基于觸覺提示的行車環(huán)境預(yù)警方案設(shè)計

闞延鵬，張 振，陳 玉，張師榕，汪步云

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

根據(jù)英國皇家事故預(yù)防學(xué)會的數(shù)據(jù)，高達(dá)20%的交通事故是由于疲勞、開車時接到電話或與他人交談，導(dǎo)致車輛偏離原行駛軌跡，其中四分之一是致命的嚴(yán)重事故。駕駛員輔助和防撞系統(tǒng)能為駕駛員提供訪問車輛信息的功能，但主要依靠視覺(約占80%)和聽覺信息等控制車輛，駕駛員在視覺和聽覺的交互輔助作用下能夠有效地避免一些事故的發(fā)生，但這些方法仍存在一些不足。駕駛室通常有多個燈光操作提示裝置，當(dāng)燈光提示裝置工作時，駕駛員在駕駛時需要不斷轉(zhuǎn)動頭部來調(diào)整視野。時刻注意提醒燈會帶來視覺疲勞，分散駕駛員注意力，帶來安全隱患。在一些緊急情況下，不允許駕駛員進(jìn)行扭頭觀察，聽覺警報當(dāng)然是非常有效的，其不需要特定的安裝空間，但當(dāng)在車內(nèi)播放音樂、聲音環(huán)境復(fù)雜時，聽覺警告的有效性會大大減弱。研究表明，當(dāng)駕駛員注意力不集中或處于疲勞駕駛時，視覺和聽覺的預(yù)警信號往往會導(dǎo)致駕駛員做出錯誤的判斷[1]。觸覺是一種比較好的交互方式，能夠直接向人類的身體傳遞信息。將觸覺提示應(yīng)用于行車環(huán)境預(yù)警能減少駕駛員對警告的響應(yīng)時間且不易被其他干擾因素所消弱。它能更直接、更安全、更迅速地對駕駛員進(jìn)行提醒。將這種裝置安裝在特定位置上，讓其始終與駕駛員的某一部分保持接觸，以提供諸如手指、腰部或背部等觸覺提示，其不需要駕駛員以冗余動作接收提醒。盡管觸覺在感知車輛的加速和振動方面起著重要作用，但它提供的有關(guān)車輛的信息仍然太少，這說明觸覺反饋在汽車安全駕駛中的應(yīng)用有待發(fā)展。

1 觸覺預(yù)警方式研究現(xiàn)狀

觸覺預(yù)警一般是通過振動座椅和觸覺方向盤以對應(yīng)刺激不同的身體部位來實現(xiàn)，不同的身體部位其受振靈敏度和閾值也不相同，靈敏度最高的是手部，最差的是臀肌[2]。基于該原理、多種用于駕駛輔助的觸覺預(yù)警裝置也被開發(fā)出來。Hogema[3]提出的一種嵌入在汽車座椅上的8×8觸覺陣列用于編碼8個不同的方向作為駕駛輔助設(shè)備，通過在平整路面和磚路振動條件下進(jìn)行現(xiàn)場研究。結(jié)果表明，觸覺座椅提供了一個良好的方向信息，其正確提示率可達(dá)92%。Capallera[4]提出了一種觸覺振動座椅，分別安裝兩個4×5振動陣列于靠背和座椅上。通過實驗驗證了使用該座椅傳遞信息的可能性，隨著調(diào)整頻率和振幅的變化，能向駕駛員傳輸障礙物和線路等有效信息。同樣利用震動進(jìn)行信息提示的還有文獻(xiàn)[5-7]中所示的設(shè)備，田順天[5]提出一種振動提示型安全座椅，可根據(jù)座椅振動的幅度去知曉汽車的各種狀態(tài)和安全提示問題。Petermeijer, S. M[6]調(diào)查結(jié)果表明，通過駕駛員座位呈現(xiàn)的振動觸覺刺激作為警示是有效的，但作為定向接管請求的有效性可能是有限的。Jan B.F[7]在駕駛模擬器上測試了一種由8個振動元件或牽引器組成的振動觸覺顯示器，結(jié)果表明，與視覺顯示相比，觸覺導(dǎo)航顯示降低了駕駛員的工作負(fù)荷。盡管通過不同的座椅震動模式能傳遞不同的信息，但是因其靈敏度低、模式有限以及外在車身震動等因素仍不能達(dá)到最佳提示效果。振動方向盤則是另一種通過在方向盤上套設(shè)震動結(jié)構(gòu)，在震動結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置震動模塊。由于大腦對于觸感比聲音的解讀時間更快，對于一些方向感較差的車主來說會更加直觀，尤其是在環(huán)境比較嘈雜路上行駛時，方向盤上安裝的振動提示裝置可避免因漏聽或漏看車載系統(tǒng)輔助提示導(dǎo)致的行駛錯誤或是交通事故[8]。Shakeri[9]提出了一種方向盤觸覺提示裝置，將6個螺線管嵌入在方向盤套中，以對用戶手掌產(chǎn)生推壓感，駕駛員可以靠區(qū)分方向盤上螺線管的排列圖案傳遞信息，而不會降低駕駛性能或增加感知的心理負(fù)荷。通過實驗驗證，其識別準(zhǔn)確率為81.3%。Patrizia[10]提出了一種利用方向盤的熱導(dǎo)航裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)向提示，使轉(zhuǎn)彎前200米的警告正確識別率達(dá)到94.2%，轉(zhuǎn)彎正確率達(dá)到91.7%，是一種較為有效的觸覺提示裝置。由于現(xiàn)有部分車型多數(shù)配備方向盤加熱功能，因此，該方案的使用受到一定的限制。盡管已有的設(shè)備及方式能夠提供較好的駕駛輔助功能，但是其設(shè)置方案、方式及識別準(zhǔn)確率還有提高空間。

2 預(yù)警方案的設(shè)計與實驗設(shè)置

2.1 預(yù)警方案的設(shè)計

本文所提出的預(yù)警方案是將觸覺反饋設(shè)備安裝在方向盤上，當(dāng)車輛的行車?yán)走_(dá)與觸覺反饋設(shè)備相結(jié)合時，通過設(shè)備推桿的高低排列以實時反映當(dāng)前行車環(huán)境(障礙物、潛在危險位置)，以較快的響應(yīng)時間對駕駛員進(jìn)行提示。為了驗證預(yù)警方案的可行性，我們通過觸覺反饋設(shè)備[11](如圖1所示)結(jié)合Unity3D平臺在虛擬環(huán)境下進(jìn)行方案的模擬驗證。

圖1 觸覺反饋設(shè)備

圖2 虛擬環(huán)境初始化

2.2 實驗設(shè)置

初始實驗環(huán)境的配置如圖2所示，通過設(shè)置5輛不同的車輛(根據(jù)真實車輛大小建模)，其中3號車(長度：3.8m；寬度：1.7m)可通過鍵盤進(jìn)行方向、速度控制，其他車輛會自動沿設(shè)定方向以一定速度移動。我們將設(shè)置的虛擬檢測傳感器設(shè)定在3號車的中心位置，其檢測范圍是以中心向外半徑為3.2m的范圍。當(dāng)其他車輛進(jìn)入虛擬傳感器的檢測范圍時，表明3號車車身周圍存在潛在危險，從而將潛在危險的方向和距離實時傳輸?shù)接|覺反饋設(shè)備上進(jìn)行提示。虛擬傳感器的檢測區(qū)域與觸覺反饋設(shè)備的推桿陣列對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

(a)車身周圍檢測區(qū)域劃分

(b)檢測距離與范圍的模型圖

(c)檢測區(qū)域與設(shè)備推桿的對應(yīng)關(guān)系圖3 虛擬傳感器檢測區(qū)域與觸覺反饋設(shè)備推桿陣列的對應(yīng)關(guān)系

我們將車身周圍劃分為8個區(qū)域(如圖3(a)所示)，為了較精準(zhǔn)獲取障礙物(潛在危險)所處位置，將每個區(qū)域?qū)?yīng)45°的范圍，分別對應(yīng)12個推桿(如圖3(b)(c)所示)。當(dāng)車輛行駛時，駕駛員的盲區(qū)往往存在正前方或正后方，因此我們將這些區(qū)域劃分為4個區(qū)域，共對應(yīng)8個推桿進(jìn)行重點提示，其對應(yīng)關(guān)系如表1所示，而其余易察覺的區(qū)域劃分為4部分。此外，根據(jù)障礙物(潛在危險)的遠(yuǎn)近距離，我們將推桿的伸出長度劃分三個等級：1.5mm，3mm，5mm，分別對應(yīng)的檢測距離3.2m，2.4m，1.6m(如圖3(b)所示)。因此，觸覺設(shè)備將根據(jù)虛擬傳感器所檢測到障礙物(潛在危險)所處區(qū)域和距離兩方面來提供觸覺反饋。

表1 前后方重點預(yù)警區(qū)域?qū)?yīng)的推桿編號

3 實驗與分析

我們邀請10位參與者(其中有2位女性)參與本次位置判斷實驗，參與者將觸覺提示裝置穿戴在右前臂并將食指放置在推桿陣列表面，當(dāng)一名參與者進(jìn)行實驗的同時，另一名參與者則通過鍵盤控制虛擬環(huán)境中3號車隨意行駛，使其與其他正常行駛的車輛產(chǎn)生不安全的距離或制造潛在危險。這樣，用戶便可感受到觸覺提示設(shè)備的推桿帶來的不同的排列。參與者通過感受推桿陣列帶來的刺激，迅速指出當(dāng)前車輛周圍障礙物(潛在危險)所處的區(qū)域。實驗開始前，我們向參與者詳細(xì)介紹了實驗的環(huán)境和目的，為了讓參與者熟悉推桿陣列變化的高度與每個推桿對應(yīng)的檢測區(qū)域，每人進(jìn)行15分鐘的調(diào)整練習(xí)。

我們將此次的位置判斷任務(wù)分為兩部分，即單區(qū)域障礙和多區(qū)域障礙(如圖4、圖5所示)。單區(qū)域障礙中，我們將虛擬環(huán)境中所有車輛停止，在模擬環(huán)境中添加一個人物模型，當(dāng)移動人物模型并放置在車身周圍時，參與者僅通過觸覺提示將人物模型當(dāng)前所處的區(qū)域在紙上繪制出來，每位參與者執(zhí)行20次。在多區(qū)域障礙中，為了防止刻意制造特定潛在危險位置，在Unity3D中，除3號車外，將其余車輛全部設(shè)置為不可見并按照既定的線路行駛。當(dāng)3號車與其余隱形車輛產(chǎn)生潛在碰撞危險時，我們隨機(jī)選擇10個場景并暫停，暫停后，參與者須立刻在紙上畫出當(dāng)前所有危險區(qū)域。同時，我們將隱形的車輛全部設(shè)置可見，用于驗證參與者所畫出潛在危險區(qū)域的正確性。通過匹配的準(zhǔn)確度來判斷該應(yīng)用的可行性并記錄下參與者出現(xiàn)錯誤判斷的原因。

圖4 單區(qū)域障礙設(shè)置

圖5 多區(qū)域障礙設(shè)置

任務(wù)推測的準(zhǔn)確度如表2所示，從實驗結(jié)果可以看出，參與者基本可以通過觸感迅速估計出潛在危險的區(qū)域。在單區(qū)域障礙中，參與者們正確判斷該區(qū)域的平均準(zhǔn)確率為81.5%。在多區(qū)域障礙中，參與者們正確判斷這些區(qū)域的平均準(zhǔn)確率為84.5%(實驗中的一些對比圖如圖7所示)。

表2 任務(wù)推測準(zhǔn)確度結(jié)果

圖6 不同原因?qū)е洛e誤判斷的比率

我們也對產(chǎn)生錯誤的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在單點區(qū)域障礙中，主要由兩種原因構(gòu)成。第一種是標(biāo)記于相鄰區(qū)域，由于只有單個推桿，觸摸過程中缺乏參照物，推桿伸出長度的不同導(dǎo)致判斷錯誤，由此導(dǎo)致的錯誤標(biāo)記占總錯誤率的87.6%。第二種是標(biāo)記于錯誤區(qū)域，主要是不善于在紙上把握距離而造成的。盡管參與者已經(jīng)通過觸覺判斷了相近的位置，但標(biāo)記在錯誤區(qū)域，由此造成的錯誤標(biāo)記占總錯誤率的12.4%。

(a)

(b)

(c)

(d)圖7 多區(qū)域存在障礙檢測中行車位置與推桿排列形狀

在多區(qū)域障礙中，總結(jié)出三種錯誤原因。第一種是參與者標(biāo)記于相鄰區(qū)域，通過分析，參與者最容易做出錯誤判斷的是將C、D、I和J(車身的左右兩側(cè))區(qū)域標(biāo)注在B、E、H和K，這些錯誤數(shù)量占總數(shù)的47.5%。第二種為參與者遺漏部分標(biāo)記，當(dāng)車身一側(cè)較近和另一側(cè)較遠(yuǎn)距離處有潛在危險時，由于推桿伸出的高度差設(shè)置過大，而指腹變形量有限，參與者無法同時摸到高低兩個推桿導(dǎo)致該錯誤的發(fā)生，由此導(dǎo)致的錯誤標(biāo)記占總錯誤率的42.5%。第三種是錯標(biāo)于其他不相鄰的區(qū)域，約占整體錯誤率的10%。

4 結(jié)論和展望

(1)實驗結(jié)果表明，無論參與者是否發(fā)現(xiàn)車身周圍的障礙物(潛在危險)，觸覺提示裝置都能夠穩(wěn)定的、實時的提供潛在危險的距離和方向，產(chǎn)生相應(yīng)的觸覺刺激于用戶指尖，也表明我們提出的觸覺預(yù)警方案對用戶有較強(qiáng)的可接受性和作用效果。

(2)實驗中，由于參與者無法看到設(shè)置的隱形車輛，全憑觸覺反饋進(jìn)行區(qū)域的判斷就能達(dá)到較高的準(zhǔn)確率?，F(xiàn)實生活中，若駕駛者憑借觸覺結(jié)合已有的視覺、聽覺提示，能解決單一提示下響應(yīng)時間、判斷誤差以及噪音等因素，會更加準(zhǔn)確的定位潛在危險的位置，會帶來更好的提示效果[12]。

(3)本文的結(jié)果可應(yīng)用于汽車安全輔助系統(tǒng)研究，也為其它行車預(yù)警系統(tǒng)人機(jī)交互方式提供一定的參考。

本文驗證了觸覺提示用于車輛行駛中為用戶提供實時環(huán)境安全預(yù)警的可行性，并表明駕駛員可以使用觸覺提示較準(zhǔn)確的判斷車身周圍的環(huán)境，而不僅僅依賴于傳統(tǒng)的視覺和聽覺提示。在僅憑借觸覺提示下，對障礙物(潛在危險)的判斷準(zhǔn)確率達(dá)到81.5%以上。在未來的工作中，我們將會改進(jìn)觸摸方式，使用左右手同時觸摸，并將推桿安裝在方向盤上。這將會增加觸覺信息感知的準(zhǔn)確性并為用戶帶來更好的提示效果。