（载运工具运用工程专业论文）侧风对高速行驶轿车安全性能影响的虚拟试验研究.pdf

t h ev i r t u a lt e s ts t u d y l n ll l ln lll lll lll llll y 17 5 319 4 o nt h eh i g h s p e e dc a rs a f e t y u n d e rc r o s s w i n d at h e s i ss u b m i r e dt o s o u t h e a s t u n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y r e nx i u h u a n s u p e r v i s e dbysupervlsea 1 9 p r o f h ej i e s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n so u t h e a s tu n i v e r s i t y n a n j i n g j a n u a r y2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 期：狸丝： ! z 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：弓虹师签名石 摘要 摘要 高速行驶汽车遭遇侧向风作用时，侧向气动力将引起轮胎侧偏，致使汽车偏离行驶 方向，以致发生危险。通过对交通事故的分析发现，侧风环境中行车安全与车辆、驾驶 行为、道路线形有关，探索潜在的不安全因素是预防事故的有效手段。论文采用机械动 力学软件a d a m s c a r 建立相关模型并进行虚拟仿真试验，结合定量与定性分析方法评 价侧风中高速轿车行车安全性。 第一，论文建立了j e t t ag t x 轿车模型。通过分析侧风敏感性试验过程，建立了 风压中心位置漂移模型和稳态、随机侧向风作用力模型，随后进行了j e t t a 轿车的侧 风敏感性虚拟试验。结果显示该轿车满足侧风敏感性要求；车速和风速的增大都使得轿 车的输出响应增大；不同载员使得整车质心沿纵向、垂向发生移动，最有利于汽车侧风 敏感性的载员为只有前排两位乘员，最不利于汽车侧风敏感性的载员为车内载有驾驶员 和后排两位乘员。 第二，采用a d a m s c a r 驾驶员模型进行了汽车侧风稳定性虚拟试验，在该驾驶员 的控制下，j e t t a 轿车可以安全通过侧风区；行驶车速越高，汽车具有越大的侧向加速 度，前、后轮所受的侧向力、垂直力波动越大；视距越大，路线跟踪精度越低，轨迹误 差越大。通过综合评价指标量化显示，在此交通环境中，轿车以1 1 0 k m h 行车、选择视 距为2 2 2 m 时，汽车操纵性较好，安全性较高。 第三，提出了基于人车路虚拟试验的道路线形设计安全性评价方法；选取并构造 了轨道跟踪误差、转向任务间隔、方向盘峰值转速、侧向加速度、垂直荷载和路段通行 极限车速为道路线形安全性评价指标；采用e i c a d 和多体动力学软件a d a m s c a r 实 现了道路设计方案的三维建模；以安徽至浙江某高速公路线形设计方案为例进行了安全 性评价试验，多数评价指标显示该设计路线安全性较好，但路段通行极限车速显示该路 段前段( 里程o 2 4 7 k i n ) 行车速度分布较分散，容易诱发超速行驶，为潜在的事故多发 路段。 第四，对弯道进行了侧风环境下的行车安全研究。试验结果显示，汽车在圆曲线和 缓和曲线的交点处容易产生最大的侧向轨迹误差，为弯道上的事故多发点；当弯道半径 逐渐减小时，汽车以一定速度通过小半径弯道比通过大半径弯道的安全性差；弯道超高 对于风环境中的行车安全没有直接影响；超高设计越小，驾驶员的操纵负荷越大；路面 摩擦系数对于行车安全有明显影响，结冰路面加剧了侧向风对行车安全的不利影响。 关键词：虚拟试验；行车安全；汽车侧风敏感性；汽车侧风稳定性；驾驶行为；道路线 形安全性；事故多发路段 a b s t r a c t a bs t r a c t 、h e nh i g h s p e e dc a ri sr u n n i n gu n d e rc r o s s w i n d t h el a t e r a la e r o d y n a m i cf o r c ew i l l c a u s et h et i r e sc o r n e r i n g ，r e s u l t i n gi nc a rd e v i a t i n gf r o mt h ed i r e c t i o no ft r a v e l r h r o u g ht h e a n a l y s i st r a f f i ca c c i d e n t s ，t r a f f i cs a f e t yu n d e rc r o s s w i n di s r e l a t e dw i t hv e h i c l e ，d r i v i n g b e h a v i o ra n dr o a da l i g n m e n t t oe x p l o r et h ep o t e n t i a li n s e c u r i t yi sa ne f f e c t i v em e a n so f a c c i d e n tp r e v e n t i o n b yu s i n go fm e c h a n i c a ld y n a m i c ss o f t w a r ea d a m s c a r t h er e l a t e d m o d e l sw e r ee s t a b l i s h e da n dt h ev i r t u a lt e s t sw e r ec o n d u c t e d ，t h e n ，t h eh i g h s p e e dc a rs a f e t y u n d e rc r o s s w i n dw a se v a l u a t e dt h r o u g hq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i s f i r s t l y ，j e t t ag t x s e d a nm o d e lw a se s t a b l i s h e di nt h ep a p e r b ya n a l y z i n gt h ep r o c e s s o fa u t o m o b i l ec r o s s w i n ds e n s i t i v i t yt e s t ，t h et i m e h i s t o r yc u r v e sb yc u b i ci n t e r p o l a t i o nw e r e g o t t e n w h i c hd e s c r i b e dt h e1 0 c a t i o no fp r e s s u r ec e n t e ra n dt h ef o r c eo fs t a b l ea n dr a n d o m l a t e r a lw i n di nac e r t a i ns p e e d t h e n t h ej e t t a sc r o s s w i n ds e n s i t i v i t yt e s tw a sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a rm e e tt h ed e m a n d t h eo u t p u tr e s p o n s e si n c r e a s ea st h es p e e da n d w i n ds p e e di n c r e a s e d i f f e r e n tc r e wm e m b e r sm a k et h ev e h i c l ec e n t r o i dm o v i n ga l o n gt h e l o n g i t u d i n a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o n s t h em o s tb e n e f i c i a lt oc a rc r o s s w i n ds e n s i t i v i t yo c c u ra s t h ec a rc a r r y i n gt h ef r o n tt w oc r e wm e m b e r s t h em o s td e t r i m e n t a lt oc a rc r o s s w i n ds e n s i t i v i t y o c c u ra st h ec a rc a r r y i n gt w op i l o t sa n dr e a rc r e w s e c o n d l y t h ev i r t u a lt e s to ft h e c a rc r o s s w i n ds t a b i l i t yw a sf u l f i l l e du s i n go f a d a m s c a rd r i v e r w i t ht h ed r i v e r sc o n t r 0 1 j e t t ac a nb es a f et h r o u g hp a s s a g eo f c r o s s w i n d sz o n e ：a st h eh i g h e rs p e e d ，t h ec a rh a sg r e a t e r1 a t e r a la c c e l e r a t i o n ，t h ef r o n ta n d r e a rt i r e ss u f f e r e dg r e a t e r1 a t e r a lf o r c e sa sw e l la st h eg r e a t e rf l u c t u a t i o n so ft h ev e r t i c a lf o r c e ； t h eg r e a t e rl i n eo fs i g h t ，t h el o w e rt r a c k i n ga c c u r a c y ac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d e x s h o w st h a tb o t ht h eh a n d i n ga n ds a f e t ya r eg o o dw h e nt h ec a rc h o o s es p e e do f1 1o k m h t h e l i n eo fs i g h to f2 2 2 mi ns u c hat r a n s p o r te n v i r o n m e n t t h i r d l y an e ww a yo fs a f e t ye v a l u a t i o no fr o a da l i g n m e n tb a s e do nh u m a n v e h i c l e r o a dv i r t u a lt e s tw a sp r o p o s e d e v a l u a t i o ni n d e xw e r ec o m p o s e dc o n s i s t i n go fr o u t et r a c k i n g e r r o r , s t e e r i n gt a s ki n t e r v a l ，s t e e r i n gw h e e ls p e e dp e a k , l a t e r a la c c e l e r a t i o n ，v e r t i c a ll o a da n d s p e e dl i m i t t h e n , b yu s i n ge i c a da n dm u l t i b o d yd y n a m i c ss o f t w a r ea d a m s c a r , t h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fr o a dd e s i g nw a sv i s u a l i z e d p l u sw i t hv i r t u a lv e h i c l em o d e l sa n d d r i v e rm o d e l st h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tw a sf i n a l l ys e tu pt oe v a l u a t et h es a f e t yo fr o a d d e s i g nw h i c hi sf r o m a n h u it oz h e j i a n g m o s te v a l u a t i o ni n d e x e ss h o wt h a t t h er o a d a l i g n m e n td e s i g ni so v e r a l ls a f e t y ，w h i l ei np r e c e d i n gs e c t i o no ft h er o a d ( m i l e a g e0 - 2 4 7 k i n ) c a rs p e e dv a r i e si nar e l a t i v e l yb i gr a n g e ，w h i c hh a si n c r e a s e dt h ep o s s i b i l i t yo fs p e e d i n g ， t h u st h i ss e c t i o no fr o a dc a nb eap o t e n t i a la c c i d e n tb l a c k - s p o t f o u r t h l y ，t u r no nt h et r a f f i cs a f e t yu n d e rc r o s s w i n dw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e1 a r g e s tl a t e r a lt r a j e c t o r ye r r o rp r o d u c er o u n dt h ei n t e r s e c t i o no fc u r v e sa n dr e l a x a t i o n c u r v e s ，t h e s es e c t i o n sa r ed e f i n e da sb l a c k - s p o t 、1 e nt h eb e n dr a d i u so fc u r v ed e c r e a s e s ，t h e t r a f f i cs e c u r i t yi sp o o r ：t h eh i g ho fc u r v ed o n td i r e c t l ya f f e c tt h et r a f f i cs e c u r i t y ，b u tt h el o a d o ft h ed r i v e r sc o n t r o lb e c o m e sg r e a t e rw i t hs m a l l e rh i g hd e s i g n ；r o a ds u r f a c ef r i c t i o n c o e f f i c i e n th a st h es i g n i f i c a n te f f e c to nr o a ds a f e t y r o a di c i n ge x a c e r b a t e st h ea d v e r s ei m p a c t o nt r a f f i cs a f e t yu n d e rc r o s s w i n d k e yw o r d s ：v i r t u a lt e s t ：t r a f f i cs a f e t y ：a u t o m o b i l ec r o s s w i n ds e n s i t i v i t y ；a u t o m o b i l e c r o s s w i n ds t a b i l i t y ；d r i v i n gb e h a v i o r ；r o a da l i g n m e n ts e c u r i t y ；a c c i d e n tb l a c k - s p o t i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 课题来源1 1 2 研究背景及意义l 1 3 研究概况。2 1 3 1 汽车系统侧风稳定性研究2 1 3 2 驾驶员模型与人车闭环操纵系统研究。4 1 3 3 事故多发路段及驾驶员车辆道路闭环试验研究5 1 4 研究内容和技术路线。5 1 4 1 研究内容5 1 4 2 技术路线6 第二章侧风环境下行车安全理论基础8 2 1 汽车侧风稳定性理论及模型描述8 2 1 1 气动力产生的原冈及数学描述8 2 1 2 侧向风类型及模型1 0 2 2 影响汽车侧风稳定性的驾驶行为分析1 2 2 2 1 驾驶员操纵行为模式1 3 2 2 2 影响驾驶操纵行为的因素1 4 2 3 侧风环境下道路行车力学模型1 5 2 4 卅、l 砉1 ( ； 第三章汽车侧风敏感性虚拟试验一1 7 3 1 试验设计及目的1 7 3 1 1 汽车侧向风敏感性试验17 3 2 评价指标1 7 3 3 车辆模型1 8 3 3 1a d a m s c a r 软件介绍18 3 3 2a d a m s c a r 建模步骤18 3 3 3 前悬架模型1 9 3 3 5 转向机构模型2 0 3 3 6 轮胎模型2 1 3 3 7 动力系统模型2 3 3 3 8 制动系统模型2 4 3 3 9 车身模型及整车装配2 5 3 3 1 0 乘员模型2 6 3 3 1 1 汽车稳态响应2 6 3 4 侧风模型2 7 3 4 1 风压中心位置变化2 7 3 4 2 风压中心建模。2 7 3 4 3 稳态侧风的模拟2 9 3 4 4 非稳态侧风的模拟3 0 3 5 仿真试验3 0 i i i 目录 3 5 1 汽车侧向风敏感性试验3 0 3 5 2 风压中心模型对汽车侧风敏感性的影响研究3 2 3 5 3 风速对汽车侧风敏感性的影响研究3 3 3 5 4 载员对汽车侧风敏感性的影响研究。3 4 3 5 5 随机侧风作用下汽车侧风敏感性试验3 5 3 6 卅、结3 1 ； 第四章汽车侧风稳定性虚拟试验3 7 4 1 试验目的及模型3 7 4 1 1 试验目的3 7 4 1 2 驾驶员模型3 7 4 1 3 侧风模型一3 8 4 2 评价指标3 8 4 2 1 单项评价指标3 8 4 2 2 综合评价指标3 9 4 3 仿真试验及结果分析3 9 4 - 3 1 汽车侧风稳定性试验3 9 4 3 2 行驶车速对汽车侧风稳定性的影响4 0 4 3 3 视距对汽车侧风稳定性的影响4 2 4 4d 、结4 3 第五章基于虚拟试验的道路线形安全评价4 5 5 1 道路线形设计与交通事故的关系4 5 5 2 道路线形安全设计的研究4 5 5 2 1 道路安全检核体系的构建4 5 5 2 2 基于微观交通预测的数学模型的建立4 6 5 2 3 基于经典力学的分析和评价方法4 6 5 2 4 基于实践指导的计算机辅助决策体系4 7 5 3 基于人车路的道路线形安全性试验设计4 7 5 3 1 试验路段4 8 5 3 2 建模方法4 8 5 4 评价指标4 9 5 5 试验设置及结果分析5 0 5 5 1 仿真试验设置一5 0 5 5 2 试验结果分析5 0 5 6 硝、结! ；：! 第六章弯道上汽车侧风稳定性虚拟试验5 3 6 1 试验目的5 3 6 1 1 路段不同位置处侧风影响试验设计5 3 6 2 道路模型5 3 6 3 侧风模型。5 4 6 4 评价指标5 4 6 5 仿真试验5 4 6 5 。1 路段不同位置处侧风影响研究5 4 6 5 2 弯道半径对风环境下汽车安全行驶的影响5 6 6 5 3 弯道超高对风环境下行车安全的影响5 8 6 5 4 路面摩擦系数对风环境下行车安全的影响5 9 6 6 j 、结6 0 i v 目录 第七章结论与展望6 l 7 1 本文的主要结论及创新点6 l 7 2 存在的问题及展望6 2 参考文献6 3 致 谢6 6 攻读硕士学位期间所发表的论文6 7 v 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 论文基于国家自然科学基金项目车一路耦合作用下道路破坏的多领域协同建模与 仿真方法研究( 项目批准号：5 0 7 0 8 0 2 0 ) 及“东南大学优秀青年教师资助计划”项目 开展研究，采用机械动力学软件a d a m s 建立相应的车辆模型、侧向风模型及道路模型 并进行虚拟试验，在此基础上，研究车辆设计参数、驾驶员驾驶行为和道路线形设计指 标对侧风环境下轿车行驶安全的影响。 1 2 研究背景及意义 汽车和交通运输发展的1 0 0 多年来，人类生活发生了巨大变化，汽车工业的发展极 大地解放了生产力。但是随着社会的不断进步，经济的不断发展，道路交通安全形势日 益严峻，道路交通事故已经成为一个很严重的社会问题。它不仅给人类带来了严重的人 员伤亡，还带来了巨大的经济损失。据统计，2 0 0 6 年、2 0 0 7 年、2 0 0 8 年我国道路交通 事故死亡人数分别为8 9 4 5 5 人、8 1 6 4 9 人、7 3 4 8 4 人，交通事故死亡人数连续位居世界 第一，每年因交通事故造成的财产损失达l o 亿多元【1 】。有关资料表明【2 卅，行驶车辆发 生的安全事故中，有相当部分是由于侧风对汽车瞬态转向特性影响，驾驶员或难以及时 或没有足够的经验而产生不正确的反应致使汽车行驶稳定性失控所造成的。 侧风干扰是行车过程中经常遭遇的情况。侧风可以分为自然侧风和环境侧风，自然 侧风是指风向恰好垂直于汽车行驶方向的自然界阵风；环境侧风是由于汽车行驶的周围 环境导敛的，如：穿越隧道、行径山脉隘口或峡谷、过桥墩、会车以及汽车驶过公路两 旁有高层建筑群的区域。因此，无论在城市道路还是高速公路上行驶的汽车，侧风干扰 都可能成为交通事故的致因，对风环境中行车安全的研究是交通安全研究中的一个重要 方面。而我国交通运输正处于一个前所未有的发展阶段：各省市都在大力兴建高等级公 路和高速公路；车辆的实际行驶速度得以大大提高；人流、物流、道路驾驶员数量都在 迅速增长；私家车所占比例越来越大，截止到2 0 0 6 年底，中国私人汽车保有量约为2 6 5 0 万辆，占全国汽车保有量的6 0 左右【5 】，轿车成为影响道路交通安全的主角之一，研究 侧风环境下高速行驶轿车安全行车更具实际意义。 由于侧风环境中的行车安全直接关系到乘员和车辆的安全，世界各国的政府部门， 研究人员对此问题都很重视。他们探索着从不同角度、使用不同方法对此展开研究，也 取得些可喜的成果，如：为了评价车辆对侧风中行车安全的影响大小，规定了汽车侧风 敏感性试验；为了改善汽车抗侧风干扰的能力，研发了e s p 汽车防侧滑稳定系统等等。 虽然改善车辆性能可以提高行车安全性，但行车安全实际上是人、车辆、道路、环境、 交通管理等要素和谐统一的结果。对绝大多数道路交通事故而言，一起交通事故的形成 与发生，并非仅仅是由人、车辆、道路、环境、交通管理五要素构成的交通系统中的某 个单一要素失控所致，而往往是其中两个或两个以上要素共同作用的结果。美国针对 7 5 0 0 0 件意外交通事故所做的一项调查发现，8 8 的交通事故是由不安全动作所致，1 2 则由不安全环境所致【6 j 。驾驶员在交通安全中承担着重要责任，当行车中遇到突如其来 的侧风干扰时，驾驶员能否做出正确的驾驶行为直接影响着汽车行驶的安全性。 除了车辆性能和驾驶员驾驶行为外，道路对安全交通的影响不容忽视，在某些情况 下，它们可能成为导致交通事故的主要原因。不良的道路条件很容易诱发道路交通事故。 东南大学硕士学位论文 尤其是在道路线形不好的路段常常为道路事故多发路段，如长直线、弯道等。当事故多 发路段受到不良天气影响时，发生交通事故的危险性更大。例如：汽车行驶在转弯半径 较小的、路面光滑的、横风贯穿的弯道上，驾驶员在行车时因方向发飘而控制不住汽车， 在转弯时发生侧滑或在预定距离内不能减速停车。 总之，要揭示侧风环境中行车安全性，不仅要考虑到车辆性能、驾驶员驾驶行为、 道路条件三个方面对其的影响，而且要注意这三方面的相互作用对行车安全造成的影 响，这种相互作用可能扩大某一影响因素对行车安全的危害，成为交通事故的致因。对 于车辆性能和道路条件而言，应该在车辆设计和道路设计方案中对其进行这方面的性能 或安全性评价。虽然规定的汽车侧风敏感性试验可以在一定程度上检测新车型的抗侧风 干扰性能，但该试验是采用人工阵风模拟器产生阵风的方法，做实车道路试验，试验本 身具有相当大的危险性，而且投资大，历时长，试验结果还容易受主、客观因素的影响 和制约，通过试验结果进行设计优化到再试验过程周期长；对于道路设计方案就更少考 虑到侧风环境下的行车安全；由于驾驶员群体的多样性以及驾驶行为的复杂性，使得对 驾驶行为的研究困难重重，实车试验很难开展。 随着计算机技术的发展，各种相应的软件的开发研制，虚拟试验已经成为产品研发、 试验评价的主要手段。利用计算机建立侧风、车辆、驾驶员及道路模型并构建合理的仿 真环境，通过开展虚拟试验以进行侧风作用下的汽车稳定性的计算分析，一方面可以克 服实车试验的高危险性；另一方面可以快速检测虚拟试验设定交通环境下的行车安全 性，通过分析瞬时的动态响应结果可以检查设计指标的合理性和安全性。此外，通过对 汽车侧风敏感性虚拟试验可以在设计阶段就基本预测出所设计车辆是否已满足要求，为 新产品的研制、老产品的更新换代提供了快速预估汽车空气动力学性能的手段；对道路 设计方案进行安全性评价虚拟试验可以预测日后可能的事故多发路段，从而可以优化道 路设计指标，提高道路行车安全性。 1 3 研究概况 通过查阅研究文献发现，关于侧风环境下的行车安全，国内外还没有较系统的研究 成果，而先前取得的一些成果多数是为了研究汽车系统的侧风稳定性，通过分析侧风作 用下汽车的响应特性以检查汽车设计性能的好坏；由于行车安全是针对行驶汽车而言 的，侧风对行驶汽车安全性能的影响试验应该建立在驾驶员汽车闭环操纵系统之上， 构建驾驶员模型并进行人车闭环操纵试验探索是现今研究的热点，此方面的研究成果 是本文开展具体交通环境下行车安全研究的一个理论基础；行驶车辆离不开道路系统， 对侧风环境下行车安全的深入探索应建立在道路驾驶员车辆系统之上，目的为发现道 路事故多发路段。国内外提出的用于预测道路事故多发路段的研究方法可以作为本文研 究方法的参考，下面分别详述国内外对于上述三个内容的研究现状。 1 3 1 汽车系统侧风稳定性研究 最早提出汽车侧风稳定性问题，是针对具有较高车速的赛车。国外有关该方面的研 究可追溯到2 0 世纪3 0 年代，研究成果的取得大多是在2 0 世纪5 0 年代以后。通过查阅 国内外研究文献，归纳该领域主要有三种研究途径。 1 ) 实车及模型试验 1 9 3 0 年，德国的卡姆( k a m mw ) 教授领导的德国斯图加特车辆科学研究所，首次 进行了汽车稳定性和直线行驶能力的研究【7 1 。他在其研究中指出，对于大阻力的带棱角 的车型气动阻力系数随侧偏角的增加变化很小，而对于流线型汽车，随着侧偏角变化， 2 第一章绪论 阻力系数有很大变化，即“流线型越好的汽车，侧风稳定性越差”。 1 9 5 0 年，他在联邦德国的斯图加特进行了采用人工阵风模拟器产生侧风来研究汽车 侧风稳定性的第一步尝试。试验中使用单台航空喷气发动机，令其喷出的气体横吹过试 验场以模拟风速阶跃。试验车辆上安装测量相对于三个坐标轴的线加速度和角加速度的 实验仪器。由于此试验的阵风体积有限，使得记录仪器的反应时间相对于阵风模拟器所 产生阵风的持续时间显得过长，因此后来的研究常常采用的是多台喷气发动机，以侧风 影响下汽车的侧向偏移为评价汽车抗侧风干扰能力的指标，后来，此道路试验被美国 e s v 采用，规定为汽车侧风敏感性试验。 1 9 7 9 年，美国的a l e x a n d e ra a 和b r i a nsr 等人在维吉尼亚州立综合大学的驾驶模 拟器上，就不足转向量、控制灵敏度、风压中心位置对人车系统操纵性能的影响做了 较系统的研究1 8 j 。选取的试验人员以前从未有过驾驶模拟器的体验，更无随机阵风和阶 跃阵风中驾驶的专门经验。根据试验者的主观评价及试验记录的数据显示，相比不足转 向量和控制灵敏度两个因素，风压中心位置的改变对车辆操纵性能的影响起主导作用。 1 9 9 0 年，英国的b a k ecj 团队就车辆的侧风稳定性开展了系列研究【9 。1 。他们主要 采用风洞试验研究了模型车在有侧风影响的多种工况( 高速公路、斜拉桥) 中行驶的气 动特性，试验结果得到湍流下车辆所受的力和力矩的变化、表面压力的分布、汽车周围 的流态显示，并测量了各气动力系数和气动力矩系数。通过研究指出：侧向力的扰动很 大程度上是由于周围空气紊流扰动造成的，同时升力的扰动是由尾流分离导致的大范围 的气流不稳定造成的。 1 9 9 6 年，h o w e l ljp 在英国的米拉( m i r a ) 全尺寸风洞里对罗孚8 0 0 轿车做了风 洞试验【1 2 】，通过在车身不同部位布点的方式获取了车身表面各处的气动载荷分布情况， 根据试验结果推断出了气动侧向力和横摆力矩的分布。 2 ) 建立微分运动学模型进行仿真试验 1 9 9 4 年，郭孔辉院士分别采用二自由度和四自由度汽车模型，对a u d i l 0 0 轿车在转 向盘固定条件下的侧风响应进行了仿真分析，并研究了结构参数对侧风稳定性的影响 【1 3 】 o 2 0 0 6 年，谷正气、周宇奎等人采用s i m u l i n k 建立了考虑侧风作用的汽车三自由度 非线形动力学模型并进行了主动四轮转向系统对高速汽车侧风稳定性的控制研究n 4 1 。 3 ) 建立虚拟样机进行仿真试验 2 0 0 5 年，罗荣峰、王毅和等人采用动力学软件a d a m s 建立了高自由度的车辆模 型并对虚拟试验进行探索【1 5 7 1 。他们先后采用固定风压中心、拟合漂移风压中心并对其 施加侧向力和横摆力矩作用的形式进行侧风稳定性研究，得到了受侧风作用下的车辆气 动响应特性。 2 0 0 7 年，南京航天航空大学的冯永华在硕士论文中进行了高速汽车侧风稳定性研 究，文中提出将风压中心分解为作用在前后悬架的两个作用点并拟合了相应的侧向力曲 线，通过m a t l a b 对虚拟样机施加侧向力作用并进行了与a d a m s 的联合仿真 1 8 1 。 通过分析三种研究方法的特点发现，实车道路试验应用最早，是早期开展汽车侧风 响应特性研究的主要途径，只要试验条件具备且试验环境接近实际情况，实车试验能够 得到符合实际的结果，具有很好的说服性，但实车试验具有高危险性、高投资、耗时长 的特点，对于试验设备及试验条件也有苛刻要求，使其应用受到限制；而方便快捷、安 3 东南大学硕上学位论文 全性高、无成本、且能够建立高自由度车辆模型的虚拟仿真试验成为备受青睐的研究途 径，采用虚拟试验可以快捷的实现车辆建模、开展性能试验、优化模型这一过程，但精 确的汽车侧风敏感性试验仿真模型仍在发展之中。 1 3 2 驾驶员模型与人车闭环操纵系统研究 自从五十年代起，人们对驾驶员的行为特点进行了研究，建立了多种驾驶员模型。 有单纯的方向控制模型、速度控制模型、最后发展为方向和速度综合控制驾驶员模型。 方向控制驾驶员模型主要用于汽车操纵稳定性的研究，它的发展经历了补偿跟踪模型、 预瞄跟踪模型和智能控制模型三个阶段。 1 ) 补偿跟踪模型 1 9 8 0 年前后，i g u c h i 提出了基于p i d 控制策略的驾驶员模型1 9 】，m c r u e r 提出了 c r o s s o v e r 模型【2 0 】，模型中都不考虑驾驶员的前视作用，直接根据当前车辆状态，利用 控制理论和方法进行控制，跟随道路轨迹。驾驶员补偿跟踪模型的输入是当前时刻预期 轨迹的信息( 一般是预期侧向位置) 与汽车行驶的状态信息( 一般为汽车的侧向位置) 之间的偏差，模型假定驾驶员只是根据偏差进行补偿校正，输出方向盘转角。 2 ) 预瞄跟踪模型 有别于补偿跟踪模型，预瞄跟踪模型考虑了驾驶员驾驶车辆时的前视作用( 预瞄环 节) ，根据未来时刻汽车理想位置与预估位置的偏差进行控制。由于在通常的驾驶过程 中驾驶员总是提前一段距离观测要跟随的道路路径，预瞄跟踪模型更加符合实际驾驶员 的操纵特性。 1 9 6 6 年，美国学者s h e r i d a n 在发表的论文中认为【2 1 1 ，对汽车跟随道路的问题可以 建立一个局部最优预瞄模型，因为驾驶员在驾驶汽车的过程中只能看到有限区域内的预 期轨迹，所以可以针对这一段路径的信息施加控制以保证局部跟随最优。 19 8 0 年，ccm a c a d a m 提出了一个最优预瞄控制模型( o p t i m a lp r e v i e wc o n t r o l ，简 称o p c ) 2 2 , 2 3 j ，除了预瞄时间之外，此模型的参数可以直接由汽车动力学特性确定，而 且由于该模型是根据轨道跟随误差平方和最小而推导的，汽车轨道跟随精度相当高。 1 9 8 年，我国学者郭孔辉院士提出了预瞄跟随系统理论【2 4 】，并在此基础上，提出了 用于驾驶员汽车闭环系统操纵运动的预瞄最优曲率模型。该模型直接建立了模型参数 与汽车操纵特性和驾驶员特性参数之间的关系，经过了大量的人一车路闭环系统仿真与 实际驾驶员试验的对比验证，获得了与真实熟练驾驶员驾驶汽车非常接近的轨迹跟随效 果。 3 ) 智能控制模型 随着神经网络技术的发展，1 9 9 3 年，s t e f a nn e u s s e r 等人设计了由2 1 个神经元组成 的三层前馈神经网络模型，并将其安装在戴姆勒一奔驰公司的o s c a r 车上进行了测试。 1 9 9 6 年，ccm a c a d a m 等人提出了基于神经网络和预瞄传感器的汽车转向智能控制系 统。该研究通过来自传感器的信息( 反映车辆相对于道路边缘的位置和运动取向) 和不 同来源的网络训练样本，对驾驶员转向操纵行为进行模式辨识，最终用神经网络模仿