本發(fā)明屬于人機工效技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

模擬駕駛技術(shù)在國外最早應(yīng)用于航空領(lǐng)域，隨著計算機圖形技術(shù)的快速發(fā)展，模擬駕駛已廣泛應(yīng)用于地面汽車、軌道交通駕駛領(lǐng)域。通過駕駛模擬設(shè)備可以對運動性能進行分析或用于駕駛培訓(xùn)，以提高駕駛員-車輛-環(huán)境交互的安全性。

國際上主流的汽車生產(chǎn)廠家均投入大量的資金設(shè)備用于車輛模擬駕駛設(shè)備的研發(fā)工作。上個世紀90年代初，日本馬自達汽車開發(fā)了針對跑車的六自由度模擬駕駛系統(tǒng)，能逼真地模擬車輛動力學(xué)特性。美國福特汽車公司也展開對模擬駕駛系統(tǒng)的研究。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)和傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各大汽車公司和研究機構(gòu)都在致力于模擬駕駛系統(tǒng)的獨立研究和開發(fā)，不斷提高車輛動力學(xué)仿真性能，提高視景模塊的逼真度。我國駕駛模擬器的產(chǎn)生和發(fā)展最早是從引進國外產(chǎn)品開始，后期緊跟國際開始仿真領(lǐng)域主流技術(shù)進入快速發(fā)展階段，目前已在駕駛操作培訓(xùn)中得到一定程度的應(yīng)用。然而，在駕駛工效研究領(lǐng)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(shù)的興起，急需能夠支撐工效評定的多模式駕駛模擬系統(tǒng)和技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)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(tǒng)及方法的有效技術(shù)手段的問題，發(fā)明一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統(tǒng)及其評定方法，通過該系統(tǒng)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(shù)支持。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：虛擬行駛場景快速構(gòu)建模塊、多模式駕駛模擬控制模塊、路況情境設(shè)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(gòu)建模塊，用于快速構(gòu)建人機工效研究所需的虛擬道路場景，場景類型可根據(jù)工效研究的需要選擇城市道路或高速道路，場景內(nèi)的交通信號標識、車輛以及行人密度可根據(jù)工效研究需要設(shè)定（虛擬行駛場景快速構(gòu)建模塊以模型庫調(diào)用的方式快速構(gòu)建道路場景，根據(jù)人機工效研究的場景需要構(gòu)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(jù)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(shè)有自動擋駕駛方式和手動擋駕駛方式；

所述路況情境設(shè)定模塊，用于根據(jù)工效分析需求，設(shè)定突發(fā)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(gòu)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(jù)人機工效研究的場景需要調(diào)用模塊庫快速構(gòu)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(yù)設(shè)行駛路徑軌跡、速度參數(shù)，達到虛擬場景下的自動行駛，虛擬場景的隨動方式由預(yù)設(shè)的行駛路徑軌跡、速度參數(shù)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(qū)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(quán)限交還駕駛員，操縱組件的伺服驅(qū)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(xiàn)輸入類型的調(diào)定，與真實車的手動擋、自動擋結(jié)構(gòu)形式相一致。

進一步地，所述的路況情境設(shè)定模塊可根據(jù)工效分析需求，設(shè)定突發(fā)路況情境，包括在自動或手動駕駛模擬過程中動態(tài)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(fā)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(jiān)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(jiān)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(shù)據(jù)，并且把駕駛員實驗時遇到突發(fā)情況反應(yīng)動作、時間以及眼跳等數(shù)據(jù)記錄下來；

駕駛員動作監(jiān)控和跟蹤捕捉子模塊包含兩個數(shù)據(jù)采集部分：第一，視屏數(shù)據(jù)采集部分，利用搭載在平臺上的監(jiān)控攝像頭，采集測試時視屏數(shù)據(jù)，并記錄遇到突發(fā)情況時駕駛員的反應(yīng)動作和時間；第二，眼部數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；

所述駕駛員行為分析子模塊，用于根據(jù)上述動作監(jiān)控和跟蹤捕捉子模塊采集的數(shù)據(jù)，提取駕駛員反應(yīng)動作，并把駕駛員反應(yīng)動作和正確反應(yīng)動作做比較，同時分析駕駛員眼跳等數(shù)據(jù)，對駕駛員在突發(fā)情況下的行為做評定分析，評價參數(shù)包括以下至少一項：反應(yīng)時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發(fā)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(gòu)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(shè)定范圍內(nèi)時加載入場景中，駛離時當超出其與車體距離在設(shè)定范圍內(nèi)時予以卸載，實現(xiàn)動態(tài)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(tǒng)的評定方法，其特征在于，所述方法包括：

1）快速構(gòu)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(huán)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(jù)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(jù)工效分析需求，設(shè)定突發(fā)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(tài)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(fā)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(fā)路況情境可在突發(fā)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(shè)定告警不同編碼方式；

4）駕駛員情景意識評定，根據(jù)上述設(shè)定的不同的路況情境下駕駛員應(yīng)對突發(fā)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(yīng)時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發(fā)狀況的成功率以及遇到突發(fā)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(gòu)建根據(jù)人機工效研究的虛擬道路場景需要，以模型庫調(diào)用的方式快速構(gòu)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(yù)設(shè)行駛路徑軌跡、速度參數(shù)，達到虛擬場景下的自動行駛，虛擬場景的隨動方式由預(yù)設(shè)的行駛路徑軌跡、速度參數(shù)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(qū)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(quán)限交還駕駛員，操縱組件的伺服驅(qū)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(xiàn)輸入類型的調(diào)定，與真實車的手動擋、自動擋結(jié)構(gòu)形式相一致。

進一步地，步驟4）中，所述的反應(yīng)時間、動作延時時間是通過在系統(tǒng)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(jiān)控和跟蹤捕捉子模塊進行視屏數(shù)據(jù)采集，并且提取駕駛員的反應(yīng)動作，把駕駛員反應(yīng)動作和正確反應(yīng)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(fā)狀況的成功率是成功完成駕駛?cè)蝿?wù)與試驗總次數(shù)的比率的統(tǒng)計；

所述的眼跳幅度和瞳孔大小由眼動儀測量而來，根據(jù)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(fā)情況時的心理變化情況。

本發(fā)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(tǒng)及方法的有效技術(shù)手段的問題，發(fā)明一種面向工效評定的多模式駕駛模擬系統(tǒng)及方法，通過該系統(tǒng)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(shù)支持。該系統(tǒng)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(shù)支持。在自動駕駛技術(shù)日趨完善的基礎(chǔ)上，本發(fā)明將有廣闊的市場。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一個實施例模塊結(jié)構(gòu)圖（即本發(fā)明系統(tǒng)模塊圖）；

圖3為本發(fā)明可以應(yīng)用于其中的示例性系統(tǒng)構(gòu)架圖（即本發(fā)明評定方法流程圖）；

圖4為本發(fā)明一個實例性評價指標表。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進一步詳細說明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實例僅僅用于解釋相關(guān)發(fā)明，而非對該發(fā)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(fā)明有關(guān)的部分。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)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(fā)明。

圖1示出了可以應(yīng)用本發(fā)明的用于控制面向工效評定的多模式駕駛模擬系統(tǒng)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，結(jié)構(gòu)示意圖包括多模式駕駛模擬平臺、服務(wù)器、監(jiān)控攝像頭、眼動儀、虛擬場景顯示器、監(jiān)控顯示器，以及連接以上個組成部分的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)用以在服務(wù)器與多模式駕駛模擬平臺、監(jiān)控攝像頭、眼動儀、虛擬場景顯示器和監(jiān)控顯示器之間提供數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器之間交互，以接受或者發(fā)送數(shù)據(jù)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(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)信號控制虛擬行駛場景隨動；自動駕駛模式下，根據(jù)預(yù)設(shè)的行駛路徑軌跡，服務(wù)器向駕駛模擬平臺發(fā)送數(shù)據(jù)信號，控制與方向盤相連的伺服電機驅(qū)動。

服務(wù)器可用于構(gòu)建虛擬行駛場景，根據(jù)工效評定要求選擇完相應(yīng)的虛擬場景，服務(wù)器根據(jù)虛擬行駛場景快速構(gòu)建模塊的指令，加載場景數(shù)據(jù)，并且把圖像通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到由多臺液晶顯示屏或者投影儀組成的外接顯示設(shè)備上。服務(wù)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(wù)器可以是提供測試時數(shù)據(jù)存儲和分析的服務(wù)器，例如測試時采集的大量視頻通過網(wǎng)絡(luò)傳輸存儲在服務(wù)器當中，分析時再從服務(wù)器中提取。并且可以利用服務(wù)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(fā)明模塊結(jié)構(gòu)圖，其中包括：虛擬行駛場景快速構(gòu)建模塊、多模式駕駛模擬控制模塊、路況情境設(shè)定模塊、駕駛員情景意識評定模塊。

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

多模式駕駛模擬控制模塊，可根據(jù)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(shè)定模塊，用于根據(jù)工效分析需求，設(shè)定突發(fā)路況情境，所述的突發(fā)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(yīng)時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發(fā)狀況的成功率。

本實施例中，虛擬行駛場景快速構(gòu)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(jù)人機工效研究的場景需要調(diào)用模塊庫快速構(gòu)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(yù)設(shè)行駛路徑軌跡、速度參數(shù)，達到虛擬場景下的自動行駛，虛擬場景的隨動方式由預(yù)設(shè)的行駛路徑軌跡、速度參數(shù)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(qū)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(quán)限交還駕駛員，操縱組件的伺服驅(qū)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(xiàn)輸入類型的調(diào)定，與真實車的手動擋、自動擋結(jié)構(gòu)形式相一致。

在本實施例的一些可選的實現(xiàn)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(jiān)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(jiān)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(shù)據(jù)，并且把駕駛員實驗時遇到突發(fā)情況反應(yīng)動作，時間以及眼跳等數(shù)據(jù)記錄下來。動作監(jiān)控和跟蹤捕捉子模塊包含兩個數(shù)據(jù)采集部分：

第一，視屏數(shù)據(jù)采集部分，利用搭載在模擬駕駛平臺上的監(jiān)控攝像頭，采集測試時視屏數(shù)據(jù)，并記錄遇到突發(fā)情況時駕駛員的反應(yīng)動作和時間；第二，眼部數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

駕駛員行為分析子模塊，用于根據(jù)上述動作監(jiān)控和跟蹤捕捉子模塊采集的數(shù)據(jù)，提取駕駛員反應(yīng)動作，并把駕駛員反應(yīng)動作和正確反應(yīng)動作做比較，同時分析駕駛員眼跳等數(shù)據(jù)，對駕駛員在突發(fā)情況下的行為做評定分析。評價參數(shù)包括以下至少一項：反應(yīng)時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(shè)定值時，仿真計算機在虛擬場景中載入相關(guān)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(shè)定值時，仿真計算機在虛擬場景中卸載相關(guān)場景。動態(tài)加載和卸載，減少對服務(wù)器資源的占用和消耗。例如：設(shè)定x1-x2<=|50|,y1-y2<=|50|，即設(shè)置了一個以交通標志為中心的正四邊形區(qū)域，模擬駕駛平臺駛?cè)脒@個區(qū)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(fā)明可以應(yīng)用于其中的示例性系統(tǒng)構(gòu)架圖，包括：

1）快速構(gòu)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(huán)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(xiàn)實開發(fā)軟件vegaprime，車輛系統(tǒng)動力學(xué)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(huán)境。車輛動力學(xué)模型根據(jù)模擬駕駛平臺的轉(zhuǎn)向、加速、制動、離合等操作，把車輛動力學(xué)參數(shù)如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油耗、車速等信息發(fā)送給模擬駕駛平臺的儀表盤和服務(wù)器。

2）根據(jù)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(yù)設(shè)行駛路徑軌跡、速度參數(shù)，達到虛擬場景下的自動行駛，虛擬場景的隨動方式由預(yù)設(shè)的行駛路徑軌跡、速度參數(shù)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(qū)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(quán)限交還駕駛員，操縱組件的伺服驅(qū)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(xiàn)輸入類型的調(diào)定，與真實車的手動擋、自動擋結(jié)構(gòu)形式相一致。

3）根據(jù)工效分析需求，設(shè)定突發(fā)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(tài)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(fā)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(fā)路況情境可在突發(fā)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(shè)定告警不同編碼方式。

4）駕駛員情景意識評定，根據(jù)上述設(shè)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(yīng)時間、動作延時時間、動作準確度、化解突發(fā)狀況的成功率以及遇到突發(fā)情況時駕駛員的眼跳幅度、瞳孔大小等數(shù)據(jù)。

所述的反應(yīng)時間、動作延時時間是通過在系統(tǒng)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(jiān)控和跟蹤捕捉子模塊進行視屏數(shù)據(jù)采集，并且提取駕駛員的反應(yīng)動作，把駕駛員反應(yīng)動作和正確反應(yīng)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(fā)狀況的成功率是成功完成駕駛?cè)蝿?wù)與試驗總次數(shù)的比率的統(tǒng)計；所述的眼跳幅度和瞳孔大小由眼動儀測量而來，根據(jù)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(fā)情況時的心理變化情況。圖4為本發(fā)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(fā)明精神作舉例說明，本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)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(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。