汽車駕駛的自動化程度也會對未來方向盤的功能和形狀產生影響，因而從第四級自動化程度起，可逐漸減小方向盤輪圈的大小，以便使駕駛員腿部有更充裕的活動空間。德國Takata公司在試驗樣品的研究中發現該類輪圈經縮小處理的方向盤不利于交通安全性，因此建議將方向盤輪圈在6點鐘區域附近改成扁平形狀，但是為了車輛的可控性仍需保持方向盤輪圈的造型封閉而不使其中斷。

1用于具有自動駕駛功能車輛的方向盤

對作為車輛操縱部件的方向盤的要求隨著自動化等級的不同會有所變化。隨著第二和第三級自動化程度（駕駛員持續不斷地監視自動駕駛或者按照系統要求予以干預）的應用，方向盤（圖1）已成為車輛與駕駛員之間重要的聯系部件。為了傳遞信息和監察駕駛員狀態，將電容式手握識別系統集成在方向盤輪圈中，以此識別駕駛員手部是單純的觸摸還是采用固定姿態握住方向盤。采用一種基于攝像機的系統識別駕駛員狀態,使其不僅能確保駕駛員的手握在方向盤上，同時確保其眼睛直視道路，從而能核實駕駛員是否履行了任務或者是否安全可靠地承擔起了對車輛的操控，另外采用生命傳感裝置（心電圖、皮膚電導、呼吸速率）能夠查明駕駛員是否已準備好承擔操控和監視任務。

圖1 方向盤配備有手部識別裝置、

生命傳感裝置、駕駛員監察攝像機以及

用于自動化狀態通訊的藍色光帶

為了顯示當前的行駛模式、預警和接收需求，在方向盤上集成了光帶，另外該裝置還能與一個振動執行器相結合，其中新型的壓電或磁執行器可與軟件想匹配,并產生不同的觸覺信號，同時可進行報警提示和改善舒適度。

從第四級自動化程度起,就允許駕駛員做一些與駕駛行為無關的輔助性動作，因為其具備足夠的時間儲備執行由系統交付的任務。與此同時，駕駛員在自動駕駛期間需要更大的活動空間。除了座位型式之外，方向盤的調整有助于增大駕駛員座位腿部活動空間。

對此的前提條件是采用線控轉向系統（SbW）,而且根據運行安全可靠性（無需操作）的要求也應進行自動駕駛，因此對方向盤的要求（例如最大轉矩、慣性和固有頻率）就有所調整。采用該類技術后，方向盤也需同樣進行修改，以便在自動駕駛模式時為駕駛員提供更大的活動空間。修改方向盤形狀的基本要求需首先考慮轉向柱型式。如果方向盤依然保持其傳統型式的話，那么對結構空間的需求就會較高。通過與方向盤形狀的調整相結合，相應所需的結構空間就會明顯減小。

2對修改方向盤的要求

在進行手動駕駛行駛時，方向盤的基本功能為確保車輛安全和實現橫向駕駛轉向。從被動安全性角度出發，對安全氣囊的布置位置、體積以及安全氣囊在方向盤上的支撐及其剛度和結構完善性也提出了相應要求，而且與周圍部件（例如轉向柱或儀表板）的接口必須重新確定，以便能進行調整并減小結構空間。此外，還需考慮到從第三級自動化程度保留下來的部件以及成本結構,尤其是對其修改機理提出了多種要求：

（1）較低的復雜程度；

（2）免維修；

（3）可靠地復位到手動駕駛位置；

（4）避免損傷駕駛員（特別是夾傷）。

然而，對于方向盤的調整還有多種選擇。目前從部分修改方向盤輪圈開始著手，通過改變方向盤輪圈上的元件和方向盤輻條型式來實現（圖2），最后提供在自動駕駛模式中使用的觸摸屏，如果有必要的話也可將其制成可移動的平板電腦，因而如果在6點鐘范圍內修改方向盤形狀的話，那么駕駛員座位腿部活動距離就可增大70～80 mm。相關要求的復雜性表明對人-機接口的考慮是必不可少的，以便查明方向盤對車輛進行橫向駕駛轉向的可靠性具有重要影響。

圖2 在6點鐘范圍內改變方向盤形狀使

座位腿部活動范圍增大70～80 mm

3方向盤轉角減小后手握部位的變化

在高度自動化車輛上使用線控轉向系統（SbW）能將方向盤最大回轉角度減小到±180°,因為無需考慮人工駕駛車輛可操縱性的機械轉向傳動比。在該前提條件下，曾由37位經驗豐富的中型和輕型轎車駕駛員進行了行駛模擬器的研究（圖3）：

（1）15位駕駛員：平均年齡M=36.1歲，標準偏差SD=7歲；

（2）22位駕駛員：平均年齡M=39.9歲，標準偏差SD=14歲；

（3）所有37位受試者：駕齡M=17.9年，每年行駛里程M=19 622 km。

圖3 具有3個屏幕（117度視野）和

四分之一車輛的行駛模擬器

在研究中查明駕駛員手握方向盤的變換次數。受試者在保持和變換車道（高速公路）、彎曲公路以及市內左右側繞行的試驗路段上行駛，并多次駛過這些試驗路段，其中采取隨機抽樣原理使用線控轉向系統（SbW）（±180°）和傳統伺服轉向系統（±600°）。在使用線控轉向系統（SbW）的情況下，方向盤轉角被用作偏轉率調整器的參考變量，從而補償系統的干擾變量（例如側面風）。用于計算方向盤轉矩的主要成分是橫向加速度和偏轉率。在行駛期間駕駛員的手握位置采用電容式壓力測量方法進行采集：圖4示出了在該皮套下作為具有傳導能力的紡織物、氯丁泡沫橡膠和泡沫塑料中的14股銅電極。握力的變化導致了電容器電容的變化。

圖4 方向盤輪圈上手握部位14個傳感元件（橙色）的電容測量

在試驗期間可觀察到兩種轉向系統在手握部位方面有明顯差別。圖5示范性地示出了向右繞行時傳統轉向系統（灰色）和線控轉向系統（SbW）（藍色）基于所有受試者手握部位分布的變化。在該兩種情況下駕駛員握住方向盤進行左側回轉的行為表現最為頻繁，因此向右轉彎可理解為駕駛員左手推移方向盤。就傳統轉向系統而言，由于必須握住方向盤使其回轉到所需的轉向角度，目前可識別出3個互動重點（在4、8和11直至13點鐘位置）。因為在使用線控轉向系統（SbW）的情況下無需用手握住方向盤使其回轉到最大的轉向角度，因此駕駛員手握位置經常處于上方轉彎狀態范圍（在8直至14點鐘位置）。研究證實，隨著駕駛員察覺到的境況風險升高，會更傾向于將手握持在方向盤上較高的位置。盡管在整個行駛期間內，這種分布狀況幾乎并無差別，但是方向盤輪圈上部區域對車輛的安全行駛而言，是具有重要意義的。

圖5 在用線控轉向系統（藍色）和

傳統轉向系統（灰色）

向右繞行期間

所有受試者手握部位的百分比分布

4縮小方向盤輪圈

上述試驗中，反復提到了一種方向盤，其輪圈在4至8點鐘區域進行了縮小處理。行駛模擬器的設置如下：36位受試者（18位女駕駛員：M=36.4歲，SD=9.9歲；18位男駕駛員：M=37.1歲，SD=11.6歲；駕齡M=13.0年，每年行駛里程M=13 000 km）除了上方（12點鐘部位，藍色）和下方（6點鐘部位，灰色）（見圖5）之外用手隨機地握住方向盤輪圈。

在整個路段的行駛期間，12點鐘周圍上部區域極少被受試者使用（＜5%）。如果在其下部布設有輪圈的話，那么5～7點鐘的區域幾乎無法起到作用，例如在彎曲道路上行駛時橫向行駛動力學機動性就變得更為重要，在方向盤有下部輪圈的情況下4～8點鐘區域就幾乎起不到作用（圖6），而上部輪圈的握持分布狀況就顯得更為均勻。

圖6 在用仍保留下面（灰色）和

上面（藍色）輪圈的方向盤

回轉行駛期間

所有受試者手握部位的百分比分布

因此，目前建議改變方向盤下部區域的形狀。在兩種方案情況下，2/3的受試者聲稱在行駛期間至少存在一次手部處于握空狀態，但該現象會導致對車輛失去控制，因此在手動駕駛期間使方向盤輪圈處于封閉狀態的要求顯得更為迫切。

5縮小方向盤的不舒適評價

當今整圓形狀的方向盤為多種多樣的手握方式提供了必要的握持區域，在長時間行駛的情況下，該設置明顯有助于減緩不舒適的感覺。在18位受試者（9位女駕駛員：M=37.8歲，SD=13.1歲；9位男駕駛員：M=36.4歲，SD=9.2歲）50 km長的行駛模擬器行駛期間，每隔5 km其主觀的不舒適感覺就會隨之增加，行駛25 km后這些受試者就會暫停測試達10 min。在行駛期間手-臂系統的主觀不舒適評價隨著行駛持續時間而相應增加。

然而試驗表明，使用將4～8點鐘區域進行調整的D型方向盤輪圈的線控轉向系統（SbW）與傳統轉向系統之間并無重大區別，因此在短時間的手動駕駛期間，此類方向盤與當今使用的整圓形方向盤存在的明顯形狀差異對駕駛員的主觀不舒適感覺并無過多影響。

6結論

根據駕駛自動化程度的不同，對方向盤提出了多種多樣的要求。對于第三級自動化程度而言，諸如手部識別、駕駛員生命參數識別和視線識別等監視駕駛員狀態的功能較為重要，另一方面諸如振動或目視顯示等干預車輛狀態的可能性都會通過方向盤輪圈而產生影響。在引入線控轉向系統（SbW）的過程中，必須修改對運行中和碰撞后關于結構強度的機械要求。

隨著自動化程度越來越高,以及隨之而來的更長的傳輸時間和靈活度更高的車內空間，對方向盤形狀的調整可謂勢在必行，需以此增大駕駛員座位的活動范圍。對于該方面而言，建議重點調整方向盤輪圈6點鐘區域的形狀，以便增大駕駛員座位腿部活動空間。但是，出于車輛的可控性要求等原因，在手動駕駛行駛中應保持方向盤輪圈封閉，在該情況下方向盤形狀在9～15點鐘區域可采用多種多樣的方案。