先进驾驶辅助系统人机交互界面评价方法研究

李霖贺锦鹏，刘卫国朱西产孙东

（1.同济大学；2.浙江吉利汽车研究院有限公司；3.查尔莫斯理工大学）

先进驾驶辅助系统人机交互界面评价方法研究

李霖1贺锦鹏1，2刘卫国2朱西产1孙东3

（1.同济大学；2.浙江吉利汽车研究院有限公司；3.查尔莫斯理工大学）

为提高先进驾驶辅助系统的人机交互界面设计品质，提出了利用驾驶模拟器对人机交互界面进行测试评价的方法，并通过对人机交互界面评价方法的分析，搭建了基于驾驶模拟器的测试平台，确定了相关测量参数。该评价方法可在先进驾驶辅助系统开发的早期阶段对备选的人机交互界面设计方案进行评价，可尽早发现人机交互界面设计中出现的问题并进行修正，减少了先进驾驶辅助系统的开发成本和周期。

1 前言

在目前的汽车主动安全技术研究中，先进驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance System，ADAS）得到了越来越多的重视。ADAS作为一种车内系统，它通过雷达等传感器实时获取和处理环境信息，帮助驾驶员识别和判断交通环境中潜在的危险。ADAS与驾驶员之间存在持续而广泛的信息交互，驾驶员根据ADAS提供的信息进行相应的操作以保持车辆安全行驶，因此，人机交互界面（Human-Machine-Interface，HMI）的设计对ADAS性能具有重要的影响，设计不佳的HMI可能会增加驾驶员的负担，使得驾驶员对系统产生不信任，从而造成ADAS的安全效能降低甚至完全丧失[1]。

为了避免设计不佳的HMI对ADAS造成负面影响，在ADAS开发的每个阶段都需要对HMI设计方案进行测试和评价。目前国内外研究人员提出了很多关于HMI测试和评价的方法，但是这些方法通常在HMI设计的最后阶段使用，所以根据评价结果再进行改进的空间不大，且增加成本。我国对于ADAS的开发主要针对控制算法，对HMI的关注度较低，相关研究也较少[2]。为了提高HMI的设计品质，应该在设计早期对各种备选的HMI设计方案进行测试和评价，以尽快发现问题并进行修正。为此，本文根据国内外相关研究，对HMI评价方法的目的和要求进行了分析，并搭建了基于驾驶模拟器的测试平台，同时对受试者对象和数量、车辆环境设置、虚拟交通场景设计、测量参数等进行了讨论。

2 HMI评价方法分析

由于驾驶员与HMI之间始终存在着信息的交互，驾驶员的主观接受程度很大程度上决定了ADAS的性能优劣。为了设计高品质的HMI，以用户为中心的设计方法（User-Centered Design Method）得到了应用[3]，而满足用户的需求是该方法的第一要求，因此，对HMI进行的测试评价应以检验HMI设计方案是否与潜在用户的需要相符合为目的。在进行评价试验时，应考核驾驶员使用HMI时对其可用性和舒适性的主观感受以及HMI对驾驶员驾驶行为的影响。

目前应用于ADAS的HMI主要有视觉、听觉、触觉以及上述3种模式不同组合等模式。因此，进行HMI评价的试验方案应能够提供与需要考核的HMI相对应的信号输出。另外，由于驾驶环境是由人-车-道路所组成的复杂闭环系统，HMI的评价试验必须涵盖这3方面的因素，否则无法与真实的交通环境相对应，评价结果会与真实情况相去甚远。

目前可用于评价HMI设计的试验方法主要有真实交通环境下的实车试验和驾驶模拟器试验2类[4]。实车试验的优点是可获得真实而准确的试验结果，但试验危险性较大，重复性难以控制，增加了开发成本和时间；而通过驾驶模拟器试验具有评价范围宽、评价条件方便控制、工况可重复性好、试验效率高、试验危险性低等优点[5]。因此，可在ADAS设计开发的初期采用驾驶模拟器试验来评价HMI设计方案，以缩短开发周期，并优化HMI设计方案。

驾驶模拟器分为运动式驾驶模拟器和固定式驾驶模拟器2类。运动式驾驶模拟器可提供对应于受试者所处交通环境的车辆运动姿态，营造一个相对真实的车辆动力学环境。但由于对HMI的评价并不需要驾驶模拟器具有高保真度的车辆动力学特性，且ADAS工作时车辆多处于正常行驶状态，所以模拟器的运动能力对于评价结果影响不大，因此采用固定式驾驶模拟器进行HMI的评价就能取得满意的效果。相对于运动式驾驶模拟器，固定式驾驶模拟器成本较低，方便更换车辆，可以采用不同的车型进行HMI的评价[5]。为此，采用固定式驾驶模拟器搭建了用于HMI评价的试验平台。

3 驾驶模拟器设计

3.1 软硬件平台搭建

在研究国内外相关文献的基础上，搭建了简易的固定式驾驶模拟器，如图1所示。

如图1所示，该驾驶模拟器采用游戏赛车座椅，安装在铝型材框架上，座椅可进行前、后调节，便于不同身材的驾驶员使用，同时在框架上安装罗技G27游戏组件，包括转向盘、换挡手臂、油门、制动踏板和离合器踏板等，各部件的布置位置与真实车辆基本一致。在转向盘的前方固定有LCD屏幕，可向驾驶员提供视觉HMI信号（图像）。LCD屏幕中心点与驾驶员眼睛的连线与驾驶员的水平视线约呈8°角[6]且稍靠右，避免了对驾驶员正常行驶的干扰。另外在座椅后方的框架上安装一个投影仪，将虚拟的交通场景投影到驾驶员正前方的屏幕上。屏幕下方放置有音响用来播放驾驶舱的声音，并可提供基于听觉的HMI信号（声音）。

整个系统由2台电脑控制，一台运行STISIM软件，控制交通场景；另一台通过Matlab程序控制HMI的信号输出并记录受试者的操作信息。2台电脑之间通过串口线相连接。试验过程和驾驶员的操作由安装在座椅前、后框架上的2个摄像头监控，所获得的视频数据可用于测试后的数据分析。整个驾驶模拟器系统采用黑色幕布包围起来，以给受试者构建一个封闭的试验环境，避免受试者产生被监视的感觉。整个驾驶模拟器的软硬件构成如图2所示。

该驾驶模拟器主要用于基于视觉信号（图像）的HMI设计方案的测试和评价。在确定了一个HMI的初步设计方案后，通过Matlab程序将设计方案复现到驾驶员正前方的LCD屏幕上。图3为目前已经评价过的一种HMI设计方案。根据交通环境的不同，LCD屏幕上的图像会发生相应的变化，实时向驾驶员提供交通环境中存在的危险信息，辅助驾驶员行驶。因Matlab程序控制图像的显示和变化非常简单，因此试验准备时间很短，在HMI方案设计完成后即可安排驾驶员进行测试。

3.2 受试者的选择

HMI评价测试的对象是普通驾驶员，因此在选择受试者时需避免选择专业人员，而应选择对ADAS了解不多但具备良好驾驶技能的驾驶员。

另外，还需确定受试者的样本数。通常在进行HMI评价测试时不考虑驾驶员的年龄、性别或驾驶经验等的影响，在这种情况下，不同研究人员给出了不同的样本数，如Weir[6]认为一般采用16～20个受试者就能满足要求；汽车制造商联盟认为最少需要10个受试者[7]；而Nielsen[8]认为采用20个受试者就能获得置信度较高的结果。根据上述研究结果，并考虑到试验中可能存在试验失败导致试验数据失效的情况，本文最终将受试者样本数定为25名，以确保最终的有效数据不少于20。

3.3 车辆环境的建立

由于车辆动力学特性的缺失，虽然在固定式驾驶模拟器中，不可能向驾驶员提供逼真的驾驶环境，但是仍然可以通过合理选择和设置软硬件来获得相对真实的驾驶感受。

为了减小受试者的驾驶环境与真实驾驶环境的差异，选用的罗技G27游戏组件中的一整套设备的种类、功能、形状及布置位置都与真实车辆上的相应设备非常接近。同时，由于罗技G27组件具有的力反馈功能，为营造路感建立了前提条件。

另外，试验装置采用STISIM软件帮助建立车辆环境。该软件除用于编写试验场景外，还具有交互式功能，可以响应驾驶员的输入（制动、转向、加速），并且实时生成相应的道路画面。STISIM软件在驾驶性能的客观评价中灵敏度较高，并且与真实的道路试验相关性较好[9，10]，可以给驾驶员相对真实的驾驶感。同时，通过设置STISIM中的车辆动力学参数（图4），使得通过转向盘、制动踏板等反馈给驾驶员的驾驶感受与驾驶真实车辆时接近。

3.4 虚拟交通场景的建立

要准确获得驾驶员对HMI设计的主观感受和行为响应，应使让驾驶员所面对的虚拟交通场景与真实场景类似，因此，必须对真实的交通场景进行提取和分析。本文通过在数辆出租车和警车上安装的视频行车记录仪（Video Drive Recorder，VDR）对上海市嘉定地区的真实交通场景进行了采集，如图5所示。VDR通过一个摄像头来记录车辆前方的交通状况，同时记录车辆速度、纵向加速度、侧向加速度等信息。

所设计的虚拟交通场景主要由无碰撞威胁的日常交通场景和有碰撞威胁的危险交通场景两部分构成。

日常交通场景主要由一段高速交通场景和一段低速交通场景构成，高速段限速90 km/h，低速段限速50 km/h。参考真实工况视频，在道路两旁随机布置典型道路交通标志、建筑物等，同时在车道中设置对本车不构成威胁的车辆、行人、骑车人等交通参与者。

因为ADAS的作用是辅助驾驶员安全行驶，这种作用只有在出现危险时才能充分体现，因此，危险交通场景的设计是对ADAS的HMI进行评价的关键。本文通过对采集到的真实交通场景数据进行视频分析，从中提取了430例危险度较高的危险工况，并按照NHTSA提出的37类预碰撞（Pre-Crash）分类方法[11]进行分类，分类结果如图6所示，最典型的7类危险工况共有350例，占总危险工况（430例）的81%。

由于所设计的虚拟交通场景都是基于直行道路，因此去掉7类危险工况中的“有预先车辆行为的自行车（摩托车）冲突”工况及“车辆在有信号灯的路口转向”工况。由于其它5类危险工况都发生在直行道路上，为此按这5类危险工况的比例关系设计了20例危险工况，并以事件的形式均匀穿插在日常交通场景中，最终形成了具有日常交通工况和危险交通工况的完整虚拟场景。

采用STISIM软件编写虚拟交通场景，该软件具有专门的场景定义语言（Scenario Definition Language，SDL），编写场景非常方便快捷。场景编写完成后，通过投影仪将虚拟的交通场景投影到驾驶员前方的大屏幕上，如图7所示。

4 确定测量参数

4.1 调查问卷设计

驾驶员对HMI设计的主观感受是HMI评价的重要内容。为此，通过设计调查问卷来获得驾驶员对HMI的可用性和舒适性的主观感受。调查问卷是基于国际上较通用的Van Der Lann接受度评分问卷[12]制定（图8），该问卷由9个打分项构成，每个打分项有5个分值。其中奇数项体现驾驶员对可用性的主观感受，而偶数项体现驾驶员对舒适性的主观感受。其中，第3、6、8项的得分从左至右为-2～+2，其余每项得分从左至右为+2～-2。最终奇数项的平均分即为驾驶员对HMI的可用性评价得分，偶数项平均分为驾驶员的舒适性评价得分。

4.2 客观测量参数

从问卷调查中获得的主观参数只能用于评价驾驶员对HMI的主观接受程度，而HMI的效能则是通过对驾驶员生理特征和驾驶行为的改变来体现的。因此，通过测量和记录体现驾驶员生理特征和驾驶行为的客观参数，可以对HMI的效能进行量化评价。

客观参数主要包括驾驶员生理参数、驾驶操作参数和驾驶性能参数。驾驶员生理参数包括驾驶员反应时间、心跳速率等；驾驶操作参数包括驾驶员的转向、制动、加速行为等；驾驶性能参数包括平均车速、纵向加速度、横向加速度、最小TTC值、发生警告的次数、发生碰撞的次数等。在该试验装置中，驾驶员生理参数通过心率计测得，驾驶操作参数和驾驶性能参数直接通过STISIM软件输出。

获得这些参数后，首先将所有数据时间同步，然后根据ADAS的功能以及HMI的评价目的进行性能参数计算，最后根据计算结果对HMI的设计质量进行评价。

5 结束语

本文设计了简易的固定式驾驶模拟器用以对HMI进行研究和评价。该固定式驾驶模拟器通过合理布置硬件位置、设置动力学参数、采用基于我国真实交通工况的虚拟场景等方法，可以给驾驶员相对真实的驾驶感受。同时，通过设计调查问卷、测量和记录驾驶员的生理特征和驾驶行为，获得了评价HMI所需的主客观参数。该试验方法主要用于基于视觉信号的HMI评价，试验准备方便快捷，非常适用于在ADAS开发的早期阶段对HMI进行评价。目前该驾驶模拟器已经成功用于两组基于视觉的HMI设计方案的评价。

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谭浩，赵江洪，王巍.汽车人机交互界面设计研究.汽车工程学报，2012，2（5）:315～321.

3Hesse T，Engström 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.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为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

先进驾驶辅助系统人机交互界面驾驶模拟器评价方法

U467.5+24

：A文献标识码：1000-3703（2014）02-0058-05