Sistema de Alerta Al Conductor Basad 2015 Revista Iberoamericana de Autom Ti

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  Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 12 (2015) 36–48© 2014 CEA. Publicado por Elsevier España, S.L.U. Todos los derechos reservadoshttp://dx.doi.org/10.1016/j.riai.2014.11.003   Sistema de Alerta al Conductor Basado en Realimentación Vibro-Táctil Emanuel Slawiñski * , Vicente Mut, Franco Penizzotto  Instituto de Automática (INAUT). Universidad Nacional de San Juan, Av. Libertador San Martín 1109 (oeste). J5400ARL. San Juan, Argentina   Resumen Este trabajo propone el diseño y desarrollo de un sistema de alerta al conductor basado en la realimentación de estimulos vibro-táctiles de fuerza con el objetivo de prevenir accidentes de tránsito. El sistema posee dos agarres vibro-tactiles, los cuales se pueden montar facilmente sobre cualquier tipo de vehículo, y un sistema electrónico basado en un sistema de localización y comunicación inalámbrica entre vehículos, que permite calcular en línea una señal de alerta vibro-táctil para avisar al conductor de una posible situación de peligro en los proximos segundos. Un modelo focalizado en factores humanos es propuesto y utilizado para justificar el uso adecuado de estímulos artificiales. Además se describen, el hardware, la comunicación entre vehículos y software embebido. Finalmente, el sistema es probado en un simulador 3D de carrera de código abierto y también utilizando dos vehículos comunes. Copyright   © 2015 CEA. Publicado por Elsevier España, S.L. Todos los derechos reservados.   Palabras Clave: seguridad, sensores e instrumentos virtuales, automoción, estímulos táctiles de fuerza, prevención de accidentes 1.   Introducción A pesar de los importantes avances tecnológicos, la cantidad de accidentes viales, incluyendo víctimas fatales es excesivamente alta. Actualmente hay pocos sistemas de bajo costo que puedan ser montados en cualquier tipo de vehículo  y que ayuden a prevenir posibles situaciones peligrosas en tiempo real. Las causas de accidentes incluyen manejo con exceso de velocidad, fatiga, distracciones cognitivas y visuales, fallas mecánicas, consumo de alcohol, y errores humanos, entre los más comunes. Según datos provistos por la Organización Mundial de la Salud, más de 1.2 millón de personas muere por año en accidentes de tránsito. Bajo esta preocupante realidad, Argentina en particular, posee una de las tasas más alta de accidentes. Los reportes oficiales de Argentina indican que 7596 personas, fallecieron en el año 2010 (21 por día). Otro dato muy importante es que más del 50% de los accidentes ocurrieron en cruces. En los últimos años, posiblemente una de las soluciones con mayor  potencial de éxito, es el diseño de sistemas inteligentes dispuestos a bordo del vehículo, que cambian automáticamente el movimiento del vehículo y/o alertan al conductor (Miller, 2009 and Rendon-Velez et. al., 2009). En el último tipo de sistemas, la información táctil posee un alto atractivo para realimentar información al conductor ya que no altera el canal visual ni auditivo del mismo. Además, el sentido táctil tiene un amplio ancho de banda, produce una rápida reacción y puede ser enlazado fácilmente con otro tipo de información en interfaces del tipo multimodal (Spence and C. Ho, 2008). Existen diversos sistemas de asistencia al conductor que intentan disminuir la cantidad y gravedad de los accidentes de tránsito, como por ejemplo las propuestas basadas en la detección de los movimientos de ojos y cabeza (Varma, 2012), detección de somnolencia (Flores et. All, 2011) captura de la atención del conductor a partir de una realimentación sonora (Ho y Spence, 2005), sistemas basados en una comunicación entre vehículos (Wellens, 2007) tales como el sistema Sync de la empresa Ford, y últimamente una cantidad relevante de estudios acerca de la estimulación táctil que muestran que el tacto puede ser usado efectivamente para percibir alertas direccionales. Así, la investigación en este tópico incorporando señales de alerta vibro-táctil en vehículos (Ho, 2006), (Sato, 1998), (Beruscha et. all, 2011) tanto como el número de sistemas comerciales disponibles generalmente en algunos modelos de alta gama, remarcan esta tendencia. Solo como ejemplo se puede citar el sistema de aviso de la empresa Citroen, donde sensores infrarrojos detectan si el vehículo se cruza de carril y avisa esta situación al conductor por medio de una vibración transmitida a través del asiento, y el sistema de la automotriz BMW, donde el cruce de carril es detectado por una cámara de video y la señal de alerta computada es realimentada al conductor a través de la vibración del volante. Recientemente, hay trabajos que buscan generar vibraciones direccionales sobre el volante de un vehículo independientemente de la posición de las manos del conductor sobre el volante (Hwang and Ryu, 2010), pero la mayoría de los sistema vibro-táctiles montados sobre el volante vibran el volante en sí mismo. En general, todas las propuestas para sistemas de alerta de colisión basadas en señales de fuerza consideran las recomendaciones dadas en (Chun et. all, 2011), (NHTSA). * Autor en correspondencia. Correo electrónico : slawinski@inaut.unsj.edu.ar URL: www.inaut.unsj.edu.ar   ScienceDirect      Emanuel Slawiñski et al. / Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 12 (2015) 36–48  37 Bajo este contexto, resultan fundamentales la forma de generar las señales de alerta y el modo de realimentación al conductor que sean útiles en la práctica para prevenir situaciones peligrosas pero también obtener sistemas de fácil uso y que perturben lo menos  posible al conductor para evitar un posible rechazo al uso del sistema. Es decir, la consideración de los factores humanos en el diseño de un sistema de asistencia al conductor resulta de vital importancia para lograr un sistema de buen desempeño en la  práctica. Este trabajo propone un sistema de alerta al conductor de bajo costo con el objetivo de prevenir situaciones de peligro. El diseño del sistema utiliza estímulos táctiles del tipo no-reactivo y estímulos táctiles cuasi-reactivos, de manera de causar una rápida  percepción y una intuitiva selección de atención visual direccional del conductor. El sistema propone el uso de dos dispositivos flexibles tipo-  grips  con capacidad vibro-táctil que se pueden colocar en cualquier parte del volante y en oposición a la realimentación basada en par aplicado al volante, éste no girará sin la intervención manual del conductor. Asimismo, el sistema considera el conocimiento existente sobre: captura rápida de atención visual ante estímulos táctiles (Ho et. all, 2005), (Ho, 2008), rápidas reacciones ante estímulos táctiles (Ng and Chan, 2012), (Chun et. all, 2010), y factores humanos en sistemas dinámicos (Muhrer et. all, 2012), (Koustanaï et. all, 2012), (Parasuraman et. all, 1997), (Lee et. all, 2000), de forma de alcanzar una adecuada relación de compromiso entre desempeño-utilidad (mejorar la reacción ante situaciones críticas en tiempo, cuando no son percibidas por estímulos naturales) y bienestar del conductor (uso simple e intuitivo). Respecto a la señal de alerta, la localización del vehículo y de los vehículos cercanos al mismo son utilizados a través de una comunicación entre-vehículos para discernir entre diferentes tipos de situaciones tales como vehículos que van en direcciones opuestas, seguimiento de otro  por detrás, adelantamiento, y cruce en intersecciones de caminos. A su vez, un nivel de riesgo se computa dependiendo del tiempo estimado hasta posible contacto. Posteriormente, la dirección relativa y nivel de riesgo del peor caso se cuantifica y luego es alertado al conductor a través de diferentes estímulos táctiles sobre sus manos, que son transmitidos mediante el par de dispositivos flexibles montados sobre el volante del vehículo. Cada combinación de tipo de situación y nivel de riesgo es asociado a una señal vibro-táctil de fácil y rápido reconocimiento e interpretación. Por otra parte, el  hardware y el  software del sistema desarrollado son descritos en este trabajo. Finalmente, el dispositivo propuesto es evaluado a través de experimentos en un simulador 3D de código abierto de autos de carrera y también usando dos vehículos reales. El manuscrito está organizado de la siguiente manera: la Sección 2 presenta el sistema de alerta propuesto incluyendo el modelo de la situación bajo estudio, el dispositivo desarrollado describiendo sus partes, componentes y comportamiento general tanto como el computo de la métrica de alerta utilizado para realimentar información al conductor. La Sección 3 describe la implementación del sistema, incluyendo el software y hardware. Posteriormente, la Sección 4 muestra los resultados experimentales obtenidos. Finalmente, las Secciones 5 y 6  presentan una discusión del tema y las conclusiones de este trabajo, respectivamente. 2.   Sistema de alerta propuesto El sistema de alerta vibro-táctil diseñado y desarrollado se denomina sistema VVI (volante vibro-táctil). El mismo fue ideado para prevenir principalmente los accidentes de tránsito que ocurren en intersecciones de calles o caminos debido a cruces entre vehículos. Actualmente, este caso representa el 53% de los accidentes en Argentina, de acuerdo a los últimos reportes de la Agencia Nacional de Seguridad Vial (http://www.seguridadvial.gov.ar). En estas situaciones, la causa más común de accidentes, involucra a uno o los dos vehículos acercándose al cruce a una elevada velocidad y posiblemente  podría incluir también: (a) al menos un conductor distraído (b) línea de vista entre vehículos obstruida por algún objeto, c) errores humanos tales como violación de normas de tránsito, debido a una sobre-confianza de la situación. La estadística en choques en cruces, refleja que la mayoría de los accidentes no se debió a situaciones climáticas desfavorables, tales como la  presencia de niebla o lluvia. Tampoco es importante la cantidad de accidentes debido a fallas mecánicas, tales como rotura de cubiertas o problemas de frenos. Es decir, la mayoría de las veces los accidentes en cruces ocurren por fallas humanas incluyendo muchas veces imprudencia en la forma de manejo. Por lo tanto, la inclusión de factores humanos es de gran relevancia para el diseño de sistemas de alerta y/o control de sistemas hombre-máquina lo cual se manifiesta en la gran cantidad de investigaciones en éste área donde uno de los principales inconvenientes es la modelación de dichos factores. 2.1.    Factores humanos En muchos sistemas, el hombre debe trasladar la información que percibe acerca del entorno hacia una acción, la cual a veces requiere una respuesta inmediata ante un evento percibido. Desde el punto de vista del conductor, un obstáculo podría estar a su izquierda, a su derecha, por detrás, o adelante de él, lo cual requerirá una inmediata atención visual y acción de respuesta, como por ejemplo frenar rápidamente. En estos sistemas de tiempo crítico es valioso tener en cuenta los factores que influyen en el tiempo de reacción (RT reaction time ) o en general en el tiempo de respuesta en la acción (Sternberg, 1969 y 1975), que el conductor toma ante un evento o situación de potencial peligro. El RT de una simple tarea de selección de una acción es influenciado  por algunas variables importantes tales como la  Modalidad e  Intensidad del estímulo, y la  Incertidumbre temporal   entre una secuencia de estímulos Además, los conceptos provenientes de la teoría de la información aplicada a factores humanos, tales como la Compatibilidad Estimulo-Respuesta,  se deberían considerar en el diseño del sistema. La modalidad se refiere a la velocidad del  procesamiento de los canales sensoriales del ser humano, por ejemplo la respuesta ante un estímulo sonoro es más rápida que frente a un estímulo visual. Por otra parte, generalmente el RT disminuye asintóticamente a medida que la intensidad del estímulo aumenta. Bajo este contexto, el grado de previsibilidad de cuándo ocurrirá el estímulo es llamado incertidumbre temporal, es decir una mayor incertidumbre aumentará el RT. Otro aspecto importante es el uso de señales de alerta de tipo imperativo, donde se instruye a la persona a responder de una única forma ante ellas, lo cual generalmente disminuye el RT. Además, si el estímulo es difícil de discernir o discriminar entonces el RT también aumentará. Finalmente, la compatibilidad  38  Emanuel Slawiñski et al. / Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 12 (2015) 36–48   espacial Estímulo-Respuesta se refiere a la tendencia intrínseca del ser humano a orientarse o dirigir su atención hacia la fuente de estimulación. Los conceptos recién mencionados pueden ser  profundizados en (Wickens, 2000). Estos factores se consideran en la siguiente sección en el diseño de las señales vibro-táctiles que serán realimentadas hacia el conductor y su relación con las señales de alerta. La adición de estímulos a los naturales ha sido adoptado por muchos trabajos científicos sobre todo cuando la señal natural no es percibida en todo momento o detectada pobremente en algunos instantes de tiempo por el hombre/mujer por alguna razón. Por ejemplo en (Carbonneau, 2012), se utiliza la integración de diminutos procesadores digitales dentro de los dispositivos de  protección auditiva para informar a los trabajadores acerca de situaciones peligrosas. En el contexto de este trabajo el estímulo visual inducido por potenciales situaciones de choque o accidente,  posee algunas limitaciones que impiden al conductor ser inmune a errores (por ejemplo no ver un vehículo que se acerca a alta velocidad debido a que hay un objeto obstaculizando la línea de vista), y las cuales podrían ser mitigadas por estímulos artificiales a través del uso de señales vibro-táctiles. 2.2. Modelo del sistema En este trabajo, se propone un modelo simplificado con el conductor en el lazo ( driver-in-the-loop speed dynamics model  ) focalizado en factores humanos para representar conceptualmente nuestro tema de estudio dentro de un sistema conductor-vehículo-entorno incluyendo un sistema de alerta basado en la generación de estímulos artificiales. Es decir, el planteo contempla el control de velocidad y reacciones ante fuentes de peligro y no el control de dirección. El modelo propuesto es visualizado en la figura 1, donde el conductor es representado por un controlador  PD G , su sistema neuro-muscular  NM  G , las funciones V   H  y T   H   que  producen señales percibidas frente a estímulos visuales y táctiles, respectivamente y una fusión de señales S   H  , la cual integra las señales de percepción visual y táctil para producir un cambio de la referencia actual de velocidad. El sistema de alerta  A  H   representa la generación de estímulos vibro-táctiles artificiales a  partir de la detección mediante un sistema de medición y cómputo del nivel y localización de una fuente de riesgo que surge a partir de la interacción de un vehículo con su entorno que incluye objetos estáticos y dinámicos. A continuación, describiremos las ecuaciones del modelo  propuesto. El error de velocidad v ~ interno del conductor se define como:         t vt vt vt v   0 ~  (1) donde 0 v  representa la referencia actual de velocidad establecida  por el conductor considerando los obstáculos estáticos de su entorno, v es la velocidad actual del vehículo y v  representa una disminución de velocidad ocasionada por la reacción del conductor ante objetos dinámicos tales como otros vehículos. Dicho error es utilizado para controlar el sistema de aceleración y freno del vehículo de la siguiente manera:       t vdt d k t vk t uG d  ph PD ~~:    (2) donde  p k  y d  k   son constantes de un controlador interno PD de velocidad y h u  representa una señal interna de control que el conductor aplica al vehículo a través de su sistema neuro-muscular  NM  G representado por:         t ut t  dt d t dt d G hnhnhnh NM  2222 2:            (3) donde n    es la frecuencia natural del sistema neuromuscular,    es el coeficiente de fricción viscosa del sistema neuromuscular y h   representa la fuerza del conductor aplicada a los pedales acelerador y freno. Las ecuaciones (1), (2) y (3) están basadas en (Ravani et. all., 2011) pero aplicadas en este caso al control de velocidad y no al control de dirección. El bloque VEH  G  representa el vehículo el cual es modelado generalmente por un sistema dinámico no lineal (Hans. B. Pacejka, 2006). El  estado del vehículo dado por su velocidad v  y su localización x , interactúa con el entorno  ENT  G  produciéndose un determinado nivel de riesgo o peligro actual   t  p  que en nuestro caso, representa la  probabilidad de colisión del vehículo, donde   1,0   p . Este trabajo se focaliza sobre la percepción del conductor ante una situación de riesgo (probabilidad de colisión). Por ello, se analiza a continuación la relación entre  p  y el riesgo percibido  por el humano h  p (ver Figura 1). Primero, el riesgo real genera una fuente externa (al conductor) de estimulación visual v e establecido como:       t  pt k t e H  ev E    :  (4) donde 10   e k   es un parámetro variante en el tiempo que disminuye la cantidad de información visual hacia el conductor,  para un nivel de peligro  p  dado. Por ejemplo la oclusión de un edificio en un cruce o el nivel de neblina pueden provocar que la fuente de estimulación se degrade estimulando así parcialmente al conductor a pesar que el peligro siga existiendo. Luego, el sistema vibro-táctil de alerta  A  H  también produce una fuente externa de estimulación t  e , dependiendo de  p , representada por:        t  pt k  f t e H  aqt  A   :  (5) donde 0  a k   es un parámetro variable, cuyo valor depende de la fidelidad del sistema de alerta para estimar el valor  p . A medida que el sistema estima mejor el riesgo   t  p ,   t k  a  tiende a uno. Finalmente, la función q  f   cuantifica la salida en N señales vibro-táctiles que en la práctica sean discernibles por el conductor. La cantidad máxima de niveles depende del sistema de Estímulo visual Estímulo táctil  Nivel de riesgo +- Conductor Alerta - v  v S   H  V   H  T   H   A  H   E   H   PD G  NM  G VEH  G v r  t  r  v e t  e  p v ~  ENT  G 0 v h   h u x  pv k  v  f  k  t   f  k  h  p Figura 1: Modelo del sistema focalizado en factores humanos.     Emanuel Slawiñski et al. / Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 12 (2015) 36–48  39 realimentación utilizado. Por otra parte, el conductor percibe los estímulos visuales y vibro-táctiles de la siguiente manera:         t t vv ht ht T  hvhvV  d t ek t r  H  d t et k t r  H   ::  (6)   donde v h d  y t  h d  son los retardos de tiempo respecto a un estímulo visual y a un estímulo vibro-táctil respectivamente, la ganancia vv hh k k    0 depende del nivel de atención visual del conductor hacia el estímulo visual y 0  t  h k  representa la ganancia del conductor ante un estímulo vibro-táctil. Los retardos de tiempo v h d  y t  h d  son diferentes y por lo tanto provocan una diferencia de fase que no es tratada en este trabajo. Sin embargo, la señal de  peligro   t  p  es una señal de baja frecuencia y en la práctica posee muchos intervalos nulos lo cual evita una desincronización de fase en estado estacionario. Además, es importante remarcar que la información contenida en un estímulo visual es mayor que la información incluida en un estímulo vibro-táctil, lo que conlleva a que la percepción visual de la probabilidad de colisión real  p,  sea más fiable que la  percepción táctil de  p . Esta característica es considerada en la  política de fusión realizada por el conductor (bloque S   H  de la figura 1). El conductor fusiona las señales v r   y t  r   para producir un cambio de velocidad v   aplicado sobre la velocidad de referencia actual 0 v , como sigue:             t r t k t r t k k  pk t v H  t  f v f  pvh pvS  t v  :  (7) donde  pv k   es una ganancia del conductor que relaciona una señal de error de velocidad causado por el riesgo percibido por el conductor  p h . Por otro lado, los coeficientes de fusión v  f  k   y t   f  k   se modelan asumiendo que el conductor prioriza la  percepción visual sobre la percepción táctil. Es decir, a medida que la respuesta ante estímulos visuales es mayor, entonces el conductor tenderá a inhibir u omitir la respuesta a estímulos vibro-táctiles (menos peso en una función de fusión). Así, la situación descripta se representa como:       t k t k t k  eh f  vv        t k t k  vt   f  f    1  (8) Finalmente, la ganancia a lazo abierto GH  k   considerando como entrada un nivel de riesgo o peligro  p  y como salida la componente de la respuesta del conductor h   ante dicha entrada (omitiendo la componente de respuesta debida a la referencia de velocidad 0 v ), se puede escribir como:               t vt v pv t  f v f  pvGH  k t k k t k k  k t k t k t k k k  t v  2  (9) A partir de (9), se remarca que si el sistema de alerta vibro-táctil no está presente, entonces la ganancia GH  k   de respuesta ante fuentes de peligro se degrada directamente con la falta de atención, oclusiones, etc. Sin embargo, cuando el sistema de alerta está activo dicha ganancia disminuye menos con la variación de v  f  k  y por lo tanto su valor se aproxima al caso que tiene una máxima ganancia de respuesta ante una fuente de  peligro de entrada. A continuación se simula el riesgo percibido por el conductor (  p h ) para una señal simulada de riesgo  p , considerando distintos  parámetros del conductor y variación de las condiciones del entorno en el tiempo. La figura 2 muestra el resultado obtenido de  p h  para k  hv =k  hv =i con  i=1, 0.66, 0.33  (marrón oscuro, intermedio y claro respectivamente) considerando las siguientes señales de p (celeste) y parámetros del modelo k  e (t)   (verde oscuro) y k  a (t) (rojo) :  p(t)  = 0.5 sin(2 (     /5) t -    /2) + 0.5; (10) k  e (t)  = 0.5 sin(2 (     /30) t +    /2) + 0.5 ; si 0<t<15 (11) = 0.5 sin(2 (     /30) t -    /2) + 0.5 ; si 15<t<30 ; k  a (t)  = 0 ; si 0<t<15  (12) = 1 ; si 15<t<30 Figura 2: Señales del modelo de percepción humana simulado con entrada  p  y salida  p h   (ver Figura 1). En la figura 2 también se muestran las señales internas e v (t) (verde claro)   y  e r  (t)  (rojo claro). La primera de ellas visualiza cómo se degrada el estímulo visual frente al empobrecimiento de la cantidad de información visual representado por la variación de  k  e  , y  e r  (t)  muestra el estímulo táctil artificial generado por q  f  (Ec. 5) con N=3 considerando k  a =0 (sistema de alerta desactivado) y k  a =1 (sistema de alerta activado, considerando un cálculo exacto de la probabilidad de colisión  p ). Puede notarse  para t<15 , que la percepción visual del riesgo se degrada a medida que la atención visual disminuye (decremento de k  hv ). Dicha percepción también decrece a medida que la información visual externa disminuye (decremento de k  e ), estimulando menos el canal visual humano. La tabla I expone cómo varia el valor del error cuadrático medio e  p  entre  p  y  p h  a medida que t  h k  y v h k  disminuyen en la misma proporción, considerando una evolución del riesgo, entorno, y sistema de alerta descriptos por (10), (11) y (12). Se  puede observar que el uso del sistema vibro-táctil de alerta, 1 a k    , causa menores errores. Tabla 1: Error cuadrático medio e  p entre  p  y  p h   vt  hh k k     1 0.8 0.6 0.4 0.2 a k  =0 0.4430 0.4868 0.5358 0.5767 0.6033 a k  =1 0.1148 0.1779 0.2701 0.3753 0.4897
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