CN111785125B - 一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法，包括如下步骤：选择错觉训练形态；通过飞行错觉模拟软件对关键运动参数，飞行错觉模拟软件根据设定科氏加速度计算俯仰角速度和旋转时间；飞行错觉模拟软件根据运动参数生成离心机运行曲线并显示在上位机界面上，选择运动曲线，离心机启动，按照启动曲线进入设定过载Gz_act，过程中滚转框随动，离心机滚转框角位移为
Figure DDA0002604151590000011
；维持设定过载，离心机偏航轴开始匀速旋转，维持偏航轴匀速旋转，离心机俯仰轴快速旋转；维持偏航轴匀速旋转，过程中使俯仰轴缓慢恢复0位，当偏航轴总旋转时间达到trot后停止旋转；按照停机曲线进入停机状态；将训练数据存入数据库。通过本发明，可以实现提高触发错觉的有效性。

Description

一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法
技术领域
本发明涉及飞行训练领域，具体是一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法。
背景技术
飞行错觉是飞行员在飞行过程中，对飞机的姿态、位置和运动状态产生的错误知觉形式，具有发生率较高、致命性事故比例高、人员及经济损失重大等特点。尽管新机种、新设备上应用了不少新技术，有了不少新发展，但飞行错觉的种类基本没有改变，飞行错觉发生率占事故原因的比例还略有上升。为降低飞行错觉引起的飞行事故，应当通过错觉模拟训练提高飞行员对飞行错觉的认知，从而降低I型(不可认知型)空间定向障碍的发生率。
飞行错觉根据感知器官可以分为：前庭本体性飞行错觉、前庭视觉性飞行错觉、视觉性飞行错觉和中枢性飞行错觉。其中，前庭本体性飞行错觉与飞行员前庭器官受到的各种加速度刺激有关，包括线加速度和角加速度。前庭本体性错觉可以进一步细分为躯体旋转错觉、科里奥利错觉、躯体重力错觉、超G错觉等。科里奥利错觉是前庭本体性错觉的一种，当飞行员在飞机绕一旋转轴转动时头部作位移或转动运动，或者飞机同时绕两个或三个轴作转动运动时，均会在飞行员头部产生科里奥利加速度，受此加速度作用的飞行员就有可能产生科里奥利错觉。
现有的科里奥利错觉模拟方法主要有以下两种：
采用电动转椅在偏航轴匀角速度旋转中让受训者分别在额状平面内向左或向右动头体验科里奥利俯仰错觉，在矢状平面内低头或抬头体验科里奥利倾斜、滚转错觉。该方法可以有效提高飞行员对科里奥利错觉的认知，但存在以下不足：飞行员自主动头的幅度、角速度甚至方向因人而异，产生的科氏加速度也不相同，因此无法精确控制在人体头部产生的科氏加速度，可能无法有效触发错觉或使人体产生不期望的恶心、呕吐等植物神经症状；研究表明，过载下科里奥利错觉效应更加明显，该方法仅模拟1g重力场下的科里奥利错觉，没有对过载情况下的错觉效应进行模拟。
另一种模拟方法是在转椅上通过头部摆动装置控制飞行员头部的摆动方向、幅度和速度，从而产生可控的科氏加速度，但该方法同样未对过载下的科里奥利错觉进行模拟；
现有模拟方法主要存在以下缺点：
1、通过自主动头来触发科里奥利错觉，但动头方向、幅度和角速度因人而异，产生的科氏加速度不尽相同，若科氏加速度较小，则无法有效触发错觉，若科氏加速度过大，又会使人体产生不期望的恶心、呕吐等植物神经症状；
2、仅对1g重力场下的科里奥利错觉进行模拟，无法对过载情况下的错觉效应进行模拟；
3、普遍未对实际产生的科氏加速度进行精确量化控制，仅作原理性演示。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法，包括如下步骤：
步骤一，选择错觉训练形态：滚转或俯仰，若选择滚转形态，则调整飞行员座椅处于正切向前位，若选择俯仰形态，则调整飞行员座椅处于向心位；
步骤二，通过飞行错觉模拟软件对关键运动参数，包括设定过载值Gz_act、偏航轴角速度
Figure BDA0002604151570000021
科里奥利加速度ac、摆动角位移Δθ、起始平飞时间tlev1、偏航旋转时间trot、偏航旋转适应时间tlast、维持平飞时间tlev2进行设置；
步骤三，飞行错觉模拟软件根据设定科氏加速度计算俯仰角速度和旋转时间；
步骤四，飞行错觉模拟软件根据运动参数生成离心机运行曲线并显示在上位机界面上，选择运动曲线，离心机启动，按照启动曲线进入设定过载Gz_act，过程中滚转框随动，离心机滚转框角位移为
Figure BDA0002604151570000022
步骤五，维持设定过载，持续时间tlev1，用于使飞行员适应设定过载；离心机偏航轴开始匀速旋转，角速度为
Figure BDA0002604151570000023
维持偏航轴匀速旋转，持续时间tlast；离心机俯仰轴快速旋转，角速度为
Figure BDA0002604151570000024
持续时间tsway后停止；记录飞行员是否产生滚转或俯仰形态的错觉以及错觉强度；维持偏航轴匀速旋转，过程中使俯仰轴缓慢恢复0位，当偏航轴总旋转时间达到trot后停止旋转；维持设定过载，持续时间tlev2；离心机缓慢停机，按照停机曲线进入停机状态；
步骤六，将训练数据存入数据库。
进一步的，所述的飞行错觉模拟软件根据设定科氏加速度计算俯仰角速度和旋转时间，其计算公式如下：
Figure BDA0002604151570000025
Figure BDA0002604151570000026
进一步的，所述的离心机滚转框角位移采用如下公式：
Figure BDA0002604151570000031
本发明的有益效果是：通过离心机主轴旋转配合滚转框定位，可以在飞行员头足方向产生可控的、大于1g的过载值，从而可以模拟过载情况下的科里奥利错觉；通过离心机俯仰框运动代替人体自主动头，可以对摆动的幅度、角速度进行控制，从而精确控制人体头部产生的科氏加速度；通过建立飞行员的错觉阈值数据库并合理设定科氏加速度，可以提高触发错觉的有效性。
附图说明
图1为一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法的原理图；
图2为滚转形态科里奥利错觉示意图；
图3为俯仰形态科里奥利错觉示意图；
图4为离心机运行曲线。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法，包括如下步骤：
步骤一，选择错觉训练形态：滚转或俯仰，若选择滚转形态，则调整飞行员座椅处于正切向前位，若选择俯仰形态，则调整飞行员座椅处于向心位；
步骤二，通过飞行错觉模拟软件对关键运动参数，包括设定过载值Gz_act、偏航轴角速度
Figure BDA0002604151570000032
科里奥利加速度ac、摆动角位移Δθ、起始平飞时间tlev1、偏航旋转时间trot、偏航旋转适应时间tlast、维持平飞时间tlev2进行设置；
步骤三，飞行错觉模拟软件根据设定科氏加速度计算俯仰角速度和旋转时间；
步骤四，飞行错觉模拟软件根据运动参数生成离心机运行曲线并显示在上位机界面上，选择运动曲线，离心机启动，按照启动曲线进入设定过载Gz_act，过程中滚转框随动，离心机滚转框角位移为
Figure BDA0002604151570000033
步骤五，维持设定过载，持续时间tlev1，用于使飞行员适应设定过载；离心机偏航轴开始匀速旋转，角速度为
Figure BDA0002604151570000034
维持偏航轴匀速旋转，持续时间tlast；离心机俯仰轴快速旋转，角速度为
Figure BDA0002604151570000035
持续时间tsway后停止；记录飞行员是否产生滚转或俯仰形态的错觉以及错觉强度；维持偏航轴匀速旋转，过程中使俯仰轴缓慢恢复0位，当偏航轴总旋转时间达到trot后停止旋转；维持设定过载，持续时间tlev2；离心机缓慢停机，按照停机曲线进入停机状态；
步骤六，将训练数据存入数据库。
飞行错觉模拟软件根据设定科氏加速度计算俯仰角速度和旋转时间，其计算公式如下：
Figure BDA0002604151570000041
Figure BDA0002604151570000042
离心机滚转框角位移采用如下公式：
Figure BDA0002604151570000043
具体的，Gx为人体胸背向过载，g；Gy为人体左右向过载，g；Gz为人体头足向过载，g；Gz_act为设定过载值，错觉模拟过程中人体头足向的过载，g；
Figure BDA0002604151570000044
为多轴离心机滚转轴角位移，rad；
Figure BDA0002604151570000045
为在设定过载值下对应的滚转角位移，
Figure BDA0002604151570000046
rad；
Figure BDA0002604151570000047
为多轴离心机偏航轴角速度，rad/s；
Figure BDA0002604151570000048
为多轴离心机偏航轴设定角速度，rad/s；
Figure BDA0002604151570000049
为多轴离心机俯仰轴角速度，rad/s；
Figure BDA00026041515700000410
为多轴离心机俯仰轴设定角速度，rad/s；ac为科里奥利加速度设定值，m/s2；Δθ为摆动角位移，离心机俯仰轴运动角位移，d为离心机俯仰方向旋转轴与人体前庭器官的垂直距离，m；r为离心机主轴旋转半径，m；ω为离心机主轴旋转角速度，rad/s；tlev1为起始平飞时间，在偏航轴开始旋转前维持设定过载的时间，s；trot为多轴离心机偏航轴匀速旋转时间，s；tlast为偏航旋转适应时间，在离心机俯仰轴运动前偏航轴维持旋转的时间，stsway为俯仰轴旋转时间，多轴离心机俯仰轴匀速旋转时间，s；tlev2为维持平飞时间，在偏航轴停止旋转后维持设定过载的时间，s。
调整飞行员座椅处于正切向前位；飞行员进入离心机座舱，工作人员从外部关闭舱门；教员通过飞行错觉模拟软件设置关键运动参数：设定过载值Gz_act，偏航轴角速度
Figure BDA00026041515700000411
科里奥利加速度ac，摆动角位移Δθ、起始平飞时间tlev1＝20s，偏航旋转时间trot＝60s，偏航旋转适应时间tlast＝30s，维持平飞时间tlev2＝20s；离心机俯仰方向旋转轴与人体前庭器官的垂直距离为d，根据设定科氏加速度计算俯仰角速度和旋转时间
Figure BDA00026041515700000412
飞行错觉模拟软件根据运动参数生成离心机运行曲线并显示在上位机界面上；教员对运行曲线进行确认，并按下开始训练按钮；在座舱内显示无明显姿态信息的视景信息，仪表盘失能；离心机启动，按照启动曲线进入设定过载Gz_act，过程中滚转框随动；维持设定过载并等待20s，使飞行员适应设定过载；离心机偏航轴开始匀速旋转，角速度为
Figure BDA0002604151570000051
维持偏航轴匀速旋转并等待30s；离心机俯仰轴以
Figure BDA0002604151570000052
的角速度快速旋转，旋转tsway后停止，俯仰轴定位在Δθ；语音询问飞行员姿态感受，记录其是否产生滚转形态的错觉以及错觉强度；维持偏航轴匀速旋转，过程中使俯仰轴缓慢恢复0位，当偏航轴总旋转时间达到60s后停止旋转；继续维持设定过载20s；离心机缓慢停机，按照停机曲线进入停机状态；工作人员打开舱门，飞行员离开离心机座舱；由教员对飞行员训练情况进行讲解，并将训练数据存入数据库。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，选择错觉训练形态：滚转或俯仰，若选择滚转形态，则调整飞行员座椅处于正切向前位，若选择俯仰形态，则调整飞行员座椅处于向心位；
步骤二，通过飞行错觉模拟软件对关键运动参数，包括设定过载值Gz_act、偏航轴角速度
Figure FDA0003521498200000011
科里奥利加速度ac、摆动角位移Δθ、起始平飞时间tlev1、偏航旋转时间trot、偏航旋转适应时间tlast、维持平飞时间tlev2进行设置；
步骤三，飞行错觉模拟软件根据设定科氏加速度计算俯仰角速度和旋转时间；
步骤四，飞行错觉模拟软件根据运动参数生成离心机运行曲线并显示在上位机界面上，选择运动曲线，离心机启动，按照启动曲线进入设定过载Gz_act，过程中滚转框随动，离心机滚转框角位移为
Figure FDA0003521498200000015
步骤五，维持设定过载，持续时间tlev1，用于使飞行员适应设定过载；离心机偏航轴开始匀速旋转，角速度为
Figure FDA0003521498200000016
维持偏航轴匀速旋转，持续时间tlast；离心机俯仰轴快速旋转，角速度为
Figure FDA0003521498200000017
持续时间tsway后停止；记录飞行员是否产生滚转或俯仰形态的错觉以及错觉强度；维持偏航轴匀速旋转，过程中使俯仰轴缓慢恢复0位，当偏航轴总旋转时间达到trot后停止旋转；维持设定过载，持续时间tlev2；离心机缓慢停机，按照停机曲线进入停机状态；
步骤六，将训练数据存入数据库。
2.根据权利要求1所述的一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法，其特征在于，所述的飞行错觉模拟软件根据设定科氏加速度计算俯仰角速度和旋转时间，其计算公式如下：
Figure FDA0003521498200000012
Figure FDA0003521498200000013
其中的d为离心机俯仰方向旋转轴与人体前庭器官的垂直距离。
3.根据权利要求1所述的一种考虑过载因素的科里奥利错觉模拟方法，其特征在于，所述的离心机滚转框角位移采用如下公式：
Figure FDA0003521498200000014
其中的Gz为人体头足向过载。
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