向飞行员提供基于模型的空间迷失方向提醒的系统及方法

摘要

向飞行员提供基于模型的空间迷失方向提醒的系统及方法。一种监控例如飞行器移动和飞行参数之类的飞行器状态参数的系统和方法，将那些输入应用到空间迷失方向模型，并对飞行员何时可能变得空间迷失方向进行预测。一旦该系统预测到可能的迷失方向的飞行员，可增加用于提醒飞行员超过阈值的情况的敏感度，并允许较早提醒以减轻不正确控制输入的可能性。

说明书

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明是依照NASA所颁布的NNL13AA00C而在政府的支持下进 行的。政府具有本发明的某些权利。

技术领域

本文所述的示例性实施例通常涉及辨认空间迷失方向并且，更具体 地，涉及向可能空间迷失方向的飞行员并向已经迷失方向的飞行员提供基于模 型的提醒(alert)。

背景技术

研究表明，飞行器失控事件是在航空运输和通用航空操作两者中灾 祸的主要原因。虽然交通工具困扰的直接原因是不同的，事件的调查结果表明 乘务员可能变得迷失方向并且不能够响应于不寻常的姿态和其它的包线偏移 (envelop excursion)。在飞行环境和人类感知系统之间相互作用的几个方面促成 这些困难：1)飞行器生成可被误解为重力作用的力，使得难以建立垂直方向； 2)俯仰(pitch)和摇摆(roll)操作通常不生成相对于重力的倾斜感(sense of tilt)； 3)加速度可导致不准确的倾斜感，以及4)持续的旋转可阻碍感觉角向运动的 能力。上述这些方面的影响可能在其中视觉线索缺乏的环境中更明显。在当存 在这些元素中的许多的情况下，飞行员可能难以适当地反应。

一般来说，可能通过交通工具移动和外力(危险或干扰)影响正常 飞行，引起差的情况意识(分心)、空间迷失方向、以及模式混乱，导致异常姿 态、异常轨迹以及飞行器失控，例如，失速(stall)。

有助于平衡和空间方向感的人类前庭系统是感觉系统，该感觉系统 提供有关移动和平衡感的主要贡献。前庭系统包括检测旋转和平移的两部分： 指示旋转移动的半规管系统(三个正交的半规管)；以及指示线性加速度的耳石。 前庭系统主要发送信号到控制眼球移动的神经结构，以及到允许人感觉直立位 置的肌肉。水平半规管内的流体移动对应于头部绕垂直轴线的旋转，例如，当 进行脚尖旋转时的颈部。前和后半规管检测例如当点头时头部在矢状平面中的 旋转，以及例如当横翻跟头时头部在额平面中的旋转。流体的移动推动将机械 移动转换成电信号的毛发细胞。

来自前庭系统的经验被称为平衡感受(equilibrioception)。其主要用 于平衡感以及用于空间方向。当刺激前庭系统而没有任何其它输入时，一个人 体验了自己运动的感觉。例如，如果椅子转向左边，在完全黑暗中并坐在椅子 上的人将感觉他或她已经转向左边。在电梯里的人，在基本恒定视觉输入的情 况下，将觉得她在随着电梯开始下降而下降。尽管与视觉，触觉和听觉的其它 感觉相比，前庭系统是用于生成反射以保持知觉和姿态稳定性的相对快速感觉， 但是前庭输入在延迟的情况下被感知。

因为人类感觉被认为是适于在地面上使用，仅在飞行期间由感觉输 入来导航可能是误导的：感觉输入并不总是准确地反映飞行器的移动，引起感 觉错觉。这些错觉对于飞行员来说可能是极其危险的。

涉及耳朵前庭系统的半圆形和躯体旋转管道的错觉主要发生在不可 靠的或不可用的外部视觉参考的情况下并且导致旋转和/或运动的错误感觉。这 些包括偏斜(lean)、墓地螺旋和盘旋(graveyard spin and spiral)、以及科里奥利 错觉。

在飞行期间偏斜是最常见的错觉，并且由在飞行员未注意到的逐步 和延长转向(turn)之后突然返回到水平飞行引起。飞行员未能注意到这种逐步 转向的原因是对于每平方秒2度或更低的旋转加速度的人类暴露低于半规管的 检测阈值。在这种转向后机翼的变平可引起飞行器在相反方向上侧斜(bank) 的错觉。响应于这种错觉，飞行员可能在原始转向的方向上偏斜以纠正性地尝 试恢复对正确的垂直姿势的感知。

墓地螺旋是进入自旋(spin)的飞行员可能发生的错觉。例如，进 入向左自旋的飞行员将最初具有在同一方向上自旋的感觉。然而，如果左旋继 续，飞行员将具有自旋逐渐减少的感觉。在这一点上，如果飞行员施加右方向 舵(right rudder)以停止左旋，飞行员将突然感觉在相反方向上的自旋(向右)。

如果飞行员相信飞机向右自旋，反应将是施加左方向舵以抵消右旋 的感觉。然而，通过施加左方向舵飞行员将不知不觉地再进入原始的左旋。如 果飞行员交叉核对(cross-check)转向指示器，则在他感觉右转时，他将看到转 向针指示左转。这创建了在飞行员在仪器上看到的内容与飞行员感觉到的内容 之间的感觉抵触。如果飞行员相信身体感觉而不是相信仪器，左旋将继续。如 果在辨认出这个错觉之前失去了足够的高度并且未采取纠正的行动，则可能发 生与地形的冲突(impact)。

墓地盘旋比墓地螺旋更普遍，并且其与在延长的侧斜转向之后返回 到水平飞行相关联。例如，进入向左侧斜转向的飞行员最初将具有在同一方向 上转向的感觉。如果左转继续(达超过约20秒)，则飞行员将体验到飞机不再 向左转的感觉。在这一点上，如果飞行员试图使机翼变平，这个动作将产生飞 机正在相反方向上(向右)转向并侧斜的感觉。如果飞行员相信右转的错觉(其 可能是非常迫不得已的)，则他将重新进入原始左转以尝试抵消右转的感觉。

由科里奥利引起的错觉涉及两个半规管的同时刺激并且与在飞行器 转向时飞行员头部的突然倾斜(tilt)(向前或向后)相关联。这可能发生在使头 部向下倾斜(查看进场图或在膝垫上书写)，或者向上(查看头顶仪器或开关) 或向侧面时。这可产生飞行器正同时摇摆、俯仰和偏航三者的压倒性感觉，这 可与滚下山坡的感觉相比较。这个错觉可使飞行员快速地变得迷失方向并且失 去对飞行器的控制。

体重力错觉是由线性加速度引起的。涉及前庭系统的胞囊和小囊的 这些错觉最可能在具有不可靠的或不可用的外部视觉参考的情况下发生。

因此，当当前飞行参数产生了其中飞行员可能迷失方向的情况时， 向飞行员提供提醒是所希望的。此外，根据结合附图以及上述技术领域和背景 所进行的随后的详细描述和所附权利要求，示例性实施例的其它所需特征和特 性将变得明显。

发明内容

提供了一种用于提醒飞行员可能空间迷失方向的系统和方法。

在示例性实施例中，一种提醒交通工具的乘务员可能存在空间迷失 方向的方法，包括感测多个交通工具状态参数；通过与人类感觉系统相关的至 少一个传递函数来传递被感测交通工具状态参数，以便估计被感知交通工具状 态参数；比较被感知交通工具状态参数和被感测交通工具状态参数；以及如果 被感知交通工具状态参数和被感测交通工具状态参数之间的差异超过预定阈 值，则提醒乘务员空间迷失方向的可能性。

在另一示例性实施例中，一种提醒飞行器的乘务员可能存在空间迷 失方向的方法，包括感测至少一个飞行器状态参数；在与人类前庭系统相关联 的计算模型内根据被感测飞行器状态参数来估计被感知飞行器状态参数；在所 述计算模型中将被感测的飞行器状态参数与被感知飞行器状态参数相比较以提 供比较的飞行器状态参数；将所述比较的飞行器状态参数与已知之前已引起空 间迷失方向的存储的飞行器状态参数相关联，所述计算模型包括预定阈值；根 据所述关联调整所述预定阈值；以及如果实际的飞行器状态和被感知飞行器状 态参数之间的差异超过被调整的预定阈值，则提醒乘务员空间迷失方向的可能 性。

在又一示例性实施例中，一种用于提醒交通工具的乘务员可能存在 空间迷失方向的装置，该系统包括存储器，该存储器基于指定输入存储表征交 通工具的感知状态的一组传递函数；系统，被配置为提供飞行器的当前飞行器 状态参数；处理器，被配置为比较当前飞行器状态参数和被感知的飞行器状态 参数的估计；以及提醒系统，被配置为如果所述比较超过阈值则提醒乘务员。

附图说明

下文将结合以下的附图描述本发明，其中相似的数字表示相似的元 件，并且

图1是适于在根据本文所述的示例性实施例的飞行器中使用的已知 显示系统的框图；

图2是根据示例性实施例的参数相互作用的示意图；以及

图3和4是适于与根据示例性实施例的图1的显示系统一起使用的 示例性方法的流程图。

具体实施方式

以下的详细描述本质上仅仅是说明性的，并不旨在限制本主题或本 申请的实施例，以及这种实施例的使用。本文被描述为示例性的任何实施方式 不一定解释为相对于其它实施方式优选或有利的。此外，不希望受到在前面的 技术领域、背景技术、发明内容或者以下的详细描述中提出的任何已表达或者 已暗示出的理论的束缚。

本文可就功能和/或逻辑块部件，并参考可通过各种计算部件或设备 执行的操作、处理任务以及功能的符号表示来描述技术和工艺。这种操作、任 务和功能有时被称为计算机执行的、计算机化的、软件实施的或计算机实施的。 实际上，一个或多个处理器设备可通过操纵代表在系统存储器中的存储器位置 处的数据位的电信号以及其它信号的处理来执行所述的操作、任务和功能。应 该理解的是，可通过被配置为执行指定功能的任何数目的硬件、软件和/或固件 部件来实现图中所示的各种块部件。例如，系统或部件的实施例可采用各种集 成电路部件，诸如，存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等， 其可在一个或多个微处理器或其它控制设备的控制下执行多种功能。

为了简便起见，本文可能没有详细描述与图形和图像处理、导航、 飞行计划、飞行器控制、飞行器数据通信系统以及某些系统和子系统(及其单 个的操作部件)的其它功能方面相关的传统技术。此外，本文所包含的各种图 中所示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理耦合。应 该注意的是，许多替代或另外的功能关系或物理连接可呈现在本主题的实施例 中。

以下的描述指的是被“耦合”在一起的元件或节点或特征。如本文所 使用的，除非另外明确地声明，“耦合”意味着一个元件/节点/特征被直接或间接 地结合到另一元件/节点/特征(或直接或间接地与另一元件/节点/特征连通)，并 且不一定是机械地。因此，尽管附图可描述元件的一种示例性布置，但是另外 的中间元件、设备、特征、或部件可被呈现在所描述主题的实施例中。此外， 也可在以下描述中使用某些术语以仅供参考的目的，并且因此并不旨在是限制 性的。

根据示例性实施例，在当前飞行参数与可能导致飞行员迷失方向的 情况相关联时，咨询系统为飞行员提供了提醒。系统考虑来自传感器和航空电 子系统的参数。提醒可能是音频和/或视觉的。

应该理解的是，图1是为了解释的目的和便于描述的系统100的简 化表示，并且图1不旨在以任何方式限制本申请或本主题的范围。实际上，如 在本领域中将认识到的，系统100将包括用于提供另外功能和特征的许多其它 设备和部件。

参考图1，示例性系统100耦合到航空电子系统106、一个或多个 传感器108、提醒系统110，并包括处理器102、存储器103、可选显示设备104 和用户接口105。处理器102与存储器103、显示设备104、用户接口105、航 空电子系统106、传感器108和提醒系统110相连通。

可用被设计来执行本文所述功能的通用处理器、内容可寻址存储器、 数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、任何适当的可编程逻辑 设备、离散栅极或晶体管逻辑、离散的硬件部件、或任何组合来实施或实现处 理器102。可将处理器设备实现为微处理器、控制器、微控制器、或状态机。此 外，可将处理器设备实施为计算设备的组合，例如数字信号处理器和微处理器、 多个微处理器、与数字信号处理器核心结合的一个或多个微处理器的组合，或 任何其它此配置。

可将存储器103实现为RAM存储器、闪存、EPROM存储器、 EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域已知的其它 任何形式存储介质。在这方面，存储器103可耦合到处理器102，使得处理器 102可从存储器103读取信息并将信息写入到存储器103。替代地，存储器103 可被整合到处理器102。实际上，可使用被保持在存储器103内的程序代码来实 现显示设备104的功能或逻辑模块/部件。可使用存储器103存储用来支持操作 系统100的数据，如将根据以下描述变得明显的。

根据示例性实施例，可使用适合于以操作者可看见的格式呈递文本、 图形和/或图标信息的众多已知显示器中的任何一个来实施显示设备104。显示 设备104可以另外地被实施为面板安装显示器、HUD(前导显示器)投影、或 众多已知技术中的任何一个。另外指出的是，显示设备104可被配置为众多类 型的飞行器驾驶舱显示器中的任何一个。例如，它可被配置为多功能显示器、 水平位置指示器、或垂直位置指示器。然而，在所述实施例中，显示设备104 被配置为主飞行显示器(PFD)。

可使用现在已知的或未来开发的各种类型传感器、系统、和或子系 统来实施传感器系统108，用于供应各种类型的飞行器状态数据。状态数据也可 能变化，但优选地包括表示飞行器地理位置的数据并且还有其它数据，例如， 诸如飞行器速度、航向、高度和姿态。

在操作中，系统100还被配置为处理主飞行器的当前飞行状态数据。 在这方面，飞行状态数据源生成、测量、和/或提供与主飞行器的操作状态、其 中主飞行器操作的环境、飞行参数等有关的不同类型的数据和信息。实际上， 可使用线路可更换单元(LRU)、换能器、加速度计、仪器、传感器以及其它已 知的设备来实现飞行状态数据源。由飞行状态数据源所提供的数据可包括，而 不限于：空速数据；地面速度数据；高度数据；包括俯仰数据和摇摆数据的姿 态数据；偏航数据；时间/日期信息；以及航向信息。系统100被适合地设计为 以在本文中更详细描述的方式处理从飞行状态数据源获得的数据。特别地，当 呈递显示时，系统100可以使用主飞行器的飞行状态数据。

航空电子系统106(或子系统)的数目和类型也可变化，但通常包 括，例如，全球定位系统(GPS)接收机和惯性导航系统(INS)接收机(未示 出)。其它航空电子接收器可包括，例如，地形回避和警告系统(TAWS)、飞行 指引仪和导航计算机。

延伸到远在1960年代的先前研究已经试图在环境刺激(包括惯性 力，视觉流和触觉提示)和被感知状态之间对映射建模。已经在心理物理研究 的基础上开发了数学传递函数以提供对特定方式的正式和精确的描述，其中输 入刺激可变换为被感知运动状态。这些模型已经被用来提升对人类前庭系统和 有助于空间迷失方向的因素的理解。根据本文所描述的实施例，实时地使用连 同这些传递函数的感测数据以估计和提醒飞行员空间迷失方向的可能性。在本 文中空间迷失方向被定义为对相对于地球表面平面的人的位置和/或运动的错误 感觉，这起源于对飞行器控制和性能飞行参数的任何一个的量值和方向上的不 正确的感知。能量态势感知的损失在本文中被定义为依赖于飞行器能源管理的 空间迷失方向的特殊情况。这些功能被用作对飞行员知觉估计敏感的提醒系统 的基础。

特别地当视觉线索不足时，许多的飞行器飞行参数生成可被误解为 重力作用的力，使得飞行员难以保持垂直方向。例如，俯仰和摇摆动作通常不 生成相对于重力的倾斜感；加速度可导致不准确的倾斜感；以及持续的旋转可 阻碍感觉角运动的能力。通过监控交通工具移动和飞行参数并将那些输入应用 到空间迷失方向模型，作出了操作员何时可能变得空间迷失方向的预测。一旦 该系统预测到可能的迷失方向飞行员时，可增加用于提醒飞行员超过阈值的情 况的敏感性。可以应用敏感性的这种增加，使得将只增加可能不恰当的控制的 方向。例如，可基于转向方向将侧斜角提醒从正常的+/-35度调整到+/-25。这将 允许对不正确控制输入的更早提醒。

用于方向、速度和加速度的三个轴线数据被应用到人类前庭系统的 模型。该模型说明了在导致空间迷失方向的刺激之外的衰减(dampen)。基本上， 前庭系统检测变化和非绝对的输入。根据这个模型来预测空间迷失方向的开始 是可能的。计算建模提供了不同实验发现的整合、提供评定无法预料的相互作 用的能力、作出可验证的预测、并且可以基于新知识被修订和更新。

也可以确定空间迷失方向的类型。空间迷失方向类型的示例包括， 例如，体重力错觉。根据这个，调整了超过阈值的用于控制的提醒算法。例如， 可在俯仰、摇摆和偏航的正和负方向上提供空间迷失方向提醒。在第一示例性 实施例中，将预料到侧斜角提醒被偏置到在该模型预测到来自空间迷失方向的 飞行员的不正确控制输入的方向上的早期检测。在第二示例性实施例中，起飞 的加速度将导致俯仰进入负俯仰情况的过度控制的预测。然后可对于过多的俯 冲控制输入生成提醒。

更具体地并根据示例性实施例(图2)，飞行器状态参数202包括惯 性运动204、视野运动206、以及触觉和本体感受刺激设备的动作208。惯性运 动204的示例包括由于飞行器控制的移动、风和扰动(turbulence)引起的飞行 器的移动。例如，视野运动206可以是观察云相对于座舱窗口框架的变化背景。 触觉和本体感受刺激设备的动作208的示例是在转向期间座位和身体(body) 之间的力。这些飞行器状态参数202被应用到包括可视模型212、前庭模型214、 本体感受模型216和触觉模型218的传感器模型210，每个分别包括传递函数 213，215，217和219。传感器模型210中的每个的输出被应用到处理器222用 于与来自飞行器状态参数202的输出比较以估计飞行员的运动和方向感知。当 这些运动和方向感知超过阈值时，至少两件事可发生。用于提供该提醒的敏感 性(阈值)可在迷失方向的方向上增加，以及可提供信号224到提醒设备226。 例如，该提醒可为听觉的或视觉的。可通过提供关于特殊迷失方向类型、方向、 和水平的数据来强化(增强)一些提醒系统。例如，可提供数据到现有的侧斜 角警告系统以调整在迷失方向的方向上的提醒阈值。

通过呈现冗余的言语信息，听觉提醒在解决与视觉纠正线索相关的 可能歧义方面起到重要的作用。所需纠正动作的听觉通知可被包括在示例性实 施例中。例如，在一个示例性实施例中，提供听觉纠正引导信息(“向左摆”(或 向右)；“水平！水平！”)到当前过多的侧斜提醒(“侧斜角！侧斜角！”)。例如， 如果由迷失方向所引起的不适当俯仰处于垂直方向，也可对上仰或俯冲提供听 觉提醒。除了传达纠正动作之外，听觉警告也可有助于其中飞行员可能未在视 觉上留意关键飞行参数的情况。

图3是示出了适合于与驾驶舱显示系统100一起使用的方法300的 示例性实施例的流程图。方法300表示用于在主飞行器的机载显示器上显示飞 行器进近(approach)或离开的方法的一个实施方式。连同方法300执行的各种 任务可通过软件、硬件、固件或其任何组合来执行。出于说明性目的，方法300 的以下描述可指的是连同前述附图的上述元件。实际上，方法300的部分可由 所述系统的不同元件(例如处理器、显示元件)来执行。应该认识到的是，方 法300可包括任何数目的额外的或替代的任务，图3中所示的任务不需要以所 示顺序执行，并且方法300可被并入到具有本文未详细描述的额外功能的更全 面程序或方法中。此外，只要预期的整体功能保持完整，可从方法300的实施 例中省略图3中所示的一个或多个任务。

根据图3的示例性方法，一种提醒交通工具(例如飞行器)的乘务 员可能存在空间迷失方向的方法，包括感测302多个飞行器状态参数，通过与 人类前庭系统相关的至少一个传递函数(transfer function)传递304被感测飞行 器状态参数，以便估计被感知飞行器状态参数，比较306被感知飞行器状态参 数和被感测的飞行器状态参数；以及如果被感知飞行器状态参数和被感测飞行 器状态参数之间的差异超过预定阈值，则提醒308乘务员空间迷失方向的可能 性。

根据图4的示例性方法，一种提醒乘务员可能存在空间迷失方向的 方法，包括感测402至少一个飞行器状态参数，在与人类前庭系统相关联的计 算模型内根据感测的一个飞行器状态参数来估计404被感知的一个飞行器状态 参数，在该计算模型内将被感测的一个飞行器状态参数与被感知的一个飞行器 状态参数相比较406以提供被比较的一个飞行器状态参数，将该被比较的一个 飞行器状态参数与已知已先前引起空间迷失方向的被存储的一个飞行器状态参 数相关联408，该计算模型包括预定阈值，根据该关联调整410预定阈值；以及 如果实际的飞行器状态和被感知飞行器状态参数之间的差异超过被调整的预定 阈值，则提醒412乘务员空间迷失方向的可能性。

上面已经关于特定实施例描述了益处、其它优点以及问题的解决方 案。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可能引起任何益处、优点、或解 决方案发生或变得更明显的任何(多个)元素不被解释为任何或所有权利要求 的关键的、所需的、或者必要特征或元素。如本文使用的，术语“包括”、“包含” 或其任何其它变异旨在涵盖非排它性的含有，使得包括一列元素的过程、方法、 物品或装置并不仅仅包括那些元素，而且可包括没有明确列出或对于这种过程、 方法、物品或装置所固有的其它元素。

虽然已经在上述的详细描述中提出了至少一个示例性实施例，但是 应该认识到的是存在大量的变异。还应该认识到的是，一个或多个示例性实施 例仅是示例，并不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。更确切 地说，上述详细描述将为本领域技术人员提供用于实施本发明的示例性实施例 的便利路线图，应理解的是，可在示例性实施例中所描述元件的功能和布置方 面作出各种改变而不脱离如在所附权利要求中所阐述的本发明的范围。