基于運動感知的載人離心機運動模擬逼真度評價模型①

羅 鵬,白俊林,胡榮華,舒 楊

(中國工程物理研究院 總體工程研究所,綿陽 621900)

隨著飛行模擬器的發(fā)展,載人離心機因能實現(xiàn)持續(xù)的高過載模擬越來越引起飛行訓(xùn)練領(lǐng)域的重視,在飛行模擬領(lǐng)域也得到越來越廣泛的應(yīng)用.飛行模擬器的逼真度是評價飛行模擬器最重要的指標(biāo)之一,同時也能指導(dǎo)飛行模擬器的設(shè)計.目前關(guān)于飛行模擬器的模擬逼真度評價主要有兩方面的研究:

一類是飛行模擬器的綜合逼真度評價,這類評價方法主要針對視覺、操縱性和環(huán)境感知(聲、光、溫度、振動等)[1–4]等方面的模擬逼真度評價.

另一類研究主要通過感知誤差來對模擬器控制算法優(yōu)化的效果進行評價[5].即比較運動平臺的模擬過載感知和目標(biāo)過載感知,依據(jù)這個誤差量的大小來評價運動平臺的運動學(xué)解算算法的優(yōu)劣.通過感知誤差來對飛行模擬器的感知進行評價.

除了這兩類外,文獻(xiàn)[6,7]通過飛行員模型對飛行模擬器的逼真度進行評價.文獻(xiàn)[8]通過對飛行員操縱輸出功率的相似性進行模擬逼真度評價.

現(xiàn)有的模擬器逼真度評價針對持續(xù)高過載模擬的應(yīng)用場景主要存在以下不足:1)離心式模擬器重點是模擬運動感知,因此側(cè)重于操縱等的模擬器逼真度評價模型不適用于離心式飛行模擬器;2)運動感知具有特殊性.僅僅通過誤差量評價忽略了人體感知存在閾值等特性,以此對運動學(xué)解算算法進行評價,將不能精準(zhǔn)有效指導(dǎo)運動學(xué)解算算法的優(yōu)化.

本文針對上述情況,結(jié)合人體對于運動模擬的特點,采用模糊評價方法進行運動感知逼真度的評價.

1 逼真度評價原理

飛行模擬器一般是在有限、安全的空間中模擬自由無限的運動環(huán)境,所以通過飛行模擬器模擬真實的飛行物理量是不現(xiàn)實的,但是可以通過飛行模擬器使得人體運動感知上的近似來實現(xiàn)對空中飛行的模擬,這也是飛行模擬器的基本理論依據(jù).圖1飛行模擬器運動感知模擬原理.

圖1 飛行模擬器運動感知模擬原理

人體的感知模型不等同于一般的傳感器,它存在一定的感覺閾值,當(dāng)線運動和角運動小于人體感覺閾值時,人體感覺不到相關(guān)運動的存在.這個特點對于人體的感知評價具有很重要的參考意義.人體感知的門限[9]如表1.

表1 人體運動感知閾值

因此在評價時,閾值以下和閾值以上的誤差對人體感知的影響不是線性關(guān)系的,并且不同方向的感知閾值也不一樣.另一方面,在人體感知的過載特別大,大于一定上限的時候,這時很可能發(fā)生過載引起的意識喪失(G-LOC)[10].這是因為過載對于人體前庭系統(tǒng)屬于一種外力,所以施加于人體前庭系統(tǒng)的過載是有一定的感知效果范圍的.經(jīng)過以上分析,人體前庭系統(tǒng)對過載的感知是有一定的敏感區(qū)域的,在過載感知方面存在感知下限閾值,也存在引起感知喪失的感知上限.在建立科學(xué)有效的感知評價模型時需要考慮這兩個因素.

2 運動感知逼真度評價模型

人體運動感知的評價不同于一般的標(biāo)量評價,過載和角速度均存在方向.如果感知方向出現(xiàn)差錯,那么模擬的效果就很不理想,模擬器的逼真度要被很嚴(yán)重的降低.所以載人離心機的運動感知逼真度評價應(yīng)該是結(jié)合方向、閾值等多方面的感知評價.

2.1 隸屬度模型

對于任意時刻的理想運動感知和實際運動感知誤差,依據(jù)不同誤差區(qū)間的感覺體驗,評價集可設(shè)計為:

在設(shè)計飛行模擬器中,如果感知在方向上出現(xiàn)差錯,會影響到飛行員的方向操縱判斷,所以方向評價對于飛行模擬判斷是非常有必要的.為了能突顯出感知誤差的方向特性,將方向引入到感知誤差中,對感知誤差作如下處理:

其中,pe是評價模型輸入,p1是模擬器理想運動感知,p2是模擬器實際運動感知.

為了能對運動感知效果有比較準(zhǔn)確的評價,本文采用模糊評價的方法,建立系統(tǒng)的評價模型,依據(jù)不同評價區(qū)間對逼真度的影響建立隸屬度函數(shù)[11].

當(dāng)感知誤差為負(fù)的時候,出現(xiàn)方向感知反向,將嚴(yán)重影響感知逼真度,隸屬度函數(shù)選擇為Z 型:

當(dāng)感知誤差在人體感知閾值以內(nèi)的時候,是模擬器的輸出感知最理想狀態(tài),此時在閾值內(nèi)的感知誤差都是最優(yōu)的,增強了評價界限設(shè)定的合理性,此時的隸屬度函數(shù)選擇為鐘型:

當(dāng)感知方向相同,但是絕對量的感知出現(xiàn)誤差的時候,應(yīng)選擇最常用的高斯型隸屬函數(shù):

當(dāng)感知的誤差到極大,不能接受或者評價沒有意義的時候,統(tǒng)一進行處理,選擇隸屬度函數(shù)為S 型:

在隸屬度函數(shù)參數(shù)設(shè)計的時候,應(yīng)滿足如下條件:

1)評語理想位置應(yīng)滿足隸屬度函數(shù)處于峰值;

2)某一函數(shù)的隸屬度為1 時,其他隸屬度函數(shù)的隸屬度應(yīng)接近或者等于零;

3)隸屬度的變化趨勢符合當(dāng)前評語的具體情況.

綜上,感知誤差的隸屬函數(shù)設(shè)計如圖2,其中θ1為人體感知的閾值,θ2為誤差過大以致失去評價意義的界值.

圖2 感知評價隸屬度函數(shù)

2.2 有效度規(guī)則

大多數(shù)情況下,同一輸入存在多個評價結(jié)果,一般采用最大隸屬度原則[12]來確定,即對于具體的評語集B={b1,b2,···,bn},評價結(jié)果:

但是最大隸屬度原則是存在有效性的,在評語集隸屬度相差不大的情況下,會使得評價結(jié)果不夠理想.所以,為了使得評價結(jié)果更具有合理性,采用有效度指標(biāo)來進行最大隸屬度原則判別,有效度[13]的定義為:

其中,β=max1≤i≤n{bi},γ=max1≤j≤n,j≠i{bj}.

通過對有效度定義分析可以發(fā)現(xiàn),有效度 α越大,最大隸屬度原則的有效性就越強,有效度 α越小,最大隸屬度原則的有效性就越弱.為了得到更加有意義的評價結(jié)果,本文引入有效度的置信區(qū)間 σ,當(dāng)有效度大于 σ時,采用最大隸屬度原則計算評價結(jié)果;當(dāng)有效度小于 σ時,說明存在隸屬度相近的評價結(jié)果,這時,為了得到更加嚴(yán)格的評價結(jié)果,選擇相對嚴(yán)格的評語作為評價結(jié)果,具體的選擇關(guān)系如表2.

表2 低有效度評價規(guī)則

以上方法能得到某一個離散時間點的感知評價結(jié)果,對于感知評價這顯然是不夠的,對于某一次飛行任務(wù)或者一個飛行動作進行評價還需要在時間上進行統(tǒng)計分析.

其中,pi為對應(yīng)評價集的時長占比,μi為評價的效能值.

3 仿真分析

為了對模型的評價效果進行驗證,本文采用了一次爬升動作的Z 向過載和一次盤旋下降動作的Y 向過載進行分析,將模擬器輸出與預(yù)期感知作為模型輸入,對模擬器的運動模擬逼真度進行評價.系統(tǒng)的輸入如圖3所示.

圖3 飛行模擬數(shù)據(jù)

對感知誤差進行方向處理.使得評價模型的輸入具有方向相同或者相反的屬性.對案例中的真實感知和模擬器感知輸出進行方向處理,處理結(jié)果如圖4.

圖4 預(yù)處理結(jié)果

從處理結(jié)果可以看出,在爬升這類難度不高的動作中,模擬器的仿真結(jié)果整體是比較平穩(wěn)的,僅在8 s附近出現(xiàn)比較大的過載偏差.盤旋下降的過載高頻分量較多,模擬效果的波動較為明顯,但是不存在較大的感知誤差.

依據(jù)評價模型中提到的隸屬度函數(shù)設(shè)計原則,設(shè)計參數(shù)值如下:

(1)當(dāng)感知方向相反的時候,評價為DE,采用的是Z 型隸屬度函數(shù),參數(shù)a,b設(shè)置為:a=?0.03,b=?0.025.

(2)當(dāng)評價為HR 時,采用鐘型函數(shù),依據(jù)人體感知閾值特性,參數(shù)a,b,c設(shè) 置為:a=0.03,b=1,c=0.

(3)當(dāng)評價為RR,CR,NR 時,統(tǒng)一采用高斯分布類似處理,考慮與其他隸屬度函數(shù)的耦合關(guān)系,可以將參數(shù) σ,c分別設(shè)置為:σRR=1,cRR=2;σCR=1,cCR=4.5;σNR=1,cNR=6.

(4)當(dāng)評價為HNR 時,采用S 型隸屬度,參數(shù)a,b設(shè)置為:a=6,b=8.

如果某一個評價輸入同屬于多個隸屬度函數(shù)的時候,盡管最大隸屬度始終存在.但是當(dāng)最大和次大隸屬度接近時,僅僅通過最大隸屬度的原則來判別,會降低一部分結(jié)果的客觀性.有效度的大小反映了隸屬度的接近程度.評語結(jié)果數(shù)n=6,此時最大隸屬度原則有效度:

隸屬度有效度是為了解決隸屬度相近的時候的評價結(jié)果,同一的評價輸入如果同屬于兩個相近的隸屬度函數(shù),這時兩個函數(shù)的隸屬度均在0.5 左右,將β=0.5,γ=0.5帶 入,可以設(shè)定α0=0.4為隸屬度有效度參考值.

以爬升和盤旋下降動作的誤差作為輸入,在隸屬度函數(shù)上進行評價計算,并對時域上的評價結(jié)果進行統(tǒng)計,結(jié)果如圖5.

圖5 評價時長占比統(tǒng)計

兩個飛行動作的模擬評語為HR的占大多數(shù),但是也看出機動要求比較高的動作中,模擬出現(xiàn)了比較大的波動,甚至出現(xiàn)了負(fù)牽引(DE)的情況.

為了得到統(tǒng)一直觀的評價結(jié)果,還需要對評語集進行效能值設(shè)計,如果僅僅采用專家評分的方法來進行各個評語的指標(biāo)設(shè)計,有很強的主觀性.層次分析法是將定性問題轉(zhuǎn)化為定量問題的有效途徑,所以可以采用層次分析法進行評分設(shè)計.各個評語的評分值可以類比權(quán)重方法進行設(shè)計,也就是權(quán)重越弱,評分越低.因此構(gòu)造判斷矩陣如下:

計算得權(quán)重關(guān)系為:

最大特征根 λmax=6.536,CR=0.0865,其中CR<0.10,通過一致性檢驗.以權(quán)重比例為得分依據(jù),所以μ=w;以時長比例計算總的評價值:

按照該案例中的評估,最優(yōu)的評估結(jié)果,即全部評價為HR,對應(yīng)的評分為0.529.所以最后的評價結(jié)果以0.529為最佳結(jié)果進行百分制轉(zhuǎn)換,得到評價結(jié)果:

從評價結(jié)果可以看出,在某型模擬器中,對爬升動作Z 向的模擬逼真度很高,但是盤旋下降動作的Y 向的模擬逼真度相對較低.從評價過程分析,主要是因為存在較多的RR 存在,并且還存在少量的負(fù)牽引出現(xiàn),影響了評價結(jié)果.也反映了本文中的評價模型能夠完成運動感知的模擬逼真度評價,能對不同模擬效果進行有效區(qū)分.

4 總結(jié)

本文采用模糊評價的方法,以人體感知閾值為主要標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模糊評價的隸屬度函數(shù).對原始數(shù)據(jù)進行方向處理,使得評價模型能對模擬中出現(xiàn)的負(fù)牽引現(xiàn)象進行區(qū)別評價.最后采用最大隸屬度函數(shù)有效度置信區(qū)間對評價模型進行嚴(yán)格化處理.通過案例仿真,對爬升動作Z 向和盤旋下降Y 向過載模擬結(jié)果進行評價,本文的評價模型能夠?qū)\動感知的模擬逼真度進行評價,從而有效評價運動仿真系統(tǒng)的模擬逼真度.