Taktil vibrerende verktøykasse og kjøresimuleringsplattform for kjørerelatert forskning

Summary

Denne protokollen beskriver en kjøresimuleringsplattform og en taktil vibrerende verktøykasse for undersøkelse av kjørerelatert forskning. Et eksemplarisk eksperiment som utforsker effektiviteten av taktile advarsler, presenteres også.

Abstract

Kollisjonsvarslingssystem spiller en nøkkelrolle i forebyggingen av å drive distraksjoner og døsig kjøring. Tidligere studier har bevist fordelene med taktile advarsler i å redusere førerens bremseresponstid. Samtidig har taktile advarsler vist seg effektive i overtaksforespørsel (TOR) for delvis autonome kjøretøy.

Hvordan ytelsen til taktile advarsler kan optimaliseres er et pågående hett forskningsemne på dette feltet. Dermed introduseres den presenterte rimelige kjøresimuleringsprogramvaren og metodene for å tiltrekke seg flere forskere til å delta i undersøkelsen. Den presenterte protokollen er delt inn i fem seksjoner: 1) deltakere, 2) kjøring simulering programvarekonfigurasjon, 3) kjøring simulator forberedelse, 4) vibrerende verktøykasse konfigurasjon og forberedelse, og 5) gjennomføre eksperimentet.

I den forbildede studien brukte deltakerne taktil vibrerende verktøykasse og utførte en etablert bil-følgende oppgave ved hjelp av den tilpassede kjøresimuleringsprogramvaren. Frontkjøretøyet bremset midlertidig, og vibrerende advarsler ble levert hver gang frontkjøretøyet bremset. Deltakerne ble bedt om å reagere så raskt som mulig på de plutselige bremsene på frontkjøretøyet. Kjøredynamikk, for eksempel bremseresponstid og bremseresponshastighet, ble registrert av simuleringsprogramvaren for dataanalyse.

Den presenterte protokollen gir innsikt i utforskningen av effektiviteten av taktile advarsler på forskjellige kroppssteder. I tillegg til bil-følgende oppgave som er demonstrert i eksemplaret eksperiment, denne protokollen gir også alternativer for å bruke andre paradigmer til kjøring simulering studier ved å gjøre enkel programvarekonfigurasjon uten kodeutvikling. Det er imidlertid viktig å merke seg at på grunn av sin rimelige pris, kan kjøresimuleringsprogramvaren og maskinvaren introdusert her ikke være i stand til å konkurrere fullt ut med andre high-fidelity kommersielle kjøresimulatorer. Likevel kan denne protokollen fungere som et rimelig og brukervennlig alternativ til de generelle high-fidelity kommersielle kjøresimulatorer.

Introduction

Ifølge dataene som ble avdekket av Global Health Estimates i 2016, er trafikkskade den åttende årsaken til globale dødsfall, noe som fører til 1,4 millioner dødsfall over^{hele verden 1}. I år 2018 var 39,2 % av trafikkulykkene kollisjoner med motorvogner i transport, og 7,2 % av disse var bakkollisjoner. En løsning for å øke kjøretøy- og trafikksikkerheten er utviklingen av et avansert kjøreassistansesystem (ADAS) for å advare sjåfører med potensielle farer. Data har vist at ADAS i stor grad kan redusere hastigheten på bakkollisjoner, og det er enda mer effektivt når det er utstyrt med et automatisk bremsesystem². I tillegg, med utvikling av autonome kjøretøy, mindre menneskelig involvering vil være nødvendig for å kontrollere kjøretøyet, noe som gjør en take-over forespørsel (TOR) varslingssystem en nødvendighet når det autonome kjøretøyet ikke regulerer seg selv. Utformingen av ADAS og TOR-varslingssystemet er nå et viktig stykke teknologi for sjåfører for å unngå overhengende ulykker i løpet av få sekunder. Det eksemplet brukte en vibrerende verktøykasse sammen med en kjøresimuleringsplattform for å undersøke hvilket sted som ville generere det beste resultatet når et vibrottilt kontaktsystem har blitt brukt som et potensielt ADAS- og TOR-varslingssystem.

Kategorisert etter perseptuelle kanaler, det er vanligvis tre typer advarsel modaliteter, det vil si visuelle, auditive og taktile. Hver advarsel modalitet har sine egne fordeler og begrensninger. Når visuelle varslingssystemer er i bruk, kan sjåførene lide av visuell overbelastning³, noe som svekker kjøreprestasjoner på grunn av uoppmerksomhetsblindhet^4,5. Selv om et hørselslig varslingssystem ikke påvirker sjåførenes synsfelt, avhenger effektiviteten i stor grad av omgivelsene som bakgrunnsmusikk og andre lyder i kjøremiljøet^6,7. Situasjoner som inneholder annen ekstern auditiv informasjon eller betydelig støy kan derfor føre til uoversiktsomhet^8,9, noe som reduserer effektiviteten av et hørselsvarselssystem. Til sammenligning konkurrerer ikke taktile varslingssystemer med sjåførenes visuelle eller auditive behandling. Ved å sende vibrottile advarsler til drivere, overvinner taktile varslingssystemer begrensningene til visuelle og auditive varslingssystemer.

Tidligere studier viste at taktile advarsler kan være til nytte for sjåførene ved å forkorte bremseresponstiden. Det ble også funnet at taktile varslingssystemer gir et mer effektivt resultat over visuelle^10,11 og auditive^{12,13,14 varslingssystemer} i visse situasjoner. Begrenset forskning har imidlertid fokusert på å undersøke den optimale plasseringen for å plassere en taktil advarselsenhet. Ifølge sensorisk cortex hypotese¹⁵ og sensorisk avstandhypotese¹⁶, valgte den forbildede studien finger-, håndledds- og tempelområdene som eksperimentelle steder for å plassere en taktil advarselsenhet. Med den introduserte protokollen kan frekvensen og leveringstiden for en vibrerende advarsel, og intervaller mellom vibrasjoner av vibrerende verktøykasse, konfigureres for å passe til de eksperimentelle kravene. Denne vibrerende verktøykassen besto av en hovedbrikke, en spenningsregulatorbrikke, en multiplekser, en USB til Transistor-Transistor-Logic (TTL)-adapter, en metalloksid-halvleder felteffekttransistor (MOSFET) og en Bluetooth-modul. Antall vibrerende moduler kan også variere i henhold til forskernes behov, med opptil fire moduler som vibrerer samtidig. Når du implementerer vibrerende verktøykasse i kjørerelaterte eksperimenter, kan den konfigureres til å passe til de eksperimentelle innstillingene, samt synkroniseres med kjøreytelsesdata ved å revidere kodene for kjøresimuleringen.

Mens for forskere, gjennomføre et kjøreeksperiment på en virtuell plattform er mer gjennomførbart enn i den virkelige verden på grunn av risiko og kostnader involvert. For eksempel kan det være vanskelig å samle inn ytelsesindikatorer, og det er vanskelig å kontrollere miljøfaktorene som er involvert når eksperimenter utføres i den virkelige verden. Som et resultat, mange studier har brukt fast-base kjøring simulatorer kjører på PCer de siste årene som et alternativ til å gjennomføre on-road kjøring studier. Etter å ha lært, utviklet og forsket på i over 11 år i kjøreforskningsmiljøet, etablerte vi en kjøresimuleringsplattform med en ekte bil som består av en åpen kildekode-programvare for kjøring og et maskinvaresett, inkludert ratt og girkasse, tre pedaler, tre monterte projektorer og tre projektorskjermer. Med kjøresimuleringsprogramvaren støtter bare en enkelt skjerm, brukte den presenterte protokollen bare den sentrale projektoren og projektorskjermen til å gjennomføre eksperimentet.

Det er to store fordeler ved å bruke den presenterte kjøresimuleringsplattformen. En fordel med denne plattformen er at den bruker en åpen kildekode-programvare. Ved hjelp av den brukervennlige åpen kildekode-plattformen kan forskere tilpasse simulerings- og vibrerende verktøykasse for sine unike forskningsbehov ved å gjøre enkel programvarekonfigurasjon uten kodeutvikling . Ved å revidere kodene, forskere kan lage kjøring simuleringer som gir relativ troskap til virkeligheten med mange alternativer tilgjengelig på biltyper, veityper, motstand av rattet, lateral og langsgående vind turbulens, tid og brems hendelse program grensesnitt (APIer) for ekstern programvaresynkronisering, og gjennomføring av atferdsparadigmer som bil-følgende oppgave og N-Back oppgave. Selv om kjøring av kjørerelatert forskning i en kjøresimulator ikke fullt ut kan replikere kjøring i den virkelige verden, er data samlet inn gjennom en kjøresimulator rimelig og har blitt mye vedtatt av^{forskere 17,18}.

En annen fordel med den foreslåtte kjøresimulatoren er den lave prisen. Som nevnt tidligere, den introduserte kjøring simulering programvare er en åpen kildekode programvare som er tilgjengelig for brukere gratis. I tillegg er den totale kostnaden for hele maskinvareoppsettet i denne protokollen lavere sammenlignet med typiske high-fidelity kommersielle kjøresimulatorer. Figur 1 a og b viser hele oppsettet av to kjøresimulatorer med kostnaden fra $ 3000 til $ 30000. I motsetning, typisk high-fidelity kommersielle kjøring simulatorer (fast-base) vanligvis koster rundt $ 10.000 til $ 100.000. Med sin svært rimelige pris kan denne kjøresimulatoren være et populært valg, ikke bare for akademiske forskningsformål, men også for å gjennomføre^{kjøreklasser 19} og for demonstrasjon av kjørerelaterte^{teknologier 20,21}.

Figur 1: Et bilde av kjøresimulatorene. Begge kjøresimulatorene besto av ratt og girkasse, tre pedaler og et kjøretøy. (a) En $ 3000 kjøring simulator oppsett som brukte en 80-tommers LCD-skjerm med en oppløsning på 3840 × 2160. (b) En $ 30000 kjøresimulator oppsett som brukte tre monterte projektorer og tre projektorskjermer med en dimensjon på 223 x 126 cm hver. Projeksjonsskjermene ble plassert 60 cm over bakken og 22 cm fra forsiden av kjøretøyet. Bare den sentrale projektoren og projektorskjermen ble brukt til det nåværende eksperimentet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Kjøring simulering programvare og vibrerende verktøykasse i den foreslåtte metoden har allerede blitt brukt i tidligere studier av våre forskere^{22,23,24,25,26,27,28,29}. Denne selvutviklede vibrerende verktøykassen etter ISO-standarden³⁰ kan brukes i forskjellige^{felt 31,32} ved å justere vibrasjonsfrekvensen og intensiteten. Det er viktig å merke seg at en nyere versjon av vibrerende verktøykasse er utviklet og er innført i følgende protokoll. I stedet for å justere vibrasjonsfrekvensen ved hjelp av en justerbar spenningsadapter, er den nyere versjonen utstyrt med fem forskjellige vibrasjonsfrekvenser og kan justeres enklere ved hjelp av kodene i supplerende kodefil 1. Videre gir den presenterte kjøresimulatoren forskerne en trygg, billig og effektiv måte å undersøke ulike typer kjørerelatert forskning på. Dermed er denne protokollen egnet for forskningslaboratorier som har et begrenset budsjett og har et sterkt behov for å tilpasse eksperimentelle kjøremiljøer.

Protocol

MERK: Alle metodene som er beskrevet her er godkjent av Institutional Review Board (IRB) ved Tsinghua University og informert samtykke ble innhentet fra alle deltakerne. 1. Deltakere Gjennomføre en kraftanalyse for å beregne det nødvendige antall deltakere for rekruttering i henhold til eksperimentell design for å oppnå statistisk kraft. Balansere deltakernes kjønn under rekruttering så mye som mulig. Sørg for at deltakerne har gyldig førerkort og minst e…

Representative Results

Den eksemplariske studien rapportert i denne artikkelen gjennomført bil-følgende oppgave ved hjelp av kjøring simulator og vibrerende verktøykasse, som også har blitt publisert tidligere i et akademisk tidsskrift22. Det er bemerkelsesverdig at den eldre versjonen av vibrerende verktøykasse ble brukt når du utfører den forbildede studien, mens en ny versjon av vibrerende verktøykasse ble introdusert i protokollen ovenfor. Studien var et eksperiment innen med vibrerende advarsel som den ene…

Discussion

Kjøresimuleringsplattformen og vibrerende verktøykasse etterlignet rimelig anvendelsen av potensielle bærbare vibrotactile enheter i det virkelige liv, noe som gir en effektiv teknikk for å undersøke kjørerelatert forskning. Med bruk av denne teknologien er et trygt eksperimentelt miljø med høy konfigurerbarhet og overkommelighet nå tilgjengelig for å utføre forskning som kan sammenlignes med kjøring i den virkelige verden.

Det er flere trinn som krever mer oppmerksomhet. For det f…

Materials

Logitech G29	Logitech	941-000114	Steering wheel and pedals
Projector screens	–	–	The projector screen for showing the simulation enivronemnt.
Epson CB-700U Laser WUXGA Education Ultra Short Focus Interactive Projector	EPSON	V11H878520W	The projector model for generating the display of the simlution enivronment.
The Open Racing Car Simulator (TORCS)	–	None	Driving simulation software. The original creators are Eric Espié and Christophe Guionneau, and the version used in experiment is modified by Cao, Shi.
Tactile toolkit	Hao Xing Tech.	None	This is used to initiate warnings to the participants.
Connecting program (Python)	–	–	This is used to connect the TORCS with the tactile toolkit to send the vibrating instruction.
G*power	Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf	None	This software is used to calculate the required number of participants.