楊懷寧,吳 涓,歐陽(yáng)強(qiáng)強(qiáng)

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

飛行空間定向障礙,是指飛行員在飛行中失去了對(duì)飛機(jī)和自身的正確知覺(jué)而引發(fā)的各種錯(cuò)覺(jué)。主要表現(xiàn)為無(wú)法辨別飛機(jī)傾斜方向和角度,這對(duì)飛行安全會(huì)造成嚴(yán)重影響,并且發(fā)生率較高[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),大約有70%的飛行員經(jīng)歷過(guò)空間定向障礙。傳統(tǒng)解決方法主要依靠對(duì)飛行員的身體及心理的訓(xùn)練[2]等方式來(lái)提高飛行員空間定向能力。飛行環(huán)境下,人的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)感受能力受加速度影響較大,使得利用視聽(tīng)覺(jué)感知空間方位信息的能力大大降低。

和視聽(tīng)覺(jué)相比,人的觸覺(jué)受重力影響較小,且觸覺(jué)感受器分布全身[3],將空間方位信息以觸覺(jué)刺激方式提示是緩解視聽(tīng)覺(jué)壓力,提高認(rèn)知準(zhǔn)確性的有效途徑[4-5]。國(guó)外有研究者將振動(dòng)觸覺(jué)用于駕駛導(dǎo)航、安全著陸方面[6-7]。例如,荷蘭的研究人員針對(duì)宇航員空間定向障礙研發(fā)了一款輔助空間定向全身穿戴裝置(TOAST)[8-9],該裝置在全身布置56個(gè)振動(dòng)電機(jī),使得重力矢量方向的電機(jī)振動(dòng)以提示重力方向;2004年,美國(guó)航空研究實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了為直升機(jī)飛行員提示飛行信息的觸覺(jué)背心系統(tǒng)(TSAS)[10-11],該系統(tǒng)在直升機(jī)懸停任務(wù)期間用電機(jī)的振動(dòng)位置和節(jié)奏為飛行員提示飛行中的高度信息或漂移信息;2006年,瑞士洛桑理工大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種輔助飛行員空間定向的振動(dòng)觸覺(jué)裝置[12],該裝置在飛行員身體前后左右各布置一個(gè)電機(jī),當(dāng)飛機(jī)向一側(cè)傾斜時(shí),身體該側(cè)電機(jī)振動(dòng),并且振動(dòng)強(qiáng)度隨著傾斜程度的增加而增強(qiáng)。除了將振動(dòng)提示用于飛行方位提示外,還有將其用于汽車(chē)安全駕駛提示、康復(fù)醫(yī)療、殘障人士的避障等方面。例如美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院等機(jī)構(gòu)研究人員研發(fā)了一款用于為老年人保持身體平衡的振動(dòng)觸覺(jué)背心(VTTF)[13],輔助穿戴者提示身體傾斜方向和傾斜程度來(lái)防止身體失衡;韓國(guó)成均館大學(xué)研制了一種行車(chē)輔助裝置[14],在使用者腳背部放置5×5的振動(dòng)電機(jī)陣列,通過(guò)在使用者駕駛車(chē)輛期間顯示各種字母或方向,對(duì)使用者提供行車(chē)安全信息;2017年,美國(guó)休斯頓大學(xué)研究人員利用振動(dòng)觸覺(jué)編碼輔助帕金森患者進(jìn)行訓(xùn)練以提高康復(fù)效果[15];東南大學(xué)利用振動(dòng)觸覺(jué)提示實(shí)現(xiàn)了盲人避障系統(tǒng)[16],并進(jìn)行了圖像信息的振動(dòng)顯示[17-18]。

方位信息的振動(dòng)觸覺(jué)提示關(guān)鍵是如何將信息按照直觀而簡(jiǎn)單的編碼規(guī)則映射為一定位置、強(qiáng)度、節(jié)奏的振動(dòng)刺激,從而便于人對(duì)方位信息的理解和辨識(shí)。本文在前期對(duì)人的振動(dòng)感知特性實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,利用人對(duì)振動(dòng)的位置、節(jié)奏敏感的特性,提出了組合編碼模式。該模式將人體對(duì)振動(dòng)的敏感特性進(jìn)行組合編碼以產(chǎn)生特定位置、節(jié)奏和強(qiáng)度融合的振動(dòng)提示來(lái)表達(dá)復(fù)雜信息。和以往的單因素編碼模式相比,該方法具有便于記憶,識(shí)別率高,表達(dá)耗時(shí)低等優(yōu)點(diǎn)。

1 飛行姿態(tài)信息的振動(dòng)觸覺(jué)編碼原理

飛行姿態(tài)信息的表達(dá)需求包括偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)角度。偏轉(zhuǎn)方向主要有俯仰和橫滾兩種[19-20],要求表達(dá)俯仰和橫滾姿態(tài)的前后左右4個(gè)偏轉(zhuǎn)方向。對(duì)于每個(gè)偏轉(zhuǎn)方向的0°到90°區(qū)間,要求在[0°,50°)范圍內(nèi)提示精度為5°,在[50°,90°]范圍內(nèi)提示精度為10°,以此充分表達(dá)飛行偏轉(zhuǎn)方向和角度信息。偏轉(zhuǎn)提示角度區(qū)間劃分如表1所示。

表1 每個(gè)方向提示角度區(qū)間表

根據(jù)飛行姿態(tài)信息表達(dá)需求,飛機(jī)偏轉(zhuǎn)方向分為前后左右4個(gè)方向,每個(gè)方向角度各有15個(gè)信息量,所設(shè)計(jì)的觸覺(jué)編碼[21]應(yīng)能夠表達(dá)橫滾、俯仰兩類(lèi)信息共60個(gè)信息量?？紤]到過(guò)多的振動(dòng)單元會(huì)造成觸覺(jué)感知信息冗余,為使每個(gè)振動(dòng)單元提示2到3個(gè)信息量,每個(gè)方向采用5個(gè)振動(dòng)單元,振動(dòng)單元總數(shù)為20個(gè)。

利用振動(dòng)單元進(jìn)行振動(dòng)提示時(shí),可調(diào)節(jié)的控制參數(shù)包括振動(dòng)位置、強(qiáng)度、節(jié)奏、次序等。振動(dòng)編碼方法分為單一參數(shù)的編碼和組合參數(shù)的編碼兩類(lèi)。前者是將方位信息對(duì)應(yīng)于單個(gè)參數(shù)的變化,例如位置、強(qiáng)度、節(jié)奏等。優(yōu)點(diǎn)在于編碼簡(jiǎn)單且用戶認(rèn)知載荷小,缺點(diǎn)在受裝置輸出性能以及人對(duì)觸覺(jué)刺激的敏感度的影響大,識(shí)別準(zhǔn)確性、表達(dá)的信息量和實(shí)時(shí)性難以提高。組合參數(shù)的編碼將偏轉(zhuǎn)角度信息映射為按照一定規(guī)律調(diào)節(jié)多個(gè)控制參數(shù),能產(chǎn)生更加豐富的振動(dòng)觸覺(jué)刺激以充分表達(dá)信息量。

通過(guò)前期的振動(dòng)觸覺(jué)感知實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)隨時(shí)空變化的振動(dòng)刺激,人的辨識(shí)和響應(yīng)能力有很大的差異。身體不同部位對(duì)振動(dòng)敏感度不同[22],人對(duì)振動(dòng)參數(shù)的敏感度也有很大差異:例如人對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度變化分級(jí)能力較差,而對(duì)振動(dòng)次序[23]、振動(dòng)節(jié)奏的敏感度較高。因此,在觸覺(jué)編碼時(shí)應(yīng)充分利用人體敏感參數(shù)以及參數(shù)的時(shí)空組合進(jìn)行編碼,以提高識(shí)別率并減小認(rèn)知載荷。

基于人對(duì)振動(dòng)刺激感知和識(shí)別差異,本文選取了振動(dòng)位置、振動(dòng)節(jié)奏與振動(dòng)次序3個(gè)參數(shù),提出了姿態(tài)信息的三參數(shù)的組合式編碼模式進(jìn)行振動(dòng)提示。

圖1 電機(jī)序列在人體軀干的具體排布位置

2 組合式振動(dòng)觸覺(jué)編碼具體實(shí)現(xiàn)

2.1 偏轉(zhuǎn)方向編碼

振動(dòng)位置作為人體感知最敏感的參數(shù)應(yīng)首先確定,本文首先對(duì)偏轉(zhuǎn)方向通過(guò)振動(dòng)位置進(jìn)行表達(dá)?？紤]位置排布的直觀簡(jiǎn)潔性,采用微型振動(dòng)電機(jī)作為振動(dòng)提示單元[24],將振動(dòng)電機(jī)布置于緊身背心穿戴于受試者身上。在背心的前后左右各布置一列電機(jī)(每列 5個(gè)),電機(jī)排布形式為“4×5”振動(dòng)點(diǎn)陣列。每列電機(jī)的排布位置是在陣列的基礎(chǔ)上根據(jù)人體軀干對(duì)振動(dòng)的不同感知閾限值選擇人體軀干敏感位置[25]進(jìn)行布置,考慮到擴(kuò)大兩點(diǎn)間距離可以增加人體空間感知辨識(shí)度,前側(cè)和后側(cè)電機(jī)序列采用“S型”布置方式,如圖1所示。對(duì)單一姿態(tài)進(jìn)行表達(dá)時(shí),身體向上一側(cè)電機(jī)振動(dòng)表達(dá)(仰飛時(shí)前側(cè)振動(dòng),俯沖時(shí)后側(cè)振動(dòng),左橫滾時(shí)右側(cè)振動(dòng),右橫滾時(shí)左側(cè)振動(dòng)),當(dāng)俯仰和橫滾需要同時(shí)表達(dá)時(shí),相應(yīng)身體兩側(cè)的電機(jī)同時(shí)振動(dòng)。

2.2 偏轉(zhuǎn)角度編碼

在偏轉(zhuǎn)方向編碼的基礎(chǔ)上組合其他振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行角度提示編碼。為了記憶方便和減小學(xué)習(xí)載荷,前后左右4列電機(jī)對(duì)應(yīng)方向的角度編碼規(guī)則應(yīng)保持一致,故在設(shè)計(jì)編碼時(shí),只需考慮每個(gè)豎列電機(jī)所需要表達(dá)的15個(gè)角度信息。將單側(cè)15個(gè)角度信息量劃分給5個(gè)電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)提示,每個(gè)電機(jī)負(fù)責(zé)提示2個(gè)～3個(gè)信息量。

所要編碼的角度信息中,[0°,5°)屬于平穩(wěn)狀態(tài)不需要進(jìn)行振動(dòng)提示;角度等于90°緊急狀況時(shí),5個(gè)電機(jī)全部振動(dòng)提示;角度在[5°,90°)范圍內(nèi)時(shí),通過(guò)5個(gè)電機(jī)分解相應(yīng)角度進(jìn)行表達(dá)。以仰飛的飛行姿態(tài)為例,身體前側(cè)電機(jī)號(hào)對(duì)應(yīng)角度信息量分解如表2所示(其中P1～P5表示身體前側(cè)振動(dòng)位置):

表2 單方向電機(jī)對(duì)應(yīng)角度分解表

從表2可以看出,利用振動(dòng)位置參數(shù)(P)將單側(cè)15個(gè)信息量分為7個(gè)區(qū)間,為了對(duì)區(qū)間的角度進(jìn)行細(xì)分表達(dá),需要加入其他參數(shù),如振動(dòng)強(qiáng)度(I)、振動(dòng)次序(M)、振動(dòng)節(jié)奏(R)與振動(dòng)位置(P)進(jìn)行組合來(lái)對(duì)組內(nèi)角度進(jìn)行精細(xì)區(qū)分。

通過(guò)強(qiáng)度、節(jié)奏或次序分級(jí)對(duì)角度區(qū)間進(jìn)行細(xì)分,可以形成如下編碼模式:“振動(dòng)強(qiáng)度+振動(dòng)位置”組合模式(PI)、“振動(dòng)節(jié)奏+振動(dòng)位置”組合模式(PR)、“振動(dòng)次序+振動(dòng)位置”組合模式(PM)這些雙因素組合模式。例如在“振動(dòng)強(qiáng)度+振動(dòng)位置”模式下,在P1位置的電機(jī)可以通過(guò)電機(jī)的3個(gè)振動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)來(lái)精確區(qū)分[5°,20°)范圍的角度。此類(lèi)編碼模式要求單個(gè)參數(shù)能夠?yàn)槿梭w提供足夠的區(qū)分等級(jí),且需要人體集中注意力來(lái)區(qū)分該參數(shù)的分級(jí)變化,因此會(huì)加重人體辨別振動(dòng)的認(rèn)知載荷,難以迅速做出反應(yīng)。

考慮到多個(gè)參數(shù)與位置組合可以加強(qiáng)區(qū)分效果,在雙因素組合基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)多參數(shù)與位置參數(shù)的組合模式。在編碼模式PR的基礎(chǔ)上為了通過(guò)相鄰電機(jī)之間設(shè)置不同振動(dòng)強(qiáng)度以增強(qiáng)區(qū)分效果,形成“振動(dòng)節(jié)奏+振動(dòng)強(qiáng)度+振動(dòng)位置”組合模式(PRI)。但是考慮到PRI模式對(duì)不同角度區(qū)間提示的時(shí)間不等,影響信息表達(dá)的實(shí)時(shí)性,故在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)“振動(dòng)位置+振動(dòng)節(jié)奏+振動(dòng)次序”組合編碼模式(PRM)。在PRM模式下,振一次和振兩次的節(jié)奏,區(qū)分十分明顯,為了減少記憶量,采用編碼映射圖中帶5°的均振一次,整10°的均振兩次。該編碼模式相當(dāng)于振動(dòng)位置P、節(jié)奏R(1次、2次)和次序M(單點(diǎn)振和多點(diǎn)依次振)同時(shí)參與組合進(jìn)行編碼。其中振動(dòng)次序作為輔助編碼參量,幫助用戶區(qū)分60°以上的角度(60°:P1,P3依次振動(dòng);70°:P1,P4依次振動(dòng),80°:P1,P5依次振動(dòng)),PRM編碼模式映射如圖2所示。

圖2 “位置+節(jié)奏+次序”編碼模式(PRM)

3 振動(dòng)編碼感知實(shí)驗(yàn)

本文先從理論上設(shè)計(jì)了5種編碼模式并分析了其優(yōu)缺點(diǎn),為了對(duì)以上5種編碼模式的有效性進(jìn)行檢驗(yàn),進(jìn)行振動(dòng)編碼感知實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要從學(xué)習(xí)難易度、認(rèn)知載荷和準(zhǔn)確率3個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。

受試者緊身穿戴振動(dòng)觸覺(jué)背心進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為預(yù)備實(shí)驗(yàn)和正式實(shí)驗(yàn),預(yù)備實(shí)驗(yàn)記錄學(xué)習(xí)時(shí)間用于判斷編碼模式的學(xué)習(xí)難易度;正式實(shí)驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)隨機(jī)發(fā)送60個(gè)振動(dòng)提示(包括所有飛行姿態(tài)),受試者感知振動(dòng)并選擇方向和角度輸入到上位機(jī)。每種編碼模式的實(shí)驗(yàn)測(cè)試重復(fù)4次,每次發(fā)送60次振動(dòng),每人接受240次振動(dòng)提示并判斷,系統(tǒng)記錄受試者每次從感覺(jué)到振動(dòng)到向上位機(jī)輸入選擇的時(shí)間為反應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,系統(tǒng)通過(guò)受試者反饋的方向和角度數(shù)據(jù)與真實(shí)的方向和角度區(qū)間進(jìn)行對(duì)比,如方向正確且反饋角度在真實(shí)角度精度范圍內(nèi)則判斷為正確,以此統(tǒng)計(jì)正確率。

受試者:每組編碼模式實(shí)驗(yàn)對(duì)象是20名22～30歲初次受試者,身體觸覺(jué)感知功能正常,5組實(shí)驗(yàn)共100人次。實(shí)驗(yàn)時(shí),受試者緊身穿戴背心裝置并佩戴耳機(jī)聽(tīng)高斯白噪聲避免電機(jī)聲音干擾。

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.1 學(xué)習(xí)難易度分析

編碼模式的學(xué)習(xí)難易度是指該模式是否容易學(xué)習(xí)和接納,主要是通過(guò)受試者對(duì)編碼模式的學(xué)習(xí)時(shí)間體現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量受試者預(yù)備實(shí)驗(yàn)階段學(xué)習(xí)該編碼模式的用時(shí)時(shí)間,對(duì)各編碼模式平均學(xué)習(xí)時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

從圖4可以看出,PRM模式相對(duì)于其他模式的學(xué)習(xí)時(shí)間在5種編碼模式中最小,為187 s,說(shuō)明多數(shù)初次受試者在3 min左右可以學(xué)習(xí)理解該編碼模式。反映了PRM模式設(shè)置的記憶方式簡(jiǎn)單清晰,易于操作者記憶學(xué)習(xí)。

圖4 5種編碼模式的學(xué)習(xí)時(shí)間(s)

3.2 認(rèn)知載荷分析

編碼模式的認(rèn)知載荷體現(xiàn)在受試者對(duì)于該模式提示信息的理解反應(yīng)時(shí)間,如果編碼模式過(guò)于復(fù)雜導(dǎo)致單次振動(dòng)信息量過(guò)大,則受試者難以迅速反應(yīng)。因此,需要對(duì)各編碼模式的受試者反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析,具體指受試者從感知到振動(dòng)到向測(cè)試軟件輸入數(shù)據(jù)判斷這個(gè)過(guò)程的時(shí)間。對(duì)各編碼模式反應(yīng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖5所示?？梢钥闯?PRM模式的平均反應(yīng)時(shí)間為2.8 s,相對(duì)于其他模式的反應(yīng)時(shí)間最短,認(rèn)知載荷最小,易于受試者記憶和反應(yīng)(這里的反應(yīng)時(shí)間包括了受試者手動(dòng)操作界面的時(shí)間,實(shí)際上大于受試者感知振動(dòng)的時(shí)間,用于間接反映認(rèn)知載荷)。

圖5 5種編碼模式的反應(yīng)時(shí)間(s)

3.3 準(zhǔn)確率分析

準(zhǔn)確率是指受試者判斷振動(dòng)提示的信息是否與給定信息一致,以此判斷編碼模式是否能準(zhǔn)確提示姿態(tài)信息,是評(píng)價(jià)編碼模式優(yōu)劣的重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,系統(tǒng)通過(guò)受試者反饋的方向和角度數(shù)據(jù)與真實(shí)的方向和角度區(qū)間進(jìn)行對(duì)比,如果方向正確且反饋角度在真實(shí)角度精度范圍內(nèi)則判斷為正確,以此統(tǒng)計(jì)正確率。各編碼模式的準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 5種編碼模式的準(zhǔn)確率(%)

由圖6可以看出,PRM模式相對(duì)于其他模式的準(zhǔn)確率最高,準(zhǔn)確率達(dá)到了95%,說(shuō)明除去操作失誤等原因,受試者可準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)提示的方向和角度信息。因此PRM模式可有效、準(zhǔn)確地為受試者反饋偏轉(zhuǎn)角度信息。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PRM模式平均學(xué)習(xí)時(shí)間為187 s,反應(yīng)時(shí)間為2.8 s,準(zhǔn)確率達(dá)到95%,相對(duì)于其他模式,學(xué)習(xí)時(shí)間短、認(rèn)知載荷小,準(zhǔn)確率高,是一種較為理想的空間方位信息振動(dòng)編碼表達(dá)模式。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)以及分析表明組合式振動(dòng)編碼可有效表達(dá)空間方位信息。而在參數(shù)的選擇和組合時(shí),需要選取人的認(rèn)知敏感度高,且參數(shù)維間耦合較小的參數(shù)?？紤]到上述兩方面設(shè)計(jì)要求,本文提出“位置+節(jié)奏+次序”的組合模式(PRM),故能夠在感知對(duì)比試驗(yàn)中,表現(xiàn)出較好的綜合性能。本文用振動(dòng)觸覺(jué)編碼提示飛行姿態(tài)信息以輔助飛行員空間定向。根據(jù)飛行姿態(tài)表達(dá)需求,結(jié)合人體敏感振動(dòng)編碼參數(shù)設(shè)計(jì)振動(dòng)位置、振動(dòng)節(jié)奏及振動(dòng)次序組合的編碼模式(PRM模式)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比,證明該模式的學(xué)習(xí)時(shí)間少,認(rèn)知載荷小,準(zhǔn)確率高,確定為最優(yōu)編碼模式。與同類(lèi)編碼模式相比,該最優(yōu)編碼模式提高了姿態(tài)信息的振動(dòng)編碼識(shí)別率,同時(shí)降低了認(rèn)知載荷,對(duì)偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行更加精準(zhǔn)的提示,有利于輔助飛行員進(jìn)行空間定向。

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