高度自動(dòng)駕駛接管觸覺(jué)警示研究

張澤權(quán)

摘 要：高度自動(dòng)化駕駛系統(tǒng)能夠在一般路況下取代駕駛員控制車(chē)輛，但是駕駛員仍需要在自動(dòng)系統(tǒng)遇到無(wú)法處理的情況時(shí)接管汽車(chē)的控制。當(dāng)需要駕駛員的接管時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出接管請(qǐng)求警示，請(qǐng)求駕駛員接管汽車(chē)。文章調(diào)研了高度自動(dòng)駕駛接管的研究現(xiàn)狀，得出研究高度自動(dòng)駕駛接管觸覺(jué)警示研究的建議。

關(guān)鍵詞：高度自動(dòng)化；自動(dòng)駕駛；接管；觸覺(jué)警示

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0059-02

Abstract： A highly automated driving system can replace the driver to control both vehicles in normal road conditions， but the driver still needs to take over the control of the car when the automatic system encounters a situation that cannot be handled. When a driver's takeover is required， the autopilot system will issue a takeover request warning requesting the driver to take over the vehicle. This paper investigates the current situation of the research on high autopilot receiver， and gives some suggestions on the research on tactile warning of high autopilot receiver.

Keywords： high automation； autopilot； takeover； tactile warning

近十年來(lái)，隨著移動(dòng)端處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、傳感器等新技術(shù)的不斷發(fā)展，為汽車(chē)技術(shù)又帶來(lái)了一個(gè)新的發(fā)展方向——自動(dòng)駕駛，也將對(duì)人類的生活方式產(chǎn)生極大的影響。

1 高度自動(dòng)化汽車(chē)

自動(dòng)駕駛技術(shù)是通過(guò)使用各種汽車(chē)傳感器分析道路的交通情況與環(huán)境，再通過(guò)車(chē)輛內(nèi)置的電子控制系統(tǒng)來(lái)控制汽車(chē)的行駛速度與方向，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)行駛此項(xiàng)技術(shù)有著劃時(shí)代的意義。

目前自動(dòng)駕駛技術(shù)分為多個(gè)等級(jí)，目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界采用較多的為汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）和美國(guó)高速公路安全管理局（NHTSA）推出的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照NHTSA的標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)視智能化、自動(dòng)化程度水平為5個(gè)等級(jí)：無(wú)自動(dòng)化（L0）、駕駛支援（L1）、部分自動(dòng)化（L2）、有條件自動(dòng)化（高度自動(dòng)化）（L3）、完全自動(dòng)化（L4）[1]。詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)參加表1。本文參照NHTSA的定義，使用高度自動(dòng)化汽車(chē)來(lái)表示第三階段有限自動(dòng)駕駛汽車(chē)。

根據(jù)美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局的定義，高度自動(dòng)化駕駛系統(tǒng)能夠在一般路況下取代駕駛員控制車(chē)倆，但是駕駛員仍需要在自動(dòng)系統(tǒng)遇到無(wú)法處理的情況時(shí)接管汽車(chē)的控制。

由于駕駛員在駕駛高度自動(dòng)化汽車(chē)時(shí)不需要長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控汽車(chē)的自動(dòng)化進(jìn)程，因此在行駛中駕駛員可以進(jìn)行非駕駛相關(guān)任務(wù)。而在當(dāng)需要進(jìn)行接管時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出接管請(qǐng)求警告，駕駛員接收到請(qǐng)求后，需要從非駕駛?cè)蝿?wù)狀態(tài)中轉(zhuǎn)移到駕駛?cè)蝿?wù)中。接管請(qǐng)求作為接管過(guò)程的第一步，需要能夠明確提醒到駕駛員的同時(shí)，還需要能夠幫助駕駛員保持情境意識(shí)，快速掌握路況信息，避免發(fā)生安全事故。

2 高度自動(dòng)駕駛接管研究現(xiàn)狀

駕駛員在駕駛高度自動(dòng)化汽車(chē)時(shí)，可能會(huì)由于長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行非駕駛相關(guān)任務(wù)，例如看視頻或玩游戲，導(dǎo)致情境意識(shí)下降，從而導(dǎo)致接管失敗而引發(fā)事故。因此接管請(qǐng)求警告不僅要使駕駛員接收到信號(hào)，而且還要幫助他們重新獲得情境意識(shí)。

進(jìn)行非自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)的駕駛員的接管步驟如下：

（1）將視覺(jué)注意力從當(dāng)前非駕駛?cè)蝿?wù)中轉(zhuǎn)移到行駛道路上。

（2）評(píng)估周?chē)慕煌ㄇ闆r并決定如何控制車(chē)輛。

（3）手握住方向盤(pán)，腳踩剎車(chē)板，做好駕駛姿勢(shì)，恢復(fù)車(chē)輛的控制。

（4）通過(guò)方向盤(pán)或者踏板控制車(chē)輛來(lái)實(shí)現(xiàn)之前的決

策。

Kosinski 在一篇簡(jiǎn)短的文獻(xiàn)綜述中說(shuō)明了單次任務(wù)對(duì)視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)刺激的反應(yīng)時(shí)間分別為190，155和150ms。因此，振動(dòng)觸覺(jué)刺激似乎在反應(yīng)時(shí)間方面與聽(tīng)覺(jué)刺激同樣有效[2]。在另一項(xiàng)研究中，Mohebbi和Gray表明，通過(guò)觸覺(jué)刺激警告一名正在談話的司機(jī)比通過(guò)聽(tīng)覺(jué)更有效。與視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)刺激相比，觸覺(jué)刺激對(duì)汽車(chē)駕駛的影響較小。同時(shí)觸覺(jué)刺激是能夠有效的吸引注意力，讓駕駛員難以忽視[3]。也就是說(shuō)，觸覺(jué)刺激與視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)刺激相比，感知資源競(jìng)爭(zhēng)較少。當(dāng)視覺(jué)刺激不在駕駛員視野中時(shí)就可能會(huì)被忽略，而當(dāng)駕駛員從事非駕駛聽(tīng)覺(jué)任務(wù)時(shí)，聽(tīng)覺(jué)刺激也可能會(huì)被忽略。因?yàn)轳{駛員在駕駛高度自動(dòng)化汽車(chē)時(shí)，很有可能會(huì)進(jìn)行休息或打電話等非駕駛相關(guān)任務(wù)，從而錯(cuò)過(guò)請(qǐng)求警告，因此傳統(tǒng)的視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)通道的接管請(qǐng)求警告不適合高度自動(dòng)化駕駛中的接管要求，而觸覺(jué)刺激是對(duì)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)通道的有效補(bǔ)充。

3 高度自動(dòng)駕駛接管觸覺(jué)警示研究的建議

與視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)相比，觸覺(jué)有其顯著的優(yōu)勢(shì)，例如觸覺(jué)感受器基本遍布全身每個(gè)角落、能夠不需要大腦的特別關(guān)注就能連續(xù)產(chǎn)生信息、通過(guò)觸覺(jué)刺激能有效感知物體的輪廓方位等。

振動(dòng)信息可以分為四個(gè)維度，即位置、振幅、持續(xù)時(shí)間和頻率，其中每個(gè)維度信息可以為靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的。在汽車(chē)領(lǐng)域，振動(dòng)主要用作警告裝置，警告分為兩種類型，即無(wú)方向性警告和方向警告，無(wú)方向性警告只包含警告本身的信息，而方向警告能夠在警告的同時(shí)指示駕駛員應(yīng)該注意的方向或位置。例如，可以通過(guò)振動(dòng)腹部來(lái)警告前方的碰撞警報(bào)，振動(dòng)駕駛員來(lái)警告后方的碰撞。有一些研究已經(jīng)使用振動(dòng)的方向警告來(lái)支持司機(jī)的駕駛?cè)蝿?wù)，例如當(dāng)駕駛員越過(guò)車(chē)道時(shí)，在方向盤(pán)左側(cè)或右側(cè)提供振動(dòng)警告，他們發(fā)現(xiàn)觸覺(jué)刺激的反應(yīng)時(shí)間比視覺(jué)刺激更快[4]。

然而觸覺(jué)反饋也會(huì)產(chǎn)生抑制效應(yīng)等的問(wèn)題，Gallace等人的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)參與者轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，他們對(duì)觸覺(jué)刺激的變化敏感度會(huì)下降。此外發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、不平坦的駕路面或者厚衣服，都可能會(huì)掩蓋振動(dòng)觸覺(jué)警告[5]。同時(shí)，強(qiáng)烈的觸覺(jué)刺激也可能導(dǎo)致不適或疼痛，從而影響駕駛員的駕駛決策。

在進(jìn)行高度自動(dòng)駕駛接管觸覺(jué)警示研究時(shí)，建議使用150Hz-250Hz左右振動(dòng)頻率的振動(dòng)點(diǎn)擊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用線性諧振馬達(dá)在固定的頻率段上使用不同的振幅曲線來(lái)創(chuàng)造更加細(xì)膩的振動(dòng)接管警示?？梢允褂檬謾C(jī)線性諧振紐扣馬達(dá)來(lái)作為實(shí)驗(yàn)電機(jī)，手機(jī)線性馬達(dá)頻率一般在200Hz左右，同時(shí)有著體積小，封裝好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)成本低，控制器可以使用德州TI的觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)DRV2605LEVM-MD，可以同時(shí)控制8個(gè)線性馬達(dá)。

同時(shí)由于不同年齡、性別、個(gè)體、不同身體部位的振動(dòng)敏感度不同，另外人體表面的振感還與振動(dòng)電機(jī)與人體表面之間的媒介物的厚度、振動(dòng)傳遞等因素有關(guān)，因此在實(shí)驗(yàn)中也要充分考慮這些變量。使用振動(dòng)刺激的人體部位需要不對(duì)駕駛行為產(chǎn)生影響，例如振動(dòng)電機(jī)以可穿戴設(shè)備的形式戴在駕駛員手臂時(shí)，需要考慮是否會(huì)影響到駕駛員對(duì)汽車(chē)的控制。

汽車(chē)行駛時(shí)，路面不平產(chǎn)生的振動(dòng)與車(chē)輛產(chǎn)生的振動(dòng)，都會(huì)影響到駕駛員對(duì)振動(dòng)警告的感知，因此在實(shí)驗(yàn)中也要加入這些干擾因素，在行駛的車(chē)輛上或模擬汽車(chē)振動(dòng)座椅上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]倫一.自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2017，6：33-36.

[2]R.J Kosinski，A literature review on reaction time，Clemson Univ.，Clemson SC USA，2008.

[3]J.B.F.van Erp，Guidelines for the use of vibro-tactile displays in human computer interaction，in Proc.Eurohaptics，2002，pp.18-22.

[4]T.Nukarinen，J.Rantala，A.Farooq，and R.Raisamo，Delivering dir

ectional haptic cues through eyeglasses and a seat，in Proc.IEEE World Haptics Conf. 2015，pp.345-350.

[5]A.Gallace，S. Zeeden，B.Rder，and C.Spence，Lost in the mov

e？ Secondary task performance impairs tactile change detection on the body，Conscious.Cogn.，vol.19，no.1，pp.215-229，Mar.2010.