干货分享|智能网联汽车设计：从工程开发到人机协同设计（上篇）

未来的汽车设计已经从单纯的功能实现性设计走向人机系统的协同设计，从传统研发测试走向多领域耦合的虚实结合的研发测试。动态汽车虚拟开发系统专注于整车虚拟原型验证、人机关系分析及创新设计的解决方案，面向整车方案验证与人机系统协同设计，涉及从概念设计、工程设计到测试验证的全流程。

本文分为上下两篇，从虚拟开发、半实物开发的技术解决方案、经典案例解析来全面讲述动态汽车虚拟开发系统。本篇为上篇，主要从动态汽车虚拟开发的研发测试系统构建和拓扑逻辑、人机系统对于汽车设计的意义、人机协同设计理念三个方面来展开分析。

01  研发测试系统的构建和拓扑逻辑

面向人机协同设计的未来整车虚拟开发架构，其实验系统的构建逻辑是基于产品设计目标和研发过程来适配的。下面以ADAS相关控制器为例来介绍仿真研发，比如ACC以及车道保持功能的开发：

MIL-SIL-HIL-DIL/VIL系统

02  人机系统对于汽车设计的意义

过去的汽车设计是功能实现导向的工程设计理念，追求功能的拓扑和性能的提升。随着智能化网联化的发展趋势，未来汽车的主流设计理念将是让车更好地适应人，而不是人适应车。汽车的设计原则是降低人驾驶和使用汽车的学习成本，从工业设计的角度即提高车辆系统的易用性，降低驾驶过程中的心理负荷和生理负荷。

随着汽车工程设计的成熟和核心技术壁垒的解除，汽车从单一的工程设计转向以用户为中心的人性化设计导向，以人的使用习惯和需求反向对功能进行设计和优化，将智能化的优势和人的因素做适应性协调，形成高效的人机系统。

ACC人机协同设计标定

例如，ACC自适应巡航系统的设计从传统的物理设计提升到了人机系统的协同设计，测试项目也从最初的功能测试变为人车环境的综合场景测试。通过考虑人体的加速度适应性、眩晕感的产生、频率范围的舒适性，对ACC跟随过程中的加速控制策略、制动控制策略、跟车行驶预判策略进行设计和标定，将机器驾驶的控制水平尽可能地适应人体的生理特征，同时合理化地进行人机接管的接口设计，降低功能使用的心理负荷，提高安全性。

03  从工程开发思维到人机协同设计理念

从HIL系统到DIL系统扩展最大的意义就是将人的因素加进来，形成完整的人机系统。利用人机系统进行产品设计的根本意义在于：将硬件本身性能发挥到极致，搜索多变量设计下最优的平衡点，研究重点在于所开发的产品在性能域中能否有较好的生理和心理的适应性以及高效、易用、安全的人机接口。对于L2-L4级别智能网联汽车，在人机共驾场景中，车辆本身功能的场景覆盖度及效用取决于人机接口设计的合理性。

人机接口的设计是一项跨学科的研究工作，涉及车辆工程、人机工程、人因工程、计算机等，研究域从产品本身的物理系统拓展到车辆、人、环境综合的系统，同时加入基于使用场景的过程分析。美国汽车安全最高主管机关高速公路安全管理局(NHTSA)对L2-L3级别的自动驾驶人因设计提出的指导性的方案与原则中就涉及人机接口的设计、多模交互、交互方案等。
​

驾驶员在环实验室实拍图

•人机系统控制变量：车辆数据、人体数据

人机系统的检测对象包括车端数据和人端数据。对于DIL系统，车端数据通过实时车辆动力学模块和硬件端口可以直接读出，例如车的姿态和动态参数、零部件系统的工况；人端的数据需要通过相应的采集设备来获取，例如眼动仪可以采集热点图、扫视轨迹、首次注视时间等；皮肤电位检测设备可以通过检测电压判断人的紧张程度；脑电设备能够通过检测人脑活跃区域的电压信号，判断人的压力负荷。

人车数据架构

多通道人体检测

车端的数据是车辆本身物理输出，可以通过采集设备或者实时模型获取，人端的数据则只能通过检测设备间接获取或者主观描述。由于存在个体差异和测试环境的干扰，难以对人端数据标准化输出和建模，因此需要建立科学的测试方案。可以理解为汽车系统是一个白盒，有了外界条件的输入，通过物理推导便能准确的获取输出；而人是一个黑盒，即使有了输入也无法知晓人的认知过程和思维如何工作和决策，输出也存在多种可能，只能通过大量实验进行规律分析，形成基于观察样本的经验结论。

车辆模型与驾驶员模型

•人机系统构成要素：车、人、环境

完整的汽车仿真系统应该包括车、人、环境三部分，并且满足存在有效的信息交互和关联干预。建模是一个平衡过程，将研究人员关注和有影响的要素建立模型并且考虑与其他模型的关键交互作用。

智能网联汽车复杂仿真环境构建关系

•人机系统驱动要素：场景（测试用例）

场景是基于实际交通环境还原再现的“剧本”，也是驱动仿真测试的核心要素。在设计过程中，被重构的是一个过程，要考虑到场景中的所有交互因素。场景的生成总体分为人工构建场景和自然交通场景（参考下图所示逻辑）。在测试中，人工构建场景往往有明确测试目标和项目，自然交通场景是对于系统综合测试进行分析的高可信度的“剧本”。

场景生成及分类

场景的构建要通过各种调研、现成采集和场景的解析进行分类分层的建设，从道路到环境，从静态基础建设到动态交通参与体。

下篇将通过人机共驾案例解析来完整呈现动态汽车虚拟开发系统从概念设计、工程设计到测试验证的全流程，敬请关注。

文章转载自公众号：CICV创新中心