驾驶员弯道操纵能力实车测试与分析方法研究*

梁耘瀚 张慧珺 刘斌 罗逍 胡宏宇

（1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2.中国第一汽车股份有限公司智能网联开发院，长春 130013；3.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130013）

主题词：驾驶行为 弯道行驶 实车试验 操纵能力分析

1 前言

驾驶员操纵能力测试分析是提升智能汽车行驶安全与稳定性，使系统高效协调工作的基础。操纵能力可通过主、客观两方面进行分析评价。驾驶员的主观评价带有主观倾向，且测试结束后的问卷打分无法实时反映动态变化情况。客观评价以往主要针对车辆运动状态或驾驶员操纵状态的量化结果进行评价。同时，驾驶员操纵行为是人-车-路综合作用的结果，因此，通过逆向分析模仿驾驶员的操控行为来搭建驾驶员模型更容易使自动驾驶汽车达到仿人的目的。

弯道行驶是相对复杂的操纵过程，熟练驾驶员在弯道驾驶中的操纵误差小、驾驶放松、平稳性更好。Russo 等研究了道路特征对驾驶速度的影响；Hallac等研究表明，不同类型驾驶员的驾驶行为、习惯在弯道处较为明显；Li等提出了一种以连续机动车状态为识别参数的驾驶风格精确预测模型；徐进等通过心率增长率研究了转向盘转角与转速、驾驶负荷之间的关系；Scialfa等针对新手驾驶员驾驶特点和心理状态进行研究，证明了新手驾驶员在特殊驾驶情况下，相比于熟练驾驶员反应时间明显较长，行驶过程更不平稳；Nakayama 等提出了一种转向熵法来量化驾驶员的转向行为工作量。现有的研究大多通过驾驶模拟器测试驾驶员的操纵行为，缺乏实车场地试验，特别是缺乏针对复杂弯道操纵工况的行为量化的深入系统分析，因此有必要对该方面的研究进行进一步讨论。

基于以上研究背景，本文拟设计实车场地试验，针对由简至繁的弯道行驶工况变化，解析不同驾驶能力驾驶员的操纵行为特性。试验期间采集并对比分析弯道行驶过程中的纵向车速、纵向加速度、纵向急动度、转向盘转角、侧向加速度、横摆角速度增益、转向熵等指标，探讨不同驾驶能力驾驶员在弯道行驶过程中的纵向操纵特性与侧向操纵特性差异，深入理解弯道驾驶的操纵行为机理，在此基础上提出驾驶员弯道操纵能力分析方法，为智能汽车个性化弯道控制系统开发与行驶性能的测试评价提供依据。

2 试验设计

2.1 试验工况及任务描述

弯道行驶过程中，驾驶员的操控动作呈现规律性，其控制汽车的行为都应以一定的原则为指导，即使汽车的运动尽可能与预期轨迹一致。本文实车场地测试采用大曲率弯道工况，使其具有一定的驾驶难度，能够在驾驶过程中充分反映不同驾驶能力驾驶员的驾驶特性差异。同时，与标准路宽相比，增大试验道路宽度以确保安全，降低心理紧张对驾驶员操纵能力的影响。基于以上考虑，在试验场地以锥桶摆出大曲率半圆形弯道，弯道两侧每隔约5 m 放置一个彩色锥桶，如图1 所示。本文选取标准化专业试验场作为试验场地，道路平坦，路况良好，路面摩擦因数约为0.6。

图1 实车试验场地与试验工况示意

试验前每位受试驾驶员有20 min 时间操作测试车辆并熟悉驾驶场地。试验开始后，令驾驶员在弯道入口处分别以30 km/h、40 km/h、50 km/h的初速度进入，驾驶难度由易到难。驾驶员在每一车速下进行2次试验，以降低试验结果的偶然性。

2.2 试验设备

实车试验平台为某国产品牌中型SUV，配备2.0 L涡轮增压发动机和6 挡手自一体变速器。数据采集设备为Vector vn1630a CAN 数据记录仪。试验车辆开放了底层电子稳定程序（Electronic Stability Program，ESP）传感器接口，控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）数据记录仪可以从车载诊断接口获取转向盘转角、纵向加速度、侧向加速度、发动机转速和横摆角速度等信号，采样频率为1 kHz。

2.3 试验人员

招募12 名身体状况良好的男性驾驶员作为受试者，分为普通驾驶员与专业驾驶员2种驾驶员类型。其中，专业驾驶员6人，由整车厂资深底盘测评师担任，驾龄10 年以上，年均驾驶里程超过1.5×10km；普通驾驶员6 人，均未从事对驾驶技能有要求的职业，驾龄1～5年，年均驾驶里程小于1×10km。所有受试者在驾驶测试前都被要求不应饮酒和服用任何药物，并接受实车驾驶测试程序的指导。

3 车辆运行状态对比分析

车辆运行状态是驾驶员操纵行为的直接结果。通过对不同驾驶能力驾驶员在弯道行驶过程中的纵向操纵特性与侧向操纵特性差异进行深入比较分析，可从输出层面对驾驶行为进行分析描述，并在此基础上提出驾驶员弯道操纵能力分析方法。车辆运行状态参数包括纵向车速、纵向加速度、纵向急动度、转向盘转角、侧向加速度、横摆角速度增益、转向熵等指标。

3.1 驾驶员转弯的纵向特性结果分析

3.1.1 速度特性

图2所示为车辆在弯道路段的受力分析情况，出现车辆侧滑现象需要满足：

图2 弯道路段车辆受力情况

式中，、分别为内、外侧车轮的法向力；为车辆自身重力；F为横向附着力；F=/()为弯道行驶时的离心力；为车速；为重力加速度；为转弯半径。

发生侧滑现象的临界条件为：

式中，为路面摩擦因数。

从而可得，车辆侧滑的临界速度为：

计算可得本文试验工况测试车辆侧滑临界速度为44.532 km/h。

图3所示为在不同入弯速度下，不同驾驶能力的驾驶员在弯道行驶过程中的速度变化情况。由图3可知：在入弯车速为30 km/h时，在14 s中，专业驾驶员速度下降5.08%，普通驾驶员速度下降22.41%；在入弯车速为40 km/h 时，由于操作难度的提高，行驶车速明显降低，在12 s 内专业驾驶员速度下降6.35%，普通驾驶员速度下降38.53%；在入弯车速为50 km/h 时，由于驾驶难度进一步提高，在10 s 内，专业驾驶员略有减速且车速变化较为平缓，速度下降29.40%，普通驾驶员大幅度减速驶过弯道，车速变化较为急剧，速度下降57.29%。

图3 不同入弯速度下的纵向速度特性

专业驾驶员在30 km/h、40 km/h车速进入时基本能保持车速不变驶过整个弯道；在50 km/h车速下入弯时，由于车速超过车辆侧滑临界车速，驾驶难度大幅提高，专业驾驶员小幅降速，以低于侧滑临界车速的速度驶过弯道，而普通驾驶员入弯后通常会采取大幅减速操作以保证行车稳定。普通驾驶员速度分布范围大，驾驶员操作差异大，弯道行驶时驾驶表现波动较大；专业驾驶员速度分布范围较小，弯道行驶时行为一致性强，对车辆的操控相似。因此，弯道行驶过程平均纵向车速变化数据可用于分析驾驶员操纵能力。

3.1.2 纵向加速度

在弯道行驶过程中，随着制动减速度增加，驾驶员的转向倾向于更剧烈。图4所示为平均纵向加速度特性曲线，由图4 可以看出，专业驾驶员的平均纵向加速度均比普通驾驶员更接近零，即专业驾驶员在弯道行驶过程中纵向速度变化更小，控制更稳定。在30 km/h 的入弯速度下，普通驾驶员的平均减速度略大于专业驾驶员，约为0.166 m/s；在40 km/h的入弯速度下，由于驾驶难度提高，此时普通驾驶员需要较为明显的减速，以顺利通过弯道；以50 km/h的车速驶入弯道时，由于驾驶任务难度进一步增加，专业驾驶员和普通驾驶员的平均减速度均比车速较低时明显增大，普通驾驶员在该工况下需要以较大的减速度将车速降低以安全驶过弯道。

由图4可知，各车速下专业驾驶员的纵向加速度分布范围均小于普通驾驶员，专业驾驶员与普通驾驶员的纵向加速度分布范围均随着车速的增大而增大，且两类驾驶员之间的纵向操纵差异增大。结果表明，专业驾驶员对车速变化的控制更平稳，在弯道中行驶能够维持较小且稳定的减速度，普通驾驶员为保证安全以较大的减速度在弯道中行驶，尤其是在有难度的驾驶任务中，减速度明显大于专业驾驶员。因此，弯道行驶过程中的纵向加速度变化也可用于分析驾驶员弯道操纵能力。

图4 不同入弯速度下的纵向加速度特性

3.1.3 纵向急动度

急动度是加速度的变化率，通常可用作行驶过程中的舒适性指标。图5所示为纵向急动度曲线，从图5中可以看出：以30 km/h的速度驶入弯道时，专业驾驶员和普通驾驶员的平均纵向急动度都非常小，接近于零，且波动很小；以40 km/h的速度驶入弯道时，专业驾驶员的平均纵向急动度也接近于零，此时数值存在小的波动，普通驾驶员的平均纵向急动度也存在一定的波动；以50 km/h的速度驶入弯道时，驾驶任务难度增大，专业驾驶员的平均纵向急动度随之增大，且急动度波动也有所增大，该工况下驾驶员操纵车辆的舒适性与前2种工况相比有所下降，普通驾驶员平均纵向急动度与前2种工况相比明显增大，波动也更为明显，该工况的任务难度大，普通驾驶员操纵车辆的舒适性下降明显。

图5 不同入弯速度下的纵向急动度特性

总的来说，在各车速下，专业驾驶员操作车辆的平均纵向急动度均略小于普通驾驶员，专业驾驶员驾驶车辆时更平稳舒适；而随着入弯速度的提高，驾驶任务难度增大，平均纵向急动度也随之增大，舒适性有所下降。从图5中分布范围对比情况可以看出，专业驾驶员的纵向急动度分布范围较普通驾驶员小。因此，纵向急动度可以用来分析驾驶员的弯道操纵能力。

3.2 驾驶员转弯的侧向特性结果分析

不同于直道工况下车速基本只受油门和制动踏板控制的影响，弯道行驶时汽车行驶状态还会受到转向盘控制的影响，增加了驾驶员在弯道中控制车辆的难度，需要纵、侧向协同操纵，随着入弯速度的提高，汽车操作难度会进一步上升。

3.2.1 转向盘转角

图6所示为转向盘转角曲线，从图6a中可以看出，在30 km/h的入弯速度下，专业驾驶员的转向盘转角在4 s内快速增大至100°左右，随后一段时间内保持稳定。这表明，入弯过程中专业驾驶员能够较为迅速地调整转向盘使其达到合适的转角，以适应弯道曲率；而之后的转弯过程转向动作稳定，使车辆能够较好地按照预期轨迹稳态行驶。普通驾驶员入弯过程调整转向盘较为缓慢，无法准确快速地找到合适的转向盘转角以适应弯道曲率，完成弯道行驶任务所需的转向盘平均转角峰值大于专业驾驶员，约为170°，整个过程缺少较为稳定的转向状态，转向盘转角在时序上的分布也比专业驾驶员的更大。

图6 不同入弯速度下的转向盘转角特性

在40 km/h 的入弯速度下，如图6b 所示，虽然此时驾驶任务难度略有增大，但专业驾驶员仍可快速入弯，使平均转向盘转角在4 s 内快速增大至115°左右，随后处于小范围修正阶段，使车辆能够按照预期的弯道轨迹通过。普通驾驶员在该工况下转向盘转角增大的速度仍然小于专业驾驶员，由于其弯道行驶过程减速度较大，转弯过程平均转向盘转角峰值达到175°，与专业驾驶员差别显著，且转向盘转角分布大于专业驾驶员。

在50 km/h 的入弯速度下，如图6c 所示，专业驾驶员同样可实现快速入弯，并较平顺地完成转向操纵，平均转向盘转角峰值约为160°。普通驾驶员几乎无法实现高速过弯，其减速幅度明显，故转向盘转角变化状态与40 km/h工况下类似，转向盘转角分布范围同样较大。

结合上述分析，弯道行驶过程中，专业驾驶员与普通驾驶员转向盘转角的明显差异表明，转向盘转角变化可用于分析驾驶员弯道操纵能力。

3.2.2 侧向加速度

图7 所示为不同入弯车速下专业驾驶员与普通驾驶员的侧向加速度。如图7a所示，在30 km/h入弯速度下，理论侧向加速度约为2.67 m/s，专业驾驶员与普通驾驶员的平均最大侧向加速度均十分接近该理论值，2类驾驶员都能理想地完成弯道任务。对比可知，普通驾驶员的侧向加速度分布范围更大，个体间操作差异较大。

从图7b 中可以看出，在40 km/h 的入弯速度下，理论侧向加速度值约为4.75 m/s，专业驾驶员在弯道行驶过程的平均侧向加速度高于普通驾驶员。较30 km/h入弯工况，驾驶任务难度有所提高，2 类驾驶员的侧向加速度分布范围都有较明显的增大，同样地，普通驾驶员的分布范围更大，驾驶员个体操作差异性较大。

如图7c所示，在具有难度的50 km/h入弯速度工况下，车辆易失稳侧滑，理论侧向加速度约为7.42 m/s，此时，结合前文的分析，为了保证安全地通过弯道，专业驾驶员与普通驾驶员的平均侧向加速度均明显低于该理论值。同时，专业驾驶员在该工况下行驶的平均侧向加速度明显大于普通驾驶员。由于驾驶难度的进一步增大，专业驾驶员与普通驾驶员的侧向加速度分布范围都较大，驾驶员个体间操作差异也都较大。

图7 不同入弯速度下的侧向加速度特性

3.2.3 横摆角速度

横摆角速度代表车辆行驶方向的稳定性。图8 所示为不同入弯车速下的平均横摆角速度及其分布随时间变化的关系。如图8a 所示：在30 km/h 的入弯车速下，专业驾驶员与普通驾驶员的平均横摆角速度差异不大，专业驾驶员的平均横摆角速度峰值较普通驾驶员略小；专业驾驶员进入弯道后，平均横摆角速度可以在一段时间内保持稳定，普通驾驶员的横摆角速度分布范围较大，驾驶员个体之间操作差异较明显。

由图8b 可知：在40 km/h 的入弯车速下，驾驶任务难度增大，专业驾驶员和普通驾驶员的平均横摆角速度比30 km/h 时的大；同样的，专业驾驶员进入弯道后，平均横摆角速度也可在一段时间内保持相对稳定，专业驾驶员的平均横摆角速度峰值略小于普通驾驶员，普通驾驶员的横摆角速度分布范围更大，个体间操作差异更大。

从图8c 中可以看出：在50 km/h 的入弯车速下，随着驾驶任务难度的进一步增大，专业驾驶员的平均横摆角速度增大，平均横摆角速度的稳定段不明显，但也体现出变化的相对平滑性；普通驾驶员由于无法完成高速过弯任务，大幅降低车速才能较为平顺地通过弯道，因此，普通驾驶员的平均横摆角速度均值曲线与40 km/h时类似，且普通驾驶员的横摆角速度分布范围明显更大，驾驶员个体之间操作差异更为明显。

图8 不同入弯车速下的横摆角速度

3.2.4 操纵稳定性

图9 所示为不同入弯车速下侧向操纵横摆角速度与转向盘转角的关联特性。由图9a 可以看出，30 km/h入弯速度下，专业驾驶员进入弯道后能将横摆角速度与转向盘转角的关系控制在线性区域内，横摆角速度-转向盘转角的相关性很高，普通驾驶员横摆角速度-转向盘转角线性相关程度略低于专业驾驶员。

从图9b 中可看出，在40 km/h 的入弯速度下，专业驾驶员同样可以在进入弯道后将横摆角速度与转向盘转角的关系控制在线性区域内，此时横摆角速度-转向盘转角回归直线的相关性也很高，系数为0.976 8，而普通驾驶员横摆角速度-转向盘转角回归直线的相关系数为0.884 4，线性程度略低于专业驾驶员。

图9c 显示，在有难度的50 km/h 的入弯速度下，专业驾驶员仍可在进入弯道后将横摆角速度与转向盘转角的关系控制在线性区域内，横摆角速度-转向盘转角曲线的回归直线的相关性很高，系数为0.976 2。专业驾驶员经验丰富，对于车辆运动特性、横摆位姿更为了解，进而有更快、更精准的操纵响应，能进行主动转向调整。普通驾驶员横摆角速度-转向盘转角回归直线的相关系数为0.774 5，线性程度明显低于专业驾驶员。普通驾驶员对于高速过弯的车辆运动状态不甚了解，操作控制精度较低。因此，通过实车试验，从入弯、出弯的横摆角速度-转向盘转角的关联特性参数数值分析来看，弯道行驶过程中专业驾驶员与普通驾驶员的操作差异显著，横摆角速度与转向盘转角关联特性可用于分析评价驾驶员弯道操纵能力。

图9 不同入弯车速下侧向操纵横摆角速度-转向盘转角关联特性

3.3 转向熵

转向熵法用于量化驾驶员转向行为的平稳程度，驾驶员的操纵控制越平稳，转向熵越小。从转向角数据的时间历程中获得转向熵，使用当前待求时刻的前3个时间步长的转向角(-3)、(-2)、(-1)对时间(-1)的二阶泰勒展开获得当前时刻的预测转向角()（即如果非常平稳地执行转向，可能获得的转向角）：

实际转向角()和()间的差值定义为预测误差()：

预测误差频率分布的90 百分位值记为，根据将预测误差的频率分布以-5、-2.5、-、-0.5、0.5、、2.5、5划分为9 个区域，p(=1,2,3,…,9)表示预测误差()在第个区域的比例，则转向熵计算公式为：

图10所示为不同车速下专业与普通驾驶员的弯道过程转向熵对比，从图10 可知，2 类驾驶员在3 个不同入弯速度时的转向熵随着入弯速度的增大而增加，说明随着驾驶任务难度的增加，2类驾驶员的操纵平稳程度都略有下降。专业驾驶员转向熵在0.40～0.60范围内变化，普通驾驶员转向熵在0.42～0.70范围内变化，普通驾驶员的转向熵随入弯速度的增加呈现更明显的增大趋势。在0.05的置信水平下，专业驾驶员和普通驾驶员的转向熵存在显著差异。独立样本检验结果为：30 km/h时，=0.015 1＜0.05；40 km/h 时，=0.013 2＜0.05；50 km/h时，=0.012 4＜0.05。因此，转向熵法可用于分析评价驾驶员弯道操纵能力差异。

图10 不同车速下专业与普通驾驶员的弯道过程转向熵

4 结束语

本研究的出发点是通过在实际车辆试验中的不同速度条件的弯道驾驶事件中提取车辆操控数据，研究车辆运动状态，探究驾驶员弯道操纵能力差异的分析方法。通过设计实车场地试验，采集并对比分析普通驾驶员和专业驾驶员的纵向操纵特性和侧向操纵特性差异，提出驾驶员弯道操纵能力分析方法。结果表明：普通驾驶员和专业驾驶员弯道行驶过程中的纵向速度、纵向加速度、纵向急动度、转向盘转角、侧向加速度、横摆角速度、转向熵值指标有明显差异，上述指标可以用于分析驾驶员弯道操纵能力。

本文通过纵向减速特性、侧向操纵稳定性方面的分析，客观评价了不同类型驾驶员的操纵能力，研究结果可为个性化驾驶研究提供技术支撑。为此，下一步将在更多路况下对研究内容进行验证和完善，同时将本文方法扩展应用于自动驾驶汽车行驶性能的测试评价方面。