CN114179831A - 一种基于驾驶员分心判断的人机转向切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于驾驶员分心判断的人机转向切换控制方法，基于一种驾驶员和自动驾驶控制器切换的驾驶模式，该种模式下实时检测驾驶员是否分心，当驾驶员分心后切换使得自动驾驶控制器接管车辆控制，首先建立驾驶员分心判断机制，然后建立机器接管模型与控制算法，最后建立人机转向切换控制方法；本方法可在驾驶过程中实时判断驾驶员是否处于分心状态，使得当驾驶员处于分心状态时能够使得机器接管车辆转向控制保证行车安全；本方法提出了一种基于驾驶员方向盘握力和车辆侧向位移的驾驶员分心综合判断机制，能够准确及时的发现驾驶员的分心程度，减少分心检测的误报率。

Description

一种基于驾驶员分心判断的人机转向切换控制方法

技术领域

本发明属于汽车驾驶控制技术领域，涉及一种人机切换方法，更加具体的来讲，涉及一种基于驾驶员分心判断的人机转向切换控制方法。

背景技术

每年有大量由于驾驶员分心导致的车辆碰撞事故，这给行车安全带来极大威胁，随着车辆自动驾驶技术的发展，自动驾驶系统具备在特定环境下接管车辆控制的能力，当检测到驾驶员分心时车辆控制权能够及时从驾驶员切换到自动驾驶系统，可以保证自动驾驶系统能够及时接管车辆的控制权，从而避免交通事故的发生，因此开发基于驾驶员分心判断的切换控制系统对减少行车安全事故具有现实意义。

若驾驶员分心检测过于保守，则切换系统切换过于频繁影响驾驶体验，当分心检测策略激进时系统接管不及时不能保证车辆行车安全，如何建立驾驶员分心判断机制，实现人机之间在合适时机下切换控制仍然是一个挑战。

发明内容

本发明为解决由于驾驶员分析导致的碰撞事故问题，提出一种基于驾驶员分心的人机转向切换控制方法。

本发明所述的一种基于驾驶员分心判断的人机转向切换控制方法，是采用如下技术方案实现的：

一种基于驾驶员分心判断的人机转向切换控制方法，基于一种驾驶员和自动驾驶控制器切换的驾驶模式，该种模式下实时检测驾驶员是否分心，当驾驶员分心后切换使得自动驾驶控制器接管车辆控制，本方法具体步骤如下：

步骤一、建立驾驶员分心判断机制：

本方法中驾驶员分心判断机制依据两个指标，一个是驾驶员握力小于驾驶员方向盘握力阈值，另一个是车辆偏离程度大于车道偏离程度阈值；首先定义驾驶员握力F_g，车道偏离程度Δl，其中车道偏离程度计算公式如(1)所示：

Δl＝2(y-y_c)/D (1)

其中y为车辆的侧向位移，单位为m；y_c为车辆所在位置车道中心线位移，单位为m；D为车道宽度，单位为m；当车道偏离程度满足Δl≥0.5时认为大于车道偏离程度阈值；

通过在方向盘加装压力传感器去测量驾驶员的握力F_g，压力传感器的安装位置沿着方向盘布置一周，确保驾驶员的握在方向盘任意位置时都可以检测到握力；

当安装完毕后邀请10名不同的驾驶员分别驾驶车辆行驶5公里，通过对记录的数据分析得到第i名驾驶员的最大握力F_g,i，其中i为驾驶员编号i＝1,2,...,10；驾驶员的方向盘握力阈值

计算方式如式(2)所示：

当驾驶员的握力

的持续时间大于等于2s时记作

τ表示驾驶员的握力

的持续时间，此种条件下认为驾驶员握力小于驾驶员方向盘握力阈值，当

的持续时间小于2s时若重新出现驾驶员握力

情况时，计时重新开始；

则驾驶员分心判断机制如下式所示：

其中As为驾驶员分心判断标志，当As＝1时驾驶员处于分心状态，当As＝0表示驾驶员处于未分心状态；

步骤二、建立机器接管模型与控制算法：

定义大地坐标系原点O位于车辆起始位置，X轴正方向为车辆起始运动方向，Y轴的正方向为X轴逆时针旋转90度方向；定义车辆坐标系原点为车辆质心o，x轴的正方向为车头朝向，y轴的正方向为x轴逆时针旋转90度方向，z轴按照右手定则确定；

机器接管模型必须满足能够跟踪既定的参考路径，首先根据车辆动力学与运动学特性选取车辆状态为

其中e_y为车辆当前侧向位移与参考路径侧向位移的偏差，e_v为车辆当前侧向位移与参考路径侧向位移的偏差的导数，

为车辆当前航向角与参考路径航向角的偏差，e_γ为车辆当前航向角与参考路径航向角的偏差的导数，则e_y、e_v、

和e_γ计算公式如式(4)：

其中，a_y为车辆侧向加速度，单位为m·s^-2；v_x为车辆质心的纵向速度，单位m/s；ρ为前方道路曲率，单位为m^-1；

为车辆的航向角，单位为rad；

为理想的航向角，单位为rad；其中a_y、v_x、ρ和

通过车载传感器获得；

选取车辆状态为

车辆的输出y_o，建立如式(5)所示的车辆动力学与运动学模型：

式中各个矩阵的具体表达式如下所示：

C_a＝[1 0 0 0]

其中，I_z为车辆绕z轴的转动惯量，单位kg·m²；a为车辆质心o到车辆前轴的距离，单位m；b为车辆质心o到车辆后轴的距离，单位m；C_f为车辆前轮的轮胎侧偏刚度，单位N·rad；C_r为车辆后轮的轮胎侧偏刚度，单位N·rad；

以式(5)的模型为预测模型，利用模型预测控制设计机器控制算法，定义机器控制算法的预测输出方程如式(6)：

Y(k)＝S_xx(k)+S_uU(k)+S_ρΘ(k) (6)

预测时域内参考路径的曲率和车辆纵向速度不发生变化，式(4)中各个矩阵的具体表达式如下所示:

其中，k代表当前时刻为k时刻，P为预测步数，N为控制步数；

机器控制算法的目标是跟踪上参考路径，同时车辆的转向控制量越小越好，因此机器控制算法的目标函数J_a如式(7)所示：

J_a＝R||Y(k)||²+Q||U(k)||² (7)

其中，R和Q为机器控制算法的目标函数J_a的可调权重系数，R＞0，Q＞0，求解J_a即可得到机器当前时刻k未来P步的控制序列U(k)，则控制器当前时刻的转向控制动作为δ_a＝K·U(k)，K＝[1 0 ... 0]_1×P；

步骤三、建立人机转向切换控制方法：

人机转向切换控制方法包含两步，第一步是驾驶员分心判断，当驾驶员被判断处于分心状态时机器接管车辆转向控制，通过车载传感器实时采集当前时刻驾驶员转向控制动作为δ_h(k)，定义车辆当前时刻转向控制输入为δ_f(k)，则人机转向切换控制方法设计如式(8)所示：

通过实时判断As的数值可以获得δ_f(k)的取值，将δ_f(k)执行到车辆即可完成人机转向切换控制。

本发明的有益效果为：

1.本发明提出了一种基于驾驶员分心判断的人机转向切换控制方法，在驾驶过程中实时判断驾驶员是否处于分心状态，使得当驾驶员处于分心状态时能够使得机器接管车辆转向控制保证行车安全；

2.本发明提出了一种基于驾驶员方向盘握力和车辆侧向位移的驾驶员分心综合判断机制，能够准确及时的发现驾驶员的分心程度，减少分心检测的误报率；

附图说明：

图1为本发明提供的一种基于驾驶员分心判断的人机转向切换控制方法的流程简图；

图2为本方法中的人机转向切换控制逻辑的示意图；

具体实施方式

步骤一、建立驾驶员分心判断机制：

本方法中驾驶员分心判断机制依据两个指标，一个是驾驶员握力小于驾驶员方向盘握力阈值，另一个是车辆偏离程度大于车道偏离程度阈值；首先定义驾驶员握力F_g，车道偏离程度Δl，其中车道偏离程度计算公式如(1)所示：

Δl＝2(y-y_c)/D (1)

其中y为车辆的侧向位移，单位为m；y_c为车辆所在位置车道中心线位移，单位为m；D为车道宽度，单位为m；当车道偏离程度满足Δl≥0.5时认为大于车道偏离程度阈值；

通过在方向盘加装压力传感器去测量驾驶员的握力F_g，压力传感器的安装位置沿着方向盘布置一周，确保驾驶员的握在方向盘任意位置时都可以检测到握力；

当安装完毕后邀请10名不同的驾驶员分别驾驶车辆行驶5公里，通过对记录的数据分析得到第i名驾驶员的最大握力F_g,i，其中i为驾驶员编号i＝1,2,...,10；驾驶员的方向盘握力阈值

计算方式如式(2)所示：

当驾驶员的握力

的持续时间大于等于2s时记作

τ表示驾驶员的握力

的持续时间，此种条件下认为驾驶员握力小于驾驶员方向盘握力阈值，当

的持续时间小于2s时若重新出现驾驶员握力

情况时，计时重新开始；

则驾驶员分心判断机制如下式所示：

其中，As为驾驶员分心判断标志，当As＝1时驾驶员处于分心状态，当As＝0 表示驾驶员处于未分心状态；

步骤二、建立机器接管模型与控制算法：

定义大地坐标系原点O位于车辆起始位置，X轴正方向为车辆起始运动方向，Y轴的正方向为X轴逆时针旋转90度方向；定义车辆坐标系原点为车辆质心o，x轴的正方向为车头朝向，y轴的正方向为x轴逆时针旋转90度方向，z轴按照右手定则确定；

机器接管模型必须满足能够跟踪既定的参考路径，首先根据车辆动力学与运动学特性选取车辆状态为

其中e_y为车辆当前侧向位移与参考路径侧向位移的偏差，e_v为车辆当前侧向位移与参考路径侧向位移的偏差的导数，

为车辆当前航向角与参考路径航向角的偏差，e_γ为车辆当前航向角与参考路径航向角的偏差的导数，则e_y、e_v、

和e_γ计算公式如式(4)：

其中，a_y为车辆侧向加速度，单位为m·s^-2；v_x为车辆质心的纵向速度，单位m/s；ρ为前方道路曲率，单位为m^-1；

为车辆的航向角，单位为rad；

为理想的航向角，单位为rad；其中a_y、v_x、ρ和

通过车载传感器获得；

选取车辆状态为

车辆的输出y_o，建立如式(5)所示的车辆动力学与运动学模型：

式中各个矩阵的具体表达式如下所示：

C_a＝[1 0 0 0]

其中，I_z为车辆绕z轴的转动惯量，单位kg·m²；a为车辆质心o到车辆前轴的距离，单位m；b为车辆质心o到车辆后轴的距离，单位m；C_f为车辆前轮的轮胎侧偏刚度，单位N·rad；C_r为车辆后轮的轮胎侧偏刚度，单位N·rad；

以式(4)的模型为预测模型，利用模型预测控制设计机器控制算法，定义机器控制算法的预测输出方程如式(6)：

Y(k)＝S_xx(k)+S_uU(k)+S_ρΘ(k) (6)

预测时域内参考路径的曲率和车辆纵向速度不发生变化，式(4)中各个矩阵的具体表达式如下所示:

其中，k代表当前时刻为k时刻，P为预测步数，N为控制步数；

机器控制算法的目标是跟踪上参考路径，同时车辆的转向控制量越小越好，因此机器控制算法的目标函数J_a如式(7)所示：

J_a＝R||Y(k)||²+Q||U(k)||² (7)

其中，R和Q为机器控制算法的目标函数J_a的可调权重系数，R＞0，Q＞0，求解J_a即可得到机器当前时刻k未来P步的控制序列U(k)，则控制器当前时刻的转向控制动作为δ_a＝K·U(k)，K＝[1 0 ... 0]_1×P；

步骤三、建立人机转向切换控制方法：

人机转向切换控制方法包含两步，第一步是驾驶员分心判断，当驾驶员被判断处于分心状态时机器接管车辆转向控制，人机转向切换控制的整体框图如图2所示，通过车载传感器实时采集当前时刻驾驶员转向控制动作为δ_h(k)，定义车辆当前时刻转向控制输入为δ_f(k)，则人机转向切换控制方法设计如式(8) 所示：

通过实时判断As的数值可以获得δ_f(k)的取值，将δ_f(k)执行到车辆即可完成人机转向切换控制。

Claims (1)

1.一种基于驾驶员分心判断的人机转向切换控制方法，基于一种驾驶员和自动驾驶控制器切换的驾驶模式，该种模式下实时检测驾驶员是否分心，当驾驶员分心后切换使得自动驾驶控制器接管车辆控制，其特征在于，本方法具体步骤如下：

步骤一、建立驾驶员分心判断机制：

本方法中驾驶员分心判断机制依据两个指标，一个是驾驶员握力小于驾驶员方向盘握力阈值，另一个是车辆偏离程度大于车道偏离程度阈值；首先定义驾驶员握力F_g，车道偏离程度Δl，其中车道偏离程度计算公式如(1)所示：

Δl＝2(y-y_c)/D (1)

其中y为车辆的侧向位移，单位为m；y_c为车辆所在位置车道中心线位移，单位为m；D为车道宽度，单位为m；当车道偏离程度满足Δl≥0.5时认为大于车道偏离程度阈值；

通过在方向盘加装压力传感器去测量驾驶员的握力F_g，压力传感器的安装位置沿着方向盘布置一周，确保驾驶员的握在方向盘任意位置时都可以检测到握力；

当安装完毕后邀请10名不同的驾驶员分别驾驶车辆行驶5公里，通过对记录的数据分析得到第i名驾驶员的最大握力F_g,i，其中i为驾驶员编号i＝1,2,...,10；驾驶员的方向盘握力阈值

计算方式如式(2)所示：

当驾驶员的握力

的持续时间大于等于2s时记作

τ表示驾驶员的握力

的持续时间，此种条件下认为驾驶员握力小于驾驶员方向盘握力阈值，当

的持续时间小于2s时若重新出现驾驶员握力

情况时，计时重新开始；

则驾驶员分心判断机制如下式所示：

其中As为驾驶员分心判断标志，当As＝1时驾驶员处于分心状态，当As＝0表示驾驶员处于未分心状态；

步骤二、建立机器接管模型与控制算法：

定义大地坐标系原点O位于车辆起始位置，X轴正方向为车辆起始运动方向，Y轴的正方向为X轴逆时针旋转90度方向；定义车辆坐标系原点为车辆质心o，x轴的正方向为车头朝向，y轴的正方向为x轴逆时针旋转90度方向，z轴按照右手定则确定；

机器接管模型必须满足能够跟踪既定的参考路径，首先根据车辆动力学与运动学特性选取车辆状态为

其中e_y为车辆当前侧向位移与参考路径侧向位移的偏差，e_v为车辆当前侧向位移与参考路径侧向位移的偏差的导数，

为车辆当前航向角与参考路径航向角的偏差，e_γ为车辆当前航向角与参考路径航向角的偏差的导数，则e_y、e_v、

和e_γ计算公式如式(4)：

其中，a_y为车辆侧向加速度，单位为m·s^-2；v_x为车辆质心的纵向速度，单位m/s；ρ为前方道路曲率，单位为m-¹；

为车辆的航向角，单位为rad；

为理想的航向角，单位为rad；其中a_y、v_x、ρ和

通过车载传感器获得；

选取车辆状态为

车辆的输出y_o，建立如式(5)所示的车辆动力学与运动学模型：

式中各个矩阵的具体表达式如下所示:

C_a＝[1 0 0 0]

其中，I_z为车辆绕z轴的转动惯量，单位kg·m²；a为车辆质心o到车辆前轴的距离，单位m；b为车辆质心o到车辆后轴的距离，单位m；C_f为车辆前轮的轮胎侧偏刚度，单位N·rad；C_r为车辆后轮的轮胎侧偏刚度，单位N·rad；

以式(5)的模型为预测模型，利用模型预测控制设计机器控制算法，定义机器控制算法的预测输出方程如式(6)：

Y(k)＝S_xx(k)+S_uU(k)+S_ρΘ(k) (6)

预测时域内参考路径的曲率和车辆纵向速度不发生变化，式(4)中各个矩阵的具体表达式如下所示：

其中，k代表当前时刻为k时刻，P为预测步数，N为控制步数；

机器控制算法的目标是跟踪上参考路径，同时车辆的转向控制量越小越好，因此机器控制算法的目标函数J_a如式(7)所示：

J_a＝R||Y(k)||²+Q||U(k)||² (7)

其中，R和Q为机器控制算法的目标函数J_a的可调权重系数，R＞0，Q＞0，求解J_a即可得到机器当前时刻k未来P步的控制序列U(k)，则控制器当前时刻的转向控制动作为δ_a＝K·U(k)，K＝[1 0 … 0]_1×P；

步骤三、建立人机转向切换控制方法：

人机转向切换控制方法包含两步，第一步是驾驶员分心判断，当驾驶员被判断处于分心状态时机器接管车辆转向控制，通过车载传感器实时采集当前时刻驾驶员转向控制动作为δ_h(k)，定义车辆当前时刻转向控制输入为δ_f(k)，则人机转向切换控制方法设计如式(8)所示：

通过实时判断As的数值可以获得δ_f(k)的取值，将δ_f(k)执行到车辆即可完成人机转向切换控制。

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