基于DALI量表的觸覺提示車載導航的設計研究

摘 要：隨著智能座艙各項技術的飛速發展，車內的多項任務占據了駕駛員的視聽通道，導致傳統的語音導航的交互效果下降，駕駛負荷升高。而空閑的觸覺通道可以起到補充交互的效果。本研究就基于DALI負荷量表進行觸覺提示導航的設計研究，驗證了觸覺提示加入有助于降低導航交互過程中的駕駛負荷，為更多模態的導航設計提供了思路和參考。

關鍵詞：振動觸覺 駕駛負荷 導航交互

1 研究概述

1.1 車載觸覺設備

觸覺作為非視覺器官之一，配合人體表面（如皮膚）這個巨大的觸覺接收器，是我們與周圍世界相互聯系的重要媒介。聚焦到車內的交互活動，駕駛員在車內查看手機、交談、聽音樂等活動均會占用司機的聽覺和視覺注意力，導致駕駛安全問題[1-2]。在視聽模態都被占用的情況下，觸覺模態的使用可以減輕試聽負擔，提高交互可靠性和安全性[3]。

車載觸覺設備一般是圍繞車輛本身以及駕駛位進行設置的，并且觸覺刺激的形式多樣，但目前依然以較容易實現的振動觸覺為主[4]。在這些觸覺可以傳達的信息中，導航信息是重點研究的對象之一。Asif等[5]提出了一種可穿戴式觸覺腰帶，編碼后向駕駛員展示方向信息。Van Erp等[6]、Hogema[7]、Hwang[8]等人都是將觸覺振動模塊固定在座位置，通過致動器矩陣的不同振動編碼形式，將提示信息傳遞給駕駛員。Kern等[9]、MedeirosWorld等[10]、Hwang[11]通過觸覺方向盤上振動電機為駕駛員提供導航信息。

1.2 DALI駕駛負荷量表

駕駛負荷這個概念是用來描述駕駛員駕駛過程中的總體負荷，主要包括腦力和體力負荷[12]。其中NASA-TLX任務負荷測量表是使用最廣、最受歡迎的方法之一，該量表起初是為了評估航空領域的飛行員工作量而設計的[13-14]。DALI（駕駛活動負荷指數）是NASA-TLX的修訂版，專門適用于駕駛任務，能夠更好地評估駕駛工作的腦力負荷。DALI的基本原則與NASA-TLX相同，不同的是修改了因素的定義適應駕駛工作。具體各項條目說明見附件1[15]，評分量表見表1。

使用者首先針對每個分條目進行打分，再將各個分量一對一比較，選擇每對中更有壓力的一項，共15對。數據處理時根據每個負荷分量被選中的次數將決定該分量在計入總負荷值時的占比，從而加權后計算得到每名被試的總駕駛腦力負荷值[16]。本研究將使用DALI進行主觀等級量表測量被試的駕駛腦力負荷。

2 觸覺提示導航交互實驗

2.1 實驗目的與對象

為了研究觸覺模態的加入在駕駛導航場景下對駕駛員腦力負荷的影響。本研究通過模擬陌生路段使用導航的場景，對比傳統語音導航和添加觸覺提示導航，來探索觸覺交互在車載環境下更大的可用性。本研究共招募被試者20人，年齡為20-25歲。本次研究利用對比實驗，設置未加入和加入觸覺提示的兩組實驗，加入觸覺提示的一組為實驗組，對比后得出相應的實驗結論。

2.2 實驗平臺搭建

本次實驗的平臺搭建主要分為駕駛模塊、語音導航模塊以及觸覺交互模塊。

駕駛模塊由兩部分構成，硬件部分用到易星駕駛模擬器，其中包含了方向盤、剎車踏板、離合踏板、油門踏板、手剎、換擋器等部分，模擬真實的駕駛操作；軟件部分為“墨泥模擬駕駛軟件3.3.5版本模擬駕駛系統。語音導航模塊利用訊飛快讀語音生成平臺，參考高德地圖提示語句，生成語音文件，并利用手機進行播放。觸覺交互模塊的核心為馬達的選擇及其參數的設定。振動馬達是在可穿戴設備中最常見的實現振動的模塊，本實驗選用了常見的低分辨率1227DC紐扣式振動馬達。

馬達各項振動參數的設定見表2。有研究顯示，多數振動觸覺裝置振動持續的時間為50ms至500ms，若能保持在80ms至320ms之間，觸覺感受會更好[17-18]。另外，Kaaresoja等人研究表明，當將振動作為警示信號的時候，選擇將持續時間設定在50ms ～ 200ms之間效果更好。故，本次實現設定的馬達單次震動時間t1=200ms[19]。有實驗顯示，人對于觸覺的識別率會隨著振動數量的增加而降低，為即保證識別率又不使時長過長，設定周期內振動次數n=2。對于振動的時間間隔的設定，有實驗顯示，識別準確率隨著時間的減少而下降，當時間短于70ms時，識別準確率快速下降，故本文選擇t2=70ms，即可以保證較高的識別率，又可以在時間上提供較快的觸覺表達效果。

本次實驗，為了消除由于被試者駕駛操作習慣不同而導致感受到的振動幅度與強度不同，選擇將兩個振動馬達固定在被試者的手背。兩個馬達將會呈現三種振動形式，即左右手馬達單獨振動以及雙手馬達同時振動。三種振動形式也將對應導航時的三種語音提示和駕駛操作，具體振動形式與操作對應關系如表3。使用STM32單片機設置馬達各項振動參數來達到設計效果，馬達固定方式和實物圖見圖1。

2.3 實驗任務

本次研究要求每位被試先后完成T1、T2兩個實驗任務。兩個實驗均為在陌生路段利用語音導航到達目的地，不同的是實驗任務T2加入了觸覺振動模塊進行輔助提醒。兩個實驗的具體路線與操作規劃如表4。

首先被試完成實驗任務T1，結束后，請被試立即填寫《T1 DALI駕駛負荷評價量表》，然后請被試獨立完成實驗任務T2，任務結束后，請被試立即填寫《T2 DALI駕駛負荷評價量表》和《用戶實驗體驗調查問卷》。本研究中設計了用戶實驗體驗問卷，該問卷采用了五分李克特量表編寫，分為四個維度：振動提示的體驗感、實驗整體體驗感、對于觸覺提示導航的接受程度。每個維度下設置了3-4個題目進行測評。

除去DALI量表內的負荷分量，還要如實記錄每位被試實驗過程中每個路口變道操作的錯誤數目，以第一次變道操作為準。實驗結束后，對被試進行半開放式訪談。被試的駕駛操作會有視頻留存，以便后續分析，具體實驗過程記錄如圖2。

2.4 數據分析

2.4.1 DALI量表相關性分析

針對本次實驗的七個負荷分量以及總負荷值進行數據正態性檢驗，結果顯示，注意力需求、視覺需求、聽覺需求、時間需求、情景壓力與總負荷值均呈現正態性，錯誤數目與干擾兩個分條目呈現非正態性，經過相關性檢驗，結果顯示六個負荷分量以及錯誤數目均與總負荷值成顯著正相關關系（p＜0.05）。

2.4.2 觸覺提示的加入對各負荷分量的影響

對于觸覺提示的加入對各個負荷分量的影響展開研究，對T1和T2對應的正態性負荷分量開展配對樣本T檢驗，反之，則開展配對樣本Wilcoxon符號秩檢驗。

配對樣本T檢驗顯示，T2的注意力需求（p=0.021）和聽覺需求（p=0.000）顯著低于T1。根據Cohen's d值進行差異性進行量化分析，得出注意力需求差異幅度中等（Cohen's d=0.56），聽覺需求差異幅度非常大（Cohen's d=1.921）。另外，T2實驗條件下的總負荷值也顯著低于T1實驗條件（p=0.010），箱式圖見圖3。

T1錯誤數目，T2錯誤數目均不具備正態性特質，展開配對樣本Wilcoxon符號秩檢驗。結果eEtixxvVIgHfYgVmXnlDzA==顯示，T2實驗條件下被試錯誤數目顯著少于T2實驗條件。根據Cohen's d值進行差異性進行量化分析，得出其差異幅度非常大（Cohen's d=1.043）。

2.4.3 問卷數據分析

根據問卷針對振動提示的體驗感這一維度評分統計（圖5-a），題目的各自得分以及該維度的總分平均值均高于4，且題目得分在4以上的百分比均高于90%。說明本次實驗觸覺提示模塊設計合理，能夠使被試收獲很好的振動提示體驗感的同時，清晰感受并分辨不同的振動提示，且對于被試的駕駛操作的負面影響較小。

根據問卷針對實驗整體體驗感這一維度評分統計（圖5-b），題目的各自得分以及該維度的總分平均值均高于3。說明本次實驗設計合理，駕駛真實感良好，實驗操作門檻較低，容易上手，且實驗過程體驗感較好。

根據問卷針對加入觸覺提示導航的接受程度這一維度評分統計（圖5-c），題目的各自得分以及該維度的總分平均值均高于3。表明被試對于觸覺振動的提示方式普遍接受，絕大多數人有過誤解導航提示的經歷，且認為觸覺振動的加入能使導航提示更明確并表示愿意接受帶有觸覺提示的導航系統。

3 結論

根據本次實驗分析結果可知，負荷分量與測試總量之間呈現顯著正相關關系。觸覺提示的加入將在一定程度上使駕駛員的注意力需求和聽覺需求降低，即觸覺提示的加入有利于緩解駕駛員的注意力緊張狀態，并且分擔了聽覺通道的交互任務。但觸覺提示的加入沒有對視覺、情景壓力、干擾方面造成顯著性差異影響。另外，觸覺提示的加入將大幅度提高駕駛員的決策正確率，即對于導航提示的信息接受正確率得到大幅提高。觸覺提示的加入在一定程度上降低了總體駕駛負荷，即有利于降低駕駛員的駕駛過程中的腦力負荷。用戶體驗問卷中也收到用戶對于觸覺提示導航系統的接納和期待的態度。

本研究基于DALI駕駛負荷量表對帶有觸覺提示導航系統的使用進行了驗證，通過分析各個負荷分量以及操作錯誤次數的變化差異，驗證了觸覺提示導航的可用性以及對于降低駕駛負荷的優勢，為觸覺提示導航的設計研究提供了思路方法。

參考文獻：

[1]鄭紅麗，丁冠源，回姝，等.5G通信時代汽車智能座艙發展趨勢[J/OL].汽車文摘，2022（5）：

12-15.DOI：10.19822/j.cnki.1671-6329.20210163.

[2]杜曾宇，黃曉延，蒙錦珊.智能座艙的關鍵技術[J].時代汽車，2021（5）：143-144.

[3]王琦，李東江.創新中的產業跨越——簡析我國新能源汽車產業發展現狀[J/OL].汽車維護與修理，2022（21）：5-15.DOI：10.16613/j.cnki.1006-6489.2022.21.035.

[4]劉玉磊，馬艷陽，徐伯初，等.車載智能預警系統中的人機交互[J/OL].包裝工程，2020，41（18）：78-89.DOI：10.19554/j.cnki.1001-3563.2020.18.010.

[5]ASIF A， BOLL S. Where to turn my car？： comparison of a tactile display and a conventional car navigation system under high load condition[C/OL]//Proceedings of the 2nd International Conference on Automotive User Interfaces and Interactive Vehicular Applications. Pittsburgh Pennsylvania： ACM， 2010： 64-71[2024-05-22]. https：//dl.acm.org/doi/10.1145/1969773.1969786. DOI：10.1145/1969773.1969786.

[6]VAN ERP J B F， VAN VEEN H A H C. Vibrotactile in-vehicle navigation system[J/OL]. Transportation Research Part F： Traffic Psychology and Behaviour， 2004， 7（4-5）： 247-256. DOI：10.1016/j.trf.2004.09.003.

[7]HOGEMA J H， DE VRIES S C， VAN ERP J B，等.A tactile seat for direction coding in car driving： Field evaluation[J].IEEE Transactions on Haptics， 2009， 2（4）：181-188.

[8]HWANG J， CHUNG K， HYUN J，等. Development and Evaluation of an In-Vehicle Haptic Navigation System[M/OL]//PARK J H， KIM J， ZOU D， 等. Information Technology Convergence， Secure and Trust Computing， and Data Management： 卷 180. Dordrecht： Springer Netherlands， 2012： 47-53[2024-05-22]. http：//link.springer.com/10.1007/978-94-007-5083-8_8.

[9]KERN D， MARSHALL P， HORNECKER E， 等. Enhancing Navigation Information with Tactile Output Embedded into the Steering Wheel[M/OL]//TOKUDA H， BEIGL M， FRIDAY A， 等.Pervasive Computing：卷5538.Berlin， Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg， 2009：42-58[2024-05-22].http：//link.springer.com/10.1007/978-3-642-01516-8_5.

[10]MEDEIROS-WARD N， COOPER J M， DOXON A J， 等. Bypassing the Bottleneck： The Advantage of Fingertip Shear Feedback for Navigational Cues[J/OL]. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting， 2010， 54（24）： 2042-2047. DOI：10.1177/154193121005402405.

[11]HWANG S， RYU J hee.The Haptic steering Wheel：Vibro-tactile based navigation for the driving environment[C/OL]//2010 8th IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops （PERCOM Workshops）.IEEE， 2010：660-665[2024-05-22].https：//ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5470517/.

[12]檢索-中國知網[EB/OL].[2024-05-21].https：//kns.cnki.net/kns8s/defaultresult/index？crossids=YSTT4HG0%2CLSTPFY1C%2CJUP3MUPD%2CMPMFIG1A%2CWQ0UVIAA%2CBLZOG7CK%2CEMRPGLPA%2CPWFIRAGL%2CNLBO1Z6R%2CNN3FJMUV&korder=SU&kw=DALI%E8%B4%9F%E8%8D%B7.

[13]梁麗玲，趙麗，鄧娟，等.NASA-TLX量表的漢化及信效度檢驗[J].護理研究，2019（5）：734-737.

[14]辛甜，蔣利添，馬海軍，等.NASA-TLX主觀評測法的優化[J].科技創新導報，2018.

[15]PAUZIé A. A method to assess the driver mental workload： The driving activity load index （DALI）[J]. IET Intelligent Transport Systems， 2008， 2（4）： 315-322.

[16]李曼.中文版腦力負荷主觀評估量表在上海市社區醫師中信效度評估及應用[D].上海：復旦大學，2014.

[17]王坤赤.觸覺的頻率分辨機制研究[J].南通大學學報：自然科學版，2007，6（4）：67-70.

[18]WANG C， WANG D hui. Capacity and maintenance mechanism of vibrotactile working memory[J/OL]. Advances in Psychological Science， 2021， 29（7）： 1141-1148. DOI：10.3724/SP.J.1042.2021.01141.

[19]褚少微.振動觸覺的量化感知與觸覺文字編碼設計[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2019，31（6）：1046-1052.