基于人機工程的駕駛性開發研究

張鵬飛，楊雪峰，林萬國，王 凱，劉甲一

（一汽轎車股份有限公司產品部，吉林 長春 130012）

駕駛性是包含平順性在內的加速性，是衡量汽車動力總成系統標定開發好壞的一類重要指標，與汽車的動力性、經濟性、舒適性都有密切的關系，是汽車內在品質的重要體現［1］。

隨著人民生活水平的不斷提高，用戶對汽車安全性、舒適性的要求也越來越高。駕駛性作為能夠被用戶直觀體驗的一項性能，對用戶體驗的貢獻也越來越大。駕駛性體現著汽車產品市場定位與品牌基因，影響著消費者購買意愿，是提升產品競爭力的關鍵［2］。

另一方面第4階段燃油消耗量法規規定2020年生產的乘用車平均燃料消耗量降至5.0L／100km［3］。面對油耗法規要求，節能也是當代汽車開發的主旋律，所以開發出既能滿足用戶駕駛性需求又能滿足油耗、排放法規要求的車輛是各大主機廠必須攻克的難題。

1 駕駛性開發概述

駕駛性開發主要是研究車輛在X方向 （車輛前進／后退方向）上的運動情況。對于不同類型的車，用戶所需求的動力表現并不一致，例如商務車的主要需求是舒適性，SUV的主要需求是動力性。另外同一種類型的車為了表現不同的加速特性也可能需求不同的動力表現，我們稱這種不同的動力表現為整車加速風格。

根據汽車行駛方程式 （1）

在駕駛性開發過程中一般不考慮坡度因素，所以方程式（1）可以轉化為方程式 （2）。

式中：Ttq——發動機扭矩；ig——變速器傳動比；i0——主減速器傳動比；r——車輪半徑；G——作用于車輛的重力；f——滾動阻力系數；CD——空氣阻力系數；A——迎風面積；ua——車輛行駛速度；m——車輛質量；δ——旋轉質量換算系數［4］。一般工程應用中可以使用滑行阻力替代風阻和摩擦阻力。不難看出車輛作為一個很復雜的彈性系統，當內部或者外部參數發生變化時，在短時間內可能導致整個系統產生不規則運動或振蕩等反應，直至達到某種新的平衡。我們將這種從一個穩態工況到另一個穩態工況的過程稱之為過渡工況。

根據過渡工況的力學性能，在工程實踐中車輛可能表現出加速沖擊、加速遲滯、加速喘振、加速倒拌／加速應答差、爆震、減速沖擊、減速喘振、后燃、減速作用過強或過弱、進入或退出減速斷油過程有沖擊等現象中的一種或者多種，我們將這些現象統稱為過渡工況駕駛性問題。

簡言之，駕駛性開發的主要內容有兩點：一是確定整車加速風格；二是優化動態扭矩管理，避免出現過渡工況駕駛性問題。兩者之間有著相輔相成的關系，整車加速風格是動態扭矩管理控制的基礎；動態扭矩管理控制是加速風格實現的必要保障。在整車標定過程中，加速風格標定就是駕駛員需求扭矩標定，動態扭矩管理標定解決了過渡工況各種扭矩濾波的問題。

1.1 駕駛員需求扭矩

現代發動機控制均采用基于扭矩的控制策略，其核心算法之間全部使用扭矩進行計算和傳遞，如圖1所示［5］。電控系統通過加速踏板位置傳感器反饋的電壓值感知駕駛員對加速踏板的操作情況，實時計算駕駛員需求扭矩。系統綜合考慮駕駛員需求扭矩、發動機燃燒模型計算的實時扭矩以及其它扭矩需求，計算出下一時刻的燃燒扭矩需求，再通過內部算法計算出發動機噴油、點火、進氣等執行器的控制參數，實現扭矩輸出。同時系統通過回采執行器執行情況和傳感器信息精確計算發動機各位置的實際輸出扭矩，用于內部修正并通過總線發送給其他控制器。

圖1 基于扭矩的發動機控制策略

1.2 動態扭矩管理

根據駕駛員需求扭矩的更新策略，當加速踏板位置發生變化時，系統會實時計算當前工況下的目標扭矩。如何按照既定目標從當前實際扭矩達到目標扭矩的控制就是動態扭矩控制。動態扭矩控制的核心標定量是單位時間內扭矩增量和控制時間周期。如圖2所示，車輛行駛過程可以被抽象為怠速、加速、勻速、減速4個過程，每個過程又可細分為很多工況，這里不做詳細介紹。在實際工程應用中，每一個時刻的當前實際扭矩與目標扭矩的相對關系基本都不一致，一般系統采用變參數PID控制方式達成最終目標，因此該部分是駕駛性標定的難點也是重點。

圖2 目標扭矩與實際扭矩之間的關系

2 駕駛性與人機工程

在駕駛員－汽車－環境閉環控制系統中，駕駛員同時承擔著操縱車輛以及根據車輛動態響應來控制車輛的任務。如圖3所示［6］，駕駛性反映了駕駛員在汽車縱向行駛過程中人車交互作用下的綜合感知，描述了在整個汽車縱向行駛閉環控制系統中駕駛員動態感覺 （縱向加速度、沖擊、俯仰等）、決策行為 （根據感覺做出判斷）、操作行為 （換擋、踏板操作等）、車輛動態響應過程之間的交互關系，并以駕駛員的期望滿意度為最終評價依據［2］。

圖3 駕駛員-汽車-環境閉環控制系統

將整個過程拆解分析，駕駛員在操作加速踏板之前，已經對踏板行程和加速效果產生了一定的心理預期，并按照心理預期對踏板進行操作。同時駕駛員通過感覺 （聽覺、視覺、觸覺等）接收外界關于加速效果的反饋信息，并通過心理預期和實際反饋的對比，進行綜合判斷并給出當前車輛的加速效果判定，如圖4所示。解析這一過程，可得出基于人機工程的駕駛性開發核心是達到并超越駕駛員的心理預期，所以如何正確解析駕駛員對加速踏板的操作與心理預期的對應關系，就是駕駛性開發的關鍵。

圖4 整車加速示意圖

在駕駛員－汽車－環境閉環控制系統中，唯一的人機交互介質就是加速踏板。電控系統通過采集加速踏板的位置信號，如圖5所示，并通過運算轉化為踏板開度百分比。系統結合當前轉速、車速、踏板開度等信息，轉化為駕駛員需求扭矩，駕駛員需求扭矩就是用來解析駕駛員對加速預期對應的扭矩值。駕駛員需求扭矩通過系統內部算法轉化為輸出扭矩，再通過進氣、噴油、點火等轉化為最終的輸出扭矩和輪邊扭矩，最終達成整車加速目標。

圖5 加速踏板電-位移特性

3 基于人機工程的駕駛性開發

3.1 駕駛性開發流程

駕駛性開發流程如圖6所示，動力總成選型一般在前期車型規劃時已經確定。動力總成選型結束后整車最大加速特性已經固化；人機工程解析是解析駕駛員心理預期的重要手段，為整車加速風格設定提供必要的人機工程依據；加速風格設定是駕駛性開發的核心目標，是確定駕駛員需求扭矩標定的方向，整車標定工程師會根據車型定位、用戶需求以及車型特點選擇不同的加速風格；動態扭矩標定、換擋品質標定都是為了更好地實現駕駛員需求扭矩；最終的主／客觀評價的目的是為了驗收開發結果，一般都穿插在開發過程中進行。其中虛線部分的換擋規律標定和換擋品質標定僅適用于自動擋車型。

圖6 駕駛性開發流程簡圖

3.2 人機工程解析

人機工程數據分析的目的是為了獲取駕駛員腳踝舒適區對應的踏板區域和常用的踏板工作區。由于不同車型人機工程設計的駕駛員腳踝位置與加速踏板的相對位置不同，所以需要做具體車型具體分析。如圖7所示，通過人體腳踝位置角度變化可以計算出加速踏板角度變化，由此可以計算出整個車型的踏板變化位置和人體舒適區踏板位置。

由于多數車型設計時只考慮標準身高和標準比例，并不能完全覆蓋各類體型和身高差異問題，所以通過計算得到的人機數據并不符合實際工程應用要求，因此需要一種方法能夠提高用戶覆蓋度。為了解決這一問題，經過研究證實，可以使用實車或者利用人機工程實驗室資源，測定駕駛員操作踏板的實際數據，并通過統計學方法進行數據分析。

為了保證測試數據的真實有效，需采用特殊方法讓被測人員在輕松的狀態下自然流露其操作車輛的習慣。經研究發現，按照如下簡單方法，在人機工程試驗臺 （或試驗車輛）上進行試驗，可以得到較為準確的數據。

圖7 人機工程示意圖

1）測試人員調整座椅至舒適坐姿。

2）操作加速踏板調整腳踝至最舒適位置。

3）等待1min后，開始采集數據。

4）持續采集3min加速踏板位置信號。

5）將收集到的數據進行數據處理。

在某測試車型上，經過對400人次數據采集，收集到的數據如圖8所示。分析數據可知，被測用戶使用踏板的舒適區域基本落在10%～30%之間。另外大部分男性客戶首次操作加速踏板的開度在28%附近，大部分女性客戶首次操作加速踏板開度在15%附近。

圖8 加速踏板位置使用頻率數據

將得到的駕駛員舒適位置區間數據和踏板使用頻度數據［2］按照一定規律分配到整車踏板行程上。如圖9所示為某車型設定參數，橫坐標為踏板開度，縱坐標為輸出扭矩系數，不同的車型根據其阻力情況確定不同的輸出扭矩系數。

3.3 整車加速風格設定

整車加速風格設定就是如何將整車的加速度特性或功率特性分配到加速踏板的行程上。一方面不同排量車型的最大加速能力不同。另一方面不同用戶對加速變化的感知基本一致，不同車輛必須滿足駕駛員最小加速度感知要求，從而滿足駕駛員加速需求。由于受駕駛員對不同加速度值的感知程度不同，部分小排量車型為了追求車輛低速性能，特意提升小踏板開度下的扭矩輸出值，以保證和大排量車量車型達到基本一致的低速性能，如圖10所示，A-2-修為某小排量車型加速目標，該車型在提升前段加速性能的同時也犧牲了中后段加速性能。

圖9 等速踏板開度分配

整車加速風格設定過程中需要結合人機工程數據分析結果、該車型的定位情況、整車加速度工程目標及其他區域踏板使用情況，最終完成全區域的整車加速風格設定，如圖11所示為某小排量車型加速風格總體目標。

3.4 駕駛員需求扭矩標定

駕駛員需求扭矩作為表征駕駛員加速意圖的主要指標，對于車輛動力性表現的影響至關重要。駕駛員需求扭矩標定時，需要在滿足整車加速風格工程目標的前提下，兼顧轉速穩定特性、車速穩定特性、加速線性特性、滑行特性、NVH特性等整車其他整車性能。根據具體需求對標定數據進行調整，經過標定數據修正、客觀數據測試、主觀評價等環節評價合格后，才能具備數據發放條件。

圖10 加速風格設定數據

圖11 特征區域加速風格定義實例

在實際工程應用中，首先按照加速風格定義和人機工程測算結果計算出駕駛員需求扭矩，并按照等功率原則完成整個駕駛員需求扭矩的桌面標定工作。之后在實車上進行標定優化工作，并完成駕駛員需求扭矩的標定工作。如圖12所示為某車型駕駛員需求扭矩最終標定結果。

3.5 動態扭矩管理標定

車輛行駛過程可以抽象為怠速、加速、勻速及減速四個工況。怠速和勻速基本處于穩態工況，相對難度較低，加速和減速工況是駕駛性標定的難點也是重點。

圖12 駕駛員需求扭矩標定結果

如圖13所示，整車是一個復雜的彈性系統，由于傳動鏈間隙和彈性元件的存在，使得整個系統的性態比較復雜。為了精確控制扭矩輸出，電控系統根據傳動鏈的狀態信息將加速和減速過程分割為很多不同的子工況，每一種工況下使用不同的策略和算法進行控制。通常將加速過程分為2段，減速過程分為3段，如圖14所示為某車型駕駛性測試數據。宏觀上看，動態扭矩管理就是對目標扭矩的實現過程進行濾波控制，目的是使實際扭矩的輸出更加平穩有序并且不發生過渡工況駕駛性問題。實際工程應用中在每一個階段都會有車速、轉速、踏板開度、擋位等變量參與運算，用于計算不同工況下目標扭矩的修正系數。

另外，由于駕駛性標定數據對車輛狀態的依賴性很高，同一車型在開發過程中不同階段的車輛，其數據繼承性相對較差，所以每個階段的車輛都需要進行標定驗證。

圖13 扭矩傳遞簡圖

圖14 駕駛性測試數據

3.6 駕駛性客觀測試

駕駛性標定結束后需要進行駕駛性客觀測試并判斷是否滿足整車加速工程目標。采用GPS設備對車輛加速性能進行測試，如圖15所示為該車型M2擋加速性能測試結果，圖中自上而下分別為80%、50%、20%踏板開度下的加速特性曲線。線性處理后其加速度分別為2.41m／s2、1.94m／s2、1.03m／s2，客觀測試結果可以判斷該車型駕駛員需求扭矩標定全部滿足整車加速風格設定要求。

由于排放、油耗、駕駛性三者之間客觀測試除了要針對駕駛性進行客觀測試以外，還需進行油耗排放驗證。如表1所示為某車型排放和油耗驗證結果。分析數據可知，污染物排放水平均達成五階段排放［7］要求并滿足一次實驗通過的要求，同時油耗實驗結果滿足整車油耗工程目標。

3.7 駕駛性主觀評價

圖15 M2擋加速性能測試結果

表1 排放油耗驗證結果

駕駛性主觀評價是驗證駕駛性開發是否滿足用戶需求的最終判定方式，目前世界各大汽車公司都構建有企業內部的、適合自身車型風格的駕駛性主觀評價體系，并有一批擁有豐富評價經驗并對自身產品駕駛性特征充分了解的工程師隊伍來保證其汽車產品的駕駛性評價與開發［8］，表2為某車型部分指標的評價結果和參考值，由表中可以看出，該車型采用基于人機工程的標定方法，一次性達成主觀評價目標，并超越預期。

表2 駕駛性主觀評價結果統計

4 結語

傳統駕駛性開發全憑工程師經驗完成，并沒有可以繼承和傳承的方案，本文采用基于人機工程的標定方法后讓經驗數據有章可循，采用大數據的分析方法，更加準確地了解用戶的真實意圖，更有效地滿足駕駛員對車輛加速的預期。采用新的標定方法由于目的性更強，方法更有效，節省了大量的開發周期。