CN104573285A - 一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，属于飞机座舱布局设计领域。包括以下步骤：根据飞机的飞行剖面、飞行员操纵程序，对典型机型飞行员的飞行任务进行分解并基于惯性测量单元获取飞行员的动作参数；在虚拟环境中建立飞行员虚拟人体模型，将飞行员各部位的方位参数映射至虚拟人体模型，实现飞行员动作参数的表达；将飞行动作实例化并建立飞行员动作库，利用飞行员动作参数进行驾驶舱布局设计和分析，确定操纵设备的空间位置。本发明确保了在驾驶舱布局设计过程中，设计研发人员能够充分考虑飞行员在对已有机型操纵过程中的飞行技术和经验，可有效降低飞机驾驶舱布局设计成本，缩短驾驶舱布局设计和研制周期。
Description
技术领域
本发明属于飞机座舱布局设计领域，尤其涉及一种利用飞行员动作特征来实现飞机座舱操纵设备布局的方法。
背景技术
目前国内外学者对布局设计方法主要包括基于设备相对重要性、使用频率和使用顺序的操控设备和面板布局设计方法，基于遗传算法的设备布置顺序的优化方法以及通过动力学仿真进行驾驶舱布局的方法等。然而，在飞机驾驶舱的布局设计过程中，仍存在以下问题：1.驾驶舱设计人员无法充分考虑飞行员在对已有机型操纵过程中的飞行技术和经验，对飞行员实际飞行状态下的各种操纵行为动作了解不足；2.不能及时的通过飞行员对驾驶舱布局合理性进行分析，而是在设计完成后进行飞行员的模拟操纵，从而导致了设计成本的增加及设计周期的延长；3.飞行员的各种操纵动作缺乏有效的跟踪捕捉方法和载体，无法将飞行员的动作参数用于驾驶舱布局设计。
驾驶舱是飞行员操纵飞机执行任务的工作环境，是飞行机组的主要活动场所，作为飞行员与飞机信息交互的唯一界面和唯一手段，在飞机的飞行中起着重要的作用。驾驶舱布局设计的优劣不仅影响飞行机组人员的体力、心理和意识活动，而且直接影响他们的工作效率和飞行安全，是驾驶舱设计的关键评价指标之一。良好的驾驶舱布局是飞行机组顺利完成飞行任务的重要保证。随着飞机驾驶舱显控系统操纵安全性要求的提高和复杂性的增加，亟需一种能够对飞机驾驶舱内操控设备进行高效合理布局的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术和方法的不足，提供一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，通过采集和分析并实例化飞行员的操纵动作参数，可充分考虑飞行员在对已有机型操纵过程中的飞行技术和经验，为飞机驾驶舱布局设计提供一种有效的设计手段。
本发明的技术方案是：一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A：获取典型机型飞行员在执行飞行任务过程中所完成的飞行操纵动作；
步骤B：在虚拟环境中表达飞行员的动作参数；
步骤C：利用飞行员动作参数进行驾驶舱布局设计。
步骤A所述获取典型机型飞行员在执行飞行任务过程中所完成的飞行操纵动作包括以下步骤：
(1)根据飞机的飞行剖面、飞行员操纵程序，对典型机型飞行员的飞行任务进行分解；
(2)基于惯性测量单元，在飞机模拟平台或真实的飞机机型上，对飞行员各操纵状态下的操纵动作进行跟踪捕捉。
步骤B所述在虚拟环境中表达飞行员的动作参数包括以下步骤：
(1)通过CATIA/DELMIA或JACK等软件框架下的虚拟人建模模块，按照飞行员人体尺寸，建立虚拟飞行员的人体模型；
(2)针对虚拟环境下建立的虚拟飞行员人体模型，定义虚拟飞行员各关节自由度及活动区间范围；
(3)基于惯性测量单元的数据无线传输功能，将飞行员的操纵动作参数映射至虚拟飞行员人体模型。
步骤C所述利用飞行员动作参数进行驾驶舱布局设计包括以下步骤：
(1)将惯性测量单元传输至上位机的数据固化至虚拟飞行员模型，实现飞行员操纵动作在虚拟环境下的实例化；
(2)按照已分解的飞行员任务，建立飞行员动作实例库，将飞行员动作实例存入实例库中；
(3)基于飞行员动作实例进行推理，确定操纵设备在驾驶舱的布局区域位置,
(3.1)对飞机驾驶舱布局需求定义，确定所要进行布局设计的飞机类型、飞行员操纵设备功能分配；
(3.2)对驾驶舱布局设计对象描述，说明设计对象的属性、特征权重以及工作位置；
(3.3)根据驾驶舱设计需求的定义和设计对象的描述进行飞行员动作实例检索；
(3.4)根据设计对象的属性权重，计算分析不同动作实例的相似性；
(3.5)根据相似性分析结果，判断飞行员动作实例是否满足驾驶舱设备布局设计的需求，如果满足，以满足需求的飞行员动作实例为依据，拟合出驾驶舱操纵设备的布局区域位置，如果不满足，通过飞行员或飞机驾驶舱设计专家意见对虚拟飞行员模型进行修正至满足设计需求。
所述根据飞机的飞行剖面、飞行员操纵程序，对典型机型飞行员的飞行任务进行分解包括：飞机机型、飞行阶段、操纵设备、飞行条件以及飞行员操纵程序。
所述惯性测量单元由陀螺仪、加速度计以及磁传感器组成。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，通过在典型机型驾驶舱模拟平台按照飞行任务，将采集到的飞行员动作参数用于驾驶舱的布局设计，确保了在驾驶舱布局设计过程中，设计研发人员能够充分考虑飞行员在对已有机型操纵过程中的飞行技术和经验，可有效降低飞机驾驶舱布局设计成本，缩短驾驶舱布局设计和研制周期。
附图说明
图1为本发明的结构框架示意图。
图2为典型飞行剖面下飞机与飞行员交互过程图。
图3为飞行任务的层次分解图。
图4为虚拟人人体尺寸参数示意图。
图5为虚拟飞行员人体模型关节自由度定义示意图。
图6为基于实例推理的布局设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，包括以下步骤：
步骤A：获取典型机型飞行员在执行飞行任务过程中所完成的飞行操纵动作。
所述步骤A包括以下步骤：
(1)根据飞机的飞行剖面、飞行员操纵程序，对典型机型（B737、A320等）飞行员的飞行任务进行分解；通常情况下，飞行员在执行飞行任务时，通过舱外目视搜索、舱内信息显示和自身本体感觉等获得各类飞行信息，并通过驾驶舱内的各类控制器操纵和控制飞机的，具体交互过程如图2所示。因此，为了能够有效获取飞行员的飞行动作，有必要对飞行员的飞行任务进行分解。在进行飞行任务分解时，主要涉及飞机机型（A320、B737等）、飞行阶段（滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近和着陆）、操纵设备（油门杆、脚蹬、驾驶杆等）、飞行条件（驾驶舱外、驾驶舱内）、飞行员操纵程序（正常、非正常及应急操作程序）等。具体任务分解层次如图3所示。
(2)基于惯性测量单元，在飞机模拟平台或真实的飞机机型上，对飞行员各操纵状态下的操纵动作进行跟踪捕捉。
步骤B：在虚拟环境中表达飞行员的动作参数；
(1)通过CATIA/DELMIA或JACK等软件框架下的虚拟人建模模块，按照飞行员人体尺寸，建立虚拟飞行员的人体模型；虚拟飞行员人体模型与实际飞行员人体尺寸进行映射，虚拟人人体部位的尺寸与实际操纵的飞行员人体部位调整至一致。具体虚拟人人体尺寸参数如图4所示。
(2)针对虚拟环境下建立的虚拟飞行员人体模型，定义虚拟飞行员各关节自由度及活动区间范围；根据飞行员的实际动作范围，对虚拟飞行员人体模型各关节自由度的定义如图5所示。
(3)基于惯性测量单元的数据无线传输功能，将飞行员的操纵动作参数映射至虚拟飞行员人体模型；惯性测量单元主要由陀螺仪、加速度计以及磁传感器组成。每个惯性测量单元附着于飞行员的人体各个部位，实时采集飞行员操纵时的动作参数，并通过运算将各部位的方位参数传输至计算机（上位机）。
步骤C：利用飞行员动作参数进行驾驶舱布局设计；
(1)将惯性测量单元传输至上位机的数据固化至虚拟飞行员模型，实现飞行员操纵动作在虚拟环境下的实例化；针对上传至上位机的动作参数，将四元数转化为欧拉角的表示，实现与虚拟人动作的统一。
(2)按照已分解的飞行员任务，建立飞行员动作实例库，将飞行员动作实例存入实例库中；
(3)基于飞行员动作实例进行推理，确定操纵设备在驾驶舱的布局区域位置，具体流程如图6所示；
(3.1)飞机驾驶舱布局需求定义，确定所要进行布局设计的飞机类型、飞行员操纵设备功能分配等；
(3.2)驾驶舱布局设计对象描述，说明设计对象的属性、特征权重以及工作位置等；
(3.3)根据驾驶舱设计需求的定义和设计对象的描述进行飞行员动作实例检索；
(3.4)根据设计对象的属性权重，计算分析不同动作实例的相似性；
(3.5)根据相似性分析结果，判断飞行员动作实例是否满足驾驶舱设备布局设计的需求，如果满足，以满足需求的飞行员动作实例为依据，拟合出驾驶舱操纵设备的布局区域位置，如果不满足，通过飞行员或飞机驾驶舱设计专家意见对虚拟飞行员模型进行修正至满足设计需求。
Claims (6)
1.一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A：获取典型机型飞行员在执行飞行任务过程中所完成的飞行操纵动作；
步骤B：在虚拟环境中表达飞行员的动作参数；
步骤C：利用飞行员动作参数进行驾驶舱布局设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，其特征在于：步骤A所述获取典型机型飞行员在执行飞行任务过程中所完成的飞行操纵动作包括以下步骤：
(1)根据飞机的飞行剖面、飞行员操纵程序，对典型机型飞行员的飞行任务进行分解；
(2)基于惯性测量单元，在飞机模拟平台或真实的飞机机型上，对飞行员各操纵状态下的操纵动作进行跟踪捕捉。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，其特征在于：步骤B所述在虚拟环境中表达飞行员的动作参数包括以下步骤：
(1)通过CATIA/DELMIA或JACK等软件框架下的虚拟人建模模块，按照飞行员人体尺寸，建立虚拟飞行员的人体模型；
(2)针对虚拟环境下建立的虚拟飞行员人体模型，定义虚拟飞行员各关节自由度及活动区间范围；
(3)基于惯性测量单元的数据无线传输功能，将飞行员的操纵动作参数映射至虚拟飞行员人体模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于飞行员动作参数的驾驶舱布局设计方法，其特征在于：步骤C所述利用飞行员动作参数进行驾驶舱布局设计包括以下步骤：
(1)将惯性测量单元传输至上位机的数据固化至虚拟飞行员模型，实现飞行员操纵动作在虚拟环境下的实例化；
(2)按照已分解的飞行员任务，建立飞行员动作实例库，将飞行员动作实例存入实例库中；
(3)基于飞行员动作实例进行推理，确定操纵设备在驾驶舱的布局区域位置，
(3.1)对飞机驾驶舱布局需求定义，确定所要进行布局设计的飞机类型、飞行员操纵设备功能分配；
(3.2)对驾驶舱布局设计对象描述，说明设计对象的属性、特征权重以及工作位置；
(3.3)根据驾驶舱设计需求的定义和设计对象的描述进行飞行员动作实例检索；
(3.4)根据设计对象的属性权重，计算分析不同动作实例的相似性；
(3.5)根据相似性分析结果，判断飞行员动作实例是否满足驾驶舱设备布局设计的需求，如果满足，以满足需求的飞行员动作实例为依据，拟合出驾驶舱操纵设备的布局区域位置，如果不满足，通过飞行员或飞机驾驶舱设计专家意见对虚拟飞行员模型进行修正至满足设计需求。
5.根据权利要求2所述的一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，其特征在于：所述根据飞机的飞行剖面、飞行员操纵程序，对典型机型飞行员的飞行任务进行分解包括：飞机机型、飞行阶段、操纵设备、飞行条件以及飞行员操纵程序。
6.根据权利要求4所述的一种基于飞行员动作特征的驾驶舱布局设计方法，其特征在于：所述惯性测量单元由陀螺仪、加速度计以及磁传感器组成。
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