автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка алгоритма функционирования автомобильной системы, сигнализирующей о недостаточном контроле водителем среды движения

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ СИСТЕМЫ, СИГНАЛИЗИРУЮЩЕЙ О НЕДОСТАТОЧНОМ КОНТРОЛЕ ВОДИТЕЛЕМ СРЕДЫ ДВИЖЕНИЯ

05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ЛЕК 2013

МОСКВА-2013

005541647

005541647

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорбжный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автомобили».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Порватов Игорь Николаевич

Официальные оппоненты: Борисевич Владимир Борисович

доктор технических наук, профессор, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), декан «Кон-структорско-механического факультета», заведующий кафедрой «Теоретическая механика»

Клюкин Павел Николаевич

кандидат технических наук,

Московский государственный машиностроительный

университет (МАМИ), доцент

кафедры «Автотракторное электрооборудование»

Ведущая организация: Некоммерческая организация Межотраслевой

фонд «Поддержка технических инициатив»

Защита состоится «24» декабря 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.126.04 при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим представлять в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок: (499) 155-93-24

Автореферат разослан «¿7» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Хазиев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

По данным GHSA (Governors Highway Safety Association) 25% всех аварий в США происходит по причине отвлечения внимания водителя на решение второстепенных несвязанных с процессом управления автомобилем задач. По данным социальных опросов в США: 33% респондентов ответили, что читают сообщения, электронную почту или новости на мобильном телефоне, 25% - пишут сообщения или электронные письма, 70% - разговаривают по мобильному телефону. Это говорит о том, что законодательный запрет в данном случае не является в достаточной мере эффективным способом решения проблемы.

По данным статистики за 2012 год в России произошло 203597 ДТП, погибло 27991 и было ранено 258618 человек. Водитель как управляющее звено системы «Водитель - Автомобиль - Дорога - Среда движения» несет ответственность за безопасность движения автомобиля. Снижение концентрации внимания водителя прямым образом влияет на действия или бездействия водителя, которые могут стать причиной возникновения ДТП. Нет оснований полагать, что в нашей стране ситуация значительно отличается в лучшую сторону относительно Соединенных Штатов Америки. Поэтому можно предположить, что если активно работать с проблемой отвлечения внимания за рулем, можно было бы избежать 50 899 аварий.

Доступная универсальная система контроля концентрации внимания водителя, которую можно установить на любой автомобиль могла бы улучшить безопасность дорожного движения.

Цель работы

Разработать методику оценки безопасности управления автомобилем с помощью математического анализа отклонений движения автомобиля от идеальной траектории движения, рассчитанную на основе функции боковых ускорений.

Задачи исследования

В соответствии с поставленной целью были сформулированы и последовательно решены следующие задачи исследования:

1) провести экспериментальное исследование с использование тренажера для проверки гипотезы и подготовки данных для создания методики оценки безопасности управления автомобилем;

2) разработать методику оценки безопасности управления автомобилем с помощью математического анализа отклонений движения автомобиля от идеальной траектории движения, рассчитанную на основе функции боковых ускорений;

3) спланировать и провести пробеговые испытания по дорогам общего пользования и натурный эксперимент на полигоне, подготовить данные для проверки эффективности работы предложенной методики;

4) проанализировать эффективность работы предложенной методики и внести необходимые корректировки с учетом данных, полученных в ходе дорожных испытаний;

5) разработать алгоритм функционирования автомобильной системы, сигнализирующей о недостаточном контроле водителем среды движения, на основе результатов исследования.

Объекты исследования

Степень влияния отвлекающих факторов на характеристику непроизвольных отклонений траектории движения автомобиля от идеальной траектории движения, рассчитанную на основе функции боковых ускорений.

Методы исследования

Теоретические исследования проводились на основе фундаментальных положений теоретической механики, теории автомобиля и математической статистики. Разработка методики осуществлялась с использованием программы Мь

crosoft Excel. В основу разработанной методики были положены экспериментальные данные, полученные в ходе серии испытаний:

1) испытания с использованием автомобильного тренажера;

2) пробеговые автомобильные испытания по дорогам общего пользования;

3) автомобильные испытания на спеццороге полигона ФГУП НИЦИАМТ НАМИ.

Научная новизна результатов проведенного исследования

Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в разработке алгоритма функционирования автомобильной системы, сигнализирующей о недостаточном контроле водителем среды движения;

- в использовании функции боковых ускорений в качестве базовой характеристики для оценки безопасности управления автомобилем;

- в универсальности и доступности системы, разработанной на основе предложенного алгоритма.

Практическая значимость результатов диссертации

Разработан алгоритм функционирования автомобильной системы, сигнализирующей водителю о критическом уровне снижения концентрации его внимания на контроле среды движения. Доступная универсальная система контроля концентрации внимания водителя, которую можно установить на любой автомобиль, могла бы улучшить безопасность дорожного движения.

Реализация результатов работы

Разработанные на основе экспериментальных данных методы внедрены на кафедре «Автомобили» МАДИ и используются при проведении учебных занятий со студентами специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство».

На защиту выносятся:

— методика определения степени влияния отвлекающих факторов на отклонение автомобиля от идеальной траектории;

— использование боковых ускорений в качестве основного параметра для расчета критерия, оценивающего уровень концентрации внимания водителя.

Апробация работы

Основные результаты исследований были доложены:

— на 69 научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ): Козловский А.И., Порватов И.Н., Подольский М.С. «Поэтапная автоматизация системы управления автомобилем» 2011 год;

— на 70 научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ): Козловский А.И., Порватов И.Н., Подольский М.С. «Оперативный контроль состояния водителя» 2012 год;

— на 71 научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ): Козловский А.И., Порватов И.Н., Подольский М.С. «Разработка алгоритма оценки уровня концентрации внимания водителя» 2013 год.

Публикации

По теме диссертации опубликовано две работы в изданиях из перечня ВАК

РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы (101 наименований). Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц и 34 рисунка.

Во введении раскрывается актуальность проблемы, обозначаются пути её решения, формулируется цель исследования.

В первой главе проводится обзор и анализ работ в области изучения функции работы водителя и методов исследования его поведения. Исследуется влияние различных видов снижения концентрации внимания водителя на движение автомобиля. Изучается повышение опасности дорожного движения при снижении концентрации внимания водителя.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что при управлении автомобилем водитель создает желаемую траекторию движения х0 (рис. 1), которую будем называть идеальной, характеризующей конфигурацию дороги и отражающей оптимальное расположение автомобиля на проезжей части. Во время движения, при помощи управляющих воздействий на органы управления автомобилем, водитель стремится приблизить движения автомобиля х к идеальной траектории х0. В результате, во время движения возникают непроизвольные отклонения движения автомобиля от идеальной траектории движения (х — х0).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

X

Хо

Рисунок 1 - Схема движения автомобиля, где х0 - идеальная траектория движения, х - действительная траектория движения

Во время снижения концентрации внимания водителя характеристика непроизвольных отклонений изменяется, так как водитель меньше внимания уделяет контролю среды движения. Определено два основных состояния водителя, во время которых значительно снижается концентрация внимания: сонливость за рулем и отвлечение внимания на решение второстепенных задач, несвязанных с процессом управления автомобилем.

В результате анализа информации о системах оперативного контроля состояния водителя, которые серийно устанавливаются на некоторые автомобили, было обнаружено, что в качестве базового параметра для оценки в основном используется положение автомобиля на проезжей части или угол поворота рулевого колеса. Анализ положения автомобиля на проезжей части производится при помощи камер, отслеживающих дорожную разметку. Данный подход дает более точную информацию о движении автомобиля внутри полосы, но основным ограничивающим фактором является повышенное требование к дорожной разметке. В условиях нашей страны использование этого параметра не будет иметь достаточную степень надежности, так как качество разметки на дорогах недостаточное, а в зимний период разметка скрыта под снегом. Использование для анализа в качестве основного параметра функцию изменения угла поворота рулевого колеса позволяет отслеживать управляющие воздействия водителя, что дает больше оперативности при оценке, но не всегда отражает реальное перемещение автомобиля. По правилам допуска легковых автомобилей к эксплуатации на дорогах РФ суммарный разрешенный люфт в рулевой системе составляет 10 градусов. В этом же диапазоне находятся и рулевые микрокоррекции, отражающие непроизвольные отклонения автомобиля от идеальной траектории движения. Это ограничивает работоспособность системы.

В результате анализа было принято решение в качестве основного параметра для оценки непроизвольных отклонений от идеальной траектории использовать боковое ускорение автомобиля. Боковое ускорение автомобиля - это производный параметр, который показывает реакцию движения автомобиля на управляющие рулевые движения со стороны водителя. С помощью данных о

боковом ускорении можно анализировать поперечное перемещение автомобиля на проезжей части, при этом параметр не зависит от состояния дорожной разметки и состояния рулевой системы, что является его преимуществом.

Вторая глава посвящена проведению эксперимента с использованием тренажера, анализу изменений характеристики боковых ускорений во время снижения концентрации внимания водителя и разработке методики расчетной оценки безопасности управления автомобилем.

Для целей исследования был смонтирован экспериментальный тренажер, который состоял из следующих элементов:

• персонального компьютера;

• комплекта из руля и педалей (Logitech);

• автосимулятора «Live for speed», который позволяет записывать данные о движении автомобиля.

Программа испытаний включала в себя 15 кругов по замкнутой трассе с поворотами большого радиуса. Этим были созданы монотонные условия движения, в которых по литературным данным у водителя возникает предрасположенность к снижению концентрации внимания. Скорость движения составляла 90 км/ч, общая продолжительность одного заезда составила 30 минут.

В качестве водителей принимали участие 8 человек (3 женщины и 5 мужчин). Возраст водителей составлял от 19 до 24 лет со стажем вождения от 1 до 5 лет. Данная возрастная группа по литературным данным чаще всего попадает в опасные ситуации, причиной которых является отвлечение внимания на решение второстепенных задач, несвязанных с процессом управления автомобилем.

Во время проводимых заездов в произвольное время испытуемым предлагались следующие сценарии отвлечения внимания при управлении автомобилем:

• написание коротких сообщений на мобильном телефоне;

• имитация поиска определенного предмета, расположенного в сумке

на пассажирском сидении;

• чтение информации на рекламных щитах вдоль трассы;

• алгебраические вычисления.

Во время проведения испытаний производилась поточная запись параметров, которые ложились в основу электронного файла *.raf. Далее при помощи программы flperfview данные преобразовывались в табличный формат и обрабатывались в программе Microsoft Excel. Исходными данными для анализа являются: боковое ускорение автомобиля во время движения [ау — /(t)] и продольная скорость автомобиля [Vx = f(t)], полученные с частотой 10 Гц.

Для решения поставленных задач необходимо с помощью полученных данных рассчитать идеальную траекторию х0, которая характеризует конфигурацию дороги и отражает оптимальное расположение автомобиля на проезжей части (рис. 1). Для этого необходимо убрать высокочастотную составляющую характеристики [ау = /(t)] (рис. 2), которая отражает непроизвольные отклонения автомобиля от этой траектории.

Для решения этой задачи использовался линейный фильтр, который рассчитывается по следующей формуле:

аУсГ~^Ъ,2аУС (!)

где ау - поперечное ускорение автомобиля, ауср~ средняя величина бокового ускорения автомобиля за временной интервал ^/ß, J? - частота сбора данных, N - количество значений на исследуемом временном интервале.

Поворот налево

13 15 ¡16 I с, мин

Прямолинейное движение

Рисунок - 2 График изменения поперечного ускорения автомобиля по времени, исходные данные. ау - значение поперечного ускорения в м/с2> время в минутах от начала экспериментального заезда

Разница между исходными данными боковых ускорений и полученной характеристикой ау(рис. 3) показывает непроизвольные отклонения движения

автомобиля от идеальной траектории ау — (ау — (рис. 4), на основе кото-

рых будет определяться уровень концентрации внимания водителя. Полученная характеристика была сверена к видеозаписи заезда и отражает поперечное движение автомобиля.

Как показал анализ доступных источников информации, водитель постоянно отвлекается от дороги на разные по сложности задачи. Нас интересует момент времени, когда отвлечение внимание у водителя начинает влиять на его нормальную манеру управления автомобилем. Поэтому необходимо определить характеристики нормального и действительного управления автомобилем.

13

14

15

16

I мин

Исходная данные боковых ускорений автомобиля: ау = /(с)

_ Данные боковых ускорений,

обработанные линейным фильтром: = /(£)

Рисунок - 3 График идеальной рассчетной траектории движения автомобиля,где ау - значение бокового ускорения, £ - время в минутах от начала экспериментального заезда

ср-

И!!

ру

т

г II I

13

> 'II

«5

Иб

I, мин

Рисунок - 4 График непроизвольных отклонений движения автомобиля от идеальной траектории (ау — &уср). где I - время в минутах от начала

экспериментального заезда

Характеристика нормального управления автомобилем, которую будем называть базовой, должна адаптироваться к условиям движения и манере езды конкретного водителя. В основу расчетов был положен показатель среднеквадратичного отклонения функции а* автомобиля. Интервал времени для расчета показателя был определен с помощью подбора различных значений и сравне-

ния результатов полученной характеристики с участком движения, когда водитель не отвлекался на второстепенные задачи. Полученное оптимальное значение интервала для расчета характеристики нормального управления автомобилем составило 10 минут.

В случае, если водитель уходит с идеальной траектории движения ему необходимо сделать более резкие движения рулевым колесом для возврата. Так как подобное поведение говорит об отклонении от нормального управления автомобилем, то для расчета базовой характеристики значения а*у, превышающие по модулю критерий За, были отфильтрованы. Подробный расчет представлен ниже:

Для того чтобы определить действительную характеристику управления автомобилем, был также использован показатель среднеквадратичного отклонения функции а*у автомобиля по времени. Временной интервал для расчета был определен в размере 1 минуты. Фильтрации от ошибок движения не производилась.

При выборе интервала для расчета учитывалось, что характеристика действительного управления автомобилем должна оперативно реагировать на изменения в поведении водителя, аккумулировать незначительные ошибки на протяжении вовлечения во второстепенную задачу, но при этом быть относительно равномерной в случаях, когда водитель управляет автомобилем с достаточным уровнем концентрации внимания на среде движения.

(2)

а*у = а* • С + стБ(1 - С), где С = 1, если \а*у \ < 3 ■ аБ; С = 0, если \а*у \ > 3 ■

(3)

Влияние отвлекающих факторов на характеристики нормального управления автомобилем аБ и действительного управления автомобилем ат продемонстрированы на графике (рис. 5).

^ ^ зо *

С, мин

<тв — Характеристика движения автомобиля без снижения бдительности водителя ат - Характеристика текущего движения автомобиля

1 - Непреднамеренный выезд из полосы движения

2 - Ручная манипуляция с предметами внутри автомобиля

3- Написание сообщений на мобильном телефоне

4- Отвлечение внимания на предметы снаружи автомобиля

Рисунок - 5 Изменение ат и аБ на протяжении эксперимента

Отношение этих характеристик друг к другу (Уоп ) покажет, насколько текущая манера управления автомобилем отличается от манеры управления без значительного снижения концентрации внимания водителя.

Уо,=5- (4)

Результаты эксперимента с использованием автомобильного тренажера показали, что значение уровня опасности Уоп равное 1,4 встречалось только во время решения водителем второстепенных задач, несвязанных с процессом управления автомобилем. Данное значение (Уоп = 1,4) было принято критерием опасности управления автомобилем, так как позволило отсечь ложные срабатывания, при этом реальное снижение концентрации внимания водителей находилось вышеуказанного критерия.

Трегья глава посвящена подготовке и проведению серии натурных испытаний. Дорожные испытания проводились на спецдорогах Дмитровского автополигона (ФГУП НИЦИАМТ НАМИ) и по дорогам Московской области. Целью эксперимента являлась проверка эффективности предложенной методики расчетной оценки безопасности управления автомобилем в реальных условиях движения. Исходя из соображений безопасности, эксперимент был поделен на 2 этапа.

Первый этап эксперимента представлял собой движение по загородным трассам Московской области (Новорижское, Волоколамское и Пятницкое шоссе) в дневное и в ночное время. В испытании участвовал один водитель. Скорость движения составляла 80, 110, и 130 км/ч. Общая протяженность заездов составила -250 км. В связи с вопросами безопасности никаких специальных заданий, отвлекающих его внимание, не было. Водитель ездил по дорогам в обычном повседневном режиме по заданному маршруту. Целью первого этапа было проверить эффективность работы предложенных методов определения идеальной траектории движения и характеристик нормального и действительного управления автомобилем.

Целью второго этапа дорожных испытаний была оценка степени влияния отвлекающих факторов на характеристику непроизвольных отклонений траектории движения автомобиля от идеальной траектории движения. Эксперимент проводился на Дмитровском автомобильном полигоне ФГУП НИЦИАМТ НАМИ на динамометрической дороге. Движение осуществлялось в обе стороны с разворотами. Скорость движения составляла 60 км/ч. Общая продолжительность одного заезда составила -30 минут. В эксперименте приняли участие 3 водителя. В ходе заезда водители подвергались следующим видам отвлечения внимания:

• поиск определенного предмета в закрытой сумке, расположенной на пассажирском сидении;

• CMC переписка;

• просмотр пробок в указанном месте с помощью смартфона.

Занятие вышеуказанными задачами участники эксперимента выполняли в естественной удобной им манере.

Эксперимент в условиях полигона требует меньшей концентрации внимания водителя на среде движения по сравнению с реальными условиями во время повседневной езды. Водитель знает, что он движется по прямой дороге и серьезной опасности при движении возникнуть не может. В ходе анализа доступных источников информации и во время эксперимента на тренажере было определено, что изменение характеристики непроизвольных отклонений и вероятность наступления опасной ситуации зависит не от факта занятия той или иной задачей, а от того, успевает ли водитель контролировать среду движения или нет. Поэтому, для имитации серьезного снижения концентрации внимания, было принято решение добавить в программу испытаний задание, которое предписывало не смотреть на дорогу конкретный интервал времени. Это задание представляло собой многократное чтение газетной статьи по 4 секунды 5 раз с промежутками по 2 секунд для контроля удержания траектории движения, Время засекал ассистент на пассажирском сидении, который в целях безопасности в случае необходимости мог взять на себя управление автомобилем.

Четвертая глава посвящена анализу экспериментальных данных.

Во время проведения испытаний производилась поточная запись параметров, которые ложились в основу электронного файла *.adf. Далее при помощи программы CeCalWinPro данные преобразовывались в текстовый формат и обрабатывались в программе Microsoft Excel. Исходными данными для анализа являются: ускорения автомобиля по трем осям во время движения \ах = /СО]/ iay = /(0]. laz ~ fit)], продольная скорость автомобиля [Vx = f(t)], пройденная дистанция от начала эксперимента [5 = f(t~)] и данные широты и долготы, полученная с приемника глобального позиционирования. Запись данных производилась с частотой 20 Гц.

Первая часть посвящена анализу данных, полученных в ходе пробеговых испытаний по дорогам общего пользования. Для работы предложенного алгоритма необходима предварительная обработка данных. Необходимо отфильтровать данные по минимальной скорости Vmin. Значение этого порога должно выделить необходимый режим движения, который подходит для анализа, а также исключить неинформативный сбор данных, когда автомобиль стоит или движется в условиях транспортного затора. Проанализировав все данные, графическим способом был определен порог в 40 км/ч, который покрывает больше 95% движения. При этом указанный порог исключает более резкое маневрирование в условиях города, которое не является признаком невнимательного управления автомобилем или признаком опасности движения.

Данные поперечного ускорения [ау = /(f)] загрязнены шумами, которые возникают из-за вибрации двигателя, дорожных неровностей и других факторов. Для нивелирования влияния шумов был использован линейный фильтр с интервалом времени для расчета в 1 секунду. Размер интервала определялся графическим методом, подбирая оптимальное значение по средствам программы Excel. Полученная характеристика хорошо отражает движение автомобиля внутри полосы дорожной разметки, а оставшейся уровень шумов приемлем для последующих расчетов. Характеристика [ау = /(t)] до фильтрации и после представлена на графике (рис. 8).

t, сек

п м / У /с2

ау- исходные данные, частота 20 Гц .. С1у - линейная фильтрация с коэффициентом 20 (скользящая средняя за 1 секунду)

Рисунок - 8 Фильтрация шумов входящих данных [ау = f(t)J

Для расчета идеальной траектории, необходимо определить оптимальное значение интервала для расчета линейного фильтра.

1 N/

CLy = ау„ (5)

■'ср N /2 1

где ау - поперечное ускорение автомобиля, Яуср- средняя величина поперечного ускорения автомобиля за временной интервал ^/ß, д ~ частота сбора

данных, N - количество значений на исследуемом временном интервале.

Интервал времени определялся графическим методом и составил 10 секунд. Для решения этой задачи был взят снимок с ресурса google maps, который был сопоставлен с действительными координатами движения, полученными с системы глобального позиционирования. По снимку были определены точки начала и конца поворота. Координаты точек начала и конца поворота с ресурса Google maps были сопоставлены с координатами, полученными в ходе записи заезда системой Corrsys Datron, и отмечены на графике. Оптимальный интервал определялся при помощи сопоставления реальной траектории движения с вариантами расчетной траектории (рис. 7).

Характеристика ау<_р, рассчитанная за интервал в 5 секунд, находится под

влиянием от непроизвольных отклонений внутри полосы дорожной разметки и не отражает идеальную траекторию. Интервал в 15 секунд некорректно отражает сам поворот, что при последующей обработке вызовет неточности.

I, сек

............. ау за интервал времени 1 сек

_________ Оу за интервал времени 5 сек

............. Оу за интервал времени 10 сек

_ а,, за интервал времени 15 сек

- ср

Рисунок - 7 Выбор оптимального интервала времени для расчета желаемой траектории движения, отражаюи^ей конфигурацию дороги

Одной из целей пробеговых испытаний являлось повышение надежности предложенной методики при управлении автомобилем в реальных условиях движения, а именно недопущение ложных срабатываний. Для этих целей была рассчитана характеристика текущего движения автомобиля сгт, которая используется для расчета алгоритма уровня опасности движения:

0-т = ^ЗиСау-Йу)2. (6)

Во время проведения испытания, фактов отвлечения внимания или повышения опасности движения по другим причинам не было. Поэтому были проанализированы все случаи значительного роста показателя текущего управления автомобиля сгт на протяжении всего эксперимента и сверялись с исходными кинематическими данными движения и записью с видеорегистратора. Все факты некорректного завышения характеристики стт в ходе пробеговых испытаний

можно разделить на 2 группы, преднамеренные маневры (перестроения и обгоны) и движение автомобиля в поворотах.

Такие маневры как обгоны и перестроения зачастую совершаются водителем в более активной манере управления автомобилем с более резкими и более амплитудными рулевыми движениями. В ходе детального анализа данных было принято решение определить максимально допустимое увеличение характеристики непроизвольных отклонений от желаемой траектории движения а'у = аЛ£) — ау (0 относительно характеристики нормального управления автомобилем егБ во время выполнения маневров перестроения или обгона.

Для того чтобы определить на каком интервале времени применять данный критерий, были проанализированы все подобные маневры на предмет: сколько времени у водителя занимает подготовка к маневру до факта включения указателя поворота и сколько уходит времени для завершения маневра после выключения указателя поворота. Результат показал, что до факта включения указателя поворота подготовка к маневру, оказывающая влияние на исследуемую характеристику а*у = ау(0 - аУср(£;), находится в диапазоне до 5 секунд. После факта выключения указателя поворота завершение маневра, оказывающее влияние на исследуемую характеристику, находится в диапазоне до 15 секунд. В итоге была получена следующая формула:

если (1=1 на интервале — 15сек; + 5сек], то

а'у — <тБ ' О + {а'у - 12 • стБ)(1 - £>), (7)

где, й = 1,если {ау\ < 12 ■ сгБ;

О = 0, если > 12 • егБ; ¿/ - факт включения указателя поворота; а'у - характеристики непроизвольных отклонений от желаемой траектории движения; а'у - скорректированная характеристика непроизвольных отклонений для маневров обгона и пе-

рестроений; аБ - характеристика нормального управления автомобилем, адаптированная к водителю.

По результатам эксперимента, при движении автомобиля в повороте водитель менее точно отслеживает конфигурацию дороги, чем при прямолинейном движении и, как правило, использует всю ширины дорожной разметки. По аналогии с перестроениями и маневрами обгона было принято решение определить максимально допустимое увеличение характеристики ау — ау(Ь) — от-

носительно характеристики нормального управления автомобилем аБ во время движения в повороте. Повороты были разделены на 2 группы: простые и затяжные. Итоговая формула учета непроизвольных отклонений движения автомобиля от идеальной траектории ау во время движения автомобиля в повороте выглядит следующим образом:

если г£ = 1 на интервале — Юсек; ^ + Юсек],

где, гг = 1, если |аУср| >0,5 м/с2;

r¡ = 0,если |аУср| <0,5 м/с2,то

a.U = аБ ■ R + (a;-10-аБ)а-Ю,

(8)

если 0 < Спов.. < 200, где Д = 1, если \а*у \ < 10 • аБ; Д = 0,если |а* [ > 10 ■ аБ.

Или = аБ ■ Р + (ау - 17 • стБ)(1 - Р),

(9)

если спов . > 200, где Р = 1, если [а* | < 17 • аБ; Р = 0, если \ау \ > 17 • аБ.

После учета маневров обгона и перестроений, а также движения автомобиля в поворотах, значение характеристики текущего управления автомобилем ат на протяжении всего заезда близко к значению характеристике нормального управления автомобилем <тБ- Это говорит о том, что методика с учетом указанных выше корректировок в условиях пробеговых испытаний не получила ложных срабатываний. Цель эксперимента была достигнута.

Вторая часть четвертой главы посвящена результатам, полученным в ходе испытаний на полигоне. По результатам испытаний были рассчитаны значения Уоп (табл. 1) по формуле, предложенной после предварительных испытаний на тренажере:

Уоп. = Т- О1)

Таблица 1

№ Сценарий отвлечения внимания водителя Максимальное значение Уоп

Водитель 1 Водитель 2 Водитель 3

1 Поиск определенного предмета в закрытой сумке, расположенной на пассажирском сидении 1,21 1,41 1,32

2 CMC переписка 1,35 1,41 1,44

3 Просмотр пробок в указанном месте с помощью мобильного телефона 1,4 2,12 1,37

4 Чтение газетной статьи 5 раз по 4 секунды с промежутками по 2 секунды для контроля удержания полосы движения 2,2 1,7 2,3

Для того чтобы определить пороговое значение критерия Уоп для сигнализации о значительном снижении концентрации внимания, в ходе эксперимента в протокол записывались данные об общем времени вовлечения водителя во второстепенную задачу и времени, когда водитель уводил взгляд от контроля среды движения. По данным из литературных источников риск попадания в опасную ситуацию возрастает более чем в 2 раза, когда водитель уводит взгляд

от контроля среды движения на решение второстепенных задач, несвязанных с процессом управления автомобилем, более 48 % времени.

Таблица 2

№ Сценарий отвлечения внимания водителя %, отвлечения взгляда водителя от контроля среды движения

Водитель 1 Водитель 2 Водитель 3

1 Поиск определенного предмета в закрытой сумке, расположенной на пассажирском сидении 27% 35% 36%

2 CMC переписка 54% 56% 60%

3 Просмотр пробок в указанном месте с помощью мобильного телефона 57% 61% 51%

4 Чтение газетной статьи 5 раз по 4 секунды с промежутками по 2 секунды для контроля удержания полосы движения 67% 67% 67%

По результатам эксперимента (табл. 2), значение Уоп в случаях, когда взгляд водителя был отвлечен на решение второстепенных задач более 48% времени, находится в диапазоне Уоп > 1,35. При этом во время пробеговых испытаний по дорогам общего пользования, когда водитель не отвлекался на второстепенные задачи, значение Уоп не превысило указанный порог.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1) Проблема снижения концентрации внимания при управлении автомобилем существует и ей уделяется большое внимание, как со стороны автомобильных концернов, так и со стороны исследовательских институтов.

2) Выдвинуто и подтверждено предположение об использовании функции боковых ускорений автомобиля в качестве базового параметра для оценки непроизвольных отклонений движения автомобиля от идеальной траектории движения.

3) Разработанная методика оценки уровня опасности управления автомобилем отражает степень влияние отвлекающих факторов на характеристику непроизвольных отклонений. Значение уровня опасности Уоп > 1,35 показывает значительное снижение концентрации внимания, что может стать причиной возникновения дорожно-транспортных происшествий. Ложных срабатываний в ходе автомобильных пробеговых дорожных испытаний зафиксировано не было.

4) Предложенный алгоритм оценки уровня концентрации внимания водителя может быть положен в основу сигнальной системы, которая бы эффективно работала наряду с уже существующими системами, использующими в качестве базового параметра угол поворота рулевого колеса, положение автомобиля на проезжей части или анализирующими направление взгляда водителя.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих изданиях из перечня ВАК:

1. Козловский, А.И. Обзор автомобильных систем оперативного контроля состояния водителя. Результаты собственных исследований / А.И. Козловский, И.Н. Порватов, М.С. Подольский // Электронное научное издание «Науковедение». - 2013. - №6. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru, свободный. — Загл. с экрана.

2. Козловский, А.И. Отслеживание состояния водителя с помощью данных о поперечном ускорении автомобиля / А.И. Козловский, И.Н. Порватов, М.С. Подольский // Грузовик: транспортный комплекс, спецтехника. - 2013. -№9. - С.25-30.

Подписано в печать: 21.11.13 Тираж: 110 экз. Заказ № 1061 Объем: 1,0 усл.п.л. Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

04201 450517 На пРавах рукописи

КОЗЛОВСКИЙ АЛЕКСЕЙ ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ СИСТЕМЫ, СИГНАЛИЗИРУЮЩЕЙ О НЕДОСТАТОЧНОМ КОНТРОЛЕ ВОДИТЕЛЕМ СРЕДЫ ДВИЖЕНИЯ

Специальность 05.05.03 — колесные и гусеничные машины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, кандидат технических наук, доцент Порватов И.Н.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................4

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ О ВЛИЯНИИ УХУДШЕНИЯ ВНИМАНИЯ ВОДИТЕЛЯ НА ЕГО МАНЕРУ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЕМ.........................................8

1.1 Функции работы водителя, влияние отвлекающих факторов на управление автомобилем................................................................................8

1.2 Исследование сонливости водителей при управлении автомобилем..................................................................................................16

1.3 Исследование отвлечения внимания водителя при управлении автомобилем..................................................................................................21

1.4 Исследование дополнительных факторов влияющих на поведение водителя при управлении автомобилем...................................37

1.5 Общие выводы, постановка цели и задач диссертации..........44

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРЕНАЖЕРА.....................................................46

2.1 Испытания на тренажере................................................................47

2.2 Обработка экспериментальных данных.......................................50

2.3 Выводы.............................................................................................61

3. ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА НА ПОЛИГОНЕ И В УСЛОВИЯХ ПОВСЕДНЕВНОЙ ЕЗДЫ..................63

3.1 Объект испытаний..........................................................................63

3.2 Измерительное оборудование.......................................................64

3.3 Программа испытаний....................................................................67

4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ......................70

4.1 Результаты испытаний в реальных условиях движения.............70

4.2 Результаты испытаний на полигоне.............................................87

4.3 Алгоритм функционирования автомобильной системы, сигнализирующей о недостаточном контроле водителем среды движения .........................................................................................................................91

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ............................................96

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ............97

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................99

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА.............................112

АКТ ВНЕДРЕНИЯ..................................................................................117

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

По данным GHSA (Governors Highway Safety Association) 25% всех аварий в Соединенных Штатах Америки (США) происходит по причине отвлечения внимания водителя на решение второстепенных не связанных с процессом управления автомобилем задач. По данным социальных опросов в США: 33% респондентов ответили, что читают сообщения, электронную почту или новости на мобильном телефоне, 25% - пишут сообщения или электронные письма, 70% - разговаривают по мобильному телефону. Это говорит о том, что законодательный запрет в данном случае не является в достаточной мере эффективным способом решения проблемы.

По данным статистики за 2012 год в России произошло 203597 ДТП, погибло 27991 и было ранено 258618 человек. Водитель как управляющее звено системы «Водитель - Автомобиль - Дорога - Среда движения» несет ответственность за безопасность движения автомобиля. Снижение концентрации внимания водителя прямым образом влияет на действия или бездействия водителя, которые могут стать причиной возникновения ДТП. Нет оснований полагать, что в нашей стране ситуация значительно отличается в лучшую сторону относительно США. Поэтому можно предположить, что если активно работать с проблемой отвлечения внимания за рулем, можно было бы избежать 50 899 аварий.

Доступная универсальная система контроля концентрации внимания водителя, которую можно установить на любой автомобиль могла бы улучшить безопасность дорожного движения.

Цель работы

Разработать методику оценки безопасности управления автомобилем с помощью математического анализа отклонений движения автомобиля от

идеальной траектории движения, рассчитанную на основе функции боковых ускорений.

Задачи исследования

В соответствии с поставленной целью были сформулированы и последовательно решены следующие задачи исследования:

1) провести экспериментальное исследование с использованием тренажера для проверки гипотезы и подготовки данных для создания методики оценки безопасности управления автомобилем;

2) разработать методику оценки безопасности управления автомобилем с помощью математического анализа отклонений движения автомобиля от идеальной траектории движения, рассчитанную на основе функции боковых ускорений;

3) спланировать и провести пробеговые испытания по дорогам общего пользования и натурный эксперимент на полигоне, подготовить данные для проверки эффективности работы предложенной методики;

4) проанализировать эффективность работы предложенной методики и внести необходимые корректировки с учетом данных, полученных в ходе дорожных испытаний;

5) разработать алгоритм функционирования автомобильной системы, сигнализирующей о недостаточном контроле водителем среды движения, на основе результатов исследования.

Объекты исследования

Степень влияния отвлекающих факторов на характеристику непроизвольных отклонений траектории движения автомобиля от идеальной траектории движения, рассчитанную на основе функции боковых ускорений.

Методы исследования

Теоретические исследования проводились на основе фундаментальных положений теоретической механики, теории автомобиля и математической статистики. Разработка методики осуществлялась с использованием программы Microsoft Excel. В основу разработанной методики были положены экспериментальные данные, полученные в ходе серии испытаний:

1) испытания с использованием автомобильного тренажера;

2) пробеговые автомобильные испытания по дорогам общего пользования;

3) автомобильные испытания на спец дороге полигона ФГУП НИЦИАМТ НАМИ.

Научная новизна результатов проведенного исследования

Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в разработке алгоритма функционирования автомобильной системы, сигнализирующей о недостаточном контроле водителем среды движения;

- в использовании функции боковых ускорений в качестве базовой характеристики для оценки безопасности управления автомобилем;

- в универсальности и доступности системы, разработанной на основе предложенного алгоритма.

Практическая значимость результатов диссертации

Разработан алгоритм функционирования автомобильной системы, сигнализирующей водителю о критическом уровне снижения концентрации его внимания на контроле среды движения. Доступная универсальная система контроля концентрации внимания водителя, которую можно установить на любой автомобиль, могла бы улучшить безопасность дорожного движения.

Реализация результатов работы

Разработанные на основе экспериментальных данных методы внедрены на кафедре «Автомобили» МАДИ и используются при проведении учебных занятий со студентами специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство».

На защиту выносятся:

- методика определения степени влияния отвлекающих факторов на отклонение автомобиля от идеальной траектории;

- использование боковых ускорений в качестве основного параметра для расчета критерия, оценивающего уровень концентрации внимания водителя.

Апробация работы

Основные результаты исследований были доложены:

- на 69 научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ): Козловский А.И., Порватов И.Н., Подольский М.С. «Поэтапная автоматизация системы управления автомобилем» 2011 год;

- на 70 научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ): Козловский А.И., Порватов И.Н., Подольский М.С. «Оперативный контроль состояния водителя» 2012 год;

- на 71 научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ): Козловский А.И., Порватов И.Н., Подольский М.С. «Разработка алгоритма оценки уровня концентрации внимания водителя» 2013 год.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ О ВЛИЯНИИ УХУДШЕНИЯ ВНИМАНИЯ ВОДИТЕЛЯ НА ЕГО МАНЕРУ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЕМ

1.1 Функции работы водителя, влияние отвлекающих факторов на

управление автомобилем

Согласно [84], основной характеристикой системы ВАДС является ее надежность. Причиной аварии может стать нарушения в работе каждого из компонентов системы ВАДС, а наименее надежным элементом системы ВАДС является человек. В текущей деятельности водителя можно отметить четыре этапа: выделение источника информации, его оценка, принятие решения, реализация решения (управляющие воздействия на автомобиль). Если информация замечена, воспринята, правильно проанализирована, и предприняты верные и достаточные действия, то движение безопасно, т.е. система ВАДС функционирует безотказно.

Восприятие появляющихся перед водителем объектов начинается с их беглого осмотра, что дает примерно 15...20 % информации, затем он сосредотачивается на каждом из них с детальным распознаванием, и это дает еще 70...80 % информации. На основании полученной информации водитель создает в своем сознании динамическую информационную модель окружающего пространства, оценивает ее, прогнозирует развитие и производит действия, которые представляются ему адекватными развитию динамической модели. Деятельность водителя как оператора жестко лимитирована по времени. Он должен замечать информацию об окружающей обстановке, выделять из общего потока информации нужную и важную, опираясь на оперативную память запоминать текущие события, связывать их в единую цепочку и подготавливать их связь с предполагаемыми событиями, которые он может предвидеть. На каждом из этапов обработки по-

ступающей водителю информации возможны специфические ошибки, приводящие к ДТП.

При управлении автомобилем водитель создает желаемую траекторию движения х0 (рисунок 1.1.1), которую будем называть идеальной. Эта траектория характеризует конфигурацию дороги и отражает оптимальное расположение автомобиля на проезжей части. Во время движения, при помощи управляющих воздействий на органы управления автомобилем, водитель стремится приблизить движения автомобиля к идеальной траектории х0, двигаясь по действительной траектории движения х (рисунок 1.1.1). В результате, во время движения возникают непроизвольные отклонения (х — ха) действительной траектории движения, от идеальной траектории.

X

Хо

Рисунок 1.1.1 - Схема движения автомобиля, где х0 - идеальная траектория движения, х - действительная траектория движения

По данным опубликованных исследований [88], [95] во время снижения концентрации внимания водителя характеристика непроизвольных отклонений изменяется, так как водитель меньше внимания уделяет контролю среды движения. Основными состояниями водителя, во время которых концентрация внимания снижена, является два: сонливость за рулем и отвлечение внимания на решение второстепенных задач, не связанных с процессом управления автомобилем.

Сонливость - это нарастающий процесс, и есть определенные закономерности между стадиями от бодрого состояния, до состояния микросна. С изменением состояний сонливости за рулем будет изменяться и усреднен-

ная характеристика непроизвольных отклонений действительной траектории движения от идеальной траектории (х — х0) в соответствии с рисунком 1.1.2.

Рисунок 1.1.2 - Изменение характеристики непроизвольных отклонений действительной траектории движения от идеальной (х — х0), в зависимости от уровня сонливости водителя, где Д - действительная характеристика непроизвольных отклонений, Н - нормальная характеристика непроизвольных отклонений, характерная для бодрого состояния водителя

По литературным данным [93], [88], сначала появляется незначительное увеличение фаз без микроподруливаний, затем постепенно, ошибки рулевых движений аккумулируются до определенного порога, когда водитель должен выполнить быструю коррекцию рулем для того, чтобы сохранить автомобиль внутри полосы движения. Частота таких коррекций начинает расти и в конце происходит полное ослабление энергетической системы, водитель засыпает на короткие промежутки времени и не может больше реагировать на внешние изменения. В общих словах идея микро коррекций заключается в том, что бдительный водитель постоянно делает малые рулевые движения, тогда как сонный водитель обладает более небрежным рулевым поведением без малых рулевых корректировок.

Н

->

Стадии сонливости за рулем

Отвлечение внимания водителя автомобиля - это, вероятно, наиболее часто встречающийся тип снижения концентрации внимания на дорогах нашей страны. Водитель может отвлекаться на некоторые события, действия, объекты, людей внутри или снаружи автомобиля. Отвлечение внимания может быть охарактеризовано как любая активность (зрительная, слуховая, двигательная, ментальная), которая уводит внимание водителя от задач вождения. Но при этом наибольшую опасность представляет собой отвлечение внимания на решение второстепенных задач, не связанных с процессом управления автомобилем, которые на длительное время отвлекают водителя от дороги.

Если сонливость это нарастающий процесс, то факт отвлечения внимания может быть определен только в пределах короткого временного интервала, когда выполняется второстепенная задача. При этом второстепенные задачи отличаются по своей сложности или степени вовлеченности водителя в занятие ими (рисунок 1.1.3).

(х - х0)

А / \ / Д

Н

Простая задача Сложная задача

Рисунок 1.1.3 - Изменение характеристики непроизвольных отклонений

действительной траектории движения от идеальной (х — х0), во время отвлечения на второстепенные задачи, где Д - действительная характеристика непроизвольных отклонений, Н - нормальная характеристика непроизвольных отклонений, характерная для водителя, который полностью контролирует среду движения

Был проведен обзор доступной информации о системах оперативного контроля состояния водителя, которые серийно устанавливаются на автомобили, и определен базовый параметр, по которому строится оценка уровня концентрации внимания водителя (таблица 1).

Таблица 1.1.1- Обзор систем оперативного контроля состояния водителя, которые серийно устанавливаются на автомобили

Название системы Основной параметр для

оценки

Ford Driver Alert

Mercedes ATTENTION ASSIST

Volvo Driver Alert Control

Bosch Driver Drowsiness Detection

Toyota driver monitoring system

В результате обзора был сделан вывод, что 4 из 5 указанных выше систем используют метод оценки непроизвольных отклонений от идеальной траектории во время движения автомобиля при оценке сонливости, но за основу берут разные параметры. Это анализ изменения угла поворота рулевого колеса и анализ положения автомобиля на проезжей части.

Анализ положения автомобиля на проезжей части производится при помощи камер, отслеживающих дорожную разметку, и позволяет напрямую анализировать боковое перемещение автомобиля внутри полосы дви-

Положение автомобиля внутри полосы движения

Оценка особенностей рулевых движений

Положение автомобиля внутри полосы движения

Оценка особенностей рулевых движений

Слежение за глазами водителя

жения. Данный подход дает более точную информацию о движении автомобиля внутри полосы, но основным ограничивающим фактором является качество дорожной разметке. Подобный подход исследовался в исследованиях [97], [88] и везде отмечались повышенные требования к состоянию дорожной разметки. В условиях нашей страны использование этого параметра не будет иметь достаточную степень надежности, так как качество разметки на дорогах недостаточное, а в зимний период разметка скрыта под снегом. В дополнение можно добавить, что на основе личных замечаний во время эксплуатации автомобиля, дорожная разметка не всегда отражает идеальную траекторию движения из-за возможного плохого состояние дорожного покрытия, проводимых ремонтных работ или по другим причинам.

Использование для анализа в качестве основного параметра характеристику изменения угла поворота рулевого колеса позволяет отслеживать управляющие воздействия водителя, что дает больше оперативности при оценке, но не всегда отражает реальное перемещение автомобиля. По правилам допуска легковых автомобилей к эксплуатации на дорогах РФ суммарный разрешенный люфт в рулевой системе составляет 10 градусов. В этом же диапазоне наход