CN102087675A - 具有信息显示界面设计测试功能的飞行模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞行模拟系统，其实验台的组成包括驾驶台硬件系统、飞行任务仿真系统以及人机工效测评系统三部分。该人机工效测评实验台将对信息显示界面工效测评与传统的飞行任务仿真这两项功能进行了集成。通过将飞机座舱信息显示界面设计方案载入该飞行模拟系统，并令测试人员在模拟飞行后，利用人机工效测评系统对信息显示界面设计方案进行测评，从而对飞机座舱信息显示界面的适人性做出评定。利用该人机工效测评实验台，可以提高飞机座舱信息显示界面的设计质量，缩短研制周期，降低开发成本。

Description

具有信息显示界面设计测试功能的飞行模拟系统

技术领域

本发明涉及一种具有信息显示界面设计测试功能的飞行模拟系统。

背景技术

随着航空工业的发展，越来越多的新型显示技术开始运用到飞机座舱信息显示界面的设计中，随之产生的人机匹配问题也日益引起航空工效学界的关注。不良的信息显示界面设计(如不合理的信息编码方式或布局方式)可能增加飞行员的视觉疲劳，改变飞行员的注意力分配策略，进而可能影响到信息获取的速度与精度。因此，研究如何从人机工效学角度对信息显示界面的设计方案做出合理测评，具有重要意义。

为了解决飞机座舱信息显示界面设计测评面临的问题，国内外学者开展了多项相关研究。但现有研究大都是在实验室的静态条件下，抽取或设定飞行过程中的某些环节，通过在单一显示器上建立仿真模型而展开测评。这种抽象模拟的过程与飞行员在实际飞行时从信息显示界面上获取信息并做出反应判断的过程有很大差异，因此测评的信度是有限的。由于飞行活动的复杂性和危险性，这类测评的实际效用需要通过现场验证以确定是否适用于现实的飞行环境。但在真实的飞机上进行这种现场测评的代价是昂贵的，也是危险的。飞行模拟器的出现在精心控制的实验室研究与真正的航行之间建起了桥梁。发展至令，飞行模拟器在沉浸感、交互性等方面已发展得比较完善。但是，目前的飞行模拟器主要用于飞行训练或了解特定的飞行工况(如过载对人体生理影响等)，缺乏既能模拟飞行过程又能对信息显示界面设计进行工效测评的综合功能。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种飞行模拟系统，其特征在于包括：

驾驶台硬件系统，用于模拟飞机座舱的物理环境；

飞行任务仿真系统，用于对飞行状态与飞行环境进行实时动态仿真；

人机工效测评系统，用于对座舱的信息显示方案进行测评。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于飞行模拟系统的信息显示界面模拟系统，其特征在于包括：

加载信息显示方案子模块，用于对待测评的飞机座舱信息显示界面方案进行加载；

仿真循环子模块，用于进行仿真循环；

飞行任务结束判断子模块，用于判断飞行任务是否结束；

飞行数据读取子模块，用于在所述飞行任务结束判断子模块判定飞行任务未结束时读取飞行数据；

显示信息绘制子模块，用于根据待测评的信息显示方案绘制显示信息，并控制信息显示界面数据的实时变化及指针偏移；

信息显示界面子模块，用于显示所述显示信息。

附图说明

图1为本发明的硬件结构组成示意图；

图2为本发明的飞行动力学系统模块工作流程图；

图3为本发明的视景模拟系统模块工作流程图；

图4为本发明的信息显示界面模拟系统模块工作流程图；

图5为本发明的信息显示界面模拟系统模块中的加载信息显示方案子模块工作流程图；

图6为本发明的信息显示界面模拟系统模块中的绘制显示信息子模块工作流程图；

图7为本发明的人机工效测评系统工作流程图；

图8为本发明的整体系统构成图。

具体实施方式

为提高飞机座舱信息显示界面的设计质量，缩短研制周期，降低成本，本发明提供了一种具有飞机座舱信息显示界面设计测试功能的飞行模拟系统。该飞行模拟系统除了能够用于飞行模拟，还能够对信息显示界面的设计方案进行工效测评。

根据本发明的一个实施例的一种具有飞机座舱信息显示界面设计测试功能的飞行模拟系统，包括(见图8)：驾驶台硬件系统(1)；飞行任务仿真系统(2)；人机工效测评系统(3)。

其中，如图1所示，驾驶台硬件系统(1)包括座舱外壳(101)、多台液晶显示器(102-106)、左辅助操纵台(107)、座椅(108)、油门杆(109)、驾驶杆(110)及脚蹬(111)组成。多台液晶显示器(102-106)包括一台用于显示视景和平显信息的液晶显示器(102)以及多台实现前上方显示(UFD，Up-FrontDisplay)与多功能显示(MFD，Multi-Function Display)的触摸屏(103-106)。

如图2至4所示，飞行任务仿真系统(2)包括飞行动力学系统模块(21)、视景模拟系统模块(22)以及信息显示界面模拟系统模块(23)；飞行任务仿真系统(2)的一部分或全部可以用计算机程序实现。其中，飞行动力学系统模块(21)用于计算飞机的位移和姿态变化，以模拟飞机飞行的全过程；视景模拟系统模块(22)用于模拟飞机仿真模型、机场及其附近的地形(如丘陵、公路、城镇及湖泊树木等)，完成对飞机飞行状态与飞行环境的实时仿真，并将其显示在驾驶舱前方的32英寸显示器(102)上；信息显示界面模拟系统模块(23)用于模拟并加载待测评的飞机座舱信息显示界面设计方案。飞行任务仿真系统(2)预留了人机工效测评接口，通过该接口，可将已设计好的待测评的飞机座舱信息显示界面设计方案模型载入平显(102)或任一台多功能显示器(103-106)并进行显示。

人机工效测评系统(3)用于对所加载的飞机座舱信息显示界面的设计方案进行测评。人机工效测评系统(3)提出一种用于测评飞机座舱信息显示界面设计的新方法，以使飞机工程样机制造之前，及时引入用户进行评估，尽可能的减少设计反复。

人机工效测评系统(3)的基本原理是通过择近原则对待测评的飞机座舱信息显示界面方案进行模式识别。模式识别解决的是在某类事物中有若干标准模型，而应将这类事物中的一个具体对象归为哪一种模型的问题。对信息显示界面进行工效测评的主要目的是为了明确其在多大程度上符合现有标准，因此将其归为模式识别问题。首先根据有关标准(军标、航标、国标、相关文献和航空部门有关专家的知识等)建立测评指标体系，并根据测评指标来对显示系统性能进行分级，作为标准模型库；然后根据模糊理论构建模式识别数学模型；将所要测评的飞机座舱信息显示界面方案作为待识别对象，使用择近原则来进行模式识别。使用该人机工效测评系统的具体程序是：选定某一具体的飞行任务仿真(起飞、巡航或降落)作为测评背景，测试人员通过所加载的飞机座舱信息显示界面获取飞行信息，完成飞行模拟任务。之后通过人机功效测评系统对飞机座舱信息显示界面的设计方案进行适人性测评，并将综合测评结果反馈用户。

人机工效测评系统(3)采用模糊模式识别方法来对信息显示界面设计方案的合理性进行测评。作为一个实例，把飞机座舱信息显示界面的设计水平划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5个等级。其中，等级Ⅰ代表“设计水平满足要求，不需要改进”；等级Ⅱ表示“设计水平基本满足要求，有少许缺陷”；等级Ⅲ代表“设计水平有缺陷，需要部分改进”；等级Ⅳ表示“设计水平有较大缺陷，需要较大改进”；等级Ⅴ表示“设计水平完全不符合要求，需要重新设计”。在显示信息的可飞性、仪表形状的适人性、字符设计的可读性、信息布局的合理性和颜色匹配的舒适性等5个测评指标上，按上述Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5个等级来确定。其中，“显示信息的可飞行”指显示信息内容是否足够充分，是否有助于飞行员判断控制飞机；“仪表形状的适人性”指表盘大小、刻度间距、刻度标记、刻读方向、指针数量、指针形状；指针长度、指针宽表盘大小、刻度间距、刻度标记、刻读方向、指针数量、指针形状；指针长度、指针宽度、指针运动速度等的设计是否使人感觉舒适；“字符设计的可读性”指图形、文字和数字等信息的显示格式能否使飞行员快速、准确的获取需要的信息；“信息布局的合理性”指不同信息的呈现位置是否便于飞行员获取；“颜色的匹配性”指显示界面的颜色搭配是否有利于信息的获取，是否使飞行员感觉舒适。表1为量化后得到的标准模型参数表。

表1  标准模型参数值

根据本发明的一个实施例的测评模型的建立如下：

设论域X＝{信息显示界面}，根据心理学测度原理，将显示系统的设计水平划分为多个等级(如上述实例中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等5个等级)。对于多个测评指标(如上述实例中的显示信息的可飞性、仪表形状的适人性、字符设计的可读性、信息布局的合理性以及颜色匹配的舒适性等5个测评指标)，分别按照上述多个等级来确定(如在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5个等级中的第i个等级下表示为a_i1，a_i2，Λ，a_i5)，可得到标准模型库A：

A＝[A₁，A₂，Λ A_i，Λ，A_n]

其中，A_i＝[a_i1，a_i2，Λ a_ij，Λ，a_im]，表示第i等级；a_ij表示第i等级中的第j个测评指标。这样，例如在上述实例中，可得到标准模型集A′：

$A^{\′}=\left[\begin{array}{ccccc}{a}_{11}& a_{21}& a_{31}& a_{41}& a_{51}\\ a_{12}& a_{22}& a_{32}& a_{42}& a_{52}\\ a_{13}& a_{23}& a_{33}& a_{43}& a_{53}\\ a_{14}& a_{24}& a_{34}& a_{44}& a_{54}\\ a_{15}& a_{25}& a_{35}& a_{45}& a_{55}\end{array}\right]$

为对待识别信息显示界面方案进行模糊模式识别，将其表示为向量的形式，即建立待识别模型库B，其中，b_j对应于第j种测评指标下的测评数据。

模拟飞行后，设计方案测评系统(3)根据记录到的待识别模型库B的数据，依照下式计算待识别模型库与标准模型库中各个等级的贴近度(如上述实例中的σ(A₁，B)，σ(A₂，B)，σ(A₃，B)，σ(A₄，B)，σ(A₅，B))，最后取贴近度最高所属的等级作为该信息显示界面设计方案的设计水平的测评等级。下式中，A_i为标准模型库中的第i个等级；B为待识别模型库。

根据本发明的一个实施例，利用Visual C++6.0和OpenGL编程，基于Vega平台模拟飞机座舱信息显示界面的设计方案，并将该设计方案通过工效评估接口载入具有飞行任务仿真功能的模拟座舱，搭建飞行模拟系统，再结合人机工效测评系统，对飞机座舱信息显示界面设计方案的适人性进行测评。

本发明的优点包括：

(1)遵照飞行品质要求及人机工效学原理，研制了一套具有信息显示界面设计测试功能的飞行模拟系统。该飞行模拟系统既能仿真模拟飞机的实际飞行过程，又能在模拟飞行后对飞机座舱信息显示界面的设计方案进行测评，从而为飞机人机界面的工效设计及其完善提供了一种有效新颖的方法。

(2)本飞行模拟系统具有较好的开放性，为平显、多功能显示器等系统预留了人机工效测评接口，并提供了二次开发的技术支持，可用于对不同的飞机座舱信息显示界面进行仿真。

(3)采用本发明的飞行模拟系统可以有效地缩短飞机座舱人机界面的研制周期，降低成本。

现在结合本发明的实施例进行说明。图1中5台显示器(102-106)包括一台32寸用于显示视景和平显信息的液晶显示器(102)，在其正下方是四台实现前上方显示(UFD)与多功能显示(MFD)的触摸屏(103-106)，四台触摸屏采用T型布局方式，用于显示导航、攻击与防御、检查单、子系统、发动机推力、装载物/外挂管理、告警与通讯、发动机/燃油信息与武器状态等信息。在下多功能显示器的左侧设有左辅助操纵台(107)，装配了启动飞机必须的各种手柄及开关。座椅(108)布置在座舱的正中央，座椅倾角、前后位置、高低位置均可调整。油门杆(109)布置在座椅左侧，驾驶杆(110)布置在座椅的右侧，可以完成对飞机的基本飞行操作及诸如战斗机的机炮、导弹的发射等操作。脚蹬(111)通过传感器与系统相连可以实现刹车等基本功能。

如图2所示，根据本发明的一个实施例的飞行动力学系统模块(21)。其中包括负责实时结算飞机位姿的运动方程组(212)，其采用工程计算中的龙格——库塔迭代法，根据飞机在虚拟场景中的初始位姿参数(211)，如线速度，角速度，偏航角，俯仰角，滚转角等，迭代得到下一时刻飞机在虚拟场景中的位姿参数(213)。该位姿参数(213)将以通信数据包(214)的形式，通过局域网的UDP通信发送到视景模拟系统模块(22)。

如图3所示，根据本发明的一个实施例的视景模拟系统模块(22)。其工作流程为初始化系统后(2201)运行主线程(2202)，然后创建主窗口文档类(2203)及Vega子线程(2204)。Vega子线程开始运行(2205)，先读入已创建好的ADF应用文件(2206)，然后通过通讯数据包(214)接收飞行数据并进行仿真循环(2207)，通过设定的仿真时间可判断是否继续循环，循环结束后释放资源(2208)结束Vega子线程的运行并退出程序。创建完Vega子线程(2204)后开始获取主窗体消息(2209)并进行主窗体消息处理(2210)，飞行操纵会以窗口消息循环的形式被接收到，并发送到飞行动力学系统模块(21)。飞行动力学系统模块(21)结合操纵数据和运动方程组解算(212)进行计算，进行仿真循环。如果不是操纵消息则结束Vega子线程(2211)，退出程序，否则继续消息循环。

如图4所示的是根据本发明的一个实施例的信息显示界面模拟系统模块(23)。在创建ADF应用文件时对待测评的飞机座舱信息显示界面方案进行加载(231)，之后开始仿真循环(2207)，判断飞行任务是否结束(232)，若判断为结束则结束仿真，若判断为不结束则读取飞行数据(233)，利用OpenGL回调函数及其绘图功能，根据待测评的信息显示方案绘制显示信息(234)，并控制信息显示界面数据的实时变化及指针偏移等内容，通过信息显示界面将其显示出来(235)。

如图5所示的是根据本发明的一个实施例的信息显示界面模拟系统模块中的加载信息显示方案子模块(231)。首先创建一个用Lynx定制的ADF应用文件的子模块(2311)，利用Vega的多通道功能在应用文件中设置外景通道和驾驶员通道的多通道显示的子模块(2312)，并且这两个通道之间可以通过按键进行互相切换。驾驶员通道子模块(2313)用来模拟驾驶员在飞机座舱内透过挡风玻璃观察到的外景场景，外景通道子模块(2314)用来显示外景和飞机，该外景通道是一个辅助显示通道，可以通过这个通道观察飞机的具体位置和姿态。然后把已设计好的待测评的飞机座舱信息显示界面方案(2316)加载到驾驶员通道的面板仿真子模块(2315)中，最后是设置其它相关属性的子模块(2317)。

如图6所示的是根据本发明的一个实施例的信息显示界面模拟系统模块中的绘制显示信息子模块(234)。首先在Visual C++中建立基于MFC的Vega应用程序(2341)，然后在其视类结构中添加类实例级别的CALLBACK回调函数(2342)，在程序运行过程中判断事件是否为驾驶员通道的vgChannel类实例事件(2343)，若是则调用OpenGL绘图函数(2345)，并根据飞行数据(2344)和待测评的飞机座舱信息显示界面方案(2316)进行绘图，得到所需要的显示效果。

如图7所示的是根据本发明的一个实施例的人机工效测评系统(3)的工作流程。首先读入设计水平等级数据(31)，再读入测评指标数据(32)，从而组建出标准模型库(33)。另一方面，人机工效测评系统利用采集到的测评数据(34)，建立出待识别模型库(35)。再根据本发明所述的算法计算出待识别模型库与标准模型库之间的贴近度(36)，接着计算出设计水平等级(37)，并将该设计水平等级进行结果显示(38)。

如图8所示的是本发明的一个实施例的整体系统构成图。包括驾驶台硬件系统(1)、飞行任务仿真系统(2)以及人机工效测评系统(3)。其中，飞行任务仿真系统(2)以及人机工效测评系统(3)可部分或全部用内置于驾驶台硬件系统(1)中的计算机程序实现。飞行任务仿真系统(2)包括飞行动力学系统模块(21)、视景模拟系统模块(22)以及信息显示界面模拟系统模块(23)。其中，飞行动力学系统模块(21)中的计算线程解算飞行动力学方程得出的数据通过UDP通信发送到视景模拟系统模块(22)，进行仿真循环，视景模拟系统模块(22)将消息反馈到飞行动力学系统模块(21)。信息显示界面模拟系统模块(23)将待测评的飞机座舱信息显示界面设计方案加载到视景模拟系统模块(22)，进行仿真循环，视景模拟系统模块(22)通过诸如OpenGL绘图将信息显示在界面上。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (9)

1.一种飞行模拟系统，其特征在于包括：

驾驶台硬件系统(1)，用于模拟飞机座舱的物理环境；

飞行任务仿真系统(2)，用于对飞行状态与飞行环境进行实时动态仿真；

人机工效测评系统(3)，用于对座舱的信息显示方案进行测评。

2.如权利要求1所述的飞行模拟系统，其特征在于所述飞行任务仿真系统(2)包括：

飞行动力学系统模块(21)，用于计算飞机的位移和姿态变化，以模拟飞机飞行的过程；

视景模拟系统模块(22)，用于完成对飞机飞行状态与飞行环境的实时仿真，并将其显示在驾驶舱前方的显示器(102)上；

信息显示界面模拟系统模块(23)，用于模拟并加载待测评的飞机座舱信息显示界面设计方案。

3.如权利要求2所述的飞行模拟系统，其特征在于所述信息显示界面模拟系统模块(23)包括：

加载信息显示方案子模块(231)，用于对待测评的飞机座舱信息显示界面方案进行加载；

仿真循环子模块(2207)，用于进行仿真循环；

飞行任务结束判断子模块(232)，用于判断飞行任务是否结束；

飞行数据读取子模块(233)，用于在所述飞行任务结束判断子模块(232)判定飞行任务未结束时读取飞行数据；

显示信息绘制子模块(234)，用于根据待测评的信息显示方案绘制显示信息，并控制信息显示界面数据的实时变化及指针偏移；

信息显示界面显示子模块(235)，用于显示所述显示信息。

4.如权利要求3所述的飞行模拟系统，其特征在于所述加载信息显示方案子模块(231)进一步包括：

ADF应用文件创建子模块(2311)，用于创建一个用Lynx定制的ADF应用文件；

多通道显示子模块(2312)，用于利用Vega的多通道功能在所述ADF应用文件中设置外景通道和驾驶员通道的多通道显示，并且这两个通道之间可以通过按键进行互相切换；

驾驶员通道子模块(2313)，用于模拟驾驶员在飞机座舱内透过挡风玻璃观察到的外景场景；

外景通道子模块(2314)，用于显示外景和飞机；

驾驶员通道的仿真子模块(2315)，用于接收加载的已设计好的待测评的飞机座舱信息显示界面方案(2316)并进行相应的仿真；以及

相关属性设置子模块(2317)，用于设置其它相关属性。

5.如权利要求4所述的飞行模拟系统，其特征在于：

所述外景通道和驾驶员通道之间可以通过按键操作进行互相切换，

所述外景通道是一个辅助显示通道，可以通过这个通道观察飞机的具体位置和姿态。

6.如权利要求3所述的飞行模拟系统，其特征在于所述绘制显示信息子模块(234)包括：

Vega应用程序子模块(2341)，用于在Visual C++中建立基于MFC的Vega应用程序，

CALLBACK回调函数添加子模块(2342)，用于在Vega应用程序(2341)的视类结构中添加类实例级别的CALLBACK回调函数，

vgChannel类实例事件判断子模块(2343)，用于在运行过程中判断事件是否为驾驶员通道的vgChannel类实例事件，若“是”则调用OpenGL绘图函数，并根据飞行数据和待测评的飞机座舱信息显示界面方案进行绘图，得到所需要的显示效果，若“否”则返回进行所述CALLBACK回调函数添加子模块(2342)的操作；

绘图函数子模块(2345)，用于进行上述调用OpenGL绘图函数的操作，通过结合飞行数据(2344)和待测评的飞机座舱信息显示界面方案(2316)的绘图操作，从而得到所需要的显示效果。

7.如权利要求1所述的飞行模拟系统，其特征在于所述人机工效测评系统(3)包括：

读入设计水平等级数据子模块(31)，用于读入设计水平等级数据，

读入测评指标数据子模块(32)，用于读入测评指标数据，

标准模型库组建子模块(33)，用于根据读入的所述设计水平等级数据及测评指标数据组建出标准模型库，

测评数据采集子模块(34)，用于采集测评数据，

待识别模型库建立子模块(35)，用于建立待识别模型库，

贴近度计算子模块(36)，用于计算待识别模型库与标准模型库之间的贴近度，

设计水平等级计算子模块(37)，用于根据所述贴近度计算出所述飞机座舱信息显示界面设计方案的设计水平等级。

8.用于飞行模拟系统的信息显示界面模拟系统(23)，其特征在于包括：

加载信息显示方案子模块(231)，用于对待测评的飞机座舱信息显示界面方案进行加载；

仿真循环子模块(2207)，用于进行仿真循环；

飞行任务结束判断子模块(232)，用于判断飞行任务是否结束；

飞行数据读取子模块(233)，用于在所述飞行任务结束判断子模块(232)判定飞行任务未结束时读取飞行数据；

显示信息绘制子模块(234)，用于根据待测评的信息显示方案绘制显示信息，并控制信息显示界面数据的实时变化及指针偏移；

信息显示界面显示子模块(235)，用于显示所述显示信息。

9.如权利要求8所述的信息显示界面模拟系统(23)，其特征在于所述加载信息显示方案子模块(231)包括：

ADF应用文件创建子模块(2311)，用于创建一个用Lynx定制的ADF应用文件；

多通道显示子模块(2312)，用于利用Vega的多通道功能在所述ADF应用文件中设置外景通道和驾驶员通道的多通道显示，并且这两个通道之间可以通过按键进行互相切换；

驾驶员通道子模块(2313)，用于模拟驾驶员在飞机座舱内透过挡风玻璃观察到的外景场景；

外景通道子模块(2314)，用于显示外景和飞机；

驾驶员通道的仿真子模块(2315)，用于接收加载的已设计好的待测评的飞机座舱信息显示界面方案(2316)并进行相应的仿真；以及

相关属性设置子模块(2317)，用于设置其它相关属性。

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