一种面向工效评定的多模式驾驶模拟系统及其评定方法与流程

本发明属于人机工效技术领域，涉及一种面向工效评定的多模式驾驶模拟系统及方法。

背景技术：

模拟驾驶技术在国外最早应用于航空领域，随着计算机图形技术的快速发展，模拟驾驶已广泛应用于地面汽车、轨道交通驾驶领域。通过驾驶模拟设备可以对运动性能进行分析或用于驾驶培训，以提高驾驶员-车辆-环境交互的安全性。

国际上主流的汽车生产厂家均投入大量的资金设备用于车辆模拟驾驶设备的研发工作。上个世纪90年代初，日本马自达汽车开发了针对跑车的六自由度模拟驾驶系统，能逼真地模拟车辆动力学特性。美国福特汽车公司也展开对模拟驾驶系统的研究。随着计算机、网络和传感技术的飞速发展，世界各大汽车公司和研究机构都在致力于模拟驾驶系统的独立研究和开发，不断提高车辆动力学仿真性能，提高视景模块的逼真度。我国驾驶模拟器的产生和发展最早是从引进国外产品开始，后期紧跟国际开始仿真领域主流技术进入快速发展阶段，目前已在驾驶操作培训中得到一定程度的应用。然而，在驾驶工效研究领域，缺乏有效的面向人机工效试验的驾驶模拟平台，特别是随着自动驾驶技术的兴起，急需能够支撑工效评定的多模式驾驶模拟系统和技术。

技术实现要素：

本发明针对目前缺少支持面向工效评定的多模式驾驶模拟系统及方法的有效技术手段的问题，发明一种面向工效评定的多模式驾驶模拟系统及其评定方法，通过该系统能够有效支撑多模式驾驶条件下的工效分析和评定，为提高多模式驾驶的工效水平提供重要技术支持。

本发明的技术方案为：一种面向工效评定的多模式驾驶模拟系统，其特征在于，所述系统包括：虚拟行驶场景快速构建模块、多模式驾驶模拟控制模块、路况情境设定模块、驾驶员情景意识评定模块；

所述虚拟行驶场景快速构建模块，用于快速构建人机工效研究所需的虚拟道路场景，场景类型可根据工效研究的需要选择城市道路或高速道路，场景内的交通信号标识、车辆以及行人密度可根据工效研究需要设定（虚拟行驶场景快速构建模块以模型库调用的方式快速构建道路场景，根据人机工效研究的场景需要构建城市道路或高速行驶道路，针对不同道路类型，从标牌库中选择配置道路标牌标志）；

所述多模式驾驶模拟控制模块，包括自动驾驶模拟模块、手动驾驶模拟模块，可根据人机工效研究需要，选择自动驾驶模式和手动驾驶模式，手动驾驶模式中还设有自动挡驾驶方式和手动挡驾驶方式；

所述路况情境设定模块，用于根据工效分析需求，设定突发路况情境；所述驾驶员情景意识评定模块，用于对驾驶员在不同情境下的工效指标进行评定。

进一步地，所述虚拟行驶场景快速构建模块包括：模拟行驶场景模块库、标牌模块库；所述模拟行驶场景模块库，用于存储模拟道路场景，可根据人机工效研究的场景需要调用模块库快速构建城市道路场景或高速道路；所述标牌模块库，用于储存道路标牌标志，针对不同道路类型，从标牌库中选择配置道路标牌标志。

进一步地，多模式驾驶模拟控制模块中，所述自动驾驶模拟模块通过预设行驶路径轨迹、速度参数，达到虚拟场景下的自动行驶，虚拟场景的随动方式由预设的行驶路径轨迹、速度参数控制，操纵组件的模拟动作通过路径和速度信号由伺服控制驱动；

所述的伺服控制是采用伺服电机带动驾驶盘、油门、刹车进行控制，在伺服电机轴上安装力矩传感器，实时检测是否有力矩输入，当力矩传感器检测到不等于伺服电机力矩时，切换为手动驾驶模拟模式，虚拟场景的随动权限交还驾驶员，操纵组件的伺服驱动停止；

所述的手动驾驶模拟模块可选择自动挡方式和手动挡方式，选定具体操纵方式时，同步实现输入类型的调定，与真实车的手动挡、自动挡结构形式相一致。

进一步地，所述的路况情境设定模块可根据工效分析需求，设定突发路况情境，包括在自动或手动驾驶模拟过程中动态载入同向行驶车辆超车并通过变道并入模拟驾驶车辆所在车道、前方行驶车辆发生急停、行驶前方特定距离载入虚拟行人或障碍物。

进一步地，所述的驾驶员情景意识评定模块包括：驾驶员动作监控和跟踪捕捉子模块、驾驶员行为分析子模块；

所述驾驶员动作监控和跟踪捕捉子模块，用于采集实验时驾驶员测试全过程的数据，并且把驾驶员实验时遇到突发情况反应动作、时间以及眼跳等数据记录下来；

驾驶员动作监控和跟踪捕捉子模块包含两个数据采集部分：第一，视屏数据采集部分，利用搭载在平台上的监控摄像头，采集测试时视屏数据，并记录遇到突发情况时驾驶员的反应动作和时间；第二，眼部数据采集部分，利用眼动仪采集测试时驾驶员眼跳、瞳孔大小等数据；

所述驾驶员行为分析子模块，用于根据上述动作监控和跟踪捕捉子模块采集的数据，提取驾驶员反应动作，并把驾驶员反应动作和正确反应动作做比较，同时分析驾驶员眼跳等数据，对驾驶员在突发情况下的行为做评定分析，评价参数包括以下至少一项：反应时间、动作延时时间、动作准确度、化解突发状况的成功率以及眼跳幅度和瞳孔情况。

进一步地，所述的虚拟行驶场景快速构建模块中的道路标牌标志（标记标志），在模拟驾驶过程中，标记标志能够与车体进行虚拟通讯，在驶向道路标牌标志时，当获得其与车体距离在设定范围内时加载入场景中，驶离时当超出其与车体距离在设定范围内时予以卸载，实现动态加载和卸载，减少对仿真计算机资源的占用和消耗。

一种面向工效评定的多模式驾驶模拟系统的评定方法，其特征在于，所述方法包括：

1）快速构建用于人机工效研究所需的虚拟道路场景，所述的虚拟道路场景用来模拟真实的驾驶环境，包括虚拟道路、虚拟建筑、虚拟交通标志以及虚拟车辆与行人；

2）根据人机工效研究需要选择驾驶模拟模式，所述驾驶模拟模式包括：自动驾驶模式和手动驾驶模式，手动驾驶模式中还可以选择自动挡驾驶方式和手动挡驾驶方式；

3）根据工效分析需求，设定突发路况情境，主要情境包括在自动或手动驾驶模拟过程中动态载入同向行驶车辆超车并通过变道并入模拟驾驶车辆所在车道、前方行驶车辆发生急停、行驶前方特定距离载入虚拟行人或障碍物；所述的突发路况情境可在突发路况情境以声音方式、显示方式及声音与显示同时予以告警，显示方式涉及在仪表板设定告警不同编码方式；

4）驾驶员情景意识评定，根据上述设定的不同的路况情境下驾驶员应对突发问题的处置情况，对驾驶员的工效指标进行评定，工效指标包括以下至少一项：反应时间、动作延时时间、动作准确度、化解突发状况的成功率以及遇到突发情况时驾驶员的眼跳幅度、瞳孔大小。

进一步地，所述的快速构建根据人机工效研究的虚拟道路场景需要，以模型库调用的方式快速构建城市道路或高速行驶道路，针对不同道路类型，从标牌库中选择配置道路标牌标志。

进一步地，所述的自动驾驶模拟模式通过预设行驶路径轨迹、速度参数，达到虚拟场景下的自动行驶，虚拟场景的随动方式由预设的行驶路径轨迹、速度参数控制，操纵组件的模拟动作通过路径和速度信号由伺服控制驱动；

所述的伺服控制是采用伺服电机带动驾驶盘、油门、刹车进行控制，在伺服电机轴上安装力矩传感器，实时检测是否有力矩输入，当力矩传感器检测到不等于伺服电机力矩时，切换为手动驾驶模拟模式，虚拟场景的随动权限交还驾驶员，操纵组件的伺服驱动停止；

所述的手动驾驶模拟模式可选择自动挡方式和手动挡方式，选定具体操纵方式时，同步实现输入类型的调定，与真实车的手动挡、自动挡结构形式相一致。

进一步地，步骤4）中，所述的反应时间、动作延时时间是通过在系统时间轴线上进行标定；

所述的动作准确度是由驾驶员动作监控和跟踪捕捉子模块进行视屏数据采集，并且提取驾驶员的反应动作，把驾驶员反应动作和正确反应动作做对比，由驾驶员行为分析子模块进行分析；

所述的化解突发状况的成功率是成功完成驾驶任务与试验总次数的比率的统计；

所述的眼跳幅度和瞳孔大小由眼动仪测量而来，根据眼跳幅度和瞳孔大小等眼动指标情况判断驾驶员遭遇突发情况时的心理变化情况。

本发明针对目前缺少支持面向工效评定的多模式驾驶模拟系统及方法的有效技术手段的问题，发明一种面向工效评定的多模式驾驶模拟系统及方法，通过该系统能够有效支撑多模式驾驶条件下的工效分析和评定，为提高多模式驾驶的工效水平提供重要技术支持。该系统能够有效支撑多模式驾驶条件下的工效分析和评定，为提高多模式驾驶的工效水平提供重要技术支持。在自动驾驶技术日趋完善的基础上，本发明将有广阔的市场。

附图说明：

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为本发明一个实施例模块结构图（即本发明系统模块图）；

图3为本发明可以应用于其中的示例性系统构架图（即本发明评定方法流程图）；

图4为本发明一个实例性评价指标表。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需说明的是，为了方便描述，附图中仅示了与发明有关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图及实施例详细说明本发明。

图1示出了可以应用本发明的用于控制面向工效评定的多模式驾驶模拟系统实施例的结构示意图。

如图1所示，结构示意图包括多模式驾驶模拟平台、服务器、监控摄像头、眼动仪、虚拟场景显示器、监控显示器，以及连接以上个组成部分的网络。网络用以在服务器与多模式驾驶模拟平台、监控摄像头、眼动仪、虚拟场景显示器和监控显示器之间提供数据通信。网络可以包含各种连接类型，例如有线、无线通信或者光纤电缆等。

多模式驾驶平台通过网络和服务器之间交互，以接受或者发送数据消息。手动驾驶模式下，驾驶员对多模式驾驶模拟平台方向盘和脚踏板的操作转化为数据信号通过网络传递给服务器，服务器根据数据信号控制虚拟行驶场景随动；自动驾驶模式下，根据预设的行驶路径轨迹，服务器向驾驶模拟平台发送数据信号，控制与方向盘相连的伺服电机驱动。

服务器可用于构建虚拟行驶场景，根据工效评定要求选择完相应的虚拟场景，服务器根据虚拟行驶场景快速构建模块的指令，加载场景数据，并且把图像通过网络发送到由多台液晶显示屏或者投影仪组成的外接显示设备上。服务器还可提供模拟驾驶平台在虚拟场景中的位置，速度等信息。

服务器可以是提供测试时数据存储和分析的服务器，例如测试时采集的大量视频通过网络传输存储在服务器当中，分析时再从服务器中提取。并且可以利用服务器进行视屏动作对比等需要大量运算的分析工作。

图2示出了本发明模块结构图，其中包括：虚拟行驶场景快速构建模块、多模式驾驶模拟控制模块、路况情境设定模块、驾驶员情景意识评定模块。

虚拟行驶场景快速构建模块，用于以模块库调用的方式快速构建人机工效研究所需的虚拟道路场景，场景类型可根据工效研究的需要选择城市道路或高速道路，场景内的交通信号标识、车辆以及行人密度可根据工效研究需要设定。

多模式驾驶模拟控制模块，可根据人机工效研究需要，选择自动驾驶模式和手动驾驶模式，手动驾驶模式中还可以选择自动挡驾驶方式和手动挡驾驶方式。

路况情境设定模块，用于根据工效分析需求，设定突发路况情境，所述的突发路况情境全部取自日常驾驶车辆可能碰到的情景，主要情形包括：前方有车辆超车、前方有车辆急停、前方有突遇的行人或障碍物。

驾驶员情景意识评定模块，用于对驾驶员在不同情境下的工效指标进行评定。包括以下至少一项：反应时间、动作延时时间、动作准确度、化解突发状况的成功率。

本实施例中，虚拟行驶场景快速构建模块包含两个子模块：模拟行驶场景模块库和标牌模块库。模拟行驶场景模块库，用于存储模拟道路场景，可根据人机工效研究的场景需要调用模块库快速构建城市道路场景或高速道路。标牌模块库，用于储存道路标牌标志，针对不同道路类型，从标牌库中选择配置道路标牌标志。

本实施例中，多模式驾驶模拟控制模块包含两个部分：自动驾驶模拟模块和手动驾驶模块。自动驾驶模拟模块通过预设行驶路径轨迹、速度参数，达到虚拟场景下的自动行驶，虚拟场景的随动方式由预设的行驶路径轨迹、速度参数控制，操纵组件的模拟动作通过路径和速度信号由伺服控制驱动。

上述伺服控制是采用伺服电机带动驾驶盘、油门、刹车进行控制，在伺服电机轴上安装力矩传感器，实时检测是否有力矩输入，当力矩传感器检测到不等于伺服电机力矩时，切换为手动驾驶模拟模式，虚拟场景的随动权限交还驾驶员，操纵组件的伺服驱动停止。

手动驾驶模拟模式可选择自动挡方式和手动挡方式，选定具体操纵方式时，同步实现输入类型的调定，与真实车的手动挡、自动挡结构形式相一致。

在本实施例的一些可选的实现方式中，上述驾驶员情景意识评定模块可以包括：驾驶员动作监控和跟踪捕捉子模块和驾驶员行为分析子模块。驾驶员动作监控和跟踪捕捉子模块，用于采集实验时驾驶员测试全过程的数据，并且把驾驶员实验时遇到突发情况反应动作，时间以及眼跳等数据记录下来。动作监控和跟踪捕捉子模块包含两个数据采集部分：

第一，视屏数据采集部分，利用搭载在模拟驾驶平台上的监控摄像头，采集测试时视屏数据，并记录遇到突发情况时驾驶员的反应动作和时间；第二，眼部数据采集部分，利用眼动仪采集测试时驾驶员眼跳，瞳孔大小等数据。

驾驶员行为分析子模块，用于根据上述动作监控和跟踪捕捉子模块采集的数据，提取驾驶员反应动作，并把驾驶员反应动作和正确反应动作做比较，同时分析驾驶员眼跳等数据，对驾驶员在突发情况下的行为做评定分析。评价参数包括以下至少一项：反应时间、动作延时时间、动作准确度、化解突发状况的成功率以及眼跳幅度和瞳孔情况。

在本实施例的一些可选的实现方式中，模拟驾驶平台在虚拟场景中与标志标记之间通过坐标运算实现虚拟通讯，以标志标记为基点，当二者的横坐标x之间的差值的绝对值和纵坐标y之间的差值绝对值小于设定值时，仿真计算机在虚拟场景中载入相关交通标记标志；当二者的横坐标x之间的差值和纵坐标y之间的插值大于设定值时，仿真计算机在虚拟场景中卸载相关场景。动态加载和卸载，减少对服务器资源的占用和消耗。例如：设定x1-x2<=|50|,y1-y2<=|50|，即设置了一个以交通标志为中心的正四边形区域，模拟驾驶平台驶入这个区域时，仿真计算机在虚拟场景中载入该交通标记标志。

进一步参考图3，所示位本发明可以应用于其中的示例性系统构架图，包括：

1）快速构建用于人机工效研究所需的虚拟道路场景，所述的虚拟道路场景用来模拟真实的驾驶环境，包括虚拟道路、虚拟建筑、虚拟交通标志、以及虚拟车辆与行人等；虚拟仿真场景采用实时三维虚拟现实开发软件vegaprime，车辆系统动力学模型采用matlab建立，控制vegaprime中的场景随着模拟驾驶平台操作而运行从而模拟车辆的运行环境。车辆动力学模型根据模拟驾驶平台的转向、加速、制动、离合等操作，把车辆动力学参数如发动机转速、油耗、车速等信息发送给模拟驾驶平台的仪表盘和服务器。

2）根据人机工效研究需要选择驾驶模拟模式，所述驾驶模拟模式包括：自动驾驶模式和手动驾驶模式，手动驾驶模式中还可以选择自动挡驾驶方式和手动挡驾驶方式。

自动驾驶模拟模块通过预设行驶路径轨迹、速度参数，达到虚拟场景下的自动行驶，虚拟场景的随动方式由预设的行驶路径轨迹、速度参数控制，操纵组件的模拟动作通过路径和速度信号由伺服控制驱动。

所述的伺服控制是采用伺服电机带动驾驶盘、油门、刹车进行控制，在伺服电机轴上安装力矩传感器，实时检测是否有力矩输入，当力矩传感器检测到不等于伺服电机力矩时，切换为手动驾驶模拟模式，虚拟场景的随动权限交还驾驶员，操纵组件的伺服驱动停止。

手动驾驶模拟模式可选择自动挡方式和手动挡方式，选定具体操纵方式时，同步实现输入类型的调定，与真实车的手动挡、自动挡结构形式相一致。

3）根据工效分析需求，设定突发路况情境，主要情境包括在自动或手动驾驶模拟过程中动态载入同向行驶车辆超车并通过变道并入模拟驾驶车辆所在车道、前方行驶车辆发生急停、行驶前方特定距离载入虚拟行人或障碍物等等；所述的突发路况情境可在突发路况情境以声音方式、显示方式及声音与显示同时予以告警，显示方式涉及在仪表板设定告警不同编码方式。

4）驾驶员情景意识评定，根据上述设定的不同的路况情境，对驾驶员的工效指标进行评定，工效指标包括以下至少一项：反应时间、动作延时时间、动作准确度、化解突发状况的成功率以及遇到突发情况时驾驶员的眼跳幅度、瞳孔大小等数据。

所述的反应时间、动作延时时间是通过在系统时间轴线上进行标定；所述的动作准确度是由驾驶员动作监控和跟踪捕捉子模块进行视屏数据采集，并且提取驾驶员的反应动作，把驾驶员反应动作和正确反应动作做对比，由驾驶员行为分析子模块进行分析；所述的化解突发状况的成功率是成功完成驾驶任务与试验总次数的比率的统计；所述的眼跳幅度和瞳孔大小由眼动仪测量而来，根据眼跳幅度和瞳孔大小等眼动指标情况判断驾驶员遭遇突发情况时的心理变化情况。图4为本发明一个实例性评价指标表。

本文中所描述的具体实施例，仅仅是对本发明精神作举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。