CN116726388B - 一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统 - Google Patents
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Abstract
一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统及驱动方法包括以下步骤：步骤S1，计算模拟人眼的摄像头摆动加速度及摄像头摆动频率；步骤S2，惯性传感器测量头部摆动，计算惯性传感器摆动加速度，惯性传感器摆动频率；步骤S3，分别计算基于摄像头晕动剂量、基于惯性传感器晕动剂量，求差得冲突晕动剂量；步骤S4，计算摄像头摆动频率和惯性传感器摆动频率的摆动频率加权平均数；步骤S5，计算个性化晕动指数，并进行归一化处理，计算刺激时间；步骤S6，根据个性化晕动指数取值及摆动频率加权平均数开展前庭电刺激，前庭电刺激实施完毕后，各晕动剂量归零，往复此流程。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统。
背景技术
晕车是晕动症的一种形式，其是由运动引起的不舒适的感觉，经常在乘坐交通运输工具时发生，主要症状包括：胸闷、恶心、面色苍白等，同时伴随唇白面青、冒冷汗甚至呕吐等症状，严重降低了人们乘坐交通工具时的舒适性以及航空航天人员的工作效率。感觉冲突理论认为晕动症是由前庭、本体感受、视觉三者所接受信号的冲突所引起的，从而诱发感觉冲突。正是由于这些冲突的发生，导致身体的协调功能发生了破坏，前庭系统功能因此出现了紊乱。
现有缓解晕车的方法有以一种防晕车装置(CN203017517U)、一种防晕车气体的释放方法、装置、存储介质、系统及车辆(CN115107681A)为代表的方案从增加气味的方式避免晕车的发生的装置；也有以一种预防乘客晕车的装置及方法(CN109263518A)为代表通过调整座椅角度实现晕车预防的方案；此外，以车载式防晕车电刺激系统及方法(CN113415238A)为代表的技术方案通过提醒乘员开展手部电刺激及氧气释放等方法达到缓解晕动症的目的；国际上，福特汽车通过改变车辆内部屏幕上的显示内容，以匹配乘坐人员的内部方向，从而达到防止人员晕车的效果(US11397472B1)。然而上述防晕车均无法实现根据各人独特的晕车程度和反应作出有针对性的方案，无法以最准确的方式解决不同人所产生的不同程度的晕车情况。
发明内容
本发明采用前庭电刺激的方式减小前庭器官反馈与视觉反馈的差异，提供主动时空自平衡前庭刺激系统及驱动方法。
本发明提出一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激驱动方法，所述拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激驱动方法包括以下步骤：
步骤S1，计算模拟人眼的摄像头摆动加速度ac及摄像头摆动频率fc；
步骤S2，惯性传感器测量头部摆动，计算惯性传感器摆动加速度ai，惯性传感器摆动频率fi；
步骤S3，分别计算基于摄像头晕动剂量MSDVc、基于惯性传感器晕动剂量MSDVi，求差得冲突晕动剂量MSDVt；
步骤S4，计算摄像头摆动频率fc和惯性传感器摆动频率fi的摆动频率加权平均数
步骤S5，计算个性化晕动指数MSI，进行MSI归一化处理，不同MSI取值对应不同的刺激时间；
步骤S6，根据MSI取值及摆动频率加权平均数开展前庭电刺激，前庭电刺激实施完毕后，各晕动剂量MSDV归零，往复此流程。
更近一步地，在步骤1中，还包括以下步骤：
步骤S11，摄像头设置在车内人员前额部位，通过摄像头捕捉模拟人眼看到的画面，设置初始轴线g为车内人员在正坐状态下与垂直于地面的轴线重合；
步骤S12，实时采集模拟车内人员眼镜所看到的画面，并根据画面的倾斜角度计算车内人员实时头部摇动对应的轴线g与垂直于地面的轴线之间夹角θ；
步骤S13，并开展夹角θ二阶求导计算摄像头摆动加速度ac；
其中，t为每个捕捉画面的时间间隔；
步骤S14，根据摄像头摆动加速度ac的计算数值，再基于摄像头摆动加速度ac的增加、减小计算摄像头摆动频率fc。
更近一步地，在步骤2中，还包括以下步骤：
步骤S21，通过惯性传感器直接获取三轴的旋转加速度aix、aiy、aiz；
步骤S22，基于三轴的旋转加速度计算惯性传感器摆动加速度ai；
其公式为：
步骤S23，基于惯性传感器摆动加速度ai的增加、减小计算惯性传感器摆动频率fi。
更近一步地，在步骤3中，还包括以下步骤：
步骤S31，基于摄像头摆动加速度ac计算视觉晕动剂量MSDVc；
其公式为：
其中，T为时间；
步骤S32，基于惯性传感器摆动加速度ai计算前庭晕动剂量MSDVi；
其公式为：
其中，T为时间；
步骤S33，基于视觉晕动剂量与前庭晕动剂量计算冲突晕动剂量MSDVt；
其公式为：
MSDVt＝|MSDVc-MSDVi|
其中，MSDVc为视觉晕动剂量、MSDVi为前庭晕动剂量、MSDVt为冲突晕动剂量。
更近一步地，在步骤4中，所述摆动频率加权平均数为：
其中，a为个人视觉的敏感性权重值与b为前庭的敏感性权重值。
更近一步地，在步骤4中，所述个人视觉的敏感性权重值为0.7，前庭的敏感性权重值为0.3。
更近一步地，在步骤5中，还包括以下步骤：
步骤S51，根据冲突晕动剂量MSDVt计算个性化晕动指数MSI；
MSI＝K·MSDVt
其中，K为个人晕动剂量权重值，K值越大说明该个体越容易发生晕车；
当K＝0.33时，MSI＝0.3MSDVt
步骤S52，根据MSI的计算值，进行MSI归一化处理；
MSIMAX为当前所有计算MSI中的最大值，MSI′为MSI归一化值；
步骤S53，基于归一化MSI确定用户当前状态，确认刺激时间；
其公式为：
Time为实时刺激的时间，单位为毫秒ms，其中Time＝0代表不开展刺激。
还提供了一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统，所述拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统包括摄像头、惯性传感器、计算模块和刺激模块；
所述摄像头设置在车内人员前额部位，通过摄像头捕捉模拟人眼看到的画面，并计算摄像头摆动加速度和摄像头摆动频率；
所述惯性传感器设置在车内人员头部，用于采集车内人员头部摇动时三轴旋转加速度，并计算惯性传感器摆动加速度和惯性传感器摆动频率；
所述计算模块根据摄像头摆动加速度和惯性传感器摆动加速度计算得冲突晕动剂量、个性化晕动指数和刺激时间Time，并根据摄像头摆动频率和惯性传感器摆动频率计算摆动频率加权平均数
所述刺激模块根据刺激时间Time和摆动频率加权平均数对车内人员开展前庭电刺激。
更近一步地，所述刺激模块实施的电刺激为3.5mA的矩形波，总时长为刺激时间Time，每个周期为
本申请的有益效果是：
本发明提供的主动时空自平衡前庭刺激系统及驱动方法通过模拟视觉及前庭觉反馈冲突，建立的真实的晕动症仿生神经调控模型，并实现了对晕车程度进行量化。
本发明提供的主动时空自平衡前庭刺激系统及驱动方法采用前庭电刺激的方式以减小视觉反馈与前庭反馈的差异，减轻晕车症状。
本发明提供的主动时空自平衡前庭刺激系统及驱动方法根据可量化的不同电刺激时间对应不同晕车程度，实现了针对不同人体的差异化实施方案。
附图说明
图1为本发明提出实施例中当前视场与轴线g的夹角θ示意图；
图2为本发明提出实施例中一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统中开展前庭电刺激的示意图；
图3为本发明提出实施例中一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激驱动方法的流程示意图；
图4为本发明提出实施例中一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激驱动方法中步骤1的流程示意图；
图5为本发明提出实施例中一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激驱动方法中步骤2的流程示意图；
图6为本发明提出实施例中一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激驱动方法中步骤3的流程示意图；
图7为本发明提出实施例中一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激驱动方法中步骤5的流程示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如附图1所示，本发明提供了一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统，该主动时空自平衡前庭刺激系统包括摄像头、惯性传感器、计算模块和刺激模块。
其中，摄像头设置在车内人员前额部位，用于模拟人眼，并通过摄像头捕捉模拟人眼看到的画面；根据车内人员头部摇动与座位的倾角建立轴线g，设置初始轴线g为车内人员在正坐状态下，轴线g与垂直于地面的轴线重合。摄像头实时采集模拟车内人员眼镜所看到的画面，并根据画面的倾斜角度计算车内人员实时头部摇动对应的轴线g与垂直于地面的轴线之间夹角θ。
根据夹角θ二阶求导计算摄像头摆动加速度ac；
其中，t为每个捕捉画面的时间间隔；并根据摄像头摆动加速度ac的计算数值，再基于摄像头摆动加速度ac的增加、减小计算摄像头摆动频率fc。
惯性传感器也设置在车内人员头部，用于获取车内人员头部摇动时，三轴旋转加速度aix、aiy、aiz。
惯性传感器摆动加速度ai为：
并基于惯性传感器摆动加速度ai的增加、减小计算惯性传感器摆动频率fi。
计算模块根据分别根据摄像头摆动加速度ac计算基于摄像头晕动剂量MSDVc，并根据惯性传感器摆动加速度ai计算基于惯性传感器晕动剂量MSDVi，求差得冲突晕动剂量MSDVt；并根据冲突晕动剂量MSDVt计算个性化晕动指数MSI，根据个性化晕动指数MSI确认刺激时间。
同时，计算模块还根据摄像头摆动频率fc和惯性传感器摆动频率fi计算摆动频率加权平均数
如附图2所示，刺激模块将实时刺激时间Time及摆动频率加权平均数配合3.5mA的电流对车内人员开展前庭电刺激，并在刺激完毕后将各晕动剂量MSDV归零，往复循环本方案流程，开展下一次刺激。
如附图3所示，本发明还提供了一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激驱动方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，计算模拟人眼的摄像头摆动加速度ac及摄像头摆动频率fc；
如附图4所示，具体的在步骤S1中还包括：
步骤S11，摄像头设置在车内人员前额部位，通过摄像头捕捉模拟人眼看到的画面，设置初始轴线g为车内人员在正坐状态下与垂直于地面的轴线重合；
步骤S12，实时采集模拟车内人员眼镜所看到的画面，并根据画面的倾斜角度计算车内人员实时头部摇动对应的轴线g与垂直于地面的轴线之间夹角θ；
步骤S13，并开展夹角θ二阶求导计算摄像头摆动加速度ac；
其中，t为每个捕捉画面的时间间隔；
步骤S14，根据摄像头摆动加速度ac的计算数值，再基于摄像头摆动加速度ac的增加、减小计算摄像头摆动频率fc；
步骤S2，惯性传感器测量头部摆动，计算惯性传感器摆动加速度ai，惯性传感器摆动频率fi；
如附图5所示，具体的在步骤S2中还包括：
步骤S21，通过惯性传感器直接获取三轴的旋转加速度aix、aiy、aiz；
步骤S22，基于三轴的旋转加速度计算惯性传感器摆动加速度ai；
其公式为：
步骤S23，基于惯性传感器摆动加速度ai的增加、减小计算惯性传感器摆动频率fi。
步骤S3，分别计算基于摄像头晕动剂量MSDVc、基于惯性传感器晕动剂量MSDVi，求差得冲突晕动剂量MSDVt；
如附图6所示，具体的在步骤S3中还包括：
步骤S31，基于摄像头摆动加速度ac计算视觉晕动剂量MSDVc；
其公式为：
其中，T为时间；
步骤S32，基于惯性传感器摆动加速度ai计算前庭晕动剂量MSDVi；
其公式为：
其中，T为时间；
步骤S33，基于视觉晕动剂量与前庭晕动剂量计算冲突晕动剂量MSDVt；
其公式为：
MSDVt＝|MSDVc-MSDVi|
步骤S4，计算摄像头摆动频率fc和惯性传感器摆动频率fi的摆动频率加权平均数
其公式为：
其中，a、b为个人视觉与前庭的敏感性权重值，根据个体不同而设定，权重值越大说明对应器官在晕车中所占的贡献比率越高；人视觉与前庭的敏感性权重值a、b分别为0.7、0.3；
步骤S5，计算个性化晕动指数MSI，进行MSI归一化处理，不同MSI取值对应不同的刺激时间；
如附图7所示，具体的在步骤S5中还包括：
步骤S51，根据冲突晕动剂量MSDVt计算个性化晕动指数MSI；
MSI＝K·MSDVt
其中，K为个人晕动剂量权重值，K值越大说明该个体越容易发生晕车；
当K＝0.33时，MSI＝0.3MSDVt
步骤S52，根据MSI的计算值，进行MSI归一化处理；
MSIMAX为当前所有计算MSI中的最大值，MSI′为MSI归一化值；
步骤S53，基于归一化MSI确定用户当前状态，确认刺激时间；
其公式为：
Time为实时刺激的时间，单位为毫秒ms，其中Time＝0代表不开展刺激；
步骤S6，根据MSI取值及摆动频率加权平均数开展前庭电刺激，前庭电刺激实施完毕后，各晕动剂量MSDV归零，往复此流程。
尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。
Claims (2)
1.一种拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统，其特征在于，所述拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统包括摄像头、惯性传感器、计算模块和刺激模块；
所述摄像头设置在车内人员前额部位，通过摄像头捕捉模拟人眼看到的画面，并计算摄像头摆动加速度和摄像头摆动频率；
所述惯性传感器设置在车内人员头部，用于采集车内人员头部摇动时三轴旋转加速度，并计算惯性传感器摆动加速度和惯性传感器摆动频率；
所述计算模块根据摄像头摆动加速度和惯性传感器摆动加速度计算得冲突晕动剂量、个性化晕动指数和刺激时间Time，并根据摄像头摆动频率和惯性传感器摆动频率计算摆动频率加权平均数
所述刺激模块根据刺激时间Time和摆动频率加权平均数对车内人员开展前庭电刺激；
所述拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统的驱动方法包括以下步骤：
步骤S1，计算模拟人眼的摄像头摆动加速度ac及摄像头摆动频率fc；
步骤S2，惯性传感器测量头部摆动，计算惯性传感器摆动加速度ai，惯性传感器摆动频率fi；
步骤S3，分别计算基于摄像头晕动剂量MSDVc、基于惯性传感器晕动剂量MSDVi，求差得冲突晕动剂量MSDVt；
步骤S4，计算摄像头摆动频率fc和惯性传感器摆动频率fi的摆动频率加权平均数
步骤S5，计算个性化晕动指数MSI，进行MSI归一化处理，不同MSI取值对应不同的刺激时间；
步骤S6，根据MSI取值及摆动频率加权平均数开展前庭电刺激，前庭电刺激实施完毕后，各晕动剂量MSDV归零，往复此流程；
在步骤1中，还包括以下步骤：
步骤S11，摄像头设置在车内人员前额部位，通过摄像头捕捉模拟人眼看到的画面，设置初始轴线g为车内人员在正坐状态下与垂直于地面的轴线重合；
步骤S12，实时采集模拟车内人员眼镜所看到的画面，并根据画面的倾斜角度计算车内人员实时头部摇动对应的轴线g与垂直于地面的轴线之间夹角θ；
步骤S13，并开展夹角θ二阶求导计算摄像头摆动加速度ac；
其中，t为每个捕捉画面的时间间隔；
步骤S14，根据摄像头摆动加速度ac的计算数值，再基于摄像头摆动加速度ac的增加、减小计算摄像头摆动频率fc；
在步骤2中，还包括以下步骤：
步骤S21，通过惯性传感器直接获取三轴的旋转加速度aix、aiy、aiz；
步骤S22，基于三轴的旋转加速度计算惯性传感器摆动加速度ai；
其公式为：
步骤S23，基于惯性传感器摆动加速度ai的增加、减小计算惯性传感器摆动频率fi；
在步骤3中，还包括以下步骤：
步骤S31，基于摄像头摆动加速度ac计算视觉晕动剂量MSDVc；
其公式为：
其中，T为时间；
步骤S32，基于惯性传感器摆动加速度ai计算前庭晕动剂量MSDVi；
其公式为：
其中，T为时间；
步骤S33，基于视觉晕动剂量与前庭晕动剂量计算冲突晕动剂量MSDVt；
其公式为：
MSDVt＝|MSDVc-MSDVi|
其中，MSDVc为视觉晕动剂量、MSDVi为前庭晕动剂量、MSDVt为冲突晕动剂量；
在步骤4中，所述摆动频率加权平均数为：
其中，a为个人视觉的敏感性权重值与b为前庭的敏感性权重值；
所述个人视觉的敏感性权重值为0.7，前庭的敏感性权重值为0.3；
在步骤5中，还包括以下步骤：
步骤S51，根据冲突晕动剂量MSDVt计算个性化晕动指数MSI；
MSI＝K·MSDVt
其中，K为个人晕动剂量权重值，K值越大说明该个体越容易发生晕车；
当K＝0.33时，MSI＝0.3MSDVt
步骤S52，根据MSI的计算值，进行MSI归一化处理；
MSIMAX为当前所有计算MSI中的最大值，MSI′为MSI归一化值；
步骤S53，基于归一化MSI确定用户当前状态，确认刺激时间；
其公式为：
Time为实时刺激的时间，单位为毫秒ms，其中Time＝0代表不开展刺激。
2.根据权利要求1所述拟人反馈的主动时空自平衡前庭刺激系统，其特征在于，所述刺激模块实施的电刺激为3.5mA的矩形波，总时长为刺激时间Time，每个周期为
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