劉 穎， 朱西產(chǎn)， 李佳琦

(同濟(jì)大學(xué)，上海 201804)

0 引言

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)是利用安裝在車上的各式各樣的傳感器，在第一時(shí)間收集車內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)物體的辨識(shí)、偵測(cè)與追蹤等技術(shù)上的處理，從而能夠讓駕駛員在最快的時(shí)間察覺可能發(fā)生的危險(xiǎn)，以引起注意和提高安全性的主動(dòng)安全技術(shù)[1].

ADAS評(píng)價(jià)方法主要有以下幾種:第一，在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行道路測(cè)試，通過(guò)在試驗(yàn)場(chǎng)中復(fù)現(xiàn)危險(xiǎn)工況，測(cè)量車輛的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，得到ADAS相關(guān)數(shù)據(jù);第二，實(shí)車道路測(cè)試，在若干車輛上安裝測(cè)量裝置，進(jìn)行大量自然駕駛后，統(tǒng)計(jì)得到ADAS避免事故發(fā)生的有效性和駕駛員對(duì)ADAS的接受度等結(jié)論;第三，駕駛模擬器，在駕駛模擬器中模擬典型危險(xiǎn)工況，通過(guò)主觀調(diào)查問(wèn)卷和分析測(cè)量數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)ADAS.本方法較前兩種方法簡(jiǎn)單方便、成本低，可以對(duì)ADAS進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，也是本論文中使用的評(píng)價(jià)方式.

本文提出了使用PreScan模擬真實(shí)駕駛環(huán)境復(fù)現(xiàn)危險(xiǎn)工況，獲得駕駛數(shù)據(jù)并評(píng)價(jià)ADAS的一種試驗(yàn)方法.可能用于驗(yàn)證ADAS控制策略的有效性、HMI的接受度、駕駛習(xí)慣的研究等.

1 系統(tǒng)建立

本系統(tǒng)的建立包括硬件建立和軟件設(shè)計(jì)，以保證最大程度還原真實(shí)交通環(huán)境中的危險(xiǎn)工況.

1.1 硬 件

1.1.1 設(shè) 備

整個(gè)試驗(yàn)空間以黑色幕布與外界隔離，提供相對(duì)封閉的模擬駕駛環(huán)境.試驗(yàn)設(shè)備主體是合金搭建的框架，為其它設(shè)備提供安裝固定的位置.駕駛員座椅安裝在軌道上，能夠前后移動(dòng)，以適應(yīng)不同身材的測(cè)試者.由于PreScan簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)車輛模型的數(shù)據(jù)輸入支持羅技G27，所以采用羅技G27的方向盤、排擋和踏板:方向盤直徑11英寸，材質(zhì)為皮革;踏板分別為鋼制的油門，剎車和離合踏板;六檔變速桿;通過(guò)USB接口與電腦連接.框架左前和右前方分別放置兩個(gè)揚(yáng)聲器，模擬駕駛過(guò)程中路面和環(huán)境噪音，并播放ADAS的提示聲音.為了保存測(cè)試過(guò)程的影像資料和錄制駕駛員的駕駛行為，系統(tǒng)中安裝了兩個(gè)攝像頭，一個(gè)安裝在框架后側(cè)，錄制整個(gè)測(cè)試過(guò)程;另一個(gè)安裝在框架前面，錄制駕駛員行為.通過(guò)放在框架后上方的投影儀在設(shè)備前方的白色墻壁上投影出PreScan中編輯的測(cè)試場(chǎng)景，模擬駕駛員視野.根據(jù)ADAS的人機(jī)交互界面(HMI，Human Machine Interface)顯示方式的不同，可能會(huì)在駕駛員視野前下方設(shè)置一個(gè)小屏幕顯示HMI.此外，還需要1到2臺(tái)的電腦運(yùn)行PreScan或者M(jìn)ATLAB.系統(tǒng)的主要設(shè)備如圖1所示.

1.1.2 設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸方式

根據(jù)HMI的顯示方式不同有兩種設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸方式:

第一種方式如圖2左圖所示，HMI是設(shè)計(jì)在PreScan的Simulink模型中，與場(chǎng)景一起通過(guò)投影儀顯示在墻上.電腦1運(yùn)行PreScan，通過(guò)擴(kuò)展的方式將顯示器上的場(chǎng)景同步到投影儀顯示，利用揚(yáng)聲器播放路面和環(huán)境噪音以及ADAS的聲音提示，駕駛員根據(jù)場(chǎng)景和ADAS的提示操縱方向盤和踏板，系統(tǒng)將操作數(shù)據(jù)傳輸回PreScan的本車模型中，控制本車的運(yùn)動(dòng).

圖1 系統(tǒng)主要測(cè)試設(shè)備

第二種方式如圖2右圖所示，HMI設(shè)計(jì)在駕駛員前下方的小屏幕上顯示.電腦1運(yùn)行PreScan場(chǎng)景的同時(shí)將HMI需要的數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口輸出到電腦2中，電腦2運(yùn)行MATLAB的計(jì)算程序和圖形顯示程序生成HMI，再通過(guò)擴(kuò)展的方式輸出到小屏幕中.其它設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)傳輸方式與第一種方式相似.

圖2 設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸方式

1.2 軟 件

Prescan仿真軟件能給汽車智能系統(tǒng)提供一個(gè)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)的環(huán)境.其中的車輛動(dòng)力學(xué)模型相對(duì)真實(shí)，而且可以加入ADAS系統(tǒng)的控制策略或者在其Simulink模型中建立HMI，此外，PreScan還具有逼真的3D仿真環(huán)境，可以用于駕駛環(huán)境和車輛控制等的仿真.圖5是PreScan模擬的駕駛環(huán)境和MATLAB編輯的HMI.

本系統(tǒng)使用的軟件主要包括PreScan和MATLAB，使用PreScan實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)場(chǎng)景再現(xiàn)，在PreScan生成的Simulink模型中加入S函數(shù)、輸入輸出等模塊實(shí)現(xiàn)HMI和數(shù)據(jù)采集等功能.

1.2.1 駕駛員車輛的輸入

PreScan車輛模型的駕駛模式和動(dòng)力學(xué)模型都有多種選擇，可以設(shè)置駕駛模式為“Man－in－the－loop(MOMO Racing Force Feedback Wheel)Automatic”、動(dòng)力學(xué)模型為“2D Simple”，這樣可以通過(guò)外部接入的羅技G27方向盤、踏板和排擋模擬自動(dòng)擋汽車的操縱.Simulink中的MOMO和動(dòng)力學(xué)模塊如圖3所示.

圖3 SIMULINK中的MOMO和動(dòng)力學(xué)模塊

圖4 軌跡定義模塊

1.2.2 主要危險(xiǎn)車輛設(shè)計(jì)

PreScan中的場(chǎng)景設(shè)計(jì)需要分析采集的真實(shí)交通情況，設(shè)計(jì)出合理的危險(xiǎn)場(chǎng)景.由于本系統(tǒng)采用MOMO輸入，不同駕駛員的駕駛習(xí)慣不同，因此有必要將主要危險(xiǎn)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)計(jì)得與駕駛員車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)，在駕駛員車輛運(yùn)動(dòng)到一定條件時(shí)，危險(xiǎn)車輛的運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，以模擬緊急工況.PreScan中每個(gè)車輛可以賦予多個(gè)軌跡(Trajectory)，而每個(gè)軌跡都可以生成定義文件(Definition File)，這樣就可以在軌跡的Simulink模型中修改危險(xiǎn)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).圖4中定義的是危險(xiǎn)車輛(BMW X5)插入駕駛員車輛(Audi A8)前方的軌跡模型，X5開始是以比A8速度小5m/s的速度在A8右前方的外側(cè)車道按照直線軌跡(Trajectory_2)行駛，在A8與X5的距離減小到20m時(shí)，按照換道軌跡(Trajectory_3)插入到內(nèi)車道行駛，同時(shí)車速降低.

圖5 S函數(shù)和MATLAB編輯的HMI(危險(xiǎn))

1.2.3 HMI實(shí)現(xiàn)

ADAS系統(tǒng)的使用最終是通過(guò)HMI實(shí)現(xiàn)與人的交流，因此HMI的設(shè)計(jì)對(duì)ADAS的使用會(huì)造成很大影響，好的HMI設(shè)計(jì)不應(yīng)給駕駛員造成厭煩，而且在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)給駕駛員提出警告.本系統(tǒng)中的HMI是利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)界面的顯示，可以和場(chǎng)景一同顯示，也可以通過(guò)小屏幕顯示.與場(chǎng)景一同顯示需要在場(chǎng)景的Simulink模型中加入S函數(shù)模塊.S函數(shù)是用戶用來(lái)自建Simulink模塊所需要的、而且具有調(diào)用格式的函數(shù)文件.將HMI需要的變量輸入S函數(shù)模塊，運(yùn)行Simulink模型時(shí)S函數(shù)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，并顯示相應(yīng)的圖案(見圖5).如果在小屏幕上顯示HMI，需要在S函數(shù)中通過(guò)串行接口向電腦2實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù);電腦2通過(guò)MATLAB編程接收數(shù)據(jù)，計(jì)算后改變HMI顯示.

1.2.4 數(shù)據(jù)采集

在ADAS評(píng)價(jià)測(cè)試中數(shù)據(jù)主要有:車輛運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，即駕駛員車輛和主要危險(xiǎn)車輛的速度、加速度，碰撞次數(shù)，最小TTC(Time To Collision)等數(shù)據(jù).測(cè)試者主觀數(shù)據(jù)，即測(cè)試者的年齡、職業(yè)、駕齡等基本資料，和對(duì)ADAS的接受度、滿意度等一些主觀問(wèn)題的答案.

本測(cè)試中車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要通過(guò)在Simulink模型的數(shù)據(jù)輸出端口后加入“To File”和“To Workspace”等模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，但是用這種方式采集的數(shù)據(jù)是在模型運(yùn)行結(jié)束后統(tǒng)一輸出的，不具有實(shí)時(shí)性，如果需要實(shí)時(shí)輸出還要借助S函數(shù).測(cè)試者主觀數(shù)據(jù)的收集主要通過(guò)在測(cè)試前、后、中讓測(cè)試者分別填寫問(wèn)卷調(diào)查，分析問(wèn)卷調(diào)查后得到測(cè)試者對(duì)ADAS系統(tǒng)的接受度.

2 用途

本論文提出了使用PreScan模擬駕駛環(huán)境和車輛控制，搭建駕駛模擬器以評(píng)價(jià)ADAS的方法，此研究方法的可能用途主要包括以下幾點(diǎn):

(1)驗(yàn)證ADAS控制策略的有效性.ADAS控制策略包括提示時(shí)間和提示動(dòng)作等，提示過(guò)于頻繁，駕駛員會(huì)產(chǎn)生厭煩心理，但提示時(shí)間過(guò)晚可能導(dǎo)致事故.通過(guò)本系統(tǒng)的測(cè)試可以驗(yàn)證ADAS的有效性和駕駛員的接受程度，對(duì)策略做出評(píng)價(jià).

(2)驗(yàn)證HMI的接受度.HMI聲音的設(shè)計(jì)包括響度、音調(diào)、音色等的選擇;視覺的設(shè)計(jì)主要是提示界面的設(shè)計(jì)，包括需要提示的內(nèi)容、圖案設(shè)計(jì)、擺放位置、顏色的區(qū)分等，不同測(cè)試者對(duì)不同HMI設(shè)計(jì)的接受程度不同，通過(guò)本測(cè)試方法可以統(tǒng)計(jì)分析出一種HMI設(shè)計(jì)方案的接受度，或者對(duì)比兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為HMI的設(shè)計(jì)提供參考.

(3)研究駕駛習(xí)慣.通過(guò)本方法可以對(duì)不同測(cè)試者的駕駛習(xí)慣進(jìn)行研究，如，在遇到不同緊急程度的危險(xiǎn)情況時(shí)采取的躲避方式和反應(yīng)時(shí)間等.通過(guò)總結(jié)駕駛習(xí)慣能夠?yàn)锳DAS系統(tǒng)的開發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù).

3 總結(jié)

本論文通過(guò)將PreScan與模擬駕駛器結(jié)合提出了一種評(píng)價(jià)ADAS系統(tǒng)的研究方法.主要介紹了系統(tǒng)的軟硬件組成，最后總結(jié)了該研究方法可能的用途.

[1]馬鈞，曹靜.基于中國(guó)市場(chǎng)特定需求的汽車先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)研究[J].技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2012，04:36－40.