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摘 要：利用触觉进行科学合理的信息提示，对于飞行员在紧急情况下快速、正确地判断自身飞行姿态具有极其重要的意义。本文以振动刺激为信息表达手段，实现了对采集到的姿态信息进行触觉提示的目的，将飞行姿态的角度信息进行了划分，建立了“振动位置+振动强度”的组合提示信息编码方案，对飞行姿态与飞行角度进行了编码设计，提出了初步的触觉编码参量以及信息表达方案。
关键词：飞行姿态；信息表达；振动位置；振动强度
中图分类号：V241 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0301-02
目前，飞行员获取飞行姿态信息主要依靠视觉、听觉以及体觉（对于运动和力场的身体感觉等）。随着战机性能的发展和作战环境的复杂化，飞行员仅靠视觉、听觉以及体觉已不能满足获取更多更关键飞行姿态的能力。飞机海上飞行，碧水共长天一色，视觉获取飞机姿态则更容易发生空间定向障碍问题。主要存在的问题表现在：
（1）当遇复杂情况时，视觉不能第一时间注意到仪表信息，即使注意到，大脑对信息作出反应亦需要较长时间，造成姿态感知滞后；
（2）外界能见度低，不能通过外界视觉信息来获得空间定向；
（3）在航空环境中，前庭和体觉系统不能恒定提供重力的大小和方向的可靠信息；
（4）长时间疲劳飞行、分神等生理、心里因素，使得飞行员通过视觉、体觉的灵敏度降低，更不易通过视觉与体觉来获得态势信息；
（5）模糊的容易误解的视觉参照物和长时间的旋转动作容易造成飞行动作和位置的幻想，这样，也将大大降低视觉信息的可靠性。
如上所述，当传统的依靠视觉、听觉以及体觉来获取飞行姿态信息的手段，在特殊复杂情况下难以保障飞行员的飞行安全时，触觉感知，作为一种对视觉、听觉、体觉的辅助手段以及补充手段，发挥了不可磨灭的作用。将触觉感知应用于飞行员飞行姿态的感知，开拓新的信息提示領域，采用科学合理的方式对姿态信息加以编码整合，使其作为新型的辅助手段，快速、准确、有效地对飞行员进行空间态势信息的表达，可防止一些飞行事故的发生，具有极其积极的意义。因此，如何将飞行姿态信息利用触觉提示的方式进行准确、清晰的表达，是姿态信息提示系统的关键。
1 编码方案设计原则
参考直升机飞行员实际使用场景，确定本姿态信息提示系统的编码方案需达到的主要技术要求为：
（1）触觉提示系统能够表达水平翻滚、俯仰两类信息共60个信息量；
（2）触觉振动编码方案，可在平稳飞行状态下，为正常飞行[0°50°]（分度值为5°）、特技飞行[50°90°]（分度值为10°）提供可清晰辨别的飞行姿态提示信息。
振动刺激为触觉信息表达的重要方式之一，其在本姿态信息提示系统的应用实际为一种振动触觉表达装置，通过电机的振动对所接触皮肤予以刺激，以达到信息表达的目的飞行员姿态信息提示系统需要提示的信息可分为姿态信息和角度信息，编码过程中应充分考虑直观、简洁、易于学习的原则。角度信息编码可考虑的调节参数有空间位置、振动强度、节奏、振动顺序、振动个数等，其中振动强度为最为直观的触觉感受。实际编码时，要结合电机的客观性能参数以及前面所做的人体主观感受特性来设计。而电机的排布方式就是为了区分不同的姿态和角度而设计，显然上表中的振动位置是必选的编码参数，但仅以振动位置参与编码无法表达本文所求编码的信息量。
因此，选取振动强度与振动进行组合的编码方式进行飞行员飞行姿态信息的表达与提示。
2 振动电机排布方式
参考外文资料，在身体前后左右各排布一列电机，而每列电机又细分为5个电机，每个电机负责提示相应的角度范围。在此基础上可根据人体具体位置进行排布间距和位置的调整。电机排布示意图如图1所示。
电机的排布间距越大，振动时感受到的区分效果越明显。故在排布电机时，应在触觉装置空间距离限制内，尽可能地加大排布间距。
3 飞行姿态编码
左腰部竖排电机用于提示向左翻转方向的角度信息，右腰部竖排电机用于提示向右翻转方向的角度信息，腹部中心竖排电机用于提示向上仰飞的角度信息，背部中心竖排电机用于提示向下俯冲方向的角度信息。该方案的飞行姿态编码示意图如图2所示。
采用上述的姿态编码方法体现了刺激与反应在空间物理位置上的一致性，即身体左侧电机对应左翻转，右侧电机对应右翻转，前侧电机对应向上仰飞，后侧电机对应下俯冲。当俯仰和翻转需要同时提示时，表达相应飞行器姿态方向的竖排电机同时参与振动。
4 飞行角度编码
用背心装备上竖直排布的4组电机阵列，每一组电机阵列用于表达各自方向的角度信息，考虑到记忆的方便性和减小学习载荷，前后左右4组电机阵列的对各自方向的角度编码应保持一致。所要编码的角度信息中，[0°，5°）属于平稳状态不需要进行编码，大于等于90°的紧急状况时，5个电机全部振动，[5°，90°）范围内，通过5个电机分解相应角度进行表达。单方向电机对应角度信息量分解如表1所示。
通过实验，以最终实验员对飞行角度的判断正确率，来验证振动强度与振动位置进行组合的编码模式是否可达到对飞行员进行飞行姿态信息提示的目的。
5 实验验证
选取20名被试，年龄在25～35岁之间，身体感知功能正常，之前没有参加过类似触觉表达的感知实验。开始测试前被试需处于较为安静的环境中，穿戴好触觉振动装置后进行实验测试。模拟实验程序界面图如图3所示，随机给予被试一个角度，被试通过振动装置相应位置的振动提示进行角度判断，记录反映时间及正确率，结果如表2所示。
其中Coding Method表示编码模式，Mean表示正确率，Std. Deviation表示标准差。
由结果可看出，本系统所设计的触觉编码方案可基本满足该项研究内容对于静态测试下触觉信息表达的指标要求。但被试反应时间较长，且在大角度时判断的正确率较低。因此，进行飞行姿态信息提示的编码模式还有进一步优化的空间。
6 总结与展望
基于触觉所建立的飞机飞行姿态感知系统，在与飞行员的个体防护装备进行集成之后，可有效的解决飞行员在特殊情形下可能遇到的空间姿态信息丧失等问题，为飞行员的生命安全提供保障。采用“振动位置+振动强度”进行组合的编码模式可有效对飞行员的飞行姿态信息进行提示，但仍存在大角度飞行时易误判的现象。若想改善此种现象，则需要被试加强学习编码模式的时间，以及后续采取更为优化的编码模式。在下阶段可进行的深一步研究内容为：进一步优化触觉信息表达技术触觉编码方案。利用人体对振动电机的主观感受特性，研究现有的背心式（前后左右各5行规则排布的电机）编码排布方案所设定的触觉感受位置是否可以进行排列优化，以及是否可以增加更多的编码参数进行合理组合。
参考文献
[1]王晓东，王述洋，王显芳.人机工程学数据在产品设计中的应用[J].林业劳动安全，2006，19（4）：23～25.
[2]郝 飞.信息的触觉编码及振动触觉表达技术的研究[D].东南大学测试计量技术及仪器，2014.
收稿日期：2018-7-21
关键词：飞行姿态；信息表达；振动位置；振动强度
中图分类号：V241 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0301-02
目前，飞行员获取飞行姿态信息主要依靠视觉、听觉以及体觉（对于运动和力场的身体感觉等）。随着战机性能的发展和作战环境的复杂化，飞行员仅靠视觉、听觉以及体觉已不能满足获取更多更关键飞行姿态的能力。飞机海上飞行，碧水共长天一色，视觉获取飞机姿态则更容易发生空间定向障碍问题。主要存在的问题表现在：
（1）当遇复杂情况时，视觉不能第一时间注意到仪表信息，即使注意到，大脑对信息作出反应亦需要较长时间，造成姿态感知滞后；
（2）外界能见度低，不能通过外界视觉信息来获得空间定向；
（3）在航空环境中，前庭和体觉系统不能恒定提供重力的大小和方向的可靠信息；
（4）长时间疲劳飞行、分神等生理、心里因素，使得飞行员通过视觉、体觉的灵敏度降低，更不易通过视觉与体觉来获得态势信息；
（5）模糊的容易误解的视觉参照物和长时间的旋转动作容易造成飞行动作和位置的幻想，这样，也将大大降低视觉信息的可靠性。
如上所述，当传统的依靠视觉、听觉以及体觉来获取飞行姿态信息的手段，在特殊复杂情况下难以保障飞行员的飞行安全时，触觉感知，作为一种对视觉、听觉、体觉的辅助手段以及补充手段，发挥了不可磨灭的作用。将触觉感知应用于飞行员飞行姿态的感知，开拓新的信息提示領域，采用科学合理的方式对姿态信息加以编码整合，使其作为新型的辅助手段，快速、准确、有效地对飞行员进行空间态势信息的表达，可防止一些飞行事故的发生，具有极其积极的意义。因此，如何将飞行姿态信息利用触觉提示的方式进行准确、清晰的表达，是姿态信息提示系统的关键。
1 编码方案设计原则
参考直升机飞行员实际使用场景，确定本姿态信息提示系统的编码方案需达到的主要技术要求为：
（1）触觉提示系统能够表达水平翻滚、俯仰两类信息共60个信息量；
（2）触觉振动编码方案，可在平稳飞行状态下，为正常飞行[0°50°]（分度值为5°）、特技飞行[50°90°]（分度值为10°）提供可清晰辨别的飞行姿态提示信息。
振动刺激为触觉信息表达的重要方式之一，其在本姿态信息提示系统的应用实际为一种振动触觉表达装置，通过电机的振动对所接触皮肤予以刺激，以达到信息表达的目的飞行员姿态信息提示系统需要提示的信息可分为姿态信息和角度信息，编码过程中应充分考虑直观、简洁、易于学习的原则。角度信息编码可考虑的调节参数有空间位置、振动强度、节奏、振动顺序、振动个数等，其中振动强度为最为直观的触觉感受。实际编码时，要结合电机的客观性能参数以及前面所做的人体主观感受特性来设计。而电机的排布方式就是为了区分不同的姿态和角度而设计，显然上表中的振动位置是必选的编码参数，但仅以振动位置参与编码无法表达本文所求编码的信息量。
因此，选取振动强度与振动进行组合的编码方式进行飞行员飞行姿态信息的表达与提示。
2 振动电机排布方式
参考外文资料，在身体前后左右各排布一列电机，而每列电机又细分为5个电机，每个电机负责提示相应的角度范围。在此基础上可根据人体具体位置进行排布间距和位置的调整。电机排布示意图如图1所示。
电机的排布间距越大，振动时感受到的区分效果越明显。故在排布电机时，应在触觉装置空间距离限制内，尽可能地加大排布间距。
3 飞行姿态编码
左腰部竖排电机用于提示向左翻转方向的角度信息，右腰部竖排电机用于提示向右翻转方向的角度信息，腹部中心竖排电机用于提示向上仰飞的角度信息，背部中心竖排电机用于提示向下俯冲方向的角度信息。该方案的飞行姿态编码示意图如图2所示。
采用上述的姿态编码方法体现了刺激与反应在空间物理位置上的一致性，即身体左侧电机对应左翻转，右侧电机对应右翻转，前侧电机对应向上仰飞，后侧电机对应下俯冲。当俯仰和翻转需要同时提示时，表达相应飞行器姿态方向的竖排电机同时参与振动。
4 飞行角度编码
用背心装备上竖直排布的4组电机阵列，每一组电机阵列用于表达各自方向的角度信息，考虑到记忆的方便性和减小学习载荷，前后左右4组电机阵列的对各自方向的角度编码应保持一致。所要编码的角度信息中，[0°，5°）属于平稳状态不需要进行编码，大于等于90°的紧急状况时，5个电机全部振动，[5°，90°）范围内，通过5个电机分解相应角度进行表达。单方向电机对应角度信息量分解如表1所示。
通过实验，以最终实验员对飞行角度的判断正确率，来验证振动强度与振动位置进行组合的编码模式是否可达到对飞行员进行飞行姿态信息提示的目的。
5 实验验证
选取20名被试，年龄在25～35岁之间，身体感知功能正常，之前没有参加过类似触觉表达的感知实验。开始测试前被试需处于较为安静的环境中，穿戴好触觉振动装置后进行实验测试。模拟实验程序界面图如图3所示，随机给予被试一个角度，被试通过振动装置相应位置的振动提示进行角度判断，记录反映时间及正确率，结果如表2所示。
其中Coding Method表示编码模式，Mean表示正确率，Std. Deviation表示标准差。
由结果可看出，本系统所设计的触觉编码方案可基本满足该项研究内容对于静态测试下触觉信息表达的指标要求。但被试反应时间较长，且在大角度时判断的正确率较低。因此，进行飞行姿态信息提示的编码模式还有进一步优化的空间。
6 总结与展望
基于触觉所建立的飞机飞行姿态感知系统，在与飞行员的个体防护装备进行集成之后，可有效的解决飞行员在特殊情形下可能遇到的空间姿态信息丧失等问题，为飞行员的生命安全提供保障。采用“振动位置+振动强度”进行组合的编码模式可有效对飞行员的飞行姿态信息进行提示，但仍存在大角度飞行时易误判的现象。若想改善此种现象，则需要被试加强学习编码模式的时间，以及后续采取更为优化的编码模式。在下阶段可进行的深一步研究内容为：进一步优化触觉信息表达技术触觉编码方案。利用人体对振动电机的主观感受特性，研究现有的背心式（前后左右各5行规则排布的电机）编码排布方案所设定的触觉感受位置是否可以进行排列优化，以及是否可以增加更多的编码参数进行合理组合。
参考文献
[1]王晓东，王述洋，王显芳.人机工程学数据在产品设计中的应用[J].林业劳动安全，2006，19（4）：23～25.
[2]郝 飞.信息的触觉编码及振动触觉表达技术的研究[D].东南大学测试计量技术及仪器，2014.
收稿日期：2018-7-21