本站小編為你精心準(zhǔn)備了人感理論的航天飛行訓(xùn)練技術(shù)參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程雜志》2014年第三期

1前庭感知理論

之所以可以通過(guò)模擬器實(shí)現(xiàn)真實(shí)運(yùn)動(dòng)感覺(jué)的模擬，最基本的依據(jù)就是人的前庭系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)感知的選擇性與模糊性，也就是在一定范圍的運(yùn)動(dòng)幅值或者條件內(nèi)，人無(wú)法區(qū)分出其差別。本節(jié)分析了前庭器官的動(dòng)力學(xué)模型及其在模擬技術(shù)中的應(yīng)用。

1．1前庭感知模型前庭系統(tǒng)位于人的內(nèi)耳中，包括半規(guī)管(semicircularcanal)和耳石(otolithorgans)，分別用以感知角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)。半規(guī)管動(dòng)力學(xué)建模時(shí)輸入為頭動(dòng)角速度、輸出為感知角速度。耳石是前庭系統(tǒng)中用來(lái)感知三軸線運(yùn)動(dòng)的器官，它會(huì)對(duì)線加速度以及頭部?jī)A斜運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng)。但是單獨(dú)的耳石并不能區(qū)分運(yùn)動(dòng)是來(lái)自線加速度還是傾斜，而需要其他感知信息的協(xié)助。耳石的動(dòng)力學(xué)模型輸入信號(hào)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(yùn)動(dòng)(縱向加速度ax(t)/俯仰角θ(t))前庭感知模型結(jié)構(gòu)。耳石模型為二階線性系統(tǒng)，其輸入與輸出為比力(fx=αx－θ•g);半規(guī)管模型則由兩個(gè)一階系統(tǒng)組成，其輸入與輸出均為角度信號(hào)，所以需要對(duì)輸出量進(jìn)行微分得到角速度量(θ•Λ)．另外，為了使耳石與半規(guī)管的感知誤差具有可比性，對(duì)模型做了歸一化處理，調(diào)整增益值Go與Gs使輸入分別為耳石與半規(guī)管感知閾值時(shí)的輸出值均為1，以方便洗出算法的計(jì)算。

1．2基于前庭感知理論的模擬技術(shù)如圖2所示為經(jīng)典洗出算法對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)的模擬實(shí)現(xiàn)過(guò)程，主要利用了前庭感知的三個(gè)特性:1)存在感知閾值。洗出算法的標(biāo)志性特點(diǎn)就是在模擬完目標(biāo)運(yùn)動(dòng)后要“偷偷”回到中立位置，這個(gè)動(dòng)作是不能被人感知到的，實(shí)現(xiàn)的方法就是使其保持在感知閾值以下。除了回到中立的過(guò)程，圖2中的平臺(tái)傾斜也要保持在閾值以下。圖3所示為真實(shí)飛行與運(yùn)動(dòng)模擬輸出曲線對(duì)比，在完成目標(biāo)加速度呈現(xiàn)(圖中的Accelerationrender-ingphase)后運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作動(dòng)器以人無(wú)法察覺(jué)的速度(圖中的Actuatorlimitapproachphase)回到中立，再進(jìn)行下一個(gè)目的動(dòng)作。2)頻段選擇。人體不同感知器官對(duì)各頻段運(yùn)動(dòng)信號(hào)的感知敏感度不同。高頻運(yùn)動(dòng)信號(hào)主要來(lái)自自身運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)頻范圍，低于0．1Hz的運(yùn)動(dòng)感知?jiǎng)t主要依賴于視覺(jué)信息［16］。根據(jù)這個(gè)特性，經(jīng)典洗出算法在角速度通道與加速度通道設(shè)置了高通濾波器，截止頻率與半規(guī)管及耳石模型的頻率特性相關(guān)。如圖3所示，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬的主要為變化幅值與頻率較大的運(yùn)動(dòng)觸發(fā)段。3)無(wú)法區(qū)分重力與低頻加速度。當(dāng)耳石中接收到刺激信號(hào)時(shí)，如果沒(méi)有視覺(jué)等其它感知信息的輔助，中樞神經(jīng)系統(tǒng)無(wú)法分辨該偏移是由低頻加速度還是頭部?jī)A斜產(chǎn)生的重力分量引起的。這個(gè)特性是運(yùn)動(dòng)基模擬器實(shí)現(xiàn)低頻加速度模擬的關(guān)鍵依據(jù)———傾斜平臺(tái)利用重力分量來(lái)模擬低頻持續(xù)加速度。利用這個(gè)特性，經(jīng)典洗出算法將加速度通過(guò)低頻濾波器，并通過(guò)平臺(tái)傾斜使其轉(zhuǎn)化為響應(yīng)的角運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低頻加速度的模擬。經(jīng)典洗出算法理論上和實(shí)現(xiàn)上都很簡(jiǎn)單，其主要缺點(diǎn)是由于使用了線性濾波器而不能充分利用模擬器平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)能力，也沒(méi)有將人體前庭系統(tǒng)的非線性特性考慮進(jìn)來(lái)。1982年，Sivan等［17］提出了最優(yōu)洗出算法，首次將完整的人體前庭感知模型應(yīng)用到了算法中(圖4)，從感知誤差與平臺(tái)位移最小出發(fā)計(jì)算最優(yōu)的洗出濾波器，此后很多學(xué)者基于最優(yōu)洗出算法進(jìn)行了研究，主要集中在前庭模型的改進(jìn)與算法理論的優(yōu)化上。2000年，Telban［18］等對(duì)最優(yōu)洗出算法做了進(jìn)一步的發(fā)展，使用了更精確的前庭模型，同時(shí)在價(jià)值函數(shù)中加入了更多的狀態(tài)量來(lái)限制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位移，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。2005年，Hwang等［19］對(duì)修改了真實(shí)飛行器通道的前庭模型，通過(guò)傾斜角來(lái)模擬持續(xù)角速度，加強(qiáng)了低頻加速度的模擬逼真度。當(dāng)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(yīng)人的感知特性。

2視覺(jué)感知理論

視覺(jué)信息對(duì)于運(yùn)動(dòng)模擬的主要作用是可以產(chǎn)生自運(yùn)動(dòng)(Visuallyinducedself-motion或者稱為Vection)。視覺(jué)引起的自運(yùn)動(dòng)是指當(dāng)人面對(duì)模擬視景時(shí)會(huì)以自身為參照系，從而感到與視景運(yùn)動(dòng)方向相反的自運(yùn)動(dòng)。視覺(jué)感知模型的一個(gè)重要應(yīng)用是結(jié)合前庭感知模型建立更完整的人體的感知模型，并應(yīng)用于最優(yōu)洗出算法，實(shí)現(xiàn)更符合人的感知特性的運(yùn)動(dòng)模擬。如圖5所示為結(jié)合前庭與視覺(jué)的轉(zhuǎn)動(dòng)感知模型，線運(yùn)動(dòng)感知模型的結(jié)構(gòu)與其相似。視覺(jué)模型是對(duì)視覺(jué)感知的動(dòng)力學(xué)過(guò)程建模，主要是感知過(guò)程中的神經(jīng)傳導(dǎo)延時(shí);眼動(dòng)響應(yīng)過(guò)程則可以用一個(gè)一階低通濾波器表示。所以圖5中相關(guān)的視覺(jué)模型傳遞函數(shù)形式為。視覺(jué)感知理論的研究方向主要有兩個(gè)，一個(gè)是針對(duì)視覺(jué)器官的感知模型，主要應(yīng)用于洗出算法中;另一個(gè)則是模擬器視景設(shè)備配置對(duì)自運(yùn)動(dòng)感知的影響。在固定基或者虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器中，視覺(jué)引起的自運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)模擬的主要途徑。除了對(duì)視覺(jué)器官本身模型的應(yīng)用外，很多學(xué)者還針對(duì)外部模擬環(huán)境、刺激參數(shù)等方面對(duì)自運(yùn)動(dòng)感知的影響做了大量研究。主要有以下幾個(gè)方面:1)在一定范圍內(nèi)，更高的刺激速度獲得更強(qiáng)烈的自運(yùn)動(dòng)感知。這一點(diǎn)早期的學(xué)者便已證實(shí)［21-22］，如一個(gè)典型的結(jié)論是，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)視景速度在0～120°/s范圍內(nèi)逐步增長(zhǎng)時(shí)，人感知到的自運(yùn)動(dòng)速度也是等比例增長(zhǎng)的。2)隨著視場(chǎng)(fieldofview，F(xiàn)OV)的增大，自運(yùn)動(dòng)感知強(qiáng)度也會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)表明即使視場(chǎng)很小(如7．5°［23］)時(shí)仍然可以獲得自運(yùn)動(dòng)感知，但更大的視場(chǎng)會(huì)獲得更強(qiáng)的自運(yùn)動(dòng)感知;全視場(chǎng)模擬時(shí)獲得自運(yùn)動(dòng)最逼真［21］。所以現(xiàn)在模擬器的視景系統(tǒng)傾向于更大的視場(chǎng)，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中使用超過(guò)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(rèn)為外圍視景比中心視景更重要;但后期的研究表明，當(dāng)兩者的顯示區(qū)域相等時(shí)其對(duì)自運(yùn)動(dòng)感知的功效是相同［21，24］。Telban和Cardullo［15］認(rèn)為無(wú)論是中心視景和外圍視景上式(3)中的延時(shí)τd均為90ms。4)自運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)頻率與刺激的離心率相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)外圍視景與中心視景具有不同的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)頻率，如Palmisano等［25］證明當(dāng)外圍視景運(yùn)動(dòng)頻率較低而中心視景運(yùn)動(dòng)頻率較高時(shí)自運(yùn)動(dòng)感知最強(qiáng)。所以，在視景模擬時(shí)對(duì)外圍視景的靈敏度要求就降低了，這同時(shí)也降低了對(duì)高分辨率視景的要求。5)運(yùn)動(dòng)對(duì)比密度(densityofmovingcontrasts)有助于引發(fā)自運(yùn)動(dòng)。要感知視景中物體的運(yùn)動(dòng)，需要其與周圍物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)誘發(fā)，而運(yùn)動(dòng)對(duì)比越多，自運(yùn)動(dòng)強(qiáng)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(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)表現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3感知沖突理論

感知沖突現(xiàn)象普遍存在的現(xiàn)象。當(dāng)不同感知器官(主要為前庭與視覺(jué))獲得的感知信息不一致，并且中樞神經(jīng)系統(tǒng)無(wú)法調(diào)和時(shí)，就會(huì)發(fā)生感知沖突，如前庭感知到靜止而視覺(jué)提示為運(yùn)動(dòng)。如圖所示模型中就需要對(duì)感知沖突進(jìn)行處理。當(dāng)中樞神經(jīng)無(wú)法消除感知信息的差異時(shí)，就會(huì)引發(fā)運(yùn)動(dòng)病(motionsickness)。由于前庭主要感知高頻且感知延時(shí)較短，在感知沖突的前期人會(huì)以前庭感知信息為準(zhǔn)。Young等［16］認(rèn)為當(dāng)兩種信息同時(shí)刺激時(shí)，人會(huì)以一種非線性的方式對(duì)兩者進(jìn)行“混合”處理。Za-charias提出了視覺(jué)－前庭沖突模型［28］，該模型基本思想是:對(duì)于輕度沖突，兩種信息會(huì)相互確認(rèn)，感知到信息是對(duì)兩者進(jìn)行權(quán)相加后的值;對(duì)于較嚴(yán)重的沖突，如果兩者不同相互確認(rèn)，視覺(jué)信息的權(quán)重會(huì)逐漸降低、前庭信息權(quán)重增加直至沖突消失。Telban等［15］將其應(yīng)用到了視覺(jué)－前庭感知模型中。感知沖突理論對(duì)運(yùn)動(dòng)基模擬器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)信息配置不當(dāng)還會(huì)引發(fā)模擬器運(yùn)動(dòng)病(simulatormotionsickness)，導(dǎo)致模擬失真與訓(xùn)練效果下降。為了提高模擬器逼真度、避免出現(xiàn)不必要的模擬器運(yùn)動(dòng)病，必須保證視覺(jué)模擬與運(yùn)動(dòng)模擬信息的協(xié)調(diào)配合。如對(duì)于視景顯示系統(tǒng)，由于不需注重高頻信號(hào)的響應(yīng)速率，標(biāo)準(zhǔn)的60Hz刷新率就可以滿足需要;而為了與視景系統(tǒng)同步，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)的更新頻率也必須為60Hz。但在實(shí)際中，由于使用的洗出算法的效率問(wèn)題，可能會(huì)使得運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)更新頻率無(wú)法滿足，通常需要對(duì)視景系統(tǒng)的刷新頻率進(jìn)行調(diào)整。

4研究趨勢(shì)

針對(duì)未來(lái)的空間站任務(wù)與載人登月飛行任務(wù)，航天飛行訓(xùn)練將面臨巨大的挑戰(zhàn)。航天飛行中的感知靈敏度、手眼協(xié)調(diào)性和空間方位感知的改變對(duì)任務(wù)的執(zhí)行將造成重要的影響，如交會(huì)對(duì)接操作、機(jī)械臂操作、登月著陸段以及應(yīng)急返回等。相應(yīng)地，對(duì)影響這些任務(wù)的運(yùn)動(dòng)感知特性的深入理解將對(duì)地面有效訓(xùn)練方法的實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。針對(duì)未來(lái)航天飛行訓(xùn)練需求，重點(diǎn)的人感理論包括下面幾個(gè)方向。

4．1視覺(jué)－前庭感知一致性理論前庭與視覺(jué)是運(yùn)動(dòng)感知的主要器官，兩者感知信號(hào)的一致性對(duì)感知結(jié)果起到?jīng)Q定性作用。近幾年，荷蘭德?tīng)柛Ｌ乜萍即髮W(xué)、荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)下屬的防務(wù)與安全部門(TNODefense，Secu-rityandSafety)荷蘭Utrecht大學(xué)以及美國(guó)NASA蘭利研究中心近年來(lái)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(xué)的SIMONA運(yùn)動(dòng)基模擬器和NASA蘭利研究中心的視覺(jué)模擬器和座艙運(yùn)動(dòng)設(shè)備(cockpitmo-tionfacility)中進(jìn)行。他們提出了感知一致性區(qū)域(coherencezone)概念:當(dāng)視覺(jué)提示與前庭提示并不是1∶1提供給人時(shí)，人感知到的運(yùn)動(dòng)仍然是一致的，在模擬中也可以獲得真實(shí)的飛行感受，并分別從頻率、幅值、相位、延時(shí)以及視場(chǎng)大小等方面研究其對(duì)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(qū)域?qū)Ρ龋串?dāng)視覺(jué)刺激信號(hào)的幅值一定時(shí)，與之相適應(yīng)的前庭刺激信號(hào)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(shù)實(shí)現(xiàn)精確化與自適應(yīng)配置。當(dāng)前洗出算法參數(shù)確定主要通過(guò)人的主觀評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)，利用這項(xiàng)研究可以優(yōu)化洗出算法，將視覺(jué)信號(hào)作為給定量來(lái)確定滿足一致性要求的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輸入量。但這方面的研究現(xiàn)在還處于理論完善階段，還需要進(jìn)一步開(kāi)展相應(yīng)的算法應(yīng)用研究，如對(duì)于理論的適配性，針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并利用Cooper-Harper法進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終實(shí)現(xiàn)模擬算法最優(yōu)配置。

4．2航天環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)感知理論由于航天飛行會(huì)遠(yuǎn)離地面進(jìn)入太空或者其他天體表面，人的感知特性會(huì)發(fā)生變化，在地面模擬中需要盡可能地實(shí)現(xiàn)航天環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)感知模擬。重力改變是航天飛行對(duì)人的感知最主要的影響。對(duì)微重力下的前庭感知變化的相關(guān)研究很早就開(kāi)展了。Mittelstaedt結(jié)合NASA的太空實(shí)驗(yàn)室和神經(jīng)實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的成果，對(duì)微重力下的人體運(yùn)動(dòng)感知模型進(jìn)行了研究與分析，提出了“內(nèi)矢量”(idiotropicvector)的概念，認(rèn)為在微重力下重力的缺失會(huì)使得人體在運(yùn)動(dòng)與定位中更依賴“內(nèi)矢量”，并證明內(nèi)矢量主要由人體的內(nèi)臟器官?zèng)Q定;Clement等［36］在此基礎(chǔ)上，建立了包含視覺(jué)矢量、重力矢量與內(nèi)矢量的感知模型，該模型反映出了人體在地面與太空中對(duì)持續(xù)加速度感知的區(qū)別。此外，對(duì)于微重力環(huán)境下人體運(yùn)動(dòng)感知理論還包括OTTR(otolithtilt-translationreinterpreta-tion)假設(shè)、“多感覺(jué)綜合”理論和“頻率隔離”理論等［37］。另外，Clark等［38-39］對(duì)載人登月過(guò)程中航天員的感知特性進(jìn)行了分析，表明從太空進(jìn)入到月球重力環(huán)境會(huì)使人產(chǎn)生感知錯(cuò)覺(jué)，影響到登月時(shí)的手控操作能力，并提出了相應(yīng)的訓(xùn)練方法。航天環(huán)境是航天飛行訓(xùn)練模擬與地面飛行器模擬的最大區(qū)別，雖然相關(guān)研究開(kāi)展較早，但由于航天環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件有限且成本較大，該項(xiàng)理論仍在發(fā)展之中;在地面環(huán)境下呈現(xiàn)航天飛行特性將成為未來(lái)模擬技術(shù)的重點(diǎn)，而其大大依賴對(duì)應(yīng)感知理論的發(fā)展。

4．3綜合感知理論飛行訓(xùn)練模擬器技術(shù)的發(fā)展依賴于人體運(yùn)動(dòng)感知模型的不斷完善。人體完整的感知系統(tǒng)包括前庭，視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)，體感和觸感器官等，這些系統(tǒng)的信息傳入中央神經(jīng)中樞進(jìn)行處理后獲得姿態(tài)，眼動(dòng)，空間方位以或者感知沖突信號(hào)，如圖7所示。為了對(duì)人體感知特性進(jìn)行更準(zhǔn)確的理解，除了前庭與視覺(jué)之外，其他感知器官對(duì)運(yùn)動(dòng)感知的影響也越來(lái)越被重視;同時(shí)，多感知器官之間相關(guān)關(guān)系與協(xié)同性也是研究重點(diǎn)。Aleksander對(duì)聽(tīng)覺(jué)引起的自運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了大量理論研究，認(rèn)為其在姿態(tài)感知補(bǔ)償方面以及非常規(guī)重力環(huán)境下(如太空或者水下)對(duì)運(yùn)動(dòng)感知的準(zhǔn)確性有重要影響。Moore等對(duì)航天飛行模擬中頭—眼協(xié)調(diào)性模擬的重要性以及訓(xùn)練方法進(jìn)行了研究;另外，Lackner等綜合分析了視覺(jué)、前庭、聽(tīng)覺(jué)、體感以及觸覺(jué)對(duì)定位感知的不同貢獻(xiàn)。另外對(duì)于不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境其感知重點(diǎn)不同，比如體感在航天返回訓(xùn)練段是重點(diǎn)，視覺(jué)為輔助;而在交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，通過(guò)視覺(jué)觀察電視圖像是理解運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵，體感則為輔助。感知理論的研究為飛行模擬技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)與研究方向，將使模擬算法不斷提高與完善，從而加強(qiáng)飛行模擬的逼真度，最終實(shí)現(xiàn)航天員訓(xùn)練效果的不斷增強(qiáng)。

作者：陳煒晁建剛單位：中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室