汽车驾驶员模型的研究现状及发展趋势.pdf
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1、等相关国家进行的认证),并对需要认证的项目进行了详细的描述,并重点比较了欧盟认证标准与现行国标的差异,并对国外标准的更新进行了跟踪,提出了目前生产企业必须面对的一些问题,对整车企业的出口认证具有一定的参考价值。参考文献:12003/102/EC,Relating to the protection of pedestrians andother vulnerable road users before and in the event of acollision with a motor vehicle and amending Council Directive 70/156/EECS.29
2、6/79/EC,On the protection of occupants of motor vehiclesin the event of a frontal impact and amending Directive 70/156/EECS.3GB18352.2-2001,轻型汽车污染物排放限值及测量方法S.4GB18352.3-2005,轻型汽车污染物排放限值及测量方法S.570/221/EEC,on the approximation of the laws of the Mem-ber States relating to fuel tanks and rear underrun
3、protec-tion of motor vehicles and their trailersS.6 李怀彬.国外汽车碰撞标准面面观 J.汽车工业研究,2006,(1):1822.doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2010.05.005汽车驾驶员模型是对驾驶员操纵汽车的行为的数学表达,是一个复杂的控制系统。驾驶员的操纵行为包括对信息的感知、综合、判断、推理、决断,最后通过神经肌肉的反应产生汽车所需要的方向控制、驱动控制、制动控制等操纵力。操纵行为具有很强的随机性、自适应性、离散性和时变性。因此,要用数学汽车驾驶员模型的研究现状及发展趋势刘晋霞(山东科技大学 机械电子工
4、程学院,青岛266510)摘要:汽车驾驶员模型是汽车交通安全、智能交通系统、汽车自动驾驶和车辆巡航等技术的基础研究内容和关键环节之一。按照汽车驾驶员模型的研究方向及应用,将驾驶员模型分为基于人车环境闭环系统汽车操纵稳定性的驾驶员模型、基于智能交通系统的驾驶员行为模型和基于交通安全的驾驶员疲劳模型等类型,综述了上述各类汽车驾驶员模型的研究现状,对各类驾驶员模型存在的不足进行了分析论述,并展望了汽车驾驶员模型的发展方向及趋势。关键词:驾驶员模型;方向控制;速度控制;车辆跟驰;车辆换道;驾驶疲劳中图分类号:U491.2+54文献标志码:A文章编号:1005-2550(2010)05-0019-06R
5、eview of the Driver Model Research State and Development TrendLIU Jin-xia(Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China)Abstract:Driver model is the basic research content and the key section of traffic safety,intelligent transportationsystems,automobile driving and vehicle auto
6、matic cruise technologies.According to the application and researchdirection,driver models are divided into three types:based on the human-vehicle-environment(HVE)closed-loop vehiclestability system of driver model,based on the intelligent transport system of driver behavior model and based on the t
7、rafficsafety of driver fatigue model.This paper summarizes the present research status of various types of driver models,analyzes the shortcomings of the driver models,and puts forth the trends and the development direction of the drivermodels.Key words:driver model;steering control;velocity control
8、;car following;lane change;driving fatigue收稿日期:2010-03-10基金项目:山东科技大学“春蕾计划”项目(2008AZZ031)作者简介:刘晋霞(1976-),女,山西晋城人,副教授,博士,主要从事汽车操纵稳定性、汽车系统动力学、虚拟样机技术的研究。综述汽车驾驶员模型的研究现状及发展趋势/刘晋霞19模型来精确描述驾驶员的操纵行为是比较困难的。随着驾驶员监控技术、通信技术、计算机技术、人工智能以及控制理论的不断发展,驾驶员模型的研究已取得不少成果,并且已成为当前国内外学者研究的一个热点问题。本文按照汽车驾驶员模型的研究方向及应用情况,将驾驶员模型分
9、为基于人车环境闭环系统汽车操纵稳定性的驾驶员模型、基于智能交通系统的驾驶员行为模型和基于交通安全的驾驶员疲劳模型等类型,并对各类驾驶员模型研究现状、存在不足及发展方向进行论述评价。1汽车驾驶员模型研究概况1.1基于人车环境闭环系统汽车操纵稳定性的驾驶员模型该类模型最初由McRuer等人将飞机驾驶员模型的研究推广到汽车上来,初期主要集中于汽车方向控制的驾驶员模型研究。随着研究的深入,逐渐形成了基于汽车稳定状态下,汽车方向和速度联合控制为中心的研究。该模型主要应用于人车环境闭环系统汽车操纵稳定性的研究与评价、智能车辆与汽车安全等技术研究。20世纪中期以来,各国研究学者相继提出许多不同种类的驾驶员模
10、型。根据是否具有预瞄环节,这些模型可分为补偿驾驶员模型和预瞄驾驶员模型;根据研究方法不同,可以将这些模型大致分为基于传统控制、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、自适应控制等理论建立的驾驶员模型1。其中,具有预瞄功能的模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制以及自适应控制等驾驶员模型,代表着当前该类驾驶员模型研究的最高水平。文献2在郭孔辉的“预瞄最优曲率模型”的基础上,对驾驶员校正环节采用模糊控制,建立了自调整因子的加速度反馈模糊控制驾驶员模型。该模型不需要知道汽车系统精确的传递函数,而是采用模糊逻辑推理直接模拟人的操纵过程来进行控制。仿真结果表明,所建立的模糊控制驾驶员模型很好地描述了
11、驾驶员的方向控制行为,为人车路闭环系统的进一步研究和智能车辆自动驾驶控制提供了可行的路径。文献3建立了四层前馈神经网络驾驶员模型,网络拓扑结构为10-4-3-1,模型的输入分别是:横摆角速度、侧向速度、侧向加速度、侧向位移、预瞄侧向偏差以及各个输入量的前十个时刻的记忆值,输出是方向盘转角。仿真结果表明,利用人工神经网络可以产生具有相当准确性及很高计算效率的驾驶员模型。文献4提出了五层全网络化模糊神经网络驾驶员模型,此模型的输入、输出层分别为1层和5层,代表非模糊变量x=(x1,x2,x3)和y。输入变量x经输入层1到达2层后被转变成了模糊变量上相应的隶属函数。隶属函数的选取中笔者采用了梯形隶属
12、函数法;第3层是规则基础层,第4层是结果层,这两层合起来即相当于模糊控制中的模糊推理,形成规则库,其原则为:If A and B then C。第5层是反模糊化层,采用加权平均法。模糊-神经网络充分利用了模糊推理的结构原理,但在具体的模糊化、模糊推理及反模糊化的过程中,却采用的是神经网络自学习的思想来确定每个步骤的权系数,消除了一般模糊控制中模糊规则建立时专家经验不足和精度不够的局限。文献5在郭孔辉的“预瞄最优曲率模型”的基础上,对驾驶员校正环节采用模糊PID控制,建立加速度反馈自适应模糊PID控制驾驶员模型,该模型通过模糊控制器在线实时调整PID的3个参数。仿真结果表明,所建立的自适应模糊P
13、ID控制驾驶员模型很好地描述了驾驶员的方向控制行为。此外,一些学者针对某些特定的车型和道路,建立了针对性相对较强,且具有预瞄功能的各种驾驶员模型,对处理某些特殊情况的驾驶员模型做了一定的研究6-10。1.2基于智能交通系统的驾驶员行为模型驾驶员行为研究内容主要包括:驾驭的表现特性、表现与心理和生理的能力或完成驾驶任务能力的关系以及表现与驾驶员卷入事故频率之间的关系11。随着交通科技的进步,驾驶员因素及其所起的作用被广泛认为是智能运输系统成功发展的关键。进入二十一世纪以来,驾驶员行为模型研究已成为一个新的研究热点11。目前驾驶员行为模型主要分为跟驰模型和换道模型两类,各国学者也分别运用神经网络、
14、模糊控制以及自适应控制等理论建立了不少具有实际意义的模型,为智能交通系统的建立提供了理论基础。1)跟驰模型综述汽车科技第 5 期 2010 年 9 月20车辆跟驰状态下驾驶行为的研究对于交通流微观模拟、驾驶员诱导系统、车辆自动巡航系统等具有重要意义。文献12通过真实交通环境下的驾驶员实验获得了稳定跟车状态数据,并利用Kalman滤波器对数据进行了处理和估计。设计了以BP神经网络为核心的车辆模型与驾驶员模型集成式的模型结构,该模型以前车速度为输入,通过两层结构的BP前馈式神经网络模拟驾驶员基于车辆运动状态对车辆的控制结果,输出为车辆的加速度。该模型通过训练后,在前车较大的速度范围内反复加减速行驶
15、进行仿真,得出模型能够较好响应前车的速度变化,稳定地跟车行驶。文献13是基于自适应巡航控制策略建立的跟驰驾驶员模型,该模型能够在车辆之间以及基础设施与车辆之间,准确地判断交通状况,在微观交通仿真中具有很好的适应性,并能够改善交通运行的稳定性和道路的利用率。文献14在对驾驶员认知过程详细分析之后,根据因子分析方法提取了车辆跟驰影响因素,建立了车辆跟驰过程中驾驶员认知结构模型和基于驾驶员认知过程的车辆跟驰模型,通过仿真对模型进行了验证。文献15提出由期望速度、安全车间时距、最大加速度、舒适减速度、阻塞距离以及车辆长度等参数,根 据 经 验 数 据 标 定 的 智 能 驾 驶 员 模 型(Intel
16、ligent Driver Model),成功地用统一的模型形式描述了从自由流到完全拥堵流的不同状态。文献16认为文献15在理论上存在期望距离为负和没有引入反应时间的问题。通过对期望距离非负判断和引入反应时间的办法改进了文献15所建模型,然后以车辆在信号灯前的排队行为为例,讨论了IDM模型的实际应用,并得出关于停车排队和停车引起的密度波传播的不同影响的结论。2)换道模型驾驶员选择换道的动因一般为车辆行驶速度达不到驾驶员的最低期望速度或者超出了驾驶员心理期望值。期望速度是在特定条件下驾驶员的心理期望而产生的。一般而言,期望速度与道路等级以及交通状况、车辆性能、驾驶员性格等各种因素有关17。文献1
17、8基于车辆纵横向动力学的耦合 模型,依靠车载传感器获得车辆横摆角速度信息,研究了自动化功率系统车辆换道纵横向耦合控制策略,并进行仿真。仿真结果表明应用其控制规律,车辆在纵向速度变化的情况下能够良好跟踪期望换道轨迹。文献19基于误差反馈学习规则用神经网络建立了自适应巡航控制换道驾驶员模型,通过训练,用装有该模型的仿真模拟器收集驾驶员数据,结果表明该模型的换道情况比真实的人操纵汽车还要理想。此外,还有一些学者从不同角度建立了驾驶员行为模型20-21。1.3基于交通安全的驾驶员疲劳模型驾驶疲劳指驾驶车辆时,由于驾驶员作业引起的身体上的变化、心理上的疲劳以及客观测定驾驶功能低落的总称。驾驶疲劳又分为感
18、知疲劳、判断疲劳和动作疲劳。驾驶员疲劳驾驶是现代社会的一种通病,更是交通安全的重大隐患之一22。驾驶疲劳涉及一系列不确定、不可量化的因素,例如人的感知、判断和动作能力,生理、心理和年龄变化情况等,因此,其模型的建立更加复杂。目前,关于驾驶员疲劳的研究集中于对驾驶员疲劳驾驶的调查统计、疲劳状态监测及疲劳监测仪器的开发和研制23-33,也有不少学者通过对驾驶员疲劳机理及产生过程进行分析,并根据驾驶员疲劳监测内容和结果,推导出一些具有一定实际指导意义的疲劳驾驶员模型。文献34通过对驾驶疲劳过程分析,将驾驶员执行驾驶行为的过程看作是由两部分环节构成的闭环控制负反馈系统:一是疲劳随着驾驶员结构输入信号的
19、增加而增长的惯性环节,且增加趋势是接近于指数函数形式的非线性关系;二是驾驶员感到疲劳时,自身对其抑制的比例微分环节。文献35以驾驶疲劳状态监测为研究对象,提出驾驶行为操纵和驾驶员生理指标相结合建立疲劳识别模型的思想,通过大量模拟器驾驶试验,建立了驾驶操作和驾驶员生理指标之间的关系模型。文献36在大量实验、调查研究基础上,对驾驶疲劳产生过程、规律等机理进行了分析,对多种疲劳因素的影响建立不同的驾驶疲劳函数模型,并通过主因子分析,最后筛选出驾驶员反应能力、平衡稳定性、视觉功能、注意能力、速度判断能力的五大指标,建立驾驶员疲劳评价的多因素模型。综述汽车驾驶员模型的研究现状及发展趋势/刘晋霞212汽车
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