CN112937438A - 一种乘员运动预期提示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乘员运动预期提示系统，首先通过感知模块包括路况感知、车辆感知及乘员姿态感知获取车辆周边的路况信息、车辆自身运动位姿信息及乘员的姿态信息。根据感知模块获取的信息规划未来时段车辆的运动轨迹，然后根据车辆的运动轨迹计算得到乘员运动预期信号。获得的乘员运动预期信号在交互反馈控制模块的协调下输出语音提示信号、光学提示信号及震动马达阵列信号等提示，并考虑乘员位姿进行适应。乘员通过输出信号与运动预期的一一对应关系获得运动预期提示，从而降低乘员晕车几率和强度，提高乘坐舒适度和用户体验。

Description

一种乘员运动预期提示系统

技术领域

本发明属于智能网联车辆领域，尤其涉及一种乘员运动预期提示系统。

背景技术

晕动症，即晕车病、晕船病、晕机病和由于各种原因引起的摇摆、颠簸、旋转、加速运动等所致疾病的统称。主要是3-30岁的青年人常发，且女性多于男性。有研究表明，中国是世界上晕动症发生率最高的国家之一，80％的人都曾经历过不同程度的晕动反应。晕动症发生的原因有很多，环境、饮食、身体状况等都有较大影响，而对于绝大多数有过晕动病病史的患者来说，心理因素作为一个重要诱发因素也尤为重要。由于预期运动与实际感知的运动之间的不协调，加之个体身体、心理素质因素，时常导致晕车现象。

运动预期是指对车辆未来时段内车辆的纵向加速度、侧向加速度、垂向加速度、横摆运动、侧倾运动和俯仰运动的预测。国内外多项研究表明，运动预期对晕动有着较大影响，如果乘员能够获得正确的运动预期，那么乘客的晕车概率和晕车程度将会大大降低。

目前，智能网联车辆已经成为汽车、交通出行产业的热点领域，辅助驾驶、自动驾驶已得到了业界、学界的大力推动。随着高级自动驾驶车辆的到来，乘员的晕车问题成为一个急需解决的难题。已有部分研究提出了采用语音提示、光学提示、或引导乘员视觉注意力的方案，尝试解决晕车问题，但是存在系统设计复杂、用户体验不佳、乘员接受度低的缺点。另一方面，如果将震动马达以阵列形式布置在乘员与车辆交互接触的位置，包括脚部地板、座椅，其中座椅上布置马达的位置包括头枕、靠背、坐垫、侧背支撑、小腿支撑，通过震动马达阵列马达震动频率、马达震动强度及马达启停顺序，实现与乘员的交互反馈，以提供运动预期的提示，能弥补上述不足。目前，尚且没有综合应用震动马达阵列提示乘员运动预期以提高乘员乘车舒适性的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种乘员运动预期提示系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种乘员运动预期提示系统，包括路况感知模块、车辆感知模块、乘员姿态感知模块、车辆运动规划模块、运动预期计算模块、交互反馈控制模块、震动马达阵列、语音提示模块、光学提示模块。

所述路况感知模块，用于对未来时段T_p内车辆周边路况进行感知，包括未来时段T_p内的道路宽度Wr、道路曲率Rho、障碍物运动位姿Pi。

所述车辆感知模块，对车辆自身运动位姿Pv进行感知，包括车辆纵向速度Vx、侧向速度Vy、侧向加速度Ay、纵向加速度Ax、垂向加速度Az、横摆角速度Yawrate。

所述乘员姿态感知模块，负责监测乘员躯干姿势、手部姿势、头部姿势、眼部注视位置。

所述车辆运动规划模块，根据路况感知模块和车辆感知模块的输出，将未来时段T_p内车辆周边路况和自身运动位姿Pv结合车辆出行任务导航地图，得到纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、垂向速度序列VzpR(t)、横摆角序列Yawp(t)。

所述运动预期计算模块，负责计算未来时段的运动激励，根据车辆运动规划模块给出的车辆未来时段T_p内的纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、垂向速度序列VzpR(t)以及横摆角序列Yawp(t)，计算未来时段T_a内(T_a≤T_p)的乘员运动预期信号MA_a(t)，包括纵向加速度预期Axa(t)、侧向加速度预期Aya(t)、垂向加速度预期Aza(t)、横摆角速度预期Yawratea(t)、侧倾角速度预期Rollratea(t)、俯仰角速度预期Pitchratea(t)。

所述震动马达阵列，由交互反馈控制模块控制，负责给乘员提供乘员运动预期信号相关的震动刺激。震动马达阵列的控制包括马达震动强度、马达启停顺序。不同的乘员位姿启用不同位置的震动马达。

所述交互反馈控制模块，根据乘员姿态感知模块给出的不同的乘员姿势控制交互反馈信号的传递，协调语音提示模块、光学提示模块、震动马达阵列的动作，实施运动预期计算模块给出的乘员运动预期信号MA_a(t)，将乘员运动预期信号通过提示信号传递给乘员；提示信号包括语音提示、光学提示和震动马达阵列的震动。

进一步地，路况感知模块关注的空间范围为未来时段T_p范围内车辆可能进入的空间，根据路况感知模块数据的精度、分辨率、有效范围来综合确定；路况感知模块关注的障碍物包括机动车辆、行人、非机动车辆、动物、道路不平度、凸起异物、凹坑、路侧障碍物、交通信号标志。

进一步地，所述车辆运动规划模块，首先确定未来时段T_p内的可通行区域，规划得到车辆运动轨迹规划序列Traj_p(t)，包括车辆路径坐标序列(Xp(t),Yp(t),Zp(t))、横摆角序列Yawp(t)。再使用差分法计算得到纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、由运动轨迹直接引起的垂向速度序列VzpR(t)。

进一步地，对于自动驾驶车辆，车辆运动规划模块采用自动驾驶算法的运动规划结果，直接获得纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、横摆角序列Yawp(t)，以及由运动轨迹直接引起的垂向速度序列VzpR(t)。

进一步地，所述运动预期计算模块，根据车辆运动规划模块输出的纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、由运动轨迹引起的垂向速度序列VzpR(t)、横摆角序列Yawp(t)，使用差分法计算得到纵向加速度预期序列Axa(t)、侧向加速度预期序列Aya(t)、由运动轨迹直接引起的垂向加速度预期序列AzaR(t)、横摆角速度预期Yawratea(t)。

再根据车辆运动规划模块给出的侧向速度序列Vyp(t)、纵向速度序列Vxp(t)、横摆角序列Yawp(t)，以及计算的纵向加速度预期序列Axa(t)、侧向加速度预期序列Aya(t)、横摆角速度预期序列Yawratea(t)，基于车辆动力学模型，得到对应时刻的侧倾角速度预期Rollratea(t)、俯仰角速度预期Pitchratea(t)，以及由运动轨迹间接引起的垂向加速度预期AzaD(t)；最终的垂向加速度预期序列Aza(t)＝AzaR(t)+AzaD(t)。

进一步地，不同的乘员位姿启用不同位置的震动马达，具体为：

当乘员采用站姿，启用布置在扶手和脚部地板的震动马达阵列。

当乘员采用躺姿，启用布置在安全带、腿部支撑、座椅靠背、坐垫、头枕的震动马达阵列。

当乘员采用坐姿，启用布置在安全带、座椅靠背、坐垫、头枕和侧背支撑的震动马达阵列。

进一步地，所述交互反馈控制模块，根据乘员偏好、乘员运动预期信号各维度的变化率来确定提示信号的发送时机和间隔，具体为：

当T_a时刻的乘员运动预期信号某一维度的变化率大于等于设定阈值θ时，在(T_a-n*ΔT)…(T_a-2*ΔT)、(T_a-1*ΔT)时刻分别发出相应的提示信号；其中阈值θ、提示间隔ΔT、提示次数n根据乘员偏好自定义。

进一步地，所述交互反馈控制模块的控制过程包括以下步骤：

(1)根据乘员躯干姿势和头部姿势判断乘员是否在休息；如是执行步骤(2)，如否执行步骤(3)。

(2)关闭语音提示和光学显示提示，仅开启震动马达阵列提供提示信息；跳到步骤(6)。

(3)根据头部姿势和眼部注视位置判断乘员注意力是否在前方，如是执行步骤(4)，如否执行步骤(5)。

(4)语音提示、光学显示提示、震动马达阵列提示都打开；跳到步骤(6)。

(5)关闭光学信号提示，开启语音提示，开启震动马达阵列提示；跳到步骤(6)。

(6)设计不同的震动马达阵列的震动强度对应传递乘员运动预期信号MA_a(t)中各维度的幅值大小，设计不同的震动马达阵列中各马达的启停顺序对应乘员运动预期信号MA_a(t)中各维度的方向，从而向乘员传递运动预期的震动提示信号。

进一步地，所述步骤(6)中设计不同的震动马达阵列的震动强度对应传递乘员运动预期信号MA_a(t)中各维度的幅值大小，具体为：

将震动马达阵列的震动强度分为n_w档，为乘员运动预期信号各维度的幅值大小设定不同的区间，每个区间对应一档震动强度，幅值越大，震动强度越强。

进一步地，所述步骤(6)中设计不同的震动马达阵列中各马达的启停顺序对应乘员运动预期信号MA_a(t)中各维度的方向，具体为：

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的横摆角速度预期Yawratea(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，沿着圆周方向逐个开启震动马达表示横摆方向，逆时针逐个开启震动马达表示向左横摆的运动预期，顺时针逐个开启震动马达表示向右横摆的运动预期。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的侧倾角速度预期Rollratea(t)，根据乘员位姿适应，在躺姿或坐姿时启用腿部支撑、座椅坐垫、靠背和头枕的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，仅开启左侧的震动马达、不开启右侧表示预期右倾运动，仅开启右侧马达、不开启左侧马达表示预期左倾运动。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的俯仰角速度预期Pitchratea(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，仅开启前侧震动马达、不开启后侧表示预期前倾运动，仅开启后侧震动马达、不开启前侧表示预期后倾运动。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的纵向加速度预期Axa(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，沿纵向逐个开启震动马达表示纵向加速度方向，其中，从前向后逐个震动表示制动时的纵向减速，从后向前逐个震动表示加速时的纵向加速。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的侧向加速度预期Aya(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，沿侧向逐个开启震动马达表示侧向加速度方向，其中，从右向左逐个震动表示向左的侧向加速运动，从左向右逐个震动表示向右的侧向加速运动。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的垂向加速度预期Aza(t)，根据乘员位姿适应：

在躺姿或坐姿时，启用座椅坐垫、安全带、靠背和头枕的震动马达阵列，以沿垂向逐个开启震动马达表示垂向加速方向，其中，从上到下依次开启头枕、安全带、靠背到坐垫的震动马达且逐个震动表示向下的垂向加速运动，从下到上依次开启坐垫、靠背、安全带到头枕的震动马达且逐个震动表示向上的垂向加速运动。

在站姿时，启用扶手和脚部位置的震动马达阵列，扶手先震动脚部位置后震动表示向上的垂向加速运动，脚部位置先震动扶手后震动表示向下的垂向加速运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明可以通过实时路况感知和车辆感知获取本车的运动预期，包括纵向加速度预期Axa(t)、侧向加速度预期Aya(t)、垂向加速度预期Aza(t)、横摆运动预期Yawa(t)、侧倾运动预期Rolla(t)、俯仰运动预期Pitcha(t)。获得的运动预期信息通过光学提示、语音提示、震动马达阵列的马达启停顺序、马达震动强度和马达震动频率传递给乘员，降低车辆行驶过程中的乘员晕车概率与晕车程度，提高乘员的乘坐舒适性；

2、本发明可以通过乘员姿态感知模块检测车内乘员姿势，包括躯干姿势、手部姿势、头部姿势、眼部注视位置，其中躯干姿势包括站姿、坐姿、靠姿、躺姿、半躺姿，头部姿势包括乘员头部的朝向与位置，眼部注视位置为乘员眼睛注视点位置。然后交互反馈控制模块可以根据不同的乘员姿势来控制交互反馈信号的传递：当乘员躯干姿势和头部姿势表明乘员在休息中，关闭语音提示和光学显示提示，仅采用震动马达阵列提供提示信息；当头部姿势和眼部注视位置表明乘员视觉注意力需求高时，降低语音提示模块的音量，关闭光学信号提示，开启震动马达阵列提示；

3、本发明通过震动马达阵列的马达启停顺序、马达震动强度和马达震动频率来把本车的运动预期信息传递给乘员。这是一种以触觉反馈形式为主的提示系统，不需要乘员抬头观察，因此乘员可以在车辆行驶中进行一些非驾驶任务，例如：看书、看视频等，因此用户体验能得到大幅提升。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为交互反馈控制模块的控制过程示意图；

图3为本发明在躺姿和坐姿座椅上的震动马达阵列布置示意图；其中，(a)为躺姿座椅震动马达阵列布置，(b)坐姿座椅震动马达阵列布置；

图4为车辆避撞场景实例；

图5为车辆避撞场景下的运动预期响应曲线；

图中，乘员1、躺姿座椅头枕震动马达阵列2、躺姿座椅靠背震动马达阵列3、躺姿座椅坐垫震动马达阵列4、躺姿座椅坐垫震动马达阵列5、躺姿座椅腿部支撑震动马达阵列6、坐姿座椅坐垫支撑震动马达阵列7、坐姿座椅靠背震动马达阵列8、坐姿座椅头枕震动马达阵列9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明一种乘员运动预期提示系统，包括路况感知模块、车辆感知模块、乘员姿态感知模块、车辆运动规划模块、运动预期计算模块、交互反馈控制模块、震动马达阵列、语音提示模块、光学提示模块。

(1)路况感知模块用于对未来时段T_p内车辆周边路况进行感知，包括未来时段T_p内的道路宽度Wr、道路曲率Rho、障碍物运动位姿Pi。

路况感知模块关注的空间范围为未来时段T_p范围内车辆可能进入的空间，根据路况感知模块数据的精度、分辨率、有效范围来综合确定；路况感知模块关注的障碍物包括机动车辆、行人、非机动车辆、动物、道路不平度、凸起异物、凹坑、路侧障碍物、交通信号标志。

(2)车辆感知模块对车辆自身运动位姿Pv进行感知，包括车辆纵向速度Vx、侧向速度Vy、侧向加速度Ay、纵向加速度Ax、垂向加速度Az、横摆角速度Yawrate。

路况感知模块和车辆感知模块的数据来源于本车感知及处理系统、高精度地图、道路交通设施、其他交通参与者通过车联网络提供的数据；其中，本车感知及处理系统包括激光雷达、摄像头、毫米波雷达、超声波雷达、多轴惯性导航传感器、车辆数据总线、感知信息处理模块。

(3)乘员姿态感知模块负责检测车内乘员姿势，通过多个摄像头监测乘员躯干姿势、手部姿势、头部姿势，并通过红外摄像头及处理系统监测眼部注视位置。其中，躯干姿势包括站姿、坐姿、靠姿、躺姿、半躺姿；头部姿势包括乘员头部的朝向与位置；眼部注视位置为乘员眼部注视点位置。

(4)车辆运动规划模块根据路况感知模块和车辆感知模块提供的动态、静态交通场景信息，将未来时段T_p内车辆周边路况和自身运动位姿Pv结合驾驶员或乘员确定的车辆出行任务导航地图，计算得到纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、垂向速度序列VzpR(t)、横摆角序列Yawp(t)。

首先确定未来时段T_p内的可通行区域，规划得到车辆运动轨迹规划序列Traj_p(t)，包括车辆路径坐标序列(Xp(t),Yp(t),Zp(t))、横摆角序列Yawp(t)。根据T_p＝k*ts按照采样步长ts给出k个运动轨迹值，Traj_p(t)＝[Traj_p(1*ts)；Traj_p(2*ts)；Traj_p(3*ts)；…；Traj_p(k*ts)]。

根据车辆运动轨迹规划序列Traj_p(t)中的侧向、纵向、垂向位置序列，使用差分法计算纵向速度、侧向速度和垂向速度。根据t时刻路径坐标序列(Xp(t),Yp(t)),Zp(t)以及前一采样步长t-ts时刻的路径坐标序列(Xp(t-ts),Yp(t-ts),Zp(t-ts))，得到纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、由运动轨迹直接引起的垂向速度序列VzpR(t)。

对于自动驾驶车辆，车辆运动规划模块采用自动驾驶算法的运动规划结果，直接获得纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、横摆角序列Yawp(t)，以及由运动轨迹直接引起的垂向速度序列VzpR(t)。

(5)运动预期计算模块负责计算未来时段的运动激励，根据车辆运动规划模块给出的车辆未来时段T_p内的纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、垂向速度序列VzpR(t)以及横摆角序列Yawp(t)，计算未来时段T_a内(T_a≤T_p)的乘员运动预期信号MA_a(t)，包括纵向加速度预期Axa(t)、侧向加速度预期Aya(t)、垂向加速度预期Aza(t)、横摆角速度预期Yawratea(t)、侧倾角速度预期Rollratea(t)、俯仰角速度预期Pitchratea(t)。

根据车辆运动规划模块输出的纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、由运动轨迹引起的垂向速度序列VzpR(t)，使用差分法计算纵向、侧向加速度预期以及由运动轨迹直接引起的垂向加速度预期。具体地，根据T_a时刻纵向速度Vxp(T_a)以及前一采样步长T_a-ts时刻的纵向速度Vxp(T_a-ts)，进一步得到纵向加速度预期Axa(T_a)＝(Vxp(T_a)-Vxp(T_a-ts))/ts；根据T_a时刻侧向速度Vyp(T_a)以及前一采样步长T_a-ts时刻的侧向速度Vyp(T_a-ts)，进一步得到侧向加速度预期Aya(T_a)＝(Vyp(T_a)-Vyp(T_a-ts))/ts；根据T_a时刻垂向速度VzpR(T_a)以及前一采样步长T_a-ts时刻的垂向速度VzpR(T_a-ts)，进一步得到由运动轨迹直接引起的垂向加速度预期AzaR(T_a)＝(VzpR(T_a)-VzpR(T_a-ts))/ts；类似地可计算T_a之前时刻的预期值，获得纵向加速度预期序列Axa(t)、侧向加速度预期序列Aya(t)、由运动轨迹直接引起的垂向加速度预期序列AzaR(t)。

根据车辆运动规划模块给出的横摆角序列Yawp(t)，使用差分法计算横摆角速度预期Yawratea(t)。具体地，根据T_a时刻横摆角Yawp(T_a)及前一采样步长T_a-ts时刻的横摆角Yawp(T_a-ts)，进一步得到横摆角速度预期Yawratea(T_a)＝(Yawp(T_a)-Yawp(T_a-ts))/ts；类似地可计算T_a之前时刻的预期值，获得横摆角速度预期序列Yawratea(t)。

根据车辆运动规划模块给出的侧向速度序列Vyp(t)、纵向速度序列Vxp(t)、横摆角序列Yawp(t)，以及计算的纵向加速度预期序列Axa(t)、侧向加速度预期序列Aya(t)、横摆角速度预期序列Yawratea(t)，基于车辆动力学模型设计状态估计算法，得到对应时刻的侧倾角速度预期Rollratea(t)、俯仰角速度预期Pitchratea(t)，以及由运动轨迹间接引起的垂向加速度预期AzaD(t)；最终的垂向加速度预期序列Aza(t)包括直接部分AzaR(t)和间接部分AzaD(t)，即Aza(t)＝AzaR(t)+AzaD(t)；其中，车辆动力学模型包括车辆前后悬架特性、车辆质量参数、路面不平度特性。

(7)震动马达阵列由交互反馈控制模块控制，负责给乘员提供乘员运动预期信号相关的震动刺激。震动马达阵列的控制包括马达震动强度、马达启停顺序。

震动马达布置在乘员与车辆交互接触的位置，包括扶手、脚部地板、座椅；其中，座椅上布置马达的位置包括头枕、靠背、坐垫、腿部支撑和侧背支撑。座椅头枕、靠背、坐垫上均至少布置左右两个震动马达。

震动马达阵列的乘员位姿适应具体为：当乘员采用站姿，启用布置在扶手和脚部地板的震动马达阵列；当乘员采用躺姿，启用布置在安全带、腿部支撑、座椅靠背、坐垫、头枕的震动马达阵列；当乘员采用坐姿，启用布置在安全带、座椅靠背、坐垫、头枕和侧背支撑的震动马达阵列。

如图3所示，躺姿座椅震动马达阵列布置包括躺姿座椅头枕震动马达阵列2、躺姿座椅靠背震动马达阵列3、躺姿座椅坐垫震动马达阵列4和躺姿座椅腿部支撑震动马达阵列5；坐姿座椅震动马达阵列布置包括坐姿座椅坐垫震动马达阵列6、坐姿座椅侧背支撑震动马达阵列7、坐姿座椅靠背震动马达阵列8和坐姿座椅头枕震动马达阵列9。

(8)语音提示模块由交互反馈控制模块控制，负责语音提示形式和内容，可调节内容包括音量、音色、播放内容。

(9)光学提示模块由交互反馈控制模块控制，负责光学信号形式和内容，可调节内容包括显示文字、显示视频、显示图片、亮度、分辨率。

(10)交互反馈控制模块用于根据乘员姿态感知模块给出的不同的乘员姿势控制交互反馈信号的传递，协调语音提示模块、光学提示模块、震动马达阵列的动作，实施运动预期计算模块给出的乘员运动预期信号MA_a(t)，将乘员运动预期信号通过提示信号传递给乘员；提示信号包括语音提示、光学提示和震动马达阵列的震动。具体协调内容包括语音提示形式和内容、光学信号形式和内容、提示信号的频率、震动马达阵列的乘员位姿适应、马达阵列的震动强度、马达启停顺序。

根据乘员偏好、乘员运动预期信号各维度的变化率来确定提示信号的发送时机和间隔；具体地，根据T_a时刻运动预期MA_a(T_a)以及前一采样步长T_a-ts时刻的运动预期MA_a(T_a-ts)，得到运动预期的变化率为(MA_a(T_a)-MA_a(T_a-ts))/ts。当在Ta时刻的乘员运动预期信号某一维度的变化率大于等于设定阈值θ时，在(T_a-n*ΔT)…(T_a-2*ΔT)、(T_a-1*ΔT)时刻分别发出相应的提示信号；当某维度的变化率小于设定阈值θ时，不发送该维度对应的提示信号；其中阈值θ、提示间隔ΔT、提示次数n，根据乘员偏好选择。

如图2所示，交互反馈控制模块的控制过程包括以下步骤：

(1)根据乘员躯干姿势和头部姿势判断乘员是否在休息；如是执行步骤(2)，如否执行步骤(3)。

(2)关闭语音提示和光学显示提示，仅采用震动马达阵列提供提示信息；跳到步骤(6)。

(3)根据头部姿势和眼部注视位置判断乘员注意力是否在前方，如头部姿势为面部朝前眼部注视位置也在前方，表示乘员注意力在前方，执行步骤(4)，如否执行步骤(5)。

(4)语音提示、光学显示提示、震动马达阵列提示都打开；跳到步骤(6)。

(5)此时，乘员视觉注意力需求高，关闭光学信号提示，开启语音提示，开启震动马达阵列提示；跳到步骤(6)。

(6)利用震动马达阵列的启停顺序、震动强度传递乘员运动预期信号MA_a(t)的幅值大小和方向，具体为：

将震动马达阵列的震动强度分为n_w档(n_w≥2)，运动预期信号各维度的震动提示信号根据幅值大小所属区间对应不同档的震动强度，成正相关关系。

马达阵列的震动强度定义为输出震动激励信号的总功率Pmotor，由马达的震动个数Nmotor、震动频率Fmotor、震动幅值Mmotor决定，可通过马达功率计算或震动激励信号采集分析的方法确定。其中，震动激励信号采集分析的方法是指对阵列中每个马达震动激励加速度信号采集，遍历马达的个数、频率、幅值的组合，获得震动激励信号的总功率Pmotor与马达的震动个数Nmotor、震动频率Fmotor、震动幅值Mmotor之间的映射关系，以及满载荷时的最大震动强度。

当震动强度为第i档时，震动马达阵列的震动强度为满载荷时最大震动强度的i/n_w，i＝1～n_w。

对应地，以幅值极限向量

M_max＝[Axa_max,Aya_max,Aza_max,Yawratea_max,Rollratea_max,Pitchratea_max]为界限，将乘员运动预期信号MA_a(t)各维度的幅值范围分为n_w段：(0～M_max,j/(n_w-1)]、(M_max,j/(n_w-1)～2*M_max,j/(n_w-1)]、…、((n_w-2)M_max,j/(n_w-1),M_max,j]、(M_max,j,+∞)；其中M_max,j表示Axa_max、Aya_max、Aza_max、Yawratea_max、Rollratea_max、Pitchratea_max中的一个。

以n_w＝4、线加速度幅值极限0.9g、角速度幅值极限60度/秒为例，其中纵向、侧向和垂向的线加速度预期的幅值分为(0,0.3g]、(0.3g,0.6g]、(0.6g,0.9g]、(0.9g,+∞)共4段；对于横摆运动、侧倾运动和俯仰运动的角速度预期的幅值分为(0,20]、(20,40]、(40,60]、(60,+∞)共4段，单位为度/秒。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的横摆角速度预期Yawratea(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，沿着圆周方向逐个开启震动马达表示横摆方向，逆时针逐个开启震动马达表示向左横摆的运动预期，顺时针逐个开启震动马达表示向右横摆的运动预期；当横摆角速度预期Yawratea(t)∈((i-1)*Yawratea_max/(n_w-1),i*Yawratea_max/(n_w-1)]，其中i＝1～n_w-1，对应第i档震动强度；当横摆角速度预期Yawratea(t)＞Yawratea_max时，对应第n_w档震动强度。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的侧倾角速度预期Rollratea(t)，根据乘员位姿适应，在躺姿或坐姿时启用腿部支撑、座椅坐垫、靠背和头枕的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，仅开启左侧的震动马达、不开启右侧表示预期右倾运动，仅开启右侧马达、不开启左侧马达表示预期左倾运动；当侧倾角速度预期Rollratea(t)∈((i-1)*Rollratea_max/(n_w-1),i*Rollratea_max/(n_w-1)]，其中i＝1～n_w-1，对应第i档震动强度；当侧倾角速度预期Rollratea(t)＞Rollratea_max时，对应第n_w档震动强度。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的俯仰角速度预期Pitchratea(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，仅开启前侧震动马达、不开启后侧表示预期前倾运动，仅开启后侧震动马达、不开启前侧表示预期后倾运动；当俯仰角速度预期Pitchratea(t)∈((i-1)*Pitchratea_max/(n_w-1),i*Pitchratea_max/(n_w-1)]，其中i＝1～n_w-1，对应第i档震动强度；当俯仰角速度预期Pitchratea(t)＞Pitchratea_max时，对应第n_w档震动强度。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的纵向加速度预期Axa(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，沿纵向逐个开启震动马达表示纵向加速度方向，其中，从前向后逐个震动表示制动时的纵向减速，从后向前逐个震动表示加速时的纵向加速；当纵向加速度预期Axa(t)∈((i-1)*Axa_max/(n_w-1),i*Axa_max/(n_w-1)]，其中i＝1～n_w-1，对应第i档震动强度；当纵向加速度预期Axa(t)＞Axa_max时，对应第n_w档震动强度。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的侧向加速度预期Aya(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，沿侧向逐个开启震动马达表示侧向加速度方向，其中，从右向左逐个震动表示向左的侧向加速运动，从左向右逐个震动表示向右的侧向加速运动；当侧向加速度预期Aya(t)∈((i-1)*Aya_max/(n_w-1)i*Aya_max/(n_w-1)]，其中i＝1～n_w-1，对应第i档震动强度；当侧向加速度预期Aya(t)＞Aya_max时，对应第n_w档震动强度。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的垂向加速度预期Aza(t)，根据乘员位姿适应：

在躺姿或坐姿时，启用座椅坐垫、安全带、靠背和头枕的震动马达阵列，以沿垂向逐个开启震动马达表示垂向加速方向，其中，从上到下依次开启头枕、安全带、靠背到坐垫的震动马达且逐个震动表示向下的垂向加速运动，从下到上依次开启坐垫、靠背、安全带到头枕的震动马达且逐个震动表示向上的垂向加速运动。

在站姿时，启用扶手和脚部位置的震动马达阵列，扶手先震动脚部位置后震动表示向上的垂向加速运动，脚部位置先震动扶手后震动表示向下的垂向加速运动；当垂向加速度预期Aza(t)∈((i-1)*Aza_max/(n_w-1),i*Aza_max/(n_w-1)]，其中i≤n_w-1，对应第i档震动强度；当垂向加速度预期Aza(t)＞Aza_max时，对应第n_w档震动强度。

(7)最终达到乘员提高乘坐舒适度的目的。

图4给出了一个假设的车辆避撞的场景，道路是平整的，忽略车辆的垂向运动、侧倾运动及俯仰运动。假设该场景中，乘员保持坐姿。由车辆避撞场景的具体情况，通过前述感知、运动规划、运动预期计算等模块，最终得到在0～T_a时刻的车辆运动预期响应曲线如图5所示。

图4的场景中，乘员保持坐姿，且眼睛注视前方。针对预期运动中的纵向加速Axa(t)，如图5所示，纵向加速度基本在0附近，因此纵向的震动马达不震动。针对预期运动中的侧向加速Aya(t)，如图5所示，第一阶段Ay方向向右，并呈现先增后减的趋势，因此震动马达阵列从左至右逐个开启表示Ay的方向向左，马达个数、震动频率、幅值先增后减直至全部停止表示Ay先增后减直至归为零；第二阶段Ay方向向左，同样也呈现先增后减的趋势，因此震动马达阵列从右至左逐个开启表示Ay的方向向左，马达个数、震动频率、幅值先增后减直至全部停止表示Ay先增后减直至归为零；第三阶段与第一阶段类似，震动马达阵列从左至右逐个开启表示Ay的方向向左，马达个数、震动频率、幅值先增后减直至全部停止表示Ay先增后减直至归为零。针对预期运动中的横摆运动，如图4所示，第一阶段横摆方向向右，横摆角速度呈现先增后减的趋势，因此震动马达阵列顺时针逐个开启表示横摆方向向右，马达个数、震动频率、幅值先增后减直至全部停止表示横摆角速度先增后减直至归为零；第二阶段横摆方向向左，横摆角速度呈现先增后减的趋势，因此震动马达阵列逆时针逐个开启表示横摆方向向右，马达个数、震动频率、幅值先增后减直至全部停止表示横摆角速度先增后减直至归为零；第三阶段与第一阶段类似，震动马达阵列顺时针逐个开启表示横摆方向向右，马达个数、震动频率、幅值先增后减直至全部停止表示横摆角速度先增后减直至归为零。除了震动马达阵列向乘员发送运动预期信号以外，还辅以语音提示和光学提示发送信号。

根据乘员偏好，可选择简化的间歇提示方案，对前述纵向加速度、侧向加速度、横摆运动预期，仅在加速度或横摆角的变化率超过一定阈值时，才给乘员发出提示。例如，当预期加速度、横摆角要出现剧烈变化，甚至改变方向时，才给乘员发出提示信号。

最终乘员通过震动马达阵列、语音提示及光学提示发送的运动预期信号获得车辆的运动预期，从而降低乘员晕车几率，提高乘坐舒适度和用户体验。

如图4、图5场景，假设乘员此时没有注意前方障碍物，如没有本系统提供提示，其对于前方紧急避撞所造成的车辆剧烈运动没有预期，容易引起不适。当配备本系统时，即使乘员没有注意前方障碍物，甚至乘员在进行阅读任务，本系统提示，有助于乘员产生运动预期，为短期内的运动做好预备，可提高舒适性和用户体验。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种乘员运动预期提示系统，其特征在于，包括路况感知模块、车辆感知模块、乘员姿态感知模块、车辆运动规划模块、运动预期计算模块、交互反馈控制模块、震动马达阵列、语音提示模块、光学提示模块。

所述路况感知模块，用于对未来时段T_p内车辆周边路况进行感知，包括未来时段T_p内的道路宽度Wr、道路曲率Rho、障碍物运动位姿Pi。

所述车辆感知模块，对车辆自身运动位姿Pv进行感知，包括车辆纵向速度Vx、侧向速度Vy、侧向加速度Ay、纵向加速度Ax、垂向加速度Az、横摆角速度Yawrate。

所述乘员姿态感知模块，负责监测乘员躯干姿势、手部姿势、头部姿势、眼部注视位置。

所述车辆运动规划模块，根据路况感知模块和车辆感知模块的输出，将未来时段T_p内车辆周边路况和自身运动位姿Pv结合车辆出行任务导航地图，得到纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、垂向速度序列VzpR(t)、横摆角序列Yawp(t)。

所述运动预期计算模块，负责计算未来时段的运动激励，根据车辆运动规划模块给出的车辆未来时段T_p内的纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、垂向速度序列VzpR(t)以及横摆角序列Yawp(t)，计算未来时段T_a内(T_a≤T_p)的乘员运动预期信号MA_a(t)，包括纵向加速度预期Axa(t)、侧向加速度预期Aya(t)、垂向加速度预期Aza(t)、横摆角速度预期Yawratea(t)、侧倾角速度预期Rollratea(t)、俯仰角速度预期Pitchratea(t)。

所述震动马达阵列，由交互反馈控制模块控制，负责给乘员提供乘员运动预期信号相关的震动刺激。震动马达阵列的控制包括马达震动强度、马达启停顺序。不同的乘员位姿启用不同位置的震动马达。

所述交互反馈控制模块，根据乘员姿态感知模块给出的不同的乘员姿势控制交互反馈信号的传递，协调语音提示模块、光学提示模块、震动马达阵列的动作，实施运动预期计算模块给出的乘员运动预期信号MA_a(t)，将乘员运动预期信号通过提示信号传递给乘员；提示信号包括语音提示、光学提示和震动马达阵列的震动。

2.如权利要求1所述乘员运动预期提示系统，其特征在于，路况感知模块关注的空间范围为未来时段T_p范围内车辆可能进入的空间，根据路况感知模块数据的精度、分辨率、有效范围来综合确定；路况感知模块关注的障碍物包括机动车辆、行人、非机动车辆、动物、道路不平度、凸起异物、凹坑、路侧障碍物、交通信号标志。

3.如权利要求1所述乘员运动预期提示系统，其特征在于，所述车辆运动规划模块，首先确定未来时段T_p内的可通行区域，规划得到车辆运动轨迹规划序列Traj_p(t)，包括车辆路径坐标序列(Xp(t),Yp(t),Zp(t))、横摆角序列Yawp(t)。再使用差分法计算得到纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、由运动轨迹直接引起的垂向速度序列VzpR(t)。

4.如权利要求1所述乘员运动预期提示系统，其特征在于，对于自动驾驶车辆，车辆运动规划模块采用自动驾驶算法的运动规划结果，直接获得纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、横摆角序列Yawp(t)，以及由运动轨迹直接引起的垂向速度序列VzpR(t)。

5.如权利要求1所述乘员运动预期提示系统，其特征在于，所述运动预期计算模块，根据车辆运动规划模块输出的纵向速度序列Vxp(t)、侧向速度序列Vyp(t)、由运动轨迹引起的垂向速度序列VzpR(t)、横摆角序列Yawp(t)，使用差分法计算得到纵向加速度预期序列Axa(t)、侧向加速度预期序列Aya(t)、由运动轨迹直接引起的垂向加速度预期序列AzaR(t)、横摆角速度预期Yawratea(t)。

再根据车辆运动规划模块给出的侧向速度序列Vyp(t)、纵向速度序列Vxp(t)、横摆角序列Yawp(t)，以及计算的纵向加速度预期序列Axa(t)、侧向加速度预期序列Aya(t)、横摆角速度预期序列Yawratea(t)，基于车辆动力学模型，得到对应时刻的侧倾角速度预期Rollratea(t)、俯仰角速度预期Pitchratea(t)，以及由运动轨迹间接引起的垂向加速度预期AzaD(t)；最终的垂向加速度预期序列Aza(t)＝AzaR(t)+AzaD(t)。

6.如权利要求1所述乘员运动预期提示系统，其特征在于，不同的乘员位姿启用不同位置的震动马达，具体为：

当乘员采用站姿，启用布置在扶手和脚部地板的震动马达阵列。

当乘员采用躺姿，启用布置在安全带、腿部支撑、座椅靠背、坐垫、头枕的震动马达阵列。

当乘员采用坐姿，启用布置在安全带、座椅靠背、坐垫、头枕和侧背支撑的震动马达阵列。

7.如权利要求1所述乘员运动预期提示系统，其特征在于，所述交互反馈控制模块，根据乘员偏好、乘员运动预期信号各维度的变化率来确定提示信号的发送时机和间隔，具体为：

当T_a时刻的乘员运动预期信号某一维度的变化率大于等于设定阈值θ时，在(T_a-n*ΔT)…(T_a-2*ΔT)、(T_a-1*ΔT)时刻分别发出相应的提示信号；其中阈值θ、提示间隔ΔT、提示次数n根据乘员偏好自定义。

8.如权利要求1所述乘员运动预期提示系统，其特征在于，所述交互反馈控制模块的控制过程包括以下步骤：

(1)根据乘员躯干姿势和头部姿势判断乘员是否在休息；如是执行步骤(2)，如否执行步骤(3)。

(2)关闭语音提示和光学显示提示，仅开启震动马达阵列提供提示信息；跳到步骤(6)。

(3)根据头部姿势和眼部注视位置判断乘员注意力是否在前方，如是执行步骤(4)，如否执行步骤(5)。

(4)语音提示、光学显示提示、震动马达阵列提示都打开；跳到步骤(6)。

(5)关闭光学信号提示，开启语音提示，开启震动马达阵列提示；跳到步骤(6)。

(6)设计不同的震动马达阵列的震动强度对应传递乘员运动预期信号MA_a(t)中各维度的幅值大小，设计不同的震动马达阵列中各马达的启停顺序对应乘员运动预期信号MA_a(t)中各维度的方向，从而向乘员传递运动预期的震动提示信号。

9.如权利要求8所述乘员运动预期提示系统，其特征在于，所述步骤(6)中设计不同的震动马达阵列的震动强度对应传递乘员运动预期信号MA_a(t)中各维度的幅值大小，具体为：

将震动马达阵列的震动强度分为n_w档，为乘员运动预期信号各维度的幅值大小设定不同的区间，每个区间对应一档震动强度，幅值越大，震动强度越强。

10.如权利要求8所述乘员运动预期提示系统，其特征在于，所述步骤(6)中设计不同的震动马达阵列中各马达的启停顺序对应乘员运动预期信号MA_a(t)中各维度的方向，具体为：

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的横摆角速度预期Yawratea(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，沿着圆周方向逐个开启震动马达表示横摆方向，逆时针逐个开启震动马达表示向左横摆的运动预期，顺时针逐个开启震动马达表示向右横摆的运动预期。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的侧倾角速度预期Rollratea(t)，根据乘员位姿适应，在躺姿或坐姿时启用腿部支撑、座椅坐垫、靠背和头枕的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，仅开启左侧的震动马达、不开启右侧表示预期右倾运动，仅开启右侧马达、不开启左侧马达表示预期左倾运动。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的俯仰角速度预期Pitchratea(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，仅开启前侧震动马达、不开启后侧表示预期前倾运动，仅开启后侧震动马达、不开启前侧表示预期后倾运动。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的纵向加速度预期Axa(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，沿纵向逐个开启震动马达表示纵向加速度方向，其中，从前向后逐个震动表示制动时的纵向减速，从后向前逐个震动表示加速时的纵向加速。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的侧向加速度预期Aya(t)，根据乘员位姿适应在躺姿或坐姿时启用腿部支撑和座椅坐垫的震动马达阵列，在站姿时启用脚部地板的震动马达阵列，沿侧向逐个开启震动马达表示侧向加速度方向，其中，从右向左逐个震动表示向左的侧向加速运动，从左向右逐个震动表示向右的侧向加速运动。

针对乘员运动预期信号MA_a(t)中的垂向加速度预期Aza(t)，根据乘员位姿适应：

在躺姿或坐姿时，启用座椅坐垫、安全带、靠背和头枕的震动马达阵列，以沿垂向逐个开启震动马达表示垂向加速方向，其中，从上到下依次开启头枕、安全带、靠背到坐垫的震动马达且逐个震动表示向下的垂向加速运动，从下到上依次开启坐垫、靠背、安全带到头枕的震动马达且逐个震动表示向上的垂向加速运动。

在站姿时，启用扶手和脚部位置的震动马达阵列，扶手先震动脚部位置后震动表示向上的垂向加速运动，脚部位置先震动扶手后震动表示向下的垂向加速运动。

Images