人感理論的航天飛行訓練技術范文

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《航天醫學與醫學工程雜志》2014年第三期

1前庭感知理論

之所以可以通過模擬器實現真實運動感覺的模擬，最基本的依據就是人的前庭系統對運動感知的選擇性與模糊性，也就是在一定范圍的運動幅值或者條件內，人無法區分出其差別。本節分析了前庭器官的動力學模型及其在模擬技術中的應用。

1．1前庭感知模型前庭系統位于人的內耳中，包括半規管(semicircularcanal)和耳石(otolithorgans)，分別用以感知角運動和線運動。半規管動力學建模時輸入為頭動角速度、輸出為感知角速度。耳石是前庭系統中用來感知三軸線運動的器官，它會對線加速度以及頭部傾斜運動做出響應。但是單獨的耳石并不能區分運動是來自線加速度還是傾斜，而需要其他感知信息的協助。耳石的動力學模型輸入信號為線加速度，輸出為感知到的線加速度。所以，前庭感知模型通常以加速度和角度為輸入，如圖1所示為Telban等［15］提出的縱向運動(縱向加速度ax(t)/俯仰角θ(t))前庭感知模型結構。耳石模型為二階線性系統，其輸入與輸出為比力(fx=αx－θ•g);半規管模型則由兩個一階系統組成，其輸入與輸出均為角度信號，所以需要對輸出量進行微分得到角速度量(θ•Λ)．另外，為了使耳石與半規管的感知誤差具有可比性，對模型做了歸一化處理，調整增益值Go與Gs使輸入分別為耳石與半規管感知閾值時的輸出值均為1，以方便洗出算法的計算。

1．2基于前庭感知理論的模擬技術如圖2所示為經典洗出算法對縱向運動的模擬實現過程，主要利用了前庭感知的三個特性:1)存在感知閾值。洗出算法的標志性特點就是在模擬完目標運動后要“偷偷”回到中立位置，這個動作是不能被人感知到的，實現的方法就是使其保持在感知閾值以下。除了回到中立的過程，圖2中的平臺傾斜也要保持在閾值以下。圖3所示為真實飛行與運動模擬輸出曲線對比，在完成目標加速度呈現(圖中的Accelerationrender-ingphase)后運動平臺作動器以人無法察覺的速度(圖中的Actuatorlimitapproachphase)回到中立，再進行下一個目的動作。2)頻段選擇。人體不同感知器官對各頻段運動信號的感知敏感度不同。高頻運動信號主要來自自身運動，由前庭器官感知，它們的主頻段為0．1～10Hz間，這也是人體頭部正常的運動頻范圍，低于0．1Hz的運動感知則主要依賴于視覺信息［16］。根據這個特性，經典洗出算法在角速度通道與加速度通道設置了高通濾波器，截止頻率與半規管及耳石模型的頻率特性相關。如圖3所示，運動平臺模擬的主要為變化幅值與頻率較大的運動觸發段。3)無法區分重力與低頻加速度。當耳石中接收到刺激信號時，如果沒有視覺等其它感知信息的輔助，中樞神經系統無法分辨該偏移是由低頻加速度還是頭部傾斜產生的重力分量引起的。這個特性是運動基模擬器實現低頻加速度模擬的關鍵依據———傾斜平臺利用重力分量來模擬低頻持續加速度。利用這個特性，經典洗出算法將加速度通過低頻濾波器，并通過平臺傾斜使其轉化為響應的角運動，實現低頻加速度的模擬。經典洗出算法理論上和實現上都很簡單，其主要缺點是由于使用了線性濾波器而不能充分利用模擬器平臺的運動能力，也沒有將人體前庭系統的非線性特性考慮進來。1982年，Sivan等［17］提出了最優洗出算法，首次將完整的人體前庭感知模型應用到了算法中(圖4)，從感知誤差與平臺位移最小出發計算最優的洗出濾波器，此后很多學者基于最優洗出算法進行了研究，主要集中在前庭模型的改進與算法理論的優化上。2000年，Telban［18］等對最優洗出算法做了進一步的發展，使用了更精確的前庭模型，同時在價值函數中加入了更多的狀態量來限制運動平臺的位移，具有更強的穩定性。2005年，Hwang等［19］對修改了真實飛行器通道的前庭模型，通過傾斜角來模擬持續角速度，加強了低頻加速度的模擬逼真度。當前洗出算法的主要方向仍是不斷提高前庭模型的精確度，以使算法能更好地適應人的感知特性。

2視覺感知理論

視覺信息對于運動模擬的主要作用是可以產生自運動(Visuallyinducedself-motion或者稱為Vection)。視覺引起的自運動是指當人面對模擬視景時會以自身為參照系，從而感到與視景運動方向相反的自運動。視覺感知模型的一個重要應用是結合前庭感知模型建立更完整的人體的感知模型，并應用于最優洗出算法，實現更符合人的感知特性的運動模擬。如圖5所示為結合前庭與視覺的轉動感知模型，線運動感知模型的結構與其相似。視覺模型是對視覺感知的動力學過程建模，主要是感知過程中的神經傳導延時;眼動響應過程則可以用一個一階低通濾波器表示。所以圖5中相關的視覺模型傳遞函數形式為。視覺感知理論的研究方向主要有兩個，一個是針對視覺器官的感知模型，主要應用于洗出算法中;另一個則是模擬器視景設備配置對自運動感知的影響。在固定基或者虛擬現實模擬器中，視覺引起的自運動是運動模擬的主要途徑。除了對視覺器官本身模型的應用外，很多學者還針對外部模擬環境、刺激參數等方面對自運動感知的影響做了大量研究。主要有以下幾個方面:1)在一定范圍內，更高的刺激速度獲得更強烈的自運動感知。這一點早期的學者便已證實［21-22］，如一個典型的結論是，當轉動視景速度在0～120°/s范圍內逐步增長時，人感知到的自運動速度也是等比例增長的。2)隨著視場(fieldofview，FOV)的增大，自運動感知強度也會增大。實驗表明即使視場很小(如7．5°［23］)時仍然可以獲得自運動感知，但更大的視場會獲得更強的自運動感知;全視場模擬時獲得自運動最逼真［21］。所以現在模擬器的視景系統傾向于更大的視場，在虛擬現實系統中使用超過180°的視景顯示屏。3)中心視景與外圍視景具有相等功效。如前所述，早期的研究中認為外圍視景比中心視景更重要;但后期的研究表明，當兩者的顯示區域相等時其對自運動感知的功效是相同［21，24］。Telban和Cardullo［15］認為無論是中心視景和外圍視景上式(3)中的延時τd均為90ms。4)自運動的最優頻率與刺激的離心率相關。研究發現外圍視景與中心視景具有不同的最優運動頻率，如Palmisano等［25］證明當外圍視景運動頻率較低而中心視景運動頻率較高時自運動感知最強。所以，在視景模擬時對外圍視景的靈敏度要求就降低了，這同時也降低了對高分辨率視景的要求。5)運動對比密度(densityofmovingcontrasts)有助于引發自運動。要感知視景中物體的運動，需要其與周圍物體的相對運動來誘發，而運動對比越多，自運動強度越大［26］。所以在航天視景模擬中通常利用飛船與云、星星或者地球等的相對運動來表現其運動狀態。

3感知沖突理論

感知沖突現象普遍存在的現象。當不同感知器官(主要為前庭與視覺)獲得的感知信息不一致，并且中樞神經系統無法調和時，就會發生感知沖突，如前庭感知到靜止而視覺提示為運動。如圖所示模型中就需要對感知沖突進行處理。當中樞神經無法消除感知信息的差異時，就會引發運動病(motionsickness)。由于前庭主要感知高頻且感知延時較短，在感知沖突的前期人會以前庭感知信息為準。Young等［16］認為當兩種信息同時刺激時，人會以一種非線性的方式對兩者進行“混合”處理。Za-charias提出了視覺－前庭沖突模型［28］，該模型基本思想是:對于輕度沖突，兩種信息會相互確認，感知到信息是對兩者進行權相加后的值;對于較嚴重的沖突，如果兩者不同相互確認，視覺信息的權重會逐漸降低、前庭信息權重增加直至沖突消失。Telban等［15］將其應用到了視覺－前庭感知模型中。感知沖突理論對運動基模擬器運動平臺與視景信息的一致性提出了要求。在模擬器中，如果視景信息與運動信息配置不當還會引發模擬器運動病(simulatormotionsickness)，導致模擬失真與訓練效果下降。為了提高模擬器逼真度、避免出現不必要的模擬器運動病，必須保證視覺模擬與運動模擬信息的協調配合。如對于視景顯示系統，由于不需注重高頻信號的響應速率，標準的60Hz刷新率就可以滿足需要;而為了與視景系統同步，運動系統信號的更新頻率也必須為60Hz。但在實際中，由于使用的洗出算法的效率問題，可能會使得運動系統的信號更新頻率無法滿足，通常需要對視景系統的刷新頻率進行調整。

4研究趨勢

針對未來的空間站任務與載人登月飛行任務，航天飛行訓練將面臨巨大的挑戰。航天飛行中的感知靈敏度、手眼協調性和空間方位感知的改變對任務的執行將造成重要的影響，如交會對接操作、機械臂操作、登月著陸段以及應急返回等。相應地，對影響這些任務的運動感知特性的深入理解將對地面有效訓練方法的實現起到關鍵作用。針對未來航天飛行訓練需求，重點的人感理論包括下面幾個方向。

4．1視覺－前庭感知一致性理論前庭與視覺是運動感知的主要器官，兩者感知信號的一致性對感知結果起到決定性作用。近幾年，荷蘭德爾福特科技大學、荷蘭應用科學研究機構下屬的防務與安全部門(TNODefense，Secu-rityandSafety)荷蘭Utrecht大學以及美國NASA蘭利研究中心近年來致力于飛行模擬中的感知一致性研究。該系列的研究主要在荷蘭Delft科技大學的SIMONA運動基模擬器和NASA蘭利研究中心的視覺模擬器和座艙運動設備(cockpitmo-tionfacility)中進行。他們提出了感知一致性區域(coherencezone)概念:當視覺提示與前庭提示并不是1∶1提供給人時，人感知到的運動仍然是一致的，在模擬中也可以獲得真實的飛行感受，并分別從頻率、幅值、相位、延時以及視場大小等方面研究其對感知一致性的影響［29-33］。圖6為VanderSteen［34］與ValentePais［30］等提出的幅值一致性區域對比，即當視覺刺激信號的幅值一定時，與之相適應的前庭刺激信號幅值變化的上限與下限。此方向的研究將有助于飛行模擬技術實現精確化與自適應配置。當前洗出算法參數確定主要通過人的主觀評價實現，利用這項研究可以優化洗出算法，將視覺信號作為給定量來確定滿足一致性要求的運動平臺輸入量。但這方面的研究現在還處于理論完善階段，還需要進一步開展相應的算法應用研究，如對于理論的適配性，針對不同運動特性進行實驗驗證并利用Cooper-Harper法進行評價，最終實現模擬算法最優配置。

4．2航天環境下的運動感知理論由于航天飛行會遠離地面進入太空或者其他天體表面，人的感知特性會發生變化，在地面模擬中需要盡可能地實現航天環境下的運動感知模擬。重力改變是航天飛行對人的感知最主要的影響。對微重力下的前庭感知變化的相關研究很早就開展了。Mittelstaedt結合NASA的太空實驗室和神經實驗室任務的成果，對微重力下的人體運動感知模型進行了研究與分析，提出了“內矢量”(idiotropicvector)的概念，認為在微重力下重力的缺失會使得人體在運動與定位中更依賴“內矢量”，并證明內矢量主要由人體的內臟器官決定;Clement等［36］在此基礎上，建立了包含視覺矢量、重力矢量與內矢量的感知模型，該模型反映出了人體在地面與太空中對持續加速度感知的區別。此外，對于微重力環境下人體運動感知理論還包括OTTR(otolithtilt-translationreinterpreta-tion)假設、“多感覺綜合”理論和“頻率隔離”理論等［37］。另外，Clark等［38-39］對載人登月過程中航天員的感知特性進行了分析，表明從太空進入到月球重力環境會使人產生感知錯覺，影響到登月時的手控操作能力，并提出了相應的訓練方法。航天環境是航天飛行訓練模擬與地面飛行器模擬的最大區別，雖然相關研究開展較早，但由于航天環境實驗條件有限且成本較大，該項理論仍在發展之中;在地面環境下呈現航天飛行特性將成為未來模擬技術的重點，而其大大依賴對應感知理論的發展。

4．3綜合感知理論飛行訓練模擬器技術的發展依賴于人體運動感知模型的不斷完善。人體完整的感知系統包括前庭，視覺，聽覺，體感和觸感器官等，這些系統的信息傳入中央神經中樞進行處理后獲得姿態，眼動，空間方位以或者感知沖突信號，如圖7所示。為了對人體感知特性進行更準確的理解，除了前庭與視覺之外，其他感知器官對運動感知的影響也越來越被重視;同時，多感知器官之間相關關系與協同性也是研究重點。Aleksander對聽覺引起的自運動進行了大量理論研究，認為其在姿態感知補償方面以及非常規重力環境下(如太空或者水下)對運動感知的準確性有重要影響。Moore等對航天飛行模擬中頭—眼協調性模擬的重要性以及訓練方法進行了研究;另外，Lackner等綜合分析了視覺、前庭、聽覺、體感以及觸覺對定位感知的不同貢獻。另外對于不同的運動環境其感知重點不同，比如體感在航天返回訓練段是重點，視覺為輔助;而在交會對接任務中，通過視覺觀察電視圖像是理解運動狀態的關鍵，體感則為輔助。感知理論的研究為飛行模擬技術的發展提供理論基礎與研究方向，將使模擬算法不斷提高與完善，從而加強飛行模擬的逼真度，最終實現航天員訓練效果的不斷增強。

作者：陳煒晁建剛單位：中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室