產情趨勢創新研發驗證技術精選論文48 科研成果自動駕駛人機互動技術介紹 車輛中心研究發展處蔡汯嶧自主車輛 (Autonomous Vehicles) 或自動駕駛系統 (Automated driving systems) 能有效的提升行車安全, 降低駕駛對於行車操控時的負載量, 因此自主車輛與自動駕駛系統成為未來車輛產業的熱門趨勢, 在過去十年來各大車廠與系統廠也都積極開發自主車輛或自動駕駛系統, 在技術佈局上已經有相當大的發展, 許多自動駕駛車已經進入道路測試的階段, 例如 Google 和 Volvo 的無人車 新加坡 nutonomy 的無人自動駕駛計程車等, 車輛中心 (ARTC) 在過去幾年裡也一直致力於各種駕駛輔助系統的開發, 包括適應性巡航 (ACC), 車道維持 / 跟隨系統 (LKS/ LFS) 和自動緊急煞車系統 (AEB), 目前 ARTC 也正積極開發 SAE-J3016 分類等級 Level3 的自動駕駛系統 (ADS) 壹 車輛自動化層級分類概況根據美國國家公路交通安全管理局 (National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA) 在 2013 年 6 月所發佈的自動駕駛車發展相關準則, 將車輛自動化分成 Level 0 到 Level 4 總共 5 個層級, 國際自動機工程師學會 (SAE) 後於 2014 年針對自動駕駛系統提出 SAE-J3016 分級標準, 此標準也被 NHTSA 採用,SAE-J3016 分級標準將車輛分為 Level 0 到 Level 5 共 6 個級別, 並針對道路機動車輛的自動化系統相關條款做分類和定義, 隨後又在 2016 年 9 月發布了 SAE-J3016 的修訂版本, 全球汽車產業也廣泛的接受使用 SAE-J3016 標準, 新增訂的 SAE-J3016 版本與舊版的 SAE 等級分類維持 Level 0 至 Level 5, 其中修正了 Level 0-Level 2 的差異因素, 修改了某些原有的用詞與術語, 增加更多的 ADS 範例與動態行駛 任務 DDT(Dynamic Driving Task) 的說明, 並更細分了 Level 3-Level 4 的差異性 貳 自動駕駛系統發展預測根據 ABI Research 於 2015 年針對自動駕駛系統的預測, 預計於 2020 年自動駕駛系統將演化為協同駕駛 (Co-Pilot) 階段, 即車輛由系統與駕駛人共同操作, 與現在的駕駛輔助階段不同, 自動駕駛系統可初步具備獨立操控車輛的能力, 而駕駛可釋放車輛的操控權給予系統, 於緊急狀況時, 駕駛即可立刻取回車輛操控權, 目前的科技已經開始開發 Level 3 的自動駕駛系統, 根據 Frost & Sullivan 針對 2016 年自動駕駛系統進行的全球市場與產業調查分析結果顯示, 自動駕駛系統 Level 3 之車輛多數時間為自主駕駛, 但在駕駛有要求的情況, 自動駕駛系統應即時滿足駕駛的需求, 因此, 可預期未來 Level 3 的自動駕駛系統與
產研成果駕駛之間勢必經常發生車輛操控權切換與轉移 測後, 由路徑規劃與安全評估模組評估操作環的情形 境的安全性與風險性, 確定車輛行駛在適當安全有效的軌跡 ; 此外, 自動駕駛人機互動系統參 駕駛與自動駕駛人機互動系統也必須擁有判定駕駛意圖的能力, 當系統擁有國際間傳統車廠對於自動駕駛系統相關技判定駕駛意圖的能力時, 系統與駕駛的衝突就術的開發正處於 SAE Level 2 和 Level 3 階可以減小到最低, 進而提高系統和駕駛在控制段, 高度化自動駕駛 Level 5 整體技術尚未完上的銜接程度, 最後再將這些經過分析後的相全成熟, 因此自動駕駛系統必須由駕駛視當時關資訊提供給駕駛和自動駕駛系統, 這些資訊的行車狀況決定開啟與否, 自動駕駛系統也必同樣做為仲裁與決策模組計算決定是否產生控須有能力判斷是否適合啟動, 自動駕駛系統控制權限轉移的主要依據 制車輛時, 駕駛仍然必須注意車況, 必要時駕當駕駛行駛車輛時透過人機介面 油門 駛必須適時介入接管車輛之控制, 圖 1 為駕駛煞車 方向盤 方向燈等方式, 進行旅程路與自動駕駛系統之互動架構, 其中感知傳感模線規劃, 旅程目的地設定, 或是提出控制請求組負責車輛周圍環境和行車狀態的感測, 如雷時, 經由仲裁與決策模組的判定, 給予駕駛者達或超音波等用以感知障礙物的資訊, 車輛動接管車輛或由自動駕駛系統控制車輛的權限 態的資訊, 如車速 引擎轉速 加速度 節氣因此自動駕駛人機互動系統的開發, 如何才能門開度和方向盤轉角等資訊, 這些車輛動態資讓自動駕駛系統與人的控制之間不互相矛盾衝訊經由感知傳感單元, 提供給動態預測模組做突, 並能夠很平順與安全的控制權轉移, 讓駕車輛的動態預測, 在經過了感知傳感與動態預駛知道他該做什麼, 系統目前在做什麼, 是相自動駕駛感知傳感系統控制動態預測仲裁與決策控制請求路徑規劃 情趨勢創新研發驗證技術精選論文科49 安全評估 駕駛控制 圖 1: 駕駛與自動駕駛系統之互動架構 資料來源 :California Path
產情趨勢創新研發驗證技術精選論文50 科研成果當重要的一門課題 2016 年 9 月美國交通部動駕駛人機互動系統, 必須能讓駕駛或車輛很正式頒布 自動駕駛汽車聯邦政策 (Federal 平順且安全的切換車輛之控制權 Automated Vehicles Policy), 規定新的自目前自動駕駛系統國內外尚在開發階段, 動駕駛汽車或技術都應滿足自駕車 15 個要點並無一個明確的方法可以確認自動駕駛人機的安全評估才能上路, 包括數據記錄和共享 互動系統的仲裁與決策機制是否正確, 因此隱私 車輛網絡安全 人機介面操作設計 物 ARTC 經過文獻蒐集以及與國內外專家學者體和事件的探測及反應等 其中駕駛與自動駕諮詢討論, 彙整提出一個評估方法如圖 2, 駛系統人機介面功能, 明確要求訂定人機介面 ARTC 採用 PreScan HIL 駕駛模擬系統進行 (Human Machine Interface, HMI) 顯示 ADS 人機互動系統的設計與評估, 首先針對系統系統執行現狀相關資訊 HMI 顯示 ADS 未來介面模型進行規劃, 系統介面模型的規劃包含控制意圖 ADS 功能啟動判定 自動 / 手動了車輛所具備的各項輔助功能, 例如 : 感測 控制的控制權轉移 ADS 失效之駕駛控制權 ACC AEB LKS LFS LCS 等, 駕駛轉移等五項功能規格, 這些規定可作為開發自者與自動駕駛系統的互動, 可以簡化為車輛控動駕駛人機互動系統核心技術的依據 制權轉移的問題 ( 圖 3); 因此模型的規劃必須加入功能之間的控制流程與條件, 當規劃的肆 互動系統評估與開發功能條件不同, 自動駕駛人機互動的項目便會根據上述駕駛與自動駕駛系統的控制權轉有所差異, 例如自動駕駛系統的啟動方式, 可移必須經由仲裁與決策機制進行控制, 其中存以是按鈕 撥片 聲控等等, 像按鈕可以為一在著駕駛與自動駕駛系統之間的互動問題, 自使用者介面的按鈕, 一個實體按鈕, 或多個可動駕駛人機互動系統必須在不會增加駕駛者的供兩手同時按壓之按鈕, 初步完成車輛模擬的操控負擔為前題下進行設計, 並且必須避免造功能規劃後, 針對規劃的項目進行系統與互動成駕駛者對系統操控上的誤解, 若自動駕駛人決策的演算法進行撰寫, 將系統模型架構於機互動系統無法讓駕駛對系統的控制上產生足 PreScan HIL 模擬平台系統上 夠的了解, 那麼駕駛者在行駛車輛的控制上就容易產生困擾或錯誤, 便會影響到車輛的動態由圖 3 可以看出 ARTC 提出 5 個介面互控制, 甚至造成行車危險 ; 因此一個良好的自動模式的車輛互動模型, 分別為手動模式 自系統演算法系統介面模擬試駕 與模型規劃問卷與分析駕駛情境建立 圖 2: 人機互動系統設計流程
產情趨勢創新研發 圖 3: 自動駕駛人機互動系統控制模型圖研成果驗證技術精選論文科51 圖 4:PreScan HIL 建模與模擬
產情趨勢創新研發驗證技術精選論文52 科研成果動緊急煞車模式 (AEB) 介入模式 請求模式以及自動駕駛模式, 並列出系統與駕駛互動狀態模組, 包含 : 安全判斷與接管機制 以及最低風險機制, 圖中實線為駕駛者觸發的狀態轉移, 主要為駕駛者透過按鈕 方向盤 煞車踏板以及油門踏板等裝置進行的切換觸發, 虛線為系統主動切換的狀態轉移 手動模式駕駛涵蓋所有駕駛任務之判斷與控制, 系統僅提供行駛資訊與車況給予駕駛, 輔助駕駛了解目前駕駛情況 自動緊急煞車模式 (AEB) 係由系統自主觸發的主動煞車系統, 當遭遇緊急情況, 駕駛並無煞車動作時, 主動執行緊急煞車, 或駕駛有執行煞車, 但是系統判斷煞車力道不足, 輔助增加煞車控制 介入模式當駕駛透過方向盤 方向燈與油門介入自動駕駛系統之控制時, 經過安全判定後, 控制權會回到駕駛手中的臨時狀態, 控制權限完全由駕駛掌控, 當系統認定駕駛執行完控制後, 會再度切換回自動駕駛模式 請求模式為系統主動提出要求駕駛接管的模式, 當自動駕駛運行時, 行駛過程中, 遭遇到安全判定機制認定為自動駕駛系統無法認知的情況, 判定駕駛必須接手, 因此在各種模式與狀態的轉移的機制條件, 必須讓駕駛減少熟悉系統的時間, 減少行車時的模式混淆情況避免可能的操作錯誤, 提高行車的安全性與便利性 在自動駕駛模組 ( 圖 3), 可以看到有四個子系統, 主動轉向系統 (LCS) 車道維持跟隨系統 (LFS) 車道維持警示系統 (LKS) 以及適應性巡航 (ACC), 在各種環境車況條件下, 自動駕駛系統經由四個子系統互相搭配進行車輛控制 當駕駛按下啟動按鈕, 意圖啟動自動駕駛系統時, 系統會根據目前各種資訊, 進行判斷自動駕駛系統是否有能力控制車輛, 若有能力控管車輛, 即會進入系統接管的步驟, 這個步驟必須確保系統完全接管車輛控制權後, 在警示駕駛能夠放開方向盤和油門, 確保系統控制權限轉換的安全 ; 相反的, 當系統為自動駕駛的情況下, 駕駛按下啟動按鈕, 意圖解除自動駕駛的狀態, 經由安全判定後, 確認目前車況是否適合進入駕駛接管程序, 適合時, 系統警示駕駛手控方向盤與踏板, 並經由偵測確認駕駛已經準備好, 以及警示即將完成手動駕駛切換, 持續提示駕駛車輛動態 當駕駛在沒有解除自動駕駛的情況下, 即藉由方向盤 油門等介入控制, 經由安全判斷駕駛的控制行為是安全的, 系統即會切換執行駕駛的介入控制項目, 當駕駛執行完控制, 方向盤維持車輛執行, 並且鬆開油門或煞車時, 即恢復自動駕駛模式, 介入模式雖然經過環境安全判定, 但是一定會執行駕駛的控制行為, 若是安全判定認為駕駛目前的行為是具有危險性的, 會經由警示提醒駕駛 駕駛模擬平台 HIL 模擬系統 ( 圖 4) 主要整合 PreScan 軟體進行車輛操控環境建
( 道路 建築物 號誌 等 ),MATLAB/ 產研成果構 Simulink 進行車電控制系統演算法設計與系統模擬, 以及利用 CarSim 進行車輛動態系統建模設計, 當駕駛模擬平台的測試情境 車輛系統動態模型以及駕駛與自動駕駛系統的控制權轉移之仲裁與決策機制均完備之後, 其中是否存在駕駛與自動駕駛系統之間的互動出現矛盾問題或不友善情況發生, 接著需招募試駕人員進行自動駕駛人機互動模擬系統的車輛試駕與問卷, 問卷內容包含 : 1. 人機顯示與聲音提示功能是否清楚指示目前使用狀態? 2. 系統提示功能是否讓你了解必須注意事項? 3. 目前系統的設置是容易使人明白並使用 ( 啟動 設定 解除 )? 4. 系統配置上那些部分會造成控制上的困擾? 5. 認為系統哪些部分是多餘的配置? 6. 針對系統使用的情況請提出您的改善建議? 經由不同駕駛者的試駕, 統整出每個駕駛與自動駕駛系統互動情況, 歸納出自動駕駛系 統的仲裁與決策機制對駕駛的友好度, 駕駛是否因此排斥此試駕的系統機制, 了解駕駛是否會對互動系統的控制模式的使用產生困擾或產生錯誤的操作, 另外, 經由試駕的行駛資料擷取, 了解駕駛的駕駛行為, 進而調整出更理想的自動駕駛人機互動系統, 以達到日後實際應用於車上時, 能夠讓每一位駕駛者在初步接觸自動駕駛系統時, 都能透過自動駕駛人機互動系統的指示與引導, 更快速的了解自動駕駛系統, 輕鬆的駕馭車輛, 以滿足美國交通部自動駕駛汽車聯邦政策 15 個要點中對於 駕駛與自動駕駛系統人機介面功能 的安全評估與要求, 尤其對於自動 / 手動控制的控制權轉移 ADS 失效之駕駛控制權轉移等核心技術開發 目前 ARTC 已經初步規劃出自動駕駛人機互動系統之雛型, 也針對自動駕駛人機互動系統進行更進一步的研究, 建立與改善模擬系統的駕駛情境 行駛環境 自動駕駛系統的各個子系統模型與自動駕駛人機互動系統, 以期能夠更貼近真實的行車狀況, 希望能讓仲裁與決策機制能更加完善, 使得往後自動駕駛人機互動系統能更人性化 情趨勢創新研發驗證技術精選論文科53