李晓旭，陈燕芹

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

早期汽车设计驾驶人模型回顾

李晓旭，陈燕芹

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

系统回顾了早期汽车驾驶人模型的发展与演变，根据驾驶人模型的设计理论和研究方法，将驾驶人模型分为方向控制驾驶人模型、STI模型、预期开环控制模型、双模式模型以及其他种类的模型，其中方向控制驾驶人模型又可分为预瞄驾驶人模型和线性状态变量控制模型。综述了上述各类汽车驾驶人模型的研究过程，分析论述了早期汽车驾驶人模型的结构特点，总结了各类驾驶人模型存在的不足，提出了驾驶人模型发展的新方向。

驾驶人模型；方向控制；反馈控制；驾驶行为

CLC NO.:U461.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-58-05

1、早期驾驶人模型概述

汽车驾驶人模型是与汽车横向动力学模型相结合的一种动态模型。在汽车设计过程中，驾驶人模型可提供设计方面的反馈信息，例如设计的改变对驾驶人操作结果有何影响。Allen将这种汽车设计过程中的驾驶人模型称为“辅助设计驾驶人”模型[1]。由于汽车设计师采用微分方程对汽车的行驶状态进行描述，因此，驾驶人模型同样采用这种方法，特别是在对完整系统的稳定性研究中，采用基于线性控制原理的微分方程描述系统状态，是十分有效的。虽然驾驶人模型种类较多，但普遍是基于线性控制原理，并且采用微分方程进行状态描述的模型。由此，上世纪七十年代逐渐出现了算法模型，决策结

构模型，模糊控制模型、神经网络控制模型、模糊-人工神经网络模型等基于线性控制理论的新模型。

基于线性控制原理的驾驶人模型已经得到较为详细的论述[2-4]。而在此之前，汽车驾驶人模型是由一种跟踪模型演变而来，即模拟驾驶人作为汽车侧向动力学的控制器，通过人为设置外部参数实现操纵目的（图1），采用线性微分方程或者是差分方程进行状态描述。

2、典型驾驶人模型的种类

2.1 方向控制模型

方向控制模型由日本汽车设计人员建立。1953年，Kondo根据侧向风对汽车行驶状态的干扰，提出两种针对驾驶人行为的模型，即预瞄驾驶人模型和线性状态变量控制模型，并通过一种单轨道模型得到整个汽车系统以恒定速度沿直线轨迹行驶状态下的测试结果。此后，汽车工程师们发布的大多数汽车模型都以Kondo的这两种驾驶人模型作为参考，它们的基本结构相同。

2.1.1 驾驶人预瞄模型

在预瞄驾驶人模型中，Kondo假设在距离为L的预设行驶路线上，始终存在一假想点，即驾驶人的视线点或目标点，驾驶人以这种方式驾驶汽车前行（如图2）。根据控制理论，这种模型可以使驾驶人在预瞄距离L内，将汽车在地面上的投影中心线与预设路线间的横向偏移△yL减至最小。

图中，△v为行驶方向角误差，L为预瞄距离，δH为车轮转向角，△yo为横向位置重心误差，△ψ为横摆角误差，△yL为△yo的预测值，Φ为驾驶人视角值，κV为汽车行驶轨迹曲率，κr为参考路径曲率，κS为汽车行驶道路曲率，V为速度矢量。

Kondo的这种线性预测模型被多国汽车设计工程师采用，其中日本较为普遍，其次在德国。

根据控制理论，预瞄驾驶人模型可以建立三种不同的数学模型。首先，△yL可认为是△yo在预瞄时间TP下的预测值。公式为：

式中TP为预瞄时间，vo为汽车行驶速度，L为预瞄距离，δH为车轮转向角，△yo为横向位置重心误差，K为常数

其次，对于小视角值Φ，驾驶人预瞄模型可表述为：

式中△ψ为横摆角误差

再次，由于这种转换，预瞄驾驶人模型可简化为对汽车重心进行控制的模型。对于较小转向角，可以写为：

则驾驶人预瞄模型（1）可线性化为

2.1.2 线性状态变量控制模型

Kondo的第二种模型称为线性状态变量控制模型（如图3）。这种模型假设汽车转向角δH与横摆角误差△ψ、行驶方向角误差△v和横向位置重心误差△yo为线性结合，并且这种模型经过修改同样适用于其它种类的模型[5-6]。

这个模型的形式如图4。

2.2 STI模型

STI模型是源于跟踪模型和飞行员模型，由美国系统技术公司和McRuer，Weir，Klein等共同开发。将STI模型的原理视图转化为控制理论简图（如图5）后，显示了与Kondo所开发模型过程的相似性。

STI模型与Kondo模型的显著区别是时间延迟量τ的存在，这个变量代表驾驶员反应时间。在五十年代早期发布的飞机驾驶人模型中存在，时间延迟量τ主要针对干扰量的补偿控制，而汽车驾驶操作则主要是控制汽车受沿行可预见曲线的影响，因而，在正常驾驶状态下，驾驶人沿目标道路行驶时基本没有反应时间。STI模型源于具有驾驶人行为补偿功能的经典模型，弥补了Kondo所建模型的缺陷，更加接近驾驶人操作习惯。

2.3 预期开环控制模型

预期开环控制概念是众多基于控制理论的驾驶人模型所采用的基本理念。根据这种方法，驾驶人不仅需要对汽车状态的变化作出反应，还需要对道路的变化作出反应。这种模型首先由Fiala和Ohno提出，假设汽车的部分转向角由一段标定距离内的车道曲率κ决定（如图6），因为车道曲率独立于车辆运动，所以这是一个开环控制系统，因此Fiala又称这种模型为“前大灯方向指导”模型[7]。图5所示为具有预期开环结构的模型，是Donges提出的“双层结构模型”，这是一个闭环形式的状态变量控制器（如图3）与开环结构的组合，假设为一个有二自由度时间预期的线性系统[5]。其中，驾驶人的反应时间τH由时间延迟变量来表示，而另一个未知影响（如驾驶人噪声）则通过原来的飞行员模型获得。

多名学者模仿这种具有附加开环结构的补偿闭环控制模型进行建模，然而，具有代表性的模型是由Bösch和Plöchl、Lugner所开发的模型，这种新模型除补偿性控制结构和预期控制结构外，又被引入第三种控制结构称为“自我控制”结构（瞬时路径偏差的校正）[8]。

2.4 双模式模型

双模式模型的特点是在仿真过程中可改变其内部结构，即在开环和闭环模式之间相互转换[9]。这种模型已经应用于DRIVEM中，同时还运用于环境突变的自适应模型中，例如在模拟汽车行驶过程中，突发状况使模型内部发生改变达到自我调整的目的。

2.5 其他种类的模型

对上述四种驾驶人模型做出某些方面的改变，则可得到其他种类的模型，这些新模型通过停滞时间，输入或输出参数的种类，亦或所依据的非线性原理等进行区分，例如Baxter和Harrison通过假设滞后现象建立了非线性模型；Carson等人所建模型需要用到感知阈值；某些驾驶人模型则在时间离散的形式下，采用简单固有变量建立数学模型，并且根据优化原则分析模型参数。还有一些模型与预瞄

模型相似，这类模型以视角φ作为输入参数。大多数驾驶人模型以转向角δH作为驾驶人输出，然而，也有些驾驶人模型以转动转向盘的频率或转矩作为驾驶人的输出。而系统的输入则通常是预期的侧向偏差或路径曲率，当然还有其他的状态变量，例如车轮侧倾角，而Reichelt所建模型可有21种不同的信息参数作为系统输入，从汽车姿态角速率到路径参考曲率不等[10]。

3、驾驶人模型的应用

这些驾驶人模型绝大多数是具有驾驶人横向力控制机制的模型，其结构类似于在机械系统上增设一个相应的控制器，这种建模方法的优点是可以使用一个数学仪器描述整个系统。

目前，在车辆动力学实时仿真中使用的商业化驾驶人模型有ve-DYNA的驾驶人控制器、ADAMS软件中DRIVER模块，ve-DYNA中的驾驶人模型的应用方法是引导汽车沿标定轨迹、以限制车速前行，在赛车的路线优化等方面得到应用。

这些商用驾驶人模型同样应用于虚拟驾驶测试领域，例如，双移线实验，以及ESP等电子控制单元系统的在环实验。多数汽车电子控制器的设计目的是帮助驾驶人掌握困难的驾驶操作，以及减少驾驶操作失误，因此，应当测试在紧急情况下，电子控制器的设计功能是否满足要求，例如，以限制车速通过曲线道路，从而实现测试目的。但为合理测试控制器在车内环境的运行状况，则希望虚拟驾驶人（驾驶人模型）与普通驾驶员的正常驾驶行为类似。

因此，汽车设计师需要开发出一些符合人类特点的技术控制器驾驶人模型。与单纯的技术控制器不同，驾驶员不会按照标定的轨迹驾驶汽车，而是在给定的约束条件下选择合适的目标道路（例如，道路宽度或车道宽度）行驶，这种要求反映在驾驶人模型特性中，则表现为两个方面，即模型的引导性和稳定性（如图7）。

在引导性层面，要求汽车以时间为依据的目标位置、目标速度、目标方向和目标路径曲率都是可以确定的。这些变量同时作为稳定性层面的评价标准，是通过非线性系统解耦原理，以及提供辅助控制（通过感应汽车状态信息的模型获得，例如侧倾角）的位置控制器，才得以实现的。稳定层的位置控制器使汽车尽可能在标定轨迹上以目标位置行驶（如图8）。汽车与目标点之间的距离是不固定的，可以想象成汽车和指引汽车移动的目标点之间为弹性连接，车辆偏离目标点越多，就越难捕捉到目标点，而理想情况为，驾驶人在任何状态下都使车辆与目标点保持一致。个体驾驶行为差异以及典型的驾驶操作错误，例如，不同驾驶人对预瞄距离、转向响应延迟时间可通过设定不同驾驶人模型的参数特征来实现[11]。

4、总结与展望

虽然汽车设计师花费大量时间对模型进行迭代改进，但是相对于其他领域的模型来说，驾驶人模型改进收效甚微，原因是个体之间或者个体内部存在着很大的差异，而且个体动态行为也存在着偏差。在某些应用中，例如对于相对成熟的驾驶人手部和手臂神经肌肉模型来说，可以增加一个额外的第三级模型，而这种整体驾驶人模型在研究转向特性时，却是很有用的。

因此，驾驶人模型研究的焦点已从控制理论转到其他建模方法上，即更适合描述非动态行为方面的建模方法，例如，寻找能够实现驾驶人决策或规划等非动态行为方面的建模方法。然而，最后一个

例子说明，即使只将中心点结合到算法环境中，应用控制理论描述动态转向特性仍然是最合适的方法。总之，虽然汽车设计师已经进行了大量基于控制理论的驾驶人模型研究，但是在集成到一个“混合建模”的问题上，仍然面临着难题。

[1] Allen R.W. Defining the design driver from a vehicle control point-of-view[C]. 62nd Annual TRB Meeting, Washington USA: STI-Report, 1983, No. 83327: S.1-11.

[2] Hoffmann E.R. Human control of road vehicles[J]. Vehicle System Dynamics, 1975, 5: 105-126.

[3] Reid L.D. A survey of recent driver steering behaviour models suited to accident studies[J]. AccidentAnalysis and Prevention, 1983, 15(1): 23-40.

[4] Guo K, Guan H. Modelling of driver/vehicle directional control system[J]. Vehicle System Dynamics,1993, 22: 141-184.

[5] Donges E. A two-level model of driver steering behaviour [J]. Human Factors, 1978, 20(6): 691-707.

[6] Reid L.D, Solowka E.N and Billing A.M. A systematic study of driver steering behaviour[J]. Ergonomics, 1981, 24(6): 447-462.

[7] Ohno T. Steering control on a curved course[J]. Journal of the Society of Automotive Engineers of Japan (JSAE), Jidosha-gijutsu, 1966, 20(5): 413-419.

[8] Reid L.D, Graf W.O and Billing A.M. The validation of a linear driver model[R]. University of Toronto, UTIAS Report, 1980, 245.

[9] McRuer D.T, Allen W.R, Weir D.H and Klein R.H. New results in driver steering control models[J]. Human Factors, 1977, 19(4): 381-397.

[10] Manfred Plöchl, Johannes Edelmann. Driver models in automobile dynamics application[J]. Vehicle System Dynamics, 2007, 45(7-8): 699-741.

[11] Irmscher M, Ehmann M. Driver Classification using ve-DYNA Advanced Driver[S], SAE paper 2004, 1:0451.

Review and Outlook of the Driver Model for Vehicles Design

Li Xiaoxu, Chen Yanqin
(Chang an University, school of automobile, Shaanxi Xian 710064)

This thesis is a systematic review of the development and evolution of the early driver model, according to the driver model design theory and research methods, driver models are divided into different types such as directional control driver model、STI model、expected open-loop control model、dual-mode model and other driver models, the directional control driver model are divided two types: preview driver model and linear state variable control model. This thesis summarizes the research process of driver models above, analysis and discusses the characteristics of early model structure, summed up the shortcomings in the different kind of driver models, proposes a new direction of development of the driver model.

driver model; directional control; feedback control; driving behavior

U461.6

A

1671-7988(2014)03-58-05

李晓旭，就读于长安大学汽车学院。