车交互系统的设计与实现-人机交互与媒体集成研究所-清华大学.PDFVIP

人-车交互系统的设计与实现 陶霖密 1 穆煜 1 杨澍 2 张中元 3 马旭龙 3 1. 清华大学计算机系，北京 2. 北京邮电大学计算机学院，北京 3. 清华大学机械工程学院，北京 摘 要：本论文提出了一种易于重度残疾患者使用的，基于脑机接口的人车交互系统设计， 并进行了仿真实验。为了保证该系统的安全性以及交互性，通过对系统进行认知工作分析以 及研究用户的认知习惯，设计并实现适合于特殊用户使用的交互界面。仿真实验表明，本设 计具有高效、安全、操作错误率低等特征。 关键词：交互界面；认知工作分析；脑机接口 1. 引言 目前，车辆的电子控制系统（Control by Wire ）是汽车电子研究和发展的一个重要热 点，其成果已经部分地应用到许多高档车上。将来，理想的车辆是通过输入一些方向命 令控制车的行驶。然而，在某些情境下，这些新的系统并不能满足人们的要求。对于重 度瘫痪者，重症肌无力患者等用户，一些复杂的命令就很难完成。为了解决这个问题， 我们需要进行一个适用于患者的控制车移动的人-车交互系统，通过简单的菜单按钮实现 车的各种行走方式，这样就可以解决患者出行移动的问题。我们依据现有设备，通过脑 电波信号以及眨眼确来进行信息的输入。脑电波输入部分我们采用六个不同频率闪烁的 灯作为六个按键，当用户注视某一个灯时，会在脑中产生响应频率的脑电波信号，以此 作为计算机的输入；眨眼检测用于确认脑波输入。 鉴于使用该系统的用户人群的特殊性及其特别的输入方式，该系统需要有相当良好 的交互性，从而实现简单输入下完成车的各种复杂的系统任务，因此在设计时，需要特 别注意交互方式，以最大程度上减少用户的认知负载，提高车的安全性。 2. 研究现状 [5] 作为在 MIT“21 世纪能改变世界的 10 大技术”排行榜中首位的技术 ，脑机接口技术 是当今具有重要意义的一项技术，尤其是在帮助丧失运动能力的残疾人进行正常生活的 方面上。萨拉戈萨大学的思维控制轮椅主要是通过用户对屏幕的不同位置的观察实现脑 部信号的输入，信号处理具有很高的准确率，但目前信号处理速度还有待提高，并且耗 [6] ；上海交通大学的张丽清教授也已开发出“基于脑机交互的轮椅控制系统”，预计 电较高 在年底完成原型机并进行测试[7] ；而英格兰埃塞克斯大学所开发的智能轮椅具有用户友好 [8] 的人机界面，并提供了自动导向以及路线设定等功能，但其中没有使用脑机接口技术 。 清华大学的高上凯、高小榕课题组，也在脑机接口研究方面取得了国际领先的成果，本 346 人机交互学术会议 项目使用的脑机接口交互设备，就是高老师课题组提供的，集成了高效、准确等多种国 际领先的成果。 本设计主要的不同之处在于驾驶对象是汽车而不是轮椅，相应地，车辆的运行环境从 相对简单的室内，变换到复杂的室外。由于汽车在马路上行驶，其过程中路况信息会更 加复杂，行驶距离也会更长，因此保证用户可以安全地驾车并保持较低的认知负载就成 为了一个必须解决的问题；而且由于使用脑机接口技术，可以作为输入的值比较有限， 因此界面的设计以及系统行驶规则的确定就更加具有挑战性。 3. 系统任务 系统的主要任务是实现安全、高效的自动行车，具体来说是以自动驾驶为主，人工干 预为辅，在系统认知能力不能处理的状况时由人的认知来完成干预。在系统中，用户只 能通过直行、转弯、停止等简单命令来完成一系列复杂的任务。主要的操作和任务如下： 3.1 前进：车停止的时候点击前进即可按预定方向开车，自动行车模式中自动寻找下一 个前进目标的开始。GPS传递过来的路口信息中包含周围路口的方向信息，自动寻径 时根据目前运动方向和已经到达的路口的周边路口确定下一步行车方向。 3.2 停止：任何非十字路口处均可停车，