Taktil vibrerende værktøjssæt og køresimuleringsplatform til kørselsrelateret forskning

Summary

Denne protokol beskriver en kørende simulationsplatform og et taktilt vibrerende værktøjssæt til undersøgelse af kørselsrelateret forskning. Et eksemplarisk eksperiment, der undersøger effektiviteten af taktile advarsler, præsenteres også.

Abstract

Kollisionsadvarselssystem spiller en central rolle i forebyggelsen af at køre distraktioner og døsig kørsel. Tidligere undersøgelser har vist fordelene ved taktile advarsler i at reducere førerens bremse responstid. Samtidig har taktile advarsler vist sig at være effektive i forbindelse med anmodning om overtidning (TOR) for delvist selvkørende køretøjer.

Hvordan udførelsen af taktile advarsler kan optimeres, er en løbende varm forskning emne på dette område. Således præsenteres lavpriskørsel simulation software og metoder er indført for at tiltrække flere forskere til at deltage i undersøgelsen. Den præsenterede protokol er blevet opdelt i fem sektioner: 1) deltagere, 2) kørsel simulering software konfiguration, 3) kørsel simulator forberedelse, 4) vibrerende værktøjskasse konfiguration og forberedelse, og 5) gennemføre eksperimentet.

I den eksemplariske undersøgelse bar deltagerne det taktile vibrerende værktøjssæt og udførte en etableret bilfølgende opgave ved hjælp af den tilpassede køresimuleringssoftware. Det forreste køretøj bremsede intermitterende, og vibrerende advarsler blev leveret, når det forreste køretøj bremsede. Deltagerne blev bedt om at reagere så hurtigt som muligt på de pludselige bremser i det forreste køretøj. Køredynamik, såsom bremseresponstid og bremseresponshastighed, blev registreret af simuleringssoftwaren til dataanalyse.

Den præsenterede protokol giver indsigt i udforskningen af effektiviteten af taktile advarsler på forskellige kropsplaceringer. Ud over den bilfølgende opgave, der demonstreres i det eksemplariske eksperiment, giver denne protokol også muligheder for at anvende andre paradigmer til de drivende simuleringsundersøgelser ved at lave simpel softwarekonfiguration uden kodeudvikling. Det er dog vigtigt at bemærke, at på grund af sin overkommelige pris kan den drivende simuleringssoftware og hardware, der introduceres her, muligvis ikke konkurrere fuldt ud med andre high-fidelity kommercielle køresimulatorer. Ikke desto mindre kan denne protokol fungere som et overkommeligt og brugervenligt alternativ til de generelle high-fidelity kommercielle køresimulatorer.

Introduction

Ifølge de data, der blev afsløret af Global Health Estimates i 2016, er trafikskade den ottende årsag til globale dødsfald, hvilket fører til 1,4 millioner dødsfald på verdensplan¹. I 2018 var 39,2 % af trafikulykkerne kollisioner med motorkøretøjer inden for transport, og 7,2 % af dem var kollisioner bagfra. En løsning til at øge køretøjer og trafiksikkerhed er udviklingen af et avanceret køreassistancesystem (ADAS) for at advare bilister med potentielle farer. Data har vist, at ADAS i høj grad kan reducere antallet af bagendekollisioner, og det er endnu mere effektivt, når det er udstyret med et autobremsesystem². Desuden vil der med udviklingen af selvkørende køretøjer være behov for mindre menneskelig involvering for at kontrollere køretøjet, hvilket gør et advarselssystem for overudligning til en overkørsel nødvendig, når det autonome køretøj ikke regulerer sig selv. Designet af ADAS- og TOR-advarselssystemet er nu et vigtigt stykke teknologi for chauffører for at undgå overhængende ulykker inden for få sekunder. Det eksemplariske eksperiment brugte et vibrerende værktøjssæt sammen med en køresimuleringsplatform til at undersøge, hvilken placering der ville generere det bedste resultat, når et vibrotactile-advarselssystem er blevet brugt som et potentielt ADAS- og TOR-advarselssystem.

Kategoriseret efter perceptuelle kanaler er der generelt tre typer advarselsmetoder, der er visuelle, auditive og taktile. Hver advarsel modalitet har sine egne fordele og begrænsninger. Når visuelle advarselssystemer er i brug, kan chaufførerne lide af visuel overbelastning³, forringe køreevnen på grund af uopmærksom blindhed^4,5. Selv om et auditivt varslingssystem ikke påvirker bilisternes synsfelt , afhænger dets effektivitet i høj grad af omgivelserne såsom baggrundsmusik og andre lyde i kørselsmiljøet^6,7. Situationer, der indeholder andre eksterne auditive oplysninger eller betydelig støj, kan således føre til uopmærksom døvhed^8,9, hvilket reducerer effektiviteten af et auditivt advarselssystem. Til sammenligning konkurrerer taktile advarselssystemer ikke med chaufførernes visuelle eller auditive behandling. Ved at sende vibrotactile advarsler til chauffører overvinder taktile advarselssystemer begrænsningerne i visuelle og auditive advarselssystemer.

Tidligere undersøgelser viste, at taktile advarsler kan gavne bilisterne ved at forkorte deres bremseresponstid. Det blev også konstateret, at taktile advarselssystemer giver et mere effektivt resultat over visuelle^10,11 og auditive^12,13,14 advarselssystemer i visse situationer. Begrænset forskning har dog fokuseret på at undersøge det optimale sted for placering af en taktil advarselsenhed. Ifølge sensorisk cortex hypotese¹⁵ og sensorisk afstand hypotese¹⁶, den eksemplariske undersøgelse valgte finger, håndled og tempel områder som den eksperimentelle steder for at placere en taktil advarsel enhed. Med den indførte protokol kan frekvensen og leveringstiden for en vibrerende advarsel og intervaller mellem vibrationer i det vibrerende værktøjssæt konfigureres til at passe til de eksperimentelle krav. Dette vibrerende værktøjssæt bestod af en masterchip, en spændingsregulatorchip, en multiplexer, en USB til Transistor-Transistor-Logic (TTL) adapter, en Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) og et Bluetooth-modul. Antallet af vibrerende moduler kan også variere alt efter forskernes behov, hvor op til fire moduler vibrerer på samme tid. Når du implementerer det vibrerende værktøjssæt i de kørselsrelaterede eksperimenter, kan det konfigureres, så det passer til de eksperimentelle indstillinger samt synkroniseres med kørselsydelsesdata ved at revidere koderne for køresimuleringen.

Mens det for forskere er mere muligt at gennemføre et kørselseksperiment på en virtuel platform end i den virkelige verden på grund af den involverede risiko og omkostninger. Det kan f.eks. være vanskeligt at indsamle resultatindikatorer, og det er svært at kontrollere de miljømæssige faktorer, der er involveret, når der udføres eksperimenter i den virkelige verden. Som et resultat, mange undersøgelser har brugt fast-base kørsel simulatorer kører på pc’er i de seneste år som et alternativ til at gennemføre on-road kørsel undersøgelser. Efter at have lært, udviklet og forsket i over 11 år i det drivende forskningsmiljø etablerede vi en køresimuleringsplatform med en rigtig bil, der består af en open source-køresimuleringssoftware og et hardwaresæt, herunder et rat og gearkasse, tre pedaler, tre monterede projektorer og tre projektorskærme. Med køresimuleringssoftwaren understøtter kun en enkelt skærm, brugte den præsenterede protokol kun den centrale projektor og projektorskærm til at udføre eksperimentet.

Der er to store fordele ved at bruge den præsenterede køresimuleringsplatform. En fordel ved denne platform er, at den bruger en open source-software. Ved hjælp af den brugervenlige open source-platform kan forskere tilpasse simuleringen og vibrerende værktøjssæt til deres unikke forskningsbehov ved at lave simpel softwarekonfiguration uden kodeudvikling . Ved at revidere koderne kan forskere oprette køresimuleringer, der giver relativ troskab til virkeligheden med masser af muligheder tilgængelige på biltyper, vejtyper, rattets modstand, lateral og langsgående vindturbulens, tids- og bremsehændelsesprogramgrænseflader (API’er) til ekstern softwaresynkronisering og implementering af adfærdsparadigmer som bilfølgende opgave og N-Back-opgave. Selv udfører kørsel-relaterede forskning i en køresimulator ikke fuldt ud kan kopiere kørsel i den virkelige verden, data indsamlet gennem en køresimulator er rimelig og er blevet bredt vedtaget af forskere^17,18.

En anden fordel ved den foreslåede køresimulator er dens lave omkostninger. Som tidligere nævnt er den introducerede køresimuleringssoftware en open source-software, der er tilgængelig for brugerne gratis. Derudover er de samlede omkostninger ved hele hardwareopsætningen i denne protokol lavere sammenlignet med typiske high-fidelity kommercielle køresimulatorer. Figur 1 a og b viser den komplette opsætning af to køresimulatorer med omkostninger fra $ 3000 til $ 30.000. I modsætning hertil koster typiske high-fidelity kommercielle køresimulatorer (fast base) normalt omkring $ 10,000 til $ 100,000. Med sin meget overkommelige pris kan denne køresimulator være et populært valg ikke kun til akademiske forskningsformål, men også til at gennemføre kørselsklasse¹⁹ og til demonstration af kørselsrelaterede teknologier^20,21.

Figur 1: Et billede af køresimulatorerne. Begge køresimulatorer bestod af et rat og gearkasse, tre pedaler og et køretøj. (a) En $ 3000 køresimulator setup, der brugte en 80-tommer LCD-skærm med en opløsning på 3840 × 2160. (b) En $ 30.000 kørsel simulator setup, der anvendes tre monterede projektorer og tre projektor skærme med en dimension på 223 x 126 cm hver. Projektionsskærmene blev placeret 60 cm over jorden og 22 cm væk fra køretøjets forende. Kun den centrale projektor og projektorskærm blev brugt til det aktuelle eksperiment. Klik her for at se en større version af dette tal.

Den drivende simulation software og vibrerende værktøjskasse i den foreslåede metode er allerede blevet brugt i tidligere undersøgelser af vores forskere^{22,23,24,25,26,27,28,29}. Dette selvudviklede vibrerende værktøjssæt, der følger ISO-standarden^30, kan anvendes i forskellige felter^31,32 ved at justere vibrationsfrekvensen og -intensiteten. Det er vigtigt at bemærke, at der er udviklet en nyere version af det vibrerende værktøjssæt, som introduceres i følgende protokol. I stedet for at justere vibrationsfrekvensen ved hjælp af en justerbar spændingsadapter er den nyere version udstyret med fem forskellige vibrationsfrekvenser og kan justeres lettere ved hjælp af koderne i supplerende kodningsfil 1. Desuden giver den præsenterede køresimulator forskere en sikker, billig og effektiv måde at undersøge forskellige former for kørselsrelateret forskning på. Således er denne protokol velegnet til forskningslaboratorier, der har et begrænset budget og har et stærkt behov for at tilpasse eksperimentelle kørselsmiljøer.

Protocol

BEMÆRK: Alle de metoder, der er beskrevet her, er blevet godkendt af Institutional Review Board (IRB) på Tsinghua University, og der blev indhentet informeret samtykke fra alle deltagere. 1. Deltagere Foretage en effektanalyse for at beregne det nødvendige antal deltagere til rekruttering i henhold til det eksperimentelle design for at opnå statistisk effekt. Afvej deltagernes køn under rekrutteringen så meget som muligt. Sørg for, at deltagerne har et gyld…

Representative Results

Den eksemplariske undersøgelse rapporteret i dette papir gennemførte den bilfølgende opgave ved hjælp af køresimulatoren og vibrerende værktøjskasse, som også tidligere er blevet offentliggjort i et akademisk tidsskrift22. Det er bemærkelsesværdigt, at den ældre version af det vibrerende værktøjssæt blev brugt ved udførelsen af eksemplarisk undersøgelse, mens en ny version af den vibrerende værktøjskasse blev introduceret i ovenstående protokol. Undersøgelsen var en inden-emne …

Discussion

Den drivende simulationsplatform og vibrerende værktøjskasse efterlignede med rimelighed anvendelsen af potentielle bærbare vibrotactile-enheder i det virkelige liv, hvilket giver en effektiv teknik til at undersøge kørselsrelateret forskning. Med brugen af denne teknologi er et sikkert eksperimentelt miljø med høj konfigurerbarhed og overkommelige priser nu tilgængeligt til at udføre forskning, der kan sammenlignes med kørsel i den virkelige verden.

Der er flere trin, der kræver me…

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.