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赛车手在赛道上如何控制赛车的行进轨迹和速度？ | 《中国科学》

已有 4928 次阅读 2014-7-10 17:48 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流| 数学建模, 驾驶行为

由于人的高度复杂性，在人-车-路（环境）系统中，对汽车驾驶员的驾驶行为进行数学建模和定量分析一直是非常困难的，最近的一项研究发现了赛车驾驶过程及其驾驶行为的本质和行为动因，揭示并数学描述了赛车性能、行驶环境、行进轨迹以及速度之间的互动关系，为驾驶员行为的继续探索提供了新思路。

重庆交通大学的徐进副教授和他的同事在近十年来把很大一部分精力都投入到汽车驾驶员的驾驶行为机制研究上面，尤其是驾驶员在复杂道路上的汽车驾驶行为，他们最近的一项研究阐述了赛车手是如何控制赛车的进行轨迹和行进速度的，该成果以“适于复杂赛道的驾驶员‘期望轨迹-期望速度’协同决策模型”为篇名发表在《中国科学：技术科学》2014年第6期。

在人-车-路（环境）系统中，经过一百多年的持续努力，对道路结构和车辆技术的研究相对成熟，但我们对驾驶人行为特性以及决策机制的了解却非常有限。一直以来，科学界都是在外围对驾驶行为进行分析和预测（把驾驶环境因素作为输入，把驾驶员的操作动作或是指令作为输出，而驾驶行为决策过程看做黑箱），最早是采用统计方法，后来引入模糊、神经网络等现代手段，虽然一些模型可能会得到让人满意的结果，但这些研究不能对驾驶员的行为机理做出解释，因此汽车驾驶员驾驶行为决策的内部运行机理一直未明确。由于没有取得明显的研究进展，而驾驶员（驾驶人）又是人-车-路运行系统的核心要素，因此，我们一直无法从驾驶人这个关键环节获得提高道路安全性设计、交通运行控制方面的突破性进步。

由于汽车行驶轨迹和速度可以在空间和时间上确定汽车的位置变化、运动学特征和行驶安全性，最能反映出驾驶员驾驶行为的目的和本质。从轨迹和速度这两个参数还可以衍生出更多的描述汽车行驶状态的派生指标，因此，徐进博士从这两个参数入手来反演和描述赛车驾驶员（赛车手）的驾驶行为决策过程，并取得了非常满意的效果。

众所周知，驾驶员驾驶汽车时是根据所接受的信息（包括道路环境信息和车辆运行状态信息）来做出下一时刻如何操作的判断，但这一判断过程属于人的思维活动，所以研究的关键和核心在于如何对这种我们在表面上看似非常熟悉，但对其内在过程却非常陌生的思维活动进行分解和数学描述。

徐进博士将汽车驾驶员的驾驶决策行为过程抽象成图1所示的一系列环节，首先，根据真实世界的驾驶员注视特点，提出了“视窗”假设，即假设驾驶人的视线是落在车辆前方的一段路面上（即视窗），视窗中的路面区域随着车辆的行驶快速向前移动。在视窗假设基础上，设计了“前视断面选点”的期望轨迹计算策略：按一定的间隔对视窗范围内的连续路面进行分割得到前视断面，赛车手要做的是在每个断面上选择一个点作为汽车驶过该断面时的横向期望位置。因此，轨迹决策行为便可以用候选轨迹点在前视断面上的滑动行为来进行描述。根据赛车行驶特点，赛车手的轨迹决策目标可以表述成轨迹半径值最大，如图2-图3；同样，赛车手的速度决策目标可以表述成行驶时间最省，而这两个目标都可以用相邻候选轨迹点的滑动位置来描述，因此，对赛车手的期望轨迹-期望速度决策行为进行数学描述和计算成为现实。图4是应用此种方法得到的圣马力诺-伊莫拉赛道的轨迹-速度决策结果。