張麗 何法江

摘? 要： 無(wú)人機(jī)地面站是飛行員與無(wú)人機(jī)之間進(jìn)行交互的唯一接口，基于人因工程相關(guān)理論進(jìn)行地面站操控臺(tái)的設(shè)計(jì)，是保證飛行員安全、舒適、高效完成任務(wù)的重要手段。在CATIA平臺(tái)上建立操縱臺(tái)模型，以數(shù)據(jù)庫(kù)中現(xiàn)有的人體模型為基礎(chǔ)，根據(jù)中國(guó)人體尺寸建立中國(guó)飛行員標(biāo)準(zhǔn)人體模型，從操作可達(dá)性、視野可視性兩個(gè)方面對(duì)地面站操控臺(tái)布局進(jìn)行分析和仿真。

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī); 地面站; 人因工程; CATIA仿真; 人體建模

中圖分類(lèi)號(hào)：V279? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2019）06-46-03

Abstract： The GCS（Ground Control Station） is the only interface between the pilot and the UAV（Unmanned Aerial Vehicle）. It is an important means to ensure the safety， comfort and efficiency of the pilot by designing the console of GCS according to human factors engineering. The console model is built on the CATIA platform. Based on the existing human body model in the database， the Chinese pilot standard human body model is established according to the Chinese human body size. The analysis and simulation of the console are applied from two aspects： operational accessibility and visual field visibility.

Key words： UAV; ground control station; human factors engineering; CATIA simulation; operational accessibility; visual field visibility

0 引言

無(wú)人機(jī)具有體積小、成本低、使用方便、對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為各個(gè)國(guó)家空軍裝備研究中的熱點(diǎn)。近年來(lái)隨著智能控制技術(shù)迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)已具備高度的自主控制能力，然而，戰(zhàn)場(chǎng)瞬息萬(wàn)變的動(dòng)態(tài)情況始終離不開(kāi)地面站飛行員的判斷與操作。

無(wú)人機(jī)地面站是飛行員操縱無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的工作環(huán)境，也是飛行員與無(wú)人機(jī)信息交互的唯一界面和手段，相當(dāng)于傳統(tǒng)飛機(jī)的駕駛艙，卻又區(qū)別于飛機(jī)駕駛艙。與有人機(jī)的飛行員相比，地面站的飛行員沒(méi)有直觀的飛行體驗(yàn)，所有反饋都是通過(guò)儀器儀表顯示，在長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，更容易發(fā)生疲勞、反應(yīng)遲鈍、操作失誤等事故，因此地面站操控臺(tái)的設(shè)計(jì)是否符合人因工程規(guī)范，對(duì)飛行員體力、心理和意識(shí)活動(dòng)、工作效率有著重要影響，進(jìn)而關(guān)系到無(wú)人機(jī)是否安全、性能是否充分發(fā)揮、作戰(zhàn)效能如何等。因此，在我國(guó)無(wú)人機(jī)地面站的研制過(guò)程中有必要對(duì)地面站的操控臺(tái)進(jìn)行人因工程分析和設(shè)計(jì)，為飛行員提供一個(gè)舒適、安全、省力的駕駛環(huán)境。

本文基于CATIA平臺(tái)建立了無(wú)人機(jī)地面站操控臺(tái)模型和飛行員人體模型，對(duì)操控臺(tái)的可達(dá)性和飛行員視野的可視性進(jìn)行了仿真分析。

1 操控臺(tái)人因工程研究現(xiàn)狀

1.1 研究進(jìn)展

王黎明和艾玲英[1-2]根據(jù)駕駛艙布局準(zhǔn)則，在模糊理論和專(zhuān)家系統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上給出了民機(jī)駕駛艙布局方案，并在CATIA軟件上進(jìn)行了舒適性、可達(dá)性、可視性等方面的評(píng)價(jià)。王文軍從整體角度研究了進(jìn)行飛機(jī)駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)與評(píng)估的技術(shù)流程，搭建了人機(jī)工效設(shè)計(jì)與綜合評(píng)估理論體系，并開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)，對(duì)飛機(jī)駕駛艙的人機(jī)工效性能的提高起到了系統(tǒng)性的促進(jìn)作用[3]。

Sanjog等對(duì)航空與航天領(lǐng)域的虛擬人體建模技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了綜述，形成了關(guān)于數(shù)字人體建模在航空和航天工業(yè)應(yīng)用中的綜合知識(shí)體系，確定了目前尚待探索的途徑和發(fā)展方向，得出未來(lái)的研究方向應(yīng)該以人為本的結(jié)論[4]。Abbasow等研究了Be-200飛機(jī)駕駛艙的計(jì)算機(jī)建模與人機(jī)工效問(wèn)題，基于人體工程學(xué)原理，通過(guò)Spline Extrude，Polygon Extrude方法建模，建立了各種飛機(jī)機(jī)艙布局的真實(shí)場(chǎng)景[5]。Karmakar等研究了將虛擬人應(yīng)用于噴氣式飛機(jī)飛行員視域分析的方法[6]。

1.2 仿真軟件

無(wú)人機(jī)地面站操控臺(tái)是一種特殊形式的駕駛艙，其主要特點(diǎn)和一般駕駛艙相同，如空間有限、控制系統(tǒng)復(fù)雜、人機(jī)接口密集等。因此，駕駛艙的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了人因工程學(xué)在航空領(lǐng)域的主要研究方向，國(guó)內(nèi)外使用較多的具有代表性的軟件主要有法國(guó)Dassault公司的CATIA、德國(guó)THCMATH公司的RAMSIS、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的JACK等。

CATIA[7-8]是法國(guó)Dassault System公司于1982年發(fā)布的一款CAD/CAE/CAM一體化軟件，廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域的制造設(shè)計(jì)中，其人機(jī)分析模塊可以形象地模擬實(shí)際工作中人的各種操作狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)。

RAMSIS[9-10]于上世紀(jì)80年代由TECMATH公司與慕尼黑大學(xué)共同開(kāi)發(fā)，其初始目標(biāo)是解決汽車(chē)工業(yè)中的人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題。

JACK[11-12]是西門(mén)子工業(yè)軟件有限公司（原UGS 公司）旗下的一款人因工程分析軟件，提供了多種人機(jī)工效仿真分析工具，可進(jìn)行可達(dá)域、視域、舒適性、疲勞性等相關(guān)因素的分析。

本文采用CATIA進(jìn)行仿真分析。

2 操控臺(tái)人因工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.1 座椅設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

座椅和飛行員的安全息息相關(guān)，一個(gè)舒適的座椅可以減輕駕駛員的疲勞程度，長(zhǎng)時(shí)間的乘坐也可以盡可能地減輕對(duì)脊柱、腰肌等部位的損傷。在我國(guó)，無(wú)人機(jī)地面站操控臺(tái)的設(shè)計(jì)缺乏人因工程的規(guī)范指導(dǎo)，其座椅設(shè)計(jì)尺寸與結(jié)構(gòu)難免與中國(guó)人人體尺寸結(jié)構(gòu)存在差異。人體最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移，使身體上部略向上后傾斜，保持身體上部與大腿夾角在90?～115?之間，同時(shí)，小腿向前伸，大腿與小腿、小腿與腳掌之間也應(yīng)達(dá)到一定角度。座椅的椅盆角應(yīng)置于固定位置，使座椅底板前沿向上傾斜，其座板板面與平行于目視參考平面之間形成7?夾角[13]。

2.2 顯示設(shè)備布局設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

顯示設(shè)備的布局設(shè)計(jì)主要以人眼的視覺(jué)特性為基礎(chǔ)。視覺(jué)特性主要有視角特性、視距特性和視野特性。

視角是觀察對(duì)象兩端視線的夾角。視距指眼睛至被觀察對(duì)象的距離。視角與視距和被觀察對(duì)象兩端點(diǎn)的直線距離有關(guān)，用公式表示為：

其中，a為視角，D為被觀察對(duì)象兩端點(diǎn)的直線距離，L為視距。

人在觀察各種顯示儀表時(shí)，視距過(guò)遠(yuǎn)或過(guò)近對(duì)認(rèn)讀速度和準(zhǔn)確性都不利。一般應(yīng)根據(jù)被觀察對(duì)象的大小和形狀在 380～760mm之間選擇最佳視距。本文設(shè)計(jì)對(duì)象中的顯示屏為21.5英寸，因此選擇視距為630mm。

3 基于CATIA的人因工程仿真分析

3.1 飛行員人體模型的建立

由于CATIA V5 HBR模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有中國(guó)人人體尺寸數(shù)據(jù)，因此在設(shè)計(jì)中首先選取與中國(guó)人平均身材最為接近的日本人人體模型，構(gòu)造一個(gè)日本人的標(biāo)準(zhǔn)人體模型，再通過(guò)HME模塊，根據(jù)中國(guó)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行尺寸編輯得到所需的中國(guó)人的人體模型，如圖1所示。

3.2 操縱可達(dá)性及舒適性分析

人體模型對(duì)控制臺(tái)的仿真模擬主要是坐姿人體手臂的可達(dá)性分析。人體模型在背部緊靠椅背不動(dòng)、僅僅依靠肩周之下手臂運(yùn)動(dòng)的雙手可達(dá)區(qū)域?yàn)閳D2中陰影區(qū)域所示，由仿真效果可以看出，雙手可達(dá)區(qū)域涵蓋了操控臺(tái)的前方大部分區(qū)域，足夠覆蓋所要求的控制器范圍，因此手部操作適應(yīng)性良好。

3.3 可視性分析

人的雙眼視野范圍在 CATIA 中計(jì)算為類(lèi)似橢圓視野。飛行員處于坐姿狀態(tài)時(shí)，其視線通常會(huì)偏離標(biāo)準(zhǔn)視線向下15?。人體的雙單眼視野范圍通常設(shè)置為水平方向左右120?，垂直方向上下35?。通過(guò)可視性分析可定性分析駕駛員處于設(shè)計(jì)眼位，正常視線時(shí)，對(duì)顯示設(shè)備的觀察。

對(duì)飛行員模型進(jìn)行視野模擬，在人體模型上身背靠椅背不動(dòng)的約束下，僅依靠扭動(dòng)脖頸調(diào)整眼睛朝向，進(jìn)行平視、視界下限模擬，如圖3所示。

圖3中可以表明，飛行員的平視視野良好，可以清楚地看清中間的顯示屏;視界上下限之內(nèi)可以清楚地看清最上面和最下面的顯示屏。因此，駕駛艙布局總體視野效果良好，設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)地面站操控臺(tái)進(jìn)行人因工程仿真分析，可以明確各個(gè)設(shè)備布局是否合理，良好的布局設(shè)計(jì)將提升無(wú)人機(jī)在飛行員操作和生存環(huán)境等性能，為飛行員提供一個(gè)舒適、安全、省力的工作環(huán)境，為高效的飛行控制和圓滿的完成任務(wù)提供保障。本文在CAITA V5平臺(tái)建立了操控臺(tái)模型，基于中國(guó)人的人體尺寸數(shù)據(jù)，建立了符合中國(guó)飛行員身材尺寸的人體模型，從虛擬人的操作可達(dá)性、視野可視性兩個(gè)方面對(duì)操控臺(tái)進(jìn)行了仿真分析。進(jìn)一步將更多地從定量的角度開(kāi)展操控臺(tái)人因工程的分析研究。

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