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基于机械阈下振动刺激的驾驶辅助方法研究

时间:2018-04-19 22:39来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇机械工程硕士论文,机械工程是一门涉及利用物理定律为机械系统作分析、设计、制造及维修的工程学科。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础。
本文是一篇机械工程硕士论文,机械工程是一门涉及利用物理定律为机械系统作分析、设计、制造及维修的工程学科。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础,结合生产实践中的技术经验,研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和维修各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。机械工程是工学研究生教育一级学科,工程研究生教育一个领域。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇机械工程硕士论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 课题研究的背景及意义
当今,智能交通系统和先进驾驶辅助技术广泛应用于汽车驾驶中,提升了汽车驾驶的安全性能。但驾驶员接收到路况信息的数量和复杂程度也随之增加,同时非驾驶因素例如车载视频、语音通话等进入驾驶环境中,也在一定程度上增加了“路-人-车”的负担,使驾驶员注意力不能很好地集中到驾驶任务中,从而产生潜在的驾驶风险。在造成交通事故的诸多因素中,驾驶员的注意力不集中已经成为引发汽车交通事故的一个重要原因。相关研究表明,驾驶员分心的频率与发生交通事故的概率具有很高的相关性(相关系数 0.72),相比较与正常情况下,驾驶员分心时(如拨打电话)发生事故的概率将提高 3 倍[1]。据不完全统计,全世界每年约 60 万人死于交通事故,约1000 万人受伤,其中驾驶员的分心就是引起汽车交通事故的重要原因[2,3],而且大约 25%-37%的撞车事故与驾驶员注意力分散或者注意疏忽有关[4]。因此,采用适当的方法使驾驶员的注意力迅速恢复到行驶道路上已成为驾驶辅助研究的一个重要方向。探索有效的应对方法,减少交通车辆事故的发生,防止驾驶员受伤,有重要的实际意义。本课题是在已有的理论依据和实验设施下研究阈下振动刺激对驾力驶员注意恢复的有效性,揭示不同的阈下振动刺激对驾驶员的影响,为研究驾驶员注意力无负担恢复提供一定的理论基础。通过本课题的研究以及后续的开发,将有力促进汽车主动安全的发展,改善道路交通状况,避免大量的经济损失。
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1.2 研究现状驾驶员的认知负担
直接影响驾驶员对汽车的操纵。当驾驶员出现分心时,认知负担较重,极易导致交通事故频发。一种可行的驾驶员注意力恢复方法的前提是该方法在预警的同时不能过多的增加驾驶员的认知负担。因此,对注意力恢复方法的评价需要从认知负担和预警效果这两方面出发。针对这两个方面国内外学者做出了许多研究。
 
1.2.1 驾驶员认知负担评价方法研究
对驾驶员的认知负担评价方法可以归纳为:主观、驾驶绩效和生理参数三种方式。主观评价方法是以问卷的形式进行,美国航空航天局认知负担主观评价指数即NASA-TLX最为常用。主观评价虽然容易进行、测量方便,但很难反应驾驶员的认知负担随时间的动态变化。驾驶绩效和生理参数能够客观地反应驾驶员的认知负担。驾驶绩效指标主要有车辆操纵状况包括闯红灯、碰撞、超速、压线、动力不足熄火等、踏板(油门和制动)开度等等。在测量驾驶绩效时,根据驾驶环境合理选择指标评价参数。当驾驶员的认知负担过重,超过驾驶员的应对能力,驾驶绩效会低于基准水平,驾驶员的操纵行为变差。由于生理信号参数的客观性,并且生理信号会随着驾驶任务的难易程度不同产生连续的变化,所以使用生理指标评价驾驶员的认知负担已经成为一种比较准确的研究方法。生理监控测量技术的不断进步创新,为使用生理参数评价驾驶员的认知负担提供了可行性。在执行驾驶任务的过程中,认知负担直接影响行车安全。某些高端的轿车已经引入测量样机,实时监测并记录驾驶员的生理信号随驾驶时间和任务难度的变化情况[5]。在驾驶员认知负担的评估中,最常使用的生理参数包括:ECG、EEG、EDA、EMG等等。ECG即心电,Mehler等人在驾驶模拟环境中,通过使用难度水平不断增加的次级认知任务来系统性地控制认知负担的变化,实验过程中记录 121 名驾驶员的心电等生理信号,研究发现心率随着任务难度的增加逐步加快[6]。Eilebrecht等人采集真实驾驶环境下驾驶员的心电数据,研究发现低频心率变异参数与认知负担有更好的关联性[7],Backs等人研究也发现驾驶员的心电参数随着道路曲率的变化而变化[8]。这些研究证明了心电参数在一定程度上能够有效地评估评价驾驶员认知负担。
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第 2 章 驾驶员振动感觉阈值研究
 
2.1 振动感觉阈值
振动感觉阈值是一种绝对感觉阈值,绝对感觉阈值最早应用在心理学和生理学上,是指能够被人感觉到的最小刺激强度[57]。对于振动感觉阈值而言,当振动信号的强度达到某一特定的数值后,开始被被试验者感觉到,该数值就是振动感觉阈值,低于振动阈值的刺激就是阈下振动刺激。现实中受到各种因素,例如被试者的精神状态、试验环境等的影响,刺激信号强度达到阈值,被试者就会产生相应反应,这样的情况很少发生,所以阈值的大小是利用统计方法确定的近似值。相同感官,每个人的绝对感觉阈值也是不一样的,因为绝对阈值与个人的注意力集程度负相关。绝对感觉阈值越小,则被试者注意力越集中;绝对感觉阈值越大,则被试者的注意力越分散。振动感觉阈值被普遍运用在医疗领域。例如利用 Y 型金属棒振动发声检查人耳的听力问题,该金属棒所发出的振动强度被认为是被试者的听力感觉阈值。该值是通过抽样测量确定的绝对阈限的近似值。生活中的耳背问题就是感受不到该阈值。相关研究表明,利用振动感觉阈值能够检查出是否患有糖尿病,糖尿病患者视网膜病变以及周围神经病变[58]。在汽车安全领域,目前仅仅对于人们能够感知到的振动进行了研究。振动信号作为一种刺激方式来提醒驾驶员注意路况信息。通过嵌入在驾驶座或者戴在腰部的振动显示器提供方向信息。在正常和高负担条件下向驾驶员提供导航信息,Van Erp 和 Van Veen 研究发现了左/右振动触觉提示的有效性[59]。Ho 等人也通过模拟驾驶任务验证了振动提醒对定向注意力恢复的有效性[60]。振动信号提醒也存在缺陷,长期使用可能会造成驾驶员的不信任感或者反感,使警告系统失去作用。为避免该种现象的发生,需要一种新的提醒方法,既能让驾驶员知道潜在的危险情况,又不能增加驾驶员的认知负担,这种阈下刺激就成为一个比较可行的方法。
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2.2 阈值测量方法
研究阈下振动刺激能否有效的前提需要测得驾驶员的振动感觉阈值。目前可行的测量感觉阈值的方法主要有三种:恒定刺激法、极限法和平均差误法。恒定刺激法又称为正误法、次数法,它是心理学中测量绝对阈值最精确、使用最广的方法。其主要内容如下:(1)确定绝对感觉阈值的所在区间范围,一般选取 5 到 7 个刺激,所选刺激序列中,被试者能够感觉到最大强度的刺激的概率被不低于 95%,感觉到最小强度的刺激的概率不高于 5%。(2)选定的每个刺激呈现 50 到 200 次。(3)不告知被试者刺激强度的条件下,每个刺激随机呈现。(4)统计被试者对每个刺激的反应,记录被试者能正确感知到刺激的次数,确定被感知的概率,以百分数表示。利用平均 Z 分数法和线性插值法两种方法求出阈限值。利用线性插值的方法求绝对阈值时,建立坐标系,以刺激强度的大小作为横坐标,以准确判断的百分数作为纵坐标,将点两两连接起来作曲线图。从纵轴的 50%处作一条与横轴平行的直线,与曲线相交于一点,从该交点向横轴作垂线,垂线与横轴交点就是绝对感觉阈限。用恒定刺激法测量得到的阈值虽然比较精确,但每个被试人员都要接受最少250 次的刺激,尽管这些刺激有一部分感知不到,可能会引起被试人员的反感情绪,而且比较浪费时间。极限法是测量阈值的直接方法。其特点是:以递增或递减的方式呈现刺激,以相同间隔缓慢变化刺激大小,探索被试者感知的转折点。这种测量方法操作简单,但在测量过程中会有四种主要的误差:习惯误差和期望误差、练习误差和疲劳误差。
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第 3 章 阈下振动刺激对驾驶员注意力恢复研究........21
3.1 问题引出 ...... 21
3.2 驾驶任务下的数据采集 .... 21
3.3 数据分析.......24
3.3.1 生理信号分析..........24
3.3.2 心电生理指标回归分析.....32
3.3.3 基于 PNN 的认知负担等级判定.............33
3.3.4 驾驶绩效分析..........36
3.4 本章小结.......38
第 4 章 不同阈下振动刺激对驾驶员认知负担影响....41
4.1 问题引出.......41
4.2 不同阈下振动刺激条件下的数据采集..............41
4.3 数据分析.......44
4.3.1 生理信号数据分析.............44
4.3.2 驾驶员反应时间分析.........46
4.3.3 驾驶绩效分析..........47
4.4 本章小结.......51
第 5 章 总结与展望.........53
5.1 总结....53
5.2 展望....54
 
第 4 章 不同阈下振动刺激对驾驶员认知负担影响
 
4.1 问题引出
汽车驾驶是驾驶员心理活动和体力操纵的综合行为,当驾驶员的注意力视线偏移交通道路时,可给予驾驶员一定的提醒。这些提醒方式或多或少地增加驾驶员的认知负担。就像语音信号简单程度对驾驶员认知会有一定的影响,语音信号内容越繁琐,对驾驶员的认知负担增加越多,虽然在一定程度上该语音信号起到了预警作用。类比于语音信号,是否不同的阈下振动刺激驾驶员的认知负担的影响也不同;是否存在一个最优的阈下振动刺激强度既能不会对驾驶员的认知负担增加太多,也能大大提高驾驶员的驾驶操纵行为;是否存在一个转折点,低于该转折点的阈下振动刺强度对驾驶员将不会再产生影响。本章的主要目的就是对阈下振动刺激的优化研究,探究不同阈下振动刺激的对驾驶员认知负担影响的变化规律,利用驾驶员注意力与认知负担等级的回归方程研究阈下振动刺激的最优点和失效点。
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总结
 
本文主要研究阈下振动刺激对驾驶员注意力恢复的影响。借鉴人因工程实验方法,构建了多任务下的模拟驾驶试验,利用统计测量的方法确定驾驶员在不同路况下的振动感觉阈值,并对多任务下的心电生理参数进行了分析,建立了驾驶员认知负担与生理参数的量化关系。在此基础上,针对不同的阈下振动刺激,引入不同程度的分心任务研究阈下振动刺激的最优值和失效转折点。具体研究工作和得到的结论如下:
1)阈值的测量,针对自走车量的数目:较少、中等、较多三种情况,利用极限法测量振动源固定在方向盘和安全带两个位置上的振动感觉阈值。制定阈值测量表调节转速器角度,探索被试者感觉的转折点。研究发现驾驶员的振动感觉阈值和驾驶任务的复杂程度有正相关的联系;驾驶员的振动感觉阈值也和年龄呈现正相关的联系。通过单因素方差分析发现这两组数据没有显著差异,都是驾驶员的振动感觉阈值,这是由于不同身体部位对振动信号的感受性不同引起的。
2)在测量得到阈值的基础上,来验证阈下振动刺激对驾驶员注意力恢复的影响。建立了集中注意驾驶,分心驾驶,语音提醒驾驶,显性振动刺激驾驶和阈下振动刺激驾驶的模拟任务,记录心电信号和驾驶绩效,利用 MATLAB 对心电信号进行时域和频域分析,研究表明阈下振动刺激既能让驾驶员知道潜在的危险又不过多地增加驾驶员的认知负担。通过对这五种驾驶任务下的认知负担等级划分,利用回归分析建立了本实验条件下的心电信号与认知负担的回归方程,为研究不同阈下振动刺激下的驾驶员的认知负担提供了计算模型。
3)利用“n-back”试验范例构建三种不同难易程度的分心任务,对 15°、13°、10°以及 7°下振动刺激进行检验,探索阈下振动的最优点和失效点以及适用情况。研究发现 13°的阈下振动刺激是本试验的阈下振动的最优点,其次 15°振动刺激优于 10°的,7°或者 7°附近会出现阈下振动刺激的失效转折点。而且分心任务难度越低,阈下振动刺激的效果越明显。阈下振动刺激不适用于使驾驶员从注意力消耗过大的分心任务中恢复过来。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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