Taktil vibrerande verktygslåda och körsimuleringsplattform för körrelaterad forskning

Summary

Detta protokoll beskriver en körsimuleringsplattform och en taktil vibrerande verktygslåda för undersökning av körrelaterad forskning. Ett exempelexperiment som undersöker effektiviteten av taktila varningar presenteras också.

Abstract

Kollisionsvarningssystem spelar en nyckelroll för att förhindra att man kör distraktioner och dåsig körning. Tidigare studier har visat fördelarna med taktila varningar för att minska förarens bromsresponstid. Samtidigt har taktila varningar visat sig vara effektiva vid begäran om övertagning (TOR) för delvis självkörande fordon.

Hur prestandan för taktila varningar kan optimeras är ett pågående hett forskningsämne inom detta område. Således introduceras den presenterade lågkostnadskörningssimuleringsprogramvaran och metoderna för att locka fler forskare att delta i undersökningen. Det presenterade protokollet har delats in i fem avsnitt: 1) deltagare, 2) körsimulering programvara konfiguration, 3) kör simulator förberedelse, 4) vibrerande toolkit konfiguration och förberedelse, och 5) genomföra experimentet.

I den föredömliga studien bar deltagarna den taktila vibrerande verktygslådan och utförde en etablerad bilföljande uppgift med hjälp av den anpassade körsimuleringsprogramvaran. Framfordonet bromsade periodvis och vibrerande varningar utfärdades när det främre fordonet bromsade. Deltagarna instruerades att så snabbt som möjligt reagera på framfordonets plötsliga bromsar. Kördynamiken, såsom bromsresponstiden och bromsresponsfrekvensen, registrerades av simuleringsprogramvaran för dataanalys.

Det presenterade protokollet ger insikt i utforskningen av effektiviteten av taktila varningar på olika kroppsplatser. Förutom den bilföljande uppgiften som demonstreras i det exemplariska experimentet, ger detta protokoll också alternativ för att tillämpa andra paradigm på körsimuleringsstudierna genom att göra enkel programvarukonfiguration utan kodutveckling. Det är dock viktigt att notera att på grund av dess överkomliga pris kanske körsimuleringsprogramvaran och hårdvaran som introduceras här inte fullt ut kan konkurrera med andra kommersiella körsimulatorer med hög återgivning. Detta protokoll kan dock fungera som ett prisvärt och användarvänligt alternativ till de allmänna kommersiella körsimulatorerna med hög återgivning.

Introduction

Enligt de uppgifter som avslöjades av Global Health Estimates 2016 är trafikskador den åttonde orsaken till globala dödsfall, vilket leder till 1,4 miljoner dödsfall över hela^{världen 1}. År 2018 var 39,2 procent av trafikolyckorna kollisioner med motorfordon i transport och 7,2 procent av dem var frontalkrockar. En lösning för att öka fordons- och trafiksäkerheten är utvecklingen av ett avancerat körassistanssystem (ADAS) för att varna förare med potentiella faror. Data har visat att ADAS kraftigt kan minska frekvensen av bakåtkollisioner, och det är ännu effektivare när det är utrustat med ett autobromssystem². Med utvecklingen av självkörande fordon kommer det dessutom att krävas mindre mänskligt engagemang för att kontrollera fordonet, vilket gör ett varningssystem för upptagningsbegäran nödvändig när det autonoma fordonet inte reglerar sig självt. Utformningen av ADAS- och TOR-varningssystemet är nu en viktig teknik för förare för att undvika överhängande olyckor inom några sekunder. Det föredömliga experimentet använde en vibrerande verktygssats tillsammans med en körsimuleringsplattform för att undersöka vilken plats som skulle generera det bästa resultatet när ett vibrotaktilvarningssystem har använts som ett potentiellt ADAS- och TOR-varningssystem.

Kategoriserade efter perceptuella kanaler finns det i allmänhet tre typer av varningsmetoder, som är visuella, auditiva och taktila. Varje varningsmodalitet har sina egna förtjänster och begränsningar. När visuella varningssystem används kan förare drabbas av visuell överbelastning³, försämra körprestanda på grund av ouppmärksam blindhet^4,5. Även om ett hörselvarningssystem inte påverkar förarens synfält, beror dess effektivitet i hög grad på omgivningen som bakgrundsmusik och andra ljud i körmiljön^6,7. Situationer som innehåller annan extern hörselinformation eller betydande buller kan således leda till ouppmärksam dövhet^8,9, vilket minskar effektiviteten hos ett hörselvarningssystem. I jämförelse konkurrerar taktila varningssystem inte med förarens visuella eller auditiva bearbetning. Genom att skicka vibrotaktila varningar till förare övervinner taktila varningssystem begränsningarna i visuella och auditiva varningssystem.

Tidigare studier visade att taktila varningar kan gynna förarna genom att förkorta deras bromsresponstid. Det konstaterades också att taktila varningssystem ger ett effektivare resultat jämfört med^{visuella 10,11} och auditiva^{12,13,14 varningssystem} i vissa situationer. Begränsad forskning har dock fokuserat på att undersöka den optimala platsen för att placera en taktil varningsanordning. Enligt sensorisk^{cortexhypotes 15} och sensorisk^{avståndshypotes 16}valde den exemplariska studien finger-, handleds- och tempelområdena som de experimentella platserna för att placera en taktil varningsanordning. Med det införda protokollet kan frekvensen och leveranstiden för en vibrerande varning, och intervall mellan vibrationer i den vibrerande verktygssatsen, konfigureras för att passa de experimentella kraven. Denna vibrerande verktygssats bestod av ett masterchip, ett spänningsregulatorchip, en multiplexer, en USB till Transistor-Transistor-Logic (TTL), en Metalloxid-Halvledarfält-Effekttransistor (MOSFET) och en Bluetooth-modul. Antalet vibrerande moduler kan också variera beroende på forskarnas behov, med upp till fyra moduler som vibrerar samtidigt. När du implementerar den vibrerande verktygssatsen i de körrelaterade experimenten kan den konfigureras för att passa de experimentella inställningarna och synkroniseras med körprestandadata genom att revidera koderna för körsimuleringen.

Medan för forskare är det mer genomförbart att genomföra ett körexperiment på en virtuell plattform än i den verkliga världen på grund av risken och kostnaden. Det kan till exempel vara svårt att samla in resultatindikatorer, och det är svårt att kontrollera de miljöfaktorer som är inblandade när experiment utförs i den verkliga världen. Som ett resultat har många studier använt fasta baskörningssimulatorer som körs på datorer under de senaste åren som ett alternativ för att genomföra körstudier på väg. Efter att ha lärt oss, utvecklat och forskat i över 11 år i det drivande forskarsamhället etablerade vi en körsimuleringsplattform med en riktig bil som består av en programvara för körsimulering med öppen källkod och ett hårdvarukit, inklusive en ratt och växellåda, tre pedaler, tre monterade projektorer och tre projektorskärmar. Med körsimuleringsprogramvaran stöder endast en enda skärm, det presenterade protokollet använde endast den centrala projektorn och projektorskärmen för att utföra experimentet.

Det finns två stora fördelar med att använda den presenterade körsimuleringsplattformen. En fördel med denna plattform är att den använder en programvara med öppen källkod. Med hjälp av den användarvänliga plattformen med öppen källkod kan forskare anpassa simulerings- och vibrerande verktygslådan för sina unika forskningsbehov genom att göra enkel programvarukonfiguration utan kodutveckling . Genom att se över koderna kan forskare skapa körsimuleringar som ger relativ återgivning till verkligheten med många alternativ tillgängliga på biltyper, vägtyper, motstånd hos ratten, sido- och longitudinell vindturbulens, tids- och bromshändelseapplikationsprogramgränssnitt (API: er) för extern programvarusynkronisering och implementering av beteendeparadigmer som bilföljande uppgift och N-Back-uppgift. Även om körningsrelaterad forskning i en körsimulator inte helt kan replikera körning i den verkliga världen, är data som samlas in genom en körsimulator rimlig och har antagits allmänt av forskare^17,18.

En annan fördel med den föreslagna körsimulatorn är dess låga kostnad. Som nämnts tidigare är den introducerade körsimuleringsprogramvaran en programvara med öppen källkod som är tillgänglig för användare gratis. Dessutom är den totala kostnaden för hela maskinvarukonfigurationen i det här protokollet lägre jämfört med typiska kommersiella körsimulatorer med hög återgivning. Bild 1 a och b visar den fullständiga installationen av två körsimulatorer med kostnaden från $ 3000 till $ 30000. Däremot kostar typiska kommersiella körsimulatorer med hög återgivning (fast bas) vanligtvis cirka $ 10,000 till $ 100,000. Med sitt mycket överkomliga pris kan denna körsimulator vara ett populärt val inte bara för akademiska forskningsändamål, men också för att genomföra^{körklasser 19} och för demonstration av körrelaterad teknik^20,21.

Bild 1: En bild av körsimulatorerna. Båda körsimulatorerna bestod av en ratt och växellåda, tre pedaler och ett fordon. (a) En körsimulator för $3000 som använde en 80-tums LCD-skärm med en upplösning på 3840 × 2160. b) En körsimulator för $30000 som använde tre monterade projektorer och tre projektorskärmar med en dimension på 223 x 126 cm vardera. Projektionsskärmarna placerades 60 cm över marken och 22 cm från fordonets framsida. Endast den centrala projektor- och projektorskärmen användes för det aktuella experimentet. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Körsimuleringsprogramvaran och vibrerande verktygslådan i den föreslagna metoden har redan använts i tidigare studier av våra^{forskare 22,23,24,25,26,27,28,29}. Denna egenutvecklade vibrerande verktygssats enligt ISO-standarden³⁰ kan appliceras i olika^{fält 31,32} genom att justera vibrationsfrekvensen och intensiteten. Det är viktigt att notera att en nyare version av den vibrerande verktygssatsen har utvecklats och introduceras i följande protokoll. Istället för att justera vibrationsfrekvensen med en justerbar spänningsadapter är den nyare versionen utrustad med fem olika vibrationsfrekvenser och kan lättare justeras med hjälp av koderna i Kompletterande kodningsfil 1. Dessutom ger den presenterade körsimulatorn forskare ett säkert, billigt och effektivt sätt att undersöka olika typer av körrelaterad forskning. Detta protokoll är därför lämpligt för forskningslaboratorier som har en begränsad budget och har ett starkt behov av att anpassa experimentella körmiljöer.

Protocol

OBS: Alla metoder som beskrivs här har godkänts av institutional review board (IRB) vid Tsinghua University och informerat samtycke erhölls från alla deltagare. 1. Deltagare Gör en effektanalys för att beräkna det antal deltagare som krävs för rekrytering enligt den experimentella designen för att uppnå statistisk kraft. Balansera deltagarnas kön under rekryteringen så mycket som möjligt. Se till att deltagarna har ett giltigt körkort och minst ett …

Representative Results

Den exemplariska studien som rapporterades i denna uppsats utförde den bil-följande uppgiften med hjälp av körsimulatorn och vibrerande verktygslåda, som också har publicerats tidigare i en akademisk tidskrift22. Det är anmärkningsvärt att den äldre versionen av den vibrerande verktygssatsen användes vid utförningen av den exemplariska studien, medan en ny version av den vibrerande verktygssatsen introducerades i ovanstående protokoll. Studien var ett designexperiment inom ämnet med …

Discussion

Körsimuleringsplattformen och vibrerande verktygslådan efterliknade rimligen tillämpningen av potentiella bärbara vibrotactile-enheter i verkligheten, vilket gav en effektiv teknik för att undersöka körrelaterad forskning. Med hjälp av denna teknik finns nu en säker experimentell miljö med hög konfigurerbarhet och överkomliga priser tillgänglig för att bedriva forskning som är jämförbar med verklig körning.

Det finns flera steg som kräver mer uppmärksamhet. För det första…

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.