一種面向高速公路自動(dòng)駕駛的人機(jī)交互方案設(shè)計(jì)

岳麗姣，時(shí) 利，劉法勇

（安徽江淮汽車技術(shù)中心 智能網(wǎng)聯(lián)研究院，安徽 合肥 230601）

引言

隨著攝像頭、雷達(dá)、車載處理平臺(tái)軟硬件的技術(shù)升級(jí)，再加上高精度地圖及高精度定位系統(tǒng)的輔助，越來越多車企開始推出涵蓋高速公路自動(dòng)駕駛功能的車型，功能等級(jí)定位于L2～L3級(jí)自動(dòng)駕駛。但按照L3級(jí)自動(dòng)駕駛標(biāo)準(zhǔn)的定義，系統(tǒng)只有在滿足必備的車身?xiàng)l件，并且在駕駛員注意力關(guān)注前方道路，運(yùn)行在設(shè)計(jì)的可行駛區(qū)域內(nèi)時(shí)才能夠完成自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)。這就要求在系統(tǒng)不滿足功能運(yùn)行條件時(shí)，駕駛員必須保證隨時(shí)可以接管車輛。因此，高速公路自動(dòng)駕駛及汽車對(duì)人機(jī)交互提出了新的挑戰(zhàn)，在真正的無人駕駛實(shí)現(xiàn)之前，對(duì)于應(yīng)對(duì)各種場(chǎng)景的自動(dòng)駕駛技術(shù)來說，其人機(jī)交互方案的設(shè)計(jì)，都顯得尤為重要。

1 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 人機(jī)交互系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案中設(shè)計(jì)的人機(jī)交互終端設(shè)備主要有儀表、MP5、安全帶三種，其與自動(dòng)駕駛控制器的通訊通過CAN實(shí)現(xiàn)。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的人機(jī)交互系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)包括儀表、MP5、車身控制器、網(wǎng)關(guān)、自動(dòng)駕駛域控制器等三個(gè)主要部件，儀表、MP5、車身控制器的CAN信息通過中央網(wǎng)關(guān)與自動(dòng)駕駛控制器所在的ADASCAN通訊。

1.2 CAN信號(hào)接口設(shè)計(jì)

信號(hào)輸出輸入關(guān)系如下所示：

圖1 人機(jī)交互系統(tǒng)信號(hào)接口圖

MP5主要將軟開關(guān)信號(hào)發(fā)給自動(dòng)駕駛控制器，并接收自動(dòng)駕駛控制器的接管提醒，語音播報(bào)信息，進(jìn)行語音播報(bào)提醒。

儀表接收控制器的環(huán)境信息、功能狀態(tài)、接管提醒等各種交互信號(hào)，是人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)的主要部件。

BCM主要將按鍵開關(guān)信息輸入給自動(dòng)駕駛控制器，并接收自動(dòng)駕駛控制器的接管提醒信號(hào)，在三級(jí)報(bào)警發(fā)出時(shí)，驅(qū)動(dòng)安全帶震動(dòng)。

具體的信號(hào)定義通過CAN收發(fā)矩陣的形式限定，本文不進(jìn)行詳細(xì)描述。

2 人機(jī)交互主要元素識(shí)別

2.1 交互類別設(shè)計(jì)

交互設(shè)計(jì)主要包括以下五個(gè)方面的信息：

（1）自動(dòng)駕駛功能當(dāng)前時(shí)刻所處狀態(tài)：依托狀態(tài)機(jī)，合理設(shè)計(jì)需要給用戶進(jìn)行交互的狀態(tài)，通過自動(dòng)駕駛功能圖標(biāo)和儀表背景顏色的變化，給駕駛員以提示。

（2）將前方道路信息等情況通過語音播報(bào)交互給駕駛員。

（3）當(dāng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)不滿足運(yùn)行條件時(shí)，提前向駕駛員提出接管請(qǐng)求。

（4）將車輛行駛周圍的關(guān)鍵環(huán)境信息實(shí)時(shí)顯示給駕駛員。

（5）實(shí)時(shí)車速及交通表示識(shí)別結(jié)果的顯示。

2.2 交互元素識(shí)別

為實(shí)現(xiàn)上述交互功能，儀表主要設(shè)計(jì)如下交互元素：

（1）功能指示圖標(biāo)；（2）實(shí)時(shí)車速顯示；（3）本車道最近車輛；（4）道線；（5）換道圖標(biāo)；（6）自車；（7）其他車輛；（8）TSR（交通標(biāo)識(shí)識(shí)別）檢測(cè)車速；（9）文字提示；（10）自車周圍輻射狀圓圈；（11）聲音提醒。

具體元素顯示情況如下圖所示：

MP5主要交互元素為語音播報(bào)，即播報(bào)前方道路情況等信息。

座椅震動(dòng)主要在三級(jí)接管報(bào)警發(fā)出時(shí)，給駕駛員提出更多的交互形式，提醒其盡快接管車輛。

3 詳細(xì)交互方案設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)駕駛功能當(dāng)前時(shí)刻所處狀態(tài)顯示方案

高速公路自動(dòng)駕駛功能共設(shè)計(jì)11個(gè)大的狀態(tài)，自動(dòng)駕駛所處的不同狀態(tài)主要通過自動(dòng)駕駛功能圖標(biāo)的顏色來指示。圖標(biāo)樣式參見圖2中符號(hào)1所示的功能狀態(tài)指示圖標(biāo)。

圖2 儀表交互元素識(shí)別

各狀態(tài)圖標(biāo)顏色設(shè)計(jì)如下：

表1 功能指示燈顏色

人機(jī)交互功能的設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮盡量清楚地將當(dāng)前狀態(tài)交互給駕駛員，顯示形式又不能過于復(fù)雜，故設(shè)計(jì)灰色、綠色、藍(lán)色、紅色、白色、黃色六種顏色進(jìn)行功能狀態(tài)的指示，需要時(shí)，結(jié)合文字顯示，對(duì)當(dāng)前車輛的狀態(tài)進(jìn)行明確。

3.2 語音播報(bào)和文字顯示設(shè)計(jì)

對(duì)于前方道路信息，及系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要駕駛員需要引起駕駛員注意的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)語音播報(bào)和文字提醒的交互形式。

語音播報(bào)通過車輛MP5發(fā)出，文字提醒顯示位置參考圖2。具體設(shè)計(jì)的語音播報(bào)和文字提醒內(nèi)容主要包括下表中所示內(nèi)容。主機(jī)廠也可根據(jù)功能需求，設(shè)計(jì)更為豐富的提示信息。

表2 語音播報(bào)和文字顯示內(nèi)容

3.3 接管請(qǐng)求的交互設(shè)計(jì)

高速公路自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在遇到系統(tǒng)不能處理的情況時(shí)，會(huì)預(yù)先向駕駛員提出接管請(qǐng)求，接管請(qǐng)求分為三級(jí)報(bào)警，三級(jí)報(bào)警的接管提醒方式設(shè)計(jì)由緩和到緊急三種不同的方式。

接管產(chǎn)生的原因主要包括以下三類：（1）車輛即將駛出自動(dòng)駕駛功能設(shè)計(jì)的ODD范圍；（2）自動(dòng)駕駛相關(guān)的傳感器、控制器等部件發(fā)生故障；（3）車身狀態(tài)不滿足功能正常運(yùn)行的設(shè)定條件，例如車門打開、機(jī)艙蓋打開、擋位不在前進(jìn)擋等。

針對(duì)以上引發(fā)接管的原因，接管請(qǐng)求并不是全部從一級(jí)報(bào)警開始，而是根據(jù)接管原因的緊急程度進(jìn)行初始報(bào)警等級(jí)的設(shè)定，例如線控制動(dòng)或線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通訊故障，系統(tǒng)直接進(jìn)入三級(jí)報(bào)警，需要駕駛員盡快接管車輛。

3.4 輛行駛周圍的關(guān)鍵環(huán)境信息的實(shí)時(shí)顯示

周圍環(huán)境的顯示主要包括車道線和車輛兩部分。環(huán)境顯示模塊的工作主要需要解決的問題包括以下四個(gè)方面：（1）真實(shí)世界環(huán)境顯示范圍及儀表顯示像素點(diǎn)設(shè)定；（2）真實(shí)世界與儀表坐標(biāo)系的確定；（3）真實(shí)世界的車輛坐標(biāo)道儀表坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；（4）真實(shí)世界道線到儀表坐標(biāo)下車道線的顯示。

3.4.1 真實(shí)世界環(huán)境顯示范圍及儀表顯示像素點(diǎn)設(shè)定

（1）真實(shí)世界顯示范圍：車道線長(zhǎng)度顯示0～75 m范圍內(nèi)的三車道四條道線信息，當(dāng)實(shí)際探測(cè)范圍小于75 m時(shí)，以實(shí)際探測(cè)到的距離進(jìn)行顯示。同時(shí)顯示這一范圍內(nèi)的周圍車輛信息。

（2）周圍車輛位置顯示邏輯：顯示范圍為Y≤75 m，?8≤X≤8范圍內(nèi)的三車道內(nèi)車輛數(shù)據(jù)，儀表ADAS區(qū)域的像素點(diǎn)具體范圍需要交互設(shè)計(jì)分組給予確定。儀表按照一定的公式轉(zhuǎn)換后，計(jì)算出的像素點(diǎn)在給定范圍內(nèi)時(shí)，則顯示車輛信息，超出設(shè)定的像素點(diǎn)，則不進(jìn)行顯示。

3.4.2 真實(shí)世界與儀表世界坐標(biāo)定義

真實(shí)世界以車輛最前端為原點(diǎn)，向前為X軸正向，向右為Y軸正向。儀表以左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，向右為X軸正向，向下為Y軸正向。

3.4.3 車輛真實(shí)坐標(biāo)到儀表坐標(biāo)以及真實(shí)世界道線到儀表坐標(biāo)下車道線轉(zhuǎn)換公式的設(shè)計(jì)

根據(jù)真實(shí)世界的車輛和道線坐標(biāo)，考慮顯示范圍透視效果，進(jìn)行車輛真實(shí)世界X、Y坐標(biāo)到儀表像素點(diǎn)的確定。由于不同車輛需要反映的真實(shí)世界和儀表像素點(diǎn)在每個(gè)車型上都有不同的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)化公式也不盡相同，轉(zhuǎn)化公式設(shè)計(jì)完成后需要通過虛擬仿真和實(shí)車效果評(píng)審進(jìn)行多輪次的優(yōu)化，在此不進(jìn)行設(shè)計(jì)公式的具體論述。

3.5 實(shí)時(shí)車速及TSR交通標(biāo)識(shí)識(shí)別結(jié)果

實(shí)時(shí)車速根據(jù)控制器發(fā)出的自車當(dāng)前實(shí)際車速信號(hào)驅(qū)動(dòng)，將具體的車速以km/h為單位，顯示在儀表上的固定位置。

TSR為交通標(biāo)識(shí)識(shí)別信息，其通過前向視覺系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果通過自動(dòng)駕駛控制器輸出給儀表，儀表將檢測(cè)到的本車道限速數(shù)值顯示在TSR圖標(biāo)上。

4 總結(jié)

本文從人機(jī)交互設(shè)計(jì)的意義、人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人機(jī)交互元素識(shí)別、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面，給出了比較完整的高速公路自動(dòng)駕駛功能人機(jī)交互功能的設(shè)計(jì)方案，對(duì)車輛的人機(jī)交互設(shè)計(jì)有比較實(shí)用的指導(dǎo)意義。