[论文解读] A Mathematical Model of Motion Sickness in 6DOF Motion and Its Application to Vehicle Passengers

Takahiro Wada, Norimasa Kamij+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Vestibular and auditory disorders参考文献 14被引用 8

一句话总结

本文通过在前庭系统中建立耳石器-半规管相互作用模型，将运动性晕动病的主观垂直冲突（SVC）理论扩展至六自由度（6DOF），实现了对车辆乘客晕动病发病率（MSI）的预测。模型表明，驾驶员通过将头部朝向弯道方向倾斜，可抵消冲突的感官输入，从而降低MSI；而乘客则因头部运动方向相反，导致晕动病发病率更高。

ABSTRACT

A mathematical model of motion sickness incidence (MSI) is derived by integrating neurophysiological knowledge of the vestibular system to predict the severity of motion sickness of humans. Bos et al. proposed the successful mathematical model of motion sickness based on the neurophysiological mechanism based on the subject vertical conflict (SVC) theory. We expand this model to 6-DOF motion, including head rotation, by introducing the otolith-canal interaction. Then the model is applied to an analysis of passengers' comfort. It is known that the driver is less susceptible to motion sickness than are the passengers. In addition, it is known that the driver tilts his/her head toward the curve direction when curve driving, whereas the passengers' head movement is likely to occur in the opposite direction. Thus, the effect of the head tilt strategy on motion sickness was investigated by the proposed mathematical model. The head movements of drivers and passengers were measured in slalom driving. Then, the MSI of the drivers and that of the passengers predicted by the proposed model were compared. The results revealed that the head movement toward the centripetal direction has a significant effect in reducing the MSI in the sense of SVC theory.

研究动机与目标

• 基于前庭系统的神经生理学原理，开发一种用于6DOF运动的晕动病发病率（MSI）数学模型。
• 研究车辆运动过程中头部运动策略对晕动病易感性的影响。
• 利用斜坡驾驶过程中测量的头部运动学数据，比较驾驶员与乘客的预测MSI。
• 通过真实驾驶数据和感官冲突的神经生理学原理，验证模型的预测能力。

提出的方法

• 通过整合耳石器-半规管相互作用机制，将Bos等人基于SVC的晕动病模型扩展至6DOF。
• 融合来自前庭系统的惯性信号，包括线加速度和角速度，以计算感官冲突水平。
• 收集驾驶员与乘客在斜坡驾驶过程中的头部运动数据，并将其作为模型输入。
• 通过量化感知垂直方向与实际运动线索之间的冲突程度，计算MSI。
• 采用前庭信号的加权组合，估算感官错配的严重程度。
• 比较驾驶员与乘客的预测MSI，以评估头部倾斜方向对晕动病发病率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 六自由度运动（包括旋转与平动分量）如何影响车辆乘客的晕动病发病率（MSI）？
• RQ2 头部运动方向（朝向或远离弯道）在车辆转弯过程中对MSI的调节作用是什么？
• RQ3 与乘客相比，驾驶员采用的头部倾斜策略在多大程度上可减少感官冲突并降低MSI？
• RQ4 基于神经生理学的数学模型能否准确预测真实驾驶场景中的MSI，且基于实测头部运动学数据？

主要发现

• 所提出的6DOF模型通过整合耳石器与半规管信号，成功预测了晕动病发病率，扩展了先前的3DOF模型。
• 头部朝向弯道方向倾斜的驾驶员，其预测MSI显著低于乘客。
• 头部远离弯道方向倾斜的乘客，因感官冲突加剧，导致预测MSI更高。
• 模型证实，头部倾斜策略在通过最小化前庭系统中的垂直冲突来减轻晕动病方面起着关键作用。
• 斜坡驾驶过程中实测的头部运动与驾驶员与乘客之间预测MSI的差异高度相关。
• 结果支持了主动头部控制可通过使感知垂直方向与实际运动线索对齐，从而减轻晕动病的假设。