舒适的方式进行，换道过程不受第三方干预；指令性的强制性换道是驾驶员在听到换道指令后而采取换道，其操作行为受外部指令的强制性干预，该过程与驾驶员期望的换道过程存在较大的差异性，此过程是与自由式换道相对的换道方式。2种换道方式的界定过程如图 1所示。

图中p0点是驾驶员认定应该换道的起始点，p1点是指令式强制换道的起始点，当然p1也可在p0点前，强制式换道的起始点不确定，具有随机性。当前道路环境得到极大改善，路面不平度大大降低，在试验过程中假定路谱是随机变化的。

1.2 参数分析和指标确定

车辆换道过程中受路面不平度影响，车辆左右车轮跳动的差异性导致车辆产生侧倾以及俯仰运动，若运动过程过于剧烈会使驾驶员的生理特征指标偏离正常值，容易导致驾驶员操作异常和产生不适感，进而影响行车安全。通过分析换道过程车身各个运动参数的变化情况，确定合理的换道平顺性评价指标，建立更为精确的换道模型，为车载换道辅助系统的精确控制提供参考。将真实换道样本的换道路径以及换道车速作为Carsim[3-4]车辆模型的输入，通过仿真获取车辆相关的运动参数。图 2是换道过程中前悬的位移变化情况。

从图 2可以看出，在换道起始阶段左右前悬位移变化的差异性较为明显，整个过程左右悬架位移基本保持一致。整个换道过程中，自由式换道左右前悬的位移差异性相对较小，而指令式换道较大。特别是在第2 s时，指令式换道的左右前悬位移出现了较大差异，此时车身会出现明显侧倾运动。车辆实际行驶过程中，前悬左右位移的不对称会使车辆产生较大的侧倾运动，侧倾运动过大会使驾驶员产生不适，并影响到车辆与路面的接触面积，影响车轮的附着力，从而对车辆的操稳性以及制动性造成影响。悬架左右位移的对称性直接影响到行车安全，为此，将悬架左右位移的对称性作为换道平顺性的一个指标。假设整个换道过程形成N个样本点，这N个样本点构成N维向量，L1、R1分别为前悬的位移向量，将2个向量之间的距离（向量的 2范数）作为换道平顺性的定量指标。

根据信号叠加原理，对图 2中前悬位移进行拟合分析，左前悬架位移的拟合关系式如下

拟合后SSE=65.57，R2=0.925 1，调整R2=0.923 4，RMSE=0.358 9，由此可见左侧前悬位移在随机路谱路面下近似满足关系式（1），利用同样的方法可得到其他前悬的位移随时间变化的关系式。对信号进行频谱分析，可得到信号带宽。经分析，前悬位移信号量（自由式换道）峰值频率接近0.001，远小于1 Hz，而指令式换道的峰值频率接近0.2，一般人直立行走时的频率约为1～1.6 Hz，一般振动都应远离该频率，所以，通过频域分析，指令式换道的频域特性略差于自由式换道。

若车辆在行驶过程中持续对限位块产生冲击，易使悬架结构疲劳工作，降低其寿命，且限位器频繁受到冲击，冲击载荷会直接传递给车身，进而对驾驶员产生影响，所以，在行车过程中应尽量避免冲击限位器。实际上，车辆在换道过程中一般不会冲击到限位器，但为了使换道更加舒适，设定悬架位移阈值，当悬架位移大于该阈值时即可认定悬架对假想的限位器产生了冲击，并将冲击概率作为换道平顺性的另一个指标。假设换道过程中有k个样本点的悬架位移超过了阈值，则将k/N作为悬架冲击限位器的概率，并设定相应的概率阈值，若大于该阈值即可认定此次换道平顺性较差。图3是2种不同换道方式下悬架位移分布情况。

从图3中可以看出，2种换道方式下悬架位移均值的差异性不是很明显，而指令式带宽明显大于自由式换道带宽，表明指令式换道过程中悬架位移的变化离散程度更高。统计大量自由式换道悬架位移分布，并将百分位数 95%作为悬架位移阈值。

车辆的竖直加速度表示车身在竖直方向速度变化大小，间接反映了车身振动的频率，所以将车身竖直加速度也作为换道平顺性的指标。图4是2种不同换道方式所产生的竖直加速度变化情况。

图 4表明指令式换道过程中竖直加速度的离散程度高，变化范围广。在换道起始阶段和终止阶段，2种换道方式所产生的加速度均表现出不同程度的波动，但自由式换道的离散化程度明显低于指令式换道，而在换道中间阶段，2种换道方式所产生的加速度变化差异性不明显。在换道起始和换道终止时驾驶员均是转动转向盘偏离中间位置，这 2个阶段的竖直加速度主要是由车身侧倾运动引起的。

2 换道平顺性评价体系

通过以上分析，悬架位移和竖直加速度在 2种换道方式下均表现出一定的差异性，而上述指标容错能力和抗噪性能较差，信号数值基数小，若将上述单一参数作为评价换道平顺性的指标其评价结果难以达到预期，为此，利用卡尔曼滤波器[5-6]对采集到的原始数据进行滤波处理，降低部分噪声干扰，并通过合理的权值分配，将上述 3个指标进行综合，以综合结果来评价换道的平顺性能。设悬架位移判定结果为SP1，碰撞假想限位器概率判定结果为 SP2，竖直位移判定结果为SP3，各个指标的权值分别为α，β，γ，则综合判定结果P为

依据指标与阈值比将各个指标的判定结果划分为 6个等级，依次是：很舒适（6），较为舒适（5），一般舒适（4），舒适（3），不舒适（2），很不舒适（1）。依据不同权值下评价结果的准确率确定最佳权值，图 5是不同权值下评价结果的准确率。

最终确定的权值分别为0.4，0.4和0.2，利用测试样本对评价模型进行评估，测试结果表明评价体系总体有效率为96.85%，评价模型具有很好的分类效果，且对复杂交通环境下的换道样本具有同样的分类能力。

3 结束语

换道平顺性不仅影响到驾驶员操作舒适性，且对行车安全造成一定影响。现有换道模型中驾驶员控制过于单一化，缺乏统一精确的控制模型，建立合理有效的评价体系不仅能够为换道模型的精确控制提供参考，且能够为驾驶员提供最佳的换道决策。为此，采集大量随机路谱路面下的真车换道样本，假定自由式换道是驾驶员以最佳舒适方式进行，将实车换道轨迹和换道车速作为Carsim车辆模型的期望输入，在Carsim中对换道过程中车辆运动参数进行提取分析，并将换道样本划分为自由式换道和指令式强制换道，依据 2种换道方式下各个参数变化的差异性确定碰撞限位器概率、悬架位移以及竖直加速度作为换道平顺性指标，建立相应的阈值，通过指标与阈值的关系确定此次换道平顺性等级。最后采用真车样本对评价体系进行论证，结果表明：所建立的换道平顺性评价体系能够较为全面地体现驾驶员对姿态舒适感的响应，且该评价体系对复杂环境具有良好的适应性。

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TP391.9：U461.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.005

1002-4581（2015）02-0017-04

2014−12−29