基于驾驶员在环实验的人车协同转向控制器评价方法
技术领域
本发明属于汽车驾驶控制领域，涉及一种基于驾驶员在环实验的人车协同转向控制器评价方法。
背景技术
人车协同转向控制器可在智能车辆转向时通过对方向盘转角进行辅助或修正，以帮助驾驶员进行转向操作。中国专利CN108454628A提供了一种驾驶员在环的人车协同转向滚动优化控制方法，具体步骤包括：一、建立车辆二自由度动力学模型与车辆运动学模型；二、利用危险评估模糊逻辑确定干预程度系数；三、建立人车协同转向系统模型；四、采用模型预测方法进行人车协同转向系统控制器设计；五、进行驾驶权分配并计算控制量完成控制。中国专利CN109177974A提供了一种智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法，该方法将驾驶员的方向盘转角输入和控制器的期望转向输入以线性加权的形式进行融合，实现了一种人机共驾模式的车道保持辅助功能。
以上系统可以实现人车协同的功能，但是目前仍然缺少一种可以评价同一种人车协同转向控制器对于不同驾驶员的效果、以及不同人车协同转向控制器对同一驾驶员的效果的基于驾驶员在环实验的人车协同转向控制器评价方法。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的人车协同转向控制器缺少良好的评价方法的问题，提出了一种基于驾驶员在环实验的人车协同转向控制器评价方法。
本发明所述的基于驾驶员在环实验的人车协同转向控制器评价方法，是采用如下技术方案实现的：
基于驾驶员在环实验的人车协同转向控制器评价方法，基于驾驶员和人车协同转向控制器同时进行超车换道驾驶任务的驾驶模式，驾驶员在环实验通过驾驶员在驾驶员在环实验平台进行超车换道驾驶任务完成；人车协同转向控制器评价方法包括计算人车协同转向控制器评价指标、人车协同转向控制器评价指标归一化和人车协同转向控制器综合评价，可以评价相同的人车协同转向控制器对不同驾驶员的辅助能力或不同的人车协同转向控制器对同一驾驶员的辅助能力，本方法具体步骤如下：
步骤一、建立驾驶员在环实验平台：
驾驶员在环实验平台包括方向盘、油门踏板、制动踏板、座椅、可视化模块、CAN总线、以太网、路由器、以太网-CAN转换器和PC主机，PC主机中包含被控车辆模型和人车协同转向控制器以进行驾驶员在环实验：
驾驶员输出的方向盘转角δh通过方向盘采集并输入到人车协同转向控制器中，人车协同转向控制器基于驾驶员输出的方向盘转角δh、参考路径跟踪偏差ey、横摆角速度r、车辆侧向速度vy、车辆质心侧向位置yO、车辆横摆角ψ，计算出实际方向盘转角δsw，并最终将实际方向盘转角δsw输出至被控车辆模型中完成车辆的仿真并通过可视化模块显示给驾驶员；
步骤二、进行驾驶员在环实验
选取驾驶员时尽量使选取的样本具有代表性，即选取n位包括不同年龄、性别、驾龄的驾驶员，在m种不同的人车协同转向控制器情况下进行实验；为了排除纵向车速变化对人车协同转向控制器的影响，设计纵向车速跟踪跟踪控制器，使得驾驶员在环实验过程中本车车速保持在所设计的参考纵向车速；
驾驶员在环实验的流程如下：
(1)让驾驶员i进行5-10分钟的驾驶，使驾驶员i对驾驶员在环实验平台适应，当驾驶员i适应完毕并经其确认后进入过程(2)；
(2)为了比较人车协同转向控制器的作用，首先让驾驶员i独立完成超车换道驾驶任务，同时为了避免偶然因素的影响，记录驾驶员i在每次超车换道驾驶任务的转向过程中驾驶员输出的方向盘转角δh,i,0和参考路径跟踪偏差ey,i,0，超车换道驾驶任务完成3次后进入过程(3)；
(3)为了模拟驾驶员i和人车协同转向控制器j相互适应的条件，进行人车协同转向实验前让驾驶员i观看3次人车协同转向控制器的参考路径，然后进入过程(4)的人车协同转向实验；
(4)进行人车协同转向实验，让驾驶员i驾驶包含人车协同转向控制器j的驾驶员在环实验平台，同一人车协同转向实验重复进行3次，记录驾驶员i在人车协同转向控制器j情况下的人车协同转向实验中的驾驶员输出的方向盘转角δh,i,j、实际方向盘转角δsw,i,j和参考路径跟踪偏差ey,i,j，人车协同转向实验重复3次后进入过程(5)；
(5)驾驶员i休息两分钟，如果驾驶员i完成了全部m种不同的人车协同转向控制器的人车协同转向实验，进入过程(6)，如果驾驶员i没有完成全部m种不同的人车协同转向控制器的人车协同转向实验，则进入过程(4)进行下一种人车协同转向控制器的实验j+1；
(6)如果全部n位驾驶员都完成了全部m种不同的人车协同转向控制器的人车协同转向实验，则实验结束，如果有驾驶员没有完成全部m种不同的人车协同转向控制器的人车协同转向实验，则进入过程(1)，让下一位驾驶员i+1进行驾驶员在环实验；
其中i为驾驶员编号，为1到n的整数；j为人车协同转向控制器编号，为从0到m的整数；所有人车协同转向控制器的参考路径完全相同；
步骤三、计算人车协同转向控制器评价指标：
对于驾驶员i在人车协同转向控制器j下的评价指标包括：最大参考路径偏差emax,i,j、参考路径偏差均值
emax,i,j＝max(|ey,i,j|) (1)
参考路径偏差均值
其中N为驾驶过程中的数据点数量，其中驾驶过程为一次人车协同转向实验中，驾驶员输出的所有方向盘转角δh,i,j中第一个不为0数据点到最后一个不为0数据点中间的过程；
最大方向盘转角δmax,i,j计算公式如式(3)所示，单位rad：
δmax,i,j＝max(|δh,i,j|) (3)
前轮转角均值
方向盘转角平均标准差σi,j计算过程中截取驾驶过程中的驾驶员输出的方向盘转角δh,i,j，按照1s的间隔进行分割，然后分别计算每一段数据的标准差并求均值，计算公式如式(5)所示，单位rad：
其中Ns为截取换道过程数据分割的段数；N′为每一段的数据点个数；s为数据的段数序号，s＝1,2,3…Ns；k为第s段的数据点编号；
驾驶员在转向过程中，与人车协同转向控制器的合作状态可分为三类，分别为一致、抑制和冲突，具体定义如式(6)：
一致率性能指标Pi,j(一致)为整个实验中，一致的数据点个数除以一致的数据点、抑制的数据点和冲突的数据点的和，由于实验中数据采样为周期采样，故抑制率性能指标可以反映在驾驶员转向过程中，人车协同转向控制器与驾驶员合作良好的时间占比，计算公式如式(7)：
其中，num(δh,i,j,δsw,i,j,一致/抑制/冲突)表示驾驶员i在人车协同转向控制器j情况下，C(δh,i,j,δsw,i,j)＝一致/抑制/冲突的数据点的个数；
抑制率性能指标Pi,j(抑制)为整个实验中，抑制的数据点个数除以一致的数据点、抑制的数据点和冲突的数据点的和，计算公式如式(8)：
冲突率性能指标Pi,j(冲突)为整个实验中，冲突的数据点个数除以一致、抑制、冲突的数据点的和，计算公式如式(9)：
对于驾驶员i和人车协同转向控制器j不完全相同的两种人车协同转向控制器(i1,j1)和(i2,j2)，Pi,j(一致)越大，则人车协同转向控制器对于驾驶员的辅助能力越好；Pi,j(冲突)越大，则人车协同转向控制器对于驾驶员的抵抗越多，人车协同转向控制器的性能越差；
步骤四、人车协同转向控制器评价指标归一化和人车协同转向控制器综合评价：
对于驾驶员i在人车协同转向控制器j下的最大参考路径偏差emax,i,j进行归一化，计算公式如式(10)：
其中em,max,i,j为归一化的最大参考路径偏差；I为全部n位驾驶员的集合，I＝1,2,3…n；J为全部人车协同转向控制器的集合，J＝1,2,3…m；
归一化的参考路径偏差均值
归一化的最大方向盘转角δm,max,i,j计算公式如式(12)所示：
归一化的前轮转角均值
归一化的方向盘转角平均标准差σm,i,j计算公式如式(14)所示：
人车协同转向控制器综合评价对归一化后的各项指标进行加权，最终得出考虑归一化的最大参考路径偏差emax,i,j、归一化的参考路径偏差均值
其中ω1,ω2,ω3,ω4,ω5为加权系数，ω1+ω2+ω3+ω4+ω5＝1；
对于相同的人车协同转向控制器j及a位不同的驾驶员i1,i2…ia，则可计算
对于相同驾驶员i及b种不同的人车协同转向控制器j1,j2…jb，则可计算
本发明的有益效果为：
因为本方法设计了人车协同转向控制器驾驶员在环实验的流程，所以能够完成驾驶员在环实验，比较人车协同转向控制器的有效性；因为本方法提出了人车协同转向控制器评价指标，所以可以评价人车协同转向控制器对驾驶员的辅助能力和对驾驶员的抵抗程度；因为本方法提出了人车协同转向控制器的综合评价指标，所以可以评价人车协同转向控制器对驾驶员的效果，选取对驾驶员最合适的人车协同转向控制器。
附图说明
图1为本发明所述基于驾驶员在环实验的人车协同转向控制器评价方法的流程图；
图2为本发明所述的驾驶员在环实验平台的示意图；
图3为本发明所述的人车协同转向控制器的控制框图；
图4为本发明所述的驾驶员在环实验的流程图
具体实施方式
基于驾驶员在环实验的人车协同转向控制器评价方法，如图1所示，基于驾驶员和人车协同转向控制器同时进行超车换道驾驶任务的驾驶模式，驾驶员在环实验通过驾驶员在驾驶员在环实验平台进行超车换道驾驶任务完成；人车协同转向控制器评价方法包括计算人车协同转向控制器评价指标、人车协同转向控制器评价指标归一化和人车协同转向控制器综合评价，可以评价相同的人车协同转向控制器对不同驾驶员的辅助能力或不同的人车协同转向控制器对同一驾驶员的辅助能力，其特征在于，本方法具体步骤如下：
步骤一、建立驾驶员在环实验平台：
驾驶员在环实验平台的示意图如图2所示，包括方向盘、油门踏板、制动踏板、座椅、可视化模块、CAN总线、以太网、路由器、以太网-CAN转换器和PC主机，PC主机中包含被控车辆模型和人车协同转向控制器以进行驾驶员在环实验：
人车协同转向控制器的控制框图如图3所示，驾驶员输出的方向盘转角δh通过方向盘采集并输入到人车协同转向控制器中，人车协同转向控制器基于驾驶员输出的方向盘转角δh、参考路径跟踪偏差ey、横摆角速度r、车辆侧向速度vy、车辆质心侧向位置yO、车辆横摆角ψ，计算出实际方向盘转角δsw，计算方法为本领域已经公知的、常规的现有技术(如中国专利CN108454628A、中国专利CN109177974A)，并最终将实际方向盘转角δsw输出至被控车辆模型中完成车辆的仿真并通过可视化模块显示给驾驶员；
步骤二、进行驾驶员在环实验
选取驾驶员时尽量使选取的样本具有代表性，即选取n位包括不同年龄、性别、驾龄的驾驶员，在m种不同的人车协同转向控制器情况下进行实验；为了排除纵向车速变化对人车协同转向控制器的影响，设计纵向车速跟踪跟踪控制器，使得驾驶员在环实验过程中本车车速保持在所设计的参考纵向车速；
驾驶员在环实验的流程如下，驾驶员在环实验的流程图如图4所示：
(1)让驾驶员i进行5-10分钟的驾驶，使驾驶员i对驾驶员在环实验平台适应，当驾驶员i适应完毕并经其确认后进入过程(2)；
(2)为了比较人车协同转向控制器的作用，首先让驾驶员i独立完成超车换道驾驶任务，同时为了避免偶然因素的影响，记录驾驶员i在每次超车换道驾驶任务的转向过程中驾驶员输出的方向盘转角δh,i,0和参考路径跟踪偏差ey,i,0，超车换道驾驶任务完成3次后进入过程(3)；
(3)为了模拟驾驶员i和人车协同转向控制器j相互适应的条件，进行人车协同转向实验前让驾驶员i观看3次人车协同转向控制器的参考路径，然后进入过程(4)的人车协同转向实验；
(4)进行人车协同转向实验，让驾驶员i驾驶包含人车协同转向控制器j的驾驶员在环实验平台，同一人车协同转向实验重复进行3次，记录驾驶员i在人车协同转向控制器j情况下的人车协同转向实验中的驾驶员输出的方向盘转角δh,i,j、实际方向盘转角δsw,i,j和参考路径跟踪偏差ey,i,j，人车协同转向实验重复3次后进入过程(5)；
(5)驾驶员i休息两分钟，如果驾驶员i完成了全部m种不同的人车协同转向控制器的人车协同转向实验，进入过程(6)，如果驾驶员i没有完成全部m种不同的人车协同转向控制器的人车协同转向实验，则进入过程(4)进行下一种人车协同转向控制器的实验j+1；
(6)如果全部n位驾驶员都完成了全部m种不同的人车协同转向控制器的人车协同转向实验，则实验结束，如果有驾驶员没有完成全部m种不同的人车协同转向控制器的人车协同转向实验，则进入过程(1)，让下一位驾驶员i+1进行驾驶员在环实验；
其中i为驾驶员编号，为1到n的整数；j为人车协同转向控制器编号，为从0到m的整数；所有人车协同转向控制器的参考路径完全相同；
步骤三、计算人车协同转向控制器评价指标：
对于驾驶员i在人车协同转向控制器j下的评价指标包括：最大参考路径偏差emax,i,j、参考路径偏差均值
emax,i,j＝max(|ey,i,j|)(1)
参考路径偏差均值
其中N为驾驶过程中的数据点数量，其中驾驶过程为一次人车协同转向实验中，驾驶员输出的所有方向盘转角δh,i,j中第一个不为0数据点到最后一个不为0数据点中间的过程；
最大方向盘转角δmax,i,j计算公式如式(3)所示，单位rad：
δmax,i,j＝max(|δh,i,j|)(3)
前轮转角均值
方向盘转角平均标准差σi,j计算过程中截取驾驶过程中的驾驶员输出的方向盘转角δh,i,j，按照1s的间隔进行分割，然后分别计算每一段数据的标准差并求均值，计算公式如式(5)所示，单位rad：
其中Ns为截取换道过程数据分割的段数；N′为每一段的数据点个数；s为数据的段数序号，s＝1,2,3…Ns；k为第s段的数据点编号；
驾驶员在转向过程中，与人车协同转向控制器的合作状态可分为三类，分别为一致、抑制和冲突，具体定义如式(6)：
一致率性能指标Pi,j(一致)为整个实验中，一致的数据点个数除以一致的数据点、抑制的数据点和冲突的数据点的和，由于实验中数据采样为周期采样，故抑制率性能指标可以反映在驾驶员转向过程中，人车协同转向控制器与驾驶员合作良好的时间占比，计算公式如式(7)：
其中，num(δh,i,j,δsw,i,j,一致/抑制/冲突)表示驾驶员i在人车协同转向控制器j情况下，C(δh,i,j,δsw,i,j)＝一致/抑制/冲突的数据点的个数；
抑制率性能指标Pi,j(抑制)为整个实验中，抑制的数据点个数除以一致的数据点、抑制的数据点和冲突的数据点的和，计算公式如式(8)：
冲突率性能指标Pi,j(冲突)为整个实验中，冲突的数据点个数除以一致、抑制、冲突的数据点的和，计算公式如式(9)：
对于驾驶员i和人车协同转向控制器j不完全相同的两种人车协同转向控制器(i1,j1)和(i2,j2)，Pi,j(一致)越大，则人车协同转向控制器对于驾驶员的辅助能力越好；Pi,j(冲突)越大，则人车协同转向控制器对于驾驶员的抵抗越多，人车协同转向控制器的性能越差；
步骤四、人车协同转向控制器评价指标归一化和人车协同转向控制器综合评价：
对于驾驶员i在人车协同转向控制器j下的最大参考路径偏差emax,i,j进行归一化，计算公式如式(10)：
其中em,max,i,j为归一化的最大参考路径偏差；I为全部n位驾驶员的集合，I＝1,2,3…n；J为全部人车协同转向控制器的集合，J＝1,2,3…m；
归一化的参考路径偏差均值
归一化的最大方向盘转角δm,max,i,j计算公式如式(12)所示：
归一化的前轮转角均值
归一化的方向盘转角平均标准差σm,i,j计算公式如式(14)所示：
人车协同转向控制器综合评价对归一化后的各项指标进行加权，最终得出考虑归一化的最大参考路径偏差emax，i，j、归一化的参考路径偏差均值
其中ω1,ω2,ω3,ω4,ω5为加权系数，ω1+ω2+ω3+ω4+ω5＝1；
对于相同的人车协同转向控制器j及a位不同的驾驶员i1,i2…ia，则可计算
对于相同驾驶员i及b种不同的人车协同转向控制器j1,j2…jb，则可计算
