摘 要：隨著智能座艙各項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展，車內(nèi)的多項(xiàng)任務(wù)占據(jù)了駕駛員的視聽通道，導(dǎo)致傳統(tǒng)的語音導(dǎo)航的交互效果下降，駕駛負(fù)荷升高。而空閑的觸覺通道可以起到補(bǔ)充交互的效果。本研究就基于DALI負(fù)荷量表進(jìn)行觸覺提示導(dǎo)航的設(shè)計(jì)研究，驗(yàn)證了觸覺提示加入有助于降低導(dǎo)航交互過程中的駕駛負(fù)荷，為更多模態(tài)的導(dǎo)航設(shè)計(jì)提供了思路和參考。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)觸覺 駕駛負(fù)荷 導(dǎo)航交互

1 研究概述

1.1 車載觸覺設(shè)備

觸覺作為非視覺器官之一，配合人體表面（如皮膚）這個(gè)巨大的觸覺接收器，是我們與周圍世界相互聯(lián)系的重要媒介。聚焦到車內(nèi)的交互活動(dòng)，駕駛員在車內(nèi)查看手機(jī)、交談、聽音樂等活動(dòng)均會(huì)占用司機(jī)的聽覺和視覺注意力，導(dǎo)致駕駛安全問題[1-2]。在視聽模態(tài)都被占用的情況下，觸覺模態(tài)的使用可以減輕試聽負(fù)擔(dān)，提高交互可靠性和安全性[3]。

車載觸覺設(shè)備一般是圍繞車輛本身以及駕駛位進(jìn)行設(shè)置的，并且觸覺刺激的形式多樣，但目前依然以較容易實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)觸覺為主[4]。在這些觸覺可以傳達(dá)的信息中，導(dǎo)航信息是重點(diǎn)研究的對(duì)象之一。Asif等[5]提出了一種可穿戴式觸覺腰帶，編碼后向駕駛員展示方向信息。Van Erp等[6]、Hogema[7]、Hwang[8]等人都是將觸覺振動(dòng)模塊固定在座位置，通過致動(dòng)器矩陣的不同振動(dòng)編碼形式，將提示信息傳遞給駕駛員。Kern等[9]、MedeirosWorld等[10]、Hwang[11]通過觸覺方向盤上振動(dòng)電機(jī)為駕駛員提供導(dǎo)航信息。

1.2 DALI駕駛負(fù)荷量表

駕駛負(fù)荷這個(gè)概念是用來描述駕駛員駕駛過程中的總體負(fù)荷，主要包括腦力和體力負(fù)荷[12]。其中NASA-TLX任務(wù)負(fù)荷測(cè)量表是使用最廣、最受歡迎的方法之一，該量表起初是為了評(píng)估航空領(lǐng)域的飛行員工作量而設(shè)計(jì)的[13-14]。DALI（駕駛活動(dòng)負(fù)荷指數(shù)）是NASA-TLX的修訂版，專門適用于駕駛?cè)蝿?wù)，能夠更好地評(píng)估駕駛工作的腦力負(fù)荷。DALI的基本原則與NASA-TLX相同，不同的是修改了因素的定義適應(yīng)駕駛工作。具體各項(xiàng)條目說明見附件1[15]，評(píng)分量表見表1。

使用者首先針對(duì)每個(gè)分條目進(jìn)行打分，再將各個(gè)分量一對(duì)一比較，選擇每對(duì)中更有壓力的一項(xiàng)，共15對(duì)。數(shù)據(jù)處理時(shí)根據(jù)每個(gè)負(fù)荷分量被選中的次數(shù)將決定該分量在計(jì)入總負(fù)荷值時(shí)的占比，從而加權(quán)后計(jì)算得到每名被試的總駕駛腦力負(fù)荷值[16]。本研究將使用DALI進(jìn)行主觀等級(jí)量表測(cè)量被試的駕駛腦力負(fù)荷。

2 觸覺提示導(dǎo)航交互實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c對(duì)象

為了研究觸覺模態(tài)的加入在駕駛導(dǎo)航場(chǎng)景下對(duì)駕駛員腦力負(fù)荷的影響。本研究通過模擬陌生路段使用導(dǎo)航的場(chǎng)景，對(duì)比傳統(tǒng)語音導(dǎo)航和添加觸覺提示導(dǎo)航，來探索觸覺交互在車載環(huán)境下更大的可用性。本研究共招募被試者20人，年齡為20-25歲。本次研究利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，設(shè)置未加入和加入觸覺提示的兩組實(shí)驗(yàn)，加入觸覺提示的一組為實(shí)驗(yàn)組，對(duì)比后得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本次實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)搭建主要分為駕駛模塊、語音導(dǎo)航模塊以及觸覺交互模塊。

駕駛模塊由兩部分構(gòu)成，硬件部分用到易星駕駛模擬器，其中包含了方向盤、剎車踏板、離合踏板、油門踏板、手剎、換擋器等部分，模擬真實(shí)的駕駛操作；軟件部分為“墨泥模擬駕駛軟件3.3.5版本模擬駕駛系統(tǒng)。語音導(dǎo)航模塊利用訊飛快讀語音生成平臺(tái)，參考高德地圖提示語句，生成語音文件，并利用手機(jī)進(jìn)行播放。觸覺交互模塊的核心為馬達(dá)的選擇及其參數(shù)的設(shè)定。振動(dòng)馬達(dá)是在可穿戴設(shè)備中最常見的實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的模塊，本實(shí)驗(yàn)選用了常見的低分辨率1227DC紐扣式振動(dòng)馬達(dá)。

馬達(dá)各項(xiàng)振動(dòng)參數(shù)的設(shè)定見表2。有研究顯示，多數(shù)振動(dòng)觸覺裝置振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間為50ms至500ms，若能保持在80ms至320ms之間，觸覺感受會(huì)更好[17-18]。另外，Kaaresoja等人研究表明，當(dāng)將振動(dòng)作為警示信號(hào)的時(shí)候，選擇將持續(xù)時(shí)間設(shè)定在50ms ～ 200ms之間效果更好。故，本次實(shí)現(xiàn)設(shè)定的馬達(dá)單次震動(dòng)時(shí)間t1=200ms[19]。有實(shí)驗(yàn)顯示，人對(duì)于觸覺的識(shí)別率會(huì)隨著振動(dòng)數(shù)量的增加而降低，為即保證識(shí)別率又不使時(shí)長過長，設(shè)定周期內(nèi)振動(dòng)次數(shù)n=2。對(duì)于振動(dòng)的時(shí)間間隔的設(shè)定，有實(shí)驗(yàn)顯示，識(shí)別準(zhǔn)確率隨著時(shí)間的減少而下降，當(dāng)時(shí)間短于70ms時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率快速下降，故本文選擇t2=70ms，即可以保證較高的識(shí)別率，又可以在時(shí)間上提供較快的觸覺表達(dá)效果。

本次實(shí)驗(yàn)，為了消除由于被試者駕駛操作習(xí)慣不同而導(dǎo)致感受到的振動(dòng)幅度與強(qiáng)度不同，選擇將兩個(gè)振動(dòng)馬達(dá)固定在被試者的手背。兩個(gè)馬達(dá)將會(huì)呈現(xiàn)三種振動(dòng)形式，即左右手馬達(dá)單獨(dú)振動(dòng)以及雙手馬達(dá)同時(shí)振動(dòng)。三種振動(dòng)形式也將對(duì)應(yīng)導(dǎo)航時(shí)的三種語音提示和駕駛操作，具體振動(dòng)形式與操作對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3。使用STM32單片機(jī)設(shè)置馬達(dá)各項(xiàng)振動(dòng)參數(shù)來達(dá)到設(shè)計(jì)效果，馬達(dá)固定方式和實(shí)物圖見圖1。

2.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

本次研究要求每位被試先后完成T1、T2兩個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均為在陌生路段利用語音導(dǎo)航到達(dá)目的地，不同的是實(shí)驗(yàn)任務(wù)T2加入了觸覺振動(dòng)模塊進(jìn)行輔助提醒。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體路線與操作規(guī)劃如表4。

首先被試完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)T1，結(jié)束后，請(qǐng)被試立即填寫《T1 DALI駕駛負(fù)荷評(píng)價(jià)量表》，然后請(qǐng)被試獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)T2，任務(wù)結(jié)束后，請(qǐng)被試立即填寫《T2 DALI駕駛負(fù)荷評(píng)價(jià)量表》和《用戶實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)調(diào)查問卷》。本研究中設(shè)計(jì)了用戶實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)問卷，該問卷采用了五分李克特量表編寫，分為四個(gè)維度：振動(dòng)提示的體驗(yàn)感、實(shí)驗(yàn)整體體驗(yàn)感、對(duì)于觸覺提示導(dǎo)航的接受程度。每個(gè)維度下設(shè)置了3-4個(gè)題目進(jìn)行測(cè)評(píng)。

除去DALI量表內(nèi)的負(fù)荷分量，還要如實(shí)記錄每位被試實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)路口變道操作的錯(cuò)誤數(shù)目，以第一次變道操作為準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)被試進(jìn)行半開放式訪談。被試的駕駛操作會(huì)有視頻留存，以便后續(xù)分析，具體實(shí)驗(yàn)過程記錄如圖2。

2.4 數(shù)據(jù)分析

2.4.1 DALI量表相關(guān)性分析

針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的七個(gè)負(fù)荷分量以及總負(fù)荷值進(jìn)行數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，注意力需求、視覺需求、聽覺需求、時(shí)間需求、情景壓力與總負(fù)荷值均呈現(xiàn)正態(tài)性，錯(cuò)誤數(shù)目與干擾兩個(gè)分條目呈現(xiàn)非正態(tài)性，經(jīng)過相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示六個(gè)負(fù)荷分量以及錯(cuò)誤數(shù)目均與總負(fù)荷值成顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）。

2.4.2 觸覺提示的加入對(duì)各負(fù)荷分量的影響

對(duì)于觸覺提示的加入對(duì)各個(gè)負(fù)荷分量的影響展開研究，對(duì)T1和T2對(duì)應(yīng)的正態(tài)性負(fù)荷分量開展配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，反之，則開展配對(duì)樣本W(wǎng)ilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)。

配對(duì)樣本T檢驗(yàn)顯示，T2的注意力需求（p=0.021）和聽覺需求（p=0.000）顯著低于T1。根據(jù)Cohen's d值進(jìn)行差異性進(jìn)行量化分析，得出注意力需求差異幅度中等（Cohen's d=0.56），聽覺需求差異幅度非常大（Cohen's d=1.921）。另外，T2實(shí)驗(yàn)條件下的總負(fù)荷值也顯著低于T1實(shí)驗(yàn)條件（p=0.010），箱式圖見圖3。

T1錯(cuò)誤數(shù)目，T2錯(cuò)誤數(shù)目均不具備正態(tài)性特質(zhì)，展開配對(duì)樣本W(wǎng)ilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)。結(jié)果eEtixxvVIgHfYgVmXnlDzA==顯示，T2實(shí)驗(yàn)條件下被試錯(cuò)誤數(shù)目顯著少于T2實(shí)驗(yàn)條件。根據(jù)Cohen's d值進(jìn)行差異性進(jìn)行量化分析，得出其差異幅度非常大（Cohen's d=1.043）。

2.4.3 問卷數(shù)據(jù)分析

根據(jù)問卷針對(duì)振動(dòng)提示的體驗(yàn)感這一維度評(píng)分統(tǒng)計(jì)（圖5-a），題目的各自得分以及該維度的總分平均值均高于4，且題目得分在4以上的百分比均高于90%。說明本次實(shí)驗(yàn)觸覺提示模塊設(shè)計(jì)合理，能夠使被試收獲很好的振動(dòng)提示體驗(yàn)感的同時(shí)，清晰感受并分辨不同的振動(dòng)提示，且對(duì)于被試的駕駛操作的負(fù)面影響較小。

根據(jù)問卷針對(duì)實(shí)驗(yàn)整體體驗(yàn)感這一維度評(píng)分統(tǒng)計(jì)（圖5-b），題目的各自得分以及該維度的總分平均值均高于3。說明本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理，駕駛真實(shí)感良好，實(shí)驗(yàn)操作門檻較低，容易上手，且實(shí)驗(yàn)過程體驗(yàn)感較好。

根據(jù)問卷針對(duì)加入觸覺提示導(dǎo)航的接受程度這一維度評(píng)分統(tǒng)計(jì)（圖5-c），題目的各自得分以及該維度的總分平均值均高于3。表明被試對(duì)于觸覺振動(dòng)的提示方式普遍接受，絕大多數(shù)人有過誤解導(dǎo)航提示的經(jīng)歷，且認(rèn)為觸覺振動(dòng)的加入能使導(dǎo)航提示更明確并表示愿意接受帶有觸覺提示的導(dǎo)航系統(tǒng)。

3 結(jié)論

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，負(fù)荷分量與測(cè)試總量之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。觸覺提示的加入將在一定程度上使駕駛員的注意力需求和聽覺需求降低，即觸覺提示的加入有利于緩解駕駛員的注意力緊張狀態(tài)，并且分擔(dān)了聽覺通道的交互任務(wù)。但觸覺提示的加入沒有對(duì)視覺、情景壓力、干擾方面造成顯著性差異影響。另外，觸覺提示的加入將大幅度提高駕駛員的決策正確率，即對(duì)于導(dǎo)航提示的信息接受正確率得到大幅提高。觸覺提示的加入在一定程度上降低了總體駕駛負(fù)荷，即有利于降低駕駛員的駕駛過程中的腦力負(fù)荷。用戶體驗(yàn)問卷中也收到用戶對(duì)于觸覺提示導(dǎo)航系統(tǒng)的接納和期待的態(tài)度。

本研究基于DALI駕駛負(fù)荷量表對(duì)帶有觸覺提示導(dǎo)航系統(tǒng)的使用進(jìn)行了驗(yàn)證，通過分析各個(gè)負(fù)荷分量以及操作錯(cuò)誤次數(shù)的變化差異，驗(yàn)證了觸覺提示導(dǎo)航的可用性以及對(duì)于降低駕駛負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)，為觸覺提示導(dǎo)航的設(shè)計(jì)研究提供了思路方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭紅麗，丁冠源，回姝，等.5G通信時(shí)代汽車智能座艙發(fā)展趨勢(shì)[J/OL].汽車文摘，2022（5）：

12-15.DOI：10.19822/j.cnki.1671-6329.20210163.

[2]杜曾宇，黃曉延，蒙錦珊.智能座艙的關(guān)鍵技術(shù)[J].時(shí)代汽車，2021（5）：143-144.

[3]王琦，李東江.創(chuàng)新中的產(chǎn)業(yè)跨越——簡析我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J/OL].汽車維護(hù)與修理，2022（21）：5-15.DOI：10.16613/j.cnki.1006-6489.2022.21.035.

[4]劉玉磊，馬艷陽，徐伯初，等.車載智能預(yù)警系統(tǒng)中的人機(jī)交互[J/OL].包裝工程，2020，41（18）：78-89.DOI：10.19554/j.cnki.1001-3563.2020.18.010.

[5]ASIF A， BOLL S. Where to turn my car？： comparison of a tactile display and a conventional car navigation system under high load condition[C/OL]//Proceedings of the 2nd International Conference on Automotive User Interfaces and Interactive Vehicular Applications. Pittsburgh Pennsylvania： ACM， 2010： 64-71[2024-05-22]. https：//dl.acm.org/doi/10.1145/1969773.1969786. DOI：10.1145/1969773.1969786.

[6]VAN ERP J B F， VAN VEEN H A H C. Vibrotactile in-vehicle navigation system[J/OL]. Transportation Research Part F： Traffic Psychology and Behaviour， 2004， 7（4-5）： 247-256. DOI：10.1016/j.trf.2004.09.003.

[7]HOGEMA J H， DE VRIES S C， VAN ERP J B，等.A tactile seat for direction coding in car driving： Field evaluation[J].IEEE Transactions on Haptics， 2009， 2（4）：181-188.

[8]HWANG J， CHUNG K， HYUN J，等. Development and Evaluation of an In-Vehicle Haptic Navigation System[M/OL]//PARK J H， KIM J， ZOU D， 等. Information Technology Convergence， Secure and Trust Computing， and Data Management： 卷 180. Dordrecht： Springer Netherlands， 2012： 47-53[2024-05-22]. http：//link.springer.com/10.1007/978-94-007-5083-8_8.

[9]KERN D， MARSHALL P， HORNECKER E， 等. Enhancing Navigation Information with Tactile Output Embedded into the Steering Wheel[M/OL]//TOKUDA H， BEIGL M， FRIDAY A， 等.Pervasive Computing：卷5538.Berlin， Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg， 2009：42-58[2024-05-22].http：//link.springer.com/10.1007/978-3-642-01516-8_5.

[10]MEDEIROS-WARD N， COOPER J M， DOXON A J， 等. Bypassing the Bottleneck： The Advantage of Fingertip Shear Feedback for Navigational Cues[J/OL]. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting， 2010， 54（24）： 2042-2047. DOI：10.1177/154193121005402405.

[11]HWANG S， RYU J hee.The Haptic steering Wheel：Vibro-tactile based navigation for the driving environment[C/OL]//2010 8th IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops （PERCOM Workshops）.IEEE， 2010：660-665[2024-05-22].https：//ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5470517/.

[12]檢索-中國知網(wǎng)[EB/OL].[2024-05-21].https：//kns.cnki.net/kns8s/defaultresult/index？crossids=YSTT4HG0%2CLSTPFY1C%2CJUP3MUPD%2CMPMFIG1A%2CWQ0UVIAA%2CBLZOG7CK%2CEMRPGLPA%2CPWFIRAGL%2CNLBO1Z6R%2CNN3FJMUV&korder=SU&kw=DALI%E8%B4%9F%E8%8D%B7.

[13]梁麗玲，趙麗，鄧娟，等.NASA-TLX量表的漢化及信效度檢驗(yàn)[J].護(hù)理研究，2019（5）：734-737.

[14]辛甜，蔣利添，馬海軍，等.NASA-TLX主觀評(píng)測(cè)法的優(yōu)化[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018.

[15]PAUZIé A. A method to assess the driver mental workload： The driving activity load index （DALI）[J]. IET Intelligent Transport Systems， 2008， 2（4）： 315-322.

[16]李曼.中文版腦力負(fù)荷主觀評(píng)估量表在上海市社區(qū)醫(yī)師中信效度評(píng)估及應(yīng)用[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2014.

[17]王坤赤.觸覺的頻率分辨機(jī)制研究[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，6（4）：67-70.

[18]WANG C， WANG D hui. Capacity and maintenance mechanism of vibrotactile working memory[J/OL]. Advances in Psychological Science， 2021， 29（7）： 1141-1148. DOI：10.3724/SP.J.1042.2021.01141.

[19]褚少微.振動(dòng)觸覺的量化感知與觸覺文字編碼設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2019，31（6）：1046-1052.