Name: 触觉振动工具包和驾驶模拟平台，用于驾驶相关研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-12-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 15 s
Description: 了解驾驶模拟平台与触觉振动工具包的使用方法，通过触觉警告系统提升驾驶安全。该协议为研究人员提供灵活且经济高效的实验方案，适用于多种驾驶相关的人因行为研究。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本项目已获得北京人才基金会的资助。

作者声明无财务披露或利益冲突。

驾驶模拟平台&#160;和振动工具包&#160;合理地模拟了可穿戴振动触觉设备在现实生活中的潜在应用，为开展与驾驶相关的研究提供了一种有效的技术手段。通过使用该技术，现在可以获得一个安全、高度可配置且成本较低的实验环境，用于开展可与真实驾驶条件相媲美的研究。 
有几个步骤需要特别注意。首先，在使用“expconfig.txt”进行配置时，研究人员应在正式实验前确保已将训练模式设置为 False，以关闭专为练习驾驶设计的音频提示。其次，在方向盘校准过程中，研究人员应确保方向盘左右两个方向的振幅保持平衡，并且制动踏板和油门踏板均已完全踩到底。第三，在驾驶模拟开始前，研究人员还应检查振动工具包是否已使用医用胶带牢固地固定在受试者身上。
为了尽可能应对外部效度方面对驾驶模拟的担忧，所介绍的驾驶模拟软件为研究人员提供了广泛的选项，以配置理想的驾驶环境。例如，可调节正面和侧向风力强度，以复现驾驶员在真实高速公路上行驶时所经历的风阻。除了“expconfig.txt”文档中提供的现有配置外，研究人员还可利用开源模拟软件自行设计道路，构建贴近...

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61408">Tactile Vibrating Toolkit and Driving Simulation Platform for Driving-Related Research</a>. The Authors section was&#160;updated.
Ao Zhu1 
Annebella Tsz Ho Choi1 
Ko-Hsuan Ma1 
Shi Cao2 
Han Yao1 
Jian Wu3 
Jibo He4,1 
1Psychology Department, School of Social Sciences, Tsinghua University 
2Department of Systems Design Engineering, University of Waterloo 
3Haier Innovation Design Center, Haier Company 
4Psychology Department, School of Education and Psychological Sciences, Sichuan University of Science and Engineering
to:
Ao Zhu1 
Annebella Tsz Ho Choi1 
Ko-Hsuan Ma1 
Shi Cao2 
Han Yao1 
Jian Wu3 
Jibo He1 
1Psychology Department, School of Social Sciences, Tsinghua University 
2Department of Systems Design Engineering, University of Waterloo 
3Haier Innovation Design Center, Haier Company

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61408">Tactile Vibrating Toolkit and Driving Simulation Platform for Driving-Related Research</a>. The Authors section was&#160;updated.

Erratum: Tactile Vibrating Toolkit and Driving Simulation Platform for Driving-Related Research

根据2016年全球健康估计数据，交通事故伤害是全球死亡的第八大原因，导致全球约140万人死亡1。2018年，39.2%的交通事故涉及运输中的机动车辆碰撞，其中7.2%为追尾碰撞。提高车辆和道路安全的一种解决方案是开发先进的驾驶辅助系统（ADAS），以向驾驶员预警潜在危险。数据显示，ADAS可显著降低追尾碰撞的发生率，若配备自动制动系统，其效果更为显著2。此外，随着自动驾驶车辆的发展，对人工操控的需求将减少，当自动驾驶车辆无法自行调节时，接管请求（TOR）预警系统便成为必要。目前，ADAS与TOR预警系统的设计已成为一项关键技术，可帮助驾驶员在数秒内避免即将发生的事故。本示例实验采用振动工具包结合驾驶模拟平台，研究当振动触觉预警系统作为潜在的ADAS和TOR预警系统使用时，何种位置能够产生最佳效果。
根据感知通道的不同，警告方式通常分为三种类型，即视觉、听觉和触觉。每种警告方式都有其优点和局限性。当使用视觉警告系统时，驾驶员可能会因视觉过载3而出现注意力盲区4,5，从而影响驾驶表现。尽管听觉警告系统不会干扰驾驶员的视觉视野，但其有效性在很大程度上取决于周围环境，例如驾驶环境中的背景音乐和其他噪声6,7。因此，在存在其他外部听觉信息或显著噪声的情况下，可能导致注意力性听觉忽视8,9，从而降低听觉警告系统的有效性。相比之下，触觉警告系统不会与驾驶员的视觉或听觉处理产生竞争。通过向驾驶员传递振动触觉警告，触觉警告系统克服了视觉和听觉警告系统的局限性。
先前的研究表明，触觉警示可通过缩短驾驶员的制动反应时间来提高其反应效率。此外，在某些情况下，触觉警示系统的效果优于视觉10,11和听觉12,13,14警示系统。然而，目前关于触觉警示装置最佳安装位置的研究仍较为有限。根据感觉皮层假说15和感觉距离假说16，该示例研究选择了手指、手腕和太阳穴区域作为触觉警示装置的实验安装位置。通过本实验方案，可对振动警示的频率、输出时间以及振动工具包中各次振动之间的间隔进行配置，以满足不同的实验需求。该振动工具包由主控芯片、稳压芯片、多路复用器、USB转晶体管-晶体管逻辑（TTL）适配器、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）以及蓝牙模块组成。振动模块的数量也可根据研究人员的需求进行调整，最多可支持四个模块同时振动。在驾驶相关实验中应用该振动工具包时，可通过修改驾驶模拟程序的代码，将其配置为适应实验设置，并与驾驶行为数据实现同步记录。
对研究人员而言，由于涉及风险和成本，在虚拟平台上进行驾驶实验比在真实世界中更为可行。例如，在真实环境中开展实验时，性能指标的采集可能较为困难，且环境因素的控制也较难实现。因此，近年来许多研究采用基于个人计算机的固定基座驾驶模拟器来替代实车道路驾驶研究。在驾驶研究领域经过11年多的学习、开发与研究后，我们建立了一个基于真实汽车的驾驶模拟平台，该平台包含一套开源驾驶模拟软件和一个硬件套件，硬件包括方向盘和变速器、三个踏板、三台安装好的投影仪以及三块投影屏幕。由于驾驶模拟软件仅支持单屏显示，本方案仅使用了中央投影仪和中央投影屏幕来开展实验。
使用本研究所述驾驶模拟平台具有两大主要优势。其一，该平台采用开源软件。借助这一用户友好的开源平台，研究人员无需编写代码，仅通过简单的软件配置，即可根据特定的研究需求自定义模拟环境和振动工具包。通过修改代码，研究人员能够构建出在现实还原度方面具有较高相对真实性的驾驶模拟，同时可灵活选择多种车辆类型、道路类型、方向盘阻力、横向与纵向风力扰动，并提供时间与制动事件的应用程序接口（API），以实现与外部软件的同步，还可实施诸如跟车任务和N-Back任务等行为范式。尽管在驾驶模拟器中开展驾驶相关研究无法完全复现真实驾驶环境，但通过驾驶模拟器采集的数据具有合理性，已被研究人员广泛采用17,18。
该驾驶模拟器的另一优势是其低成本。如前所述，所介绍的驾驶模拟软件是一款开源软件，用户可免费使用。此外，本方案中整个硬件系统的总成本也低于典型的高保真商用驾驶模拟器。图1a和1b展示了两套完整的驾驶模拟器装置，其成本范围为3000至30000美元。相比之下，典型的高保真商用驾驶模拟器（固定基座型）通常价格在10000至100000美元之间。由于价格极具吸引力，该驾驶模拟器不仅可广泛用于学术研究，还可用于驾驶课程教学19以及驾驶相关技术的演示20,21。
<img alt="a) 自动驾驶模拟装置、数字仪表盘、虚拟道路可视化。

b) 教室用电动车演示、教学投影屏幕、智能出行学习。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61408/61408fig1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 1"> 
图1：驾驶模拟器的图像。两套驾驶模拟器均包含方向盘、变速器、三个踏板和一辆车辆。(a) 一套价值3000美元的驾驶模拟器装置，配备一块80英寸液晶屏幕，分辨率为3840 × 2160。(b) 一套价值30000美元的驾驶模拟器装置，使用三台安装好的投影仪和三块投影屏幕，每块屏幕尺寸为223 × 126 cm。投影屏幕安装在距地面60 cm高、距车辆前端22 cm的位置。当前实验仅使用了中央的投影仪和投影屏幕。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61408/61408fig1v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
本研究中所采用的驾驶模拟软件和振动工具包此前已被我们的研究人员在多项研究中使用过22,23,24,25,26,27,28,29。该振动工具包为自主开发，符合ISO标准30，通过调节振动频率和强度，可应用于不同领域31,32。需要注意的是，目前已开发出一种新版本的振动工具包，并将在下述实验方案中予以介绍。新版本不再使用可调电压适配器来调节振动频率，而是配备了五种不同的振动频率，可通过补充编码文件1中提供的代码更便捷地进行调节。此外，所介绍的驾驶模拟器为研究人员提供了一种安全、低成本且高效的方法，可用于开展多种与驾驶相关的研究。因此，本实验方案适用于预算有限但又迫切需要定制化驾驶实验环境的研究实验室。

<table><tbody><tr><td>Logitech G29</td><td>Logitech</td><td>941-000114</td><td>方向盘和踏板</td></tr><tr><td>投影屏幕</td><td>-</td><td>-</td><td>用于显示模拟环境的投影屏幕。</td></tr><tr><td>Epson CB-700U 激光 WUXGA 教育超短焦交互式投影仪</td><td>EPSON</td><td>V11H878520W</td><td>用于生成模拟环境显示的投影仪型号。</td></tr><tr><td>开源赛车模拟器（TORCS）</td><td>-</td><td>None</td><td>驾驶模拟软件。原始创建者为 Eric Espi&amp;eacute; 和 Christophe Guionneau，实验中使用的版本由 Cao, Shi 修改。</td></tr><tr><td>触觉工具包</td><td>Hao Xing Tech.</td><td>None</td><td>用于向参与者发出警告提示。</td></tr><tr><td>连接程序（Python）</td><td>-</td><td>-</td><td>用于连接 TORCS 与触觉工具包，发送振动指令。</td></tr><tr><td>G*power</td><td>Heinrich-Heine-Universit&amp;auml;t D&amp;uuml;sseldorf</td><td>None</td><td>该软件用于计算所需的参与者数量。</td></tr></tbody></table>

用于驾驶相关研究的触觉振动工具包与驾驶模拟平台

Tactile Vibrating Toolkit and Driving Simulation Platform for Driving-Related Research

碰撞预警系统在防止驾驶分心和疲劳驾驶方面起着关键作用。先前的研究已证实，触觉预警在缩短驾驶员制动反应时间方面具有优势。同时，触觉预警在部分自动驾驶车辆的接管请求（TOR）中也被证明是有效的。
如何优化触觉警示的性能是该领域当前持续关注的热点研究课题。因此，本文介绍了这种低成本的驾驶模拟软件和方法，以吸引更多研究人员参与相关研究。本方案分为五个部分：1）受试者，2）驾驶模拟软件配置，3）驾驶模拟器准备，4）振动工具包配置与准备，5）实验实施。
在示范研究中，参与者佩戴触觉振动工具包，并使用定制的驾驶模拟软件完成一项既定的跟车任务。前车会间歇性地刹车，当前车刹车时，系统会发出振动警示。参与者被要求尽可能快速地对前车的突发刹车做出反应。模拟软件记录了刹车反应时间、刹车反应速率等驾驶动态参数，用于后续数据分析。
本方案有助于探究不同身体位置触觉警示的有效性。除了示例实验中展示的跟车任务外，通过简单的软件配置而无需任何代码开发，该方案还可选择应用于驾驶模拟研究中的其他范式&#160;。但需要注意的是，由于价格较为低廉，此处介绍的驾驶模拟软件和硬件可能无法完全媲美其他高保真商用驾驶模拟器。尽管如此，本方案仍可作为通用高保真商用驾驶模拟器的一种经济实惠且易于使用的替代方案。

本文报道的示例研究采用驾驶模拟器和振动工具包进行了跟车任务，该方法此前已在学术期刊上发表22。值得注意的是，示例研究中使用的是振动工具包的旧版本，而上述方案中引入的是该工具包的新版本。该研究采用被试内设计实验，以振动警示位置为唯一因素，包括手指、手腕、太阳穴三种警示条件，以及仅驾驶的控制条件。每种条件包含13次随机刹车事件，共产生52次实验试次。各条件的顺序采用拉丁方设计进行平衡，所有受试者均完成了全部四种条件的实验。
该示例研究还包含一项调查，记录了参与者在完成所有试验后对振动工具包放置位置的偏好，以及在不同位置（即手指、手腕和太阳穴）感知到的振动强度，采用7点李克特量表进行评分。同时记录了日常可穿戴配件（即手表、眼镜、耳机和戒指）的使用频率。
由于此前没有可供参考的荟萃分析来确定示例研究的样本量，因此在完成功效分析（中位效应量 ηp2 = 0.06）43,<...

本方案描述了一种用于驾驶相关研究的驾驶模拟平台及触觉振动工具包，并展示了一个探究触觉警示有效性的示例实验。&#160;

碰撞预警系统在预防驾驶分心和疲劳驾驶方面发挥着关键作用。先前的研究已证实了……

本方案为研究人员提供了一个高度可调的平台和工具，用于探究触觉设备应用的优势与有效性，尤其适用于车载预警系统的研究。该振动工具包为开展各类与驾驶相关的研究提供了一种安全、经济且有效的技术手段。该方法也可用于开展其他人类行为学研究。本方案揭示了智能可穿戴设备在促进驾驶安全方面的潜在应用。为配置实验用驾驶模拟软件，请打开驾驶模拟软件的文件夹、运行时文件夹以及配置文件夹。打开 expconfig。txt 文件，并根据实验设计需要对驾驶模拟的默认设置进行任何调整。如果实验需要通过UDP进行数据传输，请配置UDP设置，并使用 true 或 false 来设置 enableUDPSendData 选项，以确定是否启用UDP进行时间戳数据同步至特定的本地网络IP地址。然后按照所示命令分别指定IP地址的各个部分，以定义UDP传输所用的IP地址。设置驾驶模拟器时，将方向盘、三个安装好的投影仪和三个投影屏幕连接到计算机。将投影屏幕置于距地面60厘米高，并距离仪器化车辆前方22厘米的位置。选择选项并显示，在启动驾驶模拟软件时将屏幕分辨率设置为与屏幕尺寸匹配。然后，在配置页面上选择一个用户，并按照软件提供的说明校准方向盘、油门和制动踏板。配置振动工具包时，先将工具包连接至电源并打开电源开关。通过蓝牙将工具包连接至计算机，并完成一次初步的皮肤敏感性测试，以确定实验中将使用的振动频率。然后按照指示使用相应代码将振动频率设置为 70 赫兹，并同步仿真软件与振动工具包之间的制动事件。在进行驾驶模拟实验时，首先获得参与者的知情同意，然后协助其调整座椅与踏板之间的距离，并将靠背调节至舒适的位置。向参与者说明模拟器的操作方法，包括方向盘、制动踏板和加速踏板的使用，并向其展示驾驶模拟过程中将使用的道路路线图。告知参与者应如同在真实世界中驾驶一样操作，跟随前方车辆行驶，并保持与前车两秒的时间间隔；同时指示参与者，当前方车辆制动时，应立即尽可能快地踩下制动踏板，即使当前场景并未要求做出制动反应。让受试者完成一次五分钟的练习试验，其中包括五次随机刹车，以学习如何在前方车辆后方保持两秒的车距。在练习过程中，如果受试者与前方车辆的间距在2.25至2.5秒之间，驾驶模拟软件将播放一段女性语音提示：“距离过远，请加速”。如果受试者与前方车辆的间距小于1.5秒，驾驶模拟软件将播放一段女性语音提示：“距离过近，请减速”。当参与者完成练习阶段并能够保持稳定的跟车距离后，应告知参与者可在任何时候通知实验人员以终止实验，且不会受到任何处罚。在每个试验阶段开始前，告知参与者振动提示装置将放置的位置，并使用医用胶带协助参与者佩戴该装置。告知参与者，当前方车辆刹车时，该装置将通过振动提醒其进行制动，并让参与者开始第一次试验。每个试验区块结束后，让参与者休息两分钟，以减少任何残留效应。当所有试验完成后，让参与者在1到7的量表上标示其对工具包各位置的偏好程度及振动强度，并记录参与者日常可穿戴配件的使用频率。在此代表性分析中，驾驶模拟实验在明亮环境中进行，模拟场景设计为类似于晴朗天气下在高速公路上驾驶的情景。采用成对 Bonferroni 校正的 T 检验进行事后分析，结果表明不同任务条件下驾驶员制动反应率之间的成对比较均无显著差异。如图所示，在驾驶过程中，触觉警示的应用能够促进驾驶员对即将出现的危险做出反应，尤其是当警示装置位于驾驶员手指或手腕部位时效果更为明显。有趣的是，尽管参与者在太阳穴区域感知到的振动强度最高，但他们对将振动工具包放置在太阳穴区域的偏好却最低。此外，超过50%的参与者在日常生活中佩戴手表，这一事实表明在现实生活中采用可穿戴振动触觉设备作为预警系统是可行的。研究人员无需执行跟车任务，只需在实验方案中启用相应选项，即可通过执行冲击任务来研究触觉刺激的认知效应。

tactile-vibrating-toolkit-driving-simulation-platform-for-driving

Research

科研

JoVE Journal

Behavior

行为

触觉振动工具包和驾驶模拟平台，用于驾驶相关研究

我们介绍一种用于研究触觉的计算机控制设备：触觉自动被动式手指刺激器（Tactile Automated Passive-finger...

一种触觉自动化被动式手指刺激器（TAPS）

近年来，人机交互系统出现了大量发展前景。本文概述了一种新型机器人设备与开源软件的集成，该集成可快速实现一系列交互功能。随后，我们介绍了一种神经康复应用的临床应用。...

触觉/图形康复：将机器人整合至虚拟环境库并应用于中风康复治疗

脑卒中后存在视觉障碍的患者报告称，其日常生活受到不同程度的限制，这很可能归因于多种代偿策略，而在临床常规中难以区分这些策略。我们提出了一种临床测试方案，可测量不同的头部和眼动代偿策略，并评估这些策略对驾驶表现的影响。...

临床中的驾驶模拟：在视野缺损患者中测试日常生活活动中的视觉探索行为

介绍了一种用于表征实地行人行为及其引发的结构响应模拟的实验方案。现场测试表明，该方法能够有效捕捉行人动态荷载特征及结构振动响应。 原位...

基于实地行人行为特征的人为振动模拟

本文介绍了一种向人类受试者大腿施加振动触觉刺激的技术，并测量受试者针对不同刺激位置和频率组合的自主反应的准确性和反应时间。...

一种评估自主运动反应对振动触觉刺激及时性与准确性的方法

本实验方案的目的是展示一种在健康人群中暂时干扰上肢本体感觉的实用方法。...

一种简单无创的上肢本体感觉临时抑制方法

已研发并组装出一种可被动破坏人体坐姿稳定性的坐具平台。在使用者进行姿势稳定任务期间，惯性测量单元会记录该装置的运动情况，同时振动元件向座椅提供基于表现的反馈。这种便携且多功能的设备可用于康复、评估及训练方案中。...

一种用于坐姿平衡评估与训练的振动触觉反馈装置

我们提出了一种在物体转移任务中施加视觉-触觉不匹配刺激的实验方案。具体而言，在执行手部被遮挡的方块转移过程中，通过虚拟呈现的方式随机显示方块虚假掉落的情景。该方案还描述了在执行运动任务的同时添加振动触觉反馈的方法。...

在带有振动触觉反馈的物体传递过程中施加视觉-触觉不一致刺激

WheelCon：一种基于轮式控制器的游戏平台，用于研究人类感觉运动控制

在无语言能力或脆弱的儿科患者中，对感觉处理进行客观且简便的测量极为困难。我们开发了一种新方法，可定量评估婴儿和儿童对轻触觉、语音声音以及这两种刺激多感官处理的皮层加工过程，且无需受试者主动参与，也不会对脆弱患者造成不适。...

残疾儿童皮层听觉-触觉加工的定量评估

了解驾驶模拟平台与触觉振动工具包的使用方法，通过触觉警告系统提升驾驶安全。该协议为研究人员提供灵活且经济高效的实验方案，适用于多种驾驶相关的人因行为研究。

用于驾驶相关研究的触觉振动工具包与驾驶模拟平台

探索更多视频