專利名稱：一種座艙模擬操縱試驗臺人機工效測評系統(tǒng)及測評方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種模擬座艙人機エ效測評系統(tǒng)及測評方法。
背景技術：
座艙作為人機接ロ，其設計的好壞，直接關系到操作員能否做出正確的判斷和決策以及能否合理的控制，從而保障產(chǎn)品的安全。早期的座艙的設計往往是由設計人員憑想象來進行設計，一般隨意性很大，而操作人員也根據(jù)設計人員設計制作的座艙進行操作，一般只要沒有發(fā)生大大的問題，座艙是不會再進行大的改進，而因此很多的安全隱患隱蔽座艙里，有時發(fā)生事故一般人們都是從操作者的失誤去尋找問題，而很少去聯(lián)系座艙的設計是否有誤。目前隨著新的顯示控制技術的不斷出現(xiàn)，自動化程度的日益廣泛化，新型多功能綜合顯示器的不斷推出，因此座艙的設計成了設計者關注的重點。 目前，座艙的設計時，人機エ效的評價日益得到關注，如在飛機座艙的設計中，按照以前的做法，是需要將真實的座艙實物做出來，并由飛行員進行模擬操作才能發(fā)現(xiàn)ー些基本問題，并加以改進，這樣在施工中還需要投入大量的人力物力，并且消耗大量的驗證時間。而目前的飛機模擬座艙得到廣泛的應用，它能夠利用各種新型的顯示裝置模擬飛機在飛行中的飛機艙外的環(huán)境，依靠液壓系統(tǒng)模擬飛機的姿態(tài)，并且在觸摸屏上模擬飛機座艙的操作按鈕，使飛行員在模擬座艙中模擬真實的飛行駕駛，一些座艙設計中的人機エ效問題在地面模擬階段就被發(fā)現(xiàn)并及時改進，通過軟件的改動，即可改變座艙的按鈕、顯示器、報警燈等的設置，大大節(jié)省了模擬座艙的實物制作時間。但是目前模擬座艙缺乏足夠的客觀數(shù)據(jù)和細致的定量描述，沒有完善的綜合指標體系和評價標準，基本上是靠檢驗者的感覺來進行模擬駕駛的性能，其最終的驗證需要在樣機搭建完成之后才能進行，那一旦飛機座艙的設計中含有重大人機エ效問題時，其后帶來的設計返エ將造成巨大的人力、物力的浪費。設計ー套座艙人機エ效測評系統(tǒng)及方法，對于減輕飛機重量、提高開發(fā)效率，促進設計部門エ效評價工作有著重要的現(xiàn)實意義與作用

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術中所存在問題，提供一種座艙模擬操縱試驗臺人機エ效測評系統(tǒng)及測評方法。本發(fā)明設計ー種座艙模擬操縱試驗臺人機エ效測評系統(tǒng)，包括模擬操作艙，模擬操作艙內(nèi)的照明裝置及攝影裝置，安裝在模擬操作艙內(nèi)的用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置，計算機系統(tǒng)，其特征在干在模擬操作艙有操作員座椅，圍繞操作員座椅設置有數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置包括傳感器、眼動儀、紅外跟蹤儀、3D鼠標、數(shù)據(jù)手套；用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置、布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板、操作員座椅、各傳感器、眼動儀、紅外跟蹤儀、數(shù)據(jù)手套和3D鼠標均由計算機控制連接；計算機系統(tǒng)包括有動力學仿真模快，虛擬視景仿真模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，試驗分析模塊。其特征在于安裝在模擬操作艙內(nèi)的用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置、布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板、操作員座椅的安裝底座上均設置有ニ維或三維移動裝置和/或一維或ニ維轉動裝置。其特征在于所述的用于模擬儀表板的顯示裝置和模擬操作板的顯示裝置為實際的儀表板和操作板。一種座艙人機エ效測評方法，其特征在干根據(jù)設計需要，確定用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置、布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板、操作員座椅的多維位置和或轉動位置，在試驗人員身體上需要檢測位移處安裝傳感器，手上套有數(shù)據(jù)手套，駕駛評估人員戴上眼動儀或者利用儀表臺上的固定眼動儀，計算機系統(tǒng)根據(jù)測評要求，動力學仿真模塊將模擬出各種駕駛狀態(tài)，并將對應的參數(shù)傳送到模擬儀表板的顯示裝置和模擬操作板的顯示裝置上，虛擬視景仿真模塊將模擬的外視景圖像傳送到模擬座艙外視景的顯示裝置上，試驗人員根 據(jù)所見到的模擬座艙外視景的顯示裝置上的圖像和模擬儀表板的顯示裝置所顯示的數(shù)據(jù)進行對應的手腳眼的操作，試驗人員身體各部位的移動及手指的動作及眼睛注視點的觀測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集模塊采集，并由試驗分析模塊分析?；谌蝿占肮ぷ髁康娜藱Cエ效評估方法，其包括了ー種試驗過程記錄與管理模塊，行為分析模塊，以及虛擬人體模型模塊；試驗過程記錄及管理模塊可以與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，并將整個測試過程錄制下來(包含飛行過程、駕駛者眼動、手腳運動、測試者面部表情等)，虛擬人體模型軟件模塊可以提供部分用戶-系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)，行為分析軟件模塊可以對以上記錄和計算的眼動、手動等行為進行編碼，同時將從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提取的視頻文件，以及由信號合成的同步仿真文件處理后導入行為分析模塊后，綜合評判針對飛行操作的不同任務、座艙尺寸、顯示系統(tǒng)設計條件下的駕駛人員的工作量，從而給出科學和定量的設計方案的評估數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點包括
(1)提供ー種柔性顯控系統(tǒng)，可根據(jù)人體模型變更儀表臺、控制臺、推桿、座椅的位置。同時儀表顯示內(nèi)容大小和位置也可調，可對比不同座艙布局和信息顯示環(huán)境下的人機エ效，實現(xiàn)對各相關部件的人機エ效檢查和輔助設計功能；
(2)提供的儀表顯示系統(tǒng)和控制臺均采用了高質量的觸摸顯示屏，可以檢查在(外加)不同外界光線情況下，駕駛員對儀表和控制臺的視野、視距、眩光等的感受，可以對顯示信息的可讀性進行模擬檢查和感知；并通過對模擬信標和觸控按鈕等的操作來感知原設計方案的可達性；根據(jù)電動座椅位置和標準人體眼睛位置，得出人眼與各顯示屏的相對位置，作為評估的依據(jù)。(3)提供的人機エ效測評系統(tǒng)為基于工作量的人機エ效評估方法，其包括了ー種試驗過程記錄和管理模塊，可以將整個測試過程錄制下來，并對眼動、手動等行為編碼，同時從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提取的文件被導入行為分析系統(tǒng)，會連同視頻一起被可視化，從而掲示人的內(nèi)心世界，更好地理解外顯行為。(4)整個系統(tǒng)的計算機運行系統(tǒng)采用単一的工作站模式，與常規(guī)多電腦系統(tǒng)相比，具有更好的經(jīng)濟性和數(shù)據(jù)調用性。(5)本試驗臺采用獨立的管理軟件，具有良好的兼容性，可以與多種動力學軟件，虛擬視景軟件，地球數(shù)據(jù)軟件等有接ロ，并有效管理。(6)除部分行為分析和數(shù)據(jù)處理需要単獨討論和離線進行，大部分測試和分析可以在試驗臺上實時進行。(7)系統(tǒng)具有獨立的數(shù)據(jù)溝通模式，也可以預留可以與整車或整機匹配的通訊模式，如CAN接ロ。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖，圖2為本發(fā)明的模擬汽車駕駛的原理圖，圖3、4為本發(fā)明的模擬飛機駕駛的原理圖，圖5為本發(fā)明的測評原理圖。下面結合附圖和施工實例對本發(fā)明作詳細使用說明。
具體實施例方式本發(fā)明的系統(tǒng)中有三大塊，由虛擬座艙硬件系統(tǒng)和駕駛仿真系統(tǒng)環(huán)境、人機エ效測評系統(tǒng)構成，虛擬座艙硬件系統(tǒng)包含有柔性顯示操控系統(tǒng)和柔性駕駛艙結構系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，駕駛仿真系統(tǒng)環(huán)境包含有動力學仿真模塊和虛擬視景仿真模塊，人機エ效測評系包含虛擬人體模型和行為分析軟件、試驗過程記錄和管理模塊。
實施例I :汽車駕駛艙人機エ效測評系統(tǒng)
如圖2所示，虛擬座艙硬件系統(tǒng)包括由多臺液晶顯示屏拼接成的外景屏為模擬座艙外視景的顯示裝置1，前儀表臺為用于模擬儀表板的顯示裝置2，側控制臺為用于模擬控制電動后視鏡、電動搖窗機的模擬儀表板的顯示裝置3，中控儀表臺用于模擬空調控制、多媒體娛樂終端和導航的模擬儀表板的顯示裝置4，可調節(jié)位置及高低的電動座椅5，方向盤、離合器、剎車、油門、換檔桿采用真實器件為布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板6，用于操控汽車。照明燈7用于模擬車內(nèi)光線；眼動儀8、攝像機9。數(shù)據(jù)手套10用于模擬操作時カ的大小和反饋，眼動儀及用于跟蹤人體各部位動作的紅外跟蹤儀11用于人體運動的建模和追蹤。并在試驗人員的主要需要測試的部分安裝傳感器12，用于被紅外跟蹤儀11的追蹤。駕駛仿真系統(tǒng)環(huán)境采用車輛動力學仿真軟件PreScan，在Matlab中建立了車輛系統(tǒng)動力學模型，控制PreScan的運行從而模擬車輛運行環(huán)境。車輛系統(tǒng)動力學模型根據(jù)駕駛操作系統(tǒng)轉向、加速、制動，并將車輛動力學參數(shù)，如發(fā)動機轉速、油耗、車速等信息發(fā)送給前儀表臺為用于模擬儀表板的顯示裝置2。虛擬視景系統(tǒng)的建模包括ー個道路及其附近的地形,如丘陵、公路、城鎮(zhèn)以及湖泊樹木等。通過導入Google Earth中的地圖數(shù)據(jù)，可以真實的再現(xiàn)道路實況并將圖像發(fā)送到由多臺液晶顯示屏拼接成的外景屏為模擬座艙外視景的顯示裝置I上。同吋，駕駛仿真系統(tǒng)在Matlab中預留了其他動力學軟件的接ロ，如veDYNA,可根據(jù)需要來選擇。人機エ效測評系統(tǒng)采用工作量法評估，及通過測量生理指標和行為指標客觀地評價駕駛員的工作負荷。如圖5所示，首先，在虛擬座艙系統(tǒng)中，載入待測的座艙環(huán)境，包括電動座椅5的位置、方向盤、離合器、剎車、油門、換檔桿采用真實器件為布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板6的位置及前儀表臺為用于模擬儀表板的顯示裝置2，側控制臺為用于模擬控制電動后視鏡、電動搖窗機的用于模擬儀表板的顯不裝置3,中控儀表臺用于模擬空調控制、多媒體娛樂終端和導航的用于模擬儀表板的顯示裝置4的位置。然后啟動虛擬駕駛環(huán)境，該駕駛環(huán)境能仿真汽車的駕駛場景，井能通過操作裝置來控制汽車。在模擬駕駛任務過程中，借助數(shù)據(jù)采集裝置眼動儀、攝像機、觸摸屏設備，實時地記錄整個過程，包括眼動數(shù)據(jù)、手動數(shù)據(jù)、生理狀態(tài)參數(shù)、面部表情、整個駕駛過程的行為事件。這些數(shù)據(jù)將導入到行為記錄分析系統(tǒng)中，該系統(tǒng)能有效整合生理數(shù)據(jù)以便分析事件數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提取的文件被導入后，會連同攝影裝置拍攝的視頻一起被可視化，從而掲示人的內(nèi)心世界，更好地理解外顯行為。評測結果將根據(jù)座艙人機環(huán)境綜合評價指數(shù)，包括座艙尺寸、視域、顯示裝置、操作裝置得出座艙人機環(huán)境的設計水平等級。若沒有達到設計要求，則通過調整待測座艙環(huán)境，再次進入測試流程，直至達到設計要求。最終的座艙環(huán)境如儀表信息顯示布局、座椅位置、測試人員人體模型等將被保存至數(shù)據(jù)庫中并生成報表，方便查詢調用。當進行某個試驗時，可以在試驗管理模塊設定一定的駕駛任務，試驗者(用戶)身份被系統(tǒng)識別，試驗臺環(huán)境(照明狀況、儀表臺、采集系統(tǒng)、油門、剎車、離合器、駕駛桿和方向盤)被設定，試驗者可以通過油門、剎車和方向盤等操縱系統(tǒng)執(zhí)行設定的駕駛任務并處理某些系統(tǒng)設置的試驗者不預知的緊急情況。在整個過程中，眼動儀可以記錄駕駛者注視點和頭部面部動作和表情，紅外追蹤儀可以精確追蹤人體如手、腳、肩的運動狀態(tài)，數(shù)據(jù)手套可以感知方向盤的カ特性。以上這些數(shù)據(jù)采集方式與觸摸屏一起形成完整的位置、時間、生理以及心理的整套采集系統(tǒng)。
實施例2 飛機駕駛艙人機エ效測評系統(tǒng)
如圖3所示，虛擬座艙硬件系統(tǒng)包括由多臺液晶顯示屏拼接成的模擬座艙外視景的顯示裝置101，前儀表臺為用于模擬儀表板的顯示裝置102，用于顯示虛擬儀表界面；左右側觸摸屏和左右控制臺用于模擬飛機座艙內(nèi)相應位置的操縱設備為模擬儀表板的顯示裝置103或布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板104 ;油門桿、駕駛桿布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板105，布置于駕駛員兩側，通過傳感器連接飛機駕駛仿真系統(tǒng)，用于實現(xiàn)基本的飛行操作及諸如戰(zhàn)機的導彈發(fā)射等操作；電動座椅106布置在座艙中央，座椅前后、高低位置均可調；照明燈107用于模擬飛機內(nèi)光線；眼動儀108、攝像機109用于記錄駕駛員眼動和手動數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)手套111用于模擬操作時カ的大小和反饋；紅外追蹤儀112用于人體運動的建模和追蹤，110為3D鼠標。中位駕駛桿方案圖如圖4所示。飛機駕駛仿真系統(tǒng)采用飛行動力學仿真軟件RTDynamics和/或Sim Tube，可以模擬在正常環(huán)境、大風天氣、不同油量狀況下的飛行的各個過程，如滑行，降落，起飛，爬升。虛擬視景系統(tǒng)提供了加載外場景生成的接ロ，并支持Google Earth等GIS軟件。人機エ效測評系統(tǒng)同樣采用工作量法評估，測試流程如圖5所示。本發(fā)明的儀表臺在結構上設計了運動機構，具有三個維度的運動和+轉動，運動由工作站和及其運行的運動控制程序進行控制，運動機構采用步進電機或伺服電機帶動線軌來帶動虛擬儀表臺和真實儀表臺?？刂婆_A具有兩個維度的轉動和三個維度的移動，運動由工作站和及其運行的運動控制程序進行控制，運動機構采用步進電機或伺服電機帶動線軌來帶動虛擬儀表臺和真實儀表臺。根據(jù)需要，可以在試驗臺部署部分或全部的運動維度的配置?？刂婆_B具有一個維度的轉動和三個維度的移動，運動由工作站和及其運行的運動控制程序進行控制，運動機構采用步進電機或伺服電機帶動線軌來帶動虛擬儀表臺和真實儀表臺。根據(jù)需要，可以在試驗臺部署部分或全部的運動維度的配置?？刂婆_A和B之間具有聯(lián)動關系，以保證整體布局的結構及尺寸協(xié)調性和合理性。儀表臺及各控制臺位置可以記錄并保存，其于不同性別人種的駕駛員的人體參數(shù)一起匹配形成多套駕駛艙參數(shù)建議方案。油門桿和駕駛桿均有位置調節(jié)裕度，以保證與控制臺的位置協(xié)調性，和布局驗證功能。正常情況采用側駕駛桿方式，但保留中位駕駛桿的替代方案。當進行某個試驗時，可以在試驗管理模塊設定一定的飛行任務，試驗者(用戶)身份被系統(tǒng)識別，試驗臺環(huán)境(儀表臺、控制臺A/B、采集系統(tǒng)、油門推桿駕駛桿和照明狀態(tài))被設定，試驗者可以通過油門推桿，駕駛桿以及儀表臺、控制臺A/B的模擬操縱系統(tǒng)執(zhí)行設定 的飛行任務并處理某些系統(tǒng)設置的試驗者不預知的緊急情況。在整個過程中，眼動儀可以記錄駕駛者注視點和頭部面部動作和表情，紅外追蹤儀可以精確追蹤人體如手、腳、肩的運動狀態(tài)，數(shù)據(jù)手套可以感知駕駛桿的力特性，在某些特定試驗時可以使用3D鼠標來測定某些特定動作的精確性。以上這些數(shù)據(jù)采集方式與觸摸屏一起形成完整的位置、時間、生理以及心理的整套采集系統(tǒng)。
權利要求
1.一種座艙模擬操縱試驗臺人機エ效測評系統(tǒng)，包括模擬操作艙，模擬操作艙內(nèi)的照明裝置及攝影裝置，安裝在模擬操作艙內(nèi)的用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置，計算機系統(tǒng)，其特征在于在模擬操作艙有操作員座椅，圍繞操作員座椅設置有數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置包括傳感器、眼動儀、紅外跟蹤儀、3D鼠標、數(shù)據(jù)手套；用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置、布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板、操作員座椅、各傳感器、眼動儀、紅外跟蹤儀、數(shù)據(jù)手套和3D鼠標均由計算機控制連接；計算機系統(tǒng)包括有動力學仿真模塊，虛擬視景仿真模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，試驗分析模塊。
2.按權利要求I所述的ー種座艙模擬操縱試驗臺人機エ效測評系統(tǒng)，其特征在于安裝在模擬操作艙內(nèi)的用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置、布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板、操作員座椅的安裝底座上均設置有ニ維或三維移動裝置和/或一維或ニ維轉動裝置。
3.按權利要求I或2所述的ー種座艙模擬操縱試驗臺人機エ效測評系統(tǒng)，其特征在于所述的用于模擬儀表板的顯示裝置和模擬操作板的顯示裝置為實際的儀表板和操作板。
4.一種座艙模擬操縱試驗臺人機エ效測評方法，其特征在于根據(jù)設計需要，確定用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置、布置有真實的按/旋鈕、操作桿的操作面板、操作員座椅的多維位置和或轉動位置，在試驗人員身體上需要檢測位移處安裝傳感器，手上套有數(shù)據(jù)手套，駕駛評估人員戴上眼動儀或者利用儀表臺上的固定眼動儀，計算機系統(tǒng)根據(jù)測評要求，動力學仿真模塊將模擬出各種駕駛狀態(tài)，并將對應的參數(shù)傳送到模擬儀表板的顯示裝置和模擬操作板的顯示裝置上，虛擬視景仿真模塊將模擬的外視景圖像傳送到模擬座艙外視景的顯示裝置上，試驗人員根據(jù)所見到的模擬座艙外視景的顯示裝置上的圖像和模擬儀表板的顯示裝置所顯示的數(shù)據(jù)進行對應的手腳眼的操作，試驗人員身體各部位的移動及手指的動作及眼睛注視點的觀測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集模塊采集，并由試驗分析模塊分析。
5.按權利要求4所述的ー種座艙模擬操縱試驗臺人機エ效測評方法，其特征在于基于任務及工作量的人機エ效評估方法，其包括了ー種試驗過程記錄與管理模塊，行為分析模塊，以及虛擬人體模型模塊；試驗過程記錄及管理模塊可以與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，并將整個測試過程錄制下來(包含飛行過程、駕駛者眼動、手腳運動、測試者面部表情等)，虛擬人體模型軟件模塊可以提供部分用戶-系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)，行為分析軟件模塊可以對以上記錄和計算的眼動、手動等行為進行編碼，同時將從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提取的視頻文件，以及由信號合成的同步仿真文件處理后導入行為分析模塊后，綜合評判針對飛行操作的不同任務、座艙尺寸、顯示系統(tǒng)設計條件下的駕駛人員的工作量，從而給出科學和定量的設計方案的評估數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模擬座艙人機工效測評系統(tǒng)及測評方法。模擬操作艙，模擬操作艙內(nèi)的照明裝置及攝影裝置，安裝在模擬操作艙內(nèi)的用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置，計算機系統(tǒng)，在模擬操作艙有操作員座椅，圍繞操作員座椅設置有數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置包括傳感器、眼動儀、紅外跟蹤儀、3D鼠標、數(shù)據(jù)手套；用于模擬儀表板的顯示裝置、模擬座艙外視景的顯示裝置、模擬操作板的顯示裝置、操作桿的操作面板、操作員座椅、各傳感器、眼動儀、紅外跟蹤儀、數(shù)據(jù)手套和3D鼠標均由計算機控制連接。本發(fā)明的優(yōu)點可對比不同座艙布局和信息顯示環(huán)境下的人機工效，實現(xiàn)對各相關部件的人機工效檢查和輔助設計功能。
文檔編號G06F19/00GK102855410SQ20121035037
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權日2012年9月20日
發(fā)明者游路寧, 李堅, 金智義, 徐曉紅 申請人:上海品銘機械工程有限公司