【摘要】：為了幫助航天員掌握在失重環(huán)境下依賴視覺信息進(jìn)行艙內(nèi)導(dǎo)航的技能,提出2種訓(xùn)練方法并探討其優(yōu)劣.首先利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了空間站模型,模擬航天員以不同身體姿態(tài)漫游時(shí)獲取的視覺反饋,設(shè)計(jì)了強(qiáng)調(diào)艙段視覺正向的局部正向法和注重空間站視覺正向的整體正向法,并開展實(shí)驗(yàn)探究;然后通過數(shù)據(jù)分析得出文中方法對導(dǎo)航任務(wù)績效存在顯著影響,其中局部正向法能夠強(qiáng)化地標(biāo)和路線知識;而整體正向法有利于建立完整的空間認(rèn)知地圖,并且適合于低能見度條件下的應(yīng)急撤離訓(xùn)練.
【圖文】：

境,完成故障情況下的緊急撤離訓(xùn)練.本文以我國后續(xù)載人航天任務(wù)為背景,在建立空間站艙內(nèi)導(dǎo)航虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開展導(dǎo)航訓(xùn)練方法實(shí)驗(yàn)探究,分析不同的訓(xùn)練方法對導(dǎo)航任務(wù)績效的影響,旨在選取最優(yōu)的方法應(yīng)用于航天員導(dǎo)航訓(xùn)練.1空間站艙內(nèi)導(dǎo)航虛擬訓(xùn)練1.1虛擬空間站作為導(dǎo)航訓(xùn)練的基礎(chǔ),虛擬空間站為受訓(xùn)航天員提供了一個(gè)逼真的視覺環(huán)境.受訓(xùn)航天員可以沉浸在虛擬環(huán)境中,完成在虛擬空間站中的移行和對儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)交互操作.以我國未來空間站構(gòu)想圖為基礎(chǔ),參考“和平號”空間站和國際空間站的結(jié)構(gòu),建立了一個(gè)如圖1所示的11艙段的虛擬空間站構(gòu)想模型.該模型由9個(gè)基本功能艙段和2個(gè)節(jié)點(diǎn)艙組成.基本功能艙段的外形為柱狀結(jié)構(gòu),內(nèi)部空間多為矩形結(jié)構(gòu);節(jié)點(diǎn)艙是6個(gè)方向上均存在出口的球型結(jié)構(gòu),連接其他艙段構(gòu)成復(fù)雜的三維組合體.圖1中紅色箭頭代表各艙段的局部視覺正向,大多數(shù)艙段具有相同的局部視覺正向軸,把它定義為空間站整體視覺正向軸,如圖中藍(lán)色箭頭所示.圖1虛擬空間站模型及視覺正向軸在虛擬空間站的內(nèi)飾設(shè)計(jì)方面,每個(gè)艙段擁有獨(dú)立的配色方案和布局風(fēng)格,模型紋理參考國際空間站或?qū)嵨锬M器照片.由于使用現(xiàn)實(shí)世界中熟悉實(shí)物的一些物理屬性進(jìn)行隱喻,能夠幫助理解空間環(huán)境[7];因此,在各艙段的內(nèi)部場景設(shè)計(jì)中,適當(dāng)簡化貼圖,重點(diǎn)關(guān)注視覺線索,如主要地標(biāo)信息、路標(biāo)信息和視覺正向信息.艙段的局部視覺正向是指從“地板”到“天花板”的方向,一般是由燈光、踢腳線、重要設(shè)備等標(biāo)志確定的.圖2展示了部分艙段的內(nèi)部場景設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ的布局具有一定的對稱性,航天員需要根據(jù)頂燈、四壁機(jī)柜上的設(shè)備判斷象限.核心艙Ⅱ提供了清晰的視覺正向線索,地板的配色、設(shè)備文字方向等可以幫助航天員很容易地進(jìn)行定向.1.2虛擬環(huán)境下

第1期劉相,等:基于虛擬現(xiàn)實(shí)的航天員艙內(nèi)導(dǎo)航訓(xùn)練方法103a.實(shí)驗(yàn)艙Ⅰb.核心艙Ⅱ圖2虛擬空間站模型及視覺正向軸解決導(dǎo)航困難的途徑主要是基于訓(xùn)練與學(xué)習(xí)的思路,即針對影響導(dǎo)航的人的因素,制定最優(yōu)的訓(xùn)練方法,幫助受訓(xùn)航天員熟悉艙內(nèi)工作環(huán)境,建立一個(gè)清晰準(zhǔn)確的空間認(rèn)知地圖.人的導(dǎo)航策略是能夠?qū)W習(xí)的,通過完善策略能夠提高導(dǎo)航績效.導(dǎo)航策略主要分為定向策略與路線策略2類[8].其中,定向策略關(guān)注整體框架和外界中心坐標(biāo)系,而路線策略依賴熟悉的地標(biāo)和自我中心坐標(biāo)系辨別方位.關(guān)于三維空間的導(dǎo)航問題,Chen等[9]的研究表明,定向偏好與空間定向障礙的易感性存在顯著相關(guān)性,傾向于使用身體軸向定向的受試者受到定向困難的影響較小.Vidal等[10]通過對比不同的導(dǎo)航身體姿態(tài),探究了自我中心坐標(biāo)系和外界中心坐標(biāo)系的關(guān)系對任務(wù)績效的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,導(dǎo)航過程中2個(gè)坐標(biāo)系重合次數(shù)越多,任務(wù)績效越好,空間結(jié)構(gòu)更容易記憶.為探究適合航天員高效導(dǎo)航的策略,本文提出了2種導(dǎo)航訓(xùn)練方法——基于路線策略的局部正向訓(xùn)練法和基于定向策略的整體正向訓(xùn)練法.局部正向訓(xùn)練方法,要求在導(dǎo)航過程中航天員的身體姿態(tài)保持與所在艙段的局部視覺正向軸一致.該方法采用以自我為中心的參照系建立空間認(rèn)知,航天員使用最熟悉的視角觀察空間站內(nèi)的物體,能夠充分學(xué)習(xí)各艙段的地標(biāo)知識.在穿越具有不同局部視覺正向軸的艙段時(shí),可以預(yù)先調(diào)整身體姿態(tài)以保證視覺上的舒適性.整體正向訓(xùn)練方法,要求在導(dǎo)航過程中航天員的身體姿態(tài)始終保持與空間站整體視覺正向軸一致.該方法采用以外在為中心的參照系建立空間認(rèn)知,強(qiáng)調(diào)艙段間空間方位關(guān)系的記憶.這種導(dǎo)航策略不限制移行方向上的3個(gè)自由度以及偏航方向的變化,但是嚴(yán)格限制俯仰與滾轉(zhuǎn)的變化.當(dāng)目標(biāo)
【作者單位】： 中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃(B1720132001) 人因工程國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資金資助項(xiàng)目(SYFD140051807)
【分類號】：V527;TP391.9

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本文編號：2540931