高度自動駕駛接管觸覺警示研究

張澤權

摘 要：高度自動化駕駛系統(tǒng)能夠在一般路況下取代駕駛員控制車輛，但是駕駛員仍需要在自動系統(tǒng)遇到無法處理的情況時接管汽車的控制。當需要駕駛員的接管時，自動駕駛系統(tǒng)將會發(fā)出接管請求警示，請求駕駛員接管汽車。文章調(diào)研了高度自動駕駛接管的研究現(xiàn)狀，得出研究高度自動駕駛接管觸覺警示研究的建議。

關鍵詞：高度自動化；自動駕駛；接管；觸覺警示

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：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，隨著移動端處理器、網(wǎng)絡通信、大數(shù)據(jù)、機器人、傳感器等新技術的不斷發(fā)展，為汽車技術又帶來了一個新的發(fā)展方向——自動駕駛，也將對人類的生活方式產(chǎn)生極大的影響。

1 高度自動化汽車

自動駕駛技術是通過使用各種汽車傳感器分析道路的交通情況與環(huán)境，再通過車輛內(nèi)置的電子控制系統(tǒng)來控制汽車的行駛速度與方向，從而實現(xiàn)車輛的自動行駛此項技術有著劃時代的意義。

目前自動駕駛技術分為多個等級，目前國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界采用較多的為汽車工程師協(xié)會（SAE）和美國高速公路安全管理局（NHTSA）推出的分類標準。按照NHTSA的標準，自動駕駛汽車視智能化、自動化程度水平為5個等級：無自動化（L0）、駕駛支援（L1）、部分自動化（L2）、有條件自動化（高度自動化）（L3）、完全自動化（L4）[1]。詳細標準參加表1。本文參照NHTSA的定義，使用高度自動化汽車來表示第三階段有限自動駕駛汽車。

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

由于駕駛員在駕駛高度自動化汽車時不需要長時間的監(jiān)控汽車的自動化進程，因此在行駛中駕駛員可以進行非駕駛相關任務。而在當需要進行接管時，系統(tǒng)會發(fā)出接管請求警告，駕駛員接收到請求后，需要從非駕駛?cè)蝿諣顟B(tài)中轉(zhuǎn)移到駕駛?cè)蝿罩?。接管請求作為接管過程的第一步，需要能夠明確提醒到駕駛員的同時，還需要能夠幫助駕駛員保持情境意識，快速掌握路況信息，避免發(fā)生安全事故。

2 高度自動駕駛接管研究現(xiàn)狀

駕駛員在駕駛高度自動化汽車時，可能會由于長時間進行非駕駛相關任務，例如看視頻或玩游戲，導致情境意識下降，從而導致接管失敗而引發(fā)事故。因此接管請求警告不僅要使駕駛員接收到信號，而且還要幫助他們重新獲得情境意識。

進行非自動駕駛?cè)蝿盏鸟{駛員的接管步驟如下：

（1）將視覺注意力從當前非駕駛?cè)蝿罩修D(zhuǎn)移到行駛道路上。

（2）評估周圍的交通情況并決定如何控制車輛。

（3）手握住方向盤，腳踩剎車板，做好駕駛姿勢，恢復車輛的控制。

（4）通過方向盤或者踏板控制車輛來實現(xiàn)之前的決

策。

Kosinski 在一篇簡短的文獻綜述中說明了單次任務對視覺、觸覺和聽覺刺激的反應時間分別為190，155和150ms。因此，振動觸覺刺激似乎在反應時間方面與聽覺刺激同樣有效[2]。在另一項研究中，Mohebbi和Gray表明，通過觸覺刺激警告一名正在談話的司機比通過聽覺更有效。與視覺或聽覺刺激相比，觸覺刺激對汽車駕駛的影響較小。同時觸覺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，觸覺刺激與視覺或聽覺刺激相比，感知資源競爭較少。當視覺刺激不在駕駛員視野中時就可能會被忽略，而當駕駛員從事非駕駛聽覺任務時，聽覺刺激也可能會被忽略。因為駕駛員在駕駛高度自動化汽車時，很有可能會進行休息或打電話等非駕駛相關任務，從而錯過請求警告，因此傳統(tǒng)的視覺或聽覺通道的接管請求警告不適合高度自動化駕駛中的接管要求，而觸覺刺激是對視覺和聽覺通道的有效補充。

3 高度自動駕駛接管觸覺警示研究的建議

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

振動信息可以分為四個維度，即位置、振幅、持續(xù)時間和頻率，其中每個維度信息可以為靜態(tài)或者動態(tài)的。在汽車領域，振動主要用作警告裝置，警告分為兩種類型，即無方向性警告和方向警告，無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指示駕駛員應該注意的方向或位置。例如，可以通過振動腹部來警告前方的碰撞警報，振動駕駛員來警告后方的碰撞。有一些研究已經(jīng)使用振動的方向警告來支持司機的駕駛?cè)蝿?，例如當駕駛員越過車道時，在方向盤左側(cè)或右側(cè)提供振動警告，他們發(fā)現(xiàn)觸覺刺激的反應時間比視覺刺激更快[4]。

然而觸覺反饋也會產(chǎn)生抑制效應等的問題，Gallace等人的一項實驗表明，當參與者轉(zhuǎn)動方向盤時，他們對觸覺刺激的變化敏感度會下降。此外發(fā)動機的振動、不平坦的駕路面或者厚衣服，都可能會掩蓋振動觸覺警告[5]。同時，強烈的觸覺刺激也可能導致不適或疼痛，從而影響駕駛員的駕駛決策。

在進行高度自動駕駛接管觸覺警示研究時，建議使用150Hz-250Hz左右振動頻率的振動點擊進行實驗，使用線性諧振馬達在固定的頻率段上使用不同的振幅曲線來創(chuàng)造更加細膩的振動接管警示。可以使用手機線性諧振紐扣馬達來作為實驗電機，手機線性馬達頻率一般在200Hz左右，同時有著體積小，封裝好的優(yōu)點，同時成本低，控制器可以使用德州TI的觸覺驅(qū)動DRV2605LEVM-MD，可以同時控制8個線性馬達。

同時由于不同年齡、性別、個體、不同身體部位的振動敏感度不同，另外人體表面的振感還與振動電機與人體表面之間的媒介物的厚度、振動傳遞等因素有關，因此在實驗中也要充分考慮這些變量。使用振動刺激的人體部位需要不對駕駛行為產(chǎn)生影響，例如振動電機以可穿戴設備的形式戴在駕駛員手臂時，需要考慮是否會影響到駕駛員對汽車的控制。

汽車行駛時，路面不平產(chǎn)生的振動與車輛產(chǎn)生的振動，都會影響到駕駛員對振動警告的感知，因此在實驗中也要加入這些干擾因素，在行駛的車輛上或模擬汽車振動座椅上進行實驗。

參考文獻：

[1]倫一.自動駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].電信網(wǎng)技術，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.