用于减轻在移动环境中的晕动病的系统和方法与流程

1.本文公开的方面总体上涉及一种用于减轻在移动环境中的晕动病的系统和方法。具体地说，本文公开的方面总体上提供，但不限于提供用于减轻在移动载具(vessel)中的晕动病的触感反馈。本文中将更详细地讨论这些方面和其他方面。


背景技术：

2.晕动病也称为旅行病、晕船、晕机、晕车、模拟晕动病(simulation sickness)、空间定向障碍、空间晕动病或空间适应综合征。晕动病的症状通常包括恶心、呕吐、冷汗、头痛、嗜睡、打哈欠、食欲不振和唾液分泌增加。并发症可能很少包括脱水、电解质问题或食管下段撕裂。
3.当实际感觉输入与预期感觉输入之间存在失配时，就会出现晕动病。换句话说，冲突的感觉信号可引起晕动病，这也被称为感觉冲突理论(sct)。sct是指视觉、动觉和体感或前庭系统之间的状态不连续。具体地说，人类借助身体的许多部位(例如眼睛和内耳)发出的信号来维持平衡。腿、脚、手和手指中的其他感觉感受器让神经系统知道身体的哪些部位正在触碰地面。
4.由感受到但看不见的运动引起的晕动病的示例(如在陆地晕动病中)是某人看着车辆内的静止物体，诸如杂志；他们的眼睛告知大脑他们所看到的东西没有移动。然而，其他动觉或前庭传感器因感觉到车辆的运动而与这一点相矛盾。另一示例与飞机上的乘客有关，并且在飞机中不能看见湍流，但乘客可以感觉到湍流。所产生的混乱可能引起恶心或甚至呕吐。
5.常见的晕动病治疗分为以下几类：(i)行为措施，诸如保持头部静止和仰卧、聚焦于地平线、听音乐、注意呼吸、成为驾驶员以及不要在移动中阅读；(ii)药物治疗，诸如非处方药片或贴片；(iii)替代医疗，诸如针灸；以及(iiii)认知疗法和生物反馈，诸如监测各种身体功能。
6.然而，所有这些现有的治疗仅解决晕动病的症状，而不是造成晕动病的原因。因此，此类治疗无法解决感觉冲突的内在生理问题。此外，通过仅聚焦于症状，这些现有的治疗往往改变旅行者的生物状态，例如通过使旅行者的生物状态变得昏昏欲睡、昏昏沉沉等来改变。因此，这些治疗无法为旅行者提供身体正常的感觉以使旅行者继续进行他们本来会在静止环境中进行的活动，例如阅读、交谈、转动头部等。
7.本文中公开的方面可以通过实时地识别影响旅行者的感觉冲突并且将该感觉冲突减至最轻而不会限制旅行者在处于移动舱室中时的活动来解决现有治疗的缺点。


技术实现要素：

8.在至少一个实施方案中，提供了一种主动振动消除(avc)系统。avc系统包括至少一个触感感测组件和至少一个控制器。该至少一个触感感测组件定位在移动载具的舱室中，并且被配置成传输指示在舱室中的至少一位乘客身上呈现的振动的第一信号。该至少
一个控制器被编程为传输指示在舱室中的至少一位乘客身上呈现的振动的第一信号，并且响应于第一信号来确定在至少一位乘客身上呈现的振动的谐振频率。该至少一个控制器被进一步编程为确定谐振频率小于第一预定值，并且响应于谐振频率小于第一预定值来生成第一反波信号(anti-wave signal)。该至少一个控制器被进一步编程为利用第一反波信号来驱动被定位成靠近舱室中的该至少一位乘客的至少一个触感致动器，以将由载具中的该至少一位乘客身上呈现的振动引起的该至少一位乘客的晕动病减至最轻。
9.在至少另一个实施方案中，提供了一种体现在非暂时性计算机可读介质中的计算机程序产品，该计算机程序产品被编程用于在移动载具中执行主动振动消除(avc)。该计算机程序产品包括用于进行以下操作的指令：接收指示在移动载具的舱室中的至少一位乘客身上呈现的振动的第一信号，以及基于第一信号来确定在该至少一位乘客身上呈现的振动的谐振频率。该计算机程序产品还包括用于进行以下操作的指令：基于谐振频率来生成第一反波信号，以及利用第一反波信号来驱动被定位成靠近舱室中的该至少一位乘客的至少一个触感致动器，以将由载具中的该至少一位乘客身上呈现的振动引起的该至少一位乘客的晕动病减至最轻。
10.在至少另一个实施方案中，提供了一种用于在移动载具中执行主动振动消除(avc)的方法。该方法包括接收指示在移动载具的舱室中的至少一位乘客身上呈现的振动的第一信号，以及基于第一信号来确定在该至少一位乘客身上呈现的振动的谐振频率。该方法还包括基于谐振频率来生成第一反波信号，以及利用第一反波信号来驱动被定位成靠近舱室中的该至少一位乘客的至少一个触感致动器，以将由载具中的该至少一位乘客身上呈现的振动引起的该至少一位乘客的晕动病减至最轻。
附图说明
11.本公开的实施方案在所附权利要求中特别指出。然而，通过结合附图参考以下详细描述，各种实施方案的其他特征将变得更加明显并且将得到最好的理解，在附图中：
12.图1大致描述了人类皮肤中的初级触觉机械感受器；
13.图2大致描绘了根据一个实施方案的利用触感反馈的主动振动消除(avc)系统；
14.图3描绘了人类触觉和听觉感知的频率响应范围；
15.图4描绘了根据一个实施方案的利用触感反馈的另一avc系统；
16.图5描绘了根据一个实施方案的用于对触感致动器和音频换能器执行抗谐振波形分配的方法；
17.图6描绘了根据一个实施方案的用于执行振动分析和参数估计的图4的avc系统的更详细的实现；并且
18.图7描绘了根据一个实施方案的定位在车辆中的另一avc系统。
具体实施方式
19.按照要求，本文中公开了本发明的详细实施方案；然而，应理解，所公开的实施方案仅仅是可以以各种替代形式体现的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的特定结构和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性
基础。
20.应认识到，本文中公开的控制器可以包括各种微处理器、集成电路、存储器设备(例如闪存、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)或它们的其他合适的变体)以及彼此协作来执行本文中公开的操作的软件。另外，如所公开的此类控制器利用一个或多个微处理器来执行体现在非暂时性计算机可读介质中的计算机程序产品，该计算机程序产品被编程为执行如所公开的任何数量的功能。进一步地，如本文中所提供的一个或多个控制器包括壳体以及定位在壳体内的各种数量的微处理器、集成电路和存储器设备(例如闪存、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom))。如所公开的一个或多个控制器还包括基于硬件的输入和输出，以用于分别从如本文中讨论的其他基于硬件的设备接收数据以及向这些设备传输数据。
21.还应认识到，本文中可能提到的方向性术语(例如“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等)简单地指如附图中所示出的扬声器组件的各种部件的取向。此类术语是为了本文中公开的实施方案的上下文和理解而提供的。下文公开了多个实施方案，并且在本文中应理解，可以结合不同的实施方案公开类似的附图标记，并且出于简洁的目的，在此类附图标记每次出现于实施方案中时将不再描述这些附图标记。
22.图1大致描述了人类皮肤100中的初级触觉机械感受器。一般来说，人类皮肤100上的皮肤传感器负责经由一系列自由神经末梢和特化神经末梢将热、冷、痛、痒、声音和机械能的感受传导到大脑。皮肤100由表皮101和真皮103界定。具体地说，机械感受器105是对机械压力或变形作出响应的感觉神经元。在无毛或无毛发皮肤100中有四种主要类型的机械感受器105。例如，机械感受器105包括定位在真皮103中的环层或帕西尼安(pacinian)小体102、触觉或迈斯纳氏(meissner’s)小体104、梅克尔氏(merkel’s)盘106、球状(bulbous)或鲁菲尼(ruffini)末梢108和克劳泽(krause)终球109。神经110连接到帕西尼安小体102、迈斯纳氏小体104、梅克尔氏盘106、鲁菲尼末梢108和克劳泽终球109。帕西尼安小体102和迈斯纳氏小体104是囊封式机械感受器，而梅克尔氏盘106和鲁菲尼末梢108未被囊封。一般来说，囊封或非囊封方面可能对于感受器对连续和稳态变形的敏感度具有影响。
23.帕西尼安小体102可以是压力感受器，其位于皮肤100下相对较深(例如大于20mm)处，也位于各种内部器官内。在皮肤100中，帕西尼安小体102检测50hz至500hz之间的快速振动压力和触摸，其中在250hz下具有最佳敏感度。迈斯纳氏小体104也是位于更接近皮肤100的位置(例如3至4mm)的压力感受器，并且对10hz至60hz之间的适度振动和轻触作出反应。
24.皮肤传感器的浓度在人体内变化很大。拇指、食指、脚、脚趾和嘴唇中的浓度相当高，而在躯干上，皮肤传感器的浓度相对较低。整个体表可以通过神经连接映射到躯体感觉皮层，该躯体感觉皮层位于大脑的顶部表面上，从一只耳朵延行到另一只耳朵。映射的结果是感觉皮层侏儒图(sensory cortical homunculus)，这是基于人类大脑的专用于处理身体不同部位的感觉功能的面积和比例的神经地图(neurological map)的人身体的扭曲表示。一般来说，诸如嘴唇、手、手指、拇指、脚和脚趾的各种身体部位包括更大浓度的皮肤传感器。
25.本文中公开的方面提供了一种系统和一种方法，该系统和该方法使用大浓度的皮
肤传感器(特别是手和脚)来测量紧靠旅行者的身体部位的舱室振动，并且随后生成抗振动波形，例如具有类似于振动波形的类似频率和振幅但具有相反相位的波形。然后将抗振动波形施加到与旅行者的手和脚紧密接触的触感致动器，例如以便将机械感受器处的运动感受减至最低，并且从而将感觉冲突减至最轻。根据振动谐振频率，也可以将抗振动波形施加到音频扬声器，从而进一步减小听觉、视觉和动觉感觉系统之间的感觉冲突，并且进一步将晕动病的感受减至最轻。
26.图2大致描绘了根据一个实施方案的利用触感反馈的主动振动消除(avc)系统120。avc系统120包括第一加法器122、多个触感传感器124、估计器块126、生成块128、分配块130，以及多个触感致动器和音频扬声器132以及第二加法器134。系统120大致表示avc系统120的高级表示，该avc系统被布置成将可归因于感受到但看不见的运动的晕动病对旅行者(或乘客)的影响减至最低。因此，系统120可以消除包括大浓度的皮肤传感器102、104、106和108(参见图1)的身体部位(例如手和脚)处或附近的振动或干扰。
27.该多个触感传感器124测量移动载具(例如飞机、车辆、船等)的舱室周围的移动，该移动可以由第一加法器122的总计输出(例如参考信号x(t)和干扰信号d(t)的和)来表示。参考信号x(t)大致对应于系统识别输入信号(例如伪随机二进制序列(prbs)信号)，这将结合图6来更详细地描述。干扰信号d(t)表示在舱室内部旅行者周围的振动。该多个触感传感器124使用具有触觉反馈的触感传感器124来测量相对于旅行者的位置沿着竖直、纵向和横向方向的移动舱室振动。估计块126使用适当的参考输入信号进行系统识别，以估计促成舱室振动的所有移动舱室谐振频率和它们的相应振幅。生成块128生成抗谐振波形，并且该抗谐振波形可被施加到与乘客的手和/或脚紧密接触的触感致动器132。在触感致动器132施加抗谐振波形之前，分配块130分派具有可小于50hz的谐振频率和相对小的振幅的振动以用于施加到触感致动器132。这方面将在下文结合图6来更详细地讨论。例如，利用如由估计器块126提供的可小于50hz的估计谐振频率，触感致动器132将抗谐振波形施加到例如迈斯纳氏小体104和梅克尔氏盘106，以靶向更接近皮肤100的表面的这些机械感受器。
28.例如，利用从估计器块126提供的可在50hz与500hz之间的范围内的估计谐振频率和相对大的振幅，触感致动器132可以将抗谐振波形施加到例如定位在皮肤100中更深处的机械感受器105，诸如帕西尼安小体102、鲁菲尼末梢104和/或克劳泽终球，触感致动器132可以施加具有不同信号特征的抗谐振波形。具体地说，研究表明，机械感受器105的深度、直径和取向在确定激励信号中发挥关键作用。例如，迈斯纳氏小体104可以位于5mm的皮肤深度处，具有4μm的直径和相对于神经110的垂直或竖直取向。另一方面，帕西尼安小体102位于20mm的皮肤深度处，具有10μm的直径和相对于神经110的平行或水平取向。更深且更大的机械感受器105可能需要更高振幅的信号来有效地激励它们。例如，当以至少0.2ma的激励电平向皮肤100施加电信号时，有可能产生虚拟触觉敏感度。此外，激励信号的极性是机械感受器105的取向的函数。输入信号的负极性可以激励水平感受器，而正极性可以激励竖直感受器。分配块130可以将谐振频率大于500hz的振动分派给音频扬声器132，以靶向具有适当振幅的触觉和听觉感受器。虽然不是在系统120中实现的实际物理部件，但第二加法器134描绘了在施加抗谐振波形时实现振动消除以及将旅行者感受器处的干扰d(t)减至最低的方式。
29.图3是曲线图200，该曲线图示出了人类触觉和听觉感知的频率响应范围。一般来
说，从极低频率至约1000hz的成功avc可以依赖于触觉和听觉感知。具体地说，人类触觉和听觉感知具有不同的频率范围，如图3中所示出。虽然皮肤100中的皮肤传感器对2hz至500hz的较低频率范围内的触觉刺激作出响应，但乘客的内耳中的前庭传感器对20hz至20khz的中等至较高频率范围内的声音刺激作出响应。此外，触觉传感器具有变化的频率和振幅响应，这取决于它们的皮肤深度位置和生物囊封的类型，如图3中在帕西尼安小体102与迈斯纳小体104之间进一步示出的。
30.图4描绘了根据一个实施方案的利用触感反馈的在移动载具314(例如机动车辆、船、飞机、火车等)的舱室313中实现的另一avc系统300。系统300包括至少一个控制器302(下文称为“控制器302”)、多个扬声器组件304a至304c、多个触感致动器组件306a至306c和多个触感感测组件308a至308c。一般被定义为从低频率至约1000hz的振动的消除的avc可以通过avc系统300来实现。
31.该多个触感感测组件308a至308c测量相对于旅行者的位置沿竖直、纵向和横向方向的舱室振动。触感感测组件308a至308c测量由用户或环境施加在触感界面上的力。这是通过监测电压降和电流汲取(current draw)的触感传感器电反馈信号来实现的。触感感测组件308a至308c中的每一者均包括对应的驱动器组件310a至310c和触感传感器312a至312c。每个驱动器组件310a至310c分别包括触感传感器312a至312c、放大器322、第一模-数转换器(adc)324、第二adc 326和数-模(dac)转换器328。每个触感传感器312a至312c可以被实现为压电致动器或线性谐振致动器(lra)。在一个示例中，触感传感器312a可以包括这样的触觉传感器，该触觉传感器在振动环境(或舱室313)的内部沿竖直方向被布置成测量相对于旅行者的位置在竖直方向上的谐振频率。在另一示例中，触感传感器312b可以包括这样的触觉传感器，该触觉传感器在振动环境(或舱室313)的内部沿水平方向被布置成测量相对于旅行者的位置在水平方向上的谐振频率。在另一示例中，触感传感器312c可以包括这样的触觉传感器，该触觉传感器在振动环境(或舱室313)的内部沿横向方向被布置成测量相对于旅行者的位置在横向方向上的谐振频率。
32.每个触感传感器312耦接到功率放大器322。类似地，第一adc 324和第二adc 326耦接到对应的触感致动器312a至312c，以将模拟信号转换成数字信号以用于传输到控制器302。模拟信号一般指示对使用者或舱室313内的环境施加的被测力(measured force)。第一adc 324和第二adc 326将从触感传感器312a至312c接收到的模拟信号转换成数字信号以用于传输到控制器302。在此种转换之前，触感传感器312a至312c两端的电压由于作用在触感传感器312a至312c上的力而改变。触感传感器312a至312c的电阻抗负载完全由从放大器322汲取的电流和触感传感器312a至312c两端的对应电压降来表征。电流和电压的这些模拟电反馈信号在放大器322内部被测量，并且经由第一adc 324和第二adc 326被转换成数字域。放大器322通过采用以下方式获得电流和电压反馈。例如，来自放大器322的偏置电压被施加到触感传感器312a至312c，以诱发指示静止状态的电阻抗稳态。施加在触感传感器312a至312c中的一个或多个触感传感器上的任何力都会引起稳态阻抗的波动，也称为反电动势(emf)。在此情况下，由于经由来自放大器322的反馈信号测量的力，偏置电流和/或电压可能存在变化。
33.控制器302包括至少一个数字信号处理器(dsp)。控制器302还包括可操作地耦接到第一adc 324和第二adc 326的输出的振动分析块350a至350c。振动分析块350a至350c分
析如经由dsp从第一adc 324和第二adc 326接收到的数字化电信号以估计各种振动参数。例如，振动分析模块350a至350c估计谐振频率、振幅和相位。控制器302还包括波形发生器352a至352c，这些波形发生器响应于来自对应的振动分析块350a至350b的信号而生成抗谐振波形。波形发生器352a至352c可以分别驱动扬声器组件304a至304c的换能器362a至362c，以生成反波谐振(或反波音频信号)来消除用户可能正在经受的可能引起晕动病的干扰谐振。一般来说，换能器362a至362c中的每一者均可以被定位成接近用户的耳朵，并且将音频信号(听不见的)传输到用户的耳朵。在谐振处(或者在与由于移动载具314中的振动而在用户的耳朵处经受的谐振频率异相的破坏性谐振频率处)生成反波音频信号以缓解晕动病。控制器302还包括参考波形发生器351a至351c，这些参考波形发生器分别生成参考输入波形，并且经由dac 328和放大器328将这些参考输入波形传输到触感传感器312a至312c。这方面将在下文详细地讨论。
34.控制器302还包括触感编码器354a至354c，这些触感编码器对由波形发生器352a至352c生成的抗谐振波形进行编码。例如，触感编码器354a至354a可以使用诸如脉冲宽度调制(pwm)、随机pwm、脉冲持续时间编码(pdc)和脉冲发生编码(poc)等调制技术来编码抗谐振波形。触感发生器354a至354c可以分别驱动触感致动器组件306a至306c的触感致动器364a至364c来生成用于消除用户可能正在经受的可能引起晕动病的干扰谐振的反波触感信号。一般来说，触感致动器364a至364c中的每一者均可以被定位在舱室313中的预定区域处，诸如定位在与用户的手和/或脚接触的区域处。在此情况下，触感致动器364a至364c向用户的手和/或脚施加触感反馈，由此触感反馈包括用于将晕动病减至最轻或消除的反波谐振。换能器362a至362c可以被定位成接近用户的耳朵(或者邻近用户的耳朵)，并且将音频信号(听不见的)传输到用户的耳朵。在谐振处(或者在与由于移动载具314中的振动而在用户的耳朵处经受的谐振频率异相的破坏性谐振频率处)生成反波音频信号以缓解晕动病。用于驱动触感致动器364a至364c的反波信号也被生成为与谐振频率异相。
35.该多个扬声器组件304a至304c和该多个触感致动器组件306a至306c中的每一者均包括第一adc 370、第二adc 372、dac 374和放大器376。放大器376在期望的振幅、频率和极性下驱动触感致动器364a至364c。第一和第二adc 370和adc 372监测来自换能器362a至362c和触感致动器364a至364c的反馈电压和反馈电流信号，以确保换能器362a至362c和触感致动器364a至364c在正确的振幅、频率、相位和极性下操作。
36.图5描绘了根据一个实施方案的用于对音频换能器362a至362c和触感致动器364a至364c执行抗谐振波形分配的方法400。
37.在操作402中，该多个触感感测组件308a至308c(例如触感传感器312a至312c)测量相对于旅行者的位置沿竖直、纵向和横向方向的舱室振动。触感感测组件308a至308c测量由用户在舱室313的环境内经受的施加在触感界面上的力。如上文所指出，触感传感器312a可以包括这样的触觉传感器，该触觉传感器在振动环境(或舱室313)的内部沿竖直方向被布置成测量相对于旅行者的位置在竖直方向上的谐振频率。在另一示例中，触感传感器312b可以包括这样的触觉传感器，该触觉传感器在振动环境(或舱室313)的内部沿水平方向被布置成测量相对于旅行者的位置在水平方向上的谐振频率。在另一示例中，触感传感器312c可以包括这样的触觉传感器，该触觉传感器在振动环境(或舱室313)的内部沿横向方向被布置成测量相对于旅行者的位置在横向方向上的谐振频率。触感传感器312a至
312b向控制器302提供竖直、水平和横向方向上的被测振动以确定谐振频率。
38.在操作404中，控制器302循环遍历所接收到的竖直、水平和横向方向上的被测振动中的所有被测振动，以确定在这些所指出方向上的谐振频率f
r(
f)。
39.在操作406中，控制器302确定谐振频率f
r(
f)中的一个或多个谐振频率是否低于第一预定值(例如50hz)。如果此条件为真，则方法400进行到操作408。如果不是，则方法400进行到操作420。
40.在操作408中，控制器302确定对应于期望谐振值的电压电平，以驱动触感致动器364a至364c中的至少一者或多者。电压电平是基于阻抗曲线。阻抗曲线是通过将反馈电压除以来自放大器322的反馈电流(这得到了电阻)，并且随后将结果变换为频率域而获得。阻抗曲线中大于某个阈值的峰值决定了谐振频率。电压电平是通过将谐振频率处的阻抗的量值乘以输入电流值(例如参考波形的0.2ma)来确定。
41.在操作410中，控制器302按迈斯纳皮肤深度因子将所导出的电压电平缩减。迈斯纳皮肤深度效应考虑到迈斯纳小体104的直径更小且深度更浅。因此，给定参考输入参考电流值，例如0.2ma，控制器302可以按此种因子将所导出的电压电平进行缩放。例如，控制器302将传输到该至少一个触感致动器364a至364c的信号缩放预定量，以考虑皮肤深度因子(例如与人体解剖学的迈斯纳小体104相关联的迈斯纳皮肤深度因子)。应认识到，控制器302可以基于皮肤100内的位置(或深度)和/或整体尺寸(例如直径)来增大或减小待施加到对应机械感受器104的所导出的电压电平。
42.在操作412中，控制器302生成处于频率fr(f)的抗谐振波形。
43.在操作414中，如果需要多于一个谐振频率fr(f)，则控制器302叠加波形(或添加波形)。例如，如果控制器302确定在触感传感器312a至312c中的一者处存在两个或更多个被测谐振频率，并且此类谐振频率中的每个谐振频率均低于第一预定值(例如参见上述操作406)，则控制器302针对多个谐振频率fr(f)叠加多个波形。
44.在操作416中，控制器302控制放大器376将抗谐振波形(或抗振动信号)施加到对应的触感致动器364a、364b、364c。
45.在操作420中，控制器302确定谐振频率fr(f)中的一个或多个谐振频率是否低于第二预定值(例如500hz)。如果此条件为真，则方法400进行到操作422。如果不是，则方法400进行到操作432。
46.在操作432中，控制器302确定对应于期望谐振值的电压电平，以驱动触感致动器364a至364c中的至少一者或多者。电压电平是基于阻抗曲线。如上文所指出，阻抗曲线是通过将反馈电压除以来自放大器322的反馈电流(这得到了电阻)，并且随后将结果变换为频率域而获得。阻抗曲线中大于某个阈值的峰值决定了谐振频率。电压电平是通过将谐振频率处的阻抗的量值乘以输入电流值(例如参考波形的0.2ma)来确定。
47.在操作434中，控制器302生成处于频率fr(f)(例如50≤500hz)的抗谐振波形。
48.在操作436中，如果需要多于一个谐振频率fr(f)，则控制器302叠加波形(或添加波形)。例如，如果控制器302确定在触感传感器312a至312c中的一者处存在两个或更多个被测谐振频率，并且此类谐振频率中的每个谐振频率均高于第一预定值且低于第二预定值，则控制器302针对多个谐振频率fr(f)叠加多个波形。
49.在操作438中，控制器302控制放大器376将抗谐振波形(或抗振动信号)施加到对
应的触感致动器364a、364b、364c。
50.在操作422中，控制器302确定对应于期望谐振值的电压电平，以驱动触感致动器364a至364c中的至少一者或多者。电压电平是基于阻抗曲线。阻抗曲线是通过将反馈电压除以来自放大器322的反馈电流(这得到了电阻)，并且随后将结果变换为频率域而获得。阻抗曲线中大于某个阈值的峰值决定了谐振频率。电压电平是通过将谐振频率处的阻抗的量值乘以输入电流值(例如参考波形的0.2ma)来确定。
51.在操作424中，控制器302按帕西尼安皮肤深度因子将所导出的电压电平缩减。帕西尼安皮肤深度效应考虑了直径更小且深度更浅的帕西尼安小体102。因此，给定参考输入参考电流值，例如0.2ma，控制器302可以按这种因子将所导出的电压电平进行缩放。例如，控制器302将传输到该至少一个触感致动器364a至364c的信号缩放预定量，以考虑皮肤深度因子(例如与人体解剖学的帕西尼安小体102相关联的帕西尼安皮肤深度因子)。如上文所指出，应认识到，控制器302可以基于皮肤100内的位置(或深度)和/或整体尺寸(例如直径)来增大或减小待施加到对应机械感受器104的所导出的电压电平。
52.在操作426中，控制器302生成处于频率fr(f)的抗谐振波形。
53.在操作428中，如果需要多于一个谐振频率fr(f)，则控制器302叠加波形(或添加波形)。例如，控制器302确定在触感传感器312a至312c中的一者处存在两个或更多个被测谐振频率，并且此类谐振频率中的每个谐振频率均高于第二预定值，则控制器302针对多个谐振频率fr(f)叠加多个波形。
54.在操作430中，控制器302控制放大器376将抗谐振波形(或抗振动信号)施加到对应的换能器362a、362b、362c以及施加到对应的致动器364a至364c。一般来说，在诸如例如500hz(或大于500hz)的边界频率下，控制器302将反波信号(或抗谐振波形)传输到换能器362a至362c和触感致动器364a至364b两者。应注意，在如上文所指出的操作434和436中，如果确定谐振频率被设置为接近或等于500hz的某个值，则控制器302也可以将反波信号传输到换能器362a至362c和触感致动器364a至364c两者。
55.图6描绘了根据一个实施方案的用于执行振动分析和参数估计的avc系统300的更详细的实现。如本文中所执行的振动分析依赖于对谐振频率、它们的量值和它们的相位的估计。为了获得这些估计值，需要用于系统识别的适当输入参考波形，诸如例如正弦信号、线性调频信号、白噪声信号等。系统300可以依赖于伪随机二进制序列(prbs)信号。prbs信号，也称为伪噪声(pn)、线性反馈移位寄存器(lfsr)序列或最大长度二进制序列(mlbs)。prbs信号可以是周期性的“1”或“0”的随机位流。这对于系统识别来说可能是一个理想特征，因为这方面使得能够预测进入的序列，并且使得有可能对该序列中可能出现的错误进行登记和计数。另外，prbs具有与白噪声类似的宽带频谱特性，这可以激发系统的各种模式在尽可能宽的频率范围内被识别。因此，高的识别精度外加强的实际性能使prbs成为最佳激励信号。
56.prbs呈现出类白噪声频谱，其在prbs时钟采样频率的倍数处出现极小的量值，因此允许将相关技术用于系统识别和脉冲响应估计。具体地说，如果要使用prbs测量线性时不变(lti)系统的脉冲响应，则可以通过取该响应与prbs的互相关从所测量的系统输出y[n]中提取该响应。这是因为对于零滞后，prbs的自相关为1，并且对于所有其他滞后，自相关几乎为零(-1/n，其中n是序列长度)；换句话说，随着prbs长度增加，prbs的自相关可以说
接近单位脉冲函数。
[0057]
如果系统的脉冲响应为h[n]，并且prbs输入信号为s[n]，则系统输出y(n)为h(n)和s(n)的卷积：
[0058]
y(n)＝h(n)*s(n)
[0059]
对上述两边取相对于s(n)的互相关得到
[0060]
φ
sy
＝h(n)*φ
ss
[0061]
并且假设φ
ss
是如上文所讨论的脉冲，则
[0062]
h(n)＝φ
sy
[0063]
具有脉冲自相关的任何信号都可以用于此目的，但具有高波峰因数的信号(诸如脉冲函数本身)会产生具有较差信噪比的脉冲响应。由于其非常低的波峰因数，因此prbs可能是理想信号。
[0064]
使用上文讨论的分析，系统300根据如图6中所示出的框图来测量振动并估计系统参数。一般来说，具有触觉反馈的触感传感器312a至312c可以放置在移动载具314上的舱室313中。触感传感器312a至312c可以被定位成紧靠舱室313中的任何位置。触感传感器312a至312c可以被定位成紧靠旅行者的手和脚可能位于的位置。如上文所指出，触感传感器312a至312c彼此分组，以测量相对于旅行者的身体在竖直、纵向和横向平面中的三轴振动。参考波形351a至351c提供参考输入波形作为prbs信号，该prbs信号经由放大器322放大并且稍后被传输到触感传感器312a至312c。控制器302接收从放大器322(例如从触感传感器312a至312c)捕获并且由第一和第二adc 324、326数字化的反馈电压和电流。
[0065]
控制器302针对每个振动轴向方向对触感传感器312a至312c执行下面的计算：
[0066]
1)控制器302的振动分析块350a至350c确定脉冲响应h(n)和传递函数h(f)，估计：给定数字输入参考prbs电压信号v
输入
(n)以及来自放大器322的被测反馈电压信号v
输出
(n)，系统传递函数h(f)可以计算如下：
[0067][0068]
其中dft是离散傅里叶(fourier)变换，并且xcorr是互相关函数。
[0069]
2)控制器302如下确定传递函数h(f)的相位函数：
[0070][0071]
其中arctan是反正切或反正切运算符。
[0072]
3)控制器302(即振动分析块350a至350c)对相位函数应用复共轭运算符，以便获得作为频率的函数的反相位值：
[0073][0074]
4)控制器302(即振动分析块350a至350c)基于以下来确定阻抗、谐振频率和谐振量值估计值：
[0075]
a.给定来自参考波形块351a至351c的数字输入参考prbs电压信号v
输入
(n)、来自放大器的被测反馈电压信号v
输出
(n)以及来自放大器的被测反馈电流信号i
输出
(n)，则系统阻抗z(f)计算如下：
[0076][0077]
其中dft是离散傅立叶变换，并且j是复数
[0078]
5)阻抗量值|z(f)|的检查允许识别谐振频率fr(f)。具体地说，峰值阻抗量值|zr(f)|高于特定阈值t
mag
(f)的频率被分类为谐振频率。
[0079]
6)波形生成块352a至352c如下生成抗谐振波形(或反波信号)：给定所估计的m数量个谐振频率fr(f)、它们相应的阻抗量值|zr(f)|以及它们相应的相位φ
*r
(f)，波形生成块352a至352c生成数字抗谐振信号s
ar
(n)作为各种正弦曲线的总和：
[0080][0081]
7)控制器302将s
ar
(n)分割成三个不同的信号，这三个不同的信号靶向触感致动器364a、364b、364c或浅层皮肤感受器、用于深层皮肤感受器的触感致动器，以及用于前庭感受器的换能器362a、362b、362c。
[0082]
一般来说，控制器302(i)对由触感传感器312a至312c检测到的谐振频率的负载阻抗进行估计，(ii)响应于确定相位/角度而对传递函数进行估计，以及(iii)使所确定的相位/角度反转，以使得控制器302将反转的谐振频率应用于触感致动器364a至364c以消除施加到舱室313的频率。
[0083]
图7描绘了根据一个实施方案的定位在移动载具314的舱室313中的另一avc系统600。一般来说，系统600包括控制器302、所述多个扬声器组件304a至304c(“304”)、所述多个触感致动器组件306a至306c(“306”)和所述多个触感传感器312a至312c(“312”)。具体地说，触感致动器364被定位在舱室313的预定区域中。例如，触感致动器364中的一个或多个触感致动器可以被定位在舱室313中的各名乘客的脚附近。在此情况下，控制器302控制此类触感致动器364将抗谐振波形施加到定位在用户的脚460上的机械感受器105以缓解晕动病。另外，触感致动器364中的一个或多个触感致动器可以被定位在舱室313中的各名乘客的手462附近。在此情况下，控制器302控制此类触感致动器364将抗谐振波形施加到定位在用户的手462上的机械感受器105以缓解晕动病。
[0084]
控制器302还可以控制对应扬声器组件304的一个或多个低音扬声器470或超低音扬声器472向舱室313中的乘客的耳朵生成具有抗谐振波形的音频。应认识到，所传输的音频(或抗谐振波形)的频率高于用于驱动触感致动器364的抗谐振波形的频率。低音扬声器470和/或超低音扬声器472可以在舱室313中被定位成紧靠乘客。触感驱动器456a和456b大致对应于如结合图4所示出的多个触感致动器组件306的放大器376。类似地，扬声器驱动器458大致对应于如结合图4所示出的多个扬声器组件304的放大器376。
[0085]
虽然上文描述了示例性实施方案，但是这些实施方案并非意图描述本发明的所有可能形式。相反，在说明书中使用的词是描述而非限制的词，并且应理解的是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可以组合各种实现实施方案的特征以形成本发明的进一步的实施方案。

技术特征：
1.一种主动振动消除(avc)系统，其包括：至少一个触感感测组件，其定位在移动载具的舱室中，并且被配置成传输指示在所述舱室中的至少一位乘客身上呈现的振动的第一信号；以及至少一个控制器，其被编程为：响应于所述第一信号来确定在所述至少一位乘客身上呈现的所述振动的谐振频率；确定所述谐振频率小于第一预定值；响应于所述谐振频率小于所述第一预定值来生成第一反波信号；以及利用所述第一反波信号来驱动被定位成靠近所述舱室中的所述至少一位乘客的至少一个触感致动器，以将由所述载具中的所述至少一位乘客身上呈现的所述振动引起的所述至少一位乘客的晕动病减至最轻。2.如权利要求1所述的avc系统，其中所述至少一个触感致动器被定位在所述载具上并且靠近所述至少一位乘客的手和脚中的至少一者以向其中施加所述第一反波信号。3.如权利要求1所述的avc系统，其中所述第一反波信号包括破坏性谐振频率，所述破坏性谐振频率与在所述至少一位乘客身上呈现的所述振动的所述谐振频率异相。4.如权利要求1所述的avc系统，其中所述至少一个控制器被进一步编程为将驱动所述至少一个触感致动器的信号调整预定量，以考虑与人体解剖学的一个或多个机械感受器相关联的皮肤深度因子。5.如权利要求1所述的avc系统，其中所述至少一个控制器被进一步编程为确定对应于期望谐振值的电压电平，以驱动所述至少一个触感致动器。6.如权利要求5所述的avc系统，其中所述电压电平是基于阻抗曲线。7.如权利要求6所述的avc系统，其还包括放大器，所述放大器可操作地耦接到所述至少一个触感感测组件，并且被配置成从所述至少一个触感感测组件接收反馈电流和反馈电压，并且被进一步配置成基于所述反馈电流和所述反馈电压来确定所述阻抗曲线。8.如权利要求1所述的avc系统，其中所述至少一个控制器被进一步编程为在所述谐振频率大于所述第一预定值的情况下，将在所述至少一位乘客身上呈现的所述振动的所述谐振频率与第二预定值进行比较。9.如权利要求8所述的avc系统，其中所述至少一个控制器被进一步编程为基于所述谐振频率与所述第二预定值的比较来生成第二反波信号。10.如权利要求9所述的avc系统，其中所述至少一个控制器被进一步编程为使用所述第二反波信号来驱动被定位成靠近所述舱室中的所述至少一位乘客的所述至少一个触感致动器或至少一个换能器，以将所述至少一位乘客的所述晕动病减至最轻。11.一种体现在非暂时性计算机可读介质中的计算机程序产品，其被编程用于在移动载具中执行主动振动消除(avc)，所述计算机程序产品包括用于进行以下操作的指令：接收指示在所述移动载具的舱室中的至少一位乘客身上呈现的振动的第一信号；基于所述第一信号来确定在所述至少一位乘客身上呈现的所述振动的谐振频率；基于所述谐振频率来生成第一反波信号；以及利用所述第一反波信号来驱动被定位成靠近所述舱室中的所述至少一位乘客的至少一个触感致动器，以将由所述载具中的所述至少一位乘客身上呈现的所述振动引起的所述至少一位乘客的晕动病减至最轻。
12.如权利要求11所述的计算机程序产品，其还包括用于驱动所述至少一个触感致动器的指令，所述至少一个触感致动器被定位成靠近所述至少一位乘客的手和脚中的至少一者以向其中施加所述第一反波信号。13.如权利要求11所述的计算机程序产品，其中所述第一反波信号包括破坏性谐振频率，所述破坏性谐振频率与在所述至少一位乘客身上呈现的所述振动的所述谐振频率异相。14.如权利要求11所述的计算机程序产品，其还包括用于进行以下操作的指令：将驱动所述至少一个触感致动器的信号调整预定量，以考虑与人体解剖学的一个或多个机械感受器相关联的皮肤深度因子。15.如权利要求11所述的计算机程序产品，其还包括用于确定对应于期望谐振值的电压电平以驱动所述至少一个触感致动器的指令。16.如权利要求15所述的计算机程序产品，其中所述电压电平是基于阻抗曲线。17.如权利要求16所述的计算机程序产品，其还包括用于进行以下操作的指令：从所述至少一个触感感测组件接收反馈电流和反馈电压，以及基于所述反馈电流和所述反馈电压来确定所述阻抗曲线。18.一种用于在移动载具中执行主动振动消除(avc)的方法，所述方法包括：接收指示在所述移动载具的舱室中的至少一位乘客身上呈现的振动的第一信号；基于所述第一信号来确定在所述至少一位乘客身上呈现的所述振动的谐振频率；基于所述谐振频率来生成第一反波信号；以及利用所述第一反波信号来驱动被定位成靠近所述舱室中的所述至少一位乘客的至少一个触感致动器，以将由所述载具中的所述至少一位乘客身上呈现的所述振动引起的所述至少一位乘客的晕动病减至最轻。19.如权利要求18所述的方法，其中驱动所述至少一个触感致动器包括：驱动被定位成靠近所述至少一位乘客的手和脚中的至少一者以向其中施加所述第一反波信号的所述至少一个触感致动器。20.如权利要求19所述的方法，其中所述第一反波信号对应于破坏性谐振频率，所述破坏性谐振频率与在所述至少一位乘客身上呈现的所述振动的所述谐振频率异相。

技术总结
在一个实施方案中，提供了一种体现在非暂时性计算机可读介质中的计算机程序产品，其被编程用于在移动载具中执行主动振动消除(AVC)。该计算机程序产品包括用于进行以下操作的指令：接收指示在移动载具的舱室中的至少一位乘客身上呈现的振动的第一信号，以及基于第一信号来确定在该至少一位乘客身上呈现的振动的谐振频率。该计算机程序产品还包括用于进行以下操作的指令：基于谐振频率来生成第一反波信号，以及利用第一反波信号来驱动被定位成靠近舱室中的该至少一位乘客的至少一个触感致动器，以将由载具中的该至少一位乘客身上呈现的振动引起的该至少一位乘客的晕动病减至最轻。至最轻。至最轻。


技术研发人员：Z
受保护的技术使用者：哈曼国际工业有限公司
技术研发日：2020.11.27
技术公布日：2023/8/28