PreScan在先进驾驶辅助系统评价中的应用①

刘 颖， 朱西产， 李佳琦

(同济大学，上海 201804)

0 引言

先进驾驶辅助系统是利用安装在车上的各式各样的传感器，在第一时间收集车内外的环境数据，进行静、动态物体的辨识、侦测与追踪等技术上的处理，从而能够让驾驶员在最快的时间察觉可能发生的危险，以引起注意和提高安全性的主动安全技术[1].

ADAS评价方法主要有以下几种:第一，在试验场进行道路测试，通过在试验场中复现危险工况，测量车辆的运动参数，得到ADAS相关数据;第二，实车道路测试，在若干车辆上安装测量装置，进行大量自然驾驶后，统计得到ADAS避免事故发生的有效性和驾驶员对ADAS的接受度等结论;第三，驾驶模拟器，在驾驶模拟器中模拟典型危险工况，通过主观调查问卷和分析测量数据评价ADAS.本方法较前两种方法简单方便、成本低，可以对ADAS进行初步评价，也是本论文中使用的评价方式.

本文提出了使用PreScan模拟真实驾驶环境复现危险工况，获得驾驶数据并评价ADAS的一种试验方法.可能用于验证ADAS控制策略的有效性、HMI的接受度、驾驶习惯的研究等.

1 系统建立

本系统的建立包括硬件建立和软件设计，以保证最大程度还原真实交通环境中的危险工况.

1.1 硬 件

1.1.1 设 备

整个试验空间以黑色幕布与外界隔离，提供相对封闭的模拟驾驶环境.试验设备主体是合金搭建的框架，为其它设备提供安装固定的位置.驾驶员座椅安装在轨道上，能够前后移动，以适应不同身材的测试者.由于PreScan简单动力学车辆模型的数据输入支持罗技G27，所以采用罗技G27的方向盘、排挡和踏板:方向盘直径11英寸，材质为皮革;踏板分别为钢制的油门，刹车和离合踏板;六档变速杆;通过USB接口与电脑连接.框架左前和右前方分别放置两个扬声器，模拟驾驶过程中路面和环境噪音，并播放ADAS的提示声音.为了保存测试过程的影像资料和录制驾驶员的驾驶行为，系统中安装了两个摄像头，一个安装在框架后侧，录制整个测试过程;另一个安装在框架前面，录制驾驶员行为.通过放在框架后上方的投影仪在设备前方的白色墙壁上投影出PreScan中编辑的测试场景，模拟驾驶员视野.根据ADAS的人机交互界面(HMI，Human Machine Interface)显示方式的不同，可能会在驾驶员视野前下方设置一个小屏幕显示HMI.此外，还需要1到2台的电脑运行PreScan或者MATLAB.系统的主要设备如图1所示.

1.1.2 设备连接和数据传输方式

根据HMI的显示方式不同有两种设备连接和数据传输方式:

第一种方式如图2左图所示，HMI是设计在PreScan的Simulink模型中，与场景一起通过投影仪显示在墙上.电脑1运行PreScan，通过扩展的方式将显示器上的场景同步到投影仪显示，利用扬声器播放路面和环境噪音以及ADAS的声音提示，驾驶员根据场景和ADAS的提示操纵方向盘和踏板，系统将操作数据传输回PreScan的本车模型中，控制本车的运动.

图1 系统主要测试设备

第二种方式如图2右图所示，HMI设计在驾驶员前下方的小屏幕上显示.电脑1运行PreScan场景的同时将HMI需要的数据通过串行接口输出到电脑2中，电脑2运行MATLAB的计算程序和图形显示程序生成HMI，再通过扩展的方式输出到小屏幕中.其它设备的连接和数据传输方式与第一种方式相似.

图2 设备连接和数据传输方式

1.2 软 件

Prescan仿真软件能给汽车智能系统提供一个设计、验证、评价的环境.其中的车辆动力学模型相对真实，而且可以加入ADAS系统的控制策略或者在其Simulink模型中建立HMI，此外，PreScan还具有逼真的3D仿真环境，可以用于驾驶环境和车辆控制等的仿真.图5是PreScan模拟的驾驶环境和MATLAB编辑的HMI.

本系统使用的软件主要包括PreScan和MATLAB，使用PreScan实现危险场景再现，在PreScan生成的Simulink模型中加入S函数、输入输出等模块实现HMI和数据采集等功能.

1.2.1 驾驶员车辆的输入

PreScan车辆模型的驾驶模式和动力学模型都有多种选择，可以设置驾驶模式为“Man－in－the－loop(MOMO Racing Force Feedback Wheel)Automatic”、动力学模型为“2D Simple”，这样可以通过外部接入的罗技G27方向盘、踏板和排挡模拟自动挡汽车的操纵.Simulink中的MOMO和动力学模块如图3所示.

图3 SIMULINK中的MOMO和动力学模块

图4 轨迹定义模块

1.2.2 主要危险车辆设计

PreScan中的场景设计需要分析采集的真实交通情况，设计出合理的危险场景.由于本系统采用MOMO输入，不同驾驶员的驾驶习惯不同，因此有必要将主要危险车辆的运动状态设计得与驾驶员车辆运动状态相关，在驾驶员车辆运动到一定条件时，危险车辆的运动发生改变，以模拟紧急工况.PreScan中每个车辆可以赋予多个轨迹(Trajectory)，而每个轨迹都可以生成定义文件(Definition File)，这样就可以在轨迹的Simulink模型中修改危险车辆的运动状态.图4中定义的是危险车辆(BMW X5)插入驾驶员车辆(Audi A8)前方的轨迹模型，X5开始是以比A8速度小5m/s的速度在A8右前方的外侧车道按照直线轨迹(Trajectory_2)行驶，在A8与X5的距离减小到20m时，按照换道轨迹(Trajectory_3)插入到内车道行驶，同时车速降低.

图5 S函数和MATLAB编辑的HMI(危险)

1.2.3 HMI实现

ADAS系统的使用最终是通过HMI实现与人的交流，因此HMI的设计对ADAS的使用会造成很大影响，好的HMI设计不应给驾驶员造成厌烦，而且在危险发生时能够及时给驾驶员提出警告.本系统中的HMI是利用MATLAB编程实现界面的显示，可以和场景一同显示，也可以通过小屏幕显示.与场景一同显示需要在场景的Simulink模型中加入S函数模块.S函数是用户用来自建Simulink模块所需要的、而且具有调用格式的函数文件.将HMI需要的变量输入S函数模块，运行Simulink模型时S函数会根据数据进行简单计算，并显示相应的图案(见图5).如果在小屏幕上显示HMI，需要在S函数中通过串行接口向电脑2实时输出数据;电脑2通过MATLAB编程接收数据，计算后改变HMI显示.

1.2.4 数据采集

在ADAS评价测试中数据主要有:车辆运动数据，即驾驶员车辆和主要危险车辆的速度、加速度，碰撞次数，最小TTC(Time To Collision)等数据.测试者主观数据，即测试者的年龄、职业、驾龄等基本资料，和对ADAS的接受度、满意度等一些主观问题的答案.

本测试中车辆运动参数主要通过在Simulink模型的数据输出端口后加入“To File”和“To Workspace”等模块实现数据的采集和存储，但是用这种方式采集的数据是在模型运行结束后统一输出的，不具有实时性，如果需要实时输出还要借助S函数.测试者主观数据的收集主要通过在测试前、后、中让测试者分别填写问卷调查，分析问卷调查后得到测试者对ADAS系统的接受度.

2 用途

本论文提出了使用PreScan模拟驾驶环境和车辆控制，搭建驾驶模拟器以评价ADAS的方法，此研究方法的可能用途主要包括以下几点:

(1)验证ADAS控制策略的有效性.ADAS控制策略包括提示时间和提示动作等，提示过于频繁，驾驶员会产生厌烦心理，但提示时间过晚可能导致事故.通过本系统的测试可以验证ADAS的有效性和驾驶员的接受程度，对策略做出评价.

(2)验证HMI的接受度.HMI声音的设计包括响度、音调、音色等的选择;视觉的设计主要是提示界面的设计，包括需要提示的内容、图案设计、摆放位置、颜色的区分等，不同测试者对不同HMI设计的接受程度不同，通过本测试方法可以统计分析出一种HMI设计方案的接受度，或者对比两种方案的优缺点，为HMI的设计提供参考.

(3)研究驾驶习惯.通过本方法可以对不同测试者的驾驶习惯进行研究，如，在遇到不同紧急程度的危险情况时采取的躲避方式和反应时间等.通过总结驾驶习惯能够为ADAS系统的开发提供设计依据.

3 总结

本论文通过将PreScan与模拟驾驶器结合提出了一种评价ADAS系统的研究方法.主要介绍了系统的软硬件组成，最后总结了该研究方法可能的用途.

[1]马钧，曹静.基于中国市场特定需求的汽车先进驾驶辅助系统发展趋势研究[J].技术经济，2012，04:36－40.