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展,載人離心機因能實現持續的高過載模擬越來越引起飛行訓練領域的重視,在飛行模擬領域也得到越來越廣泛的應用.飛行模擬器的逼真度是評價飛行模擬器最重要的指標之一,同時也能指導飛行模擬器的設計.目前關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過載感知,依據這個誤差量的大小來評價運動平臺的運動學解算算法的優劣.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[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[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.

現有的模擬器逼真度評價針對持續高過載模擬的應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,以此對運動學解算算法進行評價,將不能精準有效指導運動學解算算法的優化.

本文針對上述情況,結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境,所以通過飛行模擬器模擬真實的飛行物理量是不現實的,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對空中飛行的模擬,這也是飛行模擬器的基本理論依據.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,當線運動和角運動小于人體感覺閾值時,人體感覺不到相關運動的存在.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屬于一種外力,所以施加于人體前庭系統的過載是有一定的感知效果范圍的.經過以上分析,人體前庭系統對過載的感知是有一定的敏感區域的,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量評價,過載和角速度均存在方向.如果感知方向出現差錯,那么模擬的效果就很不理想,模擬器的逼真度要被很嚴重的降低.所以載人離心機的運動感知逼真度評價應該是結合方向、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,依據不同誤差區間的感覺體驗,評價集可設計為:

在設計飛行模擬器中,如果感知在方向上出現差錯,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確的評價,本文采用模糊評價的方法,建立系統的評價模型,依據不同評價區間對逼真度的影響建立隸屬度函數[11].

當感知誤差為負的時候,出現方向感知反向,將嚴重影響感知逼真度,隸屬度函數選擇為Z 型:

當感知誤差在人體感知閾值以內的時候,是模擬器的輸出感知最理想狀態,此時在閾值內的感知誤差都是最優的,增強了評價界限設定的合理性,此時的隸屬度函數選擇為鐘型:

當感知方向相同,但是絕對量的感知出現誤差的時候,應選擇最常用的高斯型隸屬函數:

當感知的誤差到極大,不能接受或者評價沒有意義的時候,統一進行處理,選擇隸屬度函數為S 型:

在隸屬度函數參數設計的時候,應滿足如下條件:

1)評語理想位置應滿足隸屬度函數處于峰值;

2)某一函數的隸屬度為1 時,其他隸屬度函數的隸屬度應接近或者等于零;

3)隸屬度的變化趨勢符合當前評語的具體情況.

綜上,感知誤差的隸屬函數設計如圖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

2.2 有效度規則

大多數情況下,同一輸入存在多個評價結果,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,會使得評價結果不夠理想.所以,為了使得評價結果更具有合理性,采用有效度指標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現,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果,本文引入有效度的置信區間 σ,當有效度大于 σ時,采用最大隸屬度原則計算評價結果;當有效度小于 σ時,說明存在隸屬度相近的評價結果,這時,為了得到更加嚴格的評價結果,選擇相對嚴格的評語作為評價結果,具體的選擇關系如表2.

表2 低有效度評價規則

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

其中,pi為對應評價集的時長占比,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.系統的輸入如圖3所示.

圖3 飛行模擬數據

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,處理結果如圖4.

圖4 預處理結果

從處理結果可以看出,在爬升這類難度不高的動作中,模擬器的仿真結果整體是比較平穩的,僅在8 s附近出現比較大的過載偏差.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.

依據評價模型中提到的隸屬度函數設計原則,設計參數值如下:

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

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

(3)當評價為RR,CR,NR 時,統一采用高斯分布類似處理,考慮與其他隸屬度函數的耦合關系,可以將參數 σ,c分別設置為:σRR=1,cRR=2;σCR=1,cCR=4.5;σNR=1,cNR=6.

(4)當評價為HNR 時,采用S 型隸屬度,參數a,b設置為:a=6,b=8.

如果某一個評價輸入同屬于多個隸屬度函數的時候,盡管最大隸屬度始終存在.但是當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.評語結果數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果,同一的評價輸入如果同屬于兩個相近的隸屬度函數,這時兩個函數的隸屬度均在0.5 左右,將β=0.5,γ=0.5帶 入,可以設定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,在隸屬度函數上進行評價計算,并對時域上的評價結果進行統計,結果如圖5.

圖5 評價時長占比統計

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

為了得到統一直觀的評價結果,還需要對評語集進行效能值設計,如果僅僅采用專家評分的方法來進行各個評語的指標設計,有很強的主觀性.層次分析法是將定性問題轉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計.各個評語的評分值可以類比權重方法進行設計,也就是權重越弱,評分越低.因此構造判斷矩陣如下:

計算得權重關系為:

最大特征根 λmax=6.536,CR=0.0865,其中CR<0.10,通過一致性檢驗.以權重比例為得分依據,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,最優的評估結果,即全部評價為HR,對應的評分為0.529.所以最后的評價結果以0.529為最佳結果進行百分制轉換,得到評價結果:

從評價結果可以看出,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牽引出現,影響了評價結果.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分.

4 總結

本文采用模糊評價的方法,以人體感知閾值為主要標準設計模糊評價的隸屬度函數.對原始數據進行方向處理,使得評價模型能對模擬中出現的負牽引現象進行區別評價.最后采用最大隸屬度函數有效度置信區間對評價模型進行嚴格化處理.通過案例仿真,對爬升動作Z 向和盤旋下降Y 向過載模擬結果進行評價,本文的評價模型能夠對運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的模擬逼真度.