一种空间定向前庭感知模型仿真研究

发布时间：2021-10-17 11:17

　　目的建立一种人体空间定向前庭感知模型,通过仿真试验验证模型的仿真效果和对前庭性飞行错觉的预测效能。方法基于人体多感觉系统空间定向建模理论,采用Matlab/Simulink软件,建立了包含耳石器、半规管传递函数及其整合机制的空间定向前庭感知模型。通过给模型输入前庭功能检查或引发飞行错觉的线加速度、角速度等运动信息,对偏垂直轴旋转、前庭科里奥利效应、墓地螺旋错觉和躯体重力错觉进行仿真试验。结果模型输出的线加速度、角速度、姿态角和重力矢量等结果与相关研究或理论分析计算结果一致,能较准确地模拟人体空间定向前庭感知功能和预测前庭性飞行错觉。结论建立的人体空间定向前庭感知模型具有较高的可信度,可用于飞行空间定向及飞行错觉分析。 

【文章来源】：航天医学与医学工程. 2019,32(04)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图１耳石器传递函数Ｂｏｄｅ图

测到的角加速度感觉信息、耳石器检测到的重力和线加速度感觉信息，在中枢神经系统整合形成人体空间定向知觉，并维持人体平衡。地球重力场的基本常性———重力垂直性是前庭感觉信息整合过程中的一个重要制约因素。人体在地球坐标系下进行空间定向时，对姿态、旋转运动轴和直线运动方向的定向都需要基于对重力垂直方向的估计和判断。在前庭感知模型重力垂直方向的感觉整合机制中，需要考虑角运动引起人体对重力垂直方向知觉的变化、以及耳石器感受重力和线加速度惯性力合力这两方面因素。为便于分析，首先建立如图３所示的人体头部三维正交坐标系，该坐标系遵守右手法则。ｘ轴、ｙ轴、ｚ轴分别与人体矢状轴、冠状轴、垂直轴平齐，正方向依次为前、左和上。绕ｘ轴、ｙ轴、ｚ轴滚转、俯仰和偏转的正方向符合右手法则。基于观察者模型有关理论，建立的空间定向前庭感知模型原理图［１０］如图４所示。该前庭感知模型的输入为线加速度ａ和角速度ω，输出为人感觉到的线加速度ａｅｓｔ、角速度ωｅｓｔ、重力ｇｅｓｔ和姿态角Ａｎｇｌｅｅｓｔ，ｇ为重力。上述变量均为人体头部坐标系下的三维矢量，下标ｅｓｔ代表中枢神经系统内部模型对运动感觉的估计值。ｆ为比力，ｆ＝ａ－ｇ。ｇ（ω）表示根据人体头部坐标系下的角运动更新重力方向，公式为ｄｇ／ｄｔ＝ｇ×ω。图３人体头部坐标系示意图Ｆｉｇ．３ＨｅａｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｆｒａｍｅＨ（Ｓ）ｏｔｏ、Ｈ（Ｓ）ｓｃｃ分别是耳石器和半规管的传递函数，Ｈ（Ｓ）ｏｔｏ＿ｅｓｔ、Ｈ（Ｓ）ｓｃｃ＿ｅｓｔ分别是其内部模型中的传递函数。ＧＩＦ＿Ｅｒｒ

基于对重力垂直方向的估计和判断。在前庭感知模型重力垂直方向的感觉整合机制中，需要考虑角运动引起人体对重力垂直方向知觉的变化、以及耳石器感受重力和线加速度惯性力合力这两方面因素。为便于分析，首先建立如图３所示的人体头部三维正交坐标系，该坐标系遵守右手法则。ｘ轴、ｙ轴、ｚ轴分别与人体矢状轴、冠状轴、垂直轴平齐，正方向依次为前、左和上。绕ｘ轴、ｙ轴、ｚ轴滚转、俯仰和偏转的正方向符合右手法则。基于观察者模型有关理论，建立的空间定向前庭感知模型原理图［１０］如图４所示。该前庭感知模型的输入为线加速度ａ和角速度ω，输出为人感觉到的线加速度ａｅｓｔ、角速度ωｅｓｔ、重力ｇｅｓｔ和姿态角Ａｎｇｌｅｅｓｔ，ｇ为重力。上述变量均为人体头部坐标系下的三维矢量，下标ｅｓｔ代表中枢神经系统内部模型对运动感觉的估计值。ｆ为比力，ｆ＝ａ－ｇ。ｇ（ω）表示根据人体头部坐标系下的角运动更新重力方向，公式为ｄｇ／ｄｔ＝ｇ×ω。图３人体头部坐标系示意图Ｆｉｇ．３ＨｅａｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｆｒａｍｅＨ（Ｓ）ｏｔｏ、Ｈ（Ｓ）ｓｃｃ分别是耳石器和半规管的传递函数，Ｈ（Ｓ）ｏｔｏ＿ｅｓｔ、Ｈ（Ｓ）ｓｃｃ＿ｅｓｔ分别是其内部模型中的传递函数。ＧＩＦ＿Ｅｒｒ模块通过计算比力矢量前庭估计值与中央估计值之间的旋转误差，用于修正内部模型中的主观重力垂直方向。Ｋａ、Ｋｆａ、Ｋｗ、Ｋｆｗ和Ｋｗｆ分别为内部模型各反馈环路的参数。图４前庭感知模型原理图Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｖｅｓｔｉｂｕｌａｒｐｅ

【参考文献】：
期刊论文
[1]飞行错觉模拟器飞行仿真系统设计[J]. 王聪,师国伟,赵显亮,姚钦,杨明浩,熊端琴,王海霞,蒋科,贾宏博.  航天医学与医学工程. 2019(02)
[2]基于人感理论的航天飞行训练模拟技术研究[J]. 陈炜,晁建刚.  航天医学与医学工程. 2014(03)



本文编号：3441671