先進駕駛輔助系統人機交互界面評價方法研究

李霖賀錦鵬，劉衛國朱西產孫東

（1.同濟大學；2.浙江吉利汽車研究院有限公司；3.查爾莫斯理工大學）

先進駕駛輔助系統人機交互界面評價方法研究

李霖1賀錦鵬1，2劉衛國2朱西產1孫東3

（1.同濟大學；2.浙江吉利汽車研究院有限公司；3.查爾莫斯理工大學）

為提高先進駕駛輔助系統的人機交互界面設計品質，提出了利用駕駛模擬器對人機交互界面進行測試評價的方法，并通過對人機交互界面評價方法的分析，搭建了基于駕駛模擬器的測試平臺，確定了相關測量參數。該評價方法可在先進駕駛輔助系統開發的早期階段對備選的人機交互界面設計方案進行評價，可盡早發現人機交互界面設計中出現的問題并進行修正，減少了先進駕駛輔助系統的開發成本和周期。

1 前言

在目前的汽車主動安全技術研究中，先進駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance System，ADAS）得到了越來越多的重視。ADAS作為一種車內系統，它通過雷達等傳感器實時獲取和處理環境信息，幫助駕駛員識別和判斷交通環境中潛在的危險。ADAS與駕駛員之間存在持續而廣泛的信息交互，駕駛員根據ADAS提供的信息進行相應的操作以保持車輛安全行駛，因此，人機交互界面（Human-Machine-Interface，HMI）的設計對ADAS性能具有重要的影響，設計不佳的HMI可能會增加駕駛員的負擔，使得駕駛員對系統產生不信任，從而造成ADAS的安全效能降低甚至完全喪失[1]。

為了避免設計不佳的HMI對ADAS造成負面影響，在ADAS開發的每個階段都需要對HMI設計方案進行測試和評價。目前國內外研究人員提出了很多關于HMI測試和評價的方法，但是這些方法通常在HMI設計的最后階段使用，所以根據評價結果再進行改進的空間不大，且增加成本。我國對于ADAS的開發主要針對控制算法，對HMI的關注度較低，相關研究也較少[2]。為了提高HMI的設計品質，應該在設計早期對各種備選的HMI設計方案進行測試和評價，以盡快發現問題并進行修正。為此，本文根據國內外相關研究，對HMI評價方法的目的和要求進行了分析，并搭建了基于駕駛模擬器的測試平臺，同時對受試者對象和數量、車輛環境設置、虛擬交通場景設計、測量參數等進行了討論。

2 HMI評價方法分析

由于駕駛員與HMI之間始終存在著信息的交互，駕駛員的主觀接受程度很大程度上決定了ADAS的性能優劣。為了設計高品質的HMI，以用戶為中心的設計方法（User-Centered Design Method）得到了應用[3]，而滿足用戶的需求是該方法的第一要求，因此，對HMI進行的測試評價應以檢驗HMI設計方案是否與潛在用戶的需要相符合為目的。在進行評價試驗時，應考核駕駛員使用HMI時對其可用性和舒適性的主觀感受以及HMI對駕駛員駕駛行為的影響。

目前應用于ADAS的HMI主要有視覺、聽覺、觸覺以及上述3種模式不同組合等模式。因此，進行HMI評價的試驗方案應能夠提供與需要考核的HMI相對應的信號輸出。另外，由于駕駛環境是由人-車-道路所組成的復雜閉環系統，HMI的評價試驗必須涵蓋這3方面的因素，否則無法與真實的交通環境相對應，評價結果會與真實情況相去甚遠。

目前可用于評價HMI設計的試驗方法主要有真實交通環境下的實車試驗和駕駛模擬器試驗2類[4]。實車試驗的優點是可獲得真實而準確的試驗結果，但試驗危險性較大，重復性難以控制，增加了開發成本和時間；而通過駕駛模擬器試驗具有評價范圍寬、評價條件方便控制、工況可重復性好、試驗效率高、試驗危險性低等優點[5]。因此，可在ADAS設計開發的初期采用駕駛模擬器試驗來評價HMI設計方案，以縮短開發周期，并優化HMI設計方案。

駕駛模擬器分為運動式駕駛模擬器和固定式駕駛模擬器2類。運動式駕駛模擬器可提供對應于受試者所處交通環境的車輛運動姿態，營造一個相對真實的車輛動力學環境。但由于對HMI的評價并不需要駕駛模擬器具有高保真度的車輛動力學特性，且ADAS工作時車輛多處于正常行駛狀態，所以模擬器的運動能力對于評價結果影響不大，因此采用固定式駕駛模擬器進行HMI的評價就能取得滿意的效果。相對于運動式駕駛模擬器，固定式駕駛模擬器成本較低，方便更換車輛，可以采用不同的車型進行HMI的評價[5]。為此，采用固定式駕駛模擬器搭建了用于HMI評價的試驗平臺。

3 駕駛模擬器設計

3.1 軟硬件平臺搭建

在研究國內外相關文獻的基礎上，搭建了簡易的固定式駕駛模擬器，如圖1所示。

如圖1所示，該駕駛模擬器采用游戲賽車座椅，安裝在鋁型材框架上，座椅可進行前、后調節，便于不同身材的駕駛員使用，同時在框架上安裝羅技G27游戲組件，包括轉向盤、換擋手臂、油門、制動踏板和離合器踏板等，各部件的布置位置與真實車輛基本一致。在轉向盤的前方固定有LCD屏幕，可向駕駛員提供視覺HMI信號（圖像）。LCD屏幕中心點與駕駛員眼睛的連線與駕駛員的水平視線約呈8°角[6]且稍靠右，避免了對駕駛員正常行駛的干擾。另外在座椅后方的框架上安裝一個投影儀，將虛擬的交通場景投影到駕駛員正前方的屏幕上。屏幕下方放置有音響用來播放駕駛艙的聲音，并可提供基于聽覺的HMI信號（聲音）。

整個系統由2臺電腦控制，一臺運行STISIM軟件，控制交通場景；另一臺通過Matlab程序控制HMI的信號輸出并記錄受試者的操作信息。2臺電腦之間通過串口線相連接。試驗過程和駕駛員的操作由安裝在座椅前、后框架上的2個攝像頭監控，所獲得的視頻數據可用于測試后的數據分析。整個駕駛模擬器系統采用黑色幕布包圍起來，以給受試者構建一個封閉的試驗環境，避免受試者產生被監視的感覺。整個駕駛模擬器的軟硬件構成如圖2所示。

該駕駛模擬器主要用于基于視覺信號（圖像）的HMI設計方案的測試和評價。在確定了一個HMI的初步設計方案后，通過Matlab程序將設計方案復現到駕駛員正前方的LCD屏幕上。圖3為目前已經評價過的一種HMI設計方案。根據交通環境的不同，LCD屏幕上的圖像會發生相應的變化，實時向駕駛員提供交通環境中存在的危險信息，輔助駕駛員行駛。因Matlab程序控制圖像的顯示和變化非常簡單，因此試驗準備時間很短，在HMI方案設計完成后即可安排駕駛員進行測試。

3.2 受試者的選擇

HMI評價測試的對象是普通駕駛員，因此在選擇受試者時需避免選擇專業人員，而應選擇對ADAS了解不多但具備良好駕駛技能的駕駛員。

另外，還需確定受試者的樣本數。通常在進行HMI評價測試時不考慮駕駛員的年齡、性別或駕駛經驗等的影響，在這種情況下，不同研究人員給出了不同的樣本數，如Weir[6]認為一般采用16～20個受試者就能滿足要求；汽車制造商聯盟認為最少需要10個受試者[7]；而Nielsen[8]認為采用20個受試者就能獲得置信度較高的結果。根據上述研究結果，并考慮到試驗中可能存在試驗失敗導致試驗數據失效的情況，本文最終將受試者樣本數定為25名，以確保最終的有效數據不少于20。

3.3 車輛環境的建立

由于車輛動力學特性的缺失，雖然在固定式駕駛模擬器中，不可能向駕駛員提供逼真的駕駛環境，但是仍然可以通過合理選擇和設置軟硬件來獲得相對真實的駕駛感受。

為了減小受試者的駕駛環境與真實駕駛環境的差異，選用的羅技G27游戲組件中的一整套設備的種類、功能、形狀及布置位置都與真實車輛上的相應設備非常接近。同時，由于羅技G27組件具有的力反饋功能，為營造路感建立了前提條件。

另外，試驗裝置采用STISIM軟件幫助建立車輛環境。該軟件除用于編寫試驗場景外，還具有交互式功能，可以響應駕駛員的輸入（制動、轉向、加速），并且實時生成相應的道路畫面。STISIM軟件在駕駛性能的客觀評價中靈敏度較高，并且與真實的道路試驗相關性較好[9，10]，可以給駕駛員相對真實的駕駛感。同時，通過設置STISIM中的車輛動力學參數（圖4），使得通過轉向盤、制動踏板等反饋給駕駛員的駕駛感受與駕駛真實車輛時接近。

3.4 虛擬交通場景的建立

要準確獲得駕駛員對HMI設計的主觀感受和行為響應，應使讓駕駛員所面對的虛擬交通場景與真實場景類似，因此，必須對真實的交通場景進行提取和分析。本文通過在數輛出租車和警車上安裝的視頻行車記錄儀（Video Drive Recorder，VDR）對上海市嘉定地區的真實交通場景進行了采集，如圖5所示。VDR通過一個攝像頭來記錄車輛前方的交通狀況，同時記錄車輛速度、縱向加速度、側向加速度等信息。

所設計的虛擬交通場景主要由無碰撞威脅的日常交通場景和有碰撞威脅的危險交通場景兩部分構成。

日常交通場景主要由一段高速交通場景和一段低速交通場景構成，高速段限速90 km/h，低速段限速50 km/h。參考真實工況視頻，在道路兩旁隨機布置典型道路交通標志、建筑物等，同時在車道中設置對本車不構成威脅的車輛、行人、騎車人等交通參與者。

因為ADAS的作用是輔助駕駛員安全行駛，這種作用只有在出現危險時才能充分體現，因此，危險交通場景的設計是對ADAS的HMI進行評價的關鍵。本文通過對采集到的真實交通場景數據進行視頻分析，從中提取了430例危險度較高的危險工況，并按照NHTSA提出的37類預碰撞（Pre-Crash）分類方法[11]進行分類，分類結果如圖6所示，最典型的7類危險工況共有350例，占總危險工況（430例）的81%。

由于所設計的虛擬交通場景都是基于直行道路，因此去掉7類危險工況中的“有預先車輛行為的自行車（摩托車）沖突”工況及“車輛在有信號燈的路口轉向”工況。由于其它5類危險工況都發生在直行道路上，為此按這5類危險工況的比例關系設計了20例危險工況，并以事件的形式均勻穿插在日常交通場景中，最終形成了具有日常交通工況和危險交通工況的完整虛擬場景。

采用STISIM軟件編寫虛擬交通場景，該軟件具有專門的場景定義語言（Scenario Definition Language，SDL），編寫場景非常方便快捷。場景編寫完成后，通過投影儀將虛擬的交通場景投影到駕駛員前方的大屏幕上，如圖7所示。

4 確定測量參數

4.1 調查問卷設計

駕駛員對HMI設計的主觀感受是HMI評價的重要內容。為此，通過設計調查問卷來獲得駕駛員對HMI的可用性和舒適性的主觀感受。調查問卷是基于國際上較通用的Van Der Lann接受度評分問卷[12]制定（圖8），該問卷由9個打分項構成，每個打分項有5個分值。其中奇數項體現駕駛員對可用性的主觀感受，而偶數項體現駕駛員對舒適性的主觀感受。其中，第3、6、8項的得分從左至右為-2～+2，其余每項得分從左至右為+2～-2。最終奇數項的平均分即為駕駛員對HMI的可用性評價得分，偶數項平均分為駕駛員的舒適性評價得分。

4.2 客觀測量參數

從問卷調查中獲得的主觀參數只能用于評價駕駛員對HMI的主觀接受程度，而HMI的效能則是通過對駕駛員生理特征和駕駛行為的改變來體現的。因此，通過測量和記錄體現駕駛員生理特征和駕駛行為的客觀參數，可以對HMI的效能進行量化評價。

客觀參數主要包括駕駛員生理參數、駕駛操作參數和駕駛性能參數。駕駛員生理參數包括駕駛員反應時間、心跳速率等；駕駛操作參數包括駕駛員的轉向、制動、加速行為等；駕駛性能參數包括平均車速、縱向加速度、橫向加速度、最小TTC值、發生警告的次數、發生碰撞的次數等。在該試驗裝置中，駕駛員生理參數通過心率計測得，駕駛操作參數和駕駛性能參數直接通過STISIM軟件輸出。

獲得這些參數后，首先將所有數據時間同步，然后根據ADAS的功能以及HMI的評價目的進行性能參數計算，最后根據計算結果對HMI的設計質量進行評價。

5 結束語

本文設計了簡易的固定式駕駛模擬器用以對HMI進行研究和評價。該固定式駕駛模擬器通過合理布置硬件位置、設置動力學參數、采用基于我國真實交通工況的虛擬場景等方法，可以給駕駛員相對真實的駕駛感受。同時，通過設計調查問卷、測量和記錄駕駛員的生理特征和駕駛行為，獲得了評價HMI所需的主客觀參數。該試驗方法主要用于基于視覺信號的HMI評價，試驗準備方便快捷，非常適用于在ADAS開發的早期階段對HMI進行評價。目前該駕駛模擬器已經成功用于兩組基于視覺的HMI設計方案的評價。

1Amditis A，Andreone L，Polychronopoulos A，et al.Design and development of an adaptive integrated driver-vehicle interface:overview of the AIDE project.2005.

2譚浩，趙江洪，王巍.汽車人機交互界面設計研究.汽車工程學報，2012，2（5）:315～321.

3Hesse T，Engstr?m J，Johansson E，et al.Towards usercentred development of integrated information，warning，and intervention strategies for multiple ADAS in the EU project interactive.UniversalAccessin Human-ComputerInteraction. Context Diversity.2011:280～289.

4Auckland R A，Manning W J，Carsten O，et al.Advanced driverassistancesystems:Objectiveandsubjective performance evaluation.Vehicle System Dynamics.2008，46（S1）:883～897.

5Weir D H.Application of a driving simulator to the development of in-vehicle human-machine-interfaces. IATSS Research.2010，34（1）:16～21.

6Mcgehee D V，Leblanc D J，Kiefer R J，et al.Human factors inforwardcollisionwarningsystems:Operating characteristics and user interface requirements（No.J2400）. Warrendale，PA:Society of Automotive Engineers.2002.

7Group D F W.Statement of principles，criteria and verification procedures on driver interactions with advanced in-vehicle information and communication systems.Alliance of Automotive Manufacturers.2002.

8Nielsen J.Quantitative studies:How many users to test. Alertbox，June.2006，26:2006.

9Freund B，Risser M，Cain C.Simulated driving performance associated with mild cognitive impairment in older adults.J Am Geriatr Soc.2001，49（4）:S151～S152.

10Freund B，Gravenstein S，Ferris R，et al.Evaluating Driving Performance of Cognitively Impaired and Healthy Older Adults:A Pilot Study Comparing On‐Road Testing and Driving Simulation.Journal of the American Geriatrics Society.2002，50（7）:1309～1310.

11Najm W G，Smith J D，Yanagisawa M.Pre-crash scenario typology for crash avoidance research.Washington，DC: National Highway Traffic Safety Administration，2007.

12Van Der Laan J D，Heino A，De Waard D.A simple procedure for the assessment of acceptance of advanced transporttelematics.TransportationResearchPartC: Emerging Technologies.1997，5（1）:1～10.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年8月5日。

Evaluation Method Study of Human-Machine-Interface of Advanced Driver Assistance Systems

Li Lin1，He Jinpeng1，2，Liu Weiguo2，Zhu Xichan1，Sun Dong3
（1.Tongji University;2.Zhejiang Geely Automotive Research Co.，LTD;3.Chalmers University of Technology）

To improve design quality of Human-Machine-Interface（HMI）of Advanced Driver Assistance Systems（ADAS），a test evaluation method for HMI based on driving simulator is proposed.And through analysis of this evaluation method，a test platform based on driving simulator is constructed，and related measuring parameters are defined.This evaluation method can be used to evaluate HMI design plan in the early stage of ADAS development，which can identify the errors of HMI design as early as possible and revise timely and therefore the cost and time of ADAS development can be reduced.

Advanced driver assistance system,Human-machine interface,Driving simulator, Evaluation method

先進駕駛輔助系統人機交互界面駕駛模擬器評價方法

U467.5+24

：A文獻標識碼：1000-3703（2014）02-0058-05