专利名称：一种基于头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法及系统。具体地，涉及一种在地面条件下，以失重条件下航天员在空间站舱内导航过程中的视觉效应和生理效应为目标，以虚拟现实技术和头低位卧床为手段，在多舱段空间站舱内等效模拟导航的方法及系统，属于航天及医学领域。
背景技术：
多舱段空间站具有大而复杂的内部空间，航天员在空间站内部的方向感差，容易发生导航障碍，并可能由此导致整个空间站人-机-环境系统的工效和可靠性的降低，为了解决或改善空间站航天员的舱内导航问题，必须针对空间站舱内视觉环境进行模拟训练和相关实验研究。而在真实空间站内进行舱内导航训练和相关实验研究的成本闻昂，可行性非常差，相对而言，在地面进行的航天环境模拟训练和试验具有安全可靠、条件可控和费用较低等优点。
目前用于航天员舱内活动训练和研究的传统模拟方法主要包括:
1.失重飞机抛物线飞行模拟，可以在持续15-40秒的时长内形成微重力条件，失重飞机的传统应用主要包括航天员失重环境体验训练、小型操作项目训练和小型航天产品的失重环境试验，由于单次失重模拟的可持续时间限制，失重飞机抛物线飞行模拟方法不适用于空间站舱内导航这种需要持续较长时间的失重环境模拟任务；
2.中性浮力模拟方法以人在失重状态下对运动和力的感觉为模拟目标，是航天员进行失重环境下运动与作业训练的一种极为有效的手段，然而这种方法未能有效屏蔽(或弱化)重力线索对定向、导航的辅助作用，此外，现实情况中由于中型浮力水槽的建造成本和体积限制，往往难以在这种模拟环境中为航天员提供针对整个空间站内部空间的导航体验;
3.地面物理模型是当前用于进行空间站内部环境熟悉训练的主要模拟设施，然而，航天员在对航天器的内部环境熟悉的同时，会对航天器内部空间形成了一种基于特定方向的空间表征，容易导致航天员更容易产生舱内导航障碍，此外，对于大型多舱段空间站中三维布局的整体内部空间，利用地面物理模型进行空间导航模拟是不现实的。
显然，对于多舱段空间站舱内导航模拟，上述三种模拟方法均存在较大局限，且还具有控制条件多、设备复杂、造价昂贵的特点。
20世纪90年代后，NASA已将虚拟现实(VR)技术应用于多个方面的研究，并将基于VR的舱外活动训练正式用于航天飞机乘员飞行前训练模拟，VR技术还被广泛应用于针对地面环境的空间定向和导航研究。相对于航天员舱内活动训练和研究的传统模拟方法，VR模拟方法有其自身的优势，能够真实再现空间站内部视觉设计场景，可以在视觉上对空间站整体内部空间做接近于真实的模拟，因此可以用来做空间站内部空间的导航模拟。但是，VR导航模拟技术存在不能完全屏蔽(或弱化)重力线索对导航的辅助作用的问题，在模拟航天员太空生理状态上存在不足，只能用于视觉模拟。
屏蔽(或弱化)重力线索对导航的辅助作用是在地面进行空间站舱内导航模拟过程中需要解决的重要问题，目前，在基于VR技术的多舱段空间站舱内导航相关训练和研究中，均采用竖直坐姿作为模拟导航过程中被试者的实际身体姿态，然而，无论是竖直坐姿还是水平仰卧姿态都不能有效模拟失重状态的生理状态。
因此，如何设计一种空间站舱内导航模拟方法及系统，将上述技术问题加以解决，即为本领域技术人员的研究方向所在。发明内容
本发明提出一种基于头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法，将基于头低位卧床的生理效应失重模拟和基于沉浸式虚拟现实(VR)技术的视觉导航模拟相结合，形成一种基于头低位卧床的空间站舱内导航VR模拟方法。
头低位卧床可以用来模拟人体失重生理效应，-6°头低位仰卧姿态下人体的生理指标与失重状态下的生理指标相近，因此，将头低位卧床生理效应失重模拟和VR视觉导航失重模拟相结合，会是一种高效的多舱段空间站舱内导航模拟实验和训练手段。
在头低位卧床状态下，被试者利用宽视域头盔式显示器获取有关自身所对应的虚拟航天相对于虚拟空间站场景的视觉信息，操作三维鼠标改变自身在虚拟空间站场景中对应的方位，实现虚拟空间站舱内漫游。人体头低位-6°卧床时发生的体液头向转移可对人体运动神经系统的产生影响，可造成人空间运动病易感性增加，卧床时头部可产生与失重空间中类似的头晕、恶心、自发性眼震以及倾斜和坠落错觉，这种姿势可以用来简单模拟失重状态下人体的生理效应；宽视域头盔式显示器使被试者能够直接沉浸在图形工作站所生成的虚拟多舱段空间站中，被试者通过对三维鼠标的操作不断调整自身在虚拟空间站场景中对应的方位，头盔显示器的屏幕上所呈现的三维场景就会实时地发生改变，所能观察到的虚拟三维影像就在被试者大脑中形成在多舱段空间站内部漫游的空间表征，从而实现空间站舱内导航的视觉模拟。
本发明方法所采用的技术方案包括以下步骤:
步骤S1:设备及航天员生理状态准备阶段，使航天员-6°头低位仰卧，并佩戴宽视域头盔式显示器，持续一段时间以使航天员体液头向转移形成的生理效应与失重状态下相当，形成生理效应模拟失重状态；
步骤S2:虚拟舱内场景生成阶段，启动图形工作站中虚拟多舱段空间站仿真程序，在航天员所佩戴的头盔显示器的屏幕显示空间内部场景，航天员通过双眼获取视觉信息，在大脑中形成多舱段空间站内部环境的空间表征；
步骤S3:航天员舱内导航训练阶段，航天员操作三维鼠标改变自身在虚拟空间站场景中对应的方位，同时从头盔显示器获取相应视角变化引起视景变化的反馈，促使航天员产生自身位置与视界内空间站内部场景具有相对运动的感受，进而形成航天员在多舱段空间站内部漫游的体验；
步骤S4:航天员舱内导航任务执行阶段，给航天员下达模拟导航任务指令，航天员进行任务操作，同时记录航天员完成模拟导航的时间，使用生理状态监护仪等医学设备记录航天员相关生理参数；
步骤S5:模拟导航效果评定阶段，根据航天员完成模拟导航任务的时间、效果及航天员的生理状态报告，按照实验所拟定的判断标准评价模拟导航的效果。
本发明还提出了一种用于实现头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法的系统，包括硬件和软件两部分。所述硬件由图形工作站计算机，宽视域头盔式显示器，三维鼠标，头低位实验床，人体生理状态监护设备组成。航天员仰卧在所述头低位实验床上，眼部佩戴所述宽视域头盔式显示器，所述宽视域头盔式显示器通过数据线与所述图形工作站计算机相连接，所述图像工作站计算机位于所述头低位实验床附近，所述宽视域头盔式显示器通过数据线与所述三维鼠标相连接；所述软件安装在在所述图形工作站计算机内；所述三维鼠标位于航天员身体一侧并与航天员手掌位置相适应的位置，所述三维鼠标通过数据线与所述图形工作站计算机相连接；所述人体生理状态监护设备按使用要求分别固定在航天员身体的相关位置。
优选地，所述头低位实验床可被调整到床板平面与地面水平面之间所成角度为大约6。。
优选地，所述软件在图形工作站计算机内运行生成多舱段空间站内部虚拟场景，通过数据线将多舱段空间站内部虚拟场景传输至宽视域头盔式显示器，进而呈现在航天员眼前。
优选地，所述舱段空间站内部场景图像随所述三维鼠标的动作而发生变化，形成航天员与虚拟空间站内部场景的相对运动，进而令航天员形成在多舱段空间站内部漫游的感受。
优选地，所述人体生理状态监护设备包括脑电仪、心电仪、血压计。
本发明具有如下优点:
(I)人体头低位-6°卧床的生理效应用以模拟失重状态下人体的生理效应，二者大致效果相当，方法简单，成本低廉；
(2)宽视域头盔式显示器使航天员能够直接沉浸在图形工作站所生成的虚拟多舱段空间站中，场景逼真；
(3)航天员通过三维鼠标的操作就能形成在多舱段空间站内部遨游的感受，模拟方法简单有效，成本低廉。
图1为基于头低位卧床的虚拟空间站舱内导航模拟方法流程图2为基于头低位卧床的虚拟空间站舱内导航模拟系统示意图3为基于头低位卧床的虚拟空间站舱内导航模拟系统软件流程图。
具体实施方法
通过下面给出的本发明的具体实施方法可以更清楚的了解本发明，但不是对本发明的限定。
所述头低位卧床的虚拟空间站舱内导航模拟方法流程图如图1所示，通过五个步骤完成导航模拟:
步骤S1:设备及航天员生理状态准备阶段，使航天员-6°头低位仰卧，并佩戴宽视域头盔式显示器，持续一段时间以使航天员体液头向转移形成的生理效应与失重状态下相当，形成生理效应模拟失重状态；
步骤S2:虚拟舱内场景生成阶段，启动图形工作站中虚拟多舱段空间站仿真程序，在航天员所佩戴的头盔显示器的屏幕显示空间内部场景，航天员通过双眼获取视觉信息，在大脑中形成多舱段空间站内部环境的空间表征；
步骤S3:航天员舱内导航训练阶段，航天员操作三维鼠标改变自身在虚拟空间站场景中对应的方位，同时从头盔显示器获取相应视角变化引起视景变化的反馈，促使航天员产生自身位置与视界内空间站内部场景具有相对运动的感受，进而形成航天员在多舱段空间站内部漫游的体验；
步骤S4:航天员舱内导航任务执行阶段，给航天员下达模拟导航任务指令，航天员进行任务操作，同时记录航天员完成模拟导航的时间，使用生理状态监护仪等医学设备记录航天员相关生理参数；
步骤S5:模拟导航效果评定阶段，根据航天员完成模拟导航任务的时间、效果及航天员的生理状态报告，按照实验所拟定的判断标准评价模拟导航的效果。
所述用于头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法的系统示意图如图2所示，包括硬件和软件两部分，硬件由图形工作站计算机1，宽视域头盔式显示器2，三维鼠标3，头低位实验床4，人体生理状态监护设备5组成。工作状态下，调整所述头低位实验床，保证其床板平面与地面水平面之间所成角度大约为6°，航天员仰卧在所述头低位实验床上并使航天员头部处于所述头低位实验床床板平面的低位，以形成航天员处于大约-6°头低位卧床状态。这样，航天员处于头低位实验床4上，眼部佩戴宽视域头盔式显示器2，并通过数据线将宽视域头盔式显示器2与图形工作站计算机I相连接，图像工作站计算机I位于头低位实验床4附近并通过数据线连接宽视域头盔式显示器2与三维鼠标3。
所述软件在图形工作站计算机I内运行生成多舱段空间站内部虚拟场景，通过数据线将多舱段空间站内部虚拟场景传输至宽视域头盔式显示器2，进而呈现在航天员眼前；三维鼠标3位于航天员身体一侧并与航天员手掌位置相适应的位置，三维鼠标3通过数据线与图形工作站计算机I相连接，头低位卧床的航天员用手操作三维鼠标3;所述软件根据三维鼠标3的运动运行程序并输出与三维鼠标3的运动相适应的多舱段空间站内部虚拟场景至宽视域头盔式显示器2，从而在航天员的视界里形成多舱段空间站内部视景的变化，促使航天员产生自身位置与视界内空间站内部场景具有相对运动的感受，进而形成航天员在多舱段空间站内部漫游的体验；人体生理状态监护设备5包括脑电仪、心电仪、血压计等医用监护设备，按使用要求分别固定在航天员身体的相关位置。
所述用于头低位卧床的空间站舱内导航模拟系统的软件工作流程图如图3所示，启动所述图形工作站中虚拟多舱段空间站场景仿真程序后，航天员选择所处舱位与目的舱位，并选择任务类型；向航天员发出导航任务开始指令，调用3D场景图像，在航天员所佩戴的头盔显示器的屏幕显示空间内部场景，否则停留在场景与任务选择界面；航天员受领导航任务后操作三维鼠标，调整3D场景图像，实现多舱段空间站舱内漫游；如果航天员未完成任务，则识别鼠标动作，调整3D场景图像，继续舱内漫游，如果航天员完成任务，则记录完成时间，退出软件。
具体实施实例:
航天员头低位仰卧，佩戴宽视域头盔式并保持该姿势一段时间后，航天员操作三维鼠标，实现多舱段空间站舱内漫游并完成导航任务，记录航天员完成任务所用时间及航天员自身关于完成任务过程中的生理状况的报告，根据航天员完成模拟导航任务的时间、效果及航天员的生理状态报告，按照实验所拟定的判断标准评价模拟导航的效果。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种基于头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法，所采用的技术方案包括以下步骤: 步骤S1:设备及航天员生理状态准备阶段，使航天员-6°头低位仰卧，并佩戴宽视域头盔式显示器，持续一段时间以使航天员体液头向转移形成的生理效应与失重状态下相当，形成生理效应模拟失重状态； 步骤S2:虚拟舱内场景生成阶段，启动图形工作站中虚拟多舱段空间站仿真程序，在航天员所佩戴的头盔显示器的屏幕显示空间内部场景，航天员通过双眼获取视觉信息，在大脑中形成多舱段空间站内部环境的空间表征； 步骤S3:航天员舱内导航训练阶段，航天员操作三维鼠标改变自身在虚拟空间站场景中对应的方位，同时从头盔显示器获取相应视角变化引起视景变化的反馈，促使航天员产生对虚拟空间站内部场景的空间更新，进而形成航天员在多舱段空间站内部漫游的感受； 步骤S4:航天员舱内导航任务执行阶段，给航天员下达模拟导航任务指令，航天员进行任务操作，同时记录航天员完成模拟导航的时间，使用生理状态监护仪等医学设备记录航天员相关生理参数； 步骤S5:模拟导航效果评定阶段，根据航天员完成模拟导航任务的时间、效果及航天员的生理状态报告，按照实验所拟定的判断标准评价模拟导航的效果。
2.一种实现权利要求1所述方法的系统，包括硬件和软件两部分，其特征在于，所述硬件由图形工作站计算机(1)，宽视域头盔式显示器(2)，三维鼠标(3)，头低位实验床(4)，人体生理状态监护设备 (5)组成；航天员仰卧在所述头低位实验床(4)上，眼部佩戴所述宽视域头盔式显示器(2)，所述宽视域头盔式显示器(2)通过数据线与所述图形工作站计算机(I)相连接，所述图像工作站计算机(I)位于所述头低位实验床(4)附近，所述宽视域头盔式显示器(2)通过数据线与所述三维鼠标(3)相连接；所述软件安装在在所述图形工作站计算机(I)内；所述三维鼠标(3)位于航天员身体一侧并与航天员手掌位置相适应的位置，所述三维鼠标(3)通过数据线与所述图形工作站计算机(I)相连接；所述人体生理状态监护设备(5)按使用要求分别固定在航天员身体的相关位置。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述头低位实验床(4)可被调整到床板平面与地面水平面之间所成角度为大约6°。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述软件在图形工作站计算机(I)内运行生成多舱段空间站内部虚拟场景，通过数据线将多舱段空间站内部虚拟场景传输至宽视域头盔式显示器(2)，进而呈现在航天员眼前。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述舱段空间站内部场景图像随所述三维鼠标(3)的动作而发生变化，形成航天员与虚拟空间站内部场景的相对运动，进而令航天员形成在多舱段空间站内部漫游的感受。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述人体生理状态监护设备(5)包括脑电仪、心电仪、血压计。
全文摘要
本发明涉及一种基于头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法及系统，该方法将基于头低位卧床的生理效应失重模拟和基于沉浸式虚拟现实技术的视觉导航模拟相结合，形成一种基于头低位卧床的虚拟空间站舱内导航模拟方法；其系统由图形工作站计算机(1)，宽视域头盔式显示器(2)，三维鼠标(3)，头低位实验床(4)，人体生理状态监护设备(5)组成。本发明具有失重模拟效果良好，多舱段空间站场景模拟逼真，方法简单，价格低廉的特点。
文档编号G09B9/52GK103218929SQ20131008689
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者朱磊, 姚英学, 边卓, 周亮, 刘秀娟, 王洪波 申请人:哈尔滨工业大学