段世梅

中國飛行試驗(yàn)研究院

由于特種車輛綜合模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)艙是一個(gè)密閉的復(fù)雜的人機(jī)環(huán)境，因此需要研制一套人體工效測試系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測試人體各項(xiàng)生理參數(shù)、監(jiān)控和記錄實(shí)驗(yàn)人員的駕駛動(dòng)作，配合其他監(jiān)控參數(shù)，通過事后分析，掌握乘載人員的工作負(fù)荷，對人體工效給出評價(jià)，對駕駛動(dòng)作給予糾正。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本系統(tǒng)對特種車輛綜合模擬實(shí)驗(yàn)的安全性、駕駛?cè)藛T動(dòng)作有針對性的校正，起到了一定的作用。

引言

特種車輛綜合模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要模擬特種工程車輛在各種環(huán)境條件下的外部視景、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及艙內(nèi)溫濕度、氣壓、噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣滲漏及特殊作業(yè)產(chǎn)生的內(nèi)部環(huán)境等，進(jìn)行不同任務(wù)負(fù)荷、不同操作環(huán)境下的乘載人員模擬實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)密閉的、復(fù)雜的人機(jī)環(huán)境。需要對乘員的身體狀況及駕駛狀況進(jìn)行監(jiān)控，傳統(tǒng)手段主要是通過攝像裝置對乘員進(jìn)行監(jiān)控。但是，由于特種車輛綜合模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)存在乘員操作空間狹小、操縱裝置布局不舍理、人體部位有所遮擋等因素，傳統(tǒng)手段對乘員的生理特征的監(jiān)控不夠細(xì)致，對矯正乘員動(dòng)作缺乏針對性。因此，本文結(jié)合特種車輛綜合實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境開發(fā)過程，詳細(xì)設(shè)計(jì)了一套人體工效測試系統(tǒng)。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

人體工效測試系統(tǒng)完成對人體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)捕捉、人體生理參數(shù)分析、肌電參數(shù)采集分析、腦電參數(shù)采集分析四部分，每一部分為一個(gè)獨(dú)立的采集分析單元，最終數(shù)據(jù)匯總到人體運(yùn)動(dòng)工控機(jī)中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、記錄以及回放等功能。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

硬件設(shè)計(jì)

圖1 人體工效測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

人體工效測試系統(tǒng)由人體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)捕捉、人體生理參數(shù)分析、肌電參數(shù)采集分析、腦電參數(shù)采集分析四部分組成。人體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)捕捉部分由人體運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備及若干個(gè)慣性傳感器組成。人體生理參數(shù)采集主要包括血壓、脈搏、體溫、心率、呼吸機(jī)血氧飽和度傳感器。神經(jīng)腦電和表面肌電分析設(shè)備也分別帶有相應(yīng)的傳感器。在實(shí)驗(yàn)開始之前，在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)布置前端傳感器，分別測量駕駛員的體溫、呼吸、脈搏、心率、血壓、血氧飽和度等信息，另外還給實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)乘員身體各個(gè)關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)點(diǎn)布置慣性傳感器，以測量乘員身體每個(gè)部位的姿態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)開始后，前端傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)給對應(yīng)的采集器，采集器通過以太網(wǎng)發(fā)送給人體工效工控機(jī)。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2 所示。

軟件設(shè)計(jì)

人體工效測試系統(tǒng)由人體工效工控機(jī)和前段采集設(shè)備組成，人體工效測試軟件運(yùn)行在人體工效工控機(jī)上，通過以太網(wǎng)與前端采集軟件與控制中心軟件進(jìn)行通訊接口框圖如圖3 所示。

進(jìn)行一次人體工效測試系統(tǒng)軟件的基本流程如下，如圖4 所示。

圖2 人體工效測試系統(tǒng)硬件框圖

確定各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電源已打開，人體生理參數(shù)采集設(shè)備、表面肌電分析設(shè)備、神經(jīng)腦電分析設(shè)備已初始化并穩(wěn)定工作，傳感器與通訊設(shè)備準(zhǔn)備就緒，啟動(dòng)人體運(yùn)動(dòng)工控機(jī)，運(yùn)行人體工效測試系統(tǒng)軟件；

系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備自檢等；

在任務(wù)管理界面運(yùn)行設(shè)置下選擇單機(jī)運(yùn)行或網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，運(yùn)行后可對監(jiān)測點(diǎn)、默認(rèn)報(bào)警閥值等參數(shù)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置；

啟動(dòng)參數(shù)監(jiān)控顯示任務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄存儲，報(bào)警設(shè)置指示，數(shù)據(jù)輸出等工作；

在運(yùn)行過程中，若選擇單機(jī)運(yùn)行，僅與前端人體運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備、人體生理參數(shù)采集設(shè)備、神經(jīng)腦電、表面肌電進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；若選擇網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，不僅要接收前端采集設(shè)備的數(shù)據(jù)包，還要與控制中心計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行系統(tǒng)與控制中心計(jì)算機(jī)之間的控制流程如圖4 所示。

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

人體工效測試系統(tǒng)是在VC6.0 環(huán)境中開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)接收前端采集設(shè)備的信息，在界面上通過曲線、數(shù)值列表等形式供監(jiān)控人員查看。并且做了三維人體模型，實(shí)時(shí)再現(xiàn)人體三維動(dòng)作。并可以制定想要查看的參數(shù)，重點(diǎn)查看。并且也與控制中心進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試。實(shí)驗(yàn)證明，能夠在特種車輛綜合模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對乘員的各種生理信息以及姿態(tài)信息得以監(jiān)控和測試，并且可以報(bào)警和回放分析。圖5 是人體運(yùn)動(dòng)捕捉曲線圖，圖6 是三維人體模型再現(xiàn)圖，圖7 是肌電測試界面，圖8 是腦電測試界面。供監(jiān)控用，并且進(jìn)行處理、存儲、發(fā)送，并實(shí)時(shí)對乘員駕駛動(dòng)作進(jìn)行三維重現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2 所示。人體工效工控機(jī)接收控制中心計(jì)算機(jī)發(fā)送的實(shí)驗(yàn)配置數(shù)據(jù)，進(jìn)行初始化；并向控制中心計(jì)算機(jī)發(fā)送本系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志、設(shè)備狀態(tài)標(biāo)志。

結(jié)語

針對特種車輛綜合模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了配套的人體工效測試系統(tǒng)。用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄實(shí)驗(yàn)人員的駕駛動(dòng)作。配合其他監(jiān)控參數(shù)，通過事后分析，掌握乘員的工作負(fù)荷，對人體工效給出評價(jià)。該系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用在特種車輛綜合模擬實(shí)驗(yàn)中，在監(jiān)控及校正乘員駕駛動(dòng)作方面起到了很好的效果，為相關(guān)系統(tǒng)的研制提供了很好的參考價(jià)值。

圖5 人體運(yùn)動(dòng)捕捉曲線圖

圖6 三維人體模型再現(xiàn)圖

圖7 肌電測試界面

圖8 腦電測試界面