CN112487549A - 自动驾驶转向失效后驾驶人反应行为测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动驾驶系统转向功能失效后驾驶人反应行为测试系统，包括硬件系统和软件系统，软件系统包括车辆动力学软件、视景仿真模块和上位机控制模块，硬件系统包含模拟座舱、电机驱动系统、自动驾驶控制器。本测试系统通过安全的方式提前测试自动驾驶系统转向失效后驾驶员的反应与相对应的车辆行驶轨迹，可为自动驾驶系统功能安全设计提供有力支撑。

Description

自动驾驶转向失效后驾驶人反应行为测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及自动驾驶系统功能失效后驾驶人行为分析的测试技术领域，尤其涉及到一种自动驾驶系统转向功能失效后驾驶人反应行为分析。提出一种可应用于不同场景因素下自动驾驶转向功能失效后驾驶员的反应行为的测试系统及方法。

背景技术

目前自动驾驶技术正在高速发展，自动驾驶功能正在占据越来越重要的地位。工信部发布《汽车驾驶自动化分级》推荐性国家标准报批公示。1级为部分驾驶辅助，驾驶自动化系统在其设计运行条件内能够持续地执行车辆横向或纵向运动控制。2级驾驶自动化在其设计运行条件内可持续执行动态驾驶任务中的车辆横向和纵向运动控制。1级和2级驾驶自动化中，监测路况并做出反应均由驾驶员和系统共同完成，驾驶员需能够随时接管动态驾驶任务。从1级驾驶自动化开始，车辆已具备横向控制能力。而自动驾驶功能存在失效风险，若自动驾驶系统转向功能失效，对处于有转向需求场景的车辆而言有巨大的安全风险与隐患。

在驾驶自动化功能设计的过程中，需要充分考虑功能失效情况下车辆的安全性问题，而在车辆转向功能失效时，驾驶员的反应行为对自动驾驶功能设计至关重要。所以需要对驾驶员持续监控情况下转向功能失效的驾驶员反应进行充分测试，以支撑驾驶自动化功能设计需求。

在自动驾驶系统突发转向功能失效且无报警信号的情况下，测试驾驶员在不同自动驾驶巡航速度、不同情况下其反应时间与操作时间等指标的系统及测试方法。驾驶员在系统突发转向功能失效的情况下的反应与操作时间，对于系统功能安全设计至关重要，若系统在设计时考虑驾驶员的反应与操作时间过短以及预估操作过于灵敏，会使得系统过于激进，无法保证系统安全。若系统在设计时考虑驾驶员的反应与操作时间过长以及预估操作过于迟钝，会使得系统过于保守，令驾驶人的驾驶舒适性降低。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种自动驾驶系统转向功能失效后驾驶人反应行为测试系统，以提前测试自动驾驶系统转向失效后驾驶员的反应与相对应的车辆行驶轨迹。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供的一种自动驾驶系统转向功能失效后驾驶人反应行为测试系统，包括硬件系统和软件系统，软件系统包括车辆动力学软件、视景仿真模块和上位机控制模块，硬件系统包含模拟座舱、电机驱动系统、自动驾驶控制器、视觉展示硬件；其中：

电机驱动系统，用于根据接收的所述车辆动力学软件输出的车辆运动学变量，实时驱动电机驱动平台的电机工作；

模拟座舱，位于所述电机驱动平台上，其前方设置用于实现驾驶员视觉反馈的视觉展示硬件，模拟座舱的操作信息传递到所述视景仿真模块，同时模拟座舱的操作装置接收所述车辆动力学软件传输的车辆动力学信息实现方向盘反馈力矩以及失效角度的模拟；

车辆动力学软件，内含主车动力学模块以及测试用例，接收上位机控制模块的信号，并与视景仿真模块、模拟座舱以及电机驱动系统进行信息交互；主要有三大功能：一是模拟车辆动力学相关变量，二是构建测试用例基础，三是接收上位机控制模块的信号并根据其更改内部参数，接收的上位机控制模块的信号包括控制权切换信号、转向功能的失效信号；

视景仿真模块，主要包含视觉渲染模块、驾驶员信息交互模块、车辆动力学交互模块、交通车辆信息交互模块，车辆动力学交互模块与交通车辆交互模块用于接收所述车辆动力学软件输出的主车以及交通车的位移以及姿态信息数据，驾驶员信息交互模块主要用于采集模拟座舱内操纵装置的操作数据并将其传递给车辆动力学软件；

上位机控制模块，用于自动驾驶功能的开启与关闭，通过发出控制指令调整车辆动力学软件中的自动驾驶功能。

优选的，所述测试系统用于模拟自动驾驶场景、模拟转向失效场景以及失效后驾驶员接管车辆的场景；

自动驾驶场景的模拟，采用第一种方式，通过在车辆动力学软件中编写模拟自动驾驶的导航算法，让车辆始终处于在车道线中线匀速行驶；或者采用另一种方式，直接使用具备自动车道保持功能的自动驾驶控制器与车辆动力学软件进行信息交互；

转向失效场景的模拟，通过上位机控制模块来实现失效信号的发送，在底层实现上，转向失效信号发送后，将设定的转向失效方向盘转角发送给车辆动力学软件，车辆动力学软件在模拟车辆运动的同时将方向盘转角发送给所述视景仿真模块，视景仿真模块将信号传递给方向盘驱动电机，实现方向盘失效的全流程模拟；

失效后驾驶员接管场景的模拟，当方向盘力矩与失效基础力矩的变化绝对值或刹车踏板的变化绝对值超过限定阈值时，即判断驾驶员已进行部分或者完全接管；当仅方向盘力矩信号突变时，判断为部分接管，即仅转向控制权转移给驾驶员；判断接管成功后，模拟座舱中方向盘转角通过视景仿真模块传递给车辆动力学软件，实现驾驶员对车辆的转向控制；当刹车信号突变时，判断为完全接管，车辆的所有控制信号源均切换为所述模拟座舱中的操纵机构信号。

上述测试系统的测试方法，包括如下内容：

通过所述上位机控制模块设置开启自动驾驶功能，并同步设置车辆的控制权为自动驾驶控制器，驾驶员此时处于非驾驶任务状态；

在设定的测试点位，通过所述上位机控制模块手动解除自动驾驶模式中的转向控制，纵向控制仍处于自动驾驶控制器控制状态，同时并无警报信号提醒；

驾驶员持续观察前方的前提下，测试驾驶员在车辆转向失效后的转向反应的时间以及控制稳定的时间以及主车行为。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的测试系统及方法在自动驾驶系统突发转向功能失效且无报警信号的情况下，测试驾驶员在不同自动驾驶巡航速度、不同情况下其反应时间与操作时间等指标，通过安全的方式提前测试自动驾驶系统转向失效后驾驶员的反应与相对应的车辆行驶轨迹，可为自动驾驶系统功能安全设计提供有力支撑。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的系统架构图；

图2为本发明实施例的测试时序图；

图3为本发明实施例的软件系统信息流图；

图4为本发明实施例的模拟座舱框图。

具体实施方式

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。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

自动驾驶系统转向功能失效后驾驶人反应行为的测试系统，系统架构图如图1所示，整体测试系统总体上可以分为软件系统与硬件系统两大板块，

软件系统内含有车辆动力学软件、视景仿真模块和上位机控制模块三个主要模块，硬件系统包含模拟座舱和电机驱动系统、投影仪等视觉展示硬件、自动驾驶控制器、摄像头(可选)、雷达(可选)等。其中：

电机驱动系统，在接收到所述车辆动力学软件输出的车辆运动学变量后，将车辆运动学变量过滤掉数据中的低频信号，保留数据中的高频信号，并实时驱动电机，令驾驶员在电机驱动平台上感受到较为真实的驾驶体验。相关滤波参数可设置，并影响电机驱动平台的运动模式。

模拟座舱，如图4所示为模拟座舱框图，模拟座舱位于所述电机驱动平台上，其体感反馈通过模拟座舱下面放置的电机驱动平台以及模拟座舱的座椅推背感来实现。其中，座椅的底部和后部内置有主动气囊，通过气囊的膨胀和收缩来模拟加速时的推背感。驾驶员的视觉反馈通过模拟座舱前方的投影屏幕以及座舱内置后视镜图像显示装置来实现。车内的仪表盘通过与视觉仿真模块进行运动学数据交互，实时显示车内仪表盘数据。同时车内的方向盘、刹车、油门与档位在驾驶员的操作下，实时将其信号传递给所述视景仿真模块，并进行记录。与此同时，车内操纵装置同时接收软件系统中车辆动力学信号实现相应的方向盘反馈力矩以及失效角度的模拟。

软件系统信息流图见图3，上位机软件中包含车辆动力学软件、视景仿真模块以及上位机控制模块，其中：

车辆动力学软件，其内含主车动力学模块以及测试用例，接受上位机控制模块的信号更改内部参数；同时根据不同模拟测试场景的需求，可通过更改车辆动力学软件中的测试场景参数，从而实现多场景的测试。其主要有三大功能：一是模拟车辆动力学相关变量，二是构建测试用例基础，三是接收上位机控制模块的信号并根据其更改内部参数。下面分别展开介绍。

功能一:模拟车辆动力学相关变量，其主要包含车辆的悬架系统、转向系统、轮胎参数等多个车辆动力学参数，可根据不同的测试车辆需求，可更改车辆动力学相关参数，从而模拟不同车型的车辆动力学特性。

功能二：构建测试用例基础。测试用例基础信息包含本车行为、交通参与者行为、周边场景，周边场景内含路网信息、红绿灯信息。在本研究中，本车行为设定为由外部控制信号驱动，外部控制信号源由模拟座舱以及自动驾驶控制器来提供，控制权切换由上位机控制模块来设置。

功能三：接收上位机控制模块发出的上位机控制信号并根据其更改内部参数，从而模拟车辆运行中的特定故障。上位机控制信号传递的信号参数为控制权切换信号、转向功能的失效力矩或失效转向角。控制权切换设置将改变实时系统内部信号传输通路，即当设置控制权为自动驾驶控制器时，车辆动力学软件相关控制信号直接接收自动驾驶控制器的控制信号，反之当设置控制权为驾驶人控制时，智能的模拟座舱内部操纵装置作为车辆动力学软件的控制信号。转向功能的失效力矩或失效转向角信号将直接传入车辆动力学软件，可实现仿真模拟的转向失效。

视景仿真模块，作为整个构架中的枢纽，主要包含视觉渲染模块、驾驶员信息交互模块、车辆动力学交互模块、交通车辆信息交互模块，车辆动力学交互模块与交通车辆交互模块用于接收主车以及交通车的位移以及姿态信息数据。驾驶员信息交互模块主要用于采集模拟座舱内操纵装置的驾驶员操纵数据并将其传递给车辆动力学软件。

上位机控制模块，为自动驾驶功能的开启以及关闭模块，通过发出控制指令调整车辆动力学软件中的自动驾驶功能，该模块为在线可调节模块，通过在线调节该模块中参数，可为随机触发转向失效提供技术保障，从而保障驾驶员在不知情无预期的情况下进行测试，进而保障测试结果的真实性。自动驾驶功能的部分退出以及完全退出由执行器信号直接进行判定执行。

转向失效场景通过本系统进行模拟，关键点在于模拟自动驾驶场景、模拟转向失效以及失效后驾驶员接管车辆：

自动驾驶场景的模拟，有两种方式来实现，第一种方式是通过在动力学仿真软件中编写模拟自动驾驶的导航算法，让车辆始终处于在车道线中线匀速行驶。另一种方式是直接使用具备自动车道保持功能的自动驾驶控制器硬件通过CAN协议与车辆动力学软件进行信息交互。

模拟转向失效的场景的重点在于开启转向失效与模拟失效效果。为了实现开启转向失效并能够自定义或随机开启，本方案引入上位机控制模块来实现失效信号的发送。在底层实现上，转向失效信号发送后，将设定的转向失效方向盘转角发送给车辆动力学软件，车辆动力学软件在模拟车辆运动的同时将方向盘转角发送给所述视景仿真模块，视景仿真模块将信号传递给方向盘驱动电机，最终实现方向盘失效的全流程模拟。

失效后驾驶员接管场景的模拟，关键点在于车辆在驾驶员接管的瞬间将控制权从车辆切换给驾驶员。如何判断驾驶员接管，本发明中通过方向盘力矩的变化以及刹车踏板的信号突变来判断。当方向盘力矩与失效基础力矩的变化绝对值或刹车踏板的变化绝对值超过限定阈值时，即判断驾驶员已进行部分/完全接管。当仅方向盘力矩信号突变时，判断为部分接管，即仅转向控制权转移给驾驶员。判断接管成功后，信息流方向重定义，模拟座舱中方向盘转角通过视景仿真模块传递信息给车辆动力学软件，从而实现驾驶员对车辆的转向控制。当刹车信号突变时，判断为完全接管，车辆的所有控制信号源均切换为所述模拟座舱中的操纵机构信号。

测试系统的测试过程如下：

通过所述上位机控制模块设置开启自动驾驶功能，并同步设置车辆的控制权为自动驾驶控制器，驾驶员此时处于非驾驶任务状态；在设定的测试点位，通过所述上位机控制模块手动解除自动驾驶模式中的转向控制，纵向控制仍处于自动驾驶控制器控制状态，同时并无警报信号提醒。驾驶员持续观察前方的前提下，测试驾驶员在车辆转向失效后的转向反应的时间以及控制稳定的时间以及主车行为(主车从丢失转向到的时间间隔、碰撞车速)等，测试时序图见图2。

驾驶员反应行为测试方法：

本方法主要用于转向失效后驾驶员的反应行为测试，故本方法的重点在于转向失效模拟以及根据此场景采集的驾驶员数据，以及以此设计的整体测试流程与测试用例。

(1)转向失效场景模拟

转向失效场景元素分析,转向失效场景包含动态场景和静态场景。全面的静态测试场景元素见表1，对于转向失效场景而言，关键静态场景元素包含车道数和车道曲率以及车道标志线、围栏。车道数、曲率、周边车道线的类型以及围栏均会影响驾驶员的关注度。转向失效场景模拟的静态场景交通基础设施中重点关注此四个变量。环境条件作为可选项在测试用例中进行设置，本实施例默认为正午天气-无阳光干扰，路面附着系数以及能见度均为正常范围。

表1静态测试场景元素变量

全面的动态场景元素变量见表2，转向失效场景中周边交通车辆的密度、类型范围、变道频率对驾驶员在车辆中的状态有影响。当周边交通车辆密度增多、交通车辆类型中包含大型车辆多，会对驾驶员的关注度产生影响，故在设计测试驾驶员转向失效反应的场景中，相比较于普通测试用例设计，本方法提出应在设立独立交通车辆之前优先考虑群体交通车辆的交通车辆密度、类型范围、变道频率。主车的关键指标除了和运动本身相关的车速、加速度、变道等数据外，失效前自动驾驶时长需提前设定好。

表2动态测试场景元素变量

(2)场景与驾驶员数据采集与分析

对于转向失效场景，采集车辆运动数据与驾驶员数据均对测试意义重大，在此基础上，为了进一步确定车辆与周边环境的关系，还需要采集场景静态数据。故本研究将数据分类为静态数据和动态数据。静态数据在每次测试时仅需要采集1次。动态数据为以高频进行采集，关键数据为车辆实时位置、转向失效时间、驾驶员接管时间点，并通过车辆实时位置计算车辆稳定时间点。最后根据记录数据，实现压线时间、碰撞时间、驾驶员接管间隔时间以及稳定控制时间。测试数据列表可见表3。

表3测试数据列表

(3)测试用例

设计测试用例的流程应遵循如下步骤：

1.确定静态测试场景。

2.确定本车运动轨迹：车速、加速度、变道时间、起始车道等。

3.确定动态测试场景。

仿真场景与测试用例涉及变量见下表4。通过控制变量的方式，调整测试用例中的参数，以覆盖自动驾驶功能运行的弯道场景。车道曲率半径、主车车速以及单向车道数均可设定为与自动驾驶功能运行范围相一致，并在其中选取边界参数以及中间参数来组合排列。失效前开启自动驾驶时长的时间可设置1s、30s、1min等来进行测试，并全程记录动态数据，以保证数据的全面性。

表4测试用例涉及变量

(4)测试流程

本功能中主要使用上文的测试系统进行测试。首先设定测试用例，将仿真场景中的车道、曲率半径等参数设定好。在测试开始时，通过上位机控制模块开启具备转向控制的自动驾驶功能，要求驾驶员持续监测前方区域，车辆持续处于需要转向控制的弯道场景中。系统保持自动驾驶状态到达设定的失效时间节点时，使用上位机手动/按时间触发模拟自动驾驶功能的转向失效现象。系统根据驾驶员的操作自动将部分/全部控制权移交给驾驶员。

通过对车辆的运行轨迹以及车内方向盘、仪表盘等操纵装置的数据记录，并通过批量化处理，可获取自动驾驶系统转向功能失效后驾驶人反应行为数据。具体为通过记录车辆的实时位置，与周边车道线的位置进行实时距离解算，以此确定本车在车道上的位置，以此测算车辆转向失效后的车辆运动情况以及评估危险登记。记录本车的操纵机构的数据，可获取驾驶员在转向失效后的反应行为。并将本车的运动与驾驶员操作相结合，可评估驾驶员在觉察到失效后的控制车辆效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.自动驾驶系统转向功能失效后驾驶人反应行为测试系统，包括硬件系统和软件系统，其特征在于，软件系统包括车辆动力学软件、视景仿真模块和上位机控制模块，硬件系统包含模拟座舱、电机驱动系统、自动驾驶控制器；其中：

电机驱动系统，用于根据接收的所述车辆动力学软件输出的车辆运动学变量，实时驱动电机驱动平台的电机工作；

模拟座舱，位于所述电机驱动平台上，其前方设置用于实现驾驶员视觉反馈的视觉展示硬件，模拟座舱的操作信息传递到所述视景仿真模块，同时模拟座舱的操作装置接收所述车辆动力学软件传输的车辆动力学信息实现方向盘反馈力矩以及失效角度的模拟；

车辆动力学软件，内含主车动力学模块以及测试用例，接收上位机控制模块的信号，并与视景仿真模块、模拟座舱以及电机驱动系统进行信息交互；主要有三大功能：一是模拟车辆动力学相关变量，二是构建测试用例基础，三是接收上位机控制模块的信号并根据其更改内部参数，接收的上位机控制模块的信号包括控制权切换信号、转向功能的失效信号；

视景仿真模块，主要包含视觉渲染模块、驾驶员信息交互模块、车辆动力学交互模块、交通车辆信息交互模块，车辆动力学交互模块与交通车辆交互模块用于接收所述车辆动力学软件输出的主车以及交通车的位移以及姿态信息数据，驾驶员信息交互模块主要用于采集模拟座舱内操纵装置的操作数据并将其传递给车辆动力学软件；

上位机控制模块，用于自动驾驶功能的开启与关闭，通过发出控制指令调整车辆动力学软件中的自动驾驶功能。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：车辆动力学软件的功能一:模拟车辆动力学相关变量，主要包含车辆的悬架系统、转向系统、轮胎参数，可根据不同的测试车辆需求，可更改车辆动力学相关参数，模拟不同车型的车辆动力学特性；

功能二：构建测试用例基础，测试用例基础信息包含本车行为、交通参与者行为、周边场景，周边场景内含路网信息、红绿灯信息，本车行为设定由外部控制信号驱动，外部控制信号源由模拟座舱以及自动驾驶控制器来提供，控制权切换由上位机控制模块设置；

功能三：接收上位机控制模块发出的上位机控制信号并根据其更改内部参数，从而模拟车辆运行中的特定故障；上位机控制信号传递的信号参数为控制权切换信号、转向功能的失效力矩或失效转向角；控制权切换设置将改变实时系统内部信号传输通路，即当设置控制权为自动驾驶控制器时，车辆动力学软件相关控制信号直接接收自动驾驶控制器的控制信号；当设置控制权为驾驶人控制时，智能的模拟座舱内部操纵装置作为车辆动力学软件的控制信号；转向功能的失效力矩或失效转向角信号将直接传入车辆动力学软件，实现仿真模拟的转向失效。

3.根据权利要求2所述的测试系统，其特征在于：所述测试系统实现模拟自动驾驶场景、模拟转向失效场景以及失效后驾驶员接管车辆的场景；

自动驾驶场景的模拟，采用第一种方式，通过在车辆动力学软件中编写模拟自动驾驶的导航算法，让车辆始终处于在车道线中线匀速行驶；或者采用另一种方式，直接使用具备自动车道保持功能的自动驾驶控制器与车辆动力学软件进行信息交互；

转向失效场景的模拟，通过上位机控制模块来实现失效信号的发送，在底层实现上，转向失效信号发送后，将设定的转向失效方向盘转角发送给车辆动力学软件，车辆动力学软件在模拟车辆运动的同时将方向盘转角发送给所述视景仿真模块，视景仿真模块将信号传递给方向盘驱动电机，实现方向盘失效的全流程模拟；

失效后驾驶员接管场景的模拟，当方向盘力矩与失效基础力矩的变化绝对值或刹车踏板的变化绝对值超过限定阈值时，即判断驾驶员已进行部分或者完全接管；当仅方向盘力矩信号突变时，判断为部分接管，即仅转向控制权转移给驾驶员；判断接管成功后，模拟座舱中方向盘转角通过视景仿真模块传递给车辆动力学软件，实现驾驶员对车辆的转向控制；当刹车信号突变时，判断为完全接管，车辆的所有控制信号源均切换为所述模拟座舱中的操纵机构信号。

4.权利要求3所述的测试系统的测试方法，其特征在于：所述测试方法，包括如下内容：

通过所述上位机控制模块设置开启自动驾驶功能，并同步设置车辆的控制权为自动驾驶控制器，驾驶员此时处于非驾驶任务状态；

在设定的测试点位，通过所述上位机控制模块手动解除自动驾驶模式中的转向控制，纵向控制仍处于自动驾驶控制器控制状态，且并无警报信号提醒；

驾驶员持续观察前方的前提下，测试驾驶员在车辆转向失效后的转向反应的时间以及控制稳定的时间以及主车行为。

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