触觉反馈技术在汽车信息系统中的应用.pdf

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.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Volvo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、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。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，右后。以上研究提供的均为静态振动触觉激励。2012年，Hwang等42提出一种使用动态振动触觉反馈进行导航的方法，在驾驶座椅靠背处固定55触觉致动器矩阵，以一定次序激活这些致动器来传达不同的方向导航信息，如用中间偏右到中间偏左的触觉致动器的顺序激活表示“向左转”信号。这种可激活的动态触觉系统构成了向驾驶员提供导航信息的另一种方式。2009年，Kern等43 研制出振动触觉反馈方向盘，用于呈现简单的导航信息。方向盘上集成6个振动电机，有两种状态的输出，一种为静态输出，100第 8 期孙晓颖 等：触觉反馈技术在汽车信息系统中的应用如位于方向盘左侧电机振动表示“向左转”的信息；一种为动态输出，如方向盘上6个电机以顺时针方向依次振动表示“向右转”。2010 年，Medeiros-Word等44 提出用指尖切向位移反馈触觉输入作为导航信息的方法，将触觉致动器集成到方向盘上，司机手握方向盘时，向他们的食指提供触觉切向力提示，向司机呈现与皮肤位移方向相一致的导航方向信息。同年，Hwang等45提出了一种更具先进技术的“触觉方向盘”，使用集成在方向盘上的32个致动器可提供多种渲染技术，比如通过顺序激活方向盘上的致动器可产生“位移错觉”，也可通过从方向盘顶部致动器开始，顺时针或逆时针地驱动致动器提供一种“填充错觉”。Hwang 等45研究发现，以顺时针或逆时针方向一次激活相邻的两个致动器产生振动脉冲表示方向信息，识别率最高。2010年，Asif等46提出一种可穿戴式触觉腰带作为汽车导航系统，为司机展现距离和方向信息。触觉腰带上固定8个振动器，为司机腰部提供8个方向的振动触觉反馈。该系统在到达路口前会被触发4次，以呈现4类距离：非常远，很远，很近，现在转向。Asif等在文献 47 中提到这4种距离所对应的具体数值，分别为：非常远（150200 m），很远（80100 m），很近（3050 m），现在转向（10 m左右）。Asif等 46 研究发现，基于振动节奏和振动持续时间的距离编码是呈现距离信息的最理想方法，驾驶员可通过计算振动激励的脉冲数来感受距离的远近。这种可穿戴式触觉腰带通过改变振动脉冲的持续时间和数量可呈现4类距离，具体编码方式如图1所示，如用2.5 s内的4个脉冲呈现距离“很远”。对于触觉导航系统，来自驾驶员座椅、方向盘和腰带上的振动触觉反馈是3种主要的触觉导航信息来源。触觉导航系统可在不分散驾驶员视听注意力及不增加驾驶员认知负荷的情况下，快速准确传达导航信息，具有重要的研究价值。1.3车载触觉操作协助系统触觉反馈技术可被用来协助司机操作车载触控屏、顺利通过弯道和倒车入库等，不但提高了操作准确性，同时降低司机视听模态负荷，有利于驾驶安全。现从触觉反馈车载触控屏和其他驾驶操作协助系统两方面阐述有关车载触觉操作协助系统的研究现状。1.3.1触觉反馈车载触控屏随着用户界面技术的进步，车载终端显示屏开始集成越来越多的可配置功能48。屏幕本身是视觉反馈设备，驾驶时操作功能繁多的车载显示屏会分散司机大量的视觉注意力。德国法院最近的一项判决中，一名特斯拉司机因在大雨中调整Model 3触控屏上的雨刷速度而导致事故，并因此处以罚款，这引发了用户界面设计师、触觉提倡者和消费者对车载触控屏使用的广泛讨论49-51。2012年，Pitts等52 为车载终端显示屏上的9个按键施加了基于信号参数变化的9种振动触觉反馈，使得驾驶员在开车时完成特定触控屏任务需要注视屏幕的时间从2.96 s缩短到2.40 s。Richter等53 研制出HapTouch，一种基于触觉反馈的车载触控屏系统。该系统利用力传感器和一个能够在Z方向移动整个显示屏的线性致动器产生振动触觉信号。用不同力度触控屏幕时，系统可以感知手指的位置并提供不同的触觉信息。2013年，美国西北大学的Mullenbach等54研制出TPaD可变摩擦触摸显示屏，这是在驾驶环境中首次部署可编程的摩擦显示器。TPaD可以控制摩擦系数，改变屏幕表面和用户手指之间的横向阻力，提供不同的触觉反馈力，在司机与车载显示屏的交互过程中增加物理力的提示。2011年，Spies等55提出使用自适应触觉触摸面板来代替振动触觉反馈车载触控屏，该触摸板可在Z方向上改变其形状，使用类似HyperBraille（超级盲文）技术的自适应、可调整的表面，车载中央显示屏上的元素可以用升高的区域表示，使驾驶者能够感觉到并且按压这些升高的元素，与显示屏上的信息娱乐系统互动。目前，大多数汽车制造商如奥迪、奔驰和保时图1可穿戴式触觉腰带对四类距离的编码方式示意图Fig.1Schematic diagram of the four types of distances encoded by the wearable haptic belts101第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）捷等已经在车载触控屏中使用螺线管和音圈致动器，实现触觉反馈56-58。触觉新兴公司也开始尝试实施更具创新性的触觉反馈技术，如摩擦调制等，以在车载触控屏中应用更具特色的触摸体验式方法59-60。1.3.2其他触觉操作协助系统垂直式停车位泊车往往需要复杂高超的技巧，对此很多汽车制造商在车内配备了自动泊车系统协助司机进行垂直停车，但研究表明，一些司机并不信任这种自动泊车功能61。触觉反馈技术可以协助司机完成垂直泊车、过连续弯道这类较复杂的驾驶操作。2014年，Hirokawa等62提出一种触觉反馈方向盘，可以协助司机完成垂直停车。该系统评估了停车所需的转向动作，并通过方向盘上的触觉反馈指导司机执行停车操作。Profumo等63研究表明，力反馈方向盘可以帮助司机顺利通过较为复杂的弯道，在低能见度的模拟驾驶任务中，在方向盘上按弯道方向施加旋转力有助于司机保持航线顺利通过弯道。施加在方向盘上的触觉反馈是协助司机完成较复杂驾驶任务的触觉信息的主要来源，可用最简单直观的方式帮助司机操纵方向盘，完成复杂的操作。2汽车触觉信息系统对驾驶性能的影响2.1实验环境根据Winter等64对模拟器的分类方法，将近年来国内外评估触觉信息系统对驾驶性能影响时所用实验环境分为以下4类：（1）真实车辆 实验在真实车辆中进行；（2）高等逼真度的驾驶模拟器 模拟器使用可移动的基座，如图229所示；（3）中等逼真度的驾驶模拟器 模拟器拥有超过 120的广阔视野，但无可移动基座，如图 363所示；（4）低等逼真度的驾驶模拟器 使用固定在桌面上的模拟方向盘等作为实验设备，如图415 所示。其中，在真实车辆中进行触觉信息系统对驾驶性能影响的评估实验的典型文献有 34，41，65 等，在高等逼真度驾驶模拟器进行评估实验的典型文献有29，38，66 等，在中等逼真度驾驶模拟器进行评估实验的典型文献有 31，39，63 等，在低等逼真度驾驶模拟器进行评估实验的典型文献有 14-15，30 等。2.2评估指标2.2.1汽车触觉警告系统评估指标国内外学者在评估汽车触觉警告系统对驾驶性能影响时，最常用的指标为司机的反应时间（从触觉警告系统开始发出触觉警告信息，到受试者对该信息做出反应的时间），以及收到触觉警告后回到正常驾驶状态所用的时间。例如文献 14，19，21，29，31，66 等使用司机的反应时间评估触觉警告系统性能，文献 31，67-68 等使用收到触觉警告信息后回到正常驾驶状态所用的时间评估系统性能。2.2.2汽车触觉导航系统评估指标评估汽车触觉导航系统对驾驶性能的影响时，较为常用的指标为受试者对触觉导航信息的正确识别率，即收到导航信息后能否驾驶到正确的目标地点，如文献 10，42-43，45-46，69 等；以及使用车图2高等逼真度的驾驶模拟器示意图Fig.2Schematic diagram of the high fidelity driving simulator图4低等逼真度的驾驶模拟器示意图Fig.4Schematic diagram of the low fidelity driving simulator图3中等逼真度的驾驶模拟器示意图Fig.3Schematic diagram of the medium fidelity driving simulator102第 8 期孙晓颖 等：触觉反馈技术在汽车信息系统中的应用载触觉导航系统后的认知负荷情况，如文献 10，46，70 等。2.2.3车载触觉操作协助系统评估指标对于触觉反馈车载触控屏，国内外研究在评估其对驾驶性能的影响时，常用司机在完成指定的触控屏相关任务（如按下屏幕上的指定按键或滑动屏幕上的滑块到指定位置）时，看向触控屏的次数和总时间，以及使用触觉反馈车载触控屏时车辆在道路上的平均偏移量作为指标。如文献 52，54-55 使用看向触控屏的次数和总时间作为指标，文献 48，52，55 使用汽车平均偏移量作为指标，来评估触觉反馈车载触控屏对驾驶性能的影响。对于其他触觉驾驶操作协助系统，常使用完成垂直停车和顺利通过弯道所需时间、所需认知负荷等作为评估指标。除了上述用来评估汽车触觉信息系统对驾驶性能影响的客观指标以外，通常还会要求受试者根据自己的体验作主观评价，主观评价指标多为使用触觉信息系统的舒适度、自信度、愉悦度等。2.3评估结果2.3.1汽车触觉警告系统评估结果触觉警告系统性能评估结果如表1所示。4篇文献证实了与没有警告信息相比，使用触觉警告系统可显著缩短驾驶员面临碰撞、车辆偏移或超速等危险的反应时间。1篇文献证实了与视觉警告提示相比，触觉警告信息可明显缩短驾驶员规避风险的反应时间。3篇文献表明使用触觉和听觉警告信息对驾驶性能的影响没有显著差异。Lee等74发现与多模态（即触觉与听觉的警告信息相结合）反馈相比，驾驶员使用触觉警告系统对碰撞警告信息的反应时间更长。Jensen等22研究证实，触觉警告系统的有效性很大程度上受到触觉激励信号参数（即频率和振幅）的影响。Jensen等22使用振动触觉反馈警告司机前方道路上有障碍物，实验结果表明对于较高频率和振幅的触觉激励信号，司机的反应更明显，撞到的障碍物更少。2.3.2汽车触觉导航系统评估结果触觉导航系统性能评估结果如表2所示。与传统的听觉和视觉导航系统相比，触觉导航系统可以让司机更专注于导航提示，从而减少司机的心理工作负荷，提高对导航信息的识别率。然而与多模态（视觉和触觉或听觉和触觉）导航系统相比，单模态（视觉、听觉或触觉）导航系统的性能有所下降，且在主观方面，大多数受试者更倾向于多模态导航系统。2.3.3汽车触觉操作协助系统评估结果研究表明2，62-63，对于一些较复杂的驾驶任务，如在车载显示屏上众多功能中切换空调模式和歌曲、调用地图，或垂直泊车、通过连续弯道等，触觉反馈技术可协助司机完成操作，减少视听注意力的分散，降低司机主观认知负荷，有利于驾驶安全。表 3总结了触觉反馈车载触控屏的性能评估结果。3未来重点研究内容未来对汽车触觉信息系统的研究应重点从以下几方面进行：（1）触觉反馈激励信号的位置和模式 人类很难区分空间上和时间上较为接近的触觉信息11，Fitch等19研究证实，显示超过3种不同的模式会降低系统的有效性。例如触觉反馈驾驶座椅显示的触觉信息快速直观，但确定多个触觉座椅触觉警报信息的含义会消耗司机的认知资源，降低系统效用。Meng等84证实静态的振动触觉反馈可作为警告信息，而动态的振动触觉模式可以呈现方向信息。因此，未来需要对振动触觉阵列和车载触觉信息系统中作为支持任务功能的激励位置和激励模式进行更多研究。表1触觉警告系统性能评估结果Table 1Haptic warning system performance evaluation results编号1234比较对象不使用警告系统视觉警告系统听觉警告系统触觉和听觉警告系统结合评估结果使用触觉警告系统的反应时间明显缩短使用触觉警告系统的反应时间明显缩短无显著差异使用触觉警告系统的反应时间更长文献23，6671-727373-7574表2触觉导航系统性能评估结果Table 2Haptic navigation system performance evaluation results编号1234比较对象视觉导航系统听觉导航系统视觉和触觉导航系统结合听觉和触觉导航系统结合评估结果使用触觉导航系统的正确识别率更高、反应时间更快、认知负荷更低使用触觉导航系统的正确识别率更高仅使用视觉导航系统的驾驶性能更低仅使用听觉导航系统的驾驶性能更低相关文献10，43，4642-43，694343103第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（2）触觉反馈激励信号的参数 Enriquez等85 研究证实，通过改变触觉激励信号的参数（如信号波形、持续时间、强度、振幅、频率等），触觉信号可以帮助驾驶员识别所传递的不同的信息。然而使用高振幅的触觉激励信号可能会被认为具有干扰性，而低振幅的触觉激励信号可能会使效果不明显。在实际驾驶中，当司机认为系统发出的警告信号或导航信号具有侵入性或干扰性可能会关闭系统86；如果司机和系统有不同的目标时（如司机想超车，而系统想把车保持在车道中心），这种分歧可能导致交通事故的发生。因此触觉信号是否被司机认为具有干扰性，不仅取决于信号的内容，也取决于激活的阈值和时间11。总之，车载触觉信息系统的有效性受到各种设计参数的影响，应被重点研究。（3）行为适应问题 前文所述的大量研究表明，触觉信息系统减少了驾驶员的脑力劳动负荷和视觉需求，因此，可能会对驾驶员的警惕性产生负面影响。Winter等87提出自满和技能退化是未来研究中应该重点研究的课题。触觉警告系统、导航系统和操作协助系统可能会引发行为适应问题，即当驾驶者对使用触觉信息系统感到舒适时，可能会加快驾驶速度，降低警惕性。因此应进行长期的实验，评估触觉反馈技术是否会导致驾驶员对汽车触觉信息系统有过多的信心，从而引发安全问题。（4）研究环境 上述文献大多数都是基于驾驶模拟器，在理想条件下研究触觉信息系统的性能。Katzourakis等88研究表明，真实的汽车测试对于开发与动态驾驶有关的系统是不可替代的。在真实而紧张的实际驾驶中包括大量的变量15，触觉感知可能会受到影响。且短时间内，驾驶员可以保持注意力的集中，系统也可完美工作，在长时间条件下充满不确定因素。因此未来的工作应在真实驾驶环境中，且着重对驾驶员或系统不完美运行的情况进行更彻底的研究。（5）影响触觉感知的因素 未来的工作中应该更多考虑到可能影响驾驶员触觉感知的因素，如驾驶员的身高、体重、所穿衣服的材料、年龄以及驾驶习惯等。这些参数均有可能极大地影响驾驶员对触觉反馈的感知方式和效果。（6）汽车中多种触觉信息系统的整合 司机在驾驶时，将与预防碰撞有关的触觉反馈和与导航有关的触觉反馈相混淆可能会导致不良后果2。表3触觉反馈车载触控屏性能评估结果1）Table 3Haptic feedback in-car touch screen performance evaluation results编号12345678910实验所做任务变换车道、使用触控屏车辆跟随、根据指令选择触控屏上的按键变换车道、根据指令选择触控屏上的按键变换车道、根据指令选择触控屏上的按键模拟驾驶、根据指令选择触控屏上的按键模拟驾驶、根据指令选择触控屏上的按键变换车道、根据指令选择触控屏上的按键模拟驾驶、根据指令选择触控屏上的按键和移动屏幕上的滑条停车时使用触控屏进行用户测试变换车道、输入电话号码车载触控屏提供反馈类型V，VH，VA，VHAV，H，VHV，VH，HV，VH，HHV，HV，VH，HV，H，V/H凯迪拉克触觉反馈用户界面与无触觉反馈iPad用户界面对比V，H实验设备带有触觉反馈的8.4英寸的触摸显示屏旋转编码器触觉反馈控制面板带有4个按钮的8英寸触觉触控屏集成电动致动器的7英寸触控屏超声振动可变摩擦显示器带有线性致动器的8.4英寸屏幕主要结果1.在驾驶性能和任务完成方面无显著差异2.H的接受度高于V1.驾驶性能方面无显著差异2.当视觉反馈缺失时，触觉反馈可减少19%的屏幕注视时间驾驶性能和认知负荷方面无差异1.触觉反馈技术增强驾驶性能2.心理工作负荷方面无差异1.反应时间方面无显著差异2.使用主动触觉反馈时任务出错率和车辆偏离量更高触觉反馈技术降低任务错误率、响应时间和主观认知负荷触觉反馈技术减少视线离开前方道路的时间和主观认知负荷触觉反馈技术在按键和滑条任务中分别将视线离开前方道路的时间减少了19%和39%触觉反馈用户界面给人的感觉更易操作、更愉快、更自信、反应更快、更直接1.触觉反馈减少输入号码错误率和反应时间2.与无触觉反馈界面相比，触觉反馈用户界面更易被接受、更受欢迎文献767778798081825483531）表中V代表视觉反馈，H代表触觉反馈，A代表听觉反馈。104第 8 期孙晓颖 等：触觉反馈技术在汽车信息系统中的应用本文所述大多数工作主要研究为某一种用途设计特定的触觉反馈，因此如何在同一辆车中集成不同用途的多种触觉信息系统，研究不同的触觉反馈如何在汽车中相互作用，也是未来重点研究的问题。4结论上述各项研究在实验设计、驾驶测试环境和测量方法等方面存在差异。总体说来，根据上述汽车触觉信息系统对驾驶性能影响的相关研究，可以总结出：（1）触觉警告系统可缩短司机应对突发情况的反应时间，提高司机的安全驾驶意识，协助驾驶员避免高速追尾、无意识偏离车道、与行人碰撞等交通事故。触觉警告系统持续检测车辆周围的道路情况，识别判断各种潜在风险，通过触觉信息对驾驶员发出警告，在不占用视听注意力的前提下，帮助驾驶员避免或减缓交通事故。（2）触觉导航系统可在路况复杂或环境嘈杂的情况下，在不增加驾驶员心理认知负荷的同时，快速、准确、直观地传达距离和方向信息，因为无需占用视听通道，所以可帮助驾驶员熟悉周围环境，如街道名称、信号灯和路面等，使司机对行驶过的路程有更深的了解和印象。（3）触觉操作协助系统帮助司机在高速驾驶中“无需视线确认地”操作车载触控屏，减少视线离开前方道路的时间和次数；并协助司机完成一些复杂困难的操作，如垂直式停车位泊车、在能见度低的天气通过弯道等。可减少司机的分心，减轻视听负担，降低主观心理认知负荷，提高可靠性和驾驶稳定性。相比于视听交互技术的迅速发展，触觉交互技术的研究存在很多空白和不足，触觉反馈技术在汽车中的研究和应用也尚在起步阶段。汽车中呈现信息的方式一直是公共和交通行业中高度关注的话题，触觉反馈技术在汽车中有着重要的应用前景，对人车交互技术的进一步发展将会产生重大影响。参考文献：1 宋爱国，田磊，倪得晶，等多模态力触觉交互技术及应用 J 中国科学 F 辑，2017，47（9）：1183-1197.SONG Aiguo，TIAN Lei，NI Dejing，et alMulti-mode haptic interaction technique and its application J Chinese Science F Series，2017，47（9）：1183-1197.2 GAFFARY Y，LCUYER AThe use of haptic and tactile information in the car to improve 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