1、第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.51 No.8August 2023华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）触觉反馈技术在汽车信息系统中的应用孙晓颖 赵轶男（吉林大学 通信工程学院，吉林 长春 130022）摘要：近年来汽车的智能网联化程度日益提高，现代车辆已经转变为拥有导航系统、娱乐系统、气候控制系统、车辆性能系统等信息系统的可移动计算机平台，驾驶员在车内可以访问和交互的信息量显著增加。然而在驾驶时操作功能繁多的汽车信
2、息系统会分散司机大量的视觉和听觉注意力，造成分心驾驶，增加了发生交通事故的可能。驾驶时使用触觉模态可以与视听模态形成互补，减轻驾驶员视听负担，提高驾驶安全性、交互可靠性、使用舒适性。在总结触觉反馈技术在汽车中应用的发展历程的基础上，阐述了车内交互活动和触觉模态在车内可展现信息的具体种类；重点从车载触觉警告系统、车载触觉导航系统和车载触觉操作协助系统3个方向分析了触觉反馈技术在汽车信息系统中应用的研究进展，并分别总结了在车载警告系统、导航系统和操作协助系统中触觉激励的主要来源；分析总结相关文献，详述了汽车触觉信息系统对驾驶性能影响研究的实验环境、评估指标、评估方法和结果；基于现有技术和研究方法的
3、不足，从触觉反馈激励信号的位置、模式和参数的选取、行为适应问题的研究、实验环境的改进、对影响触觉感知不同因素的考虑、多种汽车触觉信息系统的整合等方面，对未来汽车触觉信息系统的研究进行了讨论与展望。关键词：触觉反馈技术；汽车触觉信息系统；性能评估方法；研究现状；汽车驾驶安全性中图分类号：TP399文章编号：1000-565X（2023）08-0098-12在日常的人机交互中，触觉是重要的非视觉信息来源1。触觉反馈技术在日常的人机交互中占据重要地位。现如今，大多数智能移动电话都配备有振动致动器以提供振动触觉反馈，通知用户有来电或未读消息。然而，从商业角度来看，触觉反馈技术仅在近几年才被应用到数百万
4、人每天都在做的事情驾驶当中2。1990年，作为通用智能驾驶支持（GIDS）项目的一部分，Janssen等3引入了一个触觉反馈油门踏板，当驾驶员行车间距过小时会施加反作用力。虽然实验证明这个系统对驾驶员的跟车性能有积极的影响，但参与者主观上认为这个系统不可取，现在看来，这是因为 GIDS概念已经领先于那个时代，在接下来的几年里，汽车行业很少有关于触觉支持系统的研究。直到2000年前后，汽车市场开始引入了多种高级驾驶辅助系统，包括自适应巡航控制系统、盲点警告系统等。随后，汽车制造商开始在汽车中引入触觉辅助系统，例如2007年Nissan的doi：10.12141/j.issn.1000-565X.
5、220548收稿日期：20220826基金项目：国家自然科学基金重点项目（61631010）Foundation item：Supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of China（61631010）作者简介：孙晓颖（1969-），男，教授，博士生导师，主要从事人机交互、触觉再现、阵列信号处理与电磁兼容研究。E-mail：通信作者：赵轶男（1996-），女，硕士，主要从事触觉与人机交互研究。E-mail：ZhaoY第 8 期孙晓颖 等：触觉反馈技术在汽车信息系统中的应用距离控制辅助系统，2012年V
6、olvo的车道保持辅助系统（LKAS）等4，用来对诸如横纵向车距控制这类驾驶子任务提供支持和帮助。由此可见，汽车不再只是传统意义上的一种简单的交通工具5，驾驶汽车成为一项复杂的多任务活动。汽车内的交互活动可以分为一级交互（驾驶汽车）、二级交互（处理驾驶辅助系统）和三级交互（接打电话，听音乐，与乘客交谈等）6。驾驶汽车需要保持对前方道路和周围环境的高度注意力，然而查看手机、操作GPS导航系统、与乘客交谈、听音乐等均会分散司机的视觉或听觉注意力，从而导致驾驶安全问题7-8。在视听模态均被占用的情况下，触觉模态可以在不增加司机认知负荷的同时，快速传递信息9，减轻驾驶员视听负担，提高交互可靠性和驾驶安
7、全性。2001年，Van Erp等10将汽车内可通过触觉模态向驾驶员展现的信息分为以下5类：（1）空间信息 人类视觉系统只能从180前视角提取空间信息，而利用车载触觉信息系统可感知到汽车周围所有物体，例如处于视觉盲区的汽车、横穿马路的行人等；（2）警报信息 可随时随地提醒驾驶员注意即将到来的危险；（3）通信信息 可在不打扰乘客及不暴露内容的情况下将通信信息隐秘地传达给司机；（4）编码信息 将车速、发动机转速、行驶方向等信息进行详细编码，为每个参数确定最佳编码方式，传达给司机；（5）一般信息 引导司机在仪表板或中控台上的各个位置进行操作，提供开关和按键的设置偏好信息。本文在总结近些年触觉信息在汽
8、车中应用的相关研究基础上，重点从触觉警告系统、触觉导航系统和触觉操作协助系统3个方面阐述国内外研究进展，详细梳理和总结汽车触觉信息系统对驾驶性能影响的评测方法、评测指标和结果，重点比较了视觉、听觉和触觉汽车信息系统的性能。最后针对现有研究方法的不足，讨论了未来应用在汽车中的触觉反馈技术的研究方向。1汽车触觉信息系统研究现状1.1汽车触觉警告系统触觉反馈技术可用来提示驾驶员即将发生的危险，当某些变量（如汽车在道路上的位置、行驶速度、与其他物体的距离等）达到一定阈值，触觉警告系统就会启动11，以警告驾驶员做出相应操作，规避危险。本节选取国内外对车载触觉警告系统的典型研究，从碰撞警告系统、车道偏离警
9、告系统和超速警告系统3个方面进行了归纳。1.1.1碰撞触觉警告系统汽车碰撞事故在交通事故中占很大比例12，会造成严重的人身伤亡和财产损失。变换车道、超车、转弯和倒车时均可能发生碰撞事故。在驾驶时时刻关注周围环境，并在即将发生碰撞时迅速作出反应对司机的视觉注意力和认知负荷造成了巨大负担。这种情况下，使用触觉警告系统进行盲点检测，提示司机周围车辆或行人的存在十分有效。2003年，Tan等13使用局部触觉反馈传达周围物体的空间信息，向司机做出预防碰撞的警告。2005年，Ho等14研制出可供司机穿戴的触觉腰带，腰带上有两个致动器，分别位于司机腰部的前方和后方，在可能发生碰撞的一侧相应致动器被激活，以此
10、告知司机相应方向存在潜在的碰撞风险。2010年，Morrell等15提出了触觉驾驶座椅，座椅安装35矩阵的振动触觉致动器，可向司机传达附近其他车辆的位置，如左下角致动器振动对应司机左后方有一辆车，避免碰撞。2016年，Grah等16也提出一种可变形触觉座椅，座椅上安装有44矩阵的伺服电机，每个伺服电机控制一个推杆，可对司机背部施加推力，以此提醒司机在超车或变换车道时周围是否有障碍物，防止碰撞。该系统的主要目标是通过向司机提供关于障碍物的距离和角度的反馈，鼓励司机仔细观察周围环境2。2015 年，Lcken等17研制出一种触觉腰带，腰带上固定有6个致动器，向司机显示周围车辆的位置，当有其他车试图
11、或正在超车时，相应位置的致动器会被激活以提示司机放弃超车，以防发生碰撞。2012年，Ochiai等18提出在油门踏板上施加触觉反馈的方法，提供位于车底物体的位置信息。位于车底的红外距离传感器组成的系统通过Arduino微控制器连接到一个10 cm10 cm的触觉矩阵，可在司机的左脚下提供振动触觉反馈，告知司机车下有物体，防止碾压事故的发生。此外，还有一些文献提出了使用触觉反馈技术提醒或警告驾驶员潜在危险的方法，如文献 19-22 中提出使用触觉反馈提醒驾驶员躲避固定障碍物的方法，文献 23-24 中提出利用触觉反馈技术提醒驾驶员躲避行人的方法，文献 25-26 中提出用触觉反馈技术进行盲点检测
12、的方法等。99第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）碰撞触觉警告系统中，通常在驾驶座椅、油门踏板和腰带等处施加振动源，检测到汽车周围或视野以外的行人、车辆或其他物体后，在司机的腿部、腰部和背部提供触觉反馈，提高司机对周围环境的意识，预防碰撞的发生。1.1.2车道偏离触觉警告系统注意力不集中和疲劳驾驶是造成车道偏离的主要原因27。据交通部统计，约有50%的汽车交通事故是因为汽车偏离正常的行驶车道引起的；美国联邦公路局估计，美国2002年所有致命的交通事故中44%跟车道偏离有关，同时车道偏离也被看成是车辆侧翻事故的主要原因28。车道偏离会造成与同向行驶车辆、对向行驶车辆、
13、路边行人相撞，严重时会危及生命。车道偏离触觉警告系统以最直观的方式给予驾驶员车道偏离提示，减少事故发生。2003年，Suzuki等29 首先提出了在方向盘施加振动触觉反馈，以提示司机车辆发生偏移的方法，当汽车偏移时，司机便会直观感觉到方向盘发生振动。此后，许多研究集中在使用方向盘上的触觉信号进行车道偏离警告。2008年，Onimaru等30 提出了使用带有两个振动触觉致动器的方向盘进行车道偏移警告的方法，振动触觉致动器分别位于方向盘两侧。方向盘持续提供振动，并根据汽车的横向偏移量改变强度。偏移量越大，振动越强。2006年，Stanley31 研究发现，相比于车辆偏移语音警告系统，振动触觉驾驶座
14、椅可大大缩短司机从发现车辆偏移到调整方向的反应时间，从 1.24 s缩短到 0.89 s。2013年，Kurihara等32提出了一种触觉反馈油门踏板，在车道偏离的情况下会振动，可显著减少偏离车道事件的发生。车道偏离触觉警告系统中，方向盘、驾驶座椅和油门踏板是主要触觉激励源，以简单直观的方式对司机偏离车道做出警告，预防事故的发生。1.1.3超速触觉警告系统超速驾驶会导致汽车的安全性能下降、驾驶员对空间的认知能力减弱且不能全面正确感知汽车内外变化等问题33。驾驶时司机需要时刻关注仪表盘上的时速表以控制车速，同时还需保持对前方道路情况的视觉关注，这会造成极大的安全隐患。使用触觉反馈技术对驾驶员发出
15、超速警告，可减少驾驶员视觉负荷，保持安全车速。2008年，Adell等34提出一种力反馈油门踏板，通过对作用于踏板上的压力施加阻力，在司机超速时作出警告，能够显著降低车速。Vlassenroot等35研究发现，实际驾驶时，司机在限速90 km/h的道路上循环行驶，力反馈油门踏板可帮助驾驶员减少近10%超速情况的发生。Jamson等36-38在研究中提到一种方法，当油门踏板被踩下的幅度过大时，会在油门踏板上提供一个反作用力，阻止司机继续踩油门加速的行为。2013年，Birrell等39研制出一种车载警告系统，当驾驶员踩下油门踏板的幅度超过50%时，该系统会使油门踏板发生振动，警告驾驶员的超速行为
16、。超速触觉警告系统中，油门踏板上的触觉反馈是主要触觉激励，用来在司机即将超速行驶时发出振动触觉警告，有效避免油门踏板大幅度踩压和汽车的大幅度加速，提高燃油的经济性11，有利于生态友好型驾驶。1.2汽车触觉导航系统现有车载GPS导航系统大多基于显示屏或语音提示呈现导航信息，这类导航系统需要驾驶员专注于屏幕或语音导航提示，然而在交通情况复杂的城市行驶或高速驾驶需要高度集中的视觉注意力2，且如果车内环境较为嘈杂，语音导航信息会失去效用。针对使用车载显示屏和语音导航系统会分散司机大量视听注意力的问题，国内外学者提出使用触觉反馈技术呈现导航信息的方法，减少认知负荷，提高驾驶安全。2004年，Van Erp等40研制出一种触觉反馈驾驶座椅，座椅底座安装有8个触觉致动器（每条腿下各4个），使用同侧映射方法呈现方向信息，即左腿下4个致动器振动表示左转；同时采用节奏编码方法显示距离信息，振动激励间隔的缩短表示到目的地距离的减少。2010年，Hogema等41开发出一种88致动器矩阵，将其集成在驾驶座椅的底座中，用“条设计”和“块设计”两种模式为司机提供8种方向导航信息：前，后，左，右，左前，右前，左后，