制动踏板感觉

制动踏板感觉（共4篇）

制动踏板感觉 篇1

0 引言

车辆在制动过程中耗散掉的能量十分可观, 在城市工况中1/3~1/2的直接驱动车辆的能量在制动过程中耗散掉了[1,2]。对于电动汽车而言, 制动能量回收技术可以利用电机将制动过程中的一部分动能转化为电能储存到动力电池中, 为延长电动汽车续驶里程做出显著的贡献。但随之而来的问题是, 如何使回馈制动力与摩擦制动力协调工作以满足驾驶员的制动需求, 这涉及到制动能量回收系统的设计以及基于该系统的回馈制动策略的制定。

在制动能量回收系统研究领域, 各大整车和零部件生产厂商的方案主要呈现出两种思路, 一类为在ABS/ESP基础上进行改造, 另一类为设计新型制动主缸。第一种思路如丰田公司的制动能量回收系统采用EHB方案[3], 由高压蓄能器作为能量源, 配备行程模拟器, 控制轮缸压力时不影响制动踏板感觉。韩国MANDO公司[4]在ESP系统基础上增加一套开关阀机构, 隔断主缸和轮缸间的联系, 保证制动感觉。Nissan公司[5]在ESP基础上将两个开关阀与蓄能器和主缸相连。用开关阀隔断主缸和轮缸, 消除轮缸压力波动对主缸压力的影响。位于蓄能器和主缸之间的开关阀根据制动踏板位移信号进行调节, 模拟主缸压力对踏板的影响。

第二种思路以Honda提出的新的系统结构为代表[6]。该系统在制动踏板相连的一级主缸后增加次级主缸。通过锥齿轮结构将电机转动转化成活塞移动来推动次级主缸内的弹簧和滑块, 进而控制压力并将其输出至各轮缸对应的开关阀处。通过一组开关阀阻断一级主缸和次级主缸, 使用蓄能器和开关阀的组合来模拟踏板制动感觉。

研究组利用ESP压力调节阀块构建出串联式回馈制动系统[7], 并提出最大回馈效率制动力分配策略和最佳制动踏板感觉制动力分配策略。这两种策略中, 前者制动能量回收效率高, 但在调节摩擦制动力时踏板感觉易受到影响;后者踏板感觉良好, 但制动初期浪费电机进行回馈制动的机会, 回收效率有所降低。本文在这两种策略的基础上, 提出兼顾回馈效率和制动踏板感觉的制动力分配策略, 试图找到折中方法协调回馈效率与踏板感觉间的矛盾, 在保证踏板感觉前提下尽可能多地回收能量。

1 制动能量回收协调控制策略

研究组研发的回馈制动系统的液压管路如图1所示。为了调节前轮摩擦制动力, 前轮轮缸需要经历增压、减压和保压三种状态。保压时, 进油阀和出油阀均关闭。减压时, 进油阀关闭, 出油阀在PWM信号控制下打开, 轮缸中的制动液流入低压蓄能器中。增压时有两种方式, 在这两种方式中出油阀均关闭, 进油阀均在PWM信号控制下打开, 不同的是一种增压方式将主阀关闭, 泵油电机工作, 将低压蓄能器中的制动液抽入轮缸中。这种增压方式适用于已经经历过减压状态的情况 (减压后低压蓄能器内才有制动液) 。当低压蓄能器中的制动液不足时, 需要使用第二种增压方式, 即令主阀打开, 泵油电机不工作, 主缸中的制动液会通过主阀和进油阀流入轮缸。这时由于轮缸压力小于主缸压力, 造成主缸压力瞬间降低, 导致制动踏板下沉, 影响踏板感觉。

图2为最大回馈效率制动力分配策略 (下称最大回馈效率策略) 、最佳制动踏板感觉制动力分配策略 (下称最佳踏板感觉策略) 及兼顾回馈效率和制动踏板感觉的制动力分配策略 (下称回馈效率和踏板感觉兼顾策略) 示意图, 三种策略均不改变原车前后制动力分配系数。按液压制动力与电机回馈制动力协调方式的不同可将制动过程分为三个阶段, 依次是电液协调准备阶段、电液协调控制阶段和回馈制动撤除阶段, 分别以OA、AB和BC段表示。

在电液协调准备阶段 (OA段) 中, 制动强度较小。最大回馈效率策略下, 前轮只利用电机进行制动, 后轮采用常规液压制动。最佳踏板感觉策略下, 在OA段前后轮均使用液压制动, 电机回馈力矩为零。回馈效率和踏板感觉兼顾策略下, 在OA段前轮轮缸建立压力时与主缸压力保持一定差值, 由电机回馈力矩补偿前轮液压制动力矩与前轮制动力矩需求之间的差值。

对于最大回馈效率策略而言, 随着驾驶员制动需求增加, 当电机回馈力矩在电机外特性限制下不能满足前轮所需全部制动力需求时, 进入电液协调控制阶段 (AB段) 。对于最佳踏板感觉策略以及回馈效率和踏板感觉兼顾策略来说, 当主缸压力较高且主缸压力变化较为平稳后, 进入AB段。

在AB段, 三种策略下前轮液压制动力矩与电机回馈制动力矩的协调方式相同, 即电机以能发出的最大回馈力矩跟踪前轮制动力矩需求, 由前轮液压制动力矩来补偿电机回馈力矩与前轮制动力矩需求之间的差值。

在三种策略下, 当车速下降至较低水平时, 进入回馈制动撤除阶段 (BC段) 。由于电机在低转速段力矩下降很快, 因此令前轮轮缸迅速增压至主缸压力水平, 由电机回馈力矩补充液压制动力矩与前轮制动力矩需求之间的差值, 直至制动过程结束。

2 实车道路试验

试验对象为一款前轴驱动的纯电动轿车, 其主要性能参数见表1。在附着良好的干沥青路面上, 以40km/h左右的制动初速度, 分别对三种策略进行了系统的中等制动强度试验。图3 (a) 、3 (b) 和3 (c) 分别为最大回馈效率策略、最佳踏板感觉策略以及回馈效率和踏板感觉兼顾策略的制动试验结果。下面以最佳踏板感觉策略为例说明制动过程中液压制动力与电机回馈制动力的协调控制过程。

最佳踏板感觉策略下, 0时刻车辆已获得来自松加速踏板产生的回馈制动力矩。0.35s驾驶员踩下制动踏板, 进入电液协调准备阶段, 前轮轮缸压力与主缸压力同步增长, 电机力矩由松加速踏板产生的-17Nm回馈力矩降低为零 (图3 (b) OA段) 。1.02 s时主缸压力较高且主缸压力变化较为平稳, 进入电液协调控制阶段, 电机开始沿着力矩限值最大限度地回收能量。由于在OA段前轮轮缸已经建立了3MPa压力, 因此在AB段前轮轮缸仅经历保压和减压状态, 且在减压状态将轮缸中的制动液排入低压蓄能器, 即便后期需要增压, 也可将低压蓄能器中的制动液抽入轮缸, 不会引起主缸压力波动。3.69 s车速下降至7 km/h以下, 进入回馈制动撤除阶段, 前轮轮缸压力上升, 电机回馈制动力矩相应减小, 直至前轮轮缸压力到达与主缸压力同水平, 车速减小至零, 制动过程结束 (图3 (b) BC段) 。

3 试验分析

3.1 各制动力分配策略下的制动踏板感觉

由前面的分析可知, 调节轮缸压力过程中有可能会造成主缸压力降低, 影响踏板感觉。在AB段轮缸压力变化频繁, 因此选取AB段作为比较各策略踏板感觉的特征工况段。图4所示为AB段最大回馈效率策略、最佳踏板感觉策略以及回馈效率和踏板感觉兼顾策略下主缸压力Pm和主缸压力变化率。可以直观地看出最大回馈效率策略下Pm波动非常明显。最佳踏板感觉策略下Pm几乎没有波动, 回馈效率和踏板感觉兼顾策略下Pm没有明显波动。表示主缸压力下降, 通过试验发现, 针对本制动能量回收系统, 当时才会引起制动踏板下沉。故定义函数

构造函数

为了度量制动踏板感觉的波动程度, 定义制动踏板感觉波动度, 用符号Flucped表示, Flucped越大表示踏板感觉越差, Flucped越小表示踏板感觉越好。

由表2可知, 最大回馈效率策略的Flucped最大, 最佳踏板感觉策略的Flucped最小, 回馈效率和踏板感觉兼顾策略的Flucped较小。表明最大回馈效率策略的踏板感觉较差, 最佳踏板感觉策略与回馈效率和踏板感觉兼顾策略的踏板感觉良好, 这与试验过程中驾驶员表达的主观感受一致。

3.2 各制动力分配策略下的制动能量回收效率

表3所示为最大回馈效率策略、最佳踏板感觉策略以及回馈效率和踏板感觉兼顾策略下的制动能量回收情况。制动能量回收效率ηreg为:

其中, Ereg为电机回收的制动能量;Ek为可回收的动能;m为整车质量;v为车速;v0为制动初始车速;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;CD为空气阻力系数;A为迎风面积。

由于三种策略的区别集中体现在OA段, 因此有必要着重关注OA段的能量回收情况。图5所示为OA段三种策略的电机力矩。由试验结果可知最大回馈效率策略经历OA段的时间较短, 在该阶段可回收的动能仅有0.88k J, 但电机回馈力矩较大 (见图5 (a) ) , 回收能量0.6 2 k J, 回收效率高达71.11%。最佳踏板感觉策略下回馈力矩在OA段由松加速踏板产生的-17Nm回馈力矩降低为零 (见图5 (b) ) , 回收效率为22.52%。而回馈效率和踏板感觉兼顾策略下回馈力矩在OA段并没有从-17 Nm降低至零, 而是继续增加至更大的回馈力矩 (见图5 (c) ) , 回收效率为37.50%。

在AB段和BC段, 三种策略的回收效率差别不大。在整个制动过程中, 最大回馈效率策略的回收效率为49.66%。最佳踏板感觉策略的回收效率为38.18%, 回馈效率和踏板感觉兼顾策略的回收效率为47.60%。可见, 相比最佳踏板感觉策略而言, 回馈效率和踏板感觉兼顾策略将能量回收效率提高了9.42%。

4 结论

(1) 在分析最大回馈效率策略和最佳踏板感觉策略的基础上, 试图寻求回馈效率与制动踏板感觉间的平衡, 提出兼顾回馈效率和制动踏板感觉的制动力分配策略, 在保证踏板感觉的前提下尽可能多地回收能量。该策略能在制动初期将前轮轮缸与主缸的压力差维持在一定范围内, 既保证了制动踏板感觉, 又为电机留出了一部分回馈制动的空间。

(2) 按液压制动力与电机回馈制动力协调方式的不同将制动过程分为电液协调准备阶段、电液协调控制阶段和回馈制动撤除阶段。分别选取电液协调准备阶段和电液协调控制阶段作为评价能量回收效率和制动踏板感觉的特征工况段。并定义制动踏板感觉波动度来度量制动踏板感觉的波动程度。

(3) 在一款纯电动轿车上进行道路制动试验, 对比三种制动力分配策略的回收效率和踏板感觉。试验结果表明, 最大回馈效率策略的能量回收效率最高, 但踏板感觉较差。最佳踏板感觉策略的制动踏板感觉最好, 但回收效率最低。回馈效率和踏板感觉兼顾策略的踏板感觉良好, 且相比最佳踏板感觉策略而言, 将制动能量回收效率提高了9.42%。

(4) 开发回馈制动系统时不能一味地追求能量回收效率, 总制动力正确跟踪制动意图、制动踏板感觉以及制动平顺性则更为重要, 应在保证上述三个性能指标的前提下尽可能多地回收制动能量。

参考文献

[1]Gao Yimin, Chen Liping, Ehsani M.Investigation of theeffectiveness of regenerative braking for EV and HEV[R].SAE Technical Paper, 1999-01-2910.

[2]Ehsani M, Gao Yimin, Butler K L.Application of electri-cally peaking hybrid (ELPH) propulsion system to a fullsize passenger car with simulated design verification[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology, 1999, 48 (6) :1779-1787.

[3]Nakamura E, Soga M, Sakai A, et al.Development of e-lectrically controlled brake system for hybrid vehicle[R].SAE Technical Paper, 2002-01-0300.

[4]Hyoung JK.Regenerative braking method for vehicle hav-ing electric motor[P].U.S.:2007/0126382 A1, 2007-06-07.

[5]Tsunehara H, Murakami H, Eguchi T, et al.Vehiclebrake system[P].U.S.:7290840B2, 2007-11-06.

[6]Toyohira T, Inoue A, Akutsu K, et al.Brake apparatus[P].U.S.:2010/0219679A1, 2010-09-02.

[7]张彪, 张俊智, 李守波 (Zhang Biao, Zhang Junzhi, LiShoubo) .基于ESP压力调节器制动能量回馈系统 (Regenerative braking system based on ESP pressuremodulator) [J].清华大学学报 (Journal of Tsinghua U-niversity) , 2011, 51 (5) :710-714.

制动踏板感觉 篇2

农用车液压式行车制动的踏板自由行程, 实际上是指制动主缸推杆球头与活塞之间的间隙在制动踏板行程上的反映, 可通过改变推杆的长度来进行调整。制动踏板的自由行程数值, 不同类型的车辆, 在制动踏板自由行程的确定中, 略有差异。

农用车气压式行车制动的踏板自由行程, 实际上是指制动阀排气间隙在制动踏板行程上的反映, 可通过拉臂上的自由行程调整螺钉进行调整。

农用车在出厂时, 一般都对踏板的自由行程进行了测量和确定。但是, 在车辆的使用过程中, 随着机件的磨损和车辆在运行过程中的剧烈震动, 踏板的自由行程肯定会出现一定程度的变化, 当变化达到较大程度时, 就会影响车辆的制动效能。因此, 农用车驾驶员应经常注意自己车辆的制动踏板的变化, 以便适时进行调整。

一、制动踏板自由行程的检测及调整

制动踏板自由行程是主缸与推杆之间的间隙的反映。检测时, 将发动机熄火, 可用手轻轻压下踏板, 当手感变重、感到有点阻力时, 用钢板尺测出踏板下移的量, 该量即为踏板自由行程, 应该符合有关技术规定。调整踏板自由行程时, 如果自由行程不符合标准值, 应进行调节使其符合规定值。若踏板自由行程过小, 则易引起制动阻滞;活塞皮碗则有可能堵住旁通孔, 使制动作用不能彻底解除。若自由行程过大, 则制动作用时间延长, 会造成制动作用滞后, 制动距离增加, 制动性能变差。因此, 踏板自由行程必须按原车的规定值或有关标准要求进行调整。

自由行程调整后, 应启动发动机, 踩制动踏板, 证明并确保其有标准的自由行程。

1.制动踏板自由行程是从制动踏板最高位置到用手按下踏板感到有明显阻力时, 制动踏板移动的距离。即踏板下移后, 而总泵活塞尚未开始动作前踏板下移的距离。实际上它是总泵推杆与活塞之间间隙在踏板上的反映。一般小四轮拖拉机制动踏板自由行程在30～40 mm之间。

2.踏板自由行程的调整。在正常情况下, 踏板的自由行程如果不在标准范围内, 应调节真空助力器的输出端推杆, 亦可通过制动灯开关进行微量调整。制动踏板自由行程的调整应在制动蹄与制动鼓间隙调整好以后进行。首先松开制动拉杆锁紧螺母, 然后转动制动拉杆, 同时检查制动踏板自由行程, 直到符合规定值为止。调好后拧紧锁紧螺母。注意, 应同时调整左、右制动拉杆。调整好后, 应进行试车, 以保证左、右制动器调整一致, 同时起作用并可靠制动。

踏板自由行程间接地反映了制动鼓与制动蹄之间的制动间隙。制动间隙过大, 会降低制动作用, 甚至造成制动失灵;制动间隙过小, 将会产生制动器自刹现象, 使摩擦衬片早期损坏。因此, 拖拉机在使用过程中, 应随时检查和调整制动踏板的自由行程。检查制动踏板自由行程时, 用手推压制动踏板直到阻力明显增大时为止, 测量踏板移动的距离, 若不符合规定值, 则需进行调整。

二、制动踏板高度的检测和调整

制动踏板感觉 篇3

制动踏板开关是与制动信号灯开关集成在一起的电子开关, 按照霍尔原理进行工作。该开关安装在制动总泵上, 它采用非接触的方式用一个霍尔元件扫描安装在制动总泵活塞上的磁环 (见图1) 。

制动踏板开关与制动信号灯开关是一个带有4脚插头的电器元件, 除了正电供给插脚 (4脚) 和接地线插脚 (2脚) 以外, 还有两个向发动机电控单元传递信号的脚, 1脚和3脚 (见图2) 。1脚将制动踏板的开关信号传递给发动机电控单元, 自然状态时为高电平 (电压约9V) , 踏下踏板后为低电平 (电压约0V) , 当发动机电控单元识别出制动踏板踏下的信号, 定速巡航装置就被关闭了;3脚将制动信号灯开关的信号传递给发动机电控单元, 同时也传递给车载电网控制单元, 控制制动灯开和关, 这个脚自然状态时为低电平 (电压约0V) , 踏下踏板后变成高电平 (电压约9V) 。制动踏板开关是常闭开关, 制动信号灯开关是常开开关。这两个开关传给发动机电控单元相反的信号, 电控单元会将这两个信号比较检查。制动踏板开关是涉及到安全的元件, 出于安全原因使用了这种冗余设计。制动踏板开关与制动信号灯开关信号中断后, 发动机会减少喷油, 同时关闭定速巡航, 制动信号灯也将失效。 (本文以新捷达轿车为例) 。

注:F47为制动踏板开关, F为制动信号灯开关。

二、检测与维修结构

制动踏板开关与制动信号灯开关检测与维修简图见图3。

三、带故障记忆的故障检测与维修方案

用检测仪读取发动机控制单元的故障记忆, 如果存储了“制动踏板开关错误”故障记忆, 则说明控制单元检查出制动信号灯开关和制动踏板开关间的不可靠信号, 我们采用下列方法检测具体的故障点。

在踏下制动踏板的前提条件下, 用检测仪读取制动踏板开关和制动灯开关的信号值。对于可能的结果, 我们做如下分析:

(1) 制动踏板开关和制动灯开关均显示已触发, 说明开关和导线及发动机电控单元均无故障;

(2) 制动踏板开关和制动灯开关均显示未触发, 说明制动踏板开关位置不能被正确识别, 考虑到两条线路同时损毁的可能性非常小, 我们认为只能是开关部分存在问题。在确定插头部分无故障以后, 可以考虑更换制动踏板开关;

(3) 制动踏板开关被触发而制动信号灯开关未被触发, 应查看制动灯是否亮。灯亮则说明电信号已经通过开关传递过来, 因此故障不在开关, 一定是制动灯信号脚 (即开关3脚) 到发动机电控单元的连接线路有断路;灯不亮说明制动灯信号脚没有得到正电, 需要继续检查故障缘由。可以短接插头的3、4脚, 此时直接给信号线供上正电, 如果短接后灯亮, 说明故障在开关, 应更换开关。短接后灯不亮说明故障不在开关, 应该继续在车载电网控制单元或制动灯查找故障。

(4) 制动踏板未被触发而制动灯信号被触发, 说明在踏下踏板后, 作为长闭开关的制动踏板开关信号端子没有断开正电, 我们可以在拔下制动踏板开关的条件下再次读取信号值。如果显示变成了制动踏板开关被触发, 说明故障在开关, 应更换制动踏板开关;如果仍然显示制动踏板开关未被触发, 应该检查开关1脚到发动机电控单元的线路有无对正极断路、与其它线相互短路或线路断路。在没有查到任何线路故障的情况下, 才可以考虑更换发动机电控单元。

四、针对没有故障记忆的故障, 可以按下述方法进一步检测

检查和制动灯开关相关的保险丝, 更换已经烧断的保险丝。打开点火开关, 用检测仪读取制动踏板开关与制动信号灯开关信号值, 反复踏制动踏板以比较其变化是否正常。如果变化正常, 说明所有的开关位置均被发动机电控单元识别, 制动踏板开关与制动信号灯开关、线路和发动机电控单元都没有故障;如果信号值变化不正常, 则可以按照上述“带故障记忆的故障检测与维修方案”方法进行检测和维修。

五、小结

制动踏板感觉 篇4

交通事故中追尾事故所占比例最高。在国外, 追尾事故占所有事故比例的25%~40%[1,2]。在上海, 追尾事故大约占事故总数的20%, 而在高速公路和隧道中, 追尾事故的比例分别为49%和67%[3]。导致这类事故发生的主要原因有2个:①驾驶人高估了车头时距以致没有及时作出反应;②驾驶人没有采取有效避撞措施。研究驾驶人的避撞行为对于理解驾驶人的避撞行为、建立制动模型曲线、避撞预警算法等有着重要作用[4,5]。

驾驶人制动避撞方式可以分为2个阶段:驾驶人制动前反应过程和制动后的减速过程。制动前反应过程主要通过3个指标进行测量:制动反应时间 (从前车开始减速到本车完全释放油门踏板的时间) 、转移时间 (从完全释放油门踏板到本车开始踩制动的时间) 和总制动反应时间 (从前车开始减速到本车开始踩制动的时间) [6]。制动前反应过程受到了驾驶人、车辆、环境条件等诸多因素的影响[7,8,9,10]。Sohn和Stepleman[11]的实验发现总反应时间不仅跟驾驶人本身属性有关 (美国驾驶人比非美国驾驶人要反应慢) , 还跟驾驶人是否意识到危险有关 (没有意识到危险的驾驶人反应时间会比意识到危险的驾驶人反应时间长) 。Rudio-Brown和Parker[12]指出车辆对于驾驶人反应时间的影响主要与会导致驾驶人分心的行为有关, 例如打手机[13]。

制动后避撞行为包括驾驶人的制动程度、制动速率和制动次数。目前, 针对该方面的研究大多只是涉及一些相关的指标而没有进一步的深入分析。驾驶模拟器在发达国家被广泛用于涉及驾驶人行为因素的研究。它可以高度逼真的虚拟现实环境, 尤其是现实中较为危险的环境, 避免了实验对实验人员可能造成的危险, 并且可以在可控的实验的状态下采集所有的实验数据[14]。McGehee等[14]用相似的真实试验验证了模拟器实验数据的可靠性, 其中比较了2种实验的制动后避撞行为指标———制动至最大制动力度时间, 结果表明2种实验中制动至最大制动力度的时间近似。

在现有避撞行为的研究中, 较好的分析了驾驶人、车辆、环境条件等诸多因素对于驾驶人制动前反应过程的影响;但是缺少对不同危险程度下驾驶人制动后制动踏板操作行为的研究, 而且也未提出足够的指标描述制动后制动踏板操作行为, 从而未能很好的分析不同危险情况不同驾驶人的制动后制动踏板操作行为参数的差异。本研究依托配有8自由度运动系统的高仿真驾驶模拟器, 研究了30个不同经验的驾驶人在不同前车减速度 (0.3, 0.5, 0.75g) 和不同车头时距 (1.5, 2.5s) 的制动后制动踏板操作行为。针对其中140个只采取制动方式避撞的工况, 利用ANOVA模型, 分别比较了不同风险程度情况下的驾驶人制动后制动踏板操作行为参数的差异———踩踏板速率、制动至25%制动踏板压力时间、制动至50%制动踏板压力时间和制动至最大制动踏板压力时间。

1 实验

1.1 实验人员

选择30位持有驾照的驾驶人作为被试者, 他们的行驶里程都超过了1万km。其中, 有4位驾驶人在实验过程中出现轻微不适症状, 因此补充了4位驾驶人作为替代者。驾驶人中6位女性, 24位男性, 平均年龄为32.9岁 (年龄标准方差:8.26) 。

1.2 实验设备

图1为同济大学驾驶模拟器。该驾驶模拟器的主要特征:驾驶舱为封闭刚性结构, 投影系统有5个投影仪内置于驾驶舱, 场景投影到球形幕上, 水平视角为250°;仿真车辆为Renault Megane III, 置于球体中央, 去除发动机、保留轮胎, 加载其他设备, 如转向盘、制动、换档的力反馈系统和数据的输入输出设备, 后视镜为3块LCD屏幕;运动系统为8自由度;控制软件为法国OKTAL公司开发的商业软件SCANeRTM。

1.3 实验设计与场景

被试人员根据驾驶里程的长短被分为3组:新手驾驶人 (驾驶里程在1万~5万km) 、中等经验驾驶人 (5万~10万km) 和经验驾驶人 (>10万km) 。实验使用了2×3×3的实验设计方案, 被试间因子为驾驶里程, 被试内因子为初始车头时距 (1.5, 2.5s) 和前车减速度 (0.3, 0.5, 0.75g) 。针对测试过程中可能存在的驾驶学习效应, 实验中将通过随机化方法 (pseudo-randomization) [16]来均衡不同工况条件的出现顺序, 以控制并最小化学习程度。

正式实验场景选择1条4车道、平原沿海高速公路, 天气晴朗、视野良好、对向车流较少。驾驶人首先要求加速到120km/h, 并且行驶在内侧车道。约2 min后, 1辆白色前车会切入到模拟器车辆前, 并保持在120km/h的速度稳定行驶。此时测试驾驶人需要跟随前车行驶, 保持车距在60~80m。在随后的实验过程中, 前车会在不同车头时距 (1.5, 2.5s) 以不同前车减速度 (0.3, 0.5, 0.75g) 进行6次减速, 减速开始的时候前车尾灯会发亮, 每次前车会减速到停止。在前车每次减速之前, 会首先判断车头时距是否满足触发条件 (1.5s或2.5s) , 如果本车跟车较远, 屏幕上会提示“加速”。本车趋于稳定跟随的时候, 前车才会触发工况。

1.4 实验流程

实验驾驶人到达实验室之后, 首先会在工作人员的辅助下, 了解实验基本过程、驾驶任务以及实验中可能所涉及到的安全因素, 填写实验知情同意书和关于模拟器使用情况的调查问卷。

模拟器实验分为试驾和正式跟车实验2个部分。试驾场景采用城市道路数据库, 场景中加入适当社会车辆提高真实度。试驾环节主要目的是帮助测试人员在短时间内熟悉模拟器的驾驶操作, 整个试驾过程长约7min。此外, 试驾场景中包含跟车练习和制动练习2个部分。在跟车练习中, 驾驶人要求以80km/h的速度跟随前方红色车辆。跟车过程中, 屏幕上方将显示驾驶人当前跟车距离, 驾驶人可以根据需要不断改变与前车的距离, 以熟悉在模拟器中对前车距离的感知。在试驾环节末端, 驾驶人被要求在长约2km的直线路段执行制动练习。练习过程中, 驾驶人首先被要求加速至100km/h, 并尝试保持该车速。直至看到前方停止的轻型货车, 驾驶人需要按照其正常驾驶的习惯, 将车辆安全, 平稳地停止在前车后方。完成后, 需再重复操作1次以保证数据的有效性 (此部分制动练习将作为不同驾驶人正常制动制动的基准) , 并且只有当驾驶人成功将车辆停在前车后方1~2 m范围内, 才认为驾驶人已经熟悉车辆操作。

在完成试驾过程之后, 驾驶人会有5 min的休息时间, 如果驾驶人没有异常反应, 则开始正式实验。在正式试验过程, 驾驶模拟器以20 Hz的速率记录以下数据:踩踏板速率、制动至25%制动踏板压力时间、制动至50%制动踏板压力时间和制动至最大制动踏板压力时间。实验结束之后填写对模拟器使用情况评价问卷, 包括2个部分, 1部分是对驾驶模拟器的模拟真实度进行评价, 另1部份是Kennedy设计8项驾驶模拟器眩晕测试表[17]。

2 实验结果与讨论

驾驶人避撞的方式主要有3种:只制动、只变道、制动且变道。针对驾驶人只踩制动的方式进行研究, 共有140个工况, 其中发生39起事故。在制动过程中, 驾驶人有可能不止1次的制动, 第1次制动主要是驾驶人根据制动前的情况进行综合判断的结果, 后面的制动是驾驶人根据制动过程中的实时情况进行调整, 笔者所研究的是驾驶人第1次制动过程的制动踏板操作行为。工况发生后, 驾驶人更多的是根据制动时的车头时距而不是工况促发时的车头时距来确定制动程度的, 这里采用开始制动时的车头时距对制动后行为进行分类。

从获得的开始制动时的车头时距分布看出, 约31.4%的车头时距在<0.8s, 39.3%的车头时距分布在[0.8, 1.2s) , 29.3%的车头时距分布在>1.2s, 从而将车头时距分为3类进行分析:S (<0.8s) , M ([0.8s, 1.2s) ) , L (>1.2s) 。由于驾驶人采取只制动避撞方式的工况没有原始实验分组那么均衡, 样本量不均衡。利用ANOVA进行分析, 并采用TYPEⅢ方法检验变量的显著性。此外, 利用Tukey Comparisons方法检验不同风险程度下制动后制动踏板操作行为参数的差异。

2.1 踩踏板速率

踩踏板速率 (vBrake) 指本次制动过程中, 制动踏板压力最大值与制动之最大制动踏板压力时间的比值。图2为不同危险程度下的踩踏板速率的均值。

从制动时车头时距来看, 随着制动时车头时距的减少, vBrake逐渐增大。Turkey’s HSD检验表明制动时车头时距为M比L情况下vBrake要显著大91.03N/s (p<0.05) , S的要比M情况下显著大90.09N/s (p<0.05) 。从前车减速度来看, 随着前车减速度的增大, vBrake也逐渐增大。Turkey’s HSD检验表明0.75g比0.3g的情况下显著大于129.96N/s (p<0.05) 。

ANOVA分析结果表明, 制动时车头时距 (F (2, 135) =14.63, p<0.000 1) 和前车减速度 (F (2, 135) =7.84, p=0.006) 对vBrake的影响是显著的。

图3反映了不同经验驾驶人vBrake的分布。新手驾驶人的vBrake是最大的, 为242.3N/s。相比于新手驾驶人, 经验驾驶人和中等经验驾驶人的vBrake分别少36.5%和46.5%。这可能是因为新手驾驶人因为驾驶经验不足, 面对危险情况, 多数会采取较大的制动速率, 而中等经验驾驶人和经验驾驶人操作水平较高, 会根据具体危险等级, 选择合适的制动速率。

在ANOVO模型中通过控制车头时距和前车减速度的主效应 (main effect) , 测试不同驾驶经验群体间vBrake的差异。ANOVO结果表明, 制动时车头时距 (F (2, 133) =13.78, p<0.0001) 、前车减速度 (F (2, 133) =8.26, p=0.004) 和驾驶经验 (F (2, 133) =5.85, p=0.0037) 对vBrake的影响是显著的。Turkey’s HSD检验表明经验驾驶人比新手驾驶人的vBrake显著小88.34N/s (p<0.05) , 中等经验驾驶人比新手驾驶人的vBrake显著小112.83N/s (p<0.05) 。

2.2 制动至25%, 50%, 最大制动踏板压力时间

制动至25%制动踏板压力时间 (BT25%) 指在此次制动过程中, 从本车开始制动到本车制动到车辆理论最大制动踏板压力值 (250N) 的25%的时间, 如果此次制动过程制动踏板压力值没有达到62.5N, 则缺省;制动至50%制动踏板压力时间 (BT50%) 指在此次制动过程中, 从本车开始制动到本车制动到车辆理论最大制动踏板压力值 (250N) 的50%的时间, 如果此次制动过程制动踏板压力值没有达到125N, 则缺省;制动至最大制动踏板压力时间 (BTmax) 指在此次制动过程中, 从本车开始制动到本车制动最大制动踏板压力值的时间。

图4展示了不同危险程度下, BT25%, BT50%, BTmax的均值的变化。随着制动时车头时距的减少, BT25%和BT50%也随之减少, 而BTmax除了制动时车头时距为M、前车减速度为0.5g的情况以外, 基本也随之减少。但是随着前车减速度的改变, 这3个指标并没有显著规律。此外, 从ANOVA分析结果也可以看出, 相比于前车减速度, 制动时车头时距对这3个指标影响更加显著。说明驾驶人更多的是根据驾驶人制动时的车头时距不是前车减速度去判断危险等级, 从而决定第1次制动程度。相对于前车速度的改变, 驾驶人对车头时距的变化更加敏感。在设计追尾避撞系统的时候, 更加要注意驾驶人没有意识到前车减速的情形。

ANOVA分析结果表明, 制动时车头时距 (F (2, 135) =11.06, p<0.000 1) 和前车减速度 (F (2, 118) =7.07, p=0.001 2) 对BT25%的影响都是显著的;制动时车头时距 (F (2, 135) =11.95, p<0.000 1) 和前车减速度 (F (2, 118) =6.94, p=0.001 5) 对BT50%的影响都是显著的;制动时车头时距 (F (2, 135) =8.25, p=0.000 4) 对BTmax的影响是显著的。

2.3 问卷分析

驾驶人问卷调查包括2个部分, 1个是对驾驶模拟器的模拟真实度进行评价, 另1个是Kennedy设计8项驾驶模拟器眩晕测试表。对驾驶模拟器模拟真实度的调查问卷包含对车辆操作系统、运动系统、图像显示系统、3D建模逼真度、声音逼真度五项内容, 结果表明, 平均超过70%的驾驶人认为驾驶模拟器能够真实的模拟显示情况。驾驶模拟器眩晕测试表将每种情况分为4个等级:无-0、轻微-1、中等-2、严重-3, 调查问卷结果表明, 超过75%的测试人员在实验后选择了等级无或者轻微。总的来说, 模拟器的操作环境对大部分驾驶员影响较小, 对实验结果影响较小, 实验数据真实可靠。

3结束语

研究利用同济大学8自由度运动系统的高仿真驾驶模拟器研究了驾驶人制动后制动踏板操作行为。在驾驶模拟器环境下建立了不同前车减速度 (0.3, 0.5, 0.75g) 和不同初始车头时距 (1.5, 2.5s) 的工况, 运用第1次制动过程中的踩踏板速率、制动至25%制动踏板压力时间、制动至50%制动踏板压力时间和制动至最大制动踏板压力时间4个指标比较了不同风险程度、不同驾驶人的制动后制动踏板操作行为差异。