条件自动化驾驶中不确定性平视显示器设计的眼动热图分析

文献标题

An Eye Gaze Heatmap Analysis of Uncertainty Head-Up Display Designs for Conditional Automated Driving

文献信息

• 主题领域: 自动驾驶中的人机交互与驾驶员监控行为
• 关键词: 条件自动驾驶, 机器人监督, 后备准备, 任务切换, 非驾驶相关活动, 眼动追踪, 驾驶模拟研究, 热图分析, 抬头显示

研究背景与问题

• 条件自动驾驶 (SAE Level 3) 的驾驶员在驾驶任务中目光注意力存在分散问题，同时其对场景的不确定性缺乏感知，可能导致接管能力受影响，带来潜在的安全风险。
• 自动系统的不确定性信息（例如，自动驾驶系统何时可能达到其功能极限并发出接管请求）如何传递给驾驶员，同时兼顾安全性和用户体验，是当前的研究难点。
• 重要性在于，条件自动驾驶车辆需要驾驶员时刻保持“后备准备”以应对突发情况，但驾驶相关任务较少使得驾驶员倾向从事非驾驶相关活动 (NDRA)，进一步削弱其对驾驶环境的感知和反应能力。

解决方案

• 提出方法
  • 提出了三种基于不确定性设计的干预措施来支持驾驶员任务分配和环境感知：
    1. T1-Display（视觉显示）: 使用动画渲染“守护天使”视觉元素传递不确定性信息。
    2. T2-Interruption（中断）: 当不确定性升高时，临时中断驾驶员的 NDRA。
    3. T3-Combination（组合）: 结合 T1 和 T2 的优点，加入视觉元素并中断 NDRA。
• 创新之处
  • 比较联合高保真模拟驾驶实验中这三种干预措施对眼动模式和行为(任务切换与注意力分配)的影响。
  • 研究了不确定性可视化的效果与干扰如何结合对用户感知和行为产生影响以及潜在的交互效应。
• 实施技术与步骤
  • 使用眼动追踪技术记录参与者的注意力分布。
  • 在高级驾驶模拟器中重建真实驾驶环境，设计并量化不同驾驶事件的不确定性水平。
  • 采用热图和统计分析方法详细观察用户的行为，并通过问卷评价用户的系统可用性和任务表现。

研究成果

• 具体成果
  • T2 和 T3（具有中断介入）显著改善了用户对驾驶环境的监控能力，且在不确定性高涨时的眼动监控频率显著提升。
  • T3 组合干预设计引发了更快速和更一致的任务切换行为，且热图显示在驾驶环境中的主动监控行为更为显著。
  • T1（仅不确定性显示）可能导致用户过于聚焦 NDRA，降低整体环境感知。
• 相较于现有解决方案的优势
  • 中断策略引发的“监控回响”现象表明其有助于增加驾驶员的任务间切换行为，可能提升驾驶安全性，而非单纯依赖仅显示不确定性信息的设计。
  • T3 结合了显示的“预测作用”和中断的“强制作用”，使系统更具有用户引导性。
• 实验与评估结果
  • 实验中分析了 215 名参与者的眼动行为，T3 的监控行为时间最长，NDRA 的参与时间被有效压缩。
  • 系统可用性评估未发现 T2 和 T3 对用户体验的负面显著影响，表明用户可以接受部分干预设计。
• 局限性与未来方向
  • 实验未结合真实的驾驶运动环境，这可能影响结果与实际场景的贴合度。
  • HUD 上的透明叠加设计可能导致难以区分参与者是专注于 NDRA 还是驾驶环境。
  • 未来研究需要进一步调查中断干预对接管性能和安全性的长期影响，并测试系统在高认知负荷 NDRA 情境下的有效性。