使用卡尔曼滤波器对人类回声定位进行建模|||北京沫之东生物技术有限公司

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一些盲人会使用回声定位，这是一种使他们能够利用由自身发出的口腔点击声经周围表面反射产生的回声，更好地在环境中导航的技能。回声定位涉及感觉积累、信息处理、动态预测、运动规划以及实时执行之间复杂的相互作用。计算建模为理解支撑回声定位表现的认知与神经机制提供了一种有价值的方法，尤其有助于揭示该过程的时间动态特征。我们提出了一个基于卡尔曼滤波器的人类回声定位行为计算模型，在该模型中，我们将回声定位者视为一个主动传感器，其对目标位置维持一种内部信念，并通过回声反馈持续加以修正。该模型基于对盲人人类专家回声定位行为的观察，模拟了在不同条件下利用口腔点击声及其返回回声来定位目标并朝向目标的过程。在实验中，目标被放置在前方平面上的一个随机方位角位置。回声定位者将一系列口腔点击声指向不同方向，并利用从点击声回声中接收到的声学信息推断目标的方位角。该系统整合了三个主要组成部分：（1）对回声声学双耳时间差（ITD）的模拟，用于估计头部与目标之间的相对夹角；（2）一个卡尔曼滤波器，用于处理这些双耳时间差，并迭代更新关于目标位置及其相关不确定性的概率信念；以及（3）一个运动控制系统，用当前信念状态调节头部运动。卡尔曼滤波器充当观察者内部状态的表征，其中其信念驱动头部旋转方向，而其不确定性估计则驱动头部速度的调整。模型表现表明，简单的预测性计算方法能够复现回声引导的感觉—运动学习的关键方面，从而提供了一个可用于开发生物学上合理的模型、推进对最佳实践的理解，并有望改进干预策略的框架。

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摘要

一些盲人会使用回声定位，这是一种使其能够借助自身发出的口腔喀嗒声经周围表面反射后产生的回声，更好地在环境中导航的技能。回声定位涉及感觉信息积累、信息处理、动态预测、运动规划以及实时执行之间复杂的相互作用。计算建模为理解回声定位表现背后的认知与神经机制，尤其是该过程的时间动态，提供了一种有价值的方法。我们提出了一个基于卡尔曼滤波器的人类回声定位行为计算模型，其中将回声定位者视为一种主动传感器，其维持关于目标位置的内部信念，并通过回声反馈持续加以修正。该模型基于对盲人回声定位专家的观察，模拟了在不同条件下利用口腔喀嗒声及返回回声对目标进行定位并朝向目标定向的过程。在实验中，目标被放置于额平面内的随机方位角位置。回声定位者将一系列口腔喀嗒声指向不同方向，并利用从喀嗒声回声中接收到的声学信息推断目标方位角。该系统整合了三个主要组成部分：（1）回声声学双耳时间差（ITD）的模拟，用于估计头部与目标之间的相对夹角；（2）一个卡尔曼滤波器，用于处理这些 ITD，并迭代更新关于目标位置及相关不确定性的概率信念；以及（3）一个运动控制系统，用当前信念状态调节头部运动。卡尔曼滤波器作为观察者内部状态的表征，其中其信念驱动头部旋转方向，而其不确定性估计驱动头部速度调整。模型表现表明，简单的预测性计算方法能够重现回声引导感觉运动学习的关键方面，从而提供一个可用于开发具有生物学合理性的模型、推进对最佳实践的理解并有望改进干预策略的框架。

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美国国家眼科研究所 F32EY038634

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发布于 2026 年 7 月 7 日。

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