一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統及其評定方法與流程

本發明屬于人機工效技術領域，涉及一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統及方法。

背景技術：

模擬駕駛技術在國外最早應用于航空領域，隨著計算機圖形技術的快速發展，模擬駕駛已廣泛應用于地面汽車、軌道交通駕駛領域。通過駕駛模擬設備可以對運動性能進行分析或用于駕駛培訓，以提高駕駛員-車輛-環境交互的安全性。

國際上主流的汽車生產廠家均投入大量的資金設備用于車輛模擬駕駛設備的研發工作。上個世紀90年代初，日本馬自達汽車開發了針對跑車的六自由度模擬駕駛系統，能逼真地模擬車輛動力學特性。美國福特汽車公司也展開對模擬駕駛系統的研究。隨著計算機、網絡和傳感技術的飛速發展，世界各大汽車公司和研究機構都在致力于模擬駕駛系統的獨立研究和開發，不斷提高車輛動力學仿真性能，提高視景模塊的逼真度。我國駕駛模擬器的產生和發展最早是從引進國外產品開始，后期緊跟國際開始仿真領域主流技術進入快速發展階段，目前已在駕駛操作培訓中得到一定程度的應用。然而，在駕駛工效研究領域，缺乏有效的面向人機工效試驗的駕駛模擬平臺，特別是隨著自動駕駛技術的興起，急需能夠支撐工效評定的多模式駕駛模擬系統和技術。

技術實現要素：

本發明針對目前缺少支持面向工效評定的多模式駕駛模擬系統及方法的有效技術手段的問題，發明一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統及其評定方法，通過該系統能夠有效支撐多模式駕駛條件下的工效分析和評定，為提高多模式駕駛的工效水平提供重要技術支持。

本發明的技術方案為：一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統，其特征在于，所述系統包括：虛擬行駛場景快速構建模塊、多模式駕駛模擬控制模塊、路況情境設定模塊、駕駛員情景意識評定模塊；

所述虛擬行駛場景快速構建模塊，用于快速構建人機工效研究所需的虛擬道路場景，場景類型可根據工效研究的需要選擇城市道路或高速道路，場景內的交通信號標識、車輛以及行人密度可根據工效研究需要設定（虛擬行駛場景快速構建模塊以模型庫調用的方式快速構建道路場景，根據人機工效研究的場景需要構建城市道路或高速行駛道路，針對不同道路類型，從標牌庫中選擇配置道路標牌標志）；

所述多模式駕駛模擬控制模塊，包括自動駕駛模擬模塊、手動駕駛模擬模塊，可根據人機工效研究需要，選擇自動駕駛模式和手動駕駛模式，手動駕駛模式中還設有自動擋駕駛方式和手動擋駕駛方式；

所述路況情境設定模塊，用于根據工效分析需求，設定突發路況情境；所述駕駛員情景意識評定模塊，用于對駕駛員在不同情境下的工效指標進行評定。

進一步地，所述虛擬行駛場景快速構建模塊包括：模擬行駛場景模塊庫、標牌模塊庫；所述模擬行駛場景模塊庫，用于存儲模擬道路場景，可根據人機工效研究的場景需要調用模塊庫快速構建城市道路場景或高速道路；所述標牌模塊庫，用于儲存道路標牌標志，針對不同道路類型，從標牌庫中選擇配置道路標牌標志。

進一步地，多模式駕駛模擬控制模塊中，所述自動駕駛模擬模塊通過預設行駛路徑軌跡、速度參數，達到虛擬場景下的自動行駛，虛擬場景的隨動方式由預設的行駛路徑軌跡、速度參數控制，操縱組件的模擬動作通過路徑和速度信號由伺服控制驅動；

所述的伺服控制是采用伺服電機帶動駕駛盤、油門、剎車進行控制，在伺服電機軸上安裝力矩傳感器，實時檢測是否有力矩輸入，當力矩傳感器檢測到不等于伺服電機力矩時，切換為手動駕駛模擬模式，虛擬場景的隨動權限交還駕駛員，操縱組件的伺服驅動停止；

所述的手動駕駛模擬模塊可選擇自動擋方式和手動擋方式，選定具體操縱方式時，同步實現輸入類型的調定，與真實車的手動擋、自動擋結構形式相一致。

進一步地，所述的路況情境設定模塊可根據工效分析需求，設定突發路況情境，包括在自動或手動駕駛模擬過程中動態載入同向行駛車輛超車并通過變道并入模擬駕駛車輛所在車道、前方行駛車輛發生急停、行駛前方特定距離載入虛擬行人或障礙物。

進一步地，所述的駕駛員情景意識評定模塊包括：駕駛員動作監控和跟蹤捕捉子模塊、駕駛員行為分析子模塊；

所述駕駛員動作監控和跟蹤捕捉子模塊，用于采集實驗時駕駛員測試全過程的數據，并且把駕駛員實驗時遇到突發情況反應動作、時間以及眼跳等數據記錄下來；

駕駛員動作監控和跟蹤捕捉子模塊包含兩個數據采集部分：第一，視屏數據采集部分，利用搭載在平臺上的監控攝像頭，采集測試時視屏數據，并記錄遇到突發情況時駕駛員的反應動作和時間；第二，眼部數據采集部分，利用眼動儀采集測試時駕駛員眼跳、瞳孔大小等數據；

所述駕駛員行為分析子模塊，用于根據上述動作監控和跟蹤捕捉子模塊采集的數據，提取駕駛員反應動作，并把駕駛員反應動作和正確反應動作做比較，同時分析駕駛員眼跳等數據，對駕駛員在突發情況下的行為做評定分析，評價參數包括以下至少一項：反應時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發狀況的成功率以及眼跳幅度和瞳孔情況。

進一步地，所述的虛擬行駛場景快速構建模塊中的道路標牌標志（標記標志），在模擬駕駛過程中，標記標志能夠與車體進行虛擬通訊，在駛向道路標牌標志時，當獲得其與車體距離在設定范圍內時加載入場景中，駛離時當超出其與車體距離在設定范圍內時予以卸載，實現動態加載和卸載，減少對仿真計算機資源的占用和消耗。

一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統的評定方法，其特征在于，所述方法包括：

1）快速構建用于人機工效研究所需的虛擬道路場景，所述的虛擬道路場景用來模擬真實的駕駛環境，包括虛擬道路、虛擬建筑、虛擬交通標志以及虛擬車輛與行人；

2）根據人機工效研究需要選擇駕駛模擬模式，所述駕駛模擬模式包括：自動駕駛模式和手動駕駛模式，手動駕駛模式中還可以選擇自動擋駕駛方式和手動擋駕駛方式；

3）根據工效分析需求，設定突發路況情境，主要情境包括在自動或手動駕駛模擬過程中動態載入同向行駛車輛超車并通過變道并入模擬駕駛車輛所在車道、前方行駛車輛發生急停、行駛前方特定距離載入虛擬行人或障礙物；所述的突發路況情境可在突發路況情境以聲音方式、顯示方式及聲音與顯示同時予以告警，顯示方式涉及在儀表板設定告警不同編碼方式；

4）駕駛員情景意識評定，根據上述設定的不同的路況情境下駕駛員應對突發問題的處置情況，對駕駛員的工效指標進行評定，工效指標包括以下至少一項：反應時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發狀況的成功率以及遇到突發情況時駕駛員的眼跳幅度、瞳孔大小。

進一步地，所述的快速構建根據人機工效研究的虛擬道路場景需要，以模型庫調用的方式快速構建城市道路或高速行駛道路，針對不同道路類型，從標牌庫中選擇配置道路標牌標志。

進一步地，所述的自動駕駛模擬模式通過預設行駛路徑軌跡、速度參數，達到虛擬場景下的自動行駛，虛擬場景的隨動方式由預設的行駛路徑軌跡、速度參數控制，操縱組件的模擬動作通過路徑和速度信號由伺服控制驅動；

所述的伺服控制是采用伺服電機帶動駕駛盤、油門、剎車進行控制，在伺服電機軸上安裝力矩傳感器，實時檢測是否有力矩輸入，當力矩傳感器檢測到不等于伺服電機力矩時，切換為手動駕駛模擬模式，虛擬場景的隨動權限交還駕駛員，操縱組件的伺服驅動停止；

所述的手動駕駛模擬模式可選擇自動擋方式和手動擋方式，選定具體操縱方式時，同步實現輸入類型的調定，與真實車的手動擋、自動擋結構形式相一致。

進一步地，步驟4）中，所述的反應時間、動作延時時間是通過在系統時間軸線上進行標定；

所述的動作準確度是由駕駛員動作監控和跟蹤捕捉子模塊進行視屏數據采集，并且提取駕駛員的反應動作，把駕駛員反應動作和正確反應動作做對比，由駕駛員行為分析子模塊進行分析；

所述的化解突發狀況的成功率是成功完成駕駛任務與試驗總次數的比率的統計；

所述的眼跳幅度和瞳孔大小由眼動儀測量而來，根據眼跳幅度和瞳孔大小等眼動指標情況判斷駕駛員遭遇突發情況時的心理變化情況。

本發明針對目前缺少支持面向工效評定的多模式駕駛模擬系統及方法的有效技術手段的問題，發明一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統及方法，通過該系統能夠有效支撐多模式駕駛條件下的工效分析和評定，為提高多模式駕駛的工效水平提供重要技術支持。該系統能夠有效支撐多模式駕駛條件下的工效分析和評定，為提高多模式駕駛的工效水平提供重要技術支持。在自動駕駛技術日趨完善的基礎上，本發明將有廣闊的市場。

附圖說明：

圖1為本發明一個實施例的結構示意圖；

圖2為本發明一個實施例模塊結構圖（即本發明系統模塊圖）；

圖3為本發明可以應用于其中的示例性系統構架圖（即本發明評定方法流程圖）；

圖4為本發明一個實例性評價指標表。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發明做進一步詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實例僅僅用于解釋相關發明，而非對該發明的限定。另外還需說明的是，為了方便描述，附圖中僅示了與發明有關的部分。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖及實施例詳細說明本發明。

圖1示出了可以應用本發明的用于控制面向工效評定的多模式駕駛模擬系統實施例的結構示意圖。

如圖1所示，結構示意圖包括多模式駕駛模擬平臺、服務器、監控攝像頭、眼動儀、虛擬場景顯示器、監控顯示器，以及連接以上個組成部分的網絡。網絡用以在服務器與多模式駕駛模擬平臺、監控攝像頭、眼動儀、虛擬場景顯示器和監控顯示器之間提供數據通信。網絡可以包含各種連接類型，例如有線、無線通信或者光纖電纜等。

多模式駕駛平臺通過網絡和服務器之間交互，以接受或者發送數據消息。手動駕駛模式下，駕駛員對多模式駕駛模擬平臺方向盤和腳踏板的操作轉化為數據信號通過網絡傳遞給服務器，服務器根據數據信號控制虛擬行駛場景隨動；自動駕駛模式下，根據預設的行駛路徑軌跡，服務器向駕駛模擬平臺發送數據信號，控制與方向盤相連的伺服電機驅動。

服務器可用于構建虛擬行駛場景，根據工效評定要求選擇完相應的虛擬場景，服務器根據虛擬行駛場景快速構建模塊的指令，加載場景數據，并且把圖像通過網絡發送到由多臺液晶顯示屏或者投影儀組成的外接顯示設備上。服務器還可提供模擬駕駛平臺在虛擬場景中的位置，速度等信息。

服務器可以是提供測試時數據存儲和分析的服務器，例如測試時采集的大量視頻通過網絡傳輸存儲在服務器當中，分析時再從服務器中提取。并且可以利用服務器進行視屏動作對比等需要大量運算的分析工作。

圖2示出了本發明模塊結構圖，其中包括：虛擬行駛場景快速構建模塊、多模式駕駛模擬控制模塊、路況情境設定模塊、駕駛員情景意識評定模塊。

虛擬行駛場景快速構建模塊，用于以模塊庫調用的方式快速構建人機工效研究所需的虛擬道路場景，場景類型可根據工效研究的需要選擇城市道路或高速道路，場景內的交通信號標識、車輛以及行人密度可根據工效研究需要設定。

多模式駕駛模擬控制模塊，可根據人機工效研究需要，選擇自動駕駛模式和手動駕駛模式，手動駕駛模式中還可以選擇自動擋駕駛方式和手動擋駕駛方式。

路況情境設定模塊，用于根據工效分析需求，設定突發路況情境，所述的突發路況情境全部取自日常駕駛車輛可能碰到的情景，主要情形包括：前方有車輛超車、前方有車輛急停、前方有突遇的行人或障礙物。

駕駛員情景意識評定模塊，用于對駕駛員在不同情境下的工效指標進行評定。包括以下至少一項：反應時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發狀況的成功率。

本實施例中，虛擬行駛場景快速構建模塊包含兩個子模塊：模擬行駛場景模塊庫和標牌模塊庫。模擬行駛場景模塊庫，用于存儲模擬道路場景，可根據人機工效研究的場景需要調用模塊庫快速構建城市道路場景或高速道路。標牌模塊庫，用于儲存道路標牌標志，針對不同道路類型，從標牌庫中選擇配置道路標牌標志。

本實施例中，多模式駕駛模擬控制模塊包含兩個部分：自動駕駛模擬模塊和手動駕駛模塊。自動駕駛模擬模塊通過預設行駛路徑軌跡、速度參數，達到虛擬場景下的自動行駛，虛擬場景的隨動方式由預設的行駛路徑軌跡、速度參數控制，操縱組件的模擬動作通過路徑和速度信號由伺服控制驅動。

上述伺服控制是采用伺服電機帶動駕駛盤、油門、剎車進行控制，在伺服電機軸上安裝力矩傳感器，實時檢測是否有力矩輸入，當力矩傳感器檢測到不等于伺服電機力矩時，切換為手動駕駛模擬模式，虛擬場景的隨動權限交還駕駛員，操縱組件的伺服驅動停止。

手動駕駛模擬模式可選擇自動擋方式和手動擋方式，選定具體操縱方式時，同步實現輸入類型的調定，與真實車的手動擋、自動擋結構形式相一致。

在本實施例的一些可選的實現方式中，上述駕駛員情景意識評定模塊可以包括：駕駛員動作監控和跟蹤捕捉子模塊和駕駛員行為分析子模塊。駕駛員動作監控和跟蹤捕捉子模塊，用于采集實驗時駕駛員測試全過程的數據，并且把駕駛員實驗時遇到突發情況反應動作，時間以及眼跳等數據記錄下來。動作監控和跟蹤捕捉子模塊包含兩個數據采集部分：

第一，視屏數據采集部分，利用搭載在模擬駕駛平臺上的監控攝像頭，采集測試時視屏數據，并記錄遇到突發情況時駕駛員的反應動作和時間；第二，眼部數據采集部分，利用眼動儀采集測試時駕駛員眼跳，瞳孔大小等數據。

駕駛員行為分析子模塊，用于根據上述動作監控和跟蹤捕捉子模塊采集的數據，提取駕駛員反應動作，并把駕駛員反應動作和正確反應動作做比較，同時分析駕駛員眼跳等數據，對駕駛員在突發情況下的行為做評定分析。評價參數包括以下至少一項：反應時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發狀況的成功率以及眼跳幅度和瞳孔情況。

在本實施例的一些可選的實現方式中，模擬駕駛平臺在虛擬場景中與標志標記之間通過坐標運算實現虛擬通訊，以標志標記為基點，當二者的橫坐標x之間的差值的絕對值和縱坐標y之間的差值絕對值小于設定值時，仿真計算機在虛擬場景中載入相關交通標記標志；當二者的橫坐標x之間的差值和縱坐標y之間的插值大于設定值時，仿真計算機在虛擬場景中卸載相關場景。動態加載和卸載，減少對服務器資源的占用和消耗。例如：設定x1-x2<=|50|,y1-y2<=|50|，即設置了一個以交通標志為中心的正四邊形區域，模擬駕駛平臺駛入這個區域時，仿真計算機在虛擬場景中載入該交通標記標志。

進一步參考圖3，所示位本發明可以應用于其中的示例性系統構架圖，包括：

1）快速構建用于人機工效研究所需的虛擬道路場景，所述的虛擬道路場景用來模擬真實的駕駛環境，包括虛擬道路、虛擬建筑、虛擬交通標志、以及虛擬車輛與行人等；虛擬仿真場景采用實時三維虛擬現實開發軟件vegaprime，車輛系統動力學模型采用matlab建立，控制vegaprime中的場景隨著模擬駕駛平臺操作而運行從而模擬車輛的運行環境。車輛動力學模型根據模擬駕駛平臺的轉向、加速、制動、離合等操作，把車輛動力學參數如發動機轉速、油耗、車速等信息發送給模擬駕駛平臺的儀表盤和服務器。

2）根據人機工效研究需要選擇駕駛模擬模式，所述駕駛模擬模式包括：自動駕駛模式和手動駕駛模式，手動駕駛模式中還可以選擇自動擋駕駛方式和手動擋駕駛方式。

自動駕駛模擬模塊通過預設行駛路徑軌跡、速度參數，達到虛擬場景下的自動行駛，虛擬場景的隨動方式由預設的行駛路徑軌跡、速度參數控制，操縱組件的模擬動作通過路徑和速度信號由伺服控制驅動。

所述的伺服控制是采用伺服電機帶動駕駛盤、油門、剎車進行控制，在伺服電機軸上安裝力矩傳感器，實時檢測是否有力矩輸入，當力矩傳感器檢測到不等于伺服電機力矩時，切換為手動駕駛模擬模式，虛擬場景的隨動權限交還駕駛員，操縱組件的伺服驅動停止。

手動駕駛模擬模式可選擇自動擋方式和手動擋方式，選定具體操縱方式時，同步實現輸入類型的調定，與真實車的手動擋、自動擋結構形式相一致。

3）根據工效分析需求，設定突發路況情境，主要情境包括在自動或手動駕駛模擬過程中動態載入同向行駛車輛超車并通過變道并入模擬駕駛車輛所在車道、前方行駛車輛發生急停、行駛前方特定距離載入虛擬行人或障礙物等等；所述的突發路況情境可在突發路況情境以聲音方式、顯示方式及聲音與顯示同時予以告警，顯示方式涉及在儀表板設定告警不同編碼方式。

4）駕駛員情景意識評定，根據上述設定的不同的路況情境，對駕駛員的工效指標進行評定，工效指標包括以下至少一項：反應時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發狀況的成功率以及遇到突發情況時駕駛員的眼跳幅度、瞳孔大小等數據。

所述的反應時間、動作延時時間是通過在系統時間軸線上進行標定；所述的動作準確度是由駕駛員動作監控和跟蹤捕捉子模塊進行視屏數據采集，并且提取駕駛員的反應動作，把駕駛員反應動作和正確反應動作做對比，由駕駛員行為分析子模塊進行分析；所述的化解突發狀況的成功率是成功完成駕駛任務與試驗總次數的比率的統計；所述的眼跳幅度和瞳孔大小由眼動儀測量而來，根據眼跳幅度和瞳孔大小等眼動指標情況判斷駕駛員遭遇突發情況時的心理變化情況。圖4為本發明一個實例性評價指標表。

本文中所描述的具體實施例，僅僅是對本發明精神作舉例說明，本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。