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2020年3月31日 (火)

自動車技術者のための人間工学(1)

 イギリスから帰国したので、現在は14日間の自宅待機で在宅勤務である。イギリスでは帰国後ロックダウンの状況となり、日本より厳しい状況になっているようだ。SARS2とも呼ばれる今回の新型コロナウイルスは、SARSが弱毒化した代わりに感染力が強化されたもののようだ。弱毒化したといえども、下気道に侵入するウイルスなので油断は禁物である。

 さて、DSの解説はこれで終わりとして、今日からしばらくは新シリーズを解説していく。内容は、自動車技術者のための人間工学である。

 人間工学とは、人間の特性に適合したものを開発するための学問である。心理学、生理学、工学、デザイン等の融合領域となり、英語では、Ergonomics または Human Factors といい、これら2語は起源が異なる。

 Ergonomicsという言葉は、ギリシャ語の ergon(労働)と nomos(自然の法則)を組み合わせた造語で、1857年、ポーランドの学者ヴォイチェフ・ヤストシェンボフスキ(Wojciech Jastrzębowski)によって考案された。1857年といえば、日本はまだ江戸時代(安政4年)で、黒船来航直後の頃である。ergon という労働を意味する言葉を採用したのは、ヨーロッパでは古代ギリシャ時代より、労働と健康の関連性が注目されていたからである。18世紀には産業革命で工業化が行われ、労働と健康の関連を解明することは、時代の要請だったのである。

 

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2020年3月30日 (月)

DS(45)の英訳

As described above, causes and countermeasures for motion sickness have been analyzed. However, driving simulator sickness has not been analyzed completely, and the theory of sensory inconsistency is influential as a cause. This means that the difference between the driving sense predicted by the driver in the actual vehicle and the driving sense sensed by DS causes sickness.

It is natural to remove the oscillation band which causes the carsickness, and there are following evaluation methods in order to examine whether the driving simulator sickness occurs.

・Subjective evaluation method: SSQ (Simulator Sickness Ques-Ponaire) developed by Kennedy et al. is used. The SSQ is evaluated in 4 stages (O = absent, 1 = slight, 2 = moderate, 3 = severe) for 16 evaluation items. 16 symptom data are classified into 3 subscales (Oculomotor (O), Disorientation (D), N ausea (N)) of main factors and used for evaluation.

・Physiological assessment: The heart rate system is used to measure changes in autonomic activity. R-R interval time (RRI) and heart rate variability (RRI frequency variation) are analyzed.

・Postural sway: The standing test before and after the DS test ride is carried out in order to measure the balance ability. The upright examination includes a double stance test, a Mann test, and a single stance test.

・Brain activity evaluation: In the electroencephalograph, the electrode is arranged based on 10 -20 international electrode arrangement method, and the content of α wave and β wave and peak frequency fluctuation are examined. And, it is also possible to examine the active state of the brain by NIRS.

In order not to cause driving simulator sickness, it is necessary to faithfully reproduce acceleration generated by a real vehicle in order to eliminate sense of discomfort of somatosensory, and to draw CG images with higher reality at high resolution and high speed in order to eliminate sense of discomfort of visual sense.

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2020年3月29日 (日)

DS(44)の英訳

This section is the subject of simulator sickness which is a demand for driving simulator. Before driving simulator sickness, first of all, here introduces motion sickness. Motion sickness is caused by vibration, agitation, and visual stimuli of automobiles.

On vibration stimulation and oscillation stimulation for motion sickness, there are many research cases on vehicles in general, and basic knowledge has been accumulated. The conditions for seasickness are known because of its history. The oscillation of the ship is represented at the top and bottom, and it is easy to get sick as the amplitude of the top and bottom is larger, and 0.167 Hz is the easiest to get sick. When the frequency is higher than this, the sickness disappears rapidly. Though the peak frequency changes a little when the oscillation direction becomes back and forth, right and left, etc., from 0.1 to 0.3 Hz is easy to get sick generally, and the sickness does not occur when it becomes over 1 Hz. Though they get sickk by the combination of rotational oscillation and translational oscillation, the clear condition is not known.

The tendency of the combined vibration is that when the roll oscillation is added to the lateral oscillation, the phase of the roll oscillation becomes more advanced than the phase of the lateral oscillation. When pitch oscillation is applied to this combination, it becomes easy to get sick. In the case of the automobile, the motion sickness is not generated in the vertical oscillation. As a riding posture, the sitting posture is the most easy to get sick. In the vibration to the occupant head, right and left oscillation of the head and anteroposterior movement are easy to get sick. However, motion sickness is difficult to occur in the vertical oscillation of the head.

And, the driver gets less sick than the fellow passenger. It is said that this does not cause sickness, because it can predict the vehicle motion to occur. That is to say, whether it is active or passive for the driving operation greatly affects the sickness. For example, when a passenger seat occupant of a vehicle driving on a slalom leaves the head movement without resisting centrifugal force, or when the head is tilted in the direction of centripetal force, it is easier to get sick by relying on centrifugal force. This is also true in the front-back direction and the lateral direction. When the phase of the head oscillation deviates from the phase of the vehicle oscillation by 180 degrees, the motion sickness becomes the easiest.

In the large bus, it becomes the motion sickness tendency unlike the passenger car. This is because the resonance frequency of roll, yaw, and pitch of the large bus is remarkably low, and the moving quantity of yaw and pitch increases or visibility is hindered by the sitting position due to the large car body. Especially, it becomes easy to get sick, since the front view can not be seen, when it rides in the rear, and the prediction of the movement is not possible. Even in the large bus, it is less tiring to see the front view so that the vehicle motion can be predicted. There is no difference in the hangover easiness between upper floor and lower floor of the double-decker bus, because the effect of the vertical oscillation on the hangover is little. In general, the more going to the back seat, the more getting sick, and the more getting sick on the aisle side than on the window side. Women are more likely than men to get sick, and women are more likely than men to get sick when scenery is not visible. To avoid getting sick on a large bus, we should sit in the front seat where we can see the view well. In the three row seat minivan of the passenger car, there is no difference on whether it is easy to get sick as it becomes the rear seat. It is good as long as weu can see the scenery, so it is not effective to prevent motion sickness even if we show the scenery from the side. Even a little is good, so it is important to be able to see the scenery ahead.

It is also known that it can be used for the motion sickness prevention by devising the visual sense in riding. It has been confirmed experimentally, and the motion sickness is strengthened, when the visual field which rotates the examinee in the same direction is given, and the motion sickness is weakened, when static visual field or visual field which rotates in the opposite direction is given. However, this is effective only when the semicircular canal is stimulated by rotational oscillation. In other words, vision strongly affects vestibular sensation.

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2020年3月28日 (土)

DS(43)の英訳

The SE method is a method to evaluate the smoothness (roughness) of steering operation as given an entropy name. That is to say, it is a technique noticing that steering operation becomes rough as mental workload increases. In previous studies, the steering entropy increased as the operation of in-vehicle information equipment became more complicated. And, there is a research which examined the drowsy evaluation, because the entropy quantity increases when the drowsiness increases.

The calculation method predicts the present steering angle value from past 3 points on steering angle data of 150 ms interval by the quadratic interpolation. The difference between the predicted value and the actual steering angle value is used to calculate a steering angle prediction error PE (Prediction Error). Next, 90% ile value of PE is obtained from one driving data, and it is called α value, and the appearance frequency is classified into 9 bins by the multiple of α. The smoother the steering operation is, the sharper the center becomes, and the coarser the steering operation becomes, the lower the center becomes and the higher both sides become. Finally, the logarithms sum of these 9 bins ratiosis defined as the amount of entropy.

The SE method is an excellent method for evaluating mental workload by the driving performance. The downside is that it can't be used in real time. The real time steering entropy method RSE (Real-time Steering Entropy) solves the defect of the SE that it can not be used in real time. The announcement of the RSE is a new method in 2015. The RSE does not need to specify the driving course, and there is no need to distinguish the standard driving from the evaluation driving. And, it is an excellent technique which can calculate on line in real time.

The calculation procedure is the same as the SE, in which steering angle data is acquired every 150 ms and PE is calculated. The SE recorded all driving data and calculated the PE distribution offline. On the other hand, the RSE updates PE distribution which becomes recursive calculation. Specifically, the change points of PE are replaced by the long PE distribution and the short PE distribution. Then, the entropy of the long time distribution and the entropy of the short time distribution are calculated by the same calculation as the SE, and the sum of these difference values and the logarithm of the ratio of each PE is defined as the entropy value of the RSE. It has been reported that the evaluation of mental workload when subtasks were performed in the RSE is appropriate. However, it is a cautionary note that the RSE is affected by disturbance such as driving attitude of the driver, steering grasping position, road surface condition and so on.

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2020年3月27日 (金)

DS(42)の英訳

The driver state changes according to the driving time. The degree of change and the time required vary depending on the load on the driver, workload and stress.

Because loads, workloads, and stresses are confusing, use these meanings clearly. When "load" is used, it is assumed that the driver is loaded and fatigued. The load may be physical or mental. On the other hand, when a workload is used, it is used not only to cause fatigue but also to cause a positive state change (Warming up and activating) of the driver. Therefore, it is called mental workload, not simply workload, and it is used when mental task is accompanied. Stress is originally a nonspecific adaptation syndrome for external noxious stimulation, and it is used when the correspondence ability of the driver for the driving environment at that time is asked.

Among these workloads, mental workload is important for HMI. There are subjective evaluation method, subtask method, etc. as an evaluation method of the mental workload, and it is also possible to evaluate the mental workload quantity from the physiological measurement result. However, the estimation of mental workload is considered to be the most appropriate only from the normal driving operation without any subjective evaluation or unnatural subtasks. This is a workload measurement method based on the driving performance.

Basically, steering operation quantity, accelerator and brake pedal operation quantity and visual line which the driver does are available. Among them, SE (Steering Entropy) method has been established as a concrete method to analyze steering operation quantity.

The SE method is a non-invasive and non-contact method because it measures only the steering operation quantity by the driver, and it has an advantage that the driver can measure in a natural state without being conscious of the measurement. And, it is easy to catch the change of the workload, because it can continuously measure during the driving. Although some of another methods use the lateral position for the travel lane other than the SE method, they require an on-vehicle camera. The SE method does not require additional equipment, therefore it is superior and be said to have high sensitivity. There is not only the SE method but also another methods to analyze frequency of steering input and switching frequency of steering. Among them, the use frequency of the SE method is overwhelmingly high.

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2020年3月26日 (木)

DS(41)の英訳

Another important driving performance for the longitudinal direction is the lateral driving performance. The driving performance in the right and left direction is also determined in SAE as follows. The time from the stimulus presentation point to the steering operation start time point is called Steering Reaction Time, the time from the operation start time point to the operation end time is called Steering Movement Time, and the time obtained by combining the Steering Reaction Time and Steering Movement Time is called Steering Response Time. These indicators are used to evaluate lane departure warnings and lane keeping support systems.

Steering from a certain direction to the opposite direction in a short time at a certain switching angle or more is called modified steering or steering correction. 3, 5 and 6 degree switching angles have been proposed. If this angle is too small, noise of steering vibration is included, and if it is too large, fine correction by the driver cannot be reflected. Therefore, it is necessary to specify the threshold value when calculating the modified steering. When the degree of distraction is high, the frequency of modified steering decreases, but large modified steering is applied.

As a method to evaluate the smoothness of steering, there is a Steering Entropy method introduced in the next section. The prediction error becomes small when the steering operation is concentrated, and the prediction error distribution spreads when the secondary task is carried out. The feature which is not in the longitudinal direction in the lateral direction is the relative position index to the road. That is, where the vehicle is driving in the lane becomes the driving performance index in the lateral direction.

However, three cases are used as the standard of the road: center position between lanes, average value of travel locus of the preceding vehicle which passed, and lane edge. And, three points of right and left center point of the front axle, edge of the tire and center of gravity of the vehicle are used as a standard of the vehicle.

The vehicle lateral position deviation SDLP (Standard Deviation of Lane Position) is most often used as the lateral driving performance. It is calculated from the standard deviation of lane lateral position data of a certain driving section, and it shows the vehicle lateral fluctuation in the corresponding driving section. In the normal driving, it becomes SDLP value of from 0.2 to 0.3 m, and it changes by age, road environment, and vehicle speed. As another index, TLC (Time to Line Crossing) is also often used. This can be said to be TTC in the right and left direction. That is, it is an index showing the time to reach the road edge in a few seconds if nothing is done. An approximate calculation method of dividing the lateral distance by velocity and acceleration has also been proposed. It is said that the approximation method can be used when TLC is within 0.5 seconds, and that it becomes an improper value when TLC exceeds 0.5 seconds. It can be said that the smaller the TLC, the lower the control performance of the lateral position. However, it is necessary to remove the value which is too large, because it is a problem even if it is too large.

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2020年3月25日 (水)

DS(40)の英訳

It is also possible to estimate the driver state from the driving performance of the driver without using physiological measurements. However, the evaluation of driving performance has not been established, although there are various indicators. However, the driving performance index is defined as follows in SAE. The basis of the index which shows the own vehicle condition in the longitudinal direction is the own vehicle speed (vehicle speed). Acceleration is obtained by first differentiation of vehicle speed by time, and jerk is obtained by further first differentiation of acceleration.

In the response time of acceleration/deceleration and stop, it is important to clarify the relationship between the foot of the driver and the pedal. It is because the response time differs depending on whether the response is started from the state of placing the foot on the floor, placing the foot on the pedal, or stepping on the pedal a little. Therefore, when the response time measurement results are shown, the start and end points must be accurately described. And, THW (Time Headway: Distance Between Vehicles / Vehicle Speed) and TTC (Time to Collision: Distance between cars / Relative speed) are typical in inter-vehicle distance and inter-vehicle time which show spatial margin between own vehicle and preceding vehicle. It is said that THW represents the driver's sense of rear-end collision risk in the situation with small speed fluctuation. On TTC, it is said that the driver judges the brake start based on the reciprocal of TTC. The relation between THW and TTC is examined, and time derivative value of TTC and secondary prediction value of TTC are also proposed. The driving performance in the anteroposterior direction is still to be examined.

And, it is necessary to clarify the definition of inter-vehicle distance, because the distance between vehicles is an important index. It is because there are various variations where the space between vehicles indicates. In traffic engineering, the distance from the front end of the preceding car to the front end of the following car is defined as the distance between cars. This is because the front end of the vehicle is made to be a standard in the fixed point observation, and it is also called "Headway Spacing".

From the sensing point of view, the inter-vehicle distance means the distance from the rear end of the preceding vehicle to the front end of the following vehicle. Therefore, it becomes shorter by the length of the vehicle than the distance between vehicles in traffic engineering. SAE defines the inter-vehicle distance as Gap. In the driving simulator, the vehicle dynamics is based on the center of gravity of the vehicle. Therefore, the distance between the center of gravity of the preceding vehicle and the center of gravity of the following vehicle often becomes the inter-vehicle distance. However, the distance between the center of the vehicle body and the distance between the rotation centers of the vehicle have not been unified.

When the preceding vehicle is measured by LiDAR, what value should be shown as the inter-vehicle distance? The method decided for one vehicle model is not always applicable to all vehicle models showing various shapes.

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2020年3月24日 (火)

DS(39)の英訳

The next indicator for the autonomic nervous system is blood pressure. Blood pressure itself is the objective variable controlled by the autonomic nervous system. Thus, if BP is known, autonomic status is known. However, there is a difficulty in realizing accurate blood pressure measurement without difficulty during driving.

The pulse wave can be easily measured even during driving. Pulse waves can be measured from the fingertips or earlobes and can be considered close, although not strictly a heart rate. However, the accuracy is deteriorated, because it is obtained from the heart through the blood vessel, and it curls from the heartbeat. It especially affects the calculation of heart rate variability. Pulse wave amplitude PLA (Pulse Amplitude) may also be decreased at the fingertips and increased in the earlobes. This is because blood vessels constrict in the fingertips and dilate in the head when a steady reflex occurs. This is a mechanism of the body to send more blood flow to the brain and to understand new information.

Previous studies have also shown a link between vigilance and heart rate variability. With delay in vision, some components of heart rate variability (from 0.02 to 0.08 Hz) increase.

The accuracy is inferior to PERCLOS (Percent time that the eyes are more than 80 percent closed), however may be better than subjective indices or EEG. This is an event in the case of sleep deprivation, and the prediction accuracy of decrease in vigilance of usual sleep state is low.

It has also been reported that the relationship between vigilance and heart rate has a higher correlation with the standard deviation of RRI than with the low and high frequency components of RRI. According to this, the standard deviation of RRI can predict the result of vigilance after 1 minute, and it is not influenced by individual difference. In the frequency analysis of RRI, a fixed time observation period is required. However, the analysis becomes possible even from the data of several pulse, when it is the standard deviation, and it can be said that the time resolution method is excellent.

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2020年3月23日 (月)

DS(38)の英訳

As a biometric measurement for objectively obtaining the driver condition, the autonomic nervous system is difficult to understand if there is no measuring instrument next to the state of brain activity. When the autonomic nervous system is used as an index, surprises, near-miss incidents, tension, excitement, attention concentration, malaise, etc. can be understood.

Heart rate and respiratory rate are used as indexes of the autonomic nervous system. Especially, the practicability of heart rate is high, because the heart rate can be measured by various heart rate meters. The name such as PQRST is given to various heartbeat waveforms in the electrocardiogram for medical use, and the R wave which shows the largest heartbeat is used for the heartbeat analysis.

The interval of the maximum value of R waves is called RRI (R R Interval). The pulse interval can be considered to be almost RRI, but strictly it is different from RRI. If RRI is known, heart rate HR (Heart Rate) per 1 minute can be known, and the function of autonomic nerve can be estimated by the change of heart rate. Generally, an increase in HR is an index of physical and mental burden, and a decrease in HR is an index of relaxation degree and lowering of arousal. And, HR lowers, when the consciousness concentrates in the outside, and HR rises, when the consciousness concentrates in the inside. The protective reflex DR (Defective Reflex) increases HR, whereas the stereotactic reflex OR (Orienting Reflex), which occurs in response to a new stimulus, decreases HR. In relation to the tribulation, HR increases in tense situations and decreases when fatigued.

In addition, the fluctuation of RRI is called heart rate fluctuation HRV (Heat Rate Variability), and it can be analyzed by the frequency component of the RRI fluctuation. High frequency component HF is related to parasympathetic nerve system, and low frequency component LF is related to sympathetic nerve system.

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2020年3月22日 (日)

DS(37)の英訳

As a research example using NIRS for the measurement of driver condition in DS, there is an evaluation of the effect of advanced driver assistance system. The advanced driver assistance is ACC (Adaptive Cruise Control).

Since ACC is a advanced driver assistance system which automatically follows the forward traveling vehicle, the driver is released from the work load of driving which follows. In this study, whether this burden reduction actually exists or not was observed by NIRS.

In this study, the experimental subject in DS is the following of the forward traveling vehicle. As an experimental condition, it is the driving under the following condition with and without ACC. When ACC is used, the driver does not perform acceleration/deceleration operation to follow the forward traveling vehicle, but only steering operation. The headway time of ACC was 1.2 s. In the condition in which the driver operates without using ACC, the distance between vehicles was maintained at about the same level as in ACC use, and both conditions were made to be 1 trial 210 seconds. The two conditions were alternated twice. NIRS was the near infrared light imaging equipment OMM 3000 made by Shimadzu Corp., and all 42 channels were sampled in 0.205 s. As a result, in the condition without ACC, oxyHb increased in the latter half of the operation task. As a common brain activity, although both dorsal parts of the frontal lobe were activated during the driving task, in the condition with ACC, there was no increase in oxyHb during driving, and the activation of the frontal lobe was smaller than in the condition without ACC. From this result, it can be said that the driving worl load of the driver was reduced by ACC.

In addition, there is the result which measured the change of distraction degree and arousal degree in the DS driving. Our laboratory also uses NIRS to confirm that the driver's alertness decreases during automated driving.

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2020年3月21日 (土)

DS(36)の英訳

The condition of the driver driving in DS affects the nervous system, sensory system, motor system, circulatory system, digestive system, respiratory system, endocrine system and immune system of the driver. Therefore, it becomes possible to obtain the driver condition objectively and quantitatively, if these physiological conditions are observed.

In these biometrics, it can be said that the observation of the brain activity which is the nervous system of the driver is important. From around 1980, it became possible to observe the activity of the brain in real time by the development of the neural function image technology, and techniques such as PET (positron emission computed tomography), SPECT (single photon emission computed tomography), fMRI (functional magnetic resonance imaging) have been developed. However, the equipment necessary for these methods was very expensive, and the measurement and signal analysis were complicated, and the utilization in DS was difficult. In such situation, the medical equipment manufacturer of Japan developed multichannel near infrared spectroscopy NIRS (near-infrared spectroscopy) which could measure the relative blood flow change of the brain in proportion to the brain position.

The principle of NIRS has been known for a long time and is as follows. Near-infrared light (from 650 to 1000 nm) passes through tissues and is absorbed by hemoglobin (Hb) in the blood. When light of a certain wavelength passes through a substance, the absorbance is proportional to the concentration of the substance present in the sample and the optical path length. Since the optical absorption spectra of oxygenated Hb (oxyHb) combined with oxygen and deoxygenated Hb (deoxyHb) dissociated from oxygen are different, the state of oxygenation can be known from the change of Hb concentration, when the absorbance of near infrared light over 2 wavelengths is measured. When an irradiation probe and an absorption probe of near infrared light are arranged on the scalp with an interval of about 3 cm, light which comes out from the irradiation probe and advances on the arc is detected by the absorption probe, and the Hb quantity on the optical path can be calculated. That is to say, NIRS makes it possible to observe the condition of oxygenation of Hb in the capillary of cerebral cortex which exists in from 2 to 3 cm under the scalp.

When plural irradiation probes and absorption probes are arranged in a lattice shape on the scalp, the light which advances between each probe simultaneously offers the information of each position, and the information of the oxygenation in the cerebral cortex in the wide range will be obtained. The measurement is possible in the comparatively free attitude, if the cap in which multiple probes are arranged beforehand is fixed, and this becomes multichannel NIRS. The device capable of measuring up to 120 channels has also been developed.

NIRS does not directly observe the activity of the brain, but observes the situation of cerebral blood flow. It is known that cerebral blood flow rapidly rises locally in response to oxygen consumption when the brain is active. This phenomenon is called "luxury perfusion" in which a large amount of oxygen is sent to the active site more than the amount necessary for the activity of nerve cells. A rapid increase in oxyHb and a decrease in deoxyHb can be observed in the capillaries immediately after the start of cerebral nerve cell activity.

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2020年3月20日 (金)

DS(35)の英訳

It should be noted that the response time is basically variable. In the simple response task, the same person under the same conditions does not repeatedly become constant. Since the response time is not constant, statistical analysis is required. However, since the response time does not become 0, the distribution becomes a form in which the root spreads in the larger value. That is to say, the statistical test assuming the normal distribution can not be applied directly in many cases. The theoretical distribution of response time is ex-Gaussian or inverse Gaussian.

The ex-Gaussian distribution is a composite of a normal distribution and an exponential distribution. Considering the response time characteristics, the shape which gradually extends from 0 to the larger rise value is simulated. The inverse Gaussian distribution is a distribution in which the moment generating function is the inverse function of the moment generating function of the Gaussian distribution. This is the distribution of the time required for the random walk process, and the response time is applied because the processing process in the brain is considered to be the random walk process.

Since response time data have an asymmetric distribution extending to the right, the t-test assuming a normal distribution cannot be applied to personal data as it is. Therefore, the data analysis is based on multiple experiments by many subjects.

The process of normal distribution can be applied to the statistical processing of response time as follows. At first, M times of data of one subject are averaged to be a representative value of the subject. This operation is carried out for all N participants, and N average values are obtained. Then, the normal distribution process can be applied to this mean value. This is because, according to the central limit theorem, the mean value from any original distribution follows the normal distribution. As a result, the t-test can be applied to the mean value of N persons if there is no significant difference when the conditions are changed. To make the assumption of the normal distribution stronger, increase the value of M times. In general, the goal is at least 3 times, preferably 10. However, there are some cases in which repeated trials are difficult depending on the experiment contents. Therefore, it is important to confirm the distribution shape beforehand in the preliminary experiment.

The decision whether the response is an error or not is clearly seen as a wrong selection in the selection response task. The anticipatory response and response delay are determined from the distribution of response time. If the response time is extremely short, it may be an anticipation error, and if it is long, it may be a response delay error. However, since the error judgment involves subjectivity, statistical processing is used to provide objectivity. A commonly used method is to regard the outside data of the mean value ± 2 × standard deviation or the mean value ± 2.5 × standard deviation as an error. When the number of data is large, the average value ± 3 × standard deviation may be used. As a regression method, there is a method to check whether the maximum value and minimum value are included in the data range of mean value ± 2 × standard deviation, and if they are not included, remove the maximum value and minimum value, calculate the mean value and standard deviation again, and repeat whether the maximum value and minimum value are included. If the maximum and minimum values are within the mean ± 2 × standard deviation, the test is terminated.

The regression method has a disadvantage that it keeps data extending to the right side because the response time distribution is asymmetric. As a countermeasure to this, it is better to remove the maximum value, calculate the mean value and standard deviation, then return the maximum value and apply the regression method.

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2020年3月19日 (木)

DS(34)の英訳

This article explains important matters in analyzing the behavior of the driver using simple DS and advanced DS of this laboratory, and full-scale DS as in Leeds University. At first, the measurement of the response time of the driver.

In the analysis of the driver behavior of DS, the most important thing is the response time. The time from the presentation of the stimulus to the response is defined as the response time, and the stimulus is called the trigger signal. As a task which examines the response time, there are simple response task which looks at the single response for the single stimulation and selection response task which chooses from multiple alternatives according to the content of the stimulation. As the number of stimuli and alternatives increases, the reponse time increases, and according to Hick's law, the response time is proportional to the logarithm of the number of alternatives + 1. This is the entropy of choice. The time from the trigger signal to the reponse is called Trial, and the time between trials is called trial interval time ITI (Inter Trial Interval). When ITI is fixed, the subject predicts the next stimulation, so it is important to change it at random.

The response time is different, when the preparation signal is given before the stimulus signal presentation. The response time becomes the shortest when the preceding time is 250 ms from the preparation signal to the stimulation, and the response time becomes long even if it is over or under. The response time is affected by the preparation state of the subject, and the response time is shortened, when the preparation state can be made by the subject. And, since response time is also stabilized in this state, an experimental scenario to make a preparation state is required.

And, the response time is different by stimulus content, type, intensity of the stimulation and size of the noise. The response time is also different by the sense type, and when it is compared in the representative sense types of visual sense, auditory sense and tactile sense, it becomes earlier in the order of tactile sense, auditory sense and visual sense. In the simple response task, the representative value of the auditory stimulation becomes 200 ms, and in the visual stimulation, it becomes from 200 to 250 ms. The stronger the stimulus, the shorter the reponsen time, and the longer the noise is added. In the response site, the arm is faster than the leg, and in the arm, the finger is faster than the arm. When a button is pressed and released, the release response is faster. The response of pedal operation is faster when the pedal is released than when it is depressed. The response time also depends on the suitability of the stimulus and response. For example, the response time is shorter when the right button is pressed with the right stimulus, and longer when the left button is pressed with the right stimulus. In the case of the selective response, the response time differs according to the appearance probability of the stimulation. The higher the frequency of appearance, the shorter the response time, and the lower the frequency, the longer the response time.

The response time has an ordering effect and is affected by previous trials. For example, when there are two alternatives, the same stimulus has a shorter response time and the opposite stimulus has a longer response time. However, the effect disappears, if the time between stimulation is lengthened. When the time between stimuli is short, the repetitive effect is generated, and the accelerating effect for the response is produced. Therefore, an experimental design to eliminate the ordering effect is required. The response time also changes with the elapsed time of the experiment. The response time is short just after the start of the experiment and becomes almost constant afterwards, and the response time becomes longer as the experiment time becomes longer. However, the response time becomes shorter at the end of the experiment. The phenomenon that the response time becomes short at the end of the experiment is called the termination effect. When the subjects know the end of the experiment, they concentrate on the task.

Response time is measured in milliseconds. Thus, stimuli that can be presented within 1 ms are used. The PC screen is often used for visual stimulation, and the display characteristics on PC should be understood. For example, a refresh rate of 60 Hz can cause a delay of 16 ms, which may be unsuitable for experimental purposes.

In the stimulation by the sound, the simple sound is not especially a problem. However, in the case of speech, the definition of the start time becomes difficult because the rise is slow. Similarly, the definition of response time is difficult when speech is a response. And for the finger or foot response, the selection response task requires a contrivance that equalizes the distance between each finger or foot and the selection button.

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2020年3月18日 (水)

DS(33)の英訳

The specification of BlueTiger is very compact of 1483.4 × 1206.5 × 939.0 mm in length × width × height. The weight is as light as 115 kg, and the reinforcement material is not especially necessary for the floor surface if it is this light, and there is a case in which it can be installed in the general indoor.

The moving performance as a moving device is, firstly, both pitch and roll rotation angle are ± 20 °. The heave generated by decentering the seat mounting position from the rotary shaft is ± 254 mm, and both of the sway and the surge are ± 203.2 mm.

The purpose of the simple DS in our laboratory is to analyze the driver condition during automated driving. Therefore, in the simple DS without any moving system, the driving feeling can not be obtained unless the driver keeps watching the driving scene. However, there is a possibility that the driver under full automated driving does not see the driving scene in front, and the driving feeling can not be obtained at all, if the driver closes his eyes. Therefore, though it is not sufficient, the simple moving device like BlueTiger was introduced. The sensory experience of the vibration surface which can not be expressed by BlueTiger is only yaw, and it was judged that it would not be unrealistic even if the yaw is omitted, because the generation quantity of yaw is very small in the automated driving which drives on the expressway of straight line and gentle curves.

The course simulating the Tokyo Metropolitan Expressway was made by this simple DS, and the behavior of the driver was analyzed under the full automated driving. Compairing of actually carrying out the similar driving condition at the Tokyo Metropolitan Expressway, the result with high similarity of the simple DS was obtained, and it was proven that the simple DS could be sufficiently used if the purpose of use was limited.

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2020年3月17日 (火)

DS(32)の英訳

The simple DS in our laboratory is based on the aforementioned trend of simplification of DS. That is to say, the image service adopted 3 PC displays of 21 inches in lateral length for front, oblique right and oblique left, the cockpit only with the minimum necessary controls and sheets, and the moving device of 2 shaft rotation system for arcade game.

The feature of this simple DS is that the motion device of the biaxial rotation system is used for the motion system. This device is the trade name BlueTiger of Eleetus Co. which develops and sells motion device of U.S.A. exclusively.

The vibration (jolt) of the vehicle can be basically expressed by 6 kinds of vibration (or shaking) of roll by the rotation around the X axis, pitch by the rotation around the Y axis, yaw by the rotation around the Z axis, heap by the translation in the X axis direction, sway by the translation in the Y axis direction, and surge by the translation in the Z axis direction in the XYZ orthogonal coordinate system. Therefore, the advanced DS uses the motion device with at least 6 degrees of freedom. Is it useful in the swing device with 2 degrees of freedom for vibration requiring 6 degrees of freedom? In fact, BlueTiger can express 5 kinds of vibration by devising the rotation center, though it is biaxial rotation.

The BlueTiger is designed not to place the sheet on the rotating shaft of the moving device but to place the sheet at a position deviated from the rotating shaft. By this, BlueTiger realized heave, sway, surge in addition to roll and pitch of XY 2 axis rotation.

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2020年3月16日 (月)

DS(31)の英訳

At present, the types of DS for research on driving support systems and automated driving can be roughly divided into three types: simple, advanced, and full-scale. Let's look at some typical examples of these types.

Two DSs in our library are simple and advanced ones. And, there is UoLDS of the Leeds university as a full-scale DS which the author visited in the United Kingdom, and it is possible to introduce here from simple DS in order.

In general, DS is expensive and requires installation space, so it is not a device that can be easily introduced. Then, though the evaluation items as objects are limited, the effect of the advanced and the full-scale DSs introduction is often attempted by introducing the simple DS. The composition of DS is roughly divided into three systems: video presentation system, cockpit system, and moving system. The simple DS makes each of these components simple.

The video presentation system over the advanced DS projects on the screen by multiple projectors in order to present the driving scene widely and largely in the visual field of the driver. Therefore, some installation space is required. In the simple DS, the installation space of the DS is drastically reduced by using the monitors which display the driving scene. And, the DS equipment itself becomes large, because the cockpit over the advanced DS utilizes the cockpit of the actual vehicle. Contradiction to this, the simple DS has a minimum configuration of only a steering wheel, necessary switches, seat, and pedals, and the meters are drawn while presenting a driving scene, and simple meters are installed on the upper part of the steering wheel. By doing so, it becomes almost the usual installation space of desk and chair for one person, and the installation space can be drastically reduced. Then, the installation space including the height direction is decided by the configuration of the moving system, and the introduction cost increases. This moving system is often a hurdle for DS introduction. Therefore, in the simple DS, a simple moving system is used.

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2020年3月15日 (日)

DS(45)

 車酔いは上記のように原因と対策が解析されている.ところが,ドライビングシミュレータ酔いは完全には解析されておらず,原因としては感覚不一致説が有力である.これは,ドライバが予測する実車での運転感覚と,DSで感じる運転感覚の違いが酔いを引き起こすというものである.

 車酔いを起こす振動帯域を外すのは当然で,ドライビングシミュレータ酔いが起こるかどうかを調べるには,次のような評価法がある.

・主観評価法:Kennedyらによって開発された SSQ (Simulator Sickness Ques-tionnaire) を用いる. SSQ は,評価項目の16症状に対して4段階 (O= absent,1=slight,2=moderate, 3=severe)で評価する.16症状のデータは,主因子の3つのサブスケー ル (Oculomotor(O), Disorientation (D), N ausea(N)) に分類され評価に用いられる.

・生理評価法:自律神経の活動状態の変化を測定するため心拍系を用いる.R-R 間隔時間 (RRI)や心拍変動(RRIの周波数変動)を分析する.

・重心動揺:平衡能力を測定するため,DS試乗前後での直立検査を行う.直立検査には,両脚立脚検査,Mann 検査,単脚立脚検査等がある.

・脳活動評価:脳波計では10-20国際電極配置法に基づき電極を配置し,α波及びβ波の含有率やピー ク周波数変動などを調べる.また,NIRSで脳の活性状態を調べることも可能である.

 ドライビングシミュレータ酔いを起こさないためには,体性感覚の違和感をなくすために,実車が発生する加速度を忠実に再現することと,視覚の違和感をなくすために,よりリアリティの高いCG画像を高解像かつ高速に描画することである.

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2020年3月14日 (土)

DS(44)

 次は,ドライビングシミュレータにとって需要なシミュレータ酔いの話題.ドライビングシミュレータ酔いの前に,まず,車酔いについて紹介しよう.車酔いは,自動車の振動刺激,動揺刺激,視覚刺激によって生じる.

 振動刺激,動揺刺激については乗り物一般について多くの研究事例があり,基礎的知見が蓄積されている.船酔いは歴史があるため,酔う条件がわかっている.船の振動は上下で代表され,上下の振幅が大きいほど酔いやすく,0.167Hzが一番酔い易い.これより周波数が高くなると,急激に酔わなくなる.振動方向が前後,左右等になると多少ピーク周波数が変わるものの,総じて0.1~0.3Hzが酔い易く,1Hz以上になると酔わなくなる.回転振動や並進振動と回転振動の組み合わせでも酔うものの,明確な条件はわかっていない.

 組み合わせ振動で傾向としては,横方向振動にロール動揺を加えたとき,ロール振動の位相が横方向振動の位相より進むほど酔わなくなる.この組み合わせにピッチ振動を加えると酔い易くなる.自動車の場合は,上下振動では酔いが発生しない.乗車姿勢としては,着座姿勢が最も酔い易い.乗員頭部への振動では,頭部の左右振動と前後運動が酔い易い.しかし,頭部の上下振動では酔いは発生しにくい.

 また,ドライバは同乗者より酔いにくい.これは,これから起こる車両運動が予測できるので酔わないと言われている.すなわち,運転操作に対して能動的か受動的かが酔いに大きく影響するのである.例えば,スラローム走行する車両の助手席乗員が遠心力に逆らわず頭部の動きを委ねたときと,求心力の方向に頭部を傾けたとき,遠心力に委ねた方が酔い易いのである.これは前後方向や横方向においても同様である.頭部振動の位相が車両振動の位相と180度ずれるとき,最も酔い易くなる.

 大型バスでは,乗用車と違った車酔い傾向となる.これは,大型バスのロール,ヨー,ピッチの共振周波数が格段に低いことや,車体が大きいため座る位置によってヨー,ピッチの移動量が大きくなったり視界が妨げられたりするためである.特に,後部の方に乗ると前方景色が見えないため,動きの予測ができず酔い易くなる.大型バスにおいても,車両運動が予測できるよう前方景色が見える方が酔いにくいのである.上下振動は酔いへの影響が少ないためか,2階建てバスの上階と下階で酔いやすさの差はない.一般的に,後ろの席に行くほど酔い易く,窓側より通路側の方が酔い易い.また,男性より女性の方が酔い易く,景色が見えないときに酔い易くなる傾向が女性の方が顕著である.大型バスで酔わないようにするためには,前方席の景色が良く見えるところに座ればよい.乗用車の3列シートミニバンでは,後席になるほど酔い易いかというと差異はない.景色さえ見えれば良いということで,側方の景色を見せても酔い防止に効果はない.少しでも良いので,前方景色が見えることが肝心である.

 乗車時の視覚を工夫することによって,酔い防止に使えることもわかっている.実験的にも確認できており,被験者を回転させ同方向に回転する視界を与えると酔いが強まり,静止視界や逆方向に回転する視界を与えると酔いが弱まる.ただし,これは半規管が刺激される回転振動のときのみ有効である.つまり,視覚は前庭感覚に強く影響を与えるということになる.

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2020年3月13日 (金)

DS(43)

 SE法はエントロピー名を付けたように、ステアリング操作の滑らかさ(粗さ)を評価する手法である。すなわち、メンタルワークロードが増すにつれ、ステアリング操作が粗くなることに着目した手法である。先行研究では、車載情報機器の操作が複雑になるほど、ステアリングエントロピー量が増加した結果となっている。また、眠気が増してもエントロピー量は増えるため、眠気評価を検討した研究もある。

 計算方法は、150ms間隔のステアリング操舵角データについて、過去3点から現在の舵角値を2次補間で予測する。そして、この予測値と実舵角値との差を舵角予測誤差PE(Prediction Error)を算出する。次に、一回の走行データからPEの90%ile値を求めこれをα値と呼び、αの倍数で出現頻度を9のビンに分類する。ステアリング操作が滑らかなほど中央が尖った形となり、粗くなると中央が下がって両側があがるダレた形となる。最終的に、これら9つのビンの割合の対数を合計したものをエントロピー量と定義する。

 SE法はメンタルワークロードを運転パフォーマンスで評価できる優れた手法である。欠点はリアルタイムで使えない点である。リアルタイムに使えないというSEの欠点を解消したのがリアルタイムステアリングエントロピー法RSE(Real-time Steering Entropy)である。RSEの発表は2015年と新しい手法である。RSEは走行コースを規定する必要がなく、基準走行と評価走行も区別する必要がない。かつ、オンラインでリアルタイムに計算できるという優れた手法である。

 計算手順は、SEと同じく150ms毎の舵角データを取得しPEを計算する。SEでは走行データをすべて記録し、オフラインでPE分布を計算していた。これに対しRSEでは、再帰的計算となるPE分布の更新を行う。具体的には、長時間のPE分布と短時間のPE分布に対し、PEの変化点を置き換えるのである。そして、長時間分布のエントロピーと短時間分布のエントロピーをSEと同じ計算で算出し、これらの差分値とそれぞれのPEの比の対数を合計したものをRSEのエントロピー値とする。RSEでサブタスクを行ったときのメンタルワークロードの評価が妥当なものと報告されている。ただし、ドライバの運転姿勢、ステアリング把持位置、路面状態等の外乱の影響を受けることが注意点である。

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2020年3月12日 (木)

DS(42)

 ドライバ状態は運転する時間によって変化する。変化する程度やかかる時間は、ドライバへの負荷、ワークロード、ストレスによって異なる。

 負荷、ワークロード、ストレスは混同して使い勝ちなので、これらの意味を明確に使いわけよう。「負荷」を用いるときは、ドライバに負担がかかり疲労させるときを想定している。負荷は肉体的でも精神的でもよい。これに対し、ワークロードを用いるときは、単に疲労だけに繋がるのではなくドライバのプラスになる状態変化(ウォーミングアップや活性化)に繋がるときに用いる。そのため、単にワークロードとは言わずメンタルワークロードと呼び、精神的なタスクが伴うときに使う。ストレスは、もともと外部の有害刺激に対する非特異的な適応症候群のことであり、そのときの運転環境に対するドライバの対応能力を問うときに用いる。

 これらワークロードの中で、HMIに関するものはメンタルワークロードが重要である。メンタルワークロードの評価法として、主観的評価法、サブタスク法等があり、生理計測結果からメンタルワークロード量を評価することも可能である。しかし、主観的評価の事後評価や、不自然なサブタスクをこなさず、通常の運転操作だけからメンタルワークロード量を推定できればもっとも妥当性が高いと考えれる。これが運転パフォーマンスによるワークロード計測法である。

 基本的には、ドライバが行うステアリング操作量、アクセル・ブレーキペダル操作量、視線等が利用可能である。具体的な手法として定着しているものは、ステアリング操作量を解析するステアリングエントロピー法SE(Steering Entropy)がある。

 SE法では、ドライバによるステアリング操作量だけを計測するため、非侵襲、非接触手法であり、ドライバは計測を意識せず自然な状態で計測できるという利点がある。また、走行中に連続して計測できるため、ワークロードの変化を捉えやすい。これらはSE法の他、走行車線に対する横位置を用いるものがあるものの、車載カメラが前提となり、追加装置が不要なSE法が優れており感度も高いといわれている。ステアリング操作量に着目した手法はSE法だけでなく、操舵入力の周波数や操舵の切り返し頻度を解析するものもある。これらの中でSE法は使用頻度が圧倒的に高い。

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2020年3月11日 (水)

DS(41)

 前後方向に対して、もう一つの重要な運転パフォーマンスが左右方向運転パフォーマンスである。左右方向の運転パフォーマンスも、SAEで次のように定められている。何らかの操舵が必要な刺激提示時点から、操作開始時間点までをステアリング反応時間(Steering Reaction Time)、操作開始時点から操作終了時点までをステアリング動作時間(Steering Movement Time)、反応時間と動作時間を合わせたものをステアリング応答時間(Steering Response Time)とよぶ。これら指標は、車線逸脱警報や車線維持支援システムの評価に使用する。

 短い時間の中で、ステアリングをある方向から反対方向へ、ある切替角度以上の操舵することを修正舵という。ある切替角度は3度、5度、6度が提案されている。この角度が小さすぎるとステアリング振動のノイズが含まれ、大きすぎるとドライバによる微修正を反映できない。そのため、修正舵を算出するときは、閾値を明記する必要がある。ディストラクションの度合いが高くなると、修正舵の回数は減少するものの、大きな修正舵が当てられるという特徴がある。

 ステアリング操舵の滑らかさを評価する方法としては、次節で紹介するステアリングエントロピー法がある。ステアリング操作に集中していれば予測誤差は0となり、副次タスクを行っていると予測誤差分布が広がる。左右方向で前後方向にない特徴が、道路に対する相対位置指標である。すなわち、車線内のどこを走行しているかが、左右方向の運転パフォーマンス指標になるのである。

 ただし、道路の基準として、車線間の中心位置、通過した前車両の走行軌跡の平均値、車線端という3つの場合が用いられる。また、車両の基準として、前方車軸の左右中心点、タイヤの端、車両の重心の3つが用いられる。

 左右方向の運転パフォーマンスとして最もよく使われるのが、車両横位置偏差SDLP(Standard Deviation of Lane Position)である。ある区間の車線横位置データの標準偏差より算出し、該当区間での車両横方向のふらつきを表す。通常走行では、0.2~0.3mのSDLP値となり、年齢、道路環境、車速によって変化する。もう一つの指標として、TLC(Time to Line Crossing)もよく用いられる。これは左右方向のTTCともいえる。すなわち、このまま何もしなければ、後何秒で道路端に到達するかという時間を表す指標である。横距離を速度と加速度で除算するという、近似的な算出方法も提案されている。TLCが0.5秒以内では近似法が使うことができ、0.5秒を超えると不適切な値になるといわれている。TLCが小さいほど、横位置の制御成績は低いといえる。しかし、大きすぎても問題なため、大きすぎる値は除く必要がある。

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2020年3月10日 (火)

DS(40)

 ドライバ状態を生理計測を使わず,ドライバの運転パフォーマンスから推定することも可能である.しかし,運転パフォーマンスの評価はさまざまな指標があるものの,確立されてはいない.しかし,運転パフォーマンス指標は,SAEでも次のように定められている.前後方向の自車状態を表す指標の基本は,自車速度(車速)である.車速を時間で一階微分したものが加速度,加速度をもう一階微分したものが躍度(ジャーク)である.

 加減速、停止の反応時間では、ドライバの足とペダルの関係を明確にすることが重要である。フロアに足を置いている状態から反応したのか、ペダルに足を置いているのか、ペダルを少し踏んだところかで反応時間が異なるからである。よって、反応時間の測定結果を示すときは、開始時点と終了時点を正確に記載しなければならない。また、自車と先行車との空間的余裕を示す車間距離と車間時間では、THW(Time Headway:車間距離÷自車速度)とTTC(Time to Collision:車間距離÷相対速度)が代表的である。THWは速度変動が少ない状況で、ドライバの追突リスク感覚を表しているといわれている。TTCについては、ドライバはTTCの逆数に基づいてブレーキ開始を判断するといわれている。THWとTTCの関係が検討されており、TTCの時間微分値、TTCの二次予測値等も提案されている。前後方向の運転パフォーマンスは、未だ検討の余地があるのである。

 また,車間距離は重要な指標ではあるため、定義を明確にしておく必要がある。車間がどこを指しているかは、さまざまなバリエーションがあるからである。交通工学では、先行車の前端から後続車の前端を車間距離としている。これは、定点観測で車両の前端を基準とするためであり、車頭感覚ともいう。

 センシングの観点からは、車間距離とは先行車の後端から後続車の前端の距離を意味する。そのため、交通工学での車間距離より、車両の長さ分だけ短くなる。SAEでは、交通工学の車間距離を Headway センシングの車間距離を Gap と定義している。ドライビングシミュレータでは、車両ダイナミクスが車両の重心を基準にしているため、車間距離を指定すると先行車の重心と後続車の重心の重心間距離になることが多い。しかし、車両ボデーの中心間距離を用いるものや、車両回転中心間の距離を用いるものもあり統一できていない。

 LiDARで先行車を計測したとき、車間距離としてどの値を示せばよいだろうか。1車種について決めた方法が、多様な形状を示す全車種に適用できるとは限らない。

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2020年3月 9日 (月)

DS(39)

 次に用いられる自律神経系の指標は血圧である.血圧自体が自律神経が制御する目的変数なのである.したがって、血圧がわかれば自律神経の状態は判明する.ところが,運転中に無理なく正確な血圧計測の実現困難なところに難がある.

 運転中でも無理なく計測できるものとしては脈波である.脈波は指先や耳たぶから計測可能であり,心拍数とみなすことができる.しかし,心臓から血管を通して得られる鼓動なため,心拍から丸まっているため精度が悪くなっている.特に心拍変動の計算に影響する.また,指先では脈波振幅PLA(Pulse Amplitude)は弱まり,逆に耳たぶでは強まることもある.これは定常反射が起きたとき,指先では血管が収縮し頭部では血管が拡張するためである.これは脳により多くの血流を送り,新しい情報を理解しようという身体の仕組みとされている.

 また,ヴィジランスと心拍変動が関連することも先行研究で明らかにされている.ヴィジランスの遅延に伴って,心拍変動の一部成分(0.02~0.08Hz)が増大するのである.

 その精度は,単位時間当たりの閉眼時間の割合PERCLOS(Percent time that the eyes are more than 80 percent closed)には劣るものの,主観指標や脳波よりも良い場合もある.しかし,これは睡眠不足の場合の事象であり,通常睡眠状態のヴィジランス低下の予測精度は低い.

 ヴィジランスと心拍の関係は,RRIの低周波成分と高周波成分よりもRRIの標準偏差と相関が高いことも報告されている.これによれば,RRIの標準偏差は1分後のヴィジランスの成績を予測でき,かつ個人差に影響されにくいとされている.RRIの周波数解析では一定時間の観測期間が必要になる.ところが,標準偏差であれば数泊のデータからも解析が可能となり,時間分解法が優れているといえる

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2020年3月 8日 (日)

DS(38)

 ドライバ状態を客観的に捉えるための生体計測として,脳活動の状態の次に計測機器がないとわかりにくいものが自律神経系である.自律神経系を指標とした場合,驚き・ヒヤリハット,緊張・興奮,注意集中、倦怠等がわかる.

 自律神経系の指標として使われるものは,心拍や呼吸数である.特に,心拍は各種心拍計で計測可能なため,実用性が高い.医療用の心電図には各種心拍波形にPQRSTというように名称が付いており,心拍解析には一番大きい鼓動を現すR波を用いる.

 R波の最大値の間隔をRRI(R R Interval)と呼ぶ。脈の間隔はほぼRRIと見なせしてよいものの、厳密にはRRIとは異なる。RRIがわかれば一分あたりの心拍数HR(Heart Rate)がわかり、心拍数の変化で自律神経の働きを推定可能となる。一般的にHR上昇は身体や精神負担の指標、HR低下はリラックス度や覚醒低下の指標となる。また、外界に意識を集中するとHRは低下し、内面に意識を集中するとHRは上昇する。防御反射DR(Defective Reflex)でHRは上昇し、新規刺激に対して起こる定位反射OR(Orienting Reflex)ではHRは低下する。トライバ状態に関連させると、緊張場面ではHRが上昇し、疲れるとHRは低下する。

 更に,RRIの変動を心拍変動HRV(Heat Rate Variability)と呼び,RRI変動の周波数成分で解析することができる.高周波成分HFは副交感神経に関連し,低周波成分LFは交感神経に関連することがわかっている.

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2020年3月 7日 (土)

DS(37)

 DSでのドライバ状態の計測にNIRSを使った研究例として,運転支援システムの効果を評価したものがある.対象となった運転支援システムは,ACC(Adaptive Cruise Control)である.

 ACCは前方走行車に自動的に追従する運転支援システムのため,ドライバは追従して走行するという運転の負担から解放されることになる.この研究例は,この負担軽減が実際にあるかないかをNIRSで観察したものである.

 この研究で,DSでの実験課題は前方走行車の追従である.実験条件としては,次のACC有無の条件での走行である.ACCを利用するとき,ドライバは前方走行車を追従するための加減速操作は行わず,ステアリング操作だけを行う.このときのACCの車間時間は1.2sだった.ACCを利用せずドライバ自ら操作する条件では,ACC利用時と同程度の車間距離を維持して走行し,どちらの条件も1試行210秒とした.この2条件を2回ずつ交互に行った.使用したNIRSは,島津製作所製近赤外光イメージング装置 OMM3000で,全42チャンネルを0.205sでサンプリングした.その結果,ACCなしの条件では,運転課題の後半にoxyHbが増加した.共通の脳活動として,運転課題中に前頭葉の両背側部が活性化するものの,ACC有りの条件では,運転中のoxyHbの増加は見られず,ACC無し条件よりも前頭葉の活性化は小さいことがわかった.この結果から,ACCによってドライバの運転負担が軽減したといえる.

 この他にも,DS運転時の注意散漫度や覚醒度の変化を計測したものがある.当研究室でもNIRSを使用して,自動運転中にドライバの覚醒度が低下することを確認している

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2020年3月 6日 (金)

DS(36)

 DSを運転しているドライバの状態は,ドライバの神経系、感覚器系、運動器系、循環系、消化器系、呼吸器系、内分泌系、免疫系に影響を与える.そのためこれらの生理状態を観測すれば,客観的で定量的なドライバ状態の把握が可能となる.

 これら生体計測の中で,ドライバの神経系たる脳活動の観測が重要といえる.1980年頃から,神経機能画像技術の発展により,リアルタイムに脳の活動を観察することが可能になり,PET(positron emission computed tomography), SPECT(single photon emission computed tomography), fMRI(functional magnetic resonance imaging)等の手法が開発されてきた.ところが,これらの手法に必要な機器は非常に高価であり,かつ測定や信号解析の複雑でDSでの利用は困難だった.このような状況の中で,脳の相対的血流変化を脳部位と対応させて測定できる多チャンネル近赤外線スペクトロスコピーNIRS(near-infrared spectroscopy)を,日本の医療機器メーカーが開発した.

 NIRSの原理は古くから知られており,以下のようになる.近赤外光(650~1000nm)は生体組織を透過し,血中のヘモグロビン(Hb)には吸収される.ある波長の光が物質を通り抜けるとき,吸光度はその試料中に存在する物質の濃度と光路長に比例する.酸素と結合した酸素化Hb(oxyHb)と酸素を解離した脱酸素化Hb(deoxyHb)は光吸収スペクトルが違うため,2波長以上の近赤外光の吸光度を測定すれとHb濃度変化から酸素化の状況を知ることができる.頭皮上に近赤外光の照射プローブと吸収プローブを約3cmの間隔を空けて配置すると,照射プローブから出て円弧上に進んだ光を吸収プローブで検知することになり,その光路上にあるHb量が算出できる.すなわち,NIRSは頭皮下2~3cmに存在する大脳皮質の毛細血管におけるHbの酸素化の状況を観察することを可能化したのである.

 複数の照射プローブと吸収プローブを格子状に配置して頭皮上におけば,各プローブ間を進む光がそれぞれの部位の情報を同時に提供することになり,広い範囲での大脳皮質における酸素化の情報が得られることになる.あらかじめ複数のプローブを配置したキャップを装着すれば,比較的自由な姿勢で測定が可能であり,これが多チャンネルNIRSとなる.最大 120 チャンネルの計測が可能な装置も開発されている.

 NIRSは脳の活動を直接観察しているのではなく,脳血流の状況を観測している.脳が活動するとき,酸素消費に応答して局所的に脳血流が急激に上昇することが知られている.この現象は,神経細胞の活動に必要な量以上に大量の酸素が活動部位に送り込まれる luxury perfusion とよばれている.脳神経細胞の活動開始直後には,急激な oxyHbの上昇とdeoxyHbの減少が毛細血管で観察することができる.

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2020年3月 5日 (木)

DS(35)

 反応時間は基本的にばらつくことにも注意が必要である.単純な反応タスクで同一人物同一条件でも,繰り返して一定になることはない.反応時間は一定ではないので,統計分析の必要がある.しかし,反応時間は0にはならないので,その分布は値が大きい方にすそ野が広がる形となる.すなわち,正規分布を仮定した統計的検定がそのまま適用できないことが多い.反応時間の理論分布はex-ガウス分布や逆ガウス分布である.

 ex-ガウス分布とは,正規分布と指数分布を合成したものである.これは,反応時間特性を考えて,0から徐々に立ち上がり値が大きい方に伸びる形状を模擬したものである.また,逆ガウス分布とは,モーメント母関数がガウス分布のモーメント母関数の逆関数になっている分布である.これは,ランダムウォーク過程の所要時間の分布であり,反応時間は脳内の処理プロセスがランダムウォーク過程と考えられるのでそれを適用したものである.

 反応時間データは右に伸びた非対称分布となるため,個人データについては正規分布を仮定したt検定をそのまま適用できない.そのため,データ解析は複数人の実験が前提となる.

 反応時間の統計処理は,次のように考えると正規分布の過程が適用可能となる.まず,一人の被験者のM回のデータを平均してその被験者の代表値とする.この操作をN人の総参加者について行い,N個の平均値を取得する.こうすると,この平均値については正規分布過程を適用できることになる.なぜならば,中心極限定理によれば,元の分布がどのようなものでも,そこからの平均値は正規分布に従うとあるからである.これによって,N人の平均値に対し,条件を変更したときの有意差ありなしはt検定が適用できるようになるのである.正規分布の仮定をより強くしたければ,M回の値を多くする.一般的には,最低でも3回,できれば10回を目標とする.ただし,実験内容により繰り返し試行が難しい場合もある.そのため,予備実験で分布形状を事前に確認することが重要である.

 反応がエラーかどうかの判定は,選択反応タスクにおいては明らかに間違い選択としてわかる.見越し反応や反応遅れについては,反応時間の分布から決定する.反応時間が極端に短い場合は見越しエラー,長い場合は反応遅れエラーとしてもよい.ただし,エラー判定に主観が入るため,統計的処理を用いて客観性を持たせる.よく使われる方法としては,平均値±2×標準偏差または平均値±2.5×標準偏差の外側データをエラーとみなす方法である.データ数が多い場合は平均値±3×標準偏差としても良い.また,回帰的方法として,最大値と最小値が平均値±2×標準偏差のデータ範囲に入っているかどうかをチェックし,入っていなければ最大値と最小値を取り除いて再び平均値と標準偏差を計算して最大値と最小値が入っているかどうかを繰り返すものがある.最大値と最小値が平均値±2×標準偏差に入れば終了とする.

 回帰的方法は反応時間分布が左右非対称のため,右側に伸びるデータを取り続けるという欠点がある.これへの対策としては,最大値を取り除いてから平均値と標準偏差を計算し,その後最大値を戻して回帰的手法を適用するとよい.

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2020年3月 4日 (水)

DS(34)

 当研究室の簡易DSや標準DS,さらにリーズ大学にあるような本格DSを使ってドライバの挙動を解析するにあたって,重要な事項を解説しておく.まずは,ドライバの反応時間の計測について.

 DSのドライバ挙動の解析で,最も重要なものが反応時間である.刺激が提示されてから反応するまでの時間を反応時間と定義し,刺激をトリガー信号と呼ぶ.反応時間を調べるタスクとしては,単一刺激に対して単一反応をみる単純反応タスクと,刺激の内容に応じて複数の選択肢から選ぶ選択反応タスクがある.刺激数と選択肢の数が増えると反応時間は長くなり,Hickの法則では選択肢の数+1の対数に反応時間が比例するとされる.これが選択肢のエントロピー量となる.トリガー信号から反応までを試行(Trial)と呼び,試行間の時間を試行間隔時間ITI(Inter Trial Interval)と呼ぶ.ITIを一定にすると被験者が次の刺激を予測してしまうため,ランダムに変動させることが肝心である.

 刺激信号提示前に準備信号を出すと,反応時間が異なる.準備信号から刺激までを先行時間と呼び,先行時間が250msのとき反応時間が最も短くなり,それ以上でも以下でも反応時間は長くなってしまう.反応時間には被験者の準備状態が影響し,自分で準備状態が作ることができる状態にしていると反応時間が短くなる.また,この状態では反応時間も安定するので,必要に応じて準備状態を作る実験シナリオが必要になる.

 また,刺激内容,種類,刺激の強さ,ノイズの大きさによって,反応時間が異なる.感覚種類によっても反応時間は異なり,視覚,聴覚,触覚という代表的な感覚種類で比較すると,触覚,聴覚,視覚の順で早くなる.単純反応タスクでは,聴覚刺激の代表値が200ms,視覚刺激では200~250msとなる.刺激の強さでは強くなるほど反応時間は短くなり,ノイズを加えると長くなる.反応部位では,下肢より上肢の方が早く,上肢では腕で反応するより指で反応する方が早い.ボタンを押すのと離すのでは,離す反応の方が早い.ペダル操作の反応では,ペダルを踏むよりも離す方が反応が早い.反応時間は刺激と反応の適合性によっても異なる.例えば,右の刺激で右のボタンを押す方が反応時間が短く,右の刺激で左のボタンを押すと長くなる.選択反応の場合は,刺激の出現確率によって反応時間が異なる.出現頻度が高いと反応時間が短くなり,低いと長くなる.

 反応時間には順序効果があり,直前の試行に影響を受ける.例えば,選択肢が2つの場合,同じ刺激の方が反応時間が短くなり,逆の刺激で長くなる.ただし,刺激間の時間を長く取ると影響はなくなる.刺激間の時間が短い場合,繰り返し効果が発生し反応に対する促進効果が生まれる.したがって,順序効果をなくすような実験計画が必要となる.また,実験の経過時間によっても反応時間は変化する.実験開始直後は反応時間が短く,その後ほぼ一定になり,実験時間が長くなると反応時間は長くなる.しかし,実験最後には反応時間は短くなる.実験最後に反応時間が短くなる現象は,終端効果と呼ばれる.被験者が実験終了を知ると,タスクに全力を注ぐようになるからである.

 反応時間の計測は,ミリ秒単位で計測する.従って,刺激は1ms以内に提示できるものを使用する.視覚刺激ではPC画面を用いることが多く,PCでの表示特性を理解しておくこと.例えば60Hzのリフレッシュレートだと16msの遅れが生じるため,実験目的に適さないこともある.

 音による刺激では,単純音は特に問題ない.しかし,音声の場合は立ち上がりが緩やかなため,開始時間の定義が難しくなる.同様に,発話を反応とする場合は,反応時間の定義が難しい.指や足で反応する場合も,選択反応タスクでは各指や足と選択肢ボタンまでの距離を同じにする工夫が必要である.

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2020年3月 3日 (火)

DS(33)

 BlueTigerのスペックは,長×幅×高が1483.4×1206.5×939.0mmと非常にコンパクトなものである.重量も115kgと軽く,この軽さなら特に床面に補強材が必要でなく,一般の室内にも設置可能な場合もある.

 揺動装置としての搖動性能は,まず,ピッチとロールの回転角度が共に±20°である.そして,シート取付位置を回転軸から偏心させることにより生じるヒーブが±254mm,スウエィとサージが共に±203.2mmである.

 当研究室の簡易DSの使用目的は,自動運転中のドライバ状態の解析である.そのため,全く揺動装置のない簡易DSでは,ドライバが走行シーンを見続けないと走行感が得られない.しかし,完全自動運転中のドライバは,前方の走行シーンを見ない可能性があり,目を閉じてしまえば全く走行感が得られない.そのため,十分ではないものの,BlueTigerのような簡易揺動装置を導入したのである.BlueTigerで表現できない振動面の体感はヨーだけであり,直線路や緩やかなカーブの高速道路を走行する自動運転ではヨーの発生量が極めて小さいため,ヨーを省いても非現実的にはならないと判断したのである.

 この簡易DSで首都高を模擬したコースを製作し,完全自動運転でドライバの挙動を解析した.同様の走行状態を実際に首都高で実施したところ,簡易DSの結果と類似性の高い結果が出たため,使用目的を限定すれば簡易DSでも十分使えることがわかったのである.

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2020年3月 2日 (月)

DS(32)

 当研究室の簡易DSは,前述のDSの簡易化の傾向をそのまま実践したものである.すなわち,映像提供は横長21インチのPCディスプレイ3枚をそれぞれ前方用,斜め右用,斜め左用とし,コックピットは必要最低限のコントロール類とシートだけとし,揺動装置はアーケードゲーム用の2軸回転方式のものを採用した.

 この簡易DSの特徴は,揺動装置に2軸回転方式のモーションデバイスを使用したことである.この装置は,アメリカのモーション装置を専用に開発販売する Eleetus 社の商品名 BlueTiger である.

 自動車の振動(揺れ)は,基本的にXYZ直交座標系において,X軸回りの回転によるロール,Y軸回りの回転によるピッチ,Z軸回りの回転によるヨー,X軸方向の並進によるヒーヴ,Y軸方向の並進によるスウェイ,Z軸方向の並進によるサージの6種類の振動(または揺れ)で表現可能である.そのため,標準DSでは,最低限6自由度の搖動装置を使用するのである.6自由度が必要な振動に対し,2自由度の搖動装置で役に立つのだろうか.実はBlueTigerは回転中心を工夫することにより,2軸回転でありながら,5種類の振動を表現可能なのである.

 BlueTigerは揺動装置の回転軸上にシートを置くのではなく,回転軸からずれた位置にシートを置く設計となっている.これによりBlueTigerは,XY2軸回転のロールとピッチに加えて,ヒーヴ,スウェイ,サージを実現したのである.

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2020年3月 1日 (日)

DS(31)

 現在,運転支援システムや自動運転用の研究を行うためのDSのタイプは,簡易的なもの,標準的なもの,そして,本格的なものの3種類に大別できる.これらタイプの代表的なものを見てみよう.

 当研究室の2つのDSは,簡易的なものと標準的なものである.また,筆者がイギリス滞在時に見学した本格的なDSとして,リーズ大学の UoLDS があるので,ここで簡易DSから順に紹介することができる.

 一般的に,DSは高価なものであり,設置面積も必要なため,気軽に導入できる装置ではない.そこで,対象となる評価項目は限られるものの,簡易的なDSを導入して標準や本格DS導入の効果を図ることが多い.DSの構成を大別すると,映像提示システム,コックピットシステム,揺動システムの3つになる.簡易DSは,これらそれぞれの構成要素を簡易的なものにしている.

 標準DS以上の映像提示システムは,ドライバの視界に広く大きく走行シーンを提示するため,複数のプロジェクターでスクリーンに投影する.そのため,ある程度の設置スペースが必要となる.そこで簡易DSでは,走行シーンを表示するモニタを使用して,DSの設置スペースを大幅に縮小する.また,標準DS以上のコックピットは実際の車両のコックピットを利用するため,DS装置そのものが大きくなってしまう.そのため簡易DSでは,ステアリングホイールと必要なスイッチ類,シート,ペダルだけの最小構成とし,メータ類は走行シーンを提示する中に描いたり,簡易的なメータ類をステアリングホイール上部に設置するだけとする.こうすると,ほぼ通常の一人用の机と椅子の設置スペースとなり,大幅に設置スペースを小さくすることができる.そして,揺動システムがどのような構成にするかで,高さ方向も含めた設置スペースを決め,かつ導入費用が嵩む原因となる.DS導入のハードルになるのは,この揺動システムになることが多い.そこで簡易DSでは,揺動システムのないものにするか,簡易な揺動システムを利用する.

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