httpqkscqueducn 重 庆 大 学 学 报!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第! 卷!! 驾驶员模 型 包 括 方 向 控 制'速 度 控 制 以 及 方 向 与速度综合控制模型一个能充分 正确反 映 驾驶 操 纵 行 为 特 性 的 有 效 且 精 确 的 驾 驶 员 模 型对

httpqkscqueducn 重 庆 大 学 学 报,- 235 7 第! 卷第 期 ++ 年 月 '!(' ='++ + @AB ++ + A!! 文章编号! 遗传算法优化的方向与速度综合控制驾驶员模型 邓! 涛孙冬野胡丰宾罗! 勇 重庆大学 机械传动国家重点实验室重庆! 摘! 要!针对当前驾驶员模型无法体现驾驶操纵熟练程度的缺 点利 用遗传 算法的自 动寻 优能 力总结驾驶员自学习与驾驶经验特点遵循行 驶 误 差 最 小 与 体 力 负 担 最 小 原 则对 模 糊 JKL 比 例 因子和量化因子进行离线优化设 计以 此 模 拟 驾 驶 员 从 生 手 到 熟 练 驾 驶 培 训 过 程 构 建 包 括 遗 传 算法优化的方向模糊 JKL 与速度模糊综合控制驾 驶 员 模 型 以 及 整 车 行 驶 动 力 学 模 型 在 内 的 人 车 闭环系统仿真模型在纵向速度单向变化'侧向双移线工况与大曲率 试验 道路典 型工况下 进行仿 真 分析结果表明!基于遗传算法优化的方向模糊 JKL 与 速 度 模 糊 综 合 控 制 模 型 可 以 很 好 地 描 述 驾 驶员在纵向加减速操纵特性以及侧向预期轨迹跟随 转 向驾驶 特性相比 于传 统 JKL 与 模 糊 JKL 控 制具有更好的纵向加减速操纵特性与侧向预期轨迹跟随性能 关键词!驾驶员方向控制速度控制遗传算法模糊 JKL 7D+' D!! 中图分类号! 文献标志码! E! '((+ ( '( ' ', ', 23( ' +!'(!'+,, 2 35'+ -+ M3= N Q 3 M G 235 7 J' R' 23 OP 235 52 +!M G 3 3 G 3 G 5 ( P GP P G 3 G G P 3G -GG ( T G KL 5 P U - J G 3 G G G-G3 P G-G G 3 V 'M3 3 G G G - J KL G P 3G G 3 G G P 3 U3 3 G G 3 - U -P P 'M3 G 3U 3 3 G U P ( - G 3 V U 3 'E U3 ( G U 3 J KL KL 3 P J - G 3 V U 3 ' +! 3G - JKL 37' 收稿日期! ++ 基金项目!国家自然科学基金资助项目 @C@DD重庆市科委攻关项目 +E2D 作者简介!邓涛 +A 男重庆大学博士研究生主要从事车辆动力传动及其综合控制与混合动力电动汽车控制研究 孙冬野联系人男重庆大学教授博士生导师 F G -! -' 5-'

httpqkscqueducn 重 庆 大 学 学 报!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第! 卷!! 驾驶员模 型 包 括 方 向 控 制'速 度 控 制 以 及 方 向 与速度综合控制模型一个能充分 正确反 映 驾驶 操 纵 行 为 特 性 的 有 效 且 精 确 的 驾 驶 员 模 型对 于 人 车 路闭环系统操纵稳定性'车辆 主 动安全 性 控制 以 及智能化行驶研究与评价等方面起 着至关 重 要的作 员模 型 的 控 制 效 果 进 行 了 典 型 道 路 工 况 仿 真 对 比 分析! 基于遗传算法优化的驾驶员方向 模糊! 控制 方向控制驾驶员 模 型 的 发 展 主 要 分 为! 个 阶 段!补!! 驾驶员观 测 前 方 道 路 时是 以 自 身 即 汽 车 的 前 进方向作为基 准 建 立 一 个 相 对 坐 标 系在 相 对 坐 标 偿跟踪模型'预瞄跟踪模型'智能控 制模型 速度控 中来判断前方 的 道 路 与 汽 车 位 置 的 关 系从 而 决 定 制模型通 常 用 于 巡 航 控 制 研 究 中包 括 W3 G 对汽车的道路 输 入 驾 驶 员 依 据 道 路 信 息经 过 预 提出的速 度 控 制 模 型XE 等 提 出 的 速 度 控 瞄判断出预瞄点的位置然后依据 整车 行 驶动 力学 制模型以及 = 和 Q- VG等利用 JL 控 制方法 模型计算 出 汽 车 即 时 状 态 侧 向 加 速 度'纵 向 加 速 建立的基 于 相 对 距 离 的 速 度 控 制 模 型 +!+ 而 方 向 度'侧向速度'纵向速度'侧向位移与 纵向 位移及其 与速 度 综 合 控 制 驾 驶 员 模 型 的 研 究 主 要 包 括 前视时间判断 出 汽 车 期 望 纵 向 加 速 度 与 侧 向 加 速 W3 G 建立的自决策速度的驾 驶 员 预 瞄 跟 随 控 度经过加速度反馈的遗传模糊 JKL 控制的驾驶员 用驾驶员模型研 究 始 于 世 纪 @ 年 代国 际 上 制模 型 + NG 等 提 出 的 模 糊 控 制 驾 驶 员 模 @+ D+ 校正环节判断出期望最优曲率得 到期 望 方向 盘转 同 时 一 些 较 角考虑驾驶员神经系统的反应滞 后和 驾 驶员 手臂 为成熟的驾驶员模型已链接到商业 化汽车 动 力学 仿 与汽车转向盘 惯 量 等 的 反 应 滞 后 环 节得 到 实 际 方 型 以及基于神经网络驾 驶 员模 型 C+ 真 软 件 中如 2 = G 中 的 L Q ' A+ 2ER 中 的 2 QV 中 的 KJYL 'EG + + =G L 'K 2 R MG 中 的 K L + 以及 LW(E 中的 L Q ++ 向盘转角! 模糊! 方向控制 对 JKL 控 制 器 中 的 参 数!'! 和!分 别 用!个模糊控 制 器 进 行 在 线 实 时 自 整 定 模 糊 控 制 国内对驾驶员模型的研究主要 集中于 吉 林大 学 器的 输 入 变 量 为 汽 车 期 望 侧 向 加 速 度 与 实 际 侧 向 郭孔辉和管欣等人逐步提出的跟随 预 瞄系统'最 优 加 速 度 之 间 的 误 差 和 误 差 变 化 率 将 其 论 域 曲率驾驶员模型'预瞄优化方向控制模 型'预 瞄优化 定 义 为 [DD+上 的 离 散 整 数 集 合!,[D[@ 神经网络 驾 驶 员 模 型 JZE(('简 化 的 预 瞄 优 化 [[![[++!@D-!个模 神经网络驾驶员 模 型 JZ=E(('误 差 分 析 法 模 型 糊 控 制 器 的 输 出 分 别 为!'! 和! 的 调 整 值 FFE'侧向与纵 向 综 合 控 制 的 神 经 网 络 驾 驶 员 模 其 中!'! 和! 的 论 域 定 义 为[CC+上 的 离散 型'车 速 变 化 时 任 意 跟 随 路 径 下 的 JZ=E(( 模 型 整数集合!,[C[D[@[[![[+ 以及最速控制模型等 +!+ 当前国 内 外 建 立 的 基 于 传 递 函 数 补 偿 预 瞄' +!@DC-误差 '误差变化率 '!'! 和! 在其论域上 有 C 个 语 言 变 量 值,负 大 负 JKL 控 制 '模 糊 控 制 '人 工 神 经 网 络 或 是 基 于 商 业 中 负小 零 正 小 正 中 化 软 件 二 次 开 发 的 驾 驶 员 模 型 都 只 是 尽 量 反 映 驾 正大 -输入输出变量相应隶属度函数如图+ @ 驶 行 为 特 性 而 对 驾 驶 操 纵 熟 练 程 度 缺 乏 自 适 应 能 所示! '! 和! 的模糊规则如表 +! 所示 力 针 对 这 些 控 制 方 法 的 缺 点 笔 者 提 出 了 基 于 遗 传算法优 化 的 方 向 与 速 度 综 合 控 制 驾 驶 员 模 型 利 用 遗 传 算 法 的 自 动 寻 优 能 力 总 结 驾 驶 员 自 学 习 与 驾 驶 经 验 特 点 遵 循 行 驶 误 差 最 小 以 及 体 力 负 担 最 小 原 则 对 模 糊 JKL 比 例 因 子 和 量 化 因 子 进 行 离 线 调 整 优 化 设 计 以 此 模 拟 真 实 驾 驶 员 从 生 手 通 过 驾 驶 培 训 而 成 为 熟 练 驾 驶 员 的 整 个 训 练 过 程 从 而 体现出驾驶员模 型 对 驾 驶 操 纵 熟 练 程 度 的 自 适 应 能力并在 建 立 人 车 闭 环 系 统 仿 真 模 型 的 基 础 上 对 基 于 遗 传 算 法 优 化 的 驾 驶 员 模 型 与 传 统 驾 驶 图 +! 输入变量! 的模糊隶属度函数

httpqkscqueducn 等!遗传算法优化的方向与速度综合控制驾驶员模型 第 期!!!!!!!!! 邓! 涛! 表! 模糊规则表 图! 输入变量! 的模糊隶属度函数 表 =! 模糊规则表 图!! 输出变量, 的模糊隶属度函数! 遗传算法优化量化因子和比例因子 利用遗传算法优化模糊控制器 时主 要 涉及 下面! 种情况!基 于 量 化 因 子比 例 因 子 的 优 化基 于 隶 属度函数的优 化基 于 控 制 规 则 的 优 化 等 通 常 隶 图! 输出变量 的模糊隶属度函数 属函数的修正是比较困难的而且 实际应 用 证明隶 属函数的形状 是 次 要 的关 键 是 隶 属 函 数 所 包 含 的 论域元素个数 和 所 覆 盖 的 范 围 在 模 糊 控 制 中当 模糊规则和隶 属 函 数 确 定 后因 为 控 制 规 则 的 数 量 有限则模糊控 制 的 输 出 值 也 是 有 限 的 而 当 用 遗 传算法对量化 因 子 和 比 例 因 子 进 行 优 化 调 整 时输 出的值将不再 被 限 制 在 原 有 的 数 量 范 围 内从 某 种 程 度 上 说相 当 于 模 糊 控 制 规 则 数 量 的 增 加 ++D+ 因此笔者采用遗传算法对模糊 JKL 控制器的量化因 图 @! 输出变量 的模糊隶属度函数 子和比例因子进行寻优 利用 QEMOE\ 中的遗传工具箱函数采用十进 制编码方 式分 别 对 自 调 整 模 糊 J KL 控 制 器 的! ' 表!, 模糊规则表! '!'!'!等 @ 个参数进行寻优随机产生 个个体的群体个体编码方式为实数编码 控制参数主要包括种群的规 模'变量 的 个数'算 法执行的最大 代 数'执 行 不 同 遗 传 操 作 的 概 率 以 及 其他一些辅助性的控制参数等根 据具 体 情况 可以 选择不同参数这里选 择!初 始 群 体 大 小 ^! 变量个数 ^@最大代数 GT^+交 叉概

httpqkscqueducn 重 庆 大 学 学 报!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第! 卷 率 ^' A@变异概率 G ^' @当 连 续 若 干 代 最 度与实际速 度 的 偏 差 车 辆 当 前 实 际 纵 向 加 速 优个体适应度值的平均值与当代最 优个体 适 应度 值 之差在所要求 的 范 围 之 内 时就 认 为 算 法 已 不 再 具 度 输出为踏板变化量 通过与前一时刻累加 得到当前踏板开度加速踏板和制 动踏 板 采用 同一 备继续优化能力 个控制器当累加之后的踏板开度 值为正 时作 为加 在定车速假设 下驾 驶 员 对 汽 车 理 想 预 期 轨 迹 的考虑实际上就是对汽车理想侧向 加速度 的 决策和 跟随控制且方 向 盘 转 角 的 变 化 与 侧 向 加 速 度 的 变 化一一 对 应 +!+ 因 此采 用 跟 随 误 差 理 想 侧 向 加 速度踏 板 的 控 制 值反 之则 作 为 制 动 踏 板 的 控 制值 为了使不同模糊集之间的差别 能充 分 表达 变量 分级后的不 同 性 质此 处 采 用 G 型 与 G 型 速度与实际侧 向 加 速 度 的 误 差和 方 向 盘 忙 碌 程 度 隶属函数相结合利用二分法对变 量进行 模 糊分级 方向盘转角 的 变 化 增 量建 立 遗 传 算 法 性 能 指 标 速度偏差范 围 为 [+' @+' @ G分 为 和 C 个 等 级设 定 是 以 函数为 + + (+, GT + G +!U ++!U ( +!GT ' 分别 为 时 刻 期 望 侧 向 加 速 度 式中! 与实际侧向加速度 ' [+分 别 为 和!U!U, ' + +- 为中心'范围为[' @+ 是以 ' @ 为 中 心'范 围 为 ' @+ 的 中 心 为 ' @范 围 为 ' @++ 的 中 心 为 +范 围 为 ' @+' @+ 其 他变量模糊集 的 中 心 及 范 围 的 选 取 类 似输 入 输 出 隶属度函数曲线如图 C 所示模 糊逻 辑 控制 规则 如图 +所示 [+ 时刻的方向盘转角 GT' G分 别 为 最 大 侧 向 加速 度 和 最 小 侧 向 加 速 度一 般 取 GT^@ G!GT 为 前 后 两 个 时 刻 方 向 盘 转 角 G^[@ G 的最大增量取 + _ (+ ' ( 分 别 为 跟 随 误 差 和 方 向 盘忙碌程度的加权系数 公式 +作为遗 传 算 法 优 化 模 糊 JKL 方 向 控 制 器的适应度函数又由于遗传算法是求 最大 值 问题 故此适应度函数 - 应作如下变换! 图 C! 输入变量! 的隶属度函数 + +,!! 基于遗传算法优化的模糊 JKL 驾驶员方向控制 - ' 器框图如图 D 所示 图 A! 输入变量 的隶属度函数 图 D! 遗传算法优化的模糊 JKL 方向控制模型! 驾驶员速度模糊控制 驾驶员速度模糊控制系统的输 入为车 辆 期望 速 图! 输出变量!' 的隶属度函数

httpqkscqueducn 等!遗传算法优化的方向与速度综合控制驾驶员模型 第 期!!!!!!!!! 邓! 涛 @ 图 +! 模糊逻辑控制规则三维图 =! 方向与速度综合控制 前面分别利用基于遗传算法优化的模糊 JKL 方 法控制方向盘 转 角模 糊 方 法 控 制 油 门 开 度 与 制 动 踏板开度为实 现 驾 驶 员 在 驾 驶 过 程 中 根 据 道 路 条 件信息改变方向盘转角'油门开度与制 动踏 板 开 度 以达到对方向 与 速 度 综 合 控 制 的 目 的建 立 驾 驶 员 方向与速度综合控制模型如图 ++ 所示 图 +! 车辆模型仿真整体框图 图 ++! 驾驶员方向与速度综合控制模型! 人 车闭环建模 驾驶员模型参数的确定不仅需 考虑驾 驶 员自 身 的行为 特 性还 需 建 立 正 确 的 整 车 行 驶 动 力 学 模 型 +C+如图 + 所示仿 真 模 型 由 @ 部 分 组 成包 括 转向系'发动机及动力传动系'制动 系'轮胎与 +@ 自 由度车辆动力学模型等轮胎模型采 用魔术公 式 图 +!! 人 车闭环系统仿真模型 模型车 辆 动 力 学 模 型 共 +@ 个 自 由 度其 中 车 身 D 个每个 车 轮 上 下 跳 动 + 个每 个 车 轮 转 动 + 个 转向盘转角 + 个 综合上述建立 的 驾 驶 员 模 型 与 车 辆 模 型构 建 人 车闭环系统仿真模型用于评 价 驾驶员 纵 向加 减 速操纵性能与侧向转向跟随性能如图 +! 所示! 仿真分析! 典型工况仿真 为了验证所建立的驾驶员方向 与速 度 综合 控制 模型设计典型工 况 纵 向 速 度 单 向 变 化'侧 向 双 移 线仿真工况与大曲率试验道路仿真工况

httpqkscqueducn D 重 庆 大 学 学 报!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第! 卷 +' +! 纵向速度单向变化'侧向双移线仿真分析 纵向 速 度 单 向 变 化'侧 向 双 移 线 仿 真 工 况 如 合控制模型在典型工况下可以很好 地描 述 驾驶 员在 图 +所示参 数 分 别 为 + ^+ ^++' A! ^ 和转向驾驶特性 +@ ^+A @ ^! D ^! + ^!G ^ 仿真结果如图 所示 +@G 2^!' @G +@ +'! 大曲率试验道路仿真分析 大曲率试验道路仿真工况实际 上是 纵 向速 度不 纵向速度单向 变 化'侧 向 双 移 线 试 验 道 路 上 的 减 速 断变化和侧向位 移 轨 迹 跟 随 种 情 况 的 组 合可 全 面反映驾驶员模型在复杂行驶工况 下侧 向 轨迹 跟随 能力与纵向速度调节能力如图 +D 所示 参数 分别 为! 3+ ^+!+' @ G+ ^+! G3 ^D' @ G ^ +G3! ^@@ G! ^++ G3 ^C G3@ ^ @G@ ^CG3D ^CGD ^DG3C ^@@G C ^G3A ^CG 图 +! 纵向速度单向变化侧向双移线仿真工况示意图 图 +D! 大曲率试验道路仿真工况示意图 汽车以 AVG3 的速度驶入后在 转第一 个弯 道 之 前 将 速 度 降 至 A VG3然 后 进 一 步 减 速 以 VG3通过第!' ' @ 弯道后再逐渐加速至 AVG3 驶出通过建立的 人 车 闭 环 系 统 的 仿 真 得 到 方 向 盘转角'侧向位移'侧向加速度'纵 向速度'纵向 加速 度的仿真结果如图 +C 所示 可看出笔者 建 立 的 驾 驶 员 方 向 与 速 度 综 合 控 制模型可以很好地描述驾驶员在纵 向速 度 上的 加速 减速操纵 特 性 以 及 侧 向 预 期 轨 迹 跟 随 的 转 向 驾 驶 特性! 不同控制方法比较 在纵向速度单向变化'侧向双 移线仿 真 工况下 对笔者提出的基于遗传算法优化的模糊 JKL 方法与 传统 的 JKL'模 糊 JKL 进 行 仿 真 比 较结 果 如 图 +A 图 +@! 纵向速度单向变化'侧向双移线仿真结果 由图 +@ 可知笔者建立的驾驶 员方向 与 速度 综 所示 由图 +A 中仿真结果可知在侧 向位 移 和纵 向速 度轨迹 跟 随 效 果 方 面基 于 遗 传 算 法 优 化 的 模 糊 JKL 最好模 糊 JKL 次 之 JKL 最 差而 且 遗 传 模 糊

httpqkscqueducn 等!遗传算法优化的方向与速度综合控制驾驶员模型 第 期!!!!!!!!! 邓! 涛 C JKL 控制的 方 向 盘 转 角 变 化 与 油 门制 动 踏 板 变 化 最为平缓对汽车的控制最好更好 地达到 了 预期 控 制效果 JKL 控制效果最差 图 +A! 几种不同控制方法仿真比较 由表 可知遗 传 算 法 优 化 的 模 糊 JKL 控 制 方 法在总体性能指标 M '轨迹跟 踪误 差指 标 F 最 小 但驾驶 操 纵 负 担 指 标 \ '侧 滑 危 险 性 指 标 R 却 最 大这可理解成 驾 驶 员 为 满 足 轨 迹 跟 踪 精 度 要 求 而 稍微牺牲驾驶操纵负担与侧滑危险 性指 标 为代 价的 结果 图 +C! 大曲率试验道路仿真结果 另外根据文献 +!+介绍的总 方差评 价 方法 @! 结! 语 为了体现驾驶员模型对驾驶操 纵熟 练 程度 的自 选用总体性能指标 M '轨 迹 跟 踪 误 差 指 标 F '驾 驶 操纵 负 担 指 标 \ '侧 滑 危 险 性 指 标 R 这 个 指 标 适应能力基于传统控制方法提出 了基 于 遗传 算法 对以 上! 种 控 制 方 法 进 行 优 劣 评 价对 比 结 果 如 优化的方向模糊 JKL 与速度模糊综合控制驾驶员模 表 所示 型利用遗传算法的自动寻优能力优化模糊 JKL 比 例因子和量化 因 子 并 联 立 整 车 行 驶 动 力 学 模 型 表!= 种控制方法的性能评价指标对比 评价指标 控制方法 总体 轨迹跟踪 驾驶操纵 侧滑危险 性能 M 误差 F 负担 \ 指标 R 遗传模糊 JKL +' @+ ' D @AC ' CDAD 构建了人 车闭环系统仿真模型在 典型 工 况下 进行 仿真分 析 比 较 结 果 表 明与 传 统 的 JKL 和 模 糊 JKL 控 制 方 法 相 比遗 传 算 法 优 化 方 法 在 牺 牲 了 较 小驾驶操 纵 负 担 与 侧 滑 危 险 性 指 标 为 代 价 的 基 础 上获得了最小 的 轨 迹 跟 踪 误 差 指 标 与 总 体 性 能 指 模糊 JKL +' A@A! '!+! ' C@C JKL '!@@D ' D +!@ ' C++! 标具有更好的 纵 向 加 减 速 操 纵 特 性 与 侧 向 预 期 轨 迹跟随性能笔者所建立的基于遗 传算 法 优化 的方 向与速度综合控制驾驶员模型虽可 体现 出 驾驶 操纵

httpqkscqueducn 重庆大学学报 第 卷 熟练程度 却无法描述不同驾驶风格类型 下一步需确定驾驶员模型中的数字化参数划分范围以此表征不同驾驶风格 为后续研制开发基于人车路闭环的自动变速系统硬件在环仿真平台打下基础 参考文献 - - 3- -!' '' ' '' ' ' ' ' '! -' - ' '2' + + 7 -' + ( - - ' ' ' -, 2', ' + - ' '!'!' '! ' ' ' ' ',- +, 2! + (, -- - -==- - - 3 3' '' ' 7 2'! ' 7 ' ' ' 2' ' '' ' ' ' +,,, ( - - - - '!' ' 55, ' ' ' ' '! ''2' ( +,3 2',,, - - '!' 2 ' 2 ' = ' ' 7 ' ' ' ' - ' ' 3!+!'!, +, + 3- = ' 2 ' '' ''2 7!'' '' '!' ' '! +(, + = -!''!' 2 '' '!'2 ' '!' 7' ' ' ' ' '2' ( 2!, 3 ' '! ' ' ' ' ' ' ' ' '! ' ' ' ' '!'' ' '2' 2! 777 ' 2 +! 3 3- ' ' 2' '!' ' +(+, + 3 = '!' 7! ' ' '!' ', 3-3- 3' '' ' ' ' ' ' ' ' - '!2 - ' 3 - - ' 王兵 驾驶员对汽车方向的自适应控制行为建模研究 长春 吉林大学!' 55 2 ' ' '!! ' ' ' ' ' ' ' +! +,, ( - -3- -- - - - -2 '' '! ' 55 2 '! '! '! ' ' ' ' '' ' ' '2', +, 叶世杰 肖智 钟波 等 电力经济环境负荷调度的模糊多目标模型 重庆大学学报,, - ' = 55 2' ' ' ' ' ' 7'!! ',, + 3 ' ' ' 2' '!' ' 2! ' ' '2 ' '!' ' +( 编辑 张 苹