用于表達飛行姿態(tài)信息的組合式振動觸覺編碼*

楊懷寧,吳 涓,歐陽強強

(東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096)

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

和視聽覺相比,人的觸覺受重力影響較小,且觸覺感受器分布全身[3],將空間方位信息以觸覺刺激方式提示是緩解視聽覺壓力,提高認知準確性的有效途徑[4-5]。國外有研究者將振動觸覺用于駕駛導航、安全著陸方面[6-7]。例如,荷蘭的研究人員針對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個振動電機,使得重力矢量方向的電機振動以提示重力方向;2004年,美國航空研究實驗室研發(fā)了為直升機飛行員提示飛行信息的觸覺背心系統(tǒng)(TSAS)[10-11],該系統(tǒng)在直升機懸停任務期間用電機的振動位置和節(jié)奏為飛行員提示飛行中的高度信息或漂移信息;2006年,瑞士洛桑理工大學虛擬現(xiàn)實實驗室研發(fā)了一種輔助飛行員空間定向的振動觸覺裝置[12],該裝置在飛行員身體前后左右各布置一個電機,當飛機向一側傾斜時,身體該側電機振動,并且振動強度隨著傾斜程度的增加而增強。除了將振動提示用于飛行方位提示外,還有將其用于汽車安全駕駛提示、康復醫(yī)療、殘障人士的避障等方面。例如美國哈佛醫(yī)學院等機構研究人員研發(fā)了一款用于為老年人保持身體平衡的振動觸覺背心(VTTF)[13],輔助穿戴者提示身體傾斜方向和傾斜程度來防止身體失衡;韓國成均館大學研制了一種行車輔助裝置[14],在使用者腳背部放置5×5的振動電機陣列,通過在使用者駕駛車輛期間顯示各種字母或方向,對使用者提供行車安全信息;2017年,美國休斯頓大學研究人員利用振動觸覺編碼輔助帕金森患者進行訓練以提高康復效果[15];東南大學利用振動觸覺提示實現(xiàn)了盲人避障系統(tǒng)[16],并進行了圖像信息的振動顯示[17-18]。

方位信息的振動觸覺提示關鍵是如何將信息按照直觀而簡單的編碼規(guī)則映射為一定位置、強度、節(jié)奏的振動刺激,從而便于人對方位信息的理解和辨識。本文在前期對人的振動感知特性實驗研究基礎上,利用人對振動的位置、節(jié)奏敏感的特性,提出了組合編碼模式。該模式將人體對振動的敏感特性進行組合編碼以產生特定位置、節(jié)奏和強度融合的振動提示來表達復雜信息。和以往的單因素編碼模式相比,該方法具有便于記憶,識別率高,表達耗時低等優(yōu)點。

1 飛行姿態(tài)信息的振動觸覺編碼原理

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

表1 每個方向提示角度區(qū)間表

根據(jù)飛行姿態(tài)信息表達需求,飛機偏轉方向分為前后左右4個方向,每個方向角度各有15個信息量,所設計的觸覺編碼[21]應能夠表達橫滾、俯仰兩類信息共60個信息量?？紤]到過多的振動單元會造成觸覺感知信息冗余,為使每個振動單元提示2到3個信息量,每個方向采用5個振動單元,振動單元總數(shù)為20個。

利用振動單元進行振動提示時,可調節(jié)的控制參數(shù)包括振動位置、強度、節(jié)奏、次序等。振動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。前者是將方位信息對應于單個參數(shù)的變化,例如位置、強度、節(jié)奏等。優(yōu)點在于編碼簡單且用戶認知載荷小,缺點在受裝置輸出性能以及人對觸覺刺激的敏感度的影響大,識別準確性、表達的信息量和實時性難以提高。組合參數(shù)的編碼將偏轉角度信息映射為按照一定規(guī)律調節(jié)多個控制參數(shù),能產生更加豐富的振動觸覺刺激以充分表達信息量。

通過前期的振動觸覺感知實驗研究發(fā)現(xiàn),對隨時空變化的振動刺激,人的辨識和響應能力有很大的差異。身體不同部位對振動敏感度不同[22],人對振動參數(shù)的敏感度也有很大差異:例如人對振動強度變化分級能力較差,而對振動次序[23]、振動節(jié)奏的敏感度較高。因此,在觸覺編碼時應充分利用人體敏感參數(shù)以及參數(shù)的時空組合進行編碼,以提高識別率并減小認知載荷。

基于人對振動刺激感知和識別差異,本文選取了振動位置、振動節(jié)奏與振動次序3個參數(shù),提出了姿態(tài)信息的三參數(shù)的組合式編碼模式進行振動提示。

圖1 電機序列在人體軀干的具體排布位置

2 組合式振動觸覺編碼具體實現(xiàn)

2.1 偏轉方向編碼

振動位置作為人體感知最敏感的參數(shù)應首先確定,本文首先對偏轉方向通過振動位置進行表達?？紤]位置排布的直觀簡潔性,采用微型振動電機作為振動提示單元[24],將振動電機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(每列 5個),電機排布形式為“4×5”振動點陣列。每列電機的排布位置是在陣列的基礎上根據(jù)人體軀干對振動的不同感知閾限值選擇人體軀干敏感位置[25]進行布置,考慮到擴大兩點間距離可以增加人體空間感知辨識度,前側和后側電機序列采用“S型”布置方式,如圖1所示。對單一姿態(tài)進行表達時,身體向上一側電機振動表達(仰飛時前側振動,俯沖時后側振動,左橫滾時右側振動,右橫滾時左側振動),當俯仰和橫滾需要同時表達時,相應身體兩側的電機同時振動。

2.2 偏轉角度編碼

在偏轉方向編碼的基礎上組合其他振動參數(shù)進行角度提示編碼。為了記憶方便和減小學習載荷,前后左右4列電機對應方向的角度編碼規(guī)則應保持一致,故在設計編碼時,只需考慮每個豎列電機所需要表達的15個角度信息。將單側15個角度信息量劃分給5個電機進行振動提示,每個電機負責提示2個～3個信息量。

所要編碼的角度信息中,[0°,5°)屬于平穩(wěn)狀態(tài)不需要進行振動提示;角度等于90°緊急狀況時,5個電機全部振動提示;角度在[5°,90°)范圍內時,通過5個電機分解相應角度進行表達。以仰飛的飛行姿態(tài)為例,身體前側電機號對應角度信息量分解如表2所示(其中P1～P5表示身體前側振動位置):

表2 單方向電機對應角度分解表

從表2可以看出,利用振動位置參數(shù)(P)將單側15個信息量分為7個區(qū)間,為了對區(qū)間的角度進行細分表達,需要加入其他參數(shù),如振動強度(I)、振動次序(M)、振動節(jié)奏(R)與振動位置(P)進行組合來對組內角度進行精細區(qū)分。

通過強度、節(jié)奏或次序分級對角度區(qū)間進行細分,可以形成如下編碼模式:“振動強度+振動位置”組合模式(PI)、“振動節(jié)奏+振動位置”組合模式(PR)、“振動次序+振動位置”組合模式(PM)這些雙因素組合模式。例如在“振動強度+振動位置”模式下,在P1位置的電機可以通過電機的3個振動強度等級來精確區(qū)分[5°,20°)范圍的角度。此類編碼模式要求單個參數(shù)能夠為人體提供足夠的區(qū)分等級,且需要人體集中注意力來區(qū)分該參數(shù)的分級變化,因此會加重人體辨別振動的認知載荷,難以迅速做出反應。

考慮到多個參數(shù)與位置組合可以加強區(qū)分效果,在雙因素組合基礎上設計多參數(shù)與位置參數(shù)的組合模式。在編碼模式PR的基礎上為了通過相鄰電機之間設置不同振動強度以增強區(qū)分效果,形成“振動節(jié)奏+振動強度+振動位置”組合模式(PRI)。但是考慮到PRI模式對不同角度區(qū)間提示的時間不等,影響信息表達的實時性,故在此基礎上設計“振動位置+振動節(jié)奏+振動次序”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。該編碼模式相當于振動位置P、節(jié)奏R(1次、2次)和次序M(單點振和多點依次振)同時參與組合進行編碼。其中振動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;70°:P1,P4依次振動,80°:P1,P5依次振動),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 振動編碼感知實驗

本文先從理論上設計了5種編碼模式并分析了其優(yōu)缺點,為了對以上5種編碼模式的有效性進行檢驗,進行振動編碼感知實驗。實驗主要從學習難易度、認知載荷和準確率3個方面進行測試。

受試者緊身穿戴振動觸覺背心進行實驗,實驗過程分為預備實驗和正式實驗,預備實驗記錄學習時間用于判斷編碼模式的學習難易度;正式實驗時,實驗系統(tǒng)隨機發(fā)送60個振動提示(包括所有飛行姿態(tài)),受試者感知振動并選擇方向和角度輸入到上位機。每種編碼模式的實驗測試重復4次,每次發(fā)送60次振動,每人接受240次振動提示并判斷,系統(tǒng)記錄受試者每次從感覺到振動到向上位機輸入選擇的時間為反應時間。實驗結束后,系統(tǒng)通過受試者反饋的方向和角度數(shù)據(jù)與真實的方向和角度區(qū)間進行對比,如方向正確且反饋角度在真實角度精度范圍內則判斷為正確,以此統(tǒng)計正確率。

受試者:每組編碼模式實驗對象是20名22～30歲初次受試者,身體觸覺感知功能正常,5組實驗共100人次。實驗時,受試者緊身穿戴背心裝置并佩戴耳機聽高斯白噪聲避免電機聲音干擾。

圖3 實驗現(xiàn)場圖

3.1 學習難易度分析

編碼模式的學習難易度是指該模式是否容易學習和接納,主要是通過受試者對編碼模式的學習時間體現(xiàn)。在實驗中測量受試者預備實驗階段學習該編碼模式的用時時間,對各編碼模式平均學習時間統(tǒng)計如圖4所示。

從圖4可以看出,PRM模式相對于其他模式的學習時間在5種編碼模式中最小,為187 s,說明多數(shù)初次受試者在3 min左右可以學習理解該編碼模式。反映了PRM模式設置的記憶方式簡單清晰,易于操作者記憶學習。

圖4 5種編碼模式的學習時間(s)

3.2 認知載荷分析

編碼模式的認知載荷體現(xiàn)在受試者對于該模式提示信息的理解反應時間,如果編碼模式過于復雜導致單次振動信息量過大,則受試者難以迅速反應。因此,需要對各編碼模式的受試者反應時間進行分析,具體指受試者從感知到振動到向測試軟件輸入數(shù)據(jù)判斷這個過程的時間。對各編碼模式反應時間統(tǒng)計如圖5所示?？梢钥闯?PRM模式的平均反應時間為2.8 s,相對于其他模式的反應時間最短,認知載荷最小,易于受試者記憶和反應(這里的反應時間包括了受試者手動操作界面的時間,實際上大于受試者感知振動的時間,用于間接反映認知載荷)。

圖5 5種編碼模式的反應時間(s)

3.3 準確率分析

準確率是指受試者判斷振動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確提示姿態(tài)信息,是評價編碼模式優(yōu)劣的重要指標。實驗結束后,系統(tǒng)通過受試者反饋的方向和角度數(shù)據(jù)與真實的方向和角度區(qū)間進行對比,如果方向正確且反饋角度在真實角度精度范圍內則判斷為正確,以此統(tǒng)計正確率。各編碼模式的準確率統(tǒng)計結果如圖6 所示。

圖6 5種編碼模式的準確率(%)

由圖6可以看出,PRM模式相對于其他模式的準確率最高,準確率達到了95%,說明除去操作失誤等原因,受試者可準確識別振動提示的方向和角度信息。因此PRM模式可有效、準確地為受試者反饋偏轉角度信息。

實驗結果表明,PRM模式平均學習時間為187 s,反應時間為2.8 s,準確率達到95%,相對于其他模式,學習時間短、認知載荷小,準確率高,是一種較為理想的空間方位信息振動編碼表達模式。

4 結論

實驗以及分析表明組合式振動編碼可有效表達空間方位信息。而在參數(shù)的選擇和組合時,需要選取人的認知敏感度高,且參數(shù)維間耦合較小的參數(shù)?？紤]到上述兩方面設計要求,本文提出“位置+節(jié)奏+次序”的組合模式(PRM),故能夠在感知對比試驗中,表現(xiàn)出較好的綜合性能。本文用振動觸覺編碼提示飛行姿態(tài)信息以輔助飛行員空間定向。根據(jù)飛行姿態(tài)表達需求,結合人體敏感振動編碼參數(shù)設計振動位置、振動節(jié)奏及振動次序組合的編碼模式(PRM模式)。經過實驗測試對比,證明該模式的學習時間少,認知載荷小,準確率高,確定為最優(yōu)編碼模式。與同類編碼模式相比,該最優(yōu)編碼模式提高了姿態(tài)信息的振動編碼識別率,同時降低了認知載荷,對偏轉角度進行更加精準的提示,有利于輔助飛行員進行空間定向。

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