Kit de ferramentas vibradores táteis e plataforma de simulação de condução para pesquisa relacionada à condução
Summary
Este protocolo descreve uma plataforma de simulação de condução e um kit de ferramentas vibratórias táteis para a investigação de pesquisas relacionadas à condução. Um experimento exemplar explorando a eficácia dos avisos táteis também é apresentado.
Abstract
O sistema de alerta de colisão desempenha um papel fundamental na prevenção de distrações de condução e condução sonoleira. Estudos anteriores comprovaram as vantagens dos avisos táteis na redução do tempo de resposta do freio do motorista. Ao mesmo tempo, os avisos táteis têm se mostrado eficazes na solicitação de tomada (TOR) para veículos parcialmente autônomos.
Como o desempenho dos avisos táteis pode ser otimizado é um tópico de pesquisa quente em andamento neste campo. Assim, os softwares e métodos de simulação de condução de baixo custo apresentados são introduzidos para atrair mais pesquisadores para participar da investigação. O protocolo apresentado foi dividido em cinco seções: 1) participantes, 2) configuração de software de simulação de condução, 3) preparação de simulador de direção, 4) configuração e preparação do kit de ferramentas vibrantes e 5) condução do experimento.
No estudo exemplar, os participantes usaram o kit de ferramentas vibratórias táteis e realizaram uma tarefa estabelecida de seguir o carro usando o software de simulação de condução personalizado. O veículo dianteiro freava intermitentemente, e avisos vibratórios eram emitidos sempre que o veículo dianteiro freava. Os participantes foram instruídos a responder o mais rápido possível aos freios repentinos do veículo dianteiro. A dinâmica de condução, como o tempo de resposta do freio e a taxa de resposta ao freio, foram registradas pelo software de simulação para análise de dados.
O protocolo apresentado oferece insights sobre a exploração da eficácia dos avisos táteis em diferentes locais do corpo. Além da tarefa de seguir o carro que é demonstrada no experimento exemplar, este protocolo também fornece opções para aplicar outros paradigmas aos estudos de simulação de condução, fazendo configuração simples de software sem qualquer desenvolvimento de código. No entanto, é importante notar que devido ao seu preço acessível, o software de simulação de condução e hardware introduzido aqui pode não ser capaz de competir totalmente com outros simuladores de direção comercial de alta fidelidade. No entanto, este protocolo pode funcionar como uma alternativa acessível e fácil de usar para os simuladores de condução comercial de alta fidelidade em geral.
Introduction
De acordo com os dados revelados pelo Global Health Estimates em 2016, o acidente de trânsito é a oitava causa de mortes globais, levando a 1,4 milhão de mortes em todo o mundo1. No ano de 2018, 39,2% dos acidentes de trânsito foram colisões com veículos automotores no transporte, e 7,2% foram colisões traseiras. Uma solução para aumentar a segurança dos veículos e das estradas é o desenvolvimento de um sistema avançado de assistência à condução (ADAS) para alertar os motoristas com potenciais riscos. Os dados mostraram que o ADAS pode reduzir consideravelmente a taxa de colisões traseiras, e é ainda mais eficaz quando equipado com um sistema de freio automático2. Além disso, com o desenvolvimento de veículos autônomos, será necessário menor envolvimento humano para controlar o veículo, tornando necessário um sistema de alerta de retirada (TOR) quando o veículo autônomo não se regular. O design do sistema de alerta ADAS e TOR é agora uma importante peça de tecnologia para os motoristas evitarem acidentes iminentes em poucos segundos. O experimento exemplar usou um kit de ferramentas vibratório, juntamente com uma plataforma de simulação de condução para investigar qual local geraria o melhor resultado quando um sistema de alerta vibrotátil foi usado como um potencial sistema de alerta ADAS e TOR.
Categorizados por canais perceptivos, geralmente existem três tipos de modalidades de alerta, que são visuais, auditivas e táteis. Cada modalidade de advertência tem seus próprios méritos e limitações. Quando os sistemas de alerta visual estão em uso, os motoristas podem sofrer com a sobrecarga visual3,prejudicando o desempenho de condução devido à cegueira desatenção4,5. Embora um sistema de alerta auditivo não influencie o campo visual dos motoristas, sua eficácia depende muito do ambiente, como música de fundo e outros ruídos no ambiente de condução6,7. Assim, situações que contenham outras informações auditivas externas ou ruídos significativos podem levar à surdez desatenção8,9, reduzindo a eficácia de um sistema de alerta auditivo. Em comparação, os sistemas de alerta tátil não competem com o processamento visual ou auditivo dos motoristas. Ao enviar avisos vibrotáis aos motoristas, os sistemas de alerta tátil superam as limitações dos sistemas de alerta visual e auditivo.
Estudos anteriores mostraram que os avisos táteis podem beneficiar os motoristas, encurtando o tempo de resposta do freio. Verificou-se também que os sistemas de alerta táteis produzem um resultado mais efetivo sobre o visual10,11 e auditivo12,13,14 sistemas de alerta em determinadas situações. No entanto, pesquisas limitadas se concentraram em investigar o local ideal para a colocação de um dispositivo de alerta tátil. De acordo com a hipótese do córtex sensorial15 e a hipótese de distância sensorial16,o estudo exemplar escolheu as áreas do dedo, pulso e templo como locais experimentais para a colocação de um dispositivo de alerta tátil. Com o protocolo introduzido, a frequência e o tempo de entrega de um aviso vibratório, e intervalos entre vibrações do kit de ferramentas vibratórias, podem ser configurados para atender aos requisitos experimentais. Este kit de ferramentas vibratório consistia de um chip mestre, um chip regulador de tensão, um multiplexer, um adaptador USB para Transistor-Transistor-Logic (TTL), um Transistor de Efeito de Campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) e um módulo Bluetooth. O número de módulos vibratórios também pode variar de acordo com as necessidades dos pesquisadores, com até quatro módulos vibrando ao mesmo tempo. Ao implementar o kit de ferramentas vibratório nos experimentos relacionados à condução, ele pode ser configurado para se adequar às configurações experimentais, bem como sincronizado com dados de desempenho de condução, revisando os códigos da simulação de condução.
Enquanto para os pesquisadores, a realização de um experimento de condução em uma plataforma virtual é mais viável do que no mundo real devido ao risco e custo envolvidos. Por exemplo, a coleta de indicadores de desempenho pode ser difícil, e é difícil controlar os fatores ambientais envolvidos quando experimentos estão sendo conduzidos no mundo real. Como resultado, muitos estudos têm usado simuladores de direção de base fixa rodando em PCs nos últimos anos como alternativa para realizar estudos de condução em estrada. Depois de aprender, desenvolver e pesquisar por mais de 11 anos na comunidade de pesquisa de condução, estabelecemos uma plataforma de simulação de condução com um carro real que consiste em um software de simulação de condução de código aberto e um kit de hardware, incluindo um volante e caixa de velocidades, três pedais, três projetores montados e três telas de projetor. Com o software de simulação de condução suportando apenas uma única tela, o protocolo apresentado usou apenas o projetor central e a tela do projetor para realizar o experimento.
Existem duas grandes vantagens de usar a plataforma de simulação de condução apresentada. Uma vantagem desta plataforma é que ela usa um software de código aberto. Usando a plataforma de código aberto fácil de usar, os pesquisadores podem personalizar o kit de ferramentas de simulação e vibração para suas necessidades de pesquisa exclusivas, fazendo uma configuração de software simples sem qualquer desenvolvimento de código . Ao revisar os códigos, os pesquisadores podem criar simulações de condução que fornecem fidelidade relativa à realidade com muitas opções disponíveis em tipos de carros, tipos de estrada, resistência ao volante, turbulência de vento lateral e longitudinal, interfaces de programa de aplicativos de eventos de tempo e freio (APIs) para sincronização de software externo e implementação dos paradigmas comportamentais, como tarefa de seguir carro e tarefa N-Back. Embora a realização de pesquisas relacionadas à condução em um simulador de direção não possa replicar totalmente a condução no mundo real, os dados coletados através de um simulador de direção são razoáveis e têm sido amplamente adotados pelos pesquisadores17,18.
Outra vantagem do simulador de direção proposto é o seu baixo custo. Como mencionado anteriormente, o software de simulação de condução introduzido é um software de código aberto que está disponível gratuitamente para os usuários. Além disso, o custo total de toda a configuração de hardware neste protocolo é menor se comparado aos simuladores típicos de direção comercial de alta fidelidade. Os números 1 a e b mostram a configuração completa de dois simuladores de direção com o custo que varia de US$ 3.000 a US$ 3.000. Em contraste, simuladores típicos de direção comercial de alta fidelidade (base fixa) geralmente custam em torno de US $ 10.000 a US $ 100.000. Com seu preço altamente acessível, este simulador de direção pode ser uma escolha popular não apenas para fins de pesquisa acadêmica, mas também para a realização de aulas de direção19 e para demonstração de tecnologias relacionadas à condução20,21.
Figura 1: Uma imagem dos simuladores de direção. Ambos os simuladores de direção consistiam em um volante e caixa de câmbio, três pedais e um veículo. a Uma configuração de simulador de direção de US$ 3.000 que usou uma tela LCD de 80 polegadas com uma resolução de 3840 × 2160. (b) Uma configuração de simulador de direção de US$ 3.0000 que utilizou três projetores montados e três telas de projetor com uma dimensão de 223 x 126 cm cada. As telas de projeção foram colocadas 60 cm acima do solo e 22 cm de distância da frente do veículo. Apenas o projetor central e a tela do projetor foram usados para o experimento atual. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O software de simulação de condução e o kit de ferramentas vibratórios no método proposto já foram utilizados em estudos anteriores por nossos pesquisadores22,23,24,25,26,27,28,29. Este kit de ferramentas vibratórias auto-desenvolvido seguindo o padrão ISO30 pode ser aplicado em diferentes campos31,32 ajustando a frequência e intensidade de vibração. É importante notar que uma versão mais recente do kit de ferramentas vibratória foi desenvolvida e é introduzida no protocolo a seguir. Em vez de ajustar a frequência de vibração usando um adaptador de tensão ajustável, a versão mais recente é equipada com cinco frequências de vibração diferentes e pode ser mais fácil de ajustar usando os códigos fornecidos no Arquivo de Codificação Suplementar 1. Além disso, o simulador de direção apresentado fornece aos pesquisadores uma maneira segura, barata e eficaz de investigar vários tipos de pesquisas relacionadas à condução. Assim, este protocolo é adequado para laboratórios de pesquisa que têm um orçamento limitado e têm uma forte necessidade de personalizar ambientes experimentais de condução.
Protocol
Representative Results
Discussion
A plataforma de simulação de condução e o kit de ferramentas vibratórios imitavam razoavelmente a aplicação de potenciais dispositivos vibrotactile vestíveis na vida real, fornecendo uma técnica eficaz na investigação de pesquisas relacionadas à condução. Com o uso dessa tecnologia, um ambiente experimental seguro com alta configurabilidade e acessibilidade está agora disponível para a realização de pesquisas comparáveis à condução do mundo real.
Existem vários passos qu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este projeto foi patrocinado pela Beijing Talents Foundation.
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. |
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