汽车操纵稳定性的客观定量评价指标

路边

汽车操纵稳定性的客观定量评价指标
宗长富　郭孔辉
摘　要：通过对汽车操纵稳定性的理论分析，提出了汽车操纵稳定性的客 观定量评价指标；利用吉林工业大学的开发型驾驶模拟器(ADSL驾驶模拟器)验证了评价指标 与驾驶员主观评价的相关性，相关系数达到0.99以上。结果表明，本文提出的客观定量评 价指标是合理、可信的。
关键词：汽车；操纵稳定性；客观评价
中图分类号：U461.6　　文献标识码：A
文章编号：1002-378X(2000)01-0001-06Objective Evaluation Index for Handling and Stability of Vehicle
ZONG Chang-fu, GUO Kong-hui
(National Key Lab of Automobile Dynamics Simulation,Jilin Unive rsity of Technology,Changchun 130025,China)
Abstract：An objective evaluation method and objective index for h andling and stability of vehicle has been put forward by using theoretical analy sis.The consistence of the closed-loop objective evaluation index with subjecti ve evaluation has been testified by using ADSL driving simulator.
Key wordsvehicle;handling and stability;objective evaluation　　汽车操纵稳定性(以下简称汽车操稳性)是影响汽车主动安全性的重要因素之一。由于受研究 目的、驾驶任务、人为感觉 及环境条件等多种因素的影响，使得对汽车操稳性的研究和评价变得错综复杂。虽然关于汽 车操稳性方 面的报道很多，并提出了不同复杂程度的数学模型、评价指标、实验方法及实验手段，但迄 今 为止还没有找出公认的客观定量评价操稳性的最佳方法。由于以往对汽车操稳性的客观评价 指标是在开 环条件下提出的，而主观评价是驾驶员按照一定的跟随要求操纵汽车时对操纵动作难易程度 的感觉，这种感觉不仅取决于汽车本身的特性，还取决于人的行业特性、对道路跟踪的要求 ，因此客观评价与主观评价所得出的结论不一致，甚至相互抵触。所以，汽车操稳性评价必 须是包括驾驶员在内的驾驶员-汽车-环境闭环系统的评价。：
1　汽车操纵稳定性的闭环客观评价方法
　　在汽车操稳性闭环评价中，闭环试验一般选取汽车的一些典型行驶工况，包括移线试验( 单移线和双移线)、蛇行试验、线路保持试验(包括侧风和路面干扰)、越障试验及避让试验 等［1］。由于这些典型行驶工况是从汽车实际行驶中选取的(如超车、避让等)，评 价比较接近于实际交通情况。这种评价方法又称为任务性能(Task Performance)评价。汽车 操纵性包含人、车的相互作用，任务性能恰是人-车系统意义上的性能，因此，以此为基础 的评价更为合理、可信。
　　用任务性能方法作为闭环评价试验时，客观评价指标选用哪些汽车响应参数，以及采用哪种 形式仍没有解决。本文提出三个综合(即：多个试验的综合、多个汽车响应参数的综合、整个试验路段上的综合)作为汽车操稳性的客观定量评价指标。
1.1　多个试验的综合
　　任务性能的全面评价JT是由移线、蛇行、线路保持、越障及避让等个别任务评价指标 Jn决定的，即
JT=∑βnJn　(1)
式中βn是与车辆特性有关的参数，由车辆的种类决定。
1.2　多个汽车响应参数的综合
　　式(1)中的Jn应是包含车辆各响应参数和驾驶员操作负担在内的综合评价指标，即
Jn=∑qiJi　(2)
式中qi为单项评价指标的权系数，由标准化门槛值决定；Ji为各单项评价指标。
1.3　整个试验路段上的综合
　　式(2)中的Ji采用吉林工业大学郭孔辉教授提出的总方差评价方法［2］，总方差的 定义是
　(3)
式中x0,y0分别是输入x(t)和输出y(t)的稳态值。
　　如果能够确定各单项评价指标Ji、权系数βn和qi，就可以全面综合评价人-车闭环 系统的操纵稳定性。本文采用任务性能中的两种典型行驶工况：双移线和蛇行作闭环试验。 道路设置是参考双移线行驶试验规程的ISO/3888技术报告［3］与GB 6323-86标 准［4］，并考虑车速变化时的适应性设定的。
2　汽车操纵稳定性客观评价指标的确定
2.1　单项评价指标
2.1.1　轨道跟踪好坏的误差指标
　　汽车行驶过程中，驾驶员首先要保证汽车按其意愿行驶，这是汽车具有良好主动安全性的前 提，轨道跟踪好坏是衡量汽车是否按其意愿行驶的重要指标。
　　(1) 轨道误差指标
　　由于驾驶员很难感知汽车的横向位移，在以往的文献中很少提及误差指标。但汽车轨道跟踪 的好坏直接影响其主动安全性，因此，轨道误差的总方差是汽车主动安全性的一个重要指标 。将其标准化后的表达式为
2.1.3　翻车危险性的总方差
　　汽车转弯行驶时，如果汽车的侧向加速度或车身侧倾角过大，驾驶员就有要翻车的感觉，精 神负担随之增加，也因此影响了汽车的主动安全性。
　　(1) 侧向加速度
　　侧向加速度是操稳性中最重要的汽车响应参数和评价指标，它代表汽车的侧向行驶性能。侧 向加速度的总方差表达式为
　(10)
式中为侧向加速 度标准门槛值。
　　(2) 侧倾角
　　从驾驶员的角度考虑，车身侧倾角同样代表翻车危险性，但与侧向加速度所表示的意义又有 所不同。其标准化的总方差表达式为
　(11)
式中φ为汽车的侧倾角；为汽车的侧倾角标准门槛值。
　　(3) 翻车危险性总指标
　　取上两项误差指标的加权平均值后得翻车危险性总指标
　(12)
2.1.4　侧滑危险的总方差
　　汽车前、后轮的侧滑是实际行驶中经常遇到的情况，它直接影响汽车的行驶安全性及驾驶员 的安全感。因此，汽车的侧滑是影响驾驶员主观评价的一个因素。当汽车前、后轮的侧向力 大于地面附着力时，汽车将产生侧滑，其标准化的总方差表达式为
　(13)
式中Fy1，Fy2分别为前、后车轮侧向力；Fz1，Fz2分别为前、后 车轮垂直载荷；为Fyi/Fzi的标准门槛值 。
2.2　综合客观评价指标
　　将上述各单项评价指标加权组合并取其加权平均值，建立一个考虑因素全面的表征汽车主动 安 全性的客观评价指标。由于驾驶员实际参与了试验，客观评价指标中不必考虑驾驶员的因素 ， 因此客观评价指标为
　(14)
式中JS为在JSi中取的较大者。
　　本文研究的任务性能评价包括双移线和蛇行两种工况，则任务性能评价指标为
JTE=β1JLCT+β2JSPT　(15)
式中JLCT、JSPT分别为移线试验、蛇行试验时的客观评价指标；β1、β2为权系数。
2.3　客观评价指标的标准门槛值和权系数选择
2.3.1　单项评价指标标准门槛值选择
　　单项评价指标中，标准门槛值sth、理论权系数Wi和实际权系数Wei存在下列关系
　(16)
　　因此可通过调整标准门槛值选择权系数，这样所有的权系数Wi均可取为1。根据仿真 计算［6］，标准门槛值取值为：
2.3.2　权系数β1和β2的选取
　　当β1=0和β2=1(即只选取蛇行试验计算综合评价指标)时，综合评价指标与驾驶员主观 评价的相关系数r=0.982 4；当β1=1和β2=0(即只选取双移线试验)时，相关系数仅为r =0.817 8;权系数取为β1=2和β2=1，相关系数最高为r=0.995 6。
2.4　驾驶模拟器试验与驾驶员的主观评价
　　选出对操稳性影响较大的6个参数(重心位置、车轮侧偏刚度、转向系刚度、转向系传动比、 后轴侧倾转向系数及整车绕垂直轴的转动惯量)作为试验的可变参数，在ADSL驾驶模拟 器 上按文献［6］中的方案改变此6个参数，设计出14种变形车，考察此6个参数变化时对操稳 性的影响。以上参数变化量参见文献［6］。
　　图1是14种汽车方案在以90 km/h速度行驶时的轨线、方向盘转角、侧向加速度曲线。选 取标准门槛值和权系数β1=2、β2=1，根据模拟器试验所测得的汽车响应参数，按公式 (4)～(15)计算 移线和蛇行试验时客观评价指标如表1。
表1　14种车辆方案客观评价指标及主观评价名次
Table 1　Objective evaluation index ranking and subjective eval uation ranking for 14 vehicle configurations
方　　案1234567891011121314
客观评
价指标90 km/h8.059.4812.465.719.076.889.866.309.196 .437.9820.0 815.7710.49
110 km/h18.3121.6733.899.0415.0315.6522.2512.0423.2612.6213.5940.0138.6045.36
主观评
价名次90 km/h5911174102836141312
110 km/h7811146921035131214
　　驾驶员的主观评价主要是定性排序评价，即对文献［6］中14种车辆方案进行其易操纵 性好坏的排序。目的是对根据试验测量所计算的客观评价指标进行相关计算。在ADSL驾驶模 拟器上所实施的驾驶员主观评价方案参见文献［6］。9名驾驶员对14种汽车方案(车速为90 km/h和110 km/h)的主观评价排序如表1。

图1　14种变形车模拟器试验的响应曲线(车速90 km/h)
Fig.1　The response curves of 14 vehicle configurations
in ADSL driving simulator test
3　客观评价指标与主观评价的相关分析
　　相关分析是根据14种汽车方案的模拟器试验结果计算的综合客观评价指标(9名驾驶员平均值 )的排序对驾驶员主观评价(9名驾驶员平均分数)的排序进行的。用数理统计［8］方法分别计算出车速为90 km/h和110 km/h时14种方案客观评价指标排序与主观评价排序的相关 系数均为0.995 6，相关曲线如图2所示。结果表明客观评价指标与驾驶员的主观评价有很好的一致性，证明应用本文提出的单项评价指标加权组成的综合客观评价指标评价汽车的操稳 性是合理、可信的。

图2　14种方案综合评价指标排序与主观评 价排序相关曲线
Fig.2　Correlation curves of objective evaluation index ranking and subjective
evaluation ranking for 14 vehicle configurations
　　基金项目：国家教育部博士学科点基金资助项目 (97018504)；国家自然科学基金资助项目(59975041)
　　作者简介：宗长富(1962-)，男，山东成武人，吉林工业大学讲师， 工学博士
宗长富（吉林工业大学 汽车动态模拟国家重点实验室，吉林 长春　130025）
郭孔辉（吉林工业大学 汽车动态模拟国家重点实验室，吉林 长春　130025）
参考文献:
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［2］　郭孔辉.汽车操纵动力学［M］.长春：吉林科学技术出版社，1991.
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［4］　GB 6323-86.汽车操纵稳定性试验方法［S］.
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［8］　宋元村，黄玉喜.数理统计学［M］.长沙：湖南人民出版社，1982.
［9］　郭孔辉，轧浩.车辆四轮转向系统的控制方法［J］.吉林工业大学学报，19 98，28(4)：1～4.

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