自动驾驶人机交互[一]：自动驾驶人机交互的Why、What、Where

人机交互HMI（Human-Machine Interaction）是指人与计算机之间通过某种对话语言、以一定的交互方式、为完成确定任务的，人与计算机之间的信息交换过程。人机交互目的是为了促进人与计算机之间的相互理解，在最大程度上为人类完成信息管理、服务和处理。

汽车HMI提供了人与车之间交换信息和操作的界面，它可以使用视觉、听觉、触觉等通道来为用户提供相关信息，也可以提供开关、触屏、语音、手势等不同通道来接受用户的输入。

图 1  汽车人机交互HMI

一、人机交互对自动驾驶的意义

对于装备有自动驾驶系统的车辆来说，良好的人机交互可以促进人与系统之间的有效沟通，增进彼此的理解，从而达到更安全、舒心、有效的驾驶体验，增加用户对自动驾驶系统的信任感。

自动驾驶系统HMI的目的在于优化人类对任务和情况的理解，减少意外误用或不正确的操作，其最重要和最具挑战性的目标在于使用户正确地理解当前实际的驾驶模式，以及该模式下附属的用户责任和驾驶任务。

二、人类驾驶员与自动驾驶系统的职责分配

根据SAE J3016标准的定义，随着车辆驾驶自动化水平从L0级到L5级，用户需要承担的驾驶任务和职责不断变化，车辆控制权逐步由人类驾驶员转移到自动驾驶系统，下图2显示了车辆控制权的转移趋势。

图 2  人类驾驶员和自动驾驶系统在不同驾驶自动化等级中的职责变化

下表1具体说明了不同自动化等级下人类驾驶员和自动驾驶系统的驾驶任务分配情况。

表 1  人类驾驶员和自动驾驶系统的驾驶任务分配

*注：DDT——动态驾驶任务Dynamic Driving Task

在L0级到L5级中，L3级自动驾驶属于人机共驾阶段，当满足一定设计运行条件时，将首次允许人类驾驶员完全交出车辆控制权。因此在L3级自动驾驶车辆运行时，用户将会体验到自动驾驶系统具有多个不同任务和职责的工作模式，非常容易造成模式混乱和责任扩散。

对于L3级以下的系统，目前市场上出现了很多L2+、L2++、L2.5、L2.9、L2.99等概念，这些都容易造成用户混淆，使用户产生误用行为，威胁自动驾驶系统的运行安全。

L3级以上的L4级自动驾驶，虽然进一步转移了驾驶员需要承担的驾驶任务，但因为系统无法覆盖所有设计运行区域ODD，所以在ODD以外同样面临多种工作模式及驾驶控制器权切换的问题。同时，L4级自动驾驶系统的HMI还可能在Robotaxi、自主泊车等服务中需要向车辆外部的道路使用者传递系统运行信息。

三、自动驾驶的人机交互功能

自动驾驶人机交互功能的最主要目标就是实现自动驾驶系统与驾驶员之间的相互理解，保证自动驾驶系统的安全运行。

因此，针对表1中不同驾驶自动化等级下的人机功能分配差异，自动驾驶系统对人机交互的功能需求也存在差异，具体来说可分以下四类功能：

Ⅰ类HMI功能

仅显示自动驾驶系统的工作状态及提供必要的报警提示。适用于L0级驾驶自动化系统。

Ⅱ类HMI功能

在Ⅰ类HMI功能基础上，增加请求驾驶员接管提示。适用于L1、L2级驾驶自动化系统。

Ⅲ类HMI功能

在Ⅱ类HMI功能基础上，进一步增加驾驶员状态监控；自动驾驶系统设计运行区域监测；在必要时配合整个系统执行最小风险策略。适用于L2、L3级驾驶自动化系统。

Ⅳ类HMI功能

在有人驾驶模式下，需提供Ⅲ类HMI所有功能，同时可支持驾驶员在车外的无人驾驶模式。适用于L4、L5级驾驶自动化系统。

下表2是四类自动驾驶人机交互功能的对比。

表 2  自动驾驶人机交互功能分类

自动驾驶人机交互的主要目标是保证系统的安全运行，其主要受到安全威胁的使用场景见下图1。

图 1  自动驾驶人机交互使用场景

场景一：自车感知系统失效

使用场景描述

指自动驾驶系统的环境感知传感器（摄像头、毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达）或先验感知传感器（高精地图、GNSS）发生故障，无法有效获取车道线、目标、交通标志等情况。

图 2  自车感知系统失效

HMI响应要求

场景一对自动驾驶人机交互的响应要求见下表1。

表 1  自车感知系统失效场景HMI响应要求

*注：Ⅰ类/Ⅱ类/Ⅲ类/Ⅳ类HMI功能的定义参见《自动驾驶人机交互[一]：自动驾驶人机交互的Why与What》。

场景二：超出设计运行区域ODD范围

使用场景描述

指当前车辆超出了自动驾驶系统定义的设计运行区域（地理围栏、道路基础设施、天气、交通等）。

图 3  超出设计运行区域ODD

HMI响应要求

场景二对自动驾驶人机交互的响应要求见下表2。

表 2  超出设计运行区域ODD范围HMI响应要求

场景三：驾驶员状态异常，无法正常驾驶

使用场景描述

指当驾驶员处于不在场、疲劳、注意力不集中等异常情况，而无法完成动态驾驶任务。

图 4  驾驶员状态异常

HMI响应要求

场景三对自动驾驶人机交互的响应要求见下表3。

表 3  驾驶员状态异常HMI响应要求

场景四：规划决策模块或执行机构失效

使用场景描述

指自动驾驶系统控制器或执行机构（转向、制动、驱动等）失效，系统无法做出正确的规划决策及控制执行。

图 5  规划决策模块或执行机构失效

HMI响应要求

场景四对自动驾驶人机交互的响应要求见下表4。

表 4  规划决策模块或执行机构失效HMI响应要求

场景五：驾驶员主动干预

使用场景描述

指驾驶员通过转向、制动、油门等操作装置，主动对车辆进行了控制。

HMI响应要求

场景五对自动驾驶人机交互的响应要求见下表5。

表 5  驾驶员主动干预HMI响应要求

HMI功能类型	响应要求
Ⅰ类	提示系统工作状态信息，并根据驾驶员驾驶意图切换工作状态
Ⅱ类	提示系统工作状态信息，并根据驾驶员驾驶意图切换工作状态，移交车辆控制权给驾驶员
Ⅲ类	提示系统工作状态信息，在保证安全的前提下安装驾驶员驾驶意图切换工作状态，并给出车辆控制权移交提示
Ⅳ类	同Ⅲ类

场景六：驾驶员误操作

使用场景描述

指驾驶员的操作行为不符合自动驾驶系统当前定义的合理范围。

HMI响应要求

目前HMI尚难以准确判断驾驶员的误操作行为，只能设计一些特殊的保护机制防止驾驶员误操作，例如要求系统的关闭方式必须为：双击、长按或两个独立且同时的控制输入。