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面向交通流仿真的交通车运动行为建模研究

张亮  
【摘要】:随着汽车产业的迅猛发展,交通问题日渐凸显,交通问题的研究逐渐受到关注,而利用计算机仿真的交通流仿真技术由于其研究成本低、可重复性强等优点成为了交通问题研究的一项重要、有效的手段;与此同时,随着各种车载电子技术逐渐兴起,车载电子技术的开发以及驾驶员行为的研究过程中也需要比较真实的交通流仿真环境,而交通流仿真中的关键是仿真环境中车辆行为的建模。当前,在面向交通流仿真的研究中,对于交通参与车辆的研究多集中在车辆行为模型的建立,主要研究方向为车辆跟驰模型和换道模型。但无论是对车辆跟驰模型还是换道模型的研究,其实质都是对驾驶员在交通流仿真中的决策行为进行研究,鲜有对交通车辆本身的动力学以及运动学特性进行的建模研究,从而导致仿真环境中的车辆运动行为不够真实。综上所述,出于对交通流仿真研究、驾驶员行为研究以及汽车电子产品研发过程中仿真验证的需要,并考虑了当前交通流仿真系统的不足,本文对交通流仿真中交通车辆的运动行为进行了建模研究。本文建立了由车辆动力学模型和驾驶员模型组成的交通车模型,其具备自动驾驶的能力。交通车运动行为决定于车辆本身的动力学特性以及驾驶员对车辆的操纵,本文从动力学模型和驾驶员模型两个方面着手,建立了七自由度交通车动力学模型和具有方向、速度综合控制功能的驾驶员模型,并对一些关键问题进行了研究、探索。本文的主要研究内容及要点如下: 1.基于仿真环境中对交通车模型的实时性要求,同时又需要兼顾模型的仿真真实性,本文建立的交通车动力学模型具有七个动力学自由度,这样在基本保证计算精度的前提下大幅提高了运算速度,模型动力学特性与Carsim模型接近,能够反映车辆的主要运动学特征,且运算速度快,实时性好。 2.基于预瞄跟随理论以及PID控制方法,推导建立了具有方向控制和速度控制功能的驾驶员模型。车辆方向控制方面,整个控制过程以经典的二自由度车辆模型为参考,方向控制采用的是稳态预瞄、动态校正的方式;车辆纵向速度控制方面,提出了一种全新的分相PID控制方法,即根据车辆的当前行驶状态以及行驶要求(加速或减速)确定不同的控制相,每个控制相内采用不同的PID控制参数。经仿真验证,该驾驶员模型对于方向控制和速度控制都具有良好的控制效果。 3.交通车运动特性和驾驶员操纵的不同体现到数字化仿真模型中就是交通车动力学模型和驾驶员模型参数的差异,本文选取了交通车模型中一些关键参数进行了差异化处理,满足交通车各个个体之间运动行为差异化的要求。 通过本文的研究,实现了在交通流仿真中引入交通车辆的动力学特性,使其运动行为与真实车辆更加贴近,增强了交通仿真环境的真实感。本文的研究将是现有交通流仿真系统改进的第一步,对于改善现有交通流仿真系统中交通车的模拟仿真程度、增强仿真环境的真实感会有较大帮助。另外,本文建立的交通车模型应用范围广泛,一方面可以用于普通计算机环境下各种动力学仿真、交通仿真软件之中,另一方面可以用于在汽车开发和驾驶员培训等领域应用逐渐广泛的汽车驾驶模拟器当中。


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