基于虚拟现实的航天员舱内导航训练方法
【图文】：
境,完成故障情况下的紧急撤离训练.本文以我国后续载人航天任务为背景,在建立空间站舱内导航虚拟训练系统的基础上开展导航训练方法实验探究,分析不同的训练方法对导航任务绩效的影响,旨在选取最优的方法应用于航天员导航训练.1空间站舱内导航虚拟训练1.1虚拟空间站作为导航训练的基础,虚拟空间站为受训航天员提供了一个逼真的视觉环境.受训航天员可以沉浸在虚拟环境中,完成在虚拟空间站中的移行和对仪器设备的实时交互操作.以我国未来空间站构想图为基础,参考“和平号”空间站和国际空间站的结构,建立了一个如图1所示的11舱段的虚拟空间站构想模型.该模型由9个基本功能舱段和2个节点舱组成.基本功能舱段的外形为柱状结构,内部空间多为矩形结构;节点舱是6个方向上均存在出口的球型结构,连接其他舱段构成复杂的三维组合体.图1中红色箭头代表各舱段的局部视觉正向,大多数舱段具有相同的局部视觉正向轴,把它定义为空间站整体视觉正向轴,如图中蓝色箭头所示.图1虚拟空间站模型及视觉正向轴在虚拟空间站的内饰设计方面,每个舱段拥有独立的配色方案和布局风格,模型纹理参考国际空间站或实物模拟器照片.由于使用现实世界中熟悉实物的一些物理属性进行隐喻,能够帮助理解空间环境[7];因此,在各舱段的内部场景设计中,适当简化贴图,重点关注视觉线索,如主要地标信息、路标信息和视觉正向信息.舱段的局部视觉正向是指从“地板”到“天花板”的方向,一般是由灯光、踢脚线、重要设备等标志确定的.图2展示了部分舱段的内部场景设计,实验舱Ⅰ的布局具有一定的对称性,航天员需要根据顶灯、四壁机柜上的设备判断象限.核心舱Ⅱ提供了清晰的视觉正向线索,地板的配色、设备文字方向等可以帮助航天员很容易地进行定向.1.2虚拟环境下
第1期刘相,等:基于虚拟现实的航天员舱内导航训练方法103a.实验舱Ⅰb.核心舱Ⅱ图2虚拟空间站模型及视觉正向轴解决导航困难的途径主要是基于训练与学习的思路,即针对影响导航的人的因素,制定最优的训练方法,帮助受训航天员熟悉舱内工作环境,建立一个清晰准确的空间认知地图.人的导航策略是能够学习的,通过完善策略能够提高导航绩效.导航策略主要分为定向策略与路线策略2类[8].其中,定向策略关注整体框架和外界中心坐标系,而路线策略依赖熟悉的地标和自我中心坐标系辨别方位.关于三维空间的导航问题,Chen等[9]的研究表明,定向偏好与空间定向障碍的易感性存在显著相关性,倾向于使用身体轴向定向的受试者受到定向困难的影响较小.Vidal等[10]通过对比不同的导航身体姿态,探究了自我中心坐标系和外界中心坐标系的关系对任务绩效的影响,实验结果表明,导航过程中2个坐标系重合次数越多,任务绩效越好,空间结构更容易记忆.为探究适合航天员高效导航的策略,本文提出了2种导航训练方法——基于路线策略的局部正向训练法和基于定向策略的整体正向训练法.局部正向训练方法,要求在导航过程中航天员的身体姿态保持与所在舱段的局部视觉正向轴一致.该方法采用以自我为中心的参照系建立空间认知,航天员使用最熟悉的视角观察空间站内的物体,能够充分学习各舱段的地标知识.在穿越具有不同局部视觉正向轴的舱段时,可以预先调整身体姿态以保证视觉上的舒适性.整体正向训练方法,要求在导航过程中航天员的身体姿态始终保持与空间站整体视觉正向轴一致.该方法采用以外在为中心的参照系建立空间认知,强调舱段间空间方位关系的记忆.这种导航策略不限制移行方向上的3个自由度以及偏航方向的变化,但是严格限制俯仰与滚转的变化.当目标
【作者单位】： 中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室;
【基金】：国防基础科研计划(B1720132001) 人因工程国防科技重点实验室资金资助项目(SYFD140051807)
【分类号】：V527;TP391.9
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，本文编号：2540931
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