一种基于驾驶员模型的车辆转向系统性能测试方法
【专利摘要】本发明的目的是提出一种基于驾驶员模型的车辆转向系统参数的辅助设计系统和方法。该方法主要应用于转向系统的设计初期，借助于虚拟仿真平台，考虑驾驶员的驾驶特性，对初步设计的转向系统参数进行测试。该测试系统包括驾驶员模型、车辆转向系统模块、车辆模型模块、虚拟测试道路环境模块和信息储存模块。整个测试过程模拟的是人的驾驶过程，通过改变转向系统参数，获得汽车的状态响应，通过对状态响应的分析,优化转向系统的参数，使转向系统的性能更加符合人的驾驶特性。
【专利说明】一种基于驾驶员模型的车辆转向系统性能测试方法
一、【技术领域】
[0001]本发明涉及在车辆的设计初期对车辆转向系统的参数进行测试评价，以期达到辅助转向系统参数优化设计，属于车辆工程领域。
二、【背景技术】
[0002]汽车的诞生提高了人们的交通和运输效率，丰富了人们的生活，改变了人们的出行方式。随着经济的快速增长和车辆生产技术的迅猛发展，车辆的持有量不断增加。汽车行业的蓬勃发展使之成为二十一世纪最重要的行业之一，随着汽车动力性能的提高，车速的提高，汽车的安全性和操纵稳定性就显的尤为重要。转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要原因，也是是驾驶员对车进行控制的直接交互对象，因此转向系统的性能决定着汽车的操纵安全和驾驶舒适性。对于工程人员和汽车公司研发部门，如何在汽车研发时提高研发的效率就成为车辆设计领域中研究的热点，尤其是如何快速准确的评价车辆的参数以及获取最优的车辆参数，在很大程度上决定着汽车研发的进展、研发过程中的总体费用以及研发出的车辆质量。
[0003]对于转向系统在真车中的测试，主要有开环测试和闭环测试两种测试方法。在开环测试中，对转向系统的输入为一组固定的测试数据或者已预设好的固定的测试输入信号，这样可以保证多次测试对车辆的输入一致，但方向盘的输入并不根据车的响应而改变，这与现实不符；在闭环测试中，使用一定的算法控制车辆沿预期轨迹行驶，并保证轨迹追踪在一定的误差范围内，这可以通过建驾驶员模型或者设计机器人控制算法来实现，但这样的偏差控制算法的输入虽模仿人的驾驶却没有体现人的驾驶特性和局限。所以在实际的转向系统的测试评价中一般都由熟练的驾驶员操纵被控汽车，在特定的道路环境下完成驾驶任务并记录所需数据，然后工程人员根据记录的数据对此转向系统进行评价，根据工程经验确定参数的变化范围，然后逐个改变参数的值再继续进行实验，经过反复的实验和计算得到最优的转向系统的参数。但这存在很多缺点:首先，即使对于经验丰富的熟练驾驶员，也不可能在多次实验中保证对被测汽车的输入完全一致，这样的测试评价结果不客观；其次，当测试速度较高时、道路环境条件恶劣时，对驾驶员有一定的危险性；最后，在转向系统参数没有一个大致范围时就大量真车实验会损耗过多的资金和精力；同时转向系统样机的试制也会浪费很多资金。
三、
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种基于驾驶员模型的车辆转向系统参数的辅助设计系统和方法。该方法主要应用于转向系统设计的初期，借助于虚拟仿真平台，考虑驾驶员的驾驶特性，对初步设计的转向系统参数进行测试。
[0005]该测试系统包括驾驶员模型、车辆转向系统模块、车辆模型模块、虚拟测试道路环境模块和信息储存模块。其中车辆转向系统模块是转向系统结构确定之后，将之进行动力学建模的数学模型，是本发明方法的测试对象；车辆模型则是由专业的汽车软件提供的多自由度的汽车模型，该模型用于模拟真车；虚拟测试道路环境模块是根据不同的设计要求，通过模拟现实道路信息，建立测试所需的道路和路况；信息储存模块，采集和储存仿真测试过程中的数据；驾驶员模型模拟人在驾驶过程中对转向系统的输入。
[0006]其中驾驶员模型主要包括预瞄模块、预测模块、决策模块以及神经肌肉动力学模块。决策模块根据预瞄模块得到的预期轨迹和预测模块计算的汽车行驶的预测轨迹之间的偏差，经ro控制决策出控制命令，然后由神经动力学模块执行决策出的控制命令，最终经车辆转向系统控制汽车。
[0007]整个测试模拟的是人在驾驶过程中对转向系统性能的测试。驾驶员模型替代驾驶员，它通过测试道路信息和车的状态信息决策需要给转向系统的输入，转向系统通过该输入调整汽车，使之达到测试道路所要求的轨迹，而该调整过程中汽车的响应则反映转向系统的性能。
[0008]应用上述测试系统对转向系统测试方法主要包括以下几个步骤:步骤1，对设计初期的转向系统进行动力学建模，得到转向系统的模型，将模型中可进行设计的参数匕如，系统转动惯量J，系统刚度K，阻尼系数B等)作为仿真时的变量；步骤2，根据不同的设计要求，选择不同的测试道路；步骤3，将转向系统参数和测试道路的信息输入给测试系统进行测试；步骤4，在测试完毕之后，对测试过程中车辆的状态响应进行采集储存；步骤5，对结果进行分析，优化转向系统参数。
[0009]其中，通过对转向系统中需要设计的不同参数，比如说系统的转动惯量，按设计要求进行相应的修改。每修改一次参数，转向系统的性能将发生相应的改变，测试系统则会得到对应不同参数的车辆状态响应，如运行轨迹、侧向速度、侧向加速度、横摆角等；同时也可选取不同的测试道路和车辆行驶的速度进行测试。结合上述两种测试方法，通过对测试结果的分析，选取适合设计要求的转向系统的参数组合，从而对转向系统进行辅助设计。
[0010]本发明的转向系统测试方法，主要应用在转向系统设计初期，利用驾驶员模型代替熟练驾驶员在虚拟环境中检测转向系统的性能特性，该方法有以下几个优点:1，将人的驾驶特性加入到整个转向系统的设计中，使转向系统的性能更加贴近人的驾驶风格；2，该测试是在仿真平台上进行的，通过对转向系统参数进修改，来仿真不同参数转向系统的性能，从而初步确定转向系统参数的一个优化范围，减少了试制转向系统样机带来的资金浪费和研发周期。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明方法的总体框图
[0012]图2为驾驶员决策模型的结构图
[0013]图3为蛇形测试道路
[0014]图4为驾驶员一车一环系统结构图
[0015]图5为转向系统的简易模型
[0016]图6为本发明方法的测试方法流程图
[0017]如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实施例对车辆转向系统参数的辅助设计系统和方法进行详细描述。
[0019]同时，在这里加以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施方法，而并不旨在对本发明进行具体的限定。
[0020]本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程等。
[0021]本发明的测试系统包括驾驶员模型、车辆转向系统模块、车辆模型模块、虚拟测试道路环境模块和信息储存模块。各模块组成的测试系统见图1。
[0022]根据【专利附图】
【附图说明】如下
[0023](一)启动matlab中的simulink模块建立驾驶员模型。其建立过程可参照专利号为201210219920.3专利，其中有详细说明。为使具体实施过程更加清晰易懂，叙述具有逻辑性，所以简要地对驾驶模型进行介绍。
[0024]驾驶员模型建立在排队网络认知体系上，根据人的驾驶特性将驾驶员模型分成三部分:感知部分模块、认知部分模块和运动模块。在驾驶员模型控制汽车追踪预期轨迹的同时，它能够准确地仿真真实驾驶员的驾驶特性和生理局限。图2是本发明驾驶员模型中的决策模块，主要模拟的是驾驶员在驾驶过程中的驾驶决策机理，它包括预瞄模块、预测模块、比较模块、决策模块等。
[0025]预瞄模块的输入是测试中汽车按要求遵循的道路轨迹，也就是测试中的测试道路。预测模块根据汽车状态信息(例如，横摆角、侧纵向坐标、纵向加速度、侧向加速度、侧向速度，纵向速度等)，计算汽车行驶的预测轨迹。比较模块将预期轨迹与预测轨迹进行比较，获得并输出偏差参数(在本发明中，包括侧向位置偏差R、侧向加速度、侧加速度导数等)，决策模块根据所差通过ro控制使汽车达到预期的轨迹。
[0026]驾驶员模型中动力模块是神经肌肉动力学模型，如图4所示，主要仿真的是人在驾驶过程中，认知决策完成后，通过神经肌肉动力学转化成力或者是力矩作用于转向系统上。
[0027]具体过程如下:预期轨迹是汽车按要求遵循的道路轨迹，为了进一步简化描述，在本发明中，以GB/T6323.1-94中的蛇形测试道路作为示例。如图3所示，在汽车行驶路径上等间距地布置多个标桩，相邻的两个标桩之间的距离为L，在行驶路径的中心线上用不同于道路颜色的胶带标示预期轨迹(即，蛇形路径，如虚线所示)。用于测试汽车操纵稳定性的有效标桩区(即需要控制汽车沿着蛇形路径行驶的区域)为在第二个标桩到倒数第二个标桩之间的蛇形路径。为了便于描述，在图3中示出了 XY坐标轴。
[0028]在驾驶员模型中获得侧向位置偏差R、侧向加速度、侧向加速度导数等参数的过程如下:[0029]驾驶员模型中的预瞄模块通过寻迹传感器获得汽车在预瞄时间(Tp)内的预期轨迹点Pn(Xn，yn)，其中，Xn表示沿着蛇形路径行驶的汽车在X方向的坐标，yn表示沿着蛇形路径行驶的汽车在Y方向的坐标。驾驶员模型中的预测模块通过汽车内部传感器获得汽车的当前状态3110^711，^，心并预测出汽车在预瞄时间(Tp)内所要到达的位置坐标P’ n(X’ n，y’ n)，其中，ax表示沿着蛇形路径行驶的汽车在X方向的加速度，ay表示沿着蛇形路径行驶的汽车在Y方向的加速度。由此可获得预期轨迹和预测轨迹的侧向位置偏差Rn:
[0030]Rn = f n-yn( I)
[0031 ] 由公式(I )，第η步的侧向位置偏差通过预测轨迹点的侧向坐标减去预期轨迹点的侧坐标后得到。
[0032]为精确追踪预期轨迹，需调整方向盘转角以减小侧向位置偏差R。在驾驶员模型中利用ro控制来获得方向盘转角的改变量。在利用驾驶员模型获得方向盘转角的改变量时涉及的公式如下:
【权利要求】
1.一种基于驾驶员模型的车辆转向系统参数的辅助设计方法和系统。所述，一种基于驾驶员模型的车辆转向系统参数的辅助设计方法主要应用于转向系统设计的初期，借助于虚拟仿真平台，考虑驾驶员驾驶特性，对初步设计的转向系统参数进行测试。
2.根据权利要求1所述的基于驾驶员模型的车辆转向系统参数辅助设计系统包括驾驶员模型、车辆转向系统模块、车辆模型模块、虚拟测试道路环境模块和信息储存模块。其中车辆转向系统模块是转向系统结构确定之后，将之进行动力学建模的数学模型，是本发明方法的测试对象；车辆模型则是由专业的汽车软件提供的多自由度的汽车模型，该模型用来模拟真车；虚拟测试道路环境模块是根据不同的设计要求，通过模拟现实道路信息，建立测试所需的道路和路况；信息储存模块，用来采集和储存仿真测试过程中的数据；驾驶员模型用来模拟人在驾驶过程中对转向系统的输入。
3.根据权利要求1所述的一种基于驾驶员模型的车辆转向系统参数的辅助设计方法，具体步骤包括: 步骤1，对设计初期的转向系统进行动力学建模，得到转向系统的模型，将模型中可进行设计的参数(比如，系统转动惯量J，系统刚度K，阻尼系数B等)作为仿真时的变量； 步骤2，根据不同的设计要求，选择不同的测试道路； 步骤3，将转向系统参数和测试道路的信息输入给测试系统进行测试； 步骤4，在测试完毕之后，对测试过程中车辆的状态响应进行采集储存； 步骤5，对结果进行分析，优化转向系统参数。
4.根据权利要求3所述的一种基于驾驶员模型的车辆转向系统参数的辅助设计方法，具体实施方法包括: 方法1:通过对步骤I中所述的转向系统参数进行调整，转向系统的性能将发生相应的改变，测试系统则会得到对应不同参数的车辆状态响应。 方法2:通过对步骤2中所述的道路及车辆速度参数进行调整，得到对应不同参数的车辆状态响应。 结合所述的方法I与方法2两种测试方法，通过对测试的结果的分析，选取适合设计要求的转向系统的参数组合，从而对转向系统进行辅助设计。
【文档编号】G06F17/50GK103823929SQ201410055985
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】毕路拯, 王明涛, 滕腾, 王翠娥 申请人:北京理工大学