自動駕駛車輛暈動癥研究綜述*

高振海 金勵辛 高菲 趙睿 張?zhí)飕?/p>

（吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

主題詞：自動駕駛 暈動癥 感覺沖突 客觀測量 運動算法優(yōu)化

1 前言

暈動癥（Motion Sickness，MS）是一種常見病癥，在醫(yī)學上表示人體暴露在刺激性的運動環(huán)境中時，出現(xiàn)面部蒼白、出冷汗、胃部不適、頭暈、惡心以及嘔吐等反應。暈動癥持續(xù)時間為幾分鐘至數(shù)小時，通常不會對人體造成嚴重的健康危害，但癥狀嚴重時可能出現(xiàn)由感覺系統(tǒng)或中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙引起的平衡器官衰竭、脫水以及礦物質平衡紊亂等現(xiàn)象。

車輛乘員暈動癥問題由來已久，Turner 和Griffin通過使3 256名乘客乘坐由不同駕駛員在不同路線上駕駛的56 輛公交車，對乘客的個體特征、外部視野、乘車活動、乘坐規(guī)律以及使用抗暈動癥藥物的影響進行調查，結果表明，在乘車時，有28.4%的乘客感到不適，12.8%的乘客感到惡心，1.7%的乘客嘔吐。

隨著車輛智能化研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)自動駕駛車輛中暈動癥的發(fā)生率和嚴重程度進一步增加。Sivak和Schoette在美國、中國、印度、日本、英國和澳大利亞針對成年人在乘坐自動駕駛汽車時參與的活動進行調查，并分析乘客參與的活動對暈動癥發(fā)生率和嚴重程度的影響。結果顯示，暈動現(xiàn)象多發(fā)生在行駛過程中看書或盯著小屏幕時，超過40.25%的乘客在乘坐自動駕駛車輛時會進行閱讀、發(fā)信息、看電視、工作、玩游戲等不觀察道路條件的活動。其中有14%的乘客經(jīng)常經(jīng)歷暈動癥，17%的乘客會經(jīng)歷中度或嚴重的暈動癥，與傳統(tǒng)車輛相比，暈動癥的發(fā)生率增加了17.24%。

乘客評判自動駕駛出行服務優(yōu)劣的標準除了安全到達目的地外，最重要的是乘坐舒適性。因此，自動駕駛車輛暈動癥的研究對于自動駕駛出行服務的普及與服務水平的提升具有重要意義。

本文介紹自動駕駛車輛暈動癥的發(fā)生機理和測量方法，并從感覺線索獲取和運動算法優(yōu)化2個方面討論其減緩方法，最后提出現(xiàn)有研究的不足，并對自動駕駛車輛暈動癥研究的未來方向進行展望。

2 自動駕駛車輛暈動癥發(fā)生機理

2.1 暈動癥發(fā)生機理

國內(nèi)外研究者提出了若干學說來解釋暈動癥的發(fā)生機理。中樞神經(jīng)遞質功能失調假說認為，乙酰膽堿、組胺、5-羥色胺以及去甲腎上腺素等中樞神經(jīng)遞質出現(xiàn)功能失衡導致暈動癥的發(fā)生。耳石不對稱假說認為，位于耳石內(nèi)的位覺砂由于機體兩側的耳石出現(xiàn)功能不對稱而發(fā)生質量變化引發(fā)暈動癥?；蜻z傳假說認為，α2-腎上腺素能受體的單核苷酸多態(tài)性導致了不同個體對刺激性運動產(chǎn)生差異性自主反應。內(nèi)分泌功能異常假說認為，機體產(chǎn)生暈動癥往往與應激反應有關，而應激反應通常會引發(fā)內(nèi)分泌系統(tǒng)內(nèi)物質的變化，如生長激素、血管活性腸肽、皮質醇及精氨酸加壓素等。

感覺沖突假說被廣泛接受。早期，Held通過試驗研究證明了機體的主動運動在暈動癥過程中的重要性，為暈動癥發(fā)生機理模型提出了一個假想的結構元件，稱為“相關存儲器”，用來保留中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制身體運動時發(fā)出的控制指令與身體執(zhí)行指令后感覺系統(tǒng)感知到的感覺信息之間的組合痕跡，并提出“感官重排”這一概念，用來描述一個或多個感覺器官感知到的感覺信息被系統(tǒng)地扭曲的運動情境。

在此基礎上，Reason提出了感覺沖突假說，將暈動癥定義為人體各種感覺器官感知到的信息不一致導致機體不協(xié)調而引發(fā)的運動反應。當機體受到異常的運動刺激時，其前庭系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)與本體感受器感知到的運動信息互相矛盾，引起半規(guī)管感知到的旋轉加速度和耳石感知到的線性平移加速度（包括重力）之間的前庭內(nèi)沖突，沖突持續(xù)時間足夠長并且強度足夠大，就會導致暈動癥的發(fā)生。

經(jīng)過進一步的研究與完善，感覺沖突假說發(fā)展為除了感覺系統(tǒng)感知的運動信息相互矛盾，視覺、動覺以及位置覺等實際傳入的感覺信息和人體根據(jù)以往經(jīng)驗所預期的感覺信息之間的差異也會引發(fā)感覺沖突，模型結構如圖1 所示。人腦中存在“神經(jīng)存儲器”用來儲存以往的運動經(jīng)驗，人體在主動運動或被動運動時，將眼睛和前庭器官等傳入的感覺信息與神經(jīng)存儲器中的經(jīng)驗信息進行對比，二者之間的差異即為引發(fā)暈動的感覺沖突。同時，感覺沖突信號也被反饋給神經(jīng)存儲器，用于更新經(jīng)驗信息，以幫助人體適應當前的運動刺激。人體自主控制運動時，神經(jīng)存儲器中的經(jīng)驗信息與傳入的感覺信息將更快地匹配，產(chǎn)生的刺激或沖突較小。

圖1 感覺沖突假說定性模型

通過引入控制理論的思想，Oman對Reason提出的感覺沖突假說進行了細化，模型結構如圖2所示。將人體視為控制系統(tǒng)，其中大腦與肌肉等控制身體各部分的運動，眼睛和前庭器官等感知身體運動狀態(tài)，同時人腦中存在身體各部分的經(jīng)驗模型，即“內(nèi)部模型”，用于估計身體運動狀態(tài)。實際感知的感覺傳入與內(nèi)部模型估計的感覺傳入之間的差異即為引發(fā)暈動的感覺沖突。感覺沖突反饋至內(nèi)部模型，以提高運動估計精度。人體自主控制運動時，內(nèi)部模型將模擬控制指令下的預期運動，對未來的感覺傳入進行額外的預測，更快地減小感覺沖突。當外力引起的運動擾動使沖突無法消除時，暈動癥嚴重程度就會加劇。

圖2 基于內(nèi)部模型假設的感覺沖突假說定性模型

Oman和Cullen在人體大腦中發(fā)現(xiàn)了與感覺沖突假說中的元件相對應的區(qū)域，驗證了假說的有效性。與存儲以往經(jīng)驗的“內(nèi)部模型”相對應的是具有記憶存儲功能的海馬體和前庭皮質區(qū)域，與感覺沖突神經(jīng)元相對應的是接收各種傳入感覺信息的前庭核和小腦神經(jīng)元。

Bles 和Bos 等人在感覺沖突假說的基礎上提出了更為簡化的主觀垂直沖突（Subjective Vertical Conflict，SVC）假說，將感覺沖突簡化為主觀（或內(nèi)部模型預測）的垂直或重力方向與實際感知到的垂直或重力方向之間的差異，簡化后的結構模型如圖3 所示。其中，LP 為將重力加速度與其他加速度分離的低通濾波器。SVC假說認為，以往經(jīng)驗中重力加速度的大小和方向是不變的，人體傾向于通過重力加速度來判斷姿態(tài)的變化，實際感知的重力加速度與預期的重力加速度之間的差異即為引發(fā)暈動的感覺沖突。SVC假說還認為，內(nèi)部模型不僅在人體自主控制運動時能預測感覺傳入，當人體被動運動時，若能根據(jù)視覺、聽覺等感覺信息預測運動，內(nèi)部模型也能被激活，對感覺傳入進行預測。

圖3 簡化后的SVC假說定性模型

2.2 自動駕駛車輛暈動癥發(fā)生機理

自動駕駛車輛中駕駛員角色的轉變、自動化的駕駛風格以及乘客乘車行為姿態(tài)的改變，都將導致乘員暈動癥發(fā)生率和嚴重程度的增加。

隨著自動駕駛車輛自動化級別的提高，駕駛員轉變?yōu)槌丝?，自動化的駕駛風格，尤其是急加速、急減速與急轉彎等駕駛行為，使乘客經(jīng)歷不習慣的運動刺激。Griffin 等人針對地面車輛的運動加速度刺激，以水平方向為主，對受試者施加水平方向上不同頻率與幅值的加速度刺激進行暈動測試。結果表明：在相同頻率下，暈動癥發(fā)生率隨運動刺激幅值的增加而增加；在相同幅值下，暈動癥發(fā)生率隨運動刺激頻率的增加先增加后減小，并在0.03～0.25 Hz達到峰值。根據(jù)感覺沖突假說，若車輛駕駛行為給乘客施加低頻加速運動等人體不習慣的運動刺激，根據(jù)以往經(jīng)驗進行運動估計的內(nèi)部模型所預期的運動信息與實際感知的運動信息將出現(xiàn)較大差異，從而產(chǎn)生易引發(fā)暈動癥的感覺沖突。同時，已有研究指出，同乘一輛車時，乘客通常比駕駛員更易患暈動癥。Rolnick 和Lubow針對駕駛員與乘客暈動癥發(fā)生率的不同進行試驗研究，將22 對受試者暴露在刺激的旋轉運動中，每一對受試者中的一人可以控制旋轉運動和頭部運動，另一人只能被動地進行相同的旋轉運動和頭部運動。結果表明，被動運動組暈動癥的發(fā)生率比控制運動組暈動癥的發(fā)生率提高了78%。根據(jù)感覺沖突假說，駕駛員通過控制車輛運動能夠對未來的運動軌跡進行預測，可以更快地減小內(nèi)部模型預期感覺傳入與實際感覺傳入的感覺沖突，而乘客無法控制運動，使得感覺沖突存在時間較長或無法消除，暈動癥的發(fā)生率和嚴重程度提高。

大多數(shù)乘客在乘坐自動駕駛車輛時選擇進行閱讀、看電視、工作等將視線集中于車內(nèi)顯示器的活動，為便于乘客間的交流，自動駕駛車輛中通常會設置可旋轉的座椅，乘客乘坐時可朝向側方或背離行駛方向。Cowings 和Toscano 等人的試驗結果表明，受試者在車輛行駛過程中觀看顯示器，暈動癥發(fā)生率提高。根據(jù)感覺沖突假說：若車輛以恒定速度行駛，前庭系統(tǒng)感知到身體處于靜止狀態(tài)，與注視車內(nèi)靜態(tài)場景或觀看靜態(tài)圖像的顯示器時視覺系統(tǒng)感知到的靜止景象一致，產(chǎn)生感覺沖突引發(fā)暈動癥的可能性并不大；而在以恒定速度行駛的車輛上觀看具有動態(tài)內(nèi)容的顯示器，或視線集中于靜態(tài)場景時車輛速度發(fā)生變化，前庭系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)感知到的運動不一致，就會產(chǎn)生易引發(fā)暈動癥的感覺沖突。同時，這些非駕駛活動場景都將使乘客無法充分獲取關于前方道路的視覺信息。Feenstra 和Bos 等人針對視覺信息預測未來運動軌跡的有效性，在駕駛模擬器中進行暈動測試，結果表明行駛軌跡未知時受試者的暈動癥發(fā)生率提高了4 倍。根據(jù)SVC假說，乘客在被動運動的情況下無法獲取充分的視覺信息以預測未來運動軌跡，使得感覺沖突持續(xù)時間較長或無法消除，暈動癥的發(fā)生率和嚴重程度提高。

3 自動駕駛車輛暈動癥測量方法

自動駕駛車輛中個體患暈動癥嚴重程度的差異與運動刺激和個體暈動癥易感性等因素有關。評價個體暈動癥易感性強弱與測量個體暈動癥嚴重程度的方法分為主觀測量法和客觀測量法。

3.1 主觀測量法

主觀測量法主要有問卷調查法和癥狀診斷法。

目前使用最廣泛的調查問卷是Golding提出的暈動癥易感性問卷（Motion Sickness Susceptibility Questionnaier，MSSQ）。MSSQ 根據(jù)個體在兒童時期和成人時期是否會在乘坐交通工具或者游樂設施時發(fā)生暈動癥癥狀，以及癥狀發(fā)生的頻率和嚴重程度，利用計算公式對個體暈動癥易感性進行量化。Meschtscherjakov 和Strumegger 等人針對21～60 歲的人群進行了廣泛的MSSQ問卷調查研究，結果顯示，受試人群MSSQ評分范圍為28.6～100，均值為77.85。MSSQ通常在運動試驗前使用，以了解受試者易感性的整體水平，判斷所選受試者是否具有群體代表性。

常用的調查問卷還包括暈動癥評估問卷（Motion Sickness Assessment Questionnaire，MSAQ）和痛苦程度量表（Misery Scale，MISC）。MSAQ 分為胃腸道（胃部不適、惡心）、中樞（昏厥、頭暈）、外圍（冷汗、發(fā)熱）、睡眠（困倦、疲勞）4個方面，由16個問題組成，通過受試者對各癥狀從1分（完全沒有）到9分（嚴重）的評分，評估暈動癥的嚴重程度。MSAQ 通常在試驗開始前和結束后使用，以評估試驗的有效性，但無法記錄試驗過程中癥狀的變化情況。MISC 則允許在試驗期間的不同時間點使用，以11分制衡量暈動癥的嚴重程度，通常在受試者的評分達到6時停止運動刺激。

癥狀診斷法通過觀察暈動癥患者的臨床癥狀和表現(xiàn)評定患者的暈動癥嚴重程度。早期只通過嘔吐的癥狀來診斷暈動癥，目前的診斷量表通過患者的各種癥狀和體征進行綜合診斷。

主觀測量法因實施方便、成本低、有效性高被廣泛采用，但多用于試驗開始前和結束后，無法記錄暈動癥嚴重程度隨時間的推移而可能存在的非線性變化。

3.2 客觀測量法

客觀測量法通過測量個體的各種生理信號與指標反映該個體暈動癥的嚴重程度，并評價其暈動癥易感性。

前庭-眼動反射（Vestibulo-Ocular Reflex，VOR）是目前臨床上測量暈動癥嚴重程度的比較常用的方法。前庭器官是與視覺有關的主要器官，前庭器官與單突觸和多突觸動眼神經(jīng)核聯(lián)系、小腦與各種中樞聯(lián)系時，前庭半規(guī)管的神經(jīng)活動影響動眼肌的收縮與放松活動。

胃電圖（Electrogastrogram，EGG）用于檢測暈動癥發(fā)生后的胃部活動變化，Hu 和McChesney 等人發(fā)現(xiàn)EGG活動增加，即胃節(jié)律失常，是反映暈動癥癥狀嚴重程度最敏感的生理指標。

心率變異率（Heart Rate Variability，HRV）用于檢測暈動癥發(fā)生后交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的活動性。Ishii和Igarashi等人發(fā)現(xiàn)在前庭-視覺沖突情境下，通過交感神經(jīng)活動引起的心率變化增加。Lin和Jung等人通過檢測HRV證明暈動癥嚴重程度的增加會提高交感神經(jīng)活性，降低迷走神經(jīng)活性。

Gruden 和Popovic 等人通過EGG 與HRV 信號測量暈動癥的嚴重程度，結果表明，在駕駛模擬器運動過程中，EGG與HRV信號幅值隨運動刺激的增加而增加，但與對照組差異并不顯著，沒有達到統(tǒng)計學意義。Schartmuller 和Riener通過EGG 信號測量暈動癥的嚴重程度，結果表明，一段時間內(nèi)檢測到的EGG信號幅值增加可以作為準確的短時指標，但試驗前測和試驗后測的信號幅值差異并不顯著，不具有統(tǒng)計學意義。

客觀測量法通常需要測量VOR、EGG 與HRV 等參數(shù)的組合，無法只使用一個有效的生理參數(shù)準確地表征暈動。而且生理信號易受到噪聲與受試個體的影響，測量結果難以實現(xiàn)統(tǒng)計學意義。

4 自動駕駛車輛暈動癥減緩方法

減緩自動駕駛車輛暈動癥的關鍵在于減少易引發(fā)暈動癥的感覺沖突。目前減緩自動駕駛車輛暈動癥的方法分為感覺線索獲取與運動算法優(yōu)化。

4.1 感覺線索獲取

感覺線索包括視覺線索、聽覺線索、觸覺線索等。有關視覺線索的研究最為廣泛。根據(jù)感覺沖突假說，視覺系統(tǒng)與前庭系統(tǒng)感知到的運動一致時，能夠避免產(chǎn)生易引發(fā)暈動癥的感覺沖突。密歇根大學的研究團隊提出防暈車眼鏡架，在乘客的視覺邊緣設置4個含有色液體的圓環(huán)，當車輛進行加速、制動、轉彎、顛簸等運動時，圓環(huán)內(nèi)液體隨之流動。Bos和MacKinnon等人提出在顯示器周圍施加與車輛運動一致的視覺刺激，或控制顯示器的位置與車輛運動同步，以提供與車輛運動相一致的穩(wěn)定圖像。同時，根據(jù)SVC 假說，通過視覺線索獲取未來運動軌跡信息時，能夠更快地減小或消除感覺沖突。Diels和Bos等人提出將顯示器定位在窗口附近，使乘客在利用中心視覺查看顯示內(nèi)容的同時，利用周邊視覺獲取路徑信息，并且限制顯示器的尺寸以提供足夠的外圍視覺信息，或使用增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）顯示器，將顯示內(nèi)容疊加在前方道路的視圖上。Meschtscherjakov 和Strumegger 等人提出，在車內(nèi)使用有機發(fā)光二極管（Oganic Light Emitting Diodes，OLED）等照明技術，通過不同的燈光顯示，提示車輛即將進行的操作。Winkel和Pretto 等人提出設計與車輛運動路徑相一致的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）游戲的方法。

除了視覺線索，聽覺線索與觸覺線索等也能達到提供未來運動軌跡信息的目的。與視覺線索相比，當乘客在進行閱讀、看電視等以視覺任務為主的非駕駛活動時，獲取非視覺線索所需的注意力更少。Kuiper 和Bos等人提出在車輛運動前通過車內(nèi)音頻向乘客告知車輛即將進行的操作。Yusof 和Karjanto 等人提出在乘車時穿戴裝有電機的袖套，通過不同的振動模式，提示車輛即將進行的操作。優(yōu)步（Uber）研究團隊提出車內(nèi)感官模擬系統(tǒng)，通過AR技術將車外環(huán)境信息呈現(xiàn)在車內(nèi)，并在車輛加速、減速和轉彎時給出相應的氣流以同步乘客的體感信息。

4.2 運動算法優(yōu)化

運動算法優(yōu)化包括運動規(guī)劃算法優(yōu)化與運動控制算法優(yōu)化。

通過優(yōu)化自動駕駛車輛運動規(guī)劃算法，可在完成特定行駛目標的同時，選取最小化乘客暈動癥發(fā)生率的行駛方案。Waymo研究團隊針對車輛在擁堵路段行駛時急加速、緊急制動行為較多的問題，提出根據(jù)備選路徑擁堵情況判斷暈動癥發(fā)生率的算法，選擇暈動癥發(fā)生率最小的路徑，并通過顯示面板與乘客交流，獲取乘客的暈動反饋以及時調整駕駛風格。Htike和Papaioannou等人基于不同頻率的加速度刺激對暈動癥發(fā)生率影響不同的現(xiàn)象，提出了對任意路徑規(guī)劃最優(yōu)加速度軌跡的最優(yōu)控制算法，最小化固定行駛時間內(nèi)乘客的暈動癥發(fā)生率。通過優(yōu)化自動駕駛車輛運動控制算法，優(yōu)化車輛加速度信號、制動信號、前輪轉角等運動控制參數(shù)，以避免急加速、急減速與急轉彎等刺激性駕駛行為。Saruchi 和Mohammed 等人基于彎道行駛時車輛橫向加速度與乘客頭部傾斜角度相關性，針對暈動癥發(fā)生率隨頭部傾斜角度增加而提高的現(xiàn)象，提出根據(jù)車輛橫向加速度預測乘客頭部傾斜角度、通過調整車輛前輪轉角降低乘客暈動癥發(fā)生率的算法。

5 結束語

本文從自動駕駛車輛暈動癥發(fā)生機理、測量方法和減緩方法3個方面展開，通過分析近年來的相關文獻，對現(xiàn)有的理論、方法與技術進行了總結，得到如下結論和展望：

a.目前自動駕駛車輛暈動癥發(fā)生機理的研究多建立在感覺沖突假說與SVC假說定性模型的基礎上，且多為人體感覺系統(tǒng)生理模型，缺乏結合易引發(fā)暈動癥的車輛運動特性的定量模型，無法對乘客暈動程度進行量化。探究自動駕駛車輛運動狀態(tài)對乘客暈動癥的作用機制與定量關系，建立感覺系統(tǒng)與車輛動力學系統(tǒng)相聯(lián)合的暈動癥發(fā)生機理模型，將為減緩自動駕駛車輛暈動癥的研究奠定理論基礎。

b.目前在自動駕駛車輛暈動癥研究或試驗中采用的測量方法多為主觀測量法，存在隨機性與非實時性的問題，客觀測量法可以實時采集人體生理數(shù)據(jù)進行定量化評估，但穩(wěn)定性不高且測量體系不夠全面。進一步在大規(guī)模數(shù)據(jù)中統(tǒng)計分析人體發(fā)生暈動癥時生理信號的多模態(tài)特征與動態(tài)演變規(guī)律，并建立統(tǒng)一的自動駕駛車輛暈動癥客觀測量標準，將對自動駕駛車輛暈動癥減緩技術的發(fā)展起到較大的推動作用。

c.目前減緩自動駕駛車輛暈動癥的方法多為視野范圍、注視方向、車內(nèi)環(huán)境與座艙布置的優(yōu)化，有效但并不只針對自動駕駛車輛，在傳統(tǒng)車輛中同樣能達到減緩暈動癥的目的。結合自動駕駛車輛運動狀態(tài)可控的特點，優(yōu)化自動駕駛車輛運動算法主動減緩暈動癥的研究較少，且大多數(shù)研究未通過實車或人體試驗驗證有效性。優(yōu)化自動駕駛車輛運動規(guī)劃算法與運動控制算法，使車輛在保證行駛安全性和操縱穩(wěn)定性的同時達到最優(yōu)運動狀態(tài)，改善車輛對乘客的運動刺激以降低乘客暈動癥發(fā)生率，將是自動駕駛車輛暈動癥減緩技術的未來發(fā)展方向。

自動駕駛車輛暈動癥研究的發(fā)展與完善，將對改進自動駕駛車輛算法和提升乘坐舒適性起到推進作用，提高大眾對自動駕駛出行服務的認可程度，促進自動駕駛出行服務的正向發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。