基于Carsim的换道轨迹估算

李 健，张亚岐，周辰雨

Li Jian, Zhang Yaqi, Zhou Chenyu

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

0 引 言

换道是最为普遍的驾驶行为，换道轨迹不仅能够体现出驾驶员的驾驶技能，而且能反映出换道过程中驾驶员应急反应能力。合理有效的换道轨迹能够有效减少交通事故、提高交通通行能力。由换道引发的交通事故频频发生，据统计，由车辆变道引起的交通事故占总交通事故的 4%～10%左右，因此，获取换道轨迹对交通事故责任界定、划分具有重要的参考价值。当前，获取换道轨迹的方法主要是数据拟合、车辆动力学分析和数学计算，但是这些方法计算量大，需求解非线性微分方程组，难度较大，且可操作性不强，而车载 GPS定位系统，抵抗电磁干扰能力差，且精度低，不能很好地对换道轨迹进行跟踪，因此，寻求简单易行的算法来获取换道轨迹就成为研究人员关注的焦点。文中利用Carsim在车辆仿真方面独特的优势，利用车载传感器实时采集车辆的转向盘转角以及换道车速，进行小波去噪后作为仿真参数，在Carsim环境下进行换道模拟，试验验证过程中，将实际换道轨迹作为基准，对仿真结果进行评价分析。该方法不仅简单易行，且能实时对换道轨迹进行跟踪，具有普遍适用性，且受外界干扰小，精度高。

1 换道

1.1 换道模型

换道是行为是驾驶行为中最为普遍的，研究人员分别用神经网络[1]、隐马尔科夫（HMM）[2]等进行换道轨迹生成，这些方法主要是确定最优的换道轨迹，需将连续的变量离散化，易造成信号失真，因此，借用Carsim[3]进行换道轨迹仿真，不仅保证输入信号不失真，还可以将人-车-路有机结合起来，形成闭环系统。换道的过程如图1所示。车辆的换道过程基本分为3个阶段：换道准备；换道；换道后调整。

规定换道起始点为坐标系的原点，车辆的纵向速度方向为X方向，车辆侧向速度方向为Y方向。

1.2 小波分析

小波被誉为“数学显微镜”，在时频两域都有很好的局部特性。将信号f(t)进行小波级数分解[4]：

j为伸缩参数；k为平移参数。小波变换的窗口是可调的时频窗，尺度因子j不仅改变小波的频谱结构，而且改变时频窗口的大小。若j大，此时对应低频端，频率分辨率高，时间分辨率低；若j小，对应高频端，频率分辨率低，时间分辨率高。

1.3 Carsim

Carsim软件是专业的车辆动力学仿真软件，该软件具有运行速度快、计算准确、易于操作等特点，将人-车-路有机结合起来，能够模拟不同路面情况下的汽车制动、加速等，能绘制专业的曲线，将车辆的运动轨迹以及车辆其他难以直接测量量以曲线形式表达出来，并能够分析汽车的各种响应。在国外，Carsim已被通用、丰田等大型汽车企业认可，被广泛用于电控单元的开发和虚拟试验[5-7]。

2 试验验证

试验中采集到的车速、转向盘转角如图 3、图4所示。由于车速传感器采集的是发动机转速，经换算转化成车速，从而车速的波动性较大，在Carsim环境下，若转向盘转角或者车速的波动性很大时，仿真易出错，因此，对2个参数均进行滤波。选取db4作为小波函数进行3层分解，车速的分解结果如图2所示。为了防止信号失真，取第1层近似系数a1，车速经过小波滤波后，基本维持在70 km/h左右（见图3）。试验中采用基于CAN总线接口的SX4300A转向盘转角传感器实现，采样频率设置为100 Hz，采样精度为0.5°，并以一次向左换道进行试验验证，为了区别向左换道与向右换道，转向盘从中间位置向左转为负，向右转为正，车道宽度3.75 m。

图4中的转向盘转角的平衡位置不在0°，是由于车辆左右载荷不对称，致使车辆的回正位置发生了偏离，可见，车辆载荷在纵向方向的不对称性对转向盘转角影响不小，不过，转向盘平衡位置发生平移，进行试验仿真时，将车辆的纵向对称中心向左偏离一定距离即可，试验中设置偏离量为15 cm，若要进一步了解载荷不对称性对转向盘转角的影响，还需更为深入进行车辆动力学分析。

从仿真结果可以看出，通过仿真获得换道轨迹更为平滑（见图 5），这主要是转向盘转角和车速经过了滤波。换道开始到纵向距离达到1 200 m，这段时间内车辆轨迹近似1/4圆弧，圆弧的中心在Y轴上，2 000m后圆弧的中心在X轴上，中间段近似是直线，可见换道过程可以分为3部分（以向左换道为例）：①转向盘左转；②转向盘回正；③转向盘右转。仿真结果跟实际结果极为相近。

3 结束语

通过采集实际换道过程中转向盘转角及车速，将采集回来的数据进行滤波后作为仿真输入参数，对换道轨迹进行模拟，模拟结果跟实际结果吻合度很高，该方法确定换道轨迹简单易行，且真实可靠。Carsim软件能够将自车的悬架系统、转向系统、传动系统、制动系统以及动力系统、轮胎侧偏特性、自车几何参数等有机结合起来，使试验与实际更为接近。不过在数据采集过程中发现，车辆载荷的不对称性对转向盘转角影响较大，可见，车辆纵向对称中心对换道、跟车以及弯道行驶都会产生影响。换道数据的采集是在开阔无干扰的路段进行的，且车速基本保持不变，对真实的换道模型进行了大大简化，实际的换道受周围车辆以及可见度等影响，因此，要作更为精确的研究必须对环境、天气以及驾驶员技能进行评估，提取相应指标作为Carsim的仿真参数，建立更为切合实际换道模型。

[1] MATLAB中文论坛. MATLAB神经网络30个案例分析 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2010,4.

[2] 王畅. 基于隐马尔科夫模型的驾驶员意图辨识方法研究[D].吉林大学，2011，4.

[3] 李志魁. 基于Carsim的整车动力学建模与操作稳定性仿真分析[D]. 吉林大学，2006，4.

[4] 张善文，雷英杰，冯有前. MATLAB在时间序列分析中的应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2007，4.

[5] Ying chen,Brandon Jones. Software Testing Strategies for Model-Based Chassis Control Systems. SAE Technical Papers, 2007-01-0505.

[6] Naoto Ohkubo,Takehiro Horiuchi. Brake Torque Sensing for Enhancement of Vehicle Dynamics Control Systems. SAE Technical Papers,2007-01-0867.

[7] Ming Une Jen,Ming-Hung Lu. Integration of Kinematics and Compliance Measurement with Vehicle Dynamics Validation for a Shared Platform. SAE Technical Papers, 2007-01-0832.