分享關(guān)于自動駕駛的方向盤造型改良方案的研究

汽車駕駛的自動化程度也會對未來方向盤的功能和形狀產(chǎn)生影響，因而從第四級自動化程度起，可逐漸減小方向盤輪圈的大小，以便使駕駛員腿部有更充裕的活動空間。德國Takata公司在試驗(yàn)樣品的研究中發(fā)現(xiàn)該類輪圈經(jīng)縮小處理的方向盤不利于交通安全性，因此建議將方向盤輪圈在6點(diǎn)鐘區(qū)域附近改成扁平形狀，但是為了車輛的可控性仍需保持方向盤輪圈的造型封閉而不使其中斷。

1用于具有自動駕駛功能車輛的方向盤

對作為車輛操縱部件的方向盤的要求隨著自動化等級的不同會有所變化。隨著第二和第三級自動化程度（駕駛員持續(xù)不斷地監(jiān)視自動駕駛或者按照系統(tǒng)要求予以干預(yù)）的應(yīng)用，方向盤（圖1）已成為車輛與駕駛員之間重要的聯(lián)系部件。為了傳遞信息和監(jiān)察駕駛員狀態(tài)，將電容式手握識別系統(tǒng)集成在方向盤輪圈中，以此識別駕駛員手部是單純的觸摸還是采用固定姿態(tài)握住方向盤。采用一種基于攝像機(jī)的系統(tǒng)識別駕駛員狀態(tài),使其不僅能確保駕駛員的手握在方向盤上，同時(shí)確保其眼睛直視道路，從而能核實(shí)駕駛員是否履行了任務(wù)或者是否安全可靠地承擔(dān)起了對車輛的操控，另外采用生命傳感裝置（心電圖、皮膚電導(dǎo)、呼吸速率）能夠查明駕駛員是否已準(zhǔn)備好承擔(dān)操控和監(jiān)視任務(wù)。

圖1 方向盤配備有手部識別裝置、

生命傳感裝置、駕駛員監(jiān)察攝像機(jī)以及

用于自動化狀態(tài)通訊的藍(lán)色光帶

為了顯示當(dāng)前的行駛模式、預(yù)警和接收需求，在方向盤上集成了光帶，另外該裝置還能與一個振動執(zhí)行器相結(jié)合，其中新型的壓電或磁執(zhí)行器可與軟件想匹配,并產(chǎn)生不同的觸覺信號，同時(shí)可進(jìn)行報(bào)警提示和改善舒適度。

從第四級自動化程度起,就允許駕駛員做一些與駕駛行為無關(guān)的輔助性動作，因?yàn)槠渚邆渥銐虻臅r(shí)間儲備執(zhí)行由系統(tǒng)交付的任務(wù)。與此同時(shí)，駕駛員在自動駕駛期間需要更大的活動空間。除了座位型式之外，方向盤的調(diào)整有助于增大駕駛員座位腿部活動空間。

對此的前提條件是采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SbW）,而且根據(jù)運(yùn)行安全可靠性（無需操作）的要求也應(yīng)進(jìn)行自動駕駛，因此對方向盤的要求（例如最大轉(zhuǎn)矩、慣性和固有頻率）就有所調(diào)整。采用該類技術(shù)后，方向盤也需同樣進(jìn)行修改，以便在自動駕駛模式時(shí)為駕駛員提供更大的活動空間。修改方向盤形狀的基本要求需首先考慮轉(zhuǎn)向柱型式。如果方向盤依然保持其傳統(tǒng)型式的話，那么對結(jié)構(gòu)空間的需求就會較高。通過與方向盤形狀的調(diào)整相結(jié)合，相應(yīng)所需的結(jié)構(gòu)空間就會明顯減小。

2對修改方向盤的要求

在進(jìn)行手動駕駛行駛時(shí)，方向盤的基本功能為確保車輛安全和實(shí)現(xiàn)橫向駕駛轉(zhuǎn)向。從被動安全性角度出發(fā)，對安全氣囊的布置位置、體積以及安全氣囊在方向盤上的支撐及其剛度和結(jié)構(gòu)完善性也提出了相應(yīng)要求，而且與周圍部件（例如轉(zhuǎn)向柱或儀表板）的接口必須重新確定，以便能進(jìn)行調(diào)整并減小結(jié)構(gòu)空間。此外，還需考慮到從第三級自動化程度保留下來的部件以及成本結(jié)構(gòu),尤其是對其修改機(jī)理提出了多種要求：

（1）較低的復(fù)雜程度；

（2）免維修；

（3）可靠地復(fù)位到手動駕駛位置；

（4）避免損傷駕駛員（特別是夾傷）。

然而，對于方向盤的調(diào)整還有多種選擇。目前從部分修改方向盤輪圈開始著手，通過改變方向盤輪圈上的元件和方向盤輻條型式來實(shí)現(xiàn)（圖2），最后提供在自動駕駛模式中使用的觸摸屏，如果有必要的話也可將其制成可移動的平板電腦，因而如果在6點(diǎn)鐘范圍內(nèi)修改方向盤形狀的話，那么駕駛員座位腿部活動距離就可增大70～80 mm。相關(guān)要求的復(fù)雜性表明對人-機(jī)接口的考慮是必不可少的，以便查明方向盤對車輛進(jìn)行橫向駕駛轉(zhuǎn)向的可靠性具有重要影響。

圖2 在6點(diǎn)鐘范圍內(nèi)改變方向盤形狀使

座位腿部活動范圍增大70～80 mm

3方向盤轉(zhuǎn)角減小后手握部位的變化

在高度自動化車輛上使用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SbW）能將方向盤最大回轉(zhuǎn)角度減小到±180°,因?yàn)闊o需考慮人工駕駛車輛可操縱性的機(jī)械轉(zhuǎn)向傳動比。在該前提條件下，曾由37位經(jīng)驗(yàn)豐富的中型和輕型轎車駕駛員進(jìn)行了行駛模擬器的研究（圖3）：

（1）15位駕駛員：平均年齡M=36.1歲，標(biāo)準(zhǔn)偏差SD=7歲；

（2）22位駕駛員：平均年齡M=39.9歲，標(biāo)準(zhǔn)偏差SD=14歲；

（3）所有37位受試者：駕齡M=17.9年，每年行駛里程M=19 622 km。

圖3 具有3個屏幕（117度視野）和

四分之一車輛的行駛模擬器

在研究中查明駕駛員手握方向盤的變換次數(shù)。受試者在保持和變換車道（高速公路）、彎曲公路以及市內(nèi)左右側(cè)繞行的試驗(yàn)路段上行駛，并多次駛過這些試驗(yàn)路段，其中采取隨機(jī)抽樣原理使用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SbW）（±180°）和傳統(tǒng)伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（±600°）。在使用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SbW）的情況下，方向盤轉(zhuǎn)角被用作偏轉(zhuǎn)率調(diào)整器的參考變量，從而補(bǔ)償系統(tǒng)的干擾變量（例如側(cè)面風(fēng)）。用于計(jì)算方向盤轉(zhuǎn)矩的主要成分是橫向加速度和偏轉(zhuǎn)率。在行駛期間駕駛員的手握位置采用電容式壓力測量方法進(jìn)行采集：圖4示出了在該皮套下作為具有傳導(dǎo)能力的紡織物、氯丁泡沫橡膠和泡沫塑料中的14股銅電極。握力的變化導(dǎo)致了電容器電容的變化。

圖4 方向盤輪圈上手握部位14個傳感元件（橙色）的電容測量

在試驗(yàn)期間可觀察到兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在手握部位方面有明顯差別。圖5示范性地示出了向右繞行時(shí)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（灰色）和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SbW）（藍(lán)色）基于所有受試者手握部位分布的變化。在該兩種情況下駕駛員握住方向盤進(jìn)行左側(cè)回轉(zhuǎn)的行為表現(xiàn)最為頻繁，因此向右轉(zhuǎn)彎可理解為駕駛員左手推移方向盤。就傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，由于必須握住方向盤使其回轉(zhuǎn)到所需的轉(zhuǎn)向角度，目前可識別出3個互動重點(diǎn)（在4、8和11直至13點(diǎn)鐘位置）。因?yàn)樵谑褂镁€控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SbW）的情況下無需用手握住方向盤使其回轉(zhuǎn)到最大的轉(zhuǎn)向角度，因此駕駛員手握位置經(jīng)常處于上方轉(zhuǎn)彎狀態(tài)范圍（在8直至14點(diǎn)鐘位置）。研究證實(shí)，隨著駕駛員察覺到的境況風(fēng)險(xiǎn)升高，會更傾向于將手握持在方向盤上較高的位置。盡管在整個行駛期間內(nèi)，這種分布狀況幾乎并無差別，但是方向盤輪圈上部區(qū)域?qū)囕v的安全行駛而言，是具有重要意義的。

圖5 在用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（藍(lán)色）和

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（灰色）

向右繞行期間

所有受試者手握部位的百分比分布

4縮小方向盤輪圈

上述試驗(yàn)中，反復(fù)提到了一種方向盤，其輪圈在4至8點(diǎn)鐘區(qū)域進(jìn)行了縮小處理。行駛模擬器的設(shè)置如下：36位受試者（18位女駕駛員：M=36.4歲，SD=9.9歲；18位男駕駛員：M=37.1歲，SD=11.6歲；駕齡M=13.0年，每年行駛里程M=13 000 km）除了上方（12點(diǎn)鐘部位，藍(lán)色）和下方（6點(diǎn)鐘部位，灰色）（見圖5）之外用手隨機(jī)地握住方向盤輪圈。

在整個路段的行駛期間，12點(diǎn)鐘周圍上部區(qū)域極少被受試者使用（＜5%）。如果在其下部布設(shè)有輪圈的話，那么5～7點(diǎn)鐘的區(qū)域幾乎無法起到作用，例如在彎曲道路上行駛時(shí)橫向行駛動力學(xué)機(jī)動性就變得更為重要，在方向盤有下部輪圈的情況下4～8點(diǎn)鐘區(qū)域就幾乎起不到作用（圖6），而上部輪圈的握持分布狀況就顯得更為均勻。

圖6 在用仍保留下面（灰色）和

上面（藍(lán)色）輪圈的方向盤

回轉(zhuǎn)行駛期間

所有受試者手握部位的百分比分布

因此，目前建議改變方向盤下部區(qū)域的形狀。在兩種方案情況下，2/3的受試者聲稱在行駛期間至少存在一次手部處于握空狀態(tài)，但該現(xiàn)象會導(dǎo)致對車輛失去控制，因此在手動駕駛期間使方向盤輪圈處于封閉狀態(tài)的要求顯得更為迫切。

5縮小方向盤的不舒適評價(jià)

當(dāng)今整圓形狀的方向盤為多種多樣的手握方式提供了必要的握持區(qū)域，在長時(shí)間行駛的情況下，該設(shè)置明顯有助于減緩不舒適的感覺。在18位受試者（9位女駕駛員：M=37.8歲，SD=13.1歲；9位男駕駛員：M=36.4歲，SD=9.2歲）50 km長的行駛模擬器行駛期間，每隔5 km其主觀的不舒適感覺就會隨之增加，行駛25 km后這些受試者就會暫停測試達(dá)10 min。在行駛期間手-臂系統(tǒng)的主觀不舒適評價(jià)隨著行駛持續(xù)時(shí)間而相應(yīng)增加。

然而試驗(yàn)表明，使用將4～8點(diǎn)鐘區(qū)域進(jìn)行調(diào)整的D型方向盤輪圈的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SbW）與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間并無重大區(qū)別，因此在短時(shí)間的手動駕駛期間，此類方向盤與當(dāng)今使用的整圓形方向盤存在的明顯形狀差異對駕駛員的主觀不舒適感覺并無過多影響。

6結(jié)論

根據(jù)駕駛自動化程度的不同，對方向盤提出了多種多樣的要求。對于第三級自動化程度而言，諸如手部識別、駕駛員生命參數(shù)識別和視線識別等監(jiān)視駕駛員狀態(tài)的功能較為重要，另一方面諸如振動或目視顯示等干預(yù)車輛狀態(tài)的可能性都會通過方向盤輪圈而產(chǎn)生影響。在引入線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SbW）的過程中，必須修改對運(yùn)行中和碰撞后關(guān)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的機(jī)械要求。

隨著自動化程度越來越高,以及隨之而來的更長的傳輸時(shí)間和靈活度更高的車內(nèi)空間，對方向盤形狀的調(diào)整可謂勢在必行，需以此增大駕駛員座位的活動范圍。對于該方面而言，建議重點(diǎn)調(diào)整方向盤輪圈6點(diǎn)鐘區(qū)域的形狀，以便增大駕駛員座位腿部活動空間。但是，出于車輛的可控性要求等原因，在手動駕駛行駛中應(yīng)保持方向盤輪圈封閉，在該情況下方向盤形狀在9～15點(diǎn)鐘區(qū)域可采用多種多樣的方案。