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用驾驶模拟器评估驾驶员注意力水平

作者： Riccardo Bartolozzi 德国 达姆施塔特64289，

结构耐久性和系统可靠性研究所（LBF），

电子邮件：riccardo.bartolozzi@lbf.fraunhofer.de

Francesco Frendo 意大利比萨 比萨大学，56122，

机械，核生产工程系

电子邮件：frendo@ing.unipi.it

关键词： 驾驶模拟器,驾驶员的注意力,司机的睡意, 制动试验,横向滑测试、车辆模型。

摘要：

用于评估驾驶员注意力水平的诊断系统在过去几年中变得非常重要，并且已经得到汽车制造商的越来越多的关注; 事实上，交通事故代表了世界范围内的主要公共卫生问题，并且许多事故被证明是由于司机的缺乏。 在这项工作中，开发了驾驶模拟器和特定的测试工具，以验证监测驾驶员的注意力水平和能力的可能性。驾驶模拟器是配备一个固定驾驶舱和一个前屏幕。驾驶舱再现了具有自动变速器的典型中型车的人机界面，即驾驶员通过节气门和制动踏板和方向盘与模拟器之间的交互。踏板具有被动反馈系统，而电动机在方向盘上施加主动反馈扭矩。

从软件的角度来看，模拟器由通过LAN连接的四个PC管理组成。其中两个专用于车辆动态仿真和数据记录，而另外两个运行图形场景软件。这包括连接到具有自主交通的城市区域的高速公路区域。

车辆模型在Matlab / Simulink环境中使用块架构构建，并通过使用xPC目标工具箱实时运行。一个特定的块，由一个内部开发的14 d.o.f. 模型，被设置来表示车辆动力学。

驾驶模拟器目前用于获取大约60个驾驶员输入和车辆数量的信号的实验活动中。为了评估驾驶员的注意力水平，开发了两个具体测试，其目的在于测量驾驶员的反应时间和突发事件（例如制动操纵或突然侧向打滑）的能力。

在本文中提出了驾驶模拟器的硬件和软件。 为了调查驾驶员的注意力而开发的测试程序也参考一些测试来讨论。

介绍：

虽然在过去几年中已经对道路安全进行了许多改进，但道路交通事故仍然是全世界公共卫生的主要问题之一。 根据世界卫生组织（WHO），道路交通事故是世界十大死亡原因之一，每年造成超过120万人死亡，即世界死亡人数的2.2％[1,2]。 这种结果与许多传染病的结果相似，使道路交通事故成为暴力，战争和任何意外伤害之前的伤害类别中的第一个死亡原因。

道路安全涉及驾驶员（人），车辆（机器）和道路基础设施之间的复杂的相互作用。 天气条件和交通也可以对该交互作用产生一些影响。 可以认为，一般来说，道路交通事故的原因可归因于不适当的人机基础设施关系。

在交互的三个主要元素中，广为人知的是，人为因素代表关键的因素，是危险驾驶条件的主要责任者。根据最近关于意大利道路交通事故的报告[3,4]，人为因素被认为是涉及一种或多种车辆在各种道路上的所有事故（约96％）的主要原因。其中很大一部分（约占总事故的93％）被报告为由于驾驶员的不正确的行为（即，驾驶员没有遵守交通规则，或者驾驶不正确的行为与交通和/或天气条件）。其余的3％，占整个事故的一小部分，但仍是很重要的一部分，是由驾驶员的异常心理 - 身体状况引起的，例如与嗜睡，滥用酒精，药物有关，并且通常被称为由司机低血压。然而，许多研究同意，在官方报告中，与异常心理 - 身体状况相关的低度警惕导致的事故数量被极低估了。事实上，一旦事故已经发生，并且通常其他更明显的原因与事故有关（例如交通规则不被遵守），实际上很难评估这些条件。在许多研究中，特别是由困倦导致的低血压在约20％的道路交通事故中被认为是主要或相关的原因[5,6]。此外，据观察，意大利卫生部报告，这些事故的死亡和受伤率较高，其中40％的死亡事故是由于驾驶员的瞌睡[7]。

数据根据国家，分析程序和考虑的因素（睡意，疾病，酒精，药物等）而有所不同，但是一般来说，由于驾驶员低度警惕导致的事故是主要的 与道路安全有关的问题。

由于这些原因，当前的技术开发不仅集中于帮助驾驶员避免不正确操纵并且可能校正他们的系统，而且还集中在监视驾驶员的注意力水平以检测可能的低警惕状况并且可能警告他或采取适当的对策。 在过去几年中，这些系统中的一些已经出现在汽车市场中，例如[8]

许多研究已经进行了调查低驾驶员的注意水平的影响，不一定是由于异常的心理物理条件，突出这是一个非常重要的因素在道路交通事故的原因。 在这些研究中，所谓的感知响应时间（PRT）通常用驾驶时进行的特定测试进行调查[9]。 该文献的例子包括驾驶员疲劳的影响或驾驶员由于睡眠剥夺和/或酒精假设通过制动反应测试的低血压状态的影响[10,11]以及睡眠患者的驾驶能力的评估 呼吸暂停通过反应试验进行按下按钮[12]。

值得注意的是，许多这些研究已经在虚拟环境中通过使用驾驶模拟器来执行。 当研究驾驶中的人为因素，特别是驾驶员的注意力水平时，这些事实上代表了一种基本工具，其允许在受控和完全监测的条件下进行涉及人类驾驶员的安全和可重复的实验。

最近在关于驾驶中的人为因素的研究中采用的具有不同结构和特征的驾驶模拟器的重要示例是[13-15]。随着技术的发展，特别是从图形虚拟现实和数值计算的角度来看，驱动模拟器在再现实际驾驶条件方面已经达到非常高的精度水平。然后通过使用与驾驶任务相关的PRT测试，用驾驶模拟器进行驾驶员注意力水平的评估[16]。

在这项工作中，开发了专门针对驾驶员注意力水平的评估的驾驶模拟器。考虑到主要是郊外环境和具有相对低的横向加速度的单调驾驶，迄今为止建立了固定的基本模拟器，其代表中间配置。模拟器安装在比萨大学（意大利）机械，核和生产工程部（DIMNP）的实验室。与系统的硬件一起，开发了忠实的车辆仿真模型。模拟器允许在驱动期间采集多个数据（模型数据和驱动器输入），以便进一步分析。作者在[17]中提出了该系统的初步版本。还开发了用于评估驾驶员行为并因此评估他的注意力水平的特定测试工具，并且进行一些测试驾驶以验证他们。这些包括制动和横向滑行响应测试，其在许多研究中已被广泛应用于实际和模拟驱动中。在驾驶模拟器应用中，制动测试通常响应于突然出现在驾驶员的前视图中的图形刺激，即图像（红灯，汽车，卡车等）。已经以不同的方式采用横向滑移测试，通常集中在方向盘上的响应。各种研究的这种测试的方法和结果总结在[9,18]，而在侧面阵风的横向滑动试验的几个测试参数的详细分析已在[19]中进行了调查。

下面介绍开发的驾驶模拟器的硬件和软件; 已经定义用于研究驾驶员注意力水平的测试也与一些实验结果一起呈现。 工作仍在进行中，测试运动仍在进行; 正在收集大量数据，并且将进行详细的统计分析以便评估所呈现的测试的能力，例如。 通过他们区分不同的驱动程序的能力。

驱动模拟器的结构和组件

开发的驾驶模拟器（图1）包括具有由单个视频通道制成的前视觉系统的固定基座模拟器。 驾驶员的前视图投影在驾驶员驾驶舱前方的平面屏幕上，用三维图形场景再现。 驾驶员座舱，视觉系统和特定的模拟器控制台安装在同一个房间。 从控制台，操作员可以控制模拟驱动，监控所有可用的输出信号，并在模拟环境中命令一些事件。

从硬件的角度来看，模拟器由以下主要元素组成：

- 仪表化驾驶舱;

- 控制台;

- 视觉系统（单前置屏幕和视频投影仪）;

- 音频（2 1）系统;

- 通过局域网（LAN）通信的四个个人计算机（PC）。

这些元件如图1所示彼此连接。在左侧，表示具有人类驱动器的硬件元件，而在右侧，描绘了运行仿真的四个计算机。该方案的两侧之间的连接代表一方面，人类驾驶员和硬件驾驶舱，另一方面，模拟车辆和环境（道路基础设施，交通等）之间的相互作用。为了获得实际的驾驶条件，必须通过硬件在环方法实时地进行模拟。如图1所示。

如图2所示，驾驶员通过自动变速器车辆的典型输入与模拟器交互：方向盘，加速器和制动踏板。同时，驾驶员通过图形场景的投影前视图，发动机噪声和方向盘上的主动扭矩反馈感觉车辆运动和当前驾驶状况。在下面的小节中描述了驾驶模拟器的主要元件，仅仅介绍了，而在下一节中详细地讨论了车辆模拟模型。

驾驶员驾驶舱

驾驶员座舱通过自动变速器物理地再现驾驶员和车辆之间的接口。 在城市车厢车身的前部，安装了真实的汽车座椅（图3）以及管状空间框架。 在该框架中，转向系统以及加速器和制动踏板安装在从真实汽车再现的相对位置和取向。

也是汽车部件的踏板都被赋予无源反馈以再现真实的行为。 加速踏板具有其原始复位弹簧，而制动踏板连接到具有螺旋和橡胶弹簧的专门设计的气缸，旨在再现由于制动泵的主气缸中的压力产生的非线性力反馈。 两个踏板在其铰链处还具有角度电位计以获得它们的角位置; 这些又被用作车辆模型的驾驶员输入。 转向系统，如图1所示。 如图3所示，由商业方向盘和立柱制成。 在其端部，安装无刷电动机，以便施加由车辆模型计算的实际转向扭矩反馈。 电动机配备有角度编码器，其也用于精确地测量方向盘角度。

计算机和数据通信

在模拟驱动期间，四个PC专用于实时模拟（车辆模型和图形场景）和其他基本功能，例如控制模拟，采集数据和修改车辆模型和图形场景的变量。 PC基于UDP通信协议连接在LAN中。其中两个（目标PC和主机PC）专用于车辆模型的模拟和控制，而其他两个（交通生成器PC和教练站PC）专用于图形场景（如图2 ）。 家庭开发的车辆模型，建立在Matlab / Simulink环境中的主机PC，由C实时工作室Matlab工具箱的C代码编译，由专用的目标PC运行。该PC保证实时模拟具有特定的xPC目标工具箱和一个带有硬件时钟的网卡。此外，对于实时仿真，选择Runge-Kutta（ode4）求解器，其固定时间步长为2：5ms（求解器频率：400Hz）。目标PC具有NI数据采集板，其用于记录驾驶员的输入信号（即，方向盘和踏板角位置），并且将用于转向扭矩反馈的信号发送到无刷电动机的转换器。目标PC还与所有其它三个计算机通信，通过LAN发送所有计算的信号（与车辆运动和车辆子系统操作有关）以及驾驶员的输入信号，用于图形场景的数据存储和更新以100Hz进行通信）。

实时仿真由主机PC管理和控制，主机PC还用于监测车辆动态信号和数据记录。 最后，从主机PC，可以实时地，即在测试期间与模型通信，以便具有更新参数或修改信号的可能性; 这可以完成以模拟车辆运动条件下的突然事件，如下面将示出的。 对于专用于图形场景的计算机，交通生成器PC生成驾驶员前视图，管理图形环境中的其他车辆和行人并再现声音（发动机噪声）。 另一方面，教师站PC用于监视模拟驱动并且实时地改变与图形场景相关的一些环境参数; 这些包括日光，雨和雾的强度。 图4中描绘了图形界面的屏幕截图。

视觉系统和图形场景

图形场景再现了连接到城市地区的大约35km的高速公路环境（图5），该城市模拟了Rosignano Marittimo（意大利利沃诺）附近的道路的再现。在这两种环境中，自主流量由图形软件管理。不同的汽车沿着由软件在限制范围内的各种速度（高速公路为130km / h，城市环境为50km / h）产生的路径。目前有400辆汽车 自主交通。在城市环境中，代表典型的道路元素，例如回旋处，交通灯和行人过路处。还包括行人，他们遵循在允许的路口穿过道路的路径。驾驶员的前视图投影在一个平面屏幕上，尺寸约为2米，高度为1：5米。驾驶员的视野结果约为60°。如图1所示。如图5所示，驾驶员的前视图还包括虚拟内部后视镜和虚拟仪表板。仪表板通过类比指示器提供有关车辆和发动机转速的信息。

在模拟期间，以约30Hz的频率刷新前视图，其根据图形软件的计算量略微改变。

车辆模型和模型架构

车辆模拟模型代表驾驶模拟器的核心部分，它专用于以下主要功能：

- 处理从电压信号到踏板位置和方向盘角度的驾驶员输入;

- 整个车辆行为的动态模拟;

- 输出数据发送到其他计算机，用于数据采集和图形场景更新。

该模型再现了四轮车辆及其主要车辆子系统的动态行为。 。 在图6中，示出了模型的框图，其示出了子系统之间的连接以及所涉及的变量的概况。 动力系（从发动机到驱动轮）计算作为输入的驱动扭矩接收加速器踏板位置。 制动系统计算从驾驶员的制动踏板输入开始的制动转矩。 驱动和制动转矩与从轮胎模型获得的轮胎力一起用于解决车轮（旋转）动态平衡。 在计算垂直载荷以及纵向和侧向滑移之后，轮胎块计算由与道路的相互作用给出的力和力矩。 这些动作表示车辆动态平衡（车辆动力学）块的输入，其使用悬架运动学函数计算簧上和簧下质量的动力学。

这种通用的块结构在完全参数化的模型中实现，包括动力系和悬挂类型。 车辆参数在外部文件中指定，并且目前，参数数据可用于小型和中型欧洲汽车以及比萨大学的Formula SAE赛车。 值得注意的是，刚刚介绍的模型架构允许单个子系统（块）的独立开发。 在下面，给出了关于主模块的一些细节。

重要模型块动力总成

如图7所示，车辆型号配备有由内燃机（ICE），具有离合器和通用n速变速箱的自动化手动变速器（ATM），以及最后的差速器制成的

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