驾驶员驾驶特性数据采集实验台及其换道数据采集方法与流程

本发明属于汽车实验领域，具体的说是一种驾驶员驾驶特性数据采集实验台及其换道数据采集方法。

背景技术：

在各种交通事故的原因中，人为因素是最主要的因素，因此研究行车过程中驾驶人的意图、基于大量采集的驾驶员特性数据分析，对驾驶人进行安全教育和心理疏导，提高行车安全系、保证道路畅通有着重要意义，同时也能丰富无人驾驶理论，为智能汽车的设计方案提供数据支撑。现有的基于实车的数据采集装置成本高昂、而且风险性大，某些极端工况不能实现；已有的模拟采集装置所采集驾驶员特性数据种类单一，大都集中在驾驶员手脚以及汽车的特性参数，而缺少针对驾驶员本身生物特性数据如生物电信号、心率和头部、眼球运动等数据的采集，但驾驶行为受多方面因素影响，驾驶员自身的生物特性数据也很具有研究价值。

汽车换道作为汽车驾驶过程中的最常见的操作，可以作为研究驾驶员驾驶行为基本样例，来探究驾驶员驾驶行为的一般特性。

技术实现要素：

本发明为解决上述现有技术存在的不足之处，提供一种驾驶员驾驶特性数据采集实验台及其换道数据采集方法，以期能够模拟不同的驾驶工况，合理采集驾驶员驾驶过程中的操纵信号、心率和生物电信号、头部以及眼球动作信号等数据，从而实现驾驶员驾驶特性的多样化采集的同时，能够有效减少冗余数据的采集，避免采集数据过大，并减小试验台运行负荷和数据的存储难度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种驾驶员驾驶特性数据采集实验台的特点包括：驾驶操纵机构、操纵信号传感器、心率传感器、生物电信号传感器、头部及眼球动作捕捉设备、路感模拟电机、实时动力学仿真装置和数据采集卡；

驾驶操纵机构包括：转向灯拨杆、方向盘、油门踏板、座椅、档位、刹车踏板和档位操作杆；

操纵信号传感器包括：档位位置检测器、制动板位移/制动力传感器、油门踏板速度传感器、方向盘转角传感器、转向灯前照灯位置传感器、转向轴力矩传感器；

档位位置检测器设置在档位的操作杆上，制动板位移/制动力传感器设置在刹车踏板上，油门踏板速度传感器设置在油门踏板上，方向盘转角传感器、转向轴力矩传感器和路感模拟电机依次设置在方向盘的支撑柱上，转向灯前照灯位置传感器设置在转向灯拨杆上；

心率传感器设置在方向盘上，生物电信号传感器设置在座椅上；在座椅的前方设置有驾驶模拟显示器；

头部及眼球动作捕捉设备包括：用于捕捉头部运动的摄像头以及用于捕捉眼球运动的眼动仪；摄像头设置在驾驶模拟显示器的正上方，眼动仪设置在驾驶模拟显示器两侧的可调节支撑座上；

实时动力学仿真装置包括：信号转接板、电脑主机、调试显示器、半物理仿真控制器及试验调试工具；信号转接板分别与电脑主机和数据采集卡相连，用于信号转接和传输；

操纵信号传感器获取操纵特性数据并传递给信号转接板用于提供给电脑主机进行动力学仿真，并生成实时仿真程序后下载到半物理仿真控制器中，试验调试工具用于对下载后的实时仿真程序进行调试；同时信号转接板把驾驶员操纵特性数据传递给数据采集卡采集并存储到电脑主机中，所述半物理仿真控制器运行调试后的实时仿真程序并生成电流控制信号和模拟控制信号，所述电流控制信号用于控制路感模拟电机；所述模拟控制信号用于控制数据采集卡对头部及眼球动作捕捉设备的采集频率。

本发明一种基于驾驶员驾驶特性数据采集实验台的换道数据采集方法的特点是按照如下步骤进行的：

步骤1、行驶工况识别：

转向灯前照灯位置传感器检测转向灯拨杆的位置信号，并发送给半物理仿真控制器进行比较，若转向灯拨杆的位置信号偏离中间位置，则半物理仿真控制器判定此时的行驶工况为正常换道准备阶段，半物理仿真控制器设置数据采集卡的采集频率为M₂₀；并执行步骤；否则，执行步骤。

步骤2、方向盘转角传感器检测方向盘的方向盘转动角度θ并发送给半物理仿真控制器进行比较，

判断|θ|∈[θ₁,θ₂)是否成立，若成立，则判定正常换道过程为缓慢换道；半物理仿真控制器设置数据采集卡的采集频率为M₂₁；否则，

判断|θ|∈[θ₂,θ₃)是否成立，若成立，则判定正常换道过程为中等速度换道；半物理仿真控制器设置数据采集卡的采集频率为M₂₂；否则，

判断若|θ|∈[θ₃,θ₄)是否成立，若成立，则判定正常换道过程为快速换道；半物理仿真控制器设置数据采集卡的采集频率为M₂₃；其中，θ₁、θ₂、θ₃均为与汽车行驶速度V成正比的动态参数；并有：θ₁＝k₁V，θ₂＝k₂V，θ₃＝k₃V，k₁、k₂、k₃为正系数，V为模拟汽车行驶速度；且k₁＜k₂＜k₃；θ₄为方向盘向左或向右能够转动的最大角度；否则，|θ|∈(0,θ₁)表示汽车仍然处于换道准备阶段，保持数据采集卡的采集频率为M₂₀；

步骤3、当方向盘转动的角度θ≥θ₁之后，半物理仿真控制器继续接受方向盘的角度信号。半物理仿真控制器判断方向盘的方向盘转动角度θ＝0是否成立，若成立，则表示换道结束，经过T₁秒后方向盘回正，半物理仿真控制器设置数据采集卡的采集频率为M₁；

步骤4、方向盘转角传感器检测方向盘的角速度和角加速度ω并发送给半物理仿真控制器进行比较，

判断且ω≥ω₁是否成立，若成立，则判定行驶工况为紧急换道，半物理仿真控制器控制数据采集卡的采集频率为M₃，并返回步骤执行；否则，表示行驶工况为不换道行驶，半物理仿真控制器设置数据采集卡的采集频率为M₁。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明装置能够采集驾驶员驾驶过程中的操纵信号、心率和生物电信号、头部以及眼球动作信号等多种信号数据，解决了传统模拟驾驶装置采集的信号数据的单一性，能够为研究驾驶员驾驶过程中身体机能的变化情况提供相关数据。

2.本发明装置所采用的汽车仿真软件不限于Carsim，因此可以提供针对复杂的交通场景的仿真工况如：红绿灯交叉路口等车辆较多交通场景，具有运动状态的交通对象如行人、车辆等，从而能够采集不同路况的、更加全面的驾驶员的驾驶特性信息。

3.本发明装置以操纵机构信号作为开关器，由半物理仿真控制器控制头部和眼球动作信号的采集频率M₁，M₂，M₂₁，M₂₂，M₂₃，M₃的不同，有效减少了冗余信号的采集，减小了试验台运行负载和数据的存储难度。

4.本发明方法以转向灯拨杆位置变化到方向盘开始转动相应的角度这段时间作为换道的准备阶段，方向盘开始转动相应的角度到方向盘回正这段时间作为换道的操作过程，方向盘回正后T₁秒作为换道结尾阶段，细致的划分了整个换道过程，通过设置不同的采集频率，提高了采集的换道数据的准确性。

5.本发明方法将方向盘转动角度划分成不同区间，对正常变换车道实施阶段的快慢方式进行区别；同时用于区间的端点值θ₁、θ₂、θ₃与模拟汽车行驶速度成正比，能够快速、准确的来判别驾驶员换道的速度方式。

6.本发明方法在判断驾驶员是否处于紧急换道时，采用同时限定方向盘转动的角速度和角加速的方式来进行判别，有效的提高了驾驶员行驶工况的识别的准确性。

附图说明

图1为本发明数据采集实验台整体结构；

图2为本发明传感器布置图；

图3为本发明路感模拟装置图；

图4为本发明正常变换车道工况下数据采集方法流程图；

图5为本发明紧急变换车道工况下数据采集方法流程图；

图6为本发明不换道行驶工况下数据采集方法流程图；

图1中标号：101驾驶模拟显示器、102转向灯拨杆、103方向盘、104油门踏板、105座椅、106档位、107刹车踏板、108档位操作杆、109信号转接板、111数据采集卡、112可调节支撑座、113眼动仪、114摄像头、115半物理仿真控制器及试验调试工具。

图2中标号：301方向盘孔、302心率传感器、303生物电信号传感器、304制动板位移/制动力传感器、305油门踏板速度传感器、306档位位置检测器、307座椅孔、308转向灯前照灯位置传感器。

图3中标号：103方向盘、402方向盘转角传感器、403转向轴力矩传感器、404转向柱套、405路感模拟电机。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种驾驶员驾驶特性数据采集实验台，包括：驾驶操纵机构、操纵信号传感器、心率传器302、生物电信号传感器303、头部及眼球动作捕捉设备、路感模拟电机405、实时动力学仿真装置和数据采集卡111；

如图1所示，驾驶操纵机构包括：转向灯拨杆102、方向盘103、油门踏板104、座椅105、档位106、刹车踏板107和档位操作杆；操纵信号传感器包括：档位位置检测器306、制动板位移/制动力传感器304、油门踏板速度传感器305、方向盘转角传感器402、转向灯前照灯位置传感器308、转向轴力矩传感器403；

如图2所示，档位位置检测器306设置在档位106的操作杆上，制动板位移/制动力传感器304设置在刹车踏板107上，油门踏板速度传感器305设置在油门踏板104上，如图3所示，方向盘转角传感器402、转向轴力矩传感器403和路感模拟电机405依次设置在方向盘103的支撑柱上，转向灯前照灯位置传感器308设置在转向灯拨杆102上；

心率传感器302设置在方向盘103上，生物电信号传感器303设置在座椅105上；在座椅105的前方设置有驾驶模拟显示器101；

头部及眼球动作捕捉设备包括：用于捕捉头部运动的摄像头114以及用于捕捉眼球运动的眼动仪113；摄像头114设置在驾驶模拟显示器101的正上方，眼动仪113设置在驾驶模拟显示器101两侧的可调节支撑座112上；

实时动力学仿真装置包括：信号转接板109、电脑主机108、调试显示器110、半物理仿真控制器及试验调试工具115；信号转接板109分别与电脑主机108和数据采集卡111相连，用于信号转接和传输；

实验中设置好仿真参数，以及所需的实验工况，连接好各个传感器，调试好模拟驾驶系统。为驾驶员配戴分别设置在座椅孔307、方向盘孔301中的心率传感器302、生物电信号传感器303。实验驾驶员进行模拟驾驶。

驾驶过程中驾驶员观察模拟驾驶显示器中车辆运动状态以及道路状况，操纵方向灯拨杆102、方向盘103、油门踏板104、档位106、刹车踏板107，控制汽车仿真模型在设定的仿真道路上行驶；

操纵信号传感器获取驾驶员操纵特性数据并传递给信号转接板109用于提供给电脑主机108进行动力学仿真，并生成实时仿真程序后下载到半物理仿真控制器中，试验调试工具115用于对下载后的实时仿真程序进行调试，同时信号转接板109把驾驶员操纵特性数据传递给数据采集卡111采集并存储到电脑主机108中；半物理仿真控制器运行调试后的实时仿真程序，并生成电流控制信号用于控制路感模拟电机405，以及模拟控制信号用于控制数据采集卡111对头部及眼球动作捕捉设备的采集频率，并将采集到的驾驶员头部和眼球运动特性数据存储到电脑主机108中。在整个模拟驾驶过程中，心率传感器和生物电传感器将驾驶员身体特性数据传递到数据采集卡111，并由其采集后存储到电脑主机108中。

本实施例中，一种基于驾驶员驾驶特性数据采集实验台的换道数据采集方法是按照不同的行驶工况控制试验台执行不同的信号采集频率，采集驾驶员心率生物电信号及头部和眼球运动信号。行驶工况分别为：1不换道行驶，采集频率为M₁；2正常变换车道准备阶段，采集频率为M₂；正常变换车道实施阶段(缓慢换道，采集频率为M₂₀，中等速度换道，采集频率为M₂₁，快速换道，采集频率为M₂₂三种方式)；3.紧急变换车道，采集频率为M₃。具体的说，如图4所示，是按照如下步骤进行的：

步骤1、行驶工况识别：

转向灯前照灯位置传感器308检测转向灯拨杆的位置信号，并发送给半物理仿真控制器进行比较，若转向灯拨杆的位置信号偏离中间位置，则半物理仿真控制器判定此时的行驶工况为正常换道准备阶段，半物理仿真控制器设置数据采集卡111的采集频率为M₂₀；并执行步骤2；否则，执行步骤4。

步骤2、方向盘转角传感器402检测方向盘103的方向盘转动角度θ并发送给半物理仿真控制器进行比较，

判断|θ|∈[θ₁,θ₂)是否成立，若成立，则判定正常换道过程为缓慢换道；半物理仿真控制器设置数据采集卡(111)的采集频率为M₂₁；否则，

判断|θ|∈[θ₂,θ₃)是否成立，若成立，则判定正常换道过程为中等速度换道；半物理仿真控制器设置数据采集卡111的采集频率为M₂₂；否则，

判断若|θ|∈[θ₃,θ₄)是否成立，若成立，则判定正常换道过程为快速换道；半物理仿真控制器设置数据采集卡111的采集频率为M₂₃；其中，θ₁、θ₂、θ₃均为与汽车行驶速度V成正比的动态参数；并有：θ₁＝k₁V，θ₂＝k₂V，θ₃＝k₃V，k₁、k₂、k₃为正系数；且k₁＜k₂＜k₃；θ₄为方向盘单向能够转动的最大角度；否则，|θ|∈(0,θ₁)表示汽车仍然处于换道准备阶段，保持数据采集卡111的采集频率为M₂₀；

步骤3、当方向盘转动的角度θ≥θ₁之后，半物理仿真控制器接受方向盘的角度信号，判方向盘103的方向盘转动角度θ＝0是否成立，若成立，则表示方向盘103回正，换道结束；经过T₁秒后，半物理仿真控制器设置数据采集卡111的采集频率为M₁；通常取T₁＝3；

步骤4、方向盘转角传感器402检测方向盘103的角速度和角加速度ω并发送给半物理仿真控制器进行比较，

如图5所示，判断且ω≥ω₁是否成立，若成立，则判定行驶工况为紧急换道，半物理仿真控制器控制数据采集卡111的采集频率为M₃，并返回步骤3执行；否则如图6所示，表示行驶工况为不换道行驶，半物理仿真控制器设置数据采集卡111的采集频率为M₁。

通过尝试各频率有以下关系效果较好：

M₂₀＝1.8M₁，M₂₁＝1.25M₂₀，M₂₂＝1.5M₂₀，M₂₃＝1.8M₂₀，M₃₀＝2.5M₂₀。