Master's Thesis

Multiloop dynamical models of human driver

Final Thesis 22.67 MB Appendix 14.77 MB

Author of thesis: Ing. Jakub Čelko

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: Ing. Ondrej Mihálik

Reviewer: doc. Ing. Miroslav Jirgl, Ph.D.

Abstract:

The thesis is focused on modelling human-machine systems, where a human operator controls a vehicle. The result of the work is a comparison of the prediction capabilities of chosen multiloop and single-loop human driver models. These models are applied in scenarios where, in addition to the lane change forcing function, there is also a disturbance signal that affects the vehicle’s motion. The parameters characterising the human dynamics are extracted from the model of the whole loop, defined as a discrete state-space model. The thesis also contains research on driver models, description of the used vehicle simulator and the Unreal Engine 4 environment used for its implementation. Documentation of implemented disturbance signals that act as a fault at the input of the regulated system is also presented. The identification results on the measured data suggest that the models relying on a single transfer function are losing prediction capabilities in scenarios, where the disturbances affect the vehicle. In such cases, the multiloop models with the same number of parameters are able to capture human behaviour more accurately.

Keywords:

dynamical driver models, human-machine systems, human operator, multiloop models, vehicle simulator

Date of defence

05.06.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obhájil diplomovou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy odpověděl na dotazy oponenta a komise.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Koziorek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Čala, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Jirgl, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Klusáček, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ondrej Mihálik

Úkolem diplomové práce byl výzkum zaměřený na rozvětvené modely lidského operátora v systémech člověk-stroj. Student Jakub Čelko samostatně našel, nastudoval a pochopil relevantní odbornou literaturu. Využil potřebné nástroje v prostředích Unreal Engine a MATLAB. Modifikoval stávající scénář v simulátoru, vytvořil sadu experimentů pro sběr dat a získaná data přehledně vyhodnotil. K práci přistupoval svědomitě a s plným nasazením. Tomu odpovídá i vysoká úroveň výsledné technické zprávy. Při konzultacích, které využíval v dostačující míře, vystupoval velmi skromně, ale přitom cílevědomě. Studentem provedených 48 experimentálních jízd považuji za přiměřený počet pro diplomovou práci. V rámci získaného datového setu student objektivně kvantifikoval generalizační schopnosti modelů systému člověk-stroj. Zjistil, že rozvětvené modely poskytují snadnější a přesnější popis systému člověk-stroj, než je tomu u modelů založených na přenosové funkci, které jsme donedávna s kolegy aplikovali v našich výzkumech. Tato zjištění student z vlastní iniciativy sepsal ve formě konferenčního příspěvku, který se chystá prezentovat na mezinárodní konferenci PDeS 2024. Tento příspěvek byl přijat k publikaci. Věřím, že Jakub Čelko bude pokračovat v doktorském studiu a dále se věnovat obdobné problematice. Konstatuji, že student u mě získal 97 bodů a klasifikuji jeho práci známkou „výborně“. Points proposed by supervisor: 97

Grade proposed by supervisor: A

Předložená diplomová práce se zabývá studiem a analýzou modelů chování řidiče při změně jízdního pruhu za definovaných podmínek s využitím simulačních technologií. Její rozsah je 60 stran (Úvod až Závěr), je sepsána srozumitelnou formou s minimem překlepů či typografických chyb, a je logicky členěna do 5 hlavních kapitol. Krom první kapitoly a části druhé lze práci považovat za vlastní dílo diplomanta.
V první části je provedena rešerše aktuálně používaných modelů chování lidského operátora. Zde kladně hodnotím zejména práci s literaturou zahrnující relevantní a aktuální zdroje. Drobnou připomínku mám jen ke kombinování označování modelů v anglickém a slovenském jazyce.
Ve druhé kapitole je stručně popsán Unreal Engine 4 (UE4), jakožto prostředí, ve kterém je implementován stávající simulátor řízení vozidla. Na základě analýzy aktuálního stavu existujícího software simulátoru pak diplomant provedl návrh několika inovací a jejich implementaci v uvedeném prostředí UE4. Zásadní je zejména přidání možnosti působení pseudonáhodné složky ve formě PRBS signálu či filtrovaného bílého šumu, což je náplní 3. kapitoly. V tomto bodě zároveň opět vycházel z relevantních literárních pramenů. K těmto částem mám pár drobných připomínek. Na straně 31 se uvádí, že z naměřených dat bylo zjištěno, že při zatáčení mají přední kola různý úhel natočení. Chybí mi zde však informace, která by potvrdila, zda si je student vědom, že se jedná o standardní vlastnost využitého Ackermanova podvozku. Dále v kapitole 3.1.2, resp. Obr. 3.2, postrádám odkaz na zdroj informací. Na Obr. 3.3 je pak prezentována ukázka použitého PRBS signálu s amplitudou 0,17, avšak není mi jasné, proč byla zvolena právě tato hodnota.
Čtvrtá kapitola se pak zabývá popisem experimentu pro získávání dat a způsobem identifikace parametrů vybraných modelů. Diplomant se v rámci této práce zaměřil na porovnání Dongesových rozvětvených lineárních modelů se standardními McRuerovými modely ve tvaru přenosové funkce.
Samotné vyhodnocení experimentu je obsahem páté – závěrečné kapitoly. Měření byla provedena s 12 dobrovolníky a dosažené výsledky jsou prezentovány srozumitelnou a přehlednou formou s využitím standardních metrik. Nechybí ani stručná statistická analýza a následná diskuze dosažených výsledků. Zde mi jen trochu chybí informace, podle jakého klíče byla vybírána data pro prezentaci výsledků na Obr. 5.8-5.11 (každý obrázek je pro jiného řidiče).
Předložená práce je po formální i odborné stránce na velmi dobré úrovni a přináší velmi cenné výsledky v rámci zkoumané oblasti systémů s lidským operátorem. Zvolené metody a způsob prezentace výsledků hodnotím jako vhodné a všechny body zadání byly, dle mého názoru, splněny. Celkově tak práce svědčí o dobré orientaci diplomanta v dané problematice a jeho inženýrských schopnostech. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení 95 b/A. Topics for thesis defence:
  1. 1. Na Obr. 3.3 je prezentována ukázka použitého PRBS signálu s amplitudou 0,17. Na základě čeho byla zvolena tato velikost?
  2. 2. Na str. 32, resp. 33, je uvedeno, že analýzou dat bylo zjištěno, že tato dynamika lze aproximovat systémem 1. řádu s časovou konstantou Tw = 0,0015 s, což mi pohledem na Obr. 2.6 příliš neodpovídá. Jak byl uvedený přenos identifikován a jaká byla perioda vzorkování Ts?
Points proposed by reviewer: 95

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová