基于觸覺的飛行員飛行姿態(tài)信息表達(dá)技術(shù)研究

摘 要：利用觸覺進(jìn)行科學(xué)合理的信息提示，對于飛行員在緊急情況下快速、正確地判斷自身飛行姿態(tài)具有極其重要的意義。本文以振動刺激為信息表達(dá)手段，實現(xiàn)了對采集到的姿態(tài)信息進(jìn)行觸覺提示的目的，將飛行姿態(tài)的角度信息進(jìn)行了劃分，建立了“振動位置+振動強(qiáng)度”的組合提示信息編碼方案，對飛行姿態(tài)與飛行角度進(jìn)行了編碼設(shè)計，提出了初步的觸覺編碼參量以及信息表達(dá)方案。

關(guān)鍵詞：飛行姿態(tài)；信息表達(dá)；振動位置；振動強(qiáng)度

中圖分類號：V241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）24-0301-02

目前，飛行員獲取飛行姿態(tài)信息主要依靠視覺、聽覺以及體覺（對于運動和力場的身體感覺等）。隨著戰(zhàn)機(jī)性能的發(fā)展和作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜化，飛行員僅靠視覺、聽覺以及體覺已不能滿足獲取更多更關(guān)鍵飛行姿態(tài)的能力。飛機(jī)海上飛行，碧水共長天一色，視覺獲取飛機(jī)姿態(tài)則更容易發(fā)生空間定向障礙問題。主要存在的問題表現(xiàn)在：

（1）當(dāng)遇復(fù)雜情況時，視覺不能第一時間注意到儀表信息，即使注意到，大腦對信息作出反應(yīng)亦需要較長時間，造成姿態(tài)感知滯后；

（2）外界能見度低，不能通過外界視覺信息來獲得空間定向；

（3）在航空環(huán)境中，前庭和體覺系統(tǒng)不能恒定提供重力的大小和方向的可靠信息；

（4）長時間疲勞飛行、分神等生理、心里因素，使得飛行員通過視覺、體覺的靈敏度降低，更不易通過視覺與體覺來獲得態(tài)勢信息；

（5）模糊的容易誤解的視覺參照物和長時間的旋轉(zhuǎn)動作容易造成飛行動作和位置的幻想，這樣，也將大大降低視覺信息的可靠性。

如上所述，當(dāng)傳統(tǒng)的依靠視覺、聽覺以及體覺來獲取飛行姿態(tài)信息的手段，在特殊復(fù)雜情況下難以保障飛行員的飛行安全時，觸覺感知，作為一種對視覺、聽覺、體覺的輔助手段以及補(bǔ)充手段，發(fā)揮了不可磨滅的作用。將觸覺感知應(yīng)用于飛行員飛行姿態(tài)的感知，開拓新的信息提示領(lǐng)域，采用科學(xué)合理的方式對姿態(tài)信息加以編碼整合，使其作為新型的輔助手段，快速、準(zhǔn)確、有效地對飛行員進(jìn)行空間態(tài)勢信息的表達(dá)，可防止一些飛行事故的發(fā)生，具有極其積極的意義。因此，如何將飛行姿態(tài)信息利用觸覺提示的方式進(jìn)行準(zhǔn)確、清晰的表達(dá)，是姿態(tài)信息提示系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 編碼方案設(shè)計原則

參考直升機(jī)飛行員實際使用場景，確定本姿態(tài)信息提示系統(tǒng)的編碼方案需達(dá)到的主要技術(shù)要求為：

（1）觸覺提示系統(tǒng)能夠表達(dá)水平翻滾、俯仰兩類信息共60個信息量；

（2）觸覺振動編碼方案，可在平穩(wěn)飛行狀態(tài)下，為正常飛行[0°50°]（分度值為5°）、特技飛行[50°90°]（分度值為10°）提供可清晰辨別的飛行姿態(tài)提示信息。

振動刺激為觸覺信息表達(dá)的重要方式之一，其在本姿態(tài)信息提示系統(tǒng)的應(yīng)用實際為一種振動觸覺表達(dá)裝置，通過電機(jī)的振動對所接觸皮膚予以刺激，以達(dá)到信息表達(dá)的目的飛行員姿態(tài)信息提示系統(tǒng)需要提示的信息可分為姿態(tài)信息和角度信息，編碼過程中應(yīng)充分考慮直觀、簡潔、易于學(xué)習(xí)的原則。角度信息編碼可考慮的調(diào)節(jié)參數(shù)有空間位置、振動強(qiáng)度、節(jié)奏、振動順序、振動個數(shù)等，其中振動強(qiáng)度為最為直觀的觸覺感受。實際編碼時，要結(jié)合電機(jī)的客觀性能參數(shù)以及前面所做的人體主觀感受特性來設(shè)計。而電機(jī)的排布方式就是為了區(qū)分不同的姿態(tài)和角度而設(shè)計，顯然上表中的振動位置是必選的編碼參數(shù)，但僅以振動位置參與編碼無法表達(dá)本文所求編碼的信息量。

因此，選取振動強(qiáng)度與振動進(jìn)行組合的編碼方式進(jìn)行飛行員飛行姿態(tài)信息的表達(dá)與提示。

2 振動電機(jī)排布方式

參考外文資料，在身體前后左右各排布一列電機(jī)，而每列電機(jī)又細(xì)分為5個電機(jī)，每個電機(jī)負(fù)責(zé)提示相應(yīng)的角度范圍。在此基礎(chǔ)上可根據(jù)人體具體位置進(jìn)行排布間距和位置的調(diào)整。電機(jī)排布示意圖如圖1所示。

電機(jī)的排布間距越大，振動時感受到的區(qū)分效果越明顯。故在排布電機(jī)時，應(yīng)在觸覺裝置空間距離限制內(nèi)，盡可能地加大排布間距。

3 飛行姿態(tài)編碼

左腰部豎排電機(jī)用于提示向左翻轉(zhuǎn)方向的角度信息，右腰部豎排電機(jī)用于提示向右翻轉(zhuǎn)方向的角度信息，腹部中心豎排電機(jī)用于提示向上仰飛的角度信息，背部中心豎排電機(jī)用于提示向下俯沖方向的角度信息。該方案的飛行姿態(tài)編碼示意圖如圖2所示。

采用上述的姿態(tài)編碼方法體現(xiàn)了刺激與反應(yīng)在空間物理位置上的一致性，即身體左側(cè)電機(jī)對應(yīng)左翻轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)對應(yīng)右翻轉(zhuǎn)，前側(cè)電機(jī)對應(yīng)向上仰飛，后側(cè)電機(jī)對應(yīng)下俯沖。當(dāng)俯仰和翻轉(zhuǎn)需要同時提示時，表達(dá)相應(yīng)飛行器姿態(tài)方向的豎排電機(jī)同時參與振動。

4 飛行角度編碼

用背心裝備上豎直排布的4組電機(jī)陣列，每一組電機(jī)陣列用于表達(dá)各自方向的角度信息，考慮到記憶的方便性和減小學(xué)習(xí)載荷，前后左右4組電機(jī)陣列的對各自方向的角度編碼應(yīng)保持一致。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)行編碼，大于等于90°的緊急狀況時，5個電機(jī)全部振動，[5°，90°）范圍內(nèi)，通過5個電機(jī)分解相應(yīng)角度進(jìn)行表達(dá)。單方向電機(jī)對應(yīng)角度信息量分解如表1所示。

通過實驗，以最終實驗員對飛行角度的判斷正確率，來驗證振動強(qiáng)度與振動位置進(jìn)行組合的編碼模式是否可達(dá)到對飛行員進(jìn)行飛行姿態(tài)信息提示的目的。

5 實驗驗證

選取20名被試，年齡在25～35歲之間，身體感知功能正常，之前沒有參加過類似觸覺表達(dá)的感知實驗。開始測試前被試需處于較為安靜的環(huán)境中，穿戴好觸覺振動裝置后進(jìn)行實驗測試。模擬實驗程序界面圖如圖3所示，隨機(jī)給予被試一個角度，被試通過振動裝置相應(yīng)位置的振動提示進(jìn)行角度判斷，記錄反映時間及正確率，結(jié)果如表2所示。

其中Coding Method表示編碼模式，Mean表示正確率，Std. Deviation表示標(biāo)準(zhǔn)差。

由結(jié)果可看出，本系統(tǒng)所設(shè)計的觸覺編碼方案可基本滿足該項研究內(nèi)容對于靜態(tài)測試下觸覺信息表達(dá)的指標(biāo)要求。但被試反應(yīng)時間較長，且在大角度時判斷的正確率較低。因此，進(jìn)行飛行姿態(tài)信息提示的編碼模式還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

6 總結(jié)與展望

基于觸覺所建立的飛機(jī)飛行姿態(tài)感知系統(tǒng)，在與飛行員的個體防護(hù)裝備進(jìn)行集成之后，可有效的解決飛行員在特殊情形下可能遇到的空間姿態(tài)信息喪失等問題，為飛行員的生命安全提供保障。采用“振動位置+振動強(qiáng)度”進(jìn)行組合的編碼模式可有效對飛行員的飛行姿態(tài)信息進(jìn)行提示，但仍存在大角度飛行時易誤判的現(xiàn)象。若想改善此種現(xiàn)象，則需要被試加強(qiáng)學(xué)習(xí)編碼模式的時間，以及后續(xù)采取更為優(yōu)化的編碼模式。在下階段可進(jìn)行的深一步研究內(nèi)容為：進(jìn)一步優(yōu)化觸覺信息表達(dá)技術(shù)觸覺編碼方案。利用人體對振動電機(jī)的主觀感受特性，研究現(xiàn)有的背心式（前后左右各5行規(guī)則排布的電機(jī)）編碼排布方案所設(shè)定的觸覺感受位置是否可以進(jìn)行排列優(yōu)化，以及是否可以增加更多的編碼參數(shù)進(jìn)行合理組合。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-7-21