基于Carsim的換道軌跡估算

李 健，張亞岐，周辰雨

Li Jian, Zhang Yaqi, Zhou Chenyu

（長安大學汽車學院，陜西西安 710064）

0 引 言

換道是最為普遍的駕駛行為，換道軌跡不僅能夠體現出駕駛員的駕駛技能，而且能反映出換道過程中駕駛員應急反應能力。合理有效的換道軌跡能夠有效減少交通事故、提高交通通行能力。由換道引發的交通事故頻頻發生，據統計，由車輛變道引起的交通事故占總交通事故的 4%～10%左右，因此，獲取換道軌跡對交通事故責任界定、劃分具有重要的參考價值。當前，獲取換道軌跡的方法主要是數據擬合、車輛動力學分析和數學計算，但是這些方法計算量大，需求解非線性微分方程組，難度較大，且可操作性不強，而車載 GPS定位系統，抵抗電磁干擾能力差，且精度低，不能很好地對換道軌跡進行跟蹤，因此，尋求簡單易行的算法來獲取換道軌跡就成為研究人員關注的焦點。文中利用Carsim在車輛仿真方面獨特的優勢，利用車載傳感器實時采集車輛的轉向盤轉角以及換道車速，進行小波去噪后作為仿真參數，在Carsim環境下進行換道模擬，試驗驗證過程中，將實際換道軌跡作為基準，對仿真結果進行評價分析。該方法不僅簡單易行，且能實時對換道軌跡進行跟蹤，具有普遍適用性，且受外界干擾小，精度高。

1 換道

1.1 換道模型

換道是行為是駕駛行為中最為普遍的，研究人員分別用神經網絡[1]、隱馬爾科夫（HMM）[2]等進行換道軌跡生成，這些方法主要是確定最優的換道軌跡，需將連續的變量離散化，易造成信號失真，因此，借用Carsim[3]進行換道軌跡仿真，不僅保證輸入信號不失真，還可以將人-車-路有機結合起來，形成閉環系統。換道的過程如圖1所示。車輛的換道過程基本分為3個階段：換道準備；換道；換道后調整。

規定換道起始點為坐標系的原點，車輛的縱向速度方向為X方向，車輛側向速度方向為Y方向。

1.2 小波分析

小波被譽為“數學顯微鏡”，在時頻兩域都有很好的局部特性。將信號f(t)進行小波級數分解[4]：

j為伸縮參數；k為平移參數。小波變換的窗口是可調的時頻窗，尺度因子j不僅改變小波的頻譜結構，而且改變時頻窗口的大小。若j大，此時對應低頻端，頻率分辨率高，時間分辨率低；若j小，對應高頻端，頻率分辨率低，時間分辨率高。

1.3 Carsim

Carsim軟件是專業的車輛動力學仿真軟件，該軟件具有運行速度快、計算準確、易于操作等特點，將人-車-路有機結合起來，能夠模擬不同路面情況下的汽車制動、加速等，能繪制專業的曲線，將車輛的運動軌跡以及車輛其他難以直接測量量以曲線形式表達出來，并能夠分析汽車的各種響應。在國外，Carsim已被通用、豐田等大型汽車企業認可，被廣泛用于電控單元的開發和虛擬試驗[5-7]。

2 試驗驗證

試驗中采集到的車速、轉向盤轉角如圖 3、圖4所示。由于車速傳感器采集的是發動機轉速，經換算轉化成車速，從而車速的波動性較大，在Carsim環境下，若轉向盤轉角或者車速的波動性很大時，仿真易出錯，因此，對2個參數均進行濾波。選取db4作為小波函數進行3層分解，車速的分解結果如圖2所示。為了防止信號失真，取第1層近似系數a1，車速經過小波濾波后，基本維持在70 km/h左右（見圖3）。試驗中采用基于CAN總線接口的SX4300A轉向盤轉角傳感器實現，采樣頻率設置為100 Hz，采樣精度為0.5°，并以一次向左換道進行試驗驗證，為了區別向左換道與向右換道，轉向盤從中間位置向左轉為負，向右轉為正，車道寬度3.75 m。

圖4中的轉向盤轉角的平衡位置不在0°，是由于車輛左右載荷不對稱，致使車輛的回正位置發生了偏離，可見，車輛載荷在縱向方向的不對稱性對轉向盤轉角影響不小，不過，轉向盤平衡位置發生平移，進行試驗仿真時，將車輛的縱向對稱中心向左偏離一定距離即可，試驗中設置偏離量為15 cm，若要進一步了解載荷不對稱性對轉向盤轉角的影響，還需更為深入進行車輛動力學分析。

從仿真結果可以看出，通過仿真獲得換道軌跡更為平滑（見圖 5），這主要是轉向盤轉角和車速經過了濾波。換道開始到縱向距離達到1 200 m，這段時間內車輛軌跡近似1/4圓弧，圓弧的中心在Y軸上，2 000m后圓弧的中心在X軸上，中間段近似是直線，可見換道過程可以分為3部分（以向左換道為例）：①轉向盤左轉；②轉向盤回正；③轉向盤右轉。仿真結果跟實際結果極為相近。

3 結束語

通過采集實際換道過程中轉向盤轉角及車速，將采集回來的數據進行濾波后作為仿真輸入參數，對換道軌跡進行模擬，模擬結果跟實際結果吻合度很高，該方法確定換道軌跡簡單易行，且真實可靠。Carsim軟件能夠將自車的懸架系統、轉向系統、傳動系統、制動系統以及動力系統、輪胎側偏特性、自車幾何參數等有機結合起來，使試驗與實際更為接近。不過在數據采集過程中發現，車輛載荷的不對稱性對轉向盤轉角影響較大，可見，車輛縱向對稱中心對換道、跟車以及彎道行駛都會產生影響。換道數據的采集是在開闊無干擾的路段進行的，且車速基本保持不變，對真實的換道模型進行了大大簡化，實際的換道受周圍車輛以及可見度等影響，因此，要作更為精確的研究必須對環境、天氣以及駕駛員技能進行評估，提取相應指標作為Carsim的仿真參數，建立更為切合實際換道模型。

[1] MATLAB中文論壇. MATLAB神經網絡30個案例分析 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2010,4.

[2] 王暢. 基于隱馬爾科夫模型的駕駛員意圖辨識方法研究[D].吉林大學，2011，4.

[3] 李志魁. 基于Carsim的整車動力學建模與操作穩定性仿真分析[D]. 吉林大學，2006，4.

[4] 張善文，雷英杰，馮有前. MATLAB在時間序列分析中的應用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2007，4.

[5] Ying chen,Brandon Jones. Software Testing Strategies for Model-Based Chassis Control Systems. SAE Technical Papers, 2007-01-0505.

[6] Naoto Ohkubo,Takehiro Horiuchi. Brake Torque Sensing for Enhancement of Vehicle Dynamics Control Systems. SAE Technical Papers,2007-01-0867.

[7] Ming Une Jen,Ming-Hung Lu. Integration of Kinematics and Compliance Measurement with Vehicle Dynamics Validation for a Shared Platform. SAE Technical Papers, 2007-01-0832.