CN105708480A - 基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置，属于汽车驾驶辅助系统技术领域；该装置主要由带LED灯软管的可调式头戴、Arduino Uno R3芯片、按钮及搭载控制程序的电脑端构成；带LED灯软管可调式头戴由驾驶员佩戴在头上，软管从驾驶员左侧面伸出，按钮与驾驶员主导手食指指腹绑定，二者通过绝缘线与Arduino Uno R3芯片相连；该芯片内置本发明的硬件控制程序，与电脑端软件控制程序通过串口进行通讯实现检测反应任务的触发、绩效数据记录与数据文件生成。应用本发明可以便捷地完成对日益增多的汽车电子设备等产品进行驾驶状态下的分心程度测试，并可简便快速地测试人群差异，携带方便，使用简单，不受驾驶过程中驾驶员正常头部运动影响。

Description

基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置

技术领域：

本发明属于汽车驾驶辅助系统技术领域，特别涉及驾驶员注意力测试装置。

背景技术：

在人员、机动车、道路环境三者构成的道路交通系统中，机动车驾驶员是系统的一个薄弱环节。驾驶过程复杂，包含情景感知、决策和执行等多个环节，难免发生分心失误、判断错误等突发异常，直接导致行车风险增大。驾驶是一个高度复杂的信息加工(认知)过程，可分为情景感知，决策和执行三个阶段，驾驶员注意力资源用于处理大量信息，并做出复杂决策，有时还用于处理多任务。注意被认知心理学看作信息加工的重要机制，强调其选择性维量，将注意看作一种内部机制，借以实现对刺激选择的控制并调节行为，即舍弃一部分信息，以便有效地加工重要的信息。有研究表明：注意力资源管理是车辆智能安全领域重要的人因议题，根据驾驶员注意力状态调整汽车驾驶辅助系统工作策略，评估辅助系统界面设计合理性，对于增强系统性能，提升道路安全具有积极意义。

目前，驾驶员注意力测量多基于生理指标或驾驶次任务绩效。基于生理信号的驾驶员注意力监测方法设备复杂，侵入性过强，指标个体差异性强且表现复杂，量化结果的一致性较低；而驾驶次任务绩效测量得到的注意力状态是多任务驾驶条件下的结果，不具备对驾驶主任务注意力资源占用进行量化的能力。

为此，本发明设计以简单刺激的检测反应任务为手段的驾驶员注意力测试装置，认为简单刺激的检测对注意力资源占用极小，但对驾驶员注意力状态变化非常敏感，侵入性低，因此可通过检测反应任务的绩效来量化驾驶员的注意力状态。国内外学者对此类方法装置进行过一定的研究，外周视觉检测任务(Peripheraldetectiontask，PDT)最早由Harms&Patten提出(2003)，在汽车左下方的挡风玻璃上向驾驶员的外周视野呈现红色的光点，光点是由一组发光二极管照射到挡风玻璃上然后反射进入驾驶员视野，目标位于驾驶员前视野左边水平角约11°～23°，垂直角度2°～4°的位置，发光二极管随机点亮，间隔时间在3～5s间随机变化，点亮时间约持续2s,对目标光点的有效反应从200～2000ms，超出此范围即为错过目标，驾驶员通过固定在他们主导手食指上的按键开关进行反应。

外周视觉检测任务存在便携性差，对驾驶员头部运动敏感，无法应对非前向注意时的认知负荷测量等问题。本发明专利旨在解决这个问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有注意力测试装置功能的不足，提供基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置。该装置能应用于正常驾驶过程和多任务驾驶过程中的驾驶员注意力测试，评估汽车驾驶辅助系统界面合理性，为促进人机界面开发的快速迭代提供一种标准化装置。研究人员可以通过本发明的软件设定针对不同测试需求的注意力测试参数，自动记录驾驶员检测反应任务绩效数据，通过通用文本文件导出。

本发明专利对驾驶员注意力进行测量的原理如下：

在一定时间内，驾驶员的注意力总量不变，其中大部分用于驾驶任务，小部分用于使用汽车电子设备、手机应用等，注意力余量可以通过本发明测试得到，表现为对简单刺激的反应时间和响应率，当驾驶员投入更多的注意力到非驾驶任务上去，造成注意力余量下降，使得本发明测得的刺激反应时间变长，对刺激的响应率下降。

本发明专利解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

本发明提出的基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置，其特征在于，该装置主要由带LED灯软管可调式头戴、ArduinoUnoR3芯片、按钮及搭载控制程序的电脑端构成；带LED灯软管可调式头戴戴在驾驶员头上，按钮与驾驶员主导手食指指腹绑定，二者通过绝缘线与ArduinoUnoR3芯片相连；该芯片内置本发明的硬件控制程序，与电脑端软件控制程序通过串口进行通讯实现检测反应任务的触发、绩效数据记录与数据文件生成。

该技术方案的关键特征在于：所述带LED灯软管可调式头戴与驾驶员头部固定，驾驶员驾驶过程中正常的头部运动不会改变LED灯与眼睛的相对位置；设计了基于ArduinoUnoR3芯片的硬件控制程序，与基于Windows操作系统的软件控制程序配合，实现对LED灯点亮刺激的参数控制、驾驶员检测反应任务的反应时间与错过标记记录。检测反应任务要求驾驶员对LED灯点亮刺激，通过按下主导手手指指腹绑定的按钮进行响应，在LED灯点亮持续时长内反应时间记为有效，超过设定点亮时长，则标记为错过。

本发明的基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置的特点及其能达到的效果如下：

1)对日益增多的汽车电子设备、驾驶辅助系统、行车手机应用等产品进行驾驶状态下的分心程度测试非常重要，应用本发明可以便捷地完成这一测试，有助于产品界面的快速开发，并可简便快速地测试人群差异，携带方便，使用简单。

2)本发明的基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置所采用的检测反应任务侵入性低，注意资源占用少，因而对驾驶干扰小，并且对驾驶员注意力变化具备良好的敏感性。

3)本发明的基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置将LED灯与一端固结在头戴上的可调节角度软管的自由端固定，使得驾驶员的注意力测试不受驾驶过程中正常的头部运动影响，性能稳定，可调节的软管适应多人群多场合，使得本发明的装置具备良好的生态效度。

4)本发明的基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置配备基于Windows系统(7及以上版本)的软件控制程序，可自由定制LED点亮刺激的时长、间隔，可选择固定和随机两种模式，可通过点击开始、暂停和结束按钮实现流程控制，界面用柱状图和数字两种形式实时动态显示检测反应任务的反应时间，方便观察研究，结束按钮按下后自动生成通用文本文件记录的检测反应任务绩效数据。操作简单，任务可定制，数据记录完整，便于处理。

附图说明

图1为本发明的基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置结构原理示意图；

图2为本发明的ArduinoUnoR3芯片连接结构示意图；其中，(a)为ArduinoUnoR3芯片与LED灯、按钮连接俯视图，(b)为ArduinoUnoR3芯片与LED灯、按钮连接电路图；

图3为本发明的检测反应任务头戴装置具体零件结构示意图；

图4为本发明的软件控制程序界面(Windows系统7及以上版本适用)；

图5为本发明附录A应用案例中的一个驾驶模拟场景，为停止标识控制的交叉路口；

图6为本发明附录A应用案例中的一个驾驶模拟场景，为限速高速公路；

图7为本发明附录A应用案例中的替代认知分心次任务，为钟表测试，用于让驾驶员产生认知分心。

在图1中，1为头戴；2为LED-芯片连接绝缘线；3为ArduinoUnoR3芯片；4为搭载控制程序的电脑端；5为芯片-电脑连接线；6为按钮；7为按钮-芯片连接绝缘线；8为软管；9为LED灯。

在图2中，3-1为ArduinoUnoR3芯片D6端口；3-2为ArduinoUnoR3芯片D2端口；3-3为ArduinoUnoR3芯片GND端口，用于接地；3-4为ArduinoUnoR3芯片另一GND端口，用于接地；其中LED灯与3-2、3-4连接，按钮与3-1、3-3连接。

在图3中，1为头戴实例；8为软管实例；9为LED灯实例。

在图4中，4-1为输入控制参数；4-2为检测任务流程控制按钮；4-3为实时反应时间柱状图动态显示界面；4-4为实时反应时间数字动态显示界面。

具体实施方式

本发明的基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置，如图1所示，其主要组成包括头戴1、LED-芯片连接绝缘线2、ArduinoUnoR3芯片3、搭载控制程序的电脑端4、芯片-电脑连接线5、按钮6、按钮-芯片连接绝缘线7、软管8、LED灯9。

上述各部件的连接关系为：

头戴1是注意力测试装置的主要装配载体，驾驶员佩戴其在头部，软管8一端与头戴1对应驾驶员的左侧面固定，LED灯9与软管8自由伸出端固结。LED灯9与ArduinoUnoR3芯片3通过LED-芯片连接绝缘线2相连。按钮6是认知测试注意装置的响应零部件，与驾驶员主导手食指指腹通过魔术贴绑定，每检测到一个LED点亮刺激，驾驶员用主导手大拇指按下按钮6完成检测反应任务，按钮6与ArduinoUnoR3芯片3通过按钮-芯片连接绝缘线7相连。搭载控制程序的电脑端4通过芯片-电脑连接线5与ArduinoUnoR3芯片3相连，控制程序输出检测任务参数设定给ArduinoUnoR3芯片3，ArduinoUnoR3芯片3按照接收到的检测任务参数控制LED灯9的点亮时长与点亮间隔，按钮6击中信号输出给ArduinoUnoR3芯片3，ArduinoUnoR3芯片3将接收到的击中信号输入到搭载控制程序的电脑端4，实时显示在软件控制程序界面上，并写入数据文件，未在一次点亮间隔中击中的信号将被控制程序编码为一次错过。

本发明的ArduinoUnoR3芯片3与按钮6、LED灯9的连接如图2所示。LED灯9两个引脚分别与ArduinoUnoR3芯片3的GND3-4与D2端口3-2相连。按钮6的两个引脚分别与ArduinoUnoR3芯片3的GND3-1与D6端口3-3相连。

本发明的头戴1、软管8、LED灯9装配实例如图3所示。软管8长度为13cm，外直径0.5cm，一端与头戴1对应驾驶员的左侧面通过螺栓固定，LED灯9为绿色(555nm)，与软管8自由伸出端固结，LED-芯片连接绝缘线2从软管8内部穿过，从头戴1对应驾驶员的左侧面后方延伸与ArduinoUnoR3芯片3相连。

本发明的软件控制程序界面如图4所示。用户可从程序界面输入控制参数面板4-1输入目标刺激时长(单位：毫秒)，对应两个输入框内一致表示固定刺激时长，不一致表示随机在两个数字间选择刺激时长，串口COM栏通过下拉菜单选择ArduinoUnoR3芯片3占用的电脑端COM号，点击检测任务流程控制按钮4-2的开始按钮，开始检测反应任务，同时生成以开始时间命名的通用文本文件，LED将按照设定的参数进行点亮，驾驶员通过击中按钮对点亮进行反应，反应时间数据将按照时间序列动态显示在实时反应时间柱状图动态显示界面4-3和实时反应时间数字动态显示界面4-4。点击检测任务流程控制按钮4-2的结束按钮，从按下开始按钮到按下结束按钮时间段内的每次检测任务的下列信息将按列依次记录在通用文本文件里：绝对时间(XXXXXXXXX，共9位，前2位对应小时，中间2位对应分钟，后2位对应秒，最后3位对应毫秒)、反应时间(单位：毫秒)、错过标记(0-击中，1-错过)、刺激时长(单位：毫秒)、刺激间隔(单位：毫秒)。

上述各部件的具体实现方式分别说明如下：

本发明的基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置可与驾驶主任务同时进行测试，与特定的驾驶次任务亦可同时进行测试，用于量化特定驾驶主任务或特定次任务条件下的双任务驾驶时驾驶员的注意力资源使用情况。

1)基线测量：首先对驾驶员进行本发明的基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置培训，讲解使用方法，之后佩戴本发明的装置进入车内，调整到驾驶准备姿势后，目视前方，静态测量驾驶员检测反应任务的基础反应时间，直到反应时间基本稳定后结束静态测量。

2)驾驶主任务的注意力测量：选取特定驾驶场景进行实验，要求驾驶员在保证行车安全的前提下尽可能快速、无遗漏地对LED点亮刺激做响应，即按下按钮6。

3)特定次任务条件下的双任务驾驶的注意力测量：选取特定驾驶场景和特定次任务条件进行实验，要求驾驶员在保证行车安全的前提下优先准确、快速地完成特定次任务，此外尽可能快速、无遗漏地对LED点亮刺激做响应，即按下按钮6。

附录A：一个应用案例

本案例采用本发明装置测量了在两种不同复杂度场景的常态驾驶与分心驾驶条件下的注意力表现。

城市道路场景为停止标识控制的交叉路口(共11人参与)，如图5所示，道路为双向双车道，由中国交通规则，设定单车道宽3.75m。自车在非优先通行道路驾驶，与自车方向交叉的道路为优先通行道路，停止标识要求驾驶员需要在停止线外停车观察，等待横向车流通过，确认安全后方可离开。

高速公路场景为限速高速公路(共16人参与)，如图6所示，道路为6车道双向公路，由中国交通规则，设定单车道宽3.75m。自车在如图所示中央车道行驶，不可换道，车速由被试控制，要求按照本车道交通限速标志规定的最低车速和最高车速行驶。

采用钟表测试让驾驶员产生认知分心，如图7所示，在一组钟表测试中，被试将依次听到3个随机化设置的时间(1:00–12:59)，每个时间之间的停顿间隔为5s，当听到一个时间，例如10:30(十点三十分)时，被试需要在脑海中描绘该时间对应的表盘和指针情况，口头指出时针和分针是否成锐角，即回答“是”或者“否”。

比较两类场景常态驾驶条件下由本发明装置采集到的反应时间可以发现，城市道路场景下测量得到的反应时间显著大于高速公路场景(F(1,431)＝35.0,p<0.001)，表明城市道路场景下的驾驶员注意力余量较高速公路场景更小，这与前人研究结果相符。而对于由认知分心引起的注意力余量下降，单样本T检验分析结果表明，城市道路场景下，认知分心造成反应时间平均增长109.7ms(t＝4.3)，而高速公路场景，认知分心造成反应时间平均增长226.4ms(t＝9.0)。城市道路场景复杂度高，因此常态驾驶下驾驶员注意力余量小，分心引起的注意力余量变化小，高速公路场景复杂度低，因此常态驾驶下驾驶员注意力余量大，分心引起的注意力余量变化大。

由分析结果可知，本发明装置可与驾驶主任务同时进行测试，与特定的驾驶次任务亦可同时进行测试，能很好地量化出特定驾驶主任务或特定次任务条件下分心驾驶时驾驶员的注意力资源使用情况。

Claims (4)

1.基于检测反应任务的驾驶员注意力测试装置，其特征在于：通过视觉刺激-手指反应这一检测反应任务的响应率与反应时间来评估汽车电子设备、信息娱乐系统、手机应用对驾驶员注意力分散的影响；该装置主要由带LED灯软管可调式头戴、芯片、按钮及搭载控制程序的电脑端构成；软管一端与头戴对应驾驶员的左侧面固定，LED灯与软管自由伸出端固结；LED灯与芯片通过绝缘线相连。按钮是注意力测试的响应零部件，与驾驶员主导手食指指腹绑定，每检测到一个LED点亮刺激，驾驶员用主导手大拇指按下按钮完成检测反应任务，按钮与芯片通过绝缘线相连。搭载控制程序的电脑端通过芯片-电脑连接线与芯片相连，控制程序输出检测任务参数设定给芯片，芯片按照接收到的检测任务参数控制LED灯的点亮时长与点亮间隔，按钮击中信号输出给芯片，芯片将接收到的击中信号输入到搭载控制程序的电脑端，实时显示在软件控制程序界面上，并写入数据文件，未在一次点亮间隔中击中的信号将被控制程序编码为一次错过。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：头戴式、可调节角度的光点刺激作为检测反应任务的检测对象，基于主导手按钮的手指输入作为任务反馈。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于：通过检测反应任务的反应时间和响应率来量化驾驶员的注意力资源使用情况，从而比较不同驾驶场景下驾驶员的注意力余量，评估汽车电子设备、信息娱乐系统、手机应用对驾驶员注意力分散的影响。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于：软件控制程序用户可从程序界面输入控制参数面板输入目标刺激时长，点击检测任务流程控制按钮的开始按钮，开始检测反应任务，同时生成通用文本文件，反应时间数据将按照时间序列动态显示在实时反应时间柱状图动态显示界面和实时反应时间数字动态显示界面。点击检测任务流程控制按钮的结束按钮，从按下开始按钮到按下结束按钮时间段内的每次检测任务的下列信息将按列依次记录在通用文本文件。