高鮮萍,卞學(xué)良,李祥峰,武文佳
(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300401; 2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車與交通學(xué)院,天津 300222;3.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 邢臺(tái) 054035; 4.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 汽車與軌道交通學(xué)院,天津 300350)
車輛在轉(zhuǎn)彎行車時(shí),由于側(cè)向穩(wěn)定性變差及視覺(jué)效果不良容易引發(fā)交通事故,其事故后果嚴(yán)重。隨著傳感器技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,人們開(kāi)展了關(guān)于智能輔助駕駛控制的大量研究[1-3],汽車輔助模塊的預(yù)警和控制大大降低了交通事故率[4-6]。而這類決策依賴于對(duì)駕駛員、車輛和道路的狀態(tài)感知[7-8]。本研究從駕駛員駕駛行為角度出發(fā),分析在彎道行駛中的轉(zhuǎn)向拓?fù)涮匦裕云跒檐嚶穮f(xié)同下的智能輔助控制及道路交通安全控制提供依據(jù)。
目前,有不少學(xué)者相繼對(duì)彎道駕駛及駕駛員轉(zhuǎn)向行為進(jìn)行了研究。Lee等[9]通過(guò)函數(shù)對(duì)駕駛員行為進(jìn)行建模,并以此分析了駕駛員的轉(zhuǎn)向控制過(guò)程。Abbink等[10]從駕駛員轉(zhuǎn)向行為控制理論分析了駕駛員行為的差異性。Salvucci等[11]通過(guò)軟件建模和硬件平臺(tái)對(duì)駕駛行為進(jìn)行了整體性分析,并通過(guò)試驗(yàn)分析了緊急變道時(shí)轉(zhuǎn)向持續(xù)特性和轉(zhuǎn)向角度特征。Wu[12]基于自然駕駛數(shù)據(jù)對(duì)緊急轉(zhuǎn)向行為建模并分析了轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角變化特征。Yang[13-14]依靠轉(zhuǎn)向角度傳感器信號(hào),結(jié)合車載通信獲得的汽車行駛信息,通過(guò)汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)建模識(shí)別了轉(zhuǎn)向行為。以上大多從建模和仿真方面開(kāi)展研究,且側(cè)重于轉(zhuǎn)向持續(xù)時(shí)間和特征的整體性分析,很少?gòu)鸟{駛員駕駛信息采集的角度關(guān)聯(lián)分析轉(zhuǎn)向行為及各階段特征。
駕駛員轉(zhuǎn)向行為根據(jù)需求不同可分為常規(guī)道路轉(zhuǎn)向和緊急避障轉(zhuǎn)向,其中常規(guī)道路轉(zhuǎn)向包含道路交通中因交通規(guī)則和駕駛需求形成的變道、轉(zhuǎn)向、U-turn[15]等駕駛行為,是道路交通中的主要駕駛行為,本研究以此類行為為研究對(duì)象。
本研究通過(guò)設(shè)計(jì)市區(qū)某路況的駕駛試驗(yàn),完成對(duì)轉(zhuǎn)向過(guò)程中駕駛信息的采集和數(shù)據(jù)整理,針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的2個(gè)完整轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)的持續(xù)時(shí)間、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速及角度進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合,得出轉(zhuǎn)向特征點(diǎn)及特征曲線,實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛轉(zhuǎn)向行為的量化分析。
試驗(yàn)路段以天津市某典型市區(qū)路段為例,立交橋下U-turn路段,單向4車道,中間設(shè)有隔離設(shè)施,每側(cè)路段包含直道和掉頭轉(zhuǎn)彎路段,靠近隔離帶的1條車道為U-turn道路。駕駛員為28~40歲年齡段的9名駕駛員,具有3 a以上駕駛經(jīng)驗(yàn)。選用 2.0 L 排量的自動(dòng)檔家用轎車,駕駛員對(duì)路況和駕駛路線熟悉,每個(gè)駕駛員完成多次試驗(yàn)任務(wù)。用差分定位系統(tǒng)(DGPS)對(duì)車輛行駛軌跡進(jìn)行記錄,用眼動(dòng)儀(Dikablis)記錄駕駛員操作和神態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù),用轉(zhuǎn)向參數(shù)測(cè)試儀記錄轉(zhuǎn)向盤(pán)參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn),采集并篩選了32個(gè)有效的轉(zhuǎn)向記錄片段。
駕駛過(guò)程中要求駕駛員完成2類轉(zhuǎn)向任務(wù),第1個(gè)轉(zhuǎn)向任務(wù)為換道側(cè)移,駕駛員從Cs點(diǎn)開(kāi)始掃視準(zhǔn)備(圖1),隨后開(kāi)始轉(zhuǎn)向操作,使車輛按一定的航向角駛?cè)雮?cè)方車道,之后為防止車輛側(cè)向位移過(guò)大,重新調(diào)整方向盤(pán)轉(zhuǎn)角,直至回到轉(zhuǎn)角為0°的車輛最佳航向位置,此時(shí)為換道側(cè)移階段的終點(diǎn)Cz。
圖1 試驗(yàn)道路及轉(zhuǎn)向階段劃分Fig.1 Division of test roads and steering phases
此后車輛保持直線行駛完成第2個(gè)轉(zhuǎn)向任務(wù)U-turn轉(zhuǎn)向,Ub點(diǎn)為駕駛員開(kāi)始轉(zhuǎn)向操作點(diǎn),Ur點(diǎn)為轉(zhuǎn)彎入口點(diǎn),此階段行駛過(guò)的距離稱為本試驗(yàn)的進(jìn)彎提前距離Lbr。此后,駕駛員通過(guò)適度調(diào)整轉(zhuǎn)向角使車輛保持最佳航向角行駛,平緩實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)行駛至出彎點(diǎn)Uc,此階段行駛過(guò)的道路直線距離為彎道保持距離Lrc。之后,轉(zhuǎn)向盤(pán)由最大轉(zhuǎn)角逐漸減小至0°到達(dá)轉(zhuǎn)向行為終點(diǎn)Uz,此階段行駛過(guò)的距離為出彎距離Lcz,U-turn轉(zhuǎn)向完成。如圖2所示。
圖2 轉(zhuǎn)向行為特征點(diǎn)與持續(xù)距離Fig.2 Characteristic points and continuous distance of turning behavior
(1)換道側(cè)移階段
換道側(cè)移階段前期為駕駛?cè)烁兄?、獲取關(guān)鍵信息階段,車速逐漸呈減小趨勢(shì),之后駕駛?cè)烁鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)執(zhí)行轉(zhuǎn)向換道,車輛由中間車道減速變道至左側(cè)車道,轉(zhuǎn)向目標(biāo)范圍是左側(cè)車道范圍區(qū)域。
試驗(yàn)中將駕駛?cè)说?次觀看視覺(jué)邊緣處的時(shí)間點(diǎn)記為換道側(cè)移階段的起始點(diǎn)Cs,駕駛?cè)嗽诘缆稟點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)(圖1),此階段經(jīng)歷的時(shí)間為換道前注視時(shí)間TCs-A,從A點(diǎn)至Cz點(diǎn)(方向盤(pán)回到轉(zhuǎn)角為0°的車輛最佳航向位置)的經(jīng)歷的時(shí)間為換道側(cè)移時(shí)間TAz。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示,側(cè)移換道前注視時(shí)間TCs-A集中在0.5~2.0 s之間,平均值為1.02 s。
圖3 換道前注視時(shí)間分布Fig.3 Distribution of fixation time before lane changing
(2)U-turn轉(zhuǎn)向階段
在U-turn轉(zhuǎn)向階段,駕駛員通過(guò)控制車輛航向角,確保車身位姿處在車道中心線附近。這一過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確范圍有較高要求,轉(zhuǎn)向行駛控制范圍變小,操作持續(xù)時(shí)間較短。因此,駕駛員一般會(huì)通過(guò)多次微調(diào)方向盤(pán)實(shí)現(xiàn)安全轉(zhuǎn)向。
圖4 U-turn注視時(shí)間Fig.4 Fixation time of U-turn
如圖4,U-turn入彎階段平均注視時(shí)間0.2~0.9 s,彎道保持階段平均注視時(shí)間0.3~1.2 s,出彎階段平均注視時(shí)間0.2~0.5 s。從中位數(shù)來(lái)看,入彎與出彎階段表現(xiàn)為信息的粗粒度處理階段,駕駛員需要較小的認(rèn)知努力,注視時(shí)間較短。通過(guò)對(duì)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),出彎及入彎(F=1.106,P=0.331>0.05)持續(xù)時(shí)間差異不顯著。而彎道保持階段為信息細(xì)粒度處理,視覺(jué)認(rèn)知負(fù)荷大,表現(xiàn)為較長(zhǎng)的注視時(shí)間。
同時(shí),從駕駛員視覺(jué)分布區(qū)域來(lái)看,入彎前較早地開(kāi)始注視視覺(jué)邊緣處,獲取充分的左側(cè)、右側(cè)和前方交通信息,但出彎處信息感知與注視時(shí)間變短,駕駛?cè)酥饕P(guān)注道路右側(cè)及前方區(qū)域[16]。
如圖5所示,從單組試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)來(lái)看,提前進(jìn)彎距離Lbr和出彎距離Lcz數(shù)據(jù)接近,即可認(rèn)為車輛在入彎行駛和出彎行駛時(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向行為信息接近對(duì)稱,單從總體數(shù)據(jù)的分布來(lái)看,Lcz大于Lbr,相比較入彎而言,出彎駕駛更加緩和。
圖5 U-turn 進(jìn)彎和出彎距離Fig.5 U-turn turn-in and turn-out distances
駕駛員轉(zhuǎn)向過(guò)程依賴于人體手部運(yùn)動(dòng),Morasso指出人類手部在完成目標(biāo)動(dòng)作時(shí),手部的運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間關(guān)系與正態(tài)分布曲線類似[17]。在汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中,駕駛員操作方向盤(pán)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可看作手部速度和位移的變化過(guò)程。結(jié)合本試驗(yàn)路況特點(diǎn),選用高斯函數(shù)式(1)對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向過(guò)程進(jìn)行擬合分析,每個(gè)高斯函數(shù)可認(rèn)為產(chǎn)生1次轉(zhuǎn)向修正。
(1)
(2)
(1)換道側(cè)移階段
換道側(cè)移的主要目的是使車輛進(jìn)入左側(cè)轉(zhuǎn)向車道,轉(zhuǎn)向目標(biāo)是左側(cè)車道范圍區(qū)域,但對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求不高,駕駛員一般會(huì)多次微調(diào)方向。選取1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度曲線分別由3個(gè)轉(zhuǎn)向基元擬合而成,擬合曲線如圖6所示。擬合參數(shù)如表1所示,其中R2為0.996 38,根據(jù)圖7可知,擬合值與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合度較高,且殘差值隨自變量變化變動(dòng)較小,模型穩(wěn)定。擬合曲線因駕駛員風(fēng)格不同而有擬合差異,修正次數(shù)越多,擬合基線越多,參數(shù)越多,但總體趨勢(shì)基本相同。
根據(jù)以上擬合曲線可知,方向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角可表示為:
(3)
圖6 換道側(cè)移轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速曲線擬合結(jié)果Fig.6 Fitted rotation speed curve of steering wheel during lane changing
表1 換道擬合參數(shù)Tab.1 Fitting parameters of lane changing
圖7 殘差分析圖Fig.7 Residual analysis diagram
化簡(jiǎn)式(3)可得:
(4)
故
(5)
可根據(jù)轉(zhuǎn)向持續(xù)時(shí)間的分布區(qū)域分別獲得不同階段的轉(zhuǎn)向最大角度。
(2)U-turn轉(zhuǎn)向階段
此階段由于駕駛員在適度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向盤(pán)方向,因此轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速波形具有多個(gè)小峰值特點(diǎn),利用5組正態(tài)基線函數(shù)的多峰值擬合后,波形曲線如圖8所示(入彎與保持)。
圖8 U-turn方向盤(pán)轉(zhuǎn)速曲線Fig.8 U-turn steering wheel’s rotation speed curve
擬合曲線R2為0.978 05,根據(jù)殘差圖可知實(shí)際數(shù)據(jù)與擬合值吻合度很高,且殘差值不隨自變量變化,模型穩(wěn)定。
同理可得,此階段方向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角可表示為:
(6)
化簡(jiǎn)式(6)可得:
故可根據(jù)轉(zhuǎn)向持續(xù)時(shí)間的分布區(qū)域分別獲得不同階段的轉(zhuǎn)向最大角度。在這一階段存在轉(zhuǎn)向盤(pán)無(wú)轉(zhuǎn)速的時(shí)間段,受駕駛員個(gè)性和駕駛經(jīng)驗(yàn)的影響,基線函數(shù)的組合數(shù)目會(huì)有所區(qū)別,但曲線基本走勢(shì)相近。
本研究從駕駛員駕駛行為角度出發(fā),進(jìn)行了路段道路試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,換道前注視時(shí)間集中在0.5~2.0 s之間,平均值為1.02 s。U-turn 轉(zhuǎn)向入彎階段平均注視時(shí)間為 0.2~0.9 s,彎道保持階段平均注視時(shí)間為 0.3~1.2 s,出彎階段平均注視時(shí)間為0.2~0.5 s,這表明駕駛?cè)诵畔⒏兄A段進(jìn)行粗粒度信息處理,需要較小的認(rèn)知努力,表現(xiàn)為較短的注視時(shí)間; 而執(zhí)行階段進(jìn)行細(xì)粒度信息處理,視覺(jué)認(rèn)知負(fù)荷大,表現(xiàn)為較長(zhǎng)的注視時(shí)間。
車輛在U-turn轉(zhuǎn)向入彎行駛和出彎行駛時(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向行為信息接近對(duì)稱,單從總體數(shù)據(jù)的分布來(lái)看,出彎駕駛更加緩和。合理的進(jìn)彎提前距離不僅有利于運(yùn)營(yíng)道路的交通管理和規(guī)劃,而且有利于輔助駕駛的轉(zhuǎn)向策略的制訂。通過(guò)轉(zhuǎn)向特征點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的道路警示標(biāo)志、智能交通信息控制,一方面可為駕駛員提供預(yù)警提示信息,另一方面可為人車路協(xié)同控制提供最佳位置參考點(diǎn)。
在汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中,駕駛員操作方向盤(pán)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以看作手部速度和位移的變化過(guò)程。結(jié)合本試驗(yàn)路況特點(diǎn),選用高斯函數(shù)對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向過(guò)程進(jìn)行擬合分析, 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向擬合基線函數(shù)的組合數(shù)目隨駕駛員不同有所區(qū)別,但曲線基本走勢(shì)相近,表明轉(zhuǎn)向基線的模擬分析可表征轉(zhuǎn)向駕駛行為的典型特征。這與文獻(xiàn)[9,18]研究發(fā)現(xiàn)的人體手部趨向行為理論相吻合,方向盤(pán)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)呈正態(tài)相關(guān)性,有利于在數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上,提前分析駕駛員轉(zhuǎn)向行為,為安全預(yù)警和避撞控制提供一定的依據(jù)。