分享关于自动驾驶的方向盘造型改良方案的研究

汽车驾驶的自动化程度也会对未来方向盘的功能和形状产生影响，因而从第四级自动化程度起，可逐渐减小方向盘轮圈的大小，以便使驾驶员腿部有更充裕的活动空间。德国Takata公司在试验样品的研究中发现该类轮圈经缩小处理的方向盘不利于交通安全性，因此建议将方向盘轮圈在6点钟区域附近改成扁平形状，但是为了车辆的可控性仍需保持方向盘轮圈的造型封闭而不使其中断。

1 用于具有自动驾驶功能车辆的方向盘

对作为车辆操纵部件的方向盘的要求随着自动化等级的不同会有所变化。随着第二和第三级自动化程度（驾驶员持续不断地监视自动驾驶或者按照系统要求予以干预）的应用，方向盘（图1）已成为车辆与驾驶员之间重要的联系部件。为了传递信息和监察驾驶员状态，将电容式手握识别系统集成在方向盘轮圈中，以此识别驾驶员手部是单纯的触摸还是采用固定姿态握住方向盘。采用一种基于摄像机的系统识别驾驶员状态,使其不仅能确保驾驶员的手握在方向盘上，同时确保其眼睛直视道路，从而能核实驾驶员是否履行了任务或者是否安全可靠地承担起了对车辆的操控，另外采用生命传感装置（心电图、皮肤电导、呼吸速率）能够查明驾驶员是否已准备好承担操控和监视任务。

图1 方向盘配备有手部识别装置、

生命传感装置、驾驶员监察摄像机以及

用于自动化状态通讯的蓝色光带

为了显示当前的行驶模式、预警和接收需求，在方向盘上集成了光带，另外该装置还能与一个振动执行器相结合，其中新型的压电或磁执行器可与软件想匹配,并产生不同的触觉信号，同时可进行报警提示和改善舒适度。

从第四级自动化程度起,就允许驾驶员做一些与驾驶行为无关的辅助性动作，因为其具备足够的时间储备执行由系统交付的任务。与此同时，驾驶员在自动驾驶期间需要更大的活动空间。除了座位型式之外，方向盘的调整有助于增大驾驶员座位腿部活动空间。

对此的前提条件是采用线控转向系统（SbW）,而且根据运行安全可靠性（无需操作）的要求也应进行自动驾驶，因此对方向盘的要求（例如最大转矩、惯性和固有频率）就有所调整。采用该类技术后，方向盘也需同样进行修改，以便在自动驾驶模式时为驾驶员提供更大的活动空间。修改方向盘形状的基本要求需首先考虑转向柱型式。如果方向盘依然保持其传统型式的话，那么对结构空间的需求就会较高。通过与方向盘形状的调整相结合，相应所需的结构空间就会明显减小。

2 对修改方向盘的要求

在进行手动驾驶行驶时，方向盘的基本功能为确保车辆安全和实现横向驾驶转向。从被动安全性角度出发，对安全气囊的布置位置、体积以及安全气囊在方向盘上的支撑及其刚度和结构完善性也提出了相应要求，而且与周围部件（例如转向柱或仪表板）的接口必须重新确定，以便能进行调整并减小结构空间。此外，还需考虑到从第三级自动化程度保留下来的部件以及成本结构,尤其是对其修改机理提出了多种要求：

（1）较低的复杂程度；

（2）免维修；

（3）可靠地复位到手动驾驶位置；

（4）避免损伤驾驶员（特别是夹伤）。

然而，对于方向盘的调整还有多种选择。目前从部分修改方向盘轮圈开始着手，通过改变方向盘轮圈上的元件和方向盘辐条型式来实现（图2），最后提供在自动驾驶模式中使用的触摸屏，如果有必要的话也可将其制成可移动的平板电脑，因而如果在6点钟范围内修改方向盘形状的话，那么驾驶员座位腿部活动距离就可增大70～80 mm。相关要求的复杂性表明对人-机接口的考虑是必不可少的，以便查明方向盘对车辆进行横向驾驶转向的可靠性具有重要影响。

图2 在6点钟范围内改变方向盘形状使

座位腿部活动范围增大70～80 mm

3 方向盘转角减小后手握部位的变化

在高度自动化车辆上使用线控转向系统（SbW）能将方向盘最大回转角度减小到±180°,因为无需考虑人工驾驶车辆可操纵性的机械转向传动比。在该前提条件下，曾由37位经验丰富的中型和轻型轿车驾驶员进行了行驶模拟器的研究（图3）：

（1）15位驾驶员：平均年龄M=36.1岁，标准偏差SD=7岁；

（2）22位驾驶员：平均年龄M=39.9岁，标准偏差SD=14岁；

（3）所有37位受试者：驾龄M=17.9年，每年行驶里程M=19 622 km。

图3 具有3个屏幕（117度视野）和

四分之一车辆的行驶模拟器

在研究中查明驾驶员手握方向盘的变换次数。受试者在保持和变换车道（高速公路）、弯曲公路以及市内左右侧绕行的试验路段上行驶，并多次驶过这些试验路段，其中采取随机抽样原理使用线控转向系统（SbW）（±180°）和传统伺服转向系统（±600°）。在使用线控转向系统（SbW）的情况下，方向盘转角被用作偏转率调整器的参考变量，从而补偿系统的干扰变量（例如侧面风）。用于计算方向盘转矩的主要成分是横向加速度和偏转率。在行驶期间驾驶员的手握位置采用电容式压力测量方法进行采集：图4示出了在该皮套下作为具有传导能力的纺织物、氯丁泡沫橡胶和泡沫塑料中的14股铜电极。握力的变化导致了电容器电容的变化。

图4 方向盘轮圈上手握部位14个传感元件（橙色）的电容测量

在试验期间可观察到两种转向系统在手握部位方面有明显差别。图5示范性地示出了向右绕行时传统转向系统（灰色）和线控转向系统（SbW）（蓝色）基于所有受试者手握部位分布的变化。在该两种情况下驾驶员握住方向盘进行左侧回转的行为表现最为频繁，因此向右转弯可理解为驾驶员左手推移方向盘。就传统转向系统而言，由于必须握住方向盘使其回转到所需的转向角度，目前可识别出3个互动重点（在4、8和11直至13点钟位置）。因为在使用线控转向系统（SbW）的情况下无需用手握住方向盘使其回转到最大的转向角度，因此驾驶员手握位置经常处于上方转弯状态范围（在8直至14点钟位置）。研究证实，随着驾驶员察觉到的境况风险升高，会更倾向于将手握持在方向盘上较高的位置。尽管在整个行驶期间内，这种分布状况几乎并无差别，但是方向盘轮圈上部区域对车辆的安全行驶而言，是具有重要意义的。

图5 在用线控转向系统（蓝色）和

传统转向系统（灰色）

向右绕行期间

所有受试者手握部位的百分比分布

4 缩小方向盘轮圈

上述试验中，反复提到了一种方向盘，其轮圈在4至8点钟区域进行了缩小处理。行驶模拟器的设置如下：36位受试者（18位女驾驶员：M=36.4岁，SD=9.9岁；18位男驾驶员：M=37.1岁，SD=11.6岁；驾龄M=13.0年，每年行驶里程M=13 000 km）除了上方（12点钟部位，蓝色）和下方（6点钟部位，灰色）（见图5）之外用手随机地握住方向盘轮圈。

在整个路段的行驶期间，12点钟周围上部区域极少被受试者使用（＜5%）。如果在其下部布设有轮圈的话，那么5～7点钟的区域几乎无法起到作用，例如在弯曲道路上行驶时横向行驶动力学机动性就变得更为重要，在方向盘有下部轮圈的情况下4～8点钟区域就几乎起不到作用（图6），而上部轮圈的握持分布状况就显得更为均匀。

图6  在用仍保留下面（灰色）和

上面（蓝色）轮圈的方向盘

回转行驶期间

所有受试者手握部位的百分比分布

因此，目前建议改变方向盘下部区域的形状。在两种方案情况下，2/3的受试者声称在行驶期间至少存在一次手部处于握空状态，但该现象会导致对车辆失去控制，因此在手动驾驶期间使方向盘轮圈处于封闭状态的要求显得更为迫切。

5 缩小方向盘的不舒适评价

当今整圆形状的方向盘为多种多样的手握方式提供了必要的握持区域，在长时间行驶的情况下，该设置明显有助于减缓不舒适的感觉。在18位受试者（9位女驾驶员：M=37.8岁，SD=13.1岁；9位男驾驶员：M=36.4岁，SD=9.2岁）50 km长的行驶模拟器行驶期间，每隔5 km其主观的不舒适感觉就会随之增加，行驶25 km后这些受试者就会暂停测试达10 min。在行驶期间手-臂系统的主观不舒适评价随着行驶持续时间而相应增加。

然而试验表明，使用将4～8点钟区域进行调整的D型方向盘轮圈的线控转向系统（SbW）与传统转向系统之间并无重大区别，因此在短时间的手动驾驶期间，此类方向盘与当今使用的整圆形方向盘存在的明显形状差异对驾驶员的主观不舒适感觉并无过多影响。

6 结论

根据驾驶自动化程度的不同，对方向盘提出了多种多样的要求。对于第三级自动化程度而言，诸如手部识别、驾驶员生命参数识别和视线识别等监视驾驶员状态的功能较为重要，另一方面诸如振动或目视显示等干预车辆状态的可能性都会通过方向盘轮圈而产生影响。在引入线控转向系统（SbW）的过程中，必须修改对运行中和碰撞后关于结构强度的机械要求。

随着自动化程度越来越高,以及随之而来的更长的传输时间和灵活度更高的车内空间，对方向盘形状的调整可谓势在必行，需以此增大驾驶员座位的活动范围。对于该方面而言，建议重点调整方向盘轮圈6点钟区域的形状，以便增大驾驶员座位腿部活动空间。但是，出于车辆的可控性要求等原因，在手动驾驶行驶中应保持方向盘轮圈封闭，在该情况下方向盘形状在9～15点钟区域可采用多种多样的方案。