英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
驾驶员座椅上空间静态振动和动态振动接管请求的比较
S.M. Petermeijer, S. Cieler, J.C.F. de Winter
摘要：虽然振动刺激可以作为有效的警示信号，但其在自动驾驶中作为定向请求的有效性尚不得而知。本研究的目的是通过驾驶员座椅中的振动电机，研究静态与动态振动要求的正确响应速度、反应时间以及眼睛和头部方向。在驾驶模拟器中，18名参与者进行了三个阶段的实验：1）不涉及驾驶的阶段（Baseline），2）驾驶高度自动化的汽车且不需要执行额外的任务（HAD），3）驾驶高度自动化的汽车，同时执行一项需要分散精力的任务（N-Back）。 每场试验中，参与者通过嵌入座椅靠背和底部的两个6times;4电机矩阵接收到四个定向静态（在这些座椅的左侧或右侧部分）和四个动态（从一侧向座椅的左侧或右侧移动）请求。在Baseline阶段，参与者只需报告提示是左还是右，而在HAD和N-Back阶段，参与者需要根据方向提示将线路改变到左侧或右侧。 Baseline条件下，正确的响应率是指参与者报告的方向的正确性，HAD和N-Back条件下，正确的响应率是指变换车道方向操作的正确性。结果显示，虽然Baseline中静态模式的正确响应率为94％，N-Back中的动态模式正确响应率为74％，但这些并没有统计学意义。对于静态模式，方向盘触摸和转向的反应时间大约比动态模式快200 ms。眼睛跟踪结果揭示了头部/视线方向与车道变换方向之间的对应关系，并且表明头部和视线移动对静态振动的启动速度要快于动态振动。总之，通过驾驶员座椅呈现的振动触觉刺激作为警告是有效的，但其作为定向接收请求的有效性可能是有限的。目前的研究可能会鼓励进一步调查如何让驾驶员安全回到控制过程。
关键词：触觉/触觉显示；高度自动驾驶；接管请求；模拟器
- 引言
1.1高度自动化驾驶和接管机制
在未来的5-10年里，高度自动化的汽车可能会被引入公共道路(ERTRAC Task Force, 2015)。在高度自动化驾驶中，汽车在大多数情况下都是自动驾驶的，但当自动化发出接管请求时，驾驶员必须进行干预(Gasser et al.，012)。如何在经过一段时间的被动监测后让驾驶员回归控制，是人为因素科学中的一个经典问题（Bainbridge，1983），这已成为自动驾驶领域的重要课题。
当自动化发出接管请求时，驾驶员通过1）将他/她的注意力转移到道路上，2）认知处理交通情况并选择适当的动作，3）重新定位他/她自己以回收车辆的控制权，4）通过方向盘和踏板实施动作。在之前的研究中，大多数的接管请求都是警报，告知驾驶员必须收回控制权。可以这样设计一个接管请求，它不仅警告驾驶员需要接管，还要协助他/她处理前述的“转移注意力”和“认知处理及行动选择”阶段。例如，Lorenz等人(2014年)提出了一种平视显示屏，显示接管请求后道路上安全或不安全的“corridors”。
-
- 振动触觉接管请求的可能性
在未来，一辆高度自动化的汽车的驾驶员可能会被允许从事非驾驶的工作，比如吃饭、休息或打电话，而实证研究表明驾驶员也很可能会这样做。在高度自动化的驾驶中，视觉和听觉警告可能不适用于接管请求：当驾驶员不再需要观察道路时，他们很可能会错过仪表板或平视显示器上的视觉指示。 同样，当驾驶员在进行与乘客交谈或听音乐等非驾驶任务时，听觉警报障碍也可能会被忽视。
因为振动刺激不需要在驾驶员的视野范围内，所以它们是对听觉和视觉显示的一种可行的补充，用于在接管场景中帮助驾驶员。通过多种方式呈现接管请求，增加了警告的冗余，从而降低了遗漏的概率。Prewett等人（2012）在一项元分析中发现，振动触觉警告在添加到Baseline阶段或视觉提示时会产生性能优势（例如，更快的反应时间）。 此外，在之前的模拟研究中，已经表明，视觉和振动触觉警告相结合产生的反应时间比仅有视觉接管请求更快（Petermeijer等，2016）。
为了帮助驾驶员进行操作，界面应该能够传达比二元警告更多的信息。视觉和听觉显示器传统上被认为比触觉显示器更适合于交流语义(Baldwin et al.，2012)。尽管如此，触觉显示器也适用于提供方向信息或使用所谓的触觉方式的简单信息（即通过按照振动刺激的频率，时间，强度和位置编码信息）。 类似地，在接管请求期间，振动触觉显示可以用于向驾驶员传达方向信息（例如，向右或向左转向）。
1.3振动触觉警告中的静态和动态方向提示
在接管过程中帮助驾驶员的一种方法可以是提供方向提示，即将“方向信息嵌入到触觉警告信号中以便将驾驶员的空间注意力定位在不同位置”。有方向提示的振动刺激在各种驾驶应用中都有研究，包括lane keeping assistance (Beruscha et al.， 2010)、盲点警告(Morrell and Wasilewski, 2010)和后碰撞预警系统(Ho et al.，2005)。Hwang和Ryu（2010）通过方向盘提供方向提示，参与者被要求通过将方向盘向左或向右转向振动。他们发现正确响应率约为90％，平均响应时间为2秒。
方向提示可以通过静态模式（即在人体某个部位的刺激)或动态模式（即在身体上不同位置的一系列刺激来模拟移动）来呈现，可参见Petermeijer等人(2015)对振动模的分类。在Petermeijer等人(2016)的一项研究中，参与者似乎没有注意到驾驶员座椅上的静态振动位于左侧还是右侧。Sayer等人（2005）发现了与Petermeijer等人相似的结果。在他们的道路研究中，一些参与者很难辨别在座椅底部的振动刺激（左和右）的静态方向提示。Meng和Spence(2015)也指出静态振动刺激传达方向信号的能力可能有限，并且认为“动态触觉信号可以用来改善驾驶员的定位和对触觉警告的区分”(p. 339)。
最近的两项驾驶模拟器研究显示，朝向驾驶员躯干的动态模式（使用四个刺激位置，即两个手腕，两个腰部）引起的反应比远离躯干线索或静止振动的速度更快(Meng et al., 2014; Meng et al., 2015)。 在Schwalk等人（2015）研究中，参与者报告说，从靠背顶部向座椅底部前方移动的动态振动适合用于向驾驶员发出自动化到驾驶员驱动控制的转换信号。相反，从座椅底部到靠背顶部的动态振动刺激被认为适合于向自动驾驶转换。因此，在现有文献的基础上，动态振动模式似乎可以作为接管请求。
这项研究的目的是评估人类如何能够准确地对驾驶员座椅上的振动刺激做出反应。振动（即接管请求）包含方向提示，以通知参与者必须向左或向右改变车道。我们评估了在驾驶模拟器实验中静态振动（即左侧或右侧呈现的非移动振动）和动态振动（即向左或向右移动的振动）的正确响应速率。 在以下三种情况下测量了正确的响应率：1）参与者坐在模拟器中但不驾驶的Baseline阶段（低精神需求），2）参与者驾驶高度自动化的车辆（中等精神需求），以及 3）参与者驾驶高度自动化的车辆并参与记忆任务（高精力需求）。在Baseline阶段，参与者必须报告“左”或“右”，而在其他两种驾驶阶段，参与者必须在收到定向接管请求后进行左右车道更换。这三个阶段被用来推断如果参与者参与了一项精神要求较高的任务，方向提示是否仍然可以感知，因为在现实世界的接管情境中，很有可能是这样。驾驶员的行为在接管时间、方向盘输入、眼睛和头部动作等方面得到了进一步实施。我们假设动态模式会比静态模式产生更高的正确响应率，并且当驾驶员的精神需求增加时，振动触觉模式的正确响应率会降低。
2. 研究方法
2.1参与者
持有驾驶执照的18名参与者（5名女性）参加了此项研究。参与者年龄在22岁至78岁之间(M = 43.0岁;SD = 15.2年)。 两名参与者表示，2名参与者表示，他们每年行驶的里程少于2000公里，12名参与者报告每年的行驶里程为5000-20000公里，其余4名参与者报告每年里程超过20,000公里。7名参与者表示，他们开车时戴眼镜或隐形眼镜，没有人报告是色盲。两名参与者是左撇子，所有参与者至少参加过一次驾驶模拟器研究。
2.2模拟器
该实验是在德国巴布哈森的一个固定式模拟器上进行的。模拟器由三台投影仪前面的宝马5系列底盘组成，提供了大约180°的前视图（图1），小型TFT屏幕充当后视镜，安装的TFT屏幕和触摸屏表示组合仪表和中央控制台，使用以60Hz运行的四摄像头眼球追踪系统(Smart Eye Pro, version 6.1.13; Smart Eye, 2016)来追踪参与者的头部和注视动作。参与者可以通过向上或向下移动ACC控制杆来打开或关闭自动控制，仪表盘右侧的图标表明自动化模式（图1），模拟运行在SILAB软件上（WIVW，2016）。
图1：本研究使用的驾驶模拟:。底部：模拟器组合仪表上显示的视觉显示，中心显示速度计，右侧显示一个图标表示自动化状态（蓝色图标=激活状态;灰色图标=未激活）。(为了解释这个图例中的颜色引用，读者可以参考这篇文章的web版本。)
2.3 振动触觉座椅
通过振动触觉座椅向参与者提供振动，该振动触觉座椅由覆盖48个偏心旋转质量电机（Pico Vibe型号：307-103，尺寸：9times;25 mm）的Velcro垫组成。 电机分别在座椅底部和座椅背部配置成6times;4矩阵（图2）。六排之间的马达距离约为45毫米，四个相应列之间的距离分别为30,50和30毫米。 使用三脉宽调制(PWM)控制器控制单个电动机的电压，该控制器由一个Arduino Mega控制，连接到驾驶模拟器的服务器上。
图2：座椅靠背和座椅底部的振动位置。 上半部分：四种静态模式的振动位置。 下半部分：四种动态模式的振动位置。
2.4 静态和动态振动模式
参与者被提供静态或动态的振动，其中包含一个左或右方向的提示（图2）。此外，振动模式在座椅底部或座椅靠背处呈现。因此，有四种静态模式（即1：左后，2：右后，3：左下，4：右下）和四种动态模式（即5：向左后移动，6：向右后移动，7：向左下移动，8：向右下移动）。 当电机被激活时，其振动频率约为60赫兹。
通过两列（即12个电动机）中的三个振动脉冲（500ms开/关间隔）提供静态模式（图3）。 通过从左到右连续激活列提供动态模式，反之亦然。 每列激活时间为200毫秒，每隔100毫秒激活一个相邻列，从而产生一个模式，该模式从一侧移动到另一侧，同时最多有两列振动。
2.5实验设计
采用一种细线设计方法，评估振动类型（即静态和动态）和精神需求（即低等、中等和高等）的影响。每个参与者执行三个阶段的实验:1) Baseline，2) HAD，3)N-Back。首先完成了Baseline阶段的实验，之后完成了HAD和N-Back阶段的实验。在每次实验中，参与者以按顺序体验了八种振动模式（四个静态模式和四个动态模式，请参见第2.4节）。
- Baseline session（低精神需求）：在没有虚拟仿真运行的情况下，将8个振动模式呈现给驾驶员座椅上的参与者。 在每个模式之后，参与者被要求填写关于模式的位置和方向的三个选择题：“我感觉到了振动(1a. 在座位底部，1b. 在椅背上，1c. 在整个座位；2 a. 左边，2b.右边，2c. 两边；3 a. 向左移动，3b. 向右移动，3c.不移动)。”
- HAD session（中等精神需求）。 参与者在高速公路上驾驶高度自动化的车辆，通过振动触觉座椅，体验了8次接管请求。接管要求警告司机一个固定的车头。接管请求警告驾驶员有一个固定的车辆在前面，根据振动模式的方向提示，参与者被指示向左或右改变车道。如果振动模式是静态的，那么参与者必须将车道改变为振动出现的同一侧。在动态模式的情况下，参与者不得不改变车道以使振动向一侧移动，请注意，接管请求仅通过振动触觉座椅提供，没有额外的听觉或视觉警告。
- N-Back session（高精神需求）：这个实验与HAD实验相同，但是当车辆自动驾驶时，参与者执行了一个额外的N-Back任务。N-Back任务是一种广泛应用的技术，用于在自动驾驶研究中提出精神需求(e.g., Gold et al., 2016; Radlmayr et al., 2014; Louw et al., 2016)。在我们的研究中，参与者按照Mehler等人的规定执行了N-Back任务。一个预先录制的女性声音在0到9之间发出随机数字，每个数字的显示间隔为2.25秒，参与者必须重复在当前数字前说出两位数的数字。该任务在实验开始约700m后自动启动，在每次接收请求900 m后自动启动。当提出接管请求时，N-Back任务自动停止。N-Back用于研究参与者对具有精神要求的非驾驶任务的正确应答率和反应时间。
2.6 驾驶场景
在HAD和N-Back实验期间，参与者在三车道高速公路上以高度自动化模式驾驶，车道宽度为3.75米。在实验开始时，模拟车辆停在路边，参与者被要求通过对讲机指示并线到高速公路上，并在中间车道上行驶时激活自动化，自动化控制速度为每小时120公里，并保持在车道中心。在每次实验期间，参与者收到8个接管请求，相隔大约1.5分钟。在发出接管请求时，一辆静止的汽车在参与者的汽车前223米处出现，并且自动化系统自动停用。在120km / h的速度下，这相当于大约7s的交付时间（对于使用相同接管参数的研究，参见Gold et al., 2
全文共13550字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[16432]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
