CN102855410A - 一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评系统及测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟座舱人机工效测评系统及测评方法。模拟操作舱，模拟操作舱内的照明装置及摄影装置，安装在模拟操作舱内的用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置，计算机系统，在模拟操作舱有操作员座椅，围绕操作员座椅设置有数据采集装置，数据采集装置包括传感器、眼动仪、红外跟踪仪、3D鼠标、数据手套；用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置、操作杆的操作面板、操作员座椅、各传感器、眼动仪、红外跟踪仪、数据手套和3D鼠标均由计算机控制连接。本发明的优点可对比不同座舱布局和信息显示环境下的人机工效，实现对各相关部件的人机工效检查和辅助设计功能。

Description

一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评系统及测评方法

技术领域

本发明涉及一种模拟座舱人机工效测评系统及测评方法。

背景技术

座舱作为人机接口，其设计的好坏，直接关系到操作员能否做出正确的判断和决策以及能否合理的控制，从而保障产品的安全。早期的座舱的设计往往是由设计人员凭想象来进行设计，一般随意性很大，而操作人员也根据设计人员设计制作的座舱进行操作，一般只要没有发生太大的问题，座舱是不会再进行大的改进，而因此很多的安全隐患隐蔽座舱里，有时发生事故一般人们都是从操作者的失误去寻找问题，而很少去联系座舱的设计是否有误。目前随着新的显示控制技术的不断出现，自动化程度的日益广泛化，新型多功能综合显示器的不断推出，因此座舱的设计成了设计者关注的重点。

目前，座舱的设计时，人机工效的评价日益得到关注，如在飞机座舱的设计中，按照以前的做法，是需要将真实的座舱实物做出来，并由飞行员进行模拟操作才能发现一些基本问题，并加以改进，这样在施工中还需要投入大量的人力物力，并且消耗大量的验证时间。而目前的飞机模拟座舱得到广泛的应用，它能够利用各种新型的显示装置模拟飞机在飞行中的飞机舱外的环境，依靠液压系统模拟飞机的姿态，并且在触摸屏上模拟飞机座舱的操作按钮，使飞行员在模拟座舱中模拟真实的飞行驾驶，一些座舱设计中的人机工效问题在地面模拟阶段就被发现并及时改进，通过软件的改动，即可改变座舱的按钮、显示器、报警灯等的设置，大大节省了模拟座舱的实物制作时间。但是目前模拟座舱缺乏足够的客观数据和细致的定量描述，没有完善的综合指标体系和评价标准，基本上是靠检验者的感觉来进行模拟驾驶的性能，其最终的验证需要在样机搭建完成之后才能进行，那一旦飞机座舱的设计中含有重大人机工效问题时，其后带来的设计返工将造成巨大的人力、物力的浪费。设计一套座舱人机工效测评系统及方法，对于减轻飞机重量、提高开发效率，促进设计部门工效评价工作有着重要的现实意义与作用

发明内容：

本发明的目的是解决现有技术中所存在问题，提供一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评系统及测评方法。

本发明设计一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评系统，包括模拟操作舱，模拟操作舱内的照明装置及摄影装置，安装在模拟操作舱内的用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置，计算机系统，其特征在于：在模拟操作舱有操作员座椅，围绕操作员座椅设置有数据采集装置，数据采集装置包括传感器、眼动仪、红外跟踪仪、3D鼠标、数据手套；用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置、布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板、操作员座椅、各传感器、眼动仪、红外跟踪仪、数据手套和3D鼠标均由计算机控制连接；计算机系统包括有动力学仿真模快，虚拟视景仿真模块，数据采集模块，试验分析模块。其特征在于：安装在模拟操作舱内的用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置、布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板、操作员座椅的安装底座上均设置有二维或三维移动装置和/或一维或二维转动装置。其特征在于：所述的用于模拟仪表板的显示装置和模拟操作板的显示装置为实际的仪表板和操作板。一种座舱人机工效测评方法，其特征在于：根据设计需要，确定用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置、布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板、操作员座椅的多维位置和或转动位置，在试验人员身体上需要检测位移处安装传感器，手上套有数据手套，驾驶评估人员戴上眼动仪或者利用仪表台上的固定眼动仪，计算机系统根据测评要求，动力学仿真模块将模拟出各种驾驶状态，并将对应的参数传送到模拟仪表板的显示装置和模拟操作板的显示装置上，虚拟视景仿真模块将模拟的外视景图像传送到模拟座舱外视景的显示装置上，试验人员根据所见到的模拟座舱外视景的显示装置上的图像和模拟仪表板的显示装置所显示的数据进行对应的手脚眼的操作，试验人员身体各部位的移动及手指的动作及眼睛注视点的观测数据由数据采集模块采集，并由试验分析模块分析。基于任务及工作量的人机工效评估方法,其包括了一种试验过程记录与管理模块，行为分析模块，以及虚拟人体模型模块；试验过程记录及管理模块可以与数据采集系统相连，并将整个测试过程录制下来（包含飞行过程、驾驶者眼动、手脚运动、测试者面部表情等），虚拟人体模型软件模块可以提供部分用户-系统交互数据，行为分析软件模块可以对以上记录和计算的眼动、手动等行为进行编码，同时将从数据采集系统提取的视频文件，以及由信号合成的同步仿真文件处理后导入行为分析模块后，综合评判针对飞行操作的不同任务、座舱尺寸、显示系统设计条件下的驾驶人员的工作量，从而给出科学和定量的设计方案的评估数据。

本发明的优点包括：

（1）提供一种柔性显控系统，可根据人体模型变更仪表台、控制台、推杆、座椅的位置。同时仪表显示内容大小和位置也可调，可对比不同座舱布局和信息显示环境下的人机工效，实现对各相关部件的人机工效检查和辅助设计功能；

（2）提供的仪表显示系统和控制台均采用了高质量的触摸显示屏，可以检查在（外加）不同外界光线情况下，驾驶员对仪表和控制台的视野、视距、眩光等的感受，可以对显示信息的可读性进行模拟检查和感知；并通过对模拟信标和触控按钮等的操作来感知原设计方案的可达性；根据电动座椅位置和标准人体眼睛位置，得出人眼与各显示屏的相对位置，作为评估的依据。

（3）提供的人机工效测评系统为基于工作量的人机工效评估方法，其包括了一种试验过程记录和管理模块，可以将整个测试过程录制下来，并对眼动、手动等行为编码，同时从数据采集系统提取的文件被导入行为分析系统，会连同视频一起被可视化，从而揭示人的内心世界，更好地理解外显行为。

（4）整个系统的计算机运行系统采用单一的工作站模式，与常规多电脑系统相比，具有更好的经济性和数据调用性。

（5）本试验台采用独立的管理软件，具有良好的兼容性，可以与多种动力学软件，虚拟视景软件，地球数据软件等有接口，并有效管理。

（6）除部分行为分析和数据处理需要单独讨论和离线进行，大部分测试和分析可以在试验台上实时进行。

（7）系统具有独立的数据沟通模式，也可以预留可以与整车或整机匹配的通讯模式,如CAN接口。

附图说明

图1为本发明的系统原理图，图2为本发明的模拟汽车驾驶的原理图，图3、4为本发明的模拟飞机驾驶的原理图，图5为本发明的测评原理图。

下面结合附图和施工实例对本发明作详细使用说明。

具体实施方式

本发明的系统中有三大块，由虚拟座舱硬件系统和驾驶仿真系统环境、人机工效测评系统构成，虚拟座舱硬件系统包含有柔性显示操控系统和柔性驾驶舱结构系统、数据采集系统，驾驶仿真系统环境包含有动力学仿真模块和虚拟视景仿真模块，人机工效测评系包含虚拟人体模型和行为分析软件、试验过程记录和管理模块。

实施例1：汽车驾驶舱人机工效测评系统

如图2所示，虚拟座舱硬件系统包括由多台液晶显示屏拼接成的外景屏为模拟座舱外视景的显示装置1，前仪表台为用于模拟仪表板的显示装置2，侧控制台为用于模拟控制电动后视镜、电动摇窗机的模拟仪表板的显示装置3，中控仪表台用于模拟空调控制、多媒体娱乐终端和导航的模拟仪表板的显示装置4，可调节位置及高低的电动座椅5，方向盘、离合器、刹车、油门、换档杆采用真实器件为布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板6，用于操控汽车。照明灯7用于模拟车内光线；眼动仪8、摄像机9。数据手套10用于模拟操作时力的大小和反馈，眼动仪及用于跟踪人体各部位动作的红外跟踪仪11用于人体运动的建模和追踪。并在试验人员的主要需要测试的部分安装传感器12，用于被红外跟踪仪11的追踪。

驾驶仿真系统环境采用车辆动力学仿真软件PreScan，在Matlab中建立了车辆系统动力学模型，控制PreScan的运行从而模拟车辆运行环境。车辆系统动力学模型根据驾驶操作系统转向、加速、制动，并将车辆动力学参数，如发动机转速、油耗、车速等信息发送给前仪表台为用于模拟仪表板的显示装置2。虚拟视景系统的建模包括一个道路及其附近的地形，如丘陵、公路、城镇以及湖泊树木等。通过导入Google Earth中的地图数据，可以真实的再现道路实况并将图像发送到由多台液晶显示屏拼接成的外景屏为模拟座舱外视景的显示装置1上。同时，驾驶仿真系统在Matlab中预留了其他动力学软件的接口，如veDYNA,可根据需要来选择。

人机工效测评系统采用工作量法评估，及通过测量生理指标和行为指标客观地评价驾驶员的工作负荷。如图5所示，首先，在虚拟座舱系统中，载入待测的座舱环境，包括电动座椅5的位置、方向盘、离合器、刹车、油门、换档杆采用真实器件为布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板6的位置及前仪表台为用于模拟仪表板的显示装置2，侧控制台为用于模拟控制电动后视镜、电动摇窗机的用于模拟仪表板的显示装置3，中控仪表台用于模拟空调控制、多媒体娱乐终端和导航的用于模拟仪表板的显示装置4的位置。然后启动虚拟驾驶环境，该驾驶环境能仿真汽车的驾驶场景，并能通过操作装置来控制汽车。在模拟驾驶任务过程中，借助数据采集装置眼动仪、摄像机、触摸屏设备，实时地记录整个过程，包括眼动数据、手动数据、生理状态参数、面部表情、整个驾驶过程的行为事件。这些数据将导入到行为记录分析系统中，该系统能有效整合生理数据以便分析事件数据。从数据采集系统提取的文件被导入后，会连同摄影装置拍摄的视频一起被可视化，从而揭示人的内心世界，更好地理解外显行为。评测结果将根据座舱人机环境综合评价指数，包括座舱尺寸、视域、显示装置、操作装置得出座舱人机环境的设计水平等级。若没有达到设计要求，则通过调整待测座舱环境，再次进入测试流程，直至达到设计要求。最终的座舱环境如仪表信息显示布局、座椅位置、测试人员人体模型等将被保存至数据库中并生成报表，方便查询调用。

当进行某个试验时，可以在试验管理模块设定一定的驾驶任务，试验者（用户）身份被系统识别，试验台环境（照明状况、仪表台、采集系统、油门、刹车、离合器、驾驶杆和方向盘）被设定，试验者可以通过油门、刹车和方向盘等操纵系统执行设定的驾驶任务并处理某些系统设置的试验者不预知的紧急情况。在整个过程中，眼动仪可以记录驾驶者注视点和头部面部动作和表情，红外追踪仪可以精确追踪人体如手、脚、肩的运动状态，数据手套可以感知方向盘的力特性。以上这些数据采集方式与触摸屏一起形成完整的位置、时间、生理以及心理的整套采集系统。

实施例2：飞机驾驶舱人机工效测评系统

如图3所示，虚拟座舱硬件系统包括由多台液晶显示屏拼接成的模拟座舱外视景的显示装置101，前仪表台为用于模拟仪表板的显示装置102,用于显示虚拟仪表界面；左右侧触摸屏和左右控制台用于模拟飞机座舱内相应位置的操纵设备为模拟仪表板的显示装置103或布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板104；油门杆、驾驶杆布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板105，布置于驾驶员两侧，通过传感器连接飞机驾驶仿真系统，用于实现基本的飞行操作及诸如战机的导弹发射等操作；电动座椅106布置在座舱中央，座椅前后、高低位置均可调；照明灯107用于模拟飞机内光线；眼动仪108、摄像机109用于记录驾驶员眼动和手动数据；数据手套111用于模拟操作时力的大小和反馈；红外追踪仪112用于人体运动的建模和追踪，110为3D鼠标。中位驾驶杆方案图如图4所示。

飞机驾驶仿真系统采用飞行动力学仿真软件RTDynamics和/或Sim Tube，可以模拟在正常环境、大风天气、不同油量状况下的飞行的各个过程，如滑行，降落，起飞，爬升。虚拟视景系统提供了加载外场景生成的接口，并支持Google Earth等GIS软件。人机工效测评系统同样采用工作量法评估，测试流程如图5所示。

本发明的仪表台在结构上设计了运动机构，具有三个维度的运动和+转动，运动由工作站和及其运行的运动控制程序进行控制，运动机构采用步进电机或伺服电机带动线轨来带动虚拟仪表台和真实仪表台。

控制台A具有两个维度的转动和三个维度的移动，运动由工作站和及其运行的运动控制程序进行控制，运动机构采用步进电机或伺服电机带动线轨来带动虚拟仪表台和真实仪表台。根据需要，可以在试验台部署部分或全部的运动维度的配置。控制台B具有一个维度的转动和三个维度的移动，运动由工作站和及其运行的运动控制程序进行控制，运动机构采用步进电机或伺服电机带动线轨来带动虚拟仪表台和真实仪表台。根据需要，可以在试验台部署部分或全部的运动维度的配置。控制台A和B之间具有联动关系，以保证整体布局的结构及尺寸协调性和合理性。仪表台及各控制台位置可以记录并保存，其于不同性别人种的驾驶员的人体参数一起匹配形成多套驾驶舱参数建议方案。油门杆和驾驶杆均有位置调节裕度，以保证与控制台的位置协调性，和布局验证功能。正常情况采用侧驾驶杆方式，但保留中位驾驶杆的替代方案。

当进行某个试验时，可以在试验管理模块设定一定的飞行任务，试验者（用户）身份被系统识别，试验台环境（仪表台、控制台A/B、采集系统、油门推杆驾驶杆和照明状态）被设定，试验者可以通过油门推杆，驾驶杆以及仪表台、控制台A/B的模拟操纵系统执行设定的飞行任务并处理某些系统设置的试验者不预知的紧急情况。在整个过程中，眼动仪可以记录驾驶者注视点和头部面部动作和表情，红外追踪仪可以精确追踪人体如手、脚、肩的运动状态，数据手套可以感知驾驶杆的力特性，在某些特定试验时可以使用3D鼠标来测定某些特定动作的精确性。以上这些数据采集方式与触摸屏一起形成完整的位置、时间、生理以及心理的整套采集系统。

Claims (5)

1.一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评系统，包括模拟操作舱，模拟操作舱内的照明装置及摄影装置，安装在模拟操作舱内的用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置，计算机系统，其特征在于：在模拟操作舱有操作员座椅，围绕操作员座椅设置有数据采集装置，数据采集装置包括传感器、眼动仪、红外跟踪仪、3D鼠标、数据手套；用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置、布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板、操作员座椅、各传感器、眼动仪、红外跟踪仪、数据手套和3D鼠标均由计算机控制连接；计算机系统包括有动力学仿真模块，虚拟视景仿真模块，数据采集模块，试验分析模块。 

2.按权利要求1所述的一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评系统，其特征在于：安装在模拟操作舱内的用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置、布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板、操作员座椅的安装底座上均设置有二维或三维移动装置和/或一维或二维转动装置。

3.按权利要求1或2所述的一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评系统，其特征在于：所述的用于模拟仪表板的显示装置和模拟操作板的显示装置为实际的仪表板和操作板。

4.一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评方法，其特征在于：根据设计需要，确定用于模拟仪表板的显示装置、模拟座舱外视景的显示装置、模拟操作板的显示装置、布置有真实的按/旋钮、操作杆的操作面板、操作员座椅的多维位置和或转动位置，在试验人员身体上需要检测位移处安装传感器，手上套有数据手套，驾驶评估人员戴上眼动仪或者利用仪表台上的固定眼动仪，计算机系统根据测评要求，动力学仿真模块将模拟出各种驾驶状态，并将对应的参数传送到模拟仪表板的显示装置和模拟操作板的显示装置上，虚拟视景仿真模块将模拟的外视景图像传送到模拟座舱外视景的显示装置上，试验人员根据所见到的模拟座舱外视景的显示装置上的图像和模拟仪表板的显示装置所显示的数据进行对应的手脚眼的操作，试验人员身体各部位的移动及手指的动作及眼睛注视点的观测数据由数据采集模块采集，并由试验分析模块分析。

5.按权利要求4所述的一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评方法，其特征在于：基于任务及工作量的人机工效评估方法,其包括了一种试验过程记录与管理模块，行为分析模块，以及虚拟人体模型模块；试验过程记录及管理模块可以与数据采集系统相连，并将整个测试过程录制下来（包含飞行过程、驾驶者眼动、手脚运动、测试者面部表情等），虚拟人体模型软件模块可以提供部分用户-系统交互数据，行为分析软件模块可以对以上记录和计算的眼动、手动等行为进行编码，同时将从数据采集系统提取的视频文件，以及由信号合成的同步仿真文件处理后导入行为分析模块后，综合评判针对飞行操作的不同任务、座舱尺寸、显示系统设计条件下的驾驶人员的工作量，从而给出科学和定量的设计方案的评估数据。

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