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盲人和视障人士听觉导航系统的开发和评估
摘要:
先前的研究强调，盲人和视障人士发现各种因素抑制了他们旅行的能力。本文认为，导航信息的缺乏是造成这一问题的原因之一。摘要本研究旨在探讨资讯完备性与广播时序对盲人使用导航系统效能之影响。本实验共有16位受试者参与，每位受试者都进行了一次实际的寻路测试，往返于西医书局与台湾数位有声书协会(TDTB)之间。结果表明，广播时间对步行时间、错过的路线和工作量有显著影响。结果表明，导航系统5m广播时序的性能优于7m广播时序。它强调指出，通过以相关、有效和可用的方式提供有关其周围环境的导航信息，一种新的语音信息广播模式可能会为盲人和部分视力正常的人提供更方便的旅行。
第一节。介绍
1.1背景与动机
据台湾内政部统计，台湾的盲人和视障人口从2000年的30009人增加到2011年的55794人。在过去的几年中，台湾的盲人和视障人士的数量急剧增加(台湾内政部，2011)。视障人士辅助科技的研究，使一些非常有用的硬件及软件工具得以广泛应用。在日常生活中，盲人在未知的环境中移动会遇到一系列的问题。最大的问题之一就是盲人在陌生环境中移动或需要到达陌生环境时所面临的寻路问题。在缺乏视觉通道的情况下，盲人在心理表征环境和有效导航方面存在诸多困难。
盲人使用实物，如墙壁和栏杆，以及特殊的声音和气味(如水源和面包店)来确定他们在一个确定的环境中的位置和方向。更多的信息可以从地板的纹理中获得，例如路面的末端或人行道表面的变化(Ienaga et al.， 2006)。技术的改进和研究导航系统的导航服务允许用户查询任何地方百叶窗的交通和地理信息的兴趣,并为用户提供到达目的地的路线规划进一步指用户的当前位置和目标位置。用户可以通过导航系统的导航服务到达目的地，从而在迷路时减少查找信息和规划路线的时间和精力。
虽然市场上已经出现了许多不同类型的盲人导航系统，但到目前为止，这些导航系统在被照顾的用户中收效甚微。有许多因素，包括成本、可用性和性能，导致这些设备缺乏采用。(莱文,1982;奥尼尔,1999;Klippel, freksaamp;winter, 2006)。然而，现有的GPS导航系统中绝大多数盲人使用的导航信息都是为普通人设计的。但行人不仅包括普通人，还包括其他群体，如视障人士。Lahav和Mioduser(2008)提出，为盲人提供真正有用的方位信息，可能有助于创造他们对空间的心理表征，并提高他们的导航技能。迄今为止，很少有实验研究对导航系统的反应时间和信息完整性进行测试。在本研究中，我们回顾了目前在该领域的研究工作，分析了过去GPS导航系统失败的原因，并从现有导航系统分析了GPS导航系统的使用对广播信息和广播定时的影响。因此，本研究希望能够满足我国盲人的寻路需要。
1.2目标
虽然导航系统越来越受欢迎，但是导航方面的问题也出现了。本研究旨在指出盲人对现有导航系统的信息理解和语音广播距离问题。
本研究有两个目标:
（1）验证信息细节对导盲性能的影响。
（2）验证广播距离对导航性能的影响。
第二节。实验变量与设计
本节将详细介绍自变量和因变量、实验过程以及仿真测试界面的导航。
2.1独立变量
本实验考虑了导航系统中信息完备性和广播时序两个自变量。导航系统信息完备性分为两级(完整、简单)，广播定时性分为两级(5米、7米)。采用混合实验设计，受试者在一个完整水平和两个广播定时水平的实验条件下参与。
2.1.1信息的完整性
本实验采用两种广播消息量(完整、简单)。导航信息是在交叉口的决策点之前提供的。导航系统使用最简单的方式进行广播。例如，在这个实验中，简单的信息只有一个简单的句子，如“请向左拐”或“请直走”。完整的信息包含道路名称、房号和拐角导航，例如建筑是西蒙街45号，请左转45度沿成都路走。
2.1.2广播时间
道路交叉口有5米(米)和7米(米)两级广播授时。广播定时是根据行人意识到由于道路状况需要作出反应的感知反应时间，决定适当的机动方式(在本例中为停车或转弯)，可以用公式表示为:$$dPRT=0.278Vt ({Metric})$$
dPRT所传递的信息，单位为m (ft)，为行人感知反应距离。根据许多研究的结果，选择2.5秒作为感知反应时间。例如，在一般的行人环境中，行人的行为速度为每小时1.22 ~ 1.27公里，反应距离应在5.05 ~ 5.17米之间。实验中反应距离为7(m)的值在设计中表示接近最坏情况。当遇到简单到中等复杂的环境情况时，这个5米和7米的距离可以容纳大约所有的行人。
2.2因变量
采用客观和主观两种指标对操作效果进行评价。客观指标包括行走时间和错过的路线数;采用美国国家航空航天局任务负荷指数(NASA TLX)来衡量主观负荷。用\$2{\times}2\$设计的实验方法组装了一个测试过程。
2.3研究对象
随机选取16名视障人士参加本实验。研究对象的平均年龄为33岁，年龄在22岁至50岁之间。
2.4程序
实验框架如图1所示。本实验历时约3小时，分为5个步骤:
1.在正式的实验中，参与者被告知要尽力完成任务，避免任何错误。
2.被试者从西门汀到台湾数位有声书协会(TDTB)进行了实际的寻路测验。
3.在主要任务中，参与者被要求听导航信息。
4.如果参与者错过了交叉口，在5s内没有检测到信号，则记录为错过路径
5.测试结束后，受试者被要求填写美国航空航天局- tlx问卷，并就他们的精神负荷接受了大约半个小时的采访
第三节。结果分析
3.1错过的航线数量
方差分析用于检验自变量的影响。表1显示了两种情况下的单因素方差分析(ANOVA)结果。广播时序影响缺失线路数，F(1,12)=5.76,plt;0.05。信息完备性对错过的路由数没有影响，广播时序与信息完备性之间也不存在交互作用，pgt;.05。这意味着在实际寻路测试中，随着广播时序的变化，被试错过的线路数量会显著减少。
表一。缺失路径数的双向方差分析。
3.2信息请求数量
同样，在实验过程中计算了请求的数量。表2显示了请求数量的双向方差分析结果。广播时序影响信息请求数，F(1,12)=4.84, plt;0.05。信息完整性对信息请求没有影响，广播时序与信息完整性之间不存在交互作用，pgt;0.05。在实际寻路试验中，请求数量的广播时间具有决定性的意义。
表二。请求数量的双向方差分析。
3.3行走完成时间结果
广播时间对步行完成时间的影响，F(1,12)=16.06,plt;0.01，信息完整性的影响也显著，F(1,12)=5.59,plt;0.05。信息完备性F(1,12)=2.02,0gt;0.05在广播时序上不存在交互作用，如表3所示。这意味着在实际的寻路试验中，随着广播时间和信息的完备性，步行完成时间会显著减少。
表3。步行完成时间的双向方差分析。
3.4 Nasa-Tlx
广播时序对NASA-TLX评分有显著影响(plt;0.01)，随着广播时间的增加，受试者的心理负荷会显著降低，但更重要的是，广播时序与信息完整性之间存在交互作用，F(1,12)=6.31,plt;0.05。交互结果表明，当广播时间为7m(米)时，信息的完整性越高，参与者需要花费更多的时间和精力在任务上，增加心理负荷。
表4。请求数量的双向方差分析。
第四节。讨论和结论
本研究设计了一项实验，从行走时间、错过的路线数、主观工作量等方面探讨导航系统的信息完备性和广播定时对盲人行为的影响。本研究发现如下:
广播时间对步行时间、错过的路线和工作量有显著影响。当广播时间在7米的时候，盲人用户需要花费更多的时间和更多的注意力在任务上，可能会错过路线和增加脑力的工作量。因此，建议在道路交叉口5米处进行广播计时。
本文讨论了导航系统的信息完备性问题。信息完备性对步行完成时间有显著影响。当导航系统有完整的信息时，参与者需要更多的时间去倾听，从而花费更多的时间在旅行上。简单的信息加上5米的广播时间可以减少错过的次数。
基于广播的时间进行测试,在事件决策点的距离应该(速度times;2.5秒)米的广播结束。根据McGehee(2002)的研究，由于盲人在一般环境下的反应时间比正常人短，2.5秒可能进一步缩短到1.93秒。因此，在本研究中，如果能够在距离道路交叉口5m(米)前充分广播导航信息，在给定事件决策点的情况下，可以有效减少错过的路径。
最后，验证了导航系统信息完备性和广播定时的效果，为导航系统提供了合适的广播距离。然而，适当的导航信息航速及其优化问题在本研究中尚未得到讨论。因此，建议对信息优化进行更深入的研究。可能在不同的行人环境下使用不同的导航信息速度，这将是进一步研究的方向。
基于模糊逻辑和PID控制器的自动刹车系统设计
摘要:
本文研究了一种用于汽车自动制动系统的模糊逻辑控制器。利用MATLAB中的模糊逻辑工具箱和PID控制器对系统的响应进行了仿真。该控制器的作用是在车辆接近障碍物时，在一定范围内对车辆进行制动。为此，利用MATLAB中的模糊逻辑工具箱设计了模糊逻辑控制器。在仿真的基础上，对FLC和PID的响应进行了比较。PID控制器已被用来构成FLC性能的参考。
1.0节 介绍
交通拥挤是一个普遍的问题。这个问题主要是人为失误造成的，人为失误包括反应时间、延误、判断失误等，这些都会影响交通流，造成事故。在许多这样的情况下，事故的原因是司机的分心和没有及时反应。为了避免此类事故的发生，减少碰撞的影响，开发了许多具有辅助功能的先进系统。这是通过减少总停车距离来实现的。通过这种方式，汽车刹车本身应该有一个良好的软件系统来帮助司机沿着道路行驶。
在过去的25年里，电子刹车控制系统使得汽车更加安全。近年来，制动技术的发展大大提高了驾驶的安全性。在过去的几年里，有许多汽车制动的发展，利用电子角色的参与，如智能巡航控制(ICC)，防抱死制动系统(ABS)，牵引控制系统(TCS)和Sensotronic制动控制(SBC)。
这一领域的许多研究都依赖于车辆的精确数学模型。事实上，驾驶员的行为大多是基于经验，而不是精确的数学计算。车辆模型是高度非线性函数;很难找到精确的模型。因此，由于模糊系统是在不需要使用数学模型中模拟熟练的人工操作人员的操作性能，因此许多研究人员为自动驾驶控制器设计了模糊逻辑系统。
由于交通密度的增加，很少有可能以预先选定的速度驾驶。普通的客车巡航控制系统正变得越来越没有意义。然而，为了获得高客户接受度，智能巡航控制系统必须执行类似于有经验的人类驾驶员的操作。因此，有必要根据个体驾驶员的需要来调整两车之间的距离和制动力。将模糊逻辑应用于智能巡航控制似乎是实现这一人类行为的一种合适方式，因为驾驶员的经验可以很容易地转化为规则。
模糊控制器是一种自动控制器，它是一种自适应或自调节机构，可以根据需要的行为控制对象。例如，对象可以是设置为遵循特定路径的机器人。模糊控制器以一种或多或少的自然语言为基础，根据特征的不同，通过规则进行操作或调节。这些规则是由人类的一套指令制定的。这是一个智能控制。
为便于比较，设计了一种具有广泛应用于工业控制系统的通用控制回路反馈机制的比例积分微分控制器(PID控制器)。PID控制器试图通过计算修正被测过程变量和期望设定值之间的误差，然后从修正动作中得到一个输出，从而相应地调整过程。
PID控制器的计算(算法)涉及三个独立的参数;比例的，积分的和导数的值。比例值决定了对电流误差的反应，积分决定了对最近误差之和的反应，导数决定了对误差变化速率的反应。这三个动作的加权和用于通过控制元件(如控制阀的位置或加热元件的电源)调整过程。
1.1汽车制动系统
制动系统是汽车上最重要的系统。如果刹车失灵，后果可能是灾难性的。制动器是能量转换装置，它将车辆的动能转化为热能。本文尝试设计一种由模糊逻辑控制器(FLC)和比例积分微分控制器(PID)控制的汽车制动系统。汽车自动制动系统的目的是开发一种自动控制系统，使车辆在行驶过程中与障碍物保持安全行驶距离。该系统成功地检测到前方某一特定范围内的障碍物，并通过刹车为系统避免碰撞创造了一种方法。这样做的结果是一种更轻松、压力更小的驱动力。该系统是利用MATLAB中提供的模糊逻辑工具箱开发的，并对其进行了仿真，以了解汽车制动系统的性能。
2.0节 目标
在许多道路交通事故中，事故的原因是驾驶员的注意力分散和反应不及时。一般来说，汽车刹车系统是在驾驶员踩下刹车踏板时手动操作的。因此，为了克服这一问题，实现了一种汽车自动制动系统，以避免事故。
本文的工作目标是1:利用MATLAB开发一种用于障碍物自动控制车辆的模糊逻辑控制器和比例积分微分控制器。2:评估和分析系统的性能。
3.0节的方法
方法的操作流程图如图1所示。
3.1软件开发
目前，该控制器采用模糊逻辑工具箱和PID两种方式实现。将结果与两种系统的性能进行了比较。为此，对汽车制动系统进行了数学建模，并在系统中实现。
3.2系统模型
在处理控制问题时，通常需要首先完成的任务之一是开发系统模型。在这里，系统模型表示被控制过程的数学模型，以获得对问题的清晰理解。在为控制系统提供方法的同时，系统如何工作的清晰视图被开发出来。因此，将系统的描述性模型作为系统如何工作的假设构建如下图1所示:
3.3控制设计
在建立了系统模型后，进行了控制设计。该控制设计包括汽车制动控制器和汽车制动simulink模型两个控制器，即PID控制器和
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资料编号：[1865]
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