基于DALI量表的触觉提示车载导航的设计研究

摘 要：随着智能座舱各项技术的飞速发展，车内的多项任务占据了驾驶员的视听通道，导致传统的语音导航的交互效果下降，驾驶负荷升高。而空闲的触觉通道可以起到补充交互的效果。本研究就基于DALI负荷量表进行触觉提示导航的设计研究，验证了触觉提示加入有助于降低导航交互过程中的驾驶负荷，为更多模态的导航设计提供了思路和参考。

关键词：振动触觉 驾驶负荷 导航交互

1 研究概述

1.1 车载触觉设备

触觉作为非视觉器官之一，配合人体表面（如皮肤）这个巨大的触觉接收器，是我们与周围世界相互联系的重要媒介。聚焦到车内的交互活动，驾驶员在车内查看手机、交谈、听音乐等活动均会占用司机的听觉和视觉注意力，导致驾驶安全问题[1-2]。在视听模态都被占用的情况下，触觉模态的使用可以减轻试听负担，提高交互可靠性和安全性[3]。

车载触觉设备一般是围绕车辆本身以及驾驶位进行设置的，并且触觉刺激的形式多样，但目前依然以较容易实现的振动触觉为主[4]。在这些触觉可以传达的信息中，导航信息是重点研究的对象之一。Asif等[5]提出了一种可穿戴式触觉腰带，编码后向驾驶员展示方向信息。Van Erp等[6]、Hogema[7]、Hwang[8]等人都是将触觉振动模块固定在座位置，通过致动器矩阵的不同振动编码形式，将提示信息传递给驾驶员。Kern等[9]、MedeirosWorld等[10]、Hwang[11]通过触觉方向盘上振动电机为驾驶员提供导航信息。

1.2 DALI驾驶负荷量表

驾驶负荷这个概念是用来描述驾驶员驾驶过程中的总体负荷，主要包括脑力和体力负荷[12]。其中NASA-TLX任务负荷测量表是使用最广、最受欢迎的方法之一，该量表起初是为了评估航空领域的飞行员工作量而设计的[13-14]。DALI（驾驶活动负荷指数）是NASA-TLX的修订版，专门适用于驾驶任务，能够更好地评估驾驶工作的脑力负荷。DALI的基本原则与NASA-TLX相同，不同的是修改了因素的定义适应驾驶工作。具体各项条目说明见附件1[15]，评分量表见表1。

使用者首先针对每个分条目进行打分，再将各个分量一对一比较，选择每对中更有压力的一项，共15对。数据处理时根据每个负荷分量被选中的次数将决定该分量在计入总负荷值时的占比，从而加权后计算得到每名被试的总驾驶脑力负荷值[16]。本研究将使用DALI进行主观等级量表测量被试的驾驶脑力负荷。

2 触觉提示导航交互实验

2.1 实验目的与对象

为了研究触觉模态的加入在驾驶导航场景下对驾驶员脑力负荷的影响。本研究通过模拟陌生路段使用导航的场景，对比传统语音导航和添加触觉提示导航，来探索触觉交互在车载环境下更大的可用性。本研究共招募被试者20人，年龄为20-25岁。本次研究利用对比实验，设置未加入和加入触觉提示的两组实验，加入触觉提示的一组为实验组，对比后得出相应的实验结论。

2.2 实验平台搭建

本次实验的平台搭建主要分为驾驶模块、语音导航模块以及触觉交互模块。

驾驶模块由两部分构成，硬件部分用到易星驾驶模拟器，其中包含了方向盘、刹车踏板、离合踏板、油门踏板、手刹、换挡器等部分，模拟真实的驾驶操作；软件部分为“墨泥模拟驾驶软件3.3.5版本模拟驾驶系统。语音导航模块利用讯飞快读语音生成平台，参考高德地图提示语句，生成语音文件，并利用手机进行播放。触觉交互模块的核心为马达的选择及其参数的设定。振动马达是在可穿戴设备中最常见的实现振动的模块，本实验选用了常见的低分辨率1227DC纽扣式振动马达。

马达各项振动参数的设定见表2。有研究显示，多数振动触觉装置振动持续的时间为50ms至500ms，若能保持在80ms至320ms之间，触觉感受会更好[17-18]。另外，Kaaresoja等人研究表明，当将振动作为警示信号的时候，选择将持续时间设定在50ms ～ 200ms之间效果更好。故，本次实现设定的马达单次震动时间t1=200ms[19]。有实验显示，人对于触觉的识别率会随着振动数量的增加而降低，为即保证识别率又不使时长过长，设定周期内振动次数n=2。对于振动的时间间隔的设定，有实验显示，识别准确率随着时间的减少而下降，当时间短于70ms时，识别准确率快速下降，故本文选择t2=70ms，即可以保证较高的识别率，又可以在时间上提供较快的触觉表达效果。

本次实验，为了消除由于被试者驾驶操作习惯不同而导致感受到的振动幅度与强度不同，选择将两个振动马达固定在被试者的手背。两个马达将会呈现三种振动形式，即左右手马达单独振动以及双手马达同时振动。三种振动形式也将对应导航时的三种语音提示和驾驶操作，具体振动形式与操作对应关系如表3。使用STM32单片机设置马达各项振动参数来达到设计效果，马达固定方式和实物图见图1。

2.3 实验任务

本次研究要求每位被试先后完成T1、T2两个实验任务。两个实验均为在陌生路段利用语音导航到达目的地，不同的是实验任务T2加入了触觉振动模块进行辅助提醒。两个实验的具体路线与操作规划如表4。

首先被试完成实验任务T1，结束后，请被试立即填写《T1 DALI驾驶负荷评价量表》，然后请被试独立完成实验任务T2，任务结束后，请被试立即填写《T2 DALI驾驶负荷评价量表》和《用户实验体验调查问卷》。本研究中设计了用户实验体验问卷，该问卷采用了五分李克特量表编写，分为四个维度：振动提示的体验感、实验整体体验感、对于触觉提示导航的接受程度。每个维度下设置了3-4个题目进行测评。

除去DALI量表内的负荷分量，还要如实记录每位被试实验过程中每个路口变道操作的错误数目，以第一次变道操作为准。实验结束后，对被试进行半开放式访谈。被试的驾驶操作会有视频留存，以便后续分析，具体实验过程记录如图2。

2.4 数据分析

2.4.1 DALI量表相关性分析

针对本次实验的七个负荷分量以及总负荷值进行数据正态性检验，结果显示，注意力需求、视觉需求、听觉需求、时间需求、情景压力与总负荷值均呈现正态性，错误数目与干扰两个分条目呈现非正态性，经过相关性检验，结果显示六个负荷分量以及错误数目均与总负荷值成显著正相关关系（p＜0.05）。

2.4.2 触觉提示的加入对各负荷分量的影响

对于触觉提示的加入对各个负荷分量的影响展开研究，对T1和T2对应的正态性负荷分量开展配对样本T检验，反之，则开展配对样本Wilcoxon符号秩检验。

配对样本T检验显示，T2的注意力需求（p=0.021）和听觉需求（p=0.000）显著低于T1。根据Cohen's d值进行差异性进行量化分析，得出注意力需求差异幅度中等（Cohen's d=0.56），听觉需求差异幅度非常大（Cohen's d=1.921）。另外，T2实验条件下的总负荷值也显著低于T1实验条件（p=0.010），箱式图见图3。

T1错误数目，T2错误数目均不具备正态性特质，展开配对样本Wilcoxon符号秩检验。结果eEtixxvVIgHfYgVmXnlDzA==显示，T2实验条件下被试错误数目显著少于T2实验条件。根据Cohen's d值进行差异性进行量化分析，得出其差异幅度非常大（Cohen's d=1.043）。

2.4.3 问卷数据分析

根据问卷针对振动提示的体验感这一维度评分统计（图5-a），题目的各自得分以及该维度的总分平均值均高于4，且题目得分在4以上的百分比均高于90%。说明本次实验触觉提示模块设计合理，能够使被试收获很好的振动提示体验感的同时，清晰感受并分辨不同的振动提示，且对于被试的驾驶操作的负面影响较小。

根据问卷针对实验整体体验感这一维度评分统计（图5-b），题目的各自得分以及该维度的总分平均值均高于3。说明本次实验设计合理，驾驶真实感良好，实验操作门槛较低，容易上手，且实验过程体验感较好。

根据问卷针对加入触觉提示导航的接受程度这一维度评分统计（图5-c），题目的各自得分以及该维度的总分平均值均高于3。表明被试对于触觉振动的提示方式普遍接受，绝大多数人有过误解导航提示的经历，且认为触觉振动的加入能使导航提示更明确并表示愿意接受带有触觉提示的导航系统。

3 结论

根据本次实验分析结果可知，负荷分量与测试总量之间呈现显著正相关关系。触觉提示的加入将在一定程度上使驾驶员的注意力需求和听觉需求降低，即触觉提示的加入有利于缓解驾驶员的注意力紧张状态，并且分担了听觉通道的交互任务。但触觉提示的加入没有对视觉、情景压力、干扰方面造成显著性差异影响。另外，触觉提示的加入将大幅度提高驾驶员的决策正确率，即对于导航提示的信息接受正确率得到大幅提高。触觉提示的加入在一定程度上降低了总体驾驶负荷，即有利于降低驾驶员的驾驶过程中的脑力负荷。用户体验问卷中也收到用户对于触觉提示导航系统的接纳和期待的态度。

本研究基于DALI驾驶负荷量表对带有触觉提示导航系统的使用进行了验证，通过分析各个负荷分量以及操作错误次数的变化差异，验证了触觉提示导航的可用性以及对于降低驾驶负荷的优势，为触觉提示导航的设计研究提供了思路方法。

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