早期汽車設計駕駛人模型回顧

李曉旭，陳燕芹

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

早期汽車設計駕駛人模型回顧

李曉旭，陳燕芹

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

系統回顧了早期汽車駕駛人模型的發展與演變，根據駕駛人模型的設計理論和研究方法，將駕駛人模型分為方向控制駕駛人模型、STI模型、預期開環控制模型、雙模式模型以及其他種類的模型，其中方向控制駕駛人模型又可分為預瞄駕駛人模型和線性狀態變量控制模型。綜述了上述各類汽車駕駛人模型的研究過程，分析論述了早期汽車駕駛人模型的結構特點，總結了各類駕駛人模型存在的不足，提出了駕駛人模型發展的新方向。

駕駛人模型；方向控制；反饋控制；駕駛行為

CLC NO.:U461.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-58-05

1、早期駕駛人模型概述

汽車駕駛人模型是與汽車橫向動力學模型相結合的一種動態模型。在汽車設計過程中，駕駛人模型可提供設計方面的反饋信息，例如設計的改變對駕駛人操作結果有何影響。Allen將這種汽車設計過程中的駕駛人模型稱為“輔助設計駕駛人”模型[1]。由于汽車設計師采用微分方程對汽車的行駛狀態進行描述，因此，駕駛人模型同樣采用這種方法，特別是在對完整系統的穩定性研究中，采用基于線性控制原理的微分方程描述系統狀態，是十分有效的。雖然駕駛人模型種類較多，但普遍是基于線性控制原理，并且采用微分方程進行狀態描述的模型。由此，上世紀七十年代逐漸出現了算法模型，決策結

構模型，模糊控制模型、神經網絡控制模型、模糊-人工神經網絡模型等基于線性控制理論的新模型。

基于線性控制原理的駕駛人模型已經得到較為詳細的論述[2-4]。而在此之前，汽車駕駛人模型是由一種跟蹤模型演變而來，即模擬駕駛人作為汽車側向動力學的控制器，通過人為設置外部參數實現操縱目的（圖1），采用線性微分方程或者是差分方程進行狀態描述。

2、典型駕駛人模型的種類

2.1 方向控制模型

方向控制模型由日本汽車設計人員建立。1953年，Kondo根據側向風對汽車行駛狀態的干擾，提出兩種針對駕駛人行為的模型，即預瞄駕駛人模型和線性狀態變量控制模型，并通過一種單軌道模型得到整個汽車系統以恒定速度沿直線軌跡行駛狀態下的測試結果。此后，汽車工程師們發布的大多數汽車模型都以Kondo的這兩種駕駛人模型作為參考，它們的基本結構相同。

2.1.1 駕駛人預瞄模型

在預瞄駕駛人模型中，Kondo假設在距離為L的預設行駛路線上，始終存在一假想點，即駕駛人的視線點或目標點，駕駛人以這種方式駕駛汽車前行（如圖2）。根據控制理論，這種模型可以使駕駛人在預瞄距離L內，將汽車在地面上的投影中心線與預設路線間的橫向偏移△yL減至最小。

圖中，△v為行駛方向角誤差，L為預瞄距離，δH為車輪轉向角，△yo為橫向位置重心誤差，△ψ為橫擺角誤差，△yL為△yo的預測值，Φ為駕駛人視角值，κV為汽車行駛軌跡曲率，κr為參考路徑曲率，κS為汽車行駛道路曲率，V為速度矢量。

Kondo的這種線性預測模型被多國汽車設計工程師采用，其中日本較為普遍，其次在德國。

根據控制理論，預瞄駕駛人模型可以建立三種不同的數學模型。首先，△yL可認為是△yo在預瞄時間TP下的預測值。公式為：

式中TP為預瞄時間，vo為汽車行駛速度，L為預瞄距離，δH為車輪轉向角，△yo為橫向位置重心誤差，K為常數

其次，對于小視角值Φ，駕駛人預瞄模型可表述為：

式中△ψ為橫擺角誤差

再次，由于這種轉換，預瞄駕駛人模型可簡化為對汽車重心進行控制的模型。對于較小轉向角，可以寫為：

則駕駛人預瞄模型（1）可線性化為

2.1.2 線性狀態變量控制模型

Kondo的第二種模型稱為線性狀態變量控制模型（如圖3）。這種模型假設汽車轉向角δH與橫擺角誤差△ψ、行駛方向角誤差△v和橫向位置重心誤差△yo為線性結合，并且這種模型經過修改同樣適用于其它種類的模型[5-6]。

這個模型的形式如圖4。

2.2 STI模型

STI模型是源于跟蹤模型和飛行員模型，由美國系統技術公司和McRuer，Weir，Klein等共同開發。將STI模型的原理視圖轉化為控制理論簡圖（如圖5）后，顯示了與Kondo所開發模型過程的相似性。

STI模型與Kondo模型的顯著區別是時間延遲量τ的存在，這個變量代表駕駛員反應時間。在五十年代早期發布的飛機駕駛人模型中存在，時間延遲量τ主要針對干擾量的補償控制，而汽車駕駛操作則主要是控制汽車受沿行可預見曲線的影響，因而，在正常駕駛狀態下，駕駛人沿目標道路行駛時基本沒有反應時間。STI模型源于具有駕駛人行為補償功能的經典模型，彌補了Kondo所建模型的缺陷，更加接近駕駛人操作習慣。

2.3 預期開環控制模型

預期開環控制概念是眾多基于控制理論的駕駛人模型所采用的基本理念。根據這種方法，駕駛人不僅需要對汽車狀態的變化作出反應，還需要對道路的變化作出反應。這種模型首先由Fiala和Ohno提出，假設汽車的部分轉向角由一段標定距離內的車道曲率κ決定（如圖6），因為車道曲率獨立于車輛運動，所以這是一個開環控制系統，因此Fiala又稱這種模型為“前大燈方向指導”模型[7]。圖5所示為具有預期開環結構的模型，是Donges提出的“雙層結構模型”，這是一個閉環形式的狀態變量控制器（如圖3）與開環結構的組合，假設為一個有二自由度時間預期的線性系統[5]。其中，駕駛人的反應時間τH由時間延遲變量來表示，而另一個未知影響（如駕駛人噪聲）則通過原來的飛行員模型獲得。

多名學者模仿這種具有附加開環結構的補償閉環控制模型進行建模，然而，具有代表性的模型是由B?sch和Pl?chl、Lugner所開發的模型，這種新模型除補償性控制結構和預期控制結構外，又被引入第三種控制結構稱為“自我控制”結構（瞬時路徑偏差的校正）[8]。

2.4 雙模式模型

雙模式模型的特點是在仿真過程中可改變其內部結構，即在開環和閉環模式之間相互轉換[9]。這種模型已經應用于DRIVEM中，同時還運用于環境突變的自適應模型中，例如在模擬汽車行駛過程中，突發狀況使模型內部發生改變達到自我調整的目的。

2.5 其他種類的模型

對上述四種駕駛人模型做出某些方面的改變，則可得到其他種類的模型，這些新模型通過停滯時間，輸入或輸出參數的種類，亦或所依據的非線性原理等進行區分，例如Baxter和Harrison通過假設滯后現象建立了非線性模型；Carson等人所建模型需要用到感知閾值；某些駕駛人模型則在時間離散的形式下，采用簡單固有變量建立數學模型，并且根據優化原則分析模型參數。還有一些模型與預瞄

模型相似，這類模型以視角φ作為輸入參數。大多數駕駛人模型以轉向角δH作為駕駛人輸出，然而，也有些駕駛人模型以轉動轉向盤的頻率或轉矩作為駕駛人的輸出。而系統的輸入則通常是預期的側向偏差或路徑曲率，當然還有其他的狀態變量，例如車輪側傾角，而Reichelt所建模型可有21種不同的信息參數作為系統輸入，從汽車姿態角速率到路徑參考曲率不等[10]。

3、駕駛人模型的應用

這些駕駛人模型絕大多數是具有駕駛人橫向力控制機制的模型，其結構類似于在機械系統上增設一個相應的控制器，這種建模方法的優點是可以使用一個數學儀器描述整個系統。

目前，在車輛動力學實時仿真中使用的商業化駕駛人模型有ve-DYNA的駕駛人控制器、ADAMS軟件中DRIVER模塊，ve-DYNA中的駕駛人模型的應用方法是引導汽車沿標定軌跡、以限制車速前行，在賽車的路線優化等方面得到應用。

這些商用駕駛人模型同樣應用于虛擬駕駛測試領域，例如，雙移線實驗，以及ESP等電子控制單元系統的在環實驗。多數汽車電子控制器的設計目的是幫助駕駛人掌握困難的駕駛操作，以及減少駕駛操作失誤，因此，應當測試在緊急情況下，電子控制器的設計功能是否滿足要求，例如，以限制車速通過曲線道路，從而實現測試目的。但為合理測試控制器在車內環境的運行狀況，則希望虛擬駕駛人（駕駛人模型）與普通駕駛員的正常駕駛行為類似。

因此，汽車設計師需要開發出一些符合人類特點的技術控制器駕駛人模型。與單純的技術控制器不同，駕駛員不會按照標定的軌跡駕駛汽車，而是在給定的約束條件下選擇合適的目標道路（例如，道路寬度或車道寬度）行駛，這種要求反映在駕駛人模型特性中，則表現為兩個方面，即模型的引導性和穩定性（如圖7）。

在引導性層面，要求汽車以時間為依據的目標位置、目標速度、目標方向和目標路徑曲率都是可以確定的。這些變量同時作為穩定性層面的評價標準，是通過非線性系統解耦原理，以及提供輔助控制（通過感應汽車狀態信息的模型獲得，例如側傾角）的位置控制器，才得以實現的。穩定層的位置控制器使汽車盡可能在標定軌跡上以目標位置行駛（如圖8）。汽車與目標點之間的距離是不固定的，可以想象成汽車和指引汽車移動的目標點之間為彈性連接，車輛偏離目標點越多，就越難捕捉到目標點，而理想情況為，駕駛人在任何狀態下都使車輛與目標點保持一致。個體駕駛行為差異以及典型的駕駛操作錯誤，例如，不同駕駛人對預瞄距離、轉向響應延遲時間可通過設定不同駕駛人模型的參數特征來實現[11]。

4、總結與展望

雖然汽車設計師花費大量時間對模型進行迭代改進，但是相對于其他領域的模型來說，駕駛人模型改進收效甚微，原因是個體之間或者個體內部存在著很大的差異，而且個體動態行為也存在著偏差。在某些應用中，例如對于相對成熟的駕駛人手部和手臂神經肌肉模型來說，可以增加一個額外的第三級模型，而這種整體駕駛人模型在研究轉向特性時，卻是很有用的。

因此，駕駛人模型研究的焦點已從控制理論轉到其他建模方法上，即更適合描述非動態行為方面的建模方法，例如，尋找能夠實現駕駛人決策或規劃等非動態行為方面的建模方法。然而，最后一個

例子說明，即使只將中心點結合到算法環境中，應用控制理論描述動態轉向特性仍然是最合適的方法。總之，雖然汽車設計師已經進行了大量基于控制理論的駕駛人模型研究，但是在集成到一個“混合建模”的問題上，仍然面臨著難題。

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[11] Irmscher M, Ehmann M. Driver Classification using ve-DYNA Advanced Driver[S], SAE paper 2004, 1:0451.

Review and Outlook of the Driver Model for Vehicles Design

Li Xiaoxu, Chen Yanqin
(Chang an University, school of automobile, Shaanxi Xian 710064)

This thesis is a systematic review of the development and evolution of the early driver model, according to the driver model design theory and research methods, driver models are divided into different types such as directional control driver model、STI model、expected open-loop control model、dual-mode model and other driver models, the directional control driver model are divided two types: preview driver model and linear state variable control model. This thesis summarizes the research process of driver models above, analysis and discusses the characteristics of early model structure, summed up the shortcomings in the different kind of driver models, proposes a new direction of development of the driver model.

driver model; directional control; feedback control; driving behavior

U461.6

A

1671-7988(2014)03-58-05

李曉旭，就讀于長安大學汽車學院。