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原文传递车载终端界面的触觉反馈技术

论文题名：	车载终端界面的触觉反馈技术
关键词：	车载终端界面;交互过程;触觉反馈;触觉渲染;驾驶性能
摘要：	随着汽车的智能网联化程度日益提高，汽车已转变为移动的多媒体空间，驾驶员在车内能够访问和交互的信息量显著增加。车载终端显示屏正逐渐取代物理实体控件，集成越来越多的可配置功能。然而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，造成分心驾驶。传统的车载终端界面未集成触觉反馈技术，驾驶员需看着屏幕寻找虚拟按钮，视线离开前方路面，极大降低了驾驶安全性。　　触觉反馈技术仅在近几年才应用至汽车行业。虚拟按键和虚拟旋钮是车载终端界面中两种最重要的元素，然而，现有针对这两种元素的触觉渲染方法真实感不高，仅将触觉反馈作为虚拟按键点击操作成功的信号，需要更接近物理操作真实感受的虚拟旋钮渲染方法。　　本文基于可编程触觉反馈装置，研究了驾驶员与车载终端界面虚拟旋钮和按键的交互全过程的静电力与机械振动相结合的触觉渲染方法，在此基础上，设计被试内重复测量实验，检验了车载终端界面实现可编程搜索式触觉反馈力的效果。论文采用动静态结合的触觉渲染方法，达到了更真实的触觉再现效果，将触觉反馈技术既用于确认功能也用于搜索功能，致力于解决虚拟按键和旋钮因缺少真实触觉再现效果导致驾驶员因操控其而分心所导致的驾驶安全问题，为在汽车信息系统中集成触觉反馈技术提供参考。本文的主要贡献如下：　　(1) 针对车载终端界面交互过程的触觉反馈应用方法问题，建立了虚拟按键和旋钮的探索、识别、确认三阶段触觉表征模型，提出了静电力与机械振动结合的触觉渲染方法。探索阶段，虚拟按键和旋钮均采用了方波激励振动提示触觉渲染方法；识别阶段，采用了向上边缘方波激励、向下边缘脉冲串激励的边缘增强型虚拟按键触觉渲染方法，以及基于角速度-频率映射的虚拟旋钮触觉渲染方法；确认阶段，采用了基于信号持续时间、幅度、频率、包络函数、载波信号的多参量按下确认式虚拟按键触觉渲染方法和脉冲激励虚拟旋钮触觉制动技术。该表征模型体现了物理操作过程的触觉特征，使触觉渲染更真实，实现了触觉反馈的搜索功能。　　(2) 针对触觉反馈对交互性能影响问题，结合菲兹定律和马氏距离公式推导出了触觉反馈虚拟旋钮交互效率评估模型，分析了触觉反馈对旋转交互时间的影响。基于可编程触觉反馈装置，选取12名实验者实验获得了旋转手势的时间，采用线性回归模型验证了难度系数与旋转时间之间的线性关系，通过两因素重复测量方差分析方法分析 1296 组数据得到结论：触觉反馈可使顺逆时针旋转时间分别减少 4.33%和4.27%，从而提高交互效率。且拟合得到的线性回归模型中自变量对因变量变异的解释程度 2R 分别为 0.807、0.812、0.808 和 0.813，解释程度较高，为评估触觉模态对交互性能影响提供了参考。　　(3) 针对触觉交互对驾驶行为影响问题，设计并开展了与视觉、听觉交互的对比实验，分析了虚拟驾驶环境下触觉反馈对视线行为、操作精确度、车道位置标准差和主观感知的影响。基于可编程触觉反馈装置和驾驶模拟器，选取15名实验者在模拟驾驶同时完成指定按键操作及 45°、90°和 180°旋转旋钮任务，使用单因素和两因素重复测量方差分析法分析了675组客观实验数据，用独立样本t检验分析了45组主观实验数据，得出结论：使用三阶段虚拟按键和旋钮触觉表征模型及渲染方法，使得模拟驾驶时在看向屏幕时间、次数和车道位置标准差方面，相比于仅有视觉反馈，按键任务分别减少了21.71%、6.25%、5.83%，以45°旋钮任务为例分别减少了29.05%、26.41%、6.03%，操作精确度方面按键任务提高了2.39%，45°旋钮任务提高了26.09%，同时提高了实验者的愉悦度、自信心，降低了完成困难度，增强了驾驶体验。
作者：	赵轶男
专业：	通信工程
导师：	孙晓颖
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023