CN107016898A - 一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置，属于飞行模拟器领域，具体是：顶板计算机分别连接触屏模拟顶板、触屏模拟顶板振动组件、触屏模拟顶板声音组件和核心计算机；触屏模拟顶板振动组件和触屏模拟顶板声音组件分别固定在触屏模拟顶板的背部，同时均与顶板计算机相连；且触屏模拟顶板声音组件与所要模拟的开关处于同一方位。当操作人员点击虚拟开关后，能够在显示开关状态上作出符合顶板操作逻辑的改变，同时模拟实体开关状态改变的振动，并发出相应的音效，给予飞行模拟器操作人员相应的声音反馈和振动反馈。本发明可以有效地解决点击传统触屏面板反馈不足的问题，提升飞行模拟器中触屏模拟顶板的人机交互体验。

Description

一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置

技术领域

本发明属于飞行模拟器领域，具体是一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置。

背景技术

飞行模拟器是能够在地面逼真地模拟空中飞行的一整套现代化设备的总称。运用飞行模拟器进行训练既经济、又安全，而且机场、天气等外部条件对训练限制也较小。与借助计算机的数字仿真不同，飞行模拟器仿真通过对驾驶舱飞行环境的构建，给予使用者驾驶真实飞机一样的感觉。

程序训练飞行模拟器是飞行模拟器的一种，其主要目标在于规范操作者的飞行操作流程，出于降低成本的考虑，程序训练飞行模拟器往往采用触屏模拟顶板替代传统的实体开关顶板，触屏模拟顶板显示开关的图像，操作人员通过点击相应开关的图像从而达到操作实体开关的效果。

在操作真实飞机驾驶舱顶板上的开关时，每进行一次点击开关操作，顶板上的开关按钮都会改变状态，如开关按下或者弹起，是否点亮等；并发出诸如“咔哒”的声音，通过触觉、声音等途径给与操作者反馈。

而当对应用传统触屏模拟顶板的飞行模拟器进行操作时，触屏模拟顶板采集操作人员的点击信号后，将信号发送给计算机进行处理，计算机再回传给触屏模拟顶板相应的显示控制信号，从而控制显示内容的改变。这样做，在人机交互方面会存在如下问题：

(1)由于触屏本身是一个平面，开关在触屏模拟顶板上的特定区域显示且不具有可动性，因此操作者点击虚拟开关图像后往往无法通过触觉感受到开关状态的改变；

(2)一方面触屏模拟顶板不能发出开关状态变化的音效给予操作者反馈，另一方面现有的触屏模拟顶板通过模拟器的音箱发出开关状态变化的音效，但是模拟器的音箱往往不固定在触屏模拟顶板上，即声音不从触屏模拟顶板所在方位发出，降低了驾驶舱环境模拟的逼真程度。

如果飞行模拟器操作者出现了点击位置不准、误触或者点击之后触屏模拟顶板没反应等问题，由于反馈渠道的不足，操作人员很难在点击之后第一时间知晓问题的发生，这不但不利于驾驶舱操作环境的模拟，限制了触屏模拟顶板在飞行模拟器上的应用，而且还降低了人机交互体验。

在改进飞行模拟器体验方面，美国Peter Bohlender在US9058750号专利中提出了一种基于直升机飞行模拟器的振动装置方案；该方案在模拟器座椅上安装了3个振动电机，在仪表面板以及操纵杆上分别安装了1个振动电机。通过对于电机振动频率的控制来模拟直升机飞行时的振动，从而提升驾驶舱模拟的逼真程度。但是，该专利着眼于操作飞行模拟器时对于飞行器运行振动的模拟，并未涉及在使用触屏模拟顶板的情况下模拟点击实体开关产生的振动，因而使用触屏模拟顶板造成的触觉反馈缺失的问题依然存在。

西安飞豹科技发展有限公司在CN201520663882.X号专利中提出了一种飞行模拟器声音仿真系统，通过一系列音箱组输出环境噪音、告警音、导航音和教员指令等，构建了具有真实感以及沉浸感的声场，营造了逼真的驾驶舱环境。但是，该专利侧重模拟飞行驾驶舱的环境音效以及教员声音；未涉及在使用触屏模拟顶板的情况下模拟点击实体开关的音效，所以使用触屏模拟顶板造成的声音反馈缺失的问题依然存在。

发明内容

本发明针对操作附带传统触屏模拟顶板的飞行模拟器时所产生的误触，反馈不足等现象，为了提升飞行模拟器的人机交互体验，增加仿真的逼真程度；提出了一种适用于程序训练飞行模拟器的新型触屏模拟顶板装置，具体是一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置。

所述的新型触屏模拟顶板装置包括：触屏模拟顶板、顶板计算机、触屏模拟顶板振动组件、触屏模拟顶板声音组件以及飞行模拟器的核心计算机。

顶板计算机分别与触屏模拟顶板、触屏模拟顶板振动组件、触屏模拟顶板声音组件和核心计算机相连接。

触屏模拟顶板用来同飞行模拟器操作人员进行交互，当操作人员点击操作触屏模拟顶板上的某一区域时，触屏模拟顶板将点击信号传递给顶板计算机；并且，触屏模拟顶板还接收顶板计算机反馈的显示控制信号，依据显示控制信号在显示开关状态上作出相应的改变，并将显示的状态改变图像返回给操作人员。

顶板计算机作为核心部件，接收来自于触屏模拟顶板的点击信号，并内置顶板按键的操作逻辑，对输入某开关的点击信号后，能够进行分析进而输出相应开关状态改变的信息，相应开关的振动控制信号，以及相应开关的声音控制信号，并将各个信号分别同时发出，具体为：

1)、顶板计算机将开关状态改变信息传递给核心计算机；

核心计算机负责分析飞行模拟器整体的飞行数据，并对飞行模拟器所模拟的飞行器运行状态进行实时仿真。在接收到开关状态改变信息后，核心计算机根据开关状态改变信息对飞行模拟器飞行数据以及运行状态进行更改，然后反馈给顶板计算机飞行模拟器所模拟的相关部件的状态改变信息；顶板计算机根据部件状态改变信息将对应的显示控制信号传给触屏模拟顶板；

2)、顶板计算机将振动控制信号传递给触屏模拟顶板振动组件；

触屏模拟顶板振动组件包括：振动电机，电机支座和偏心轮。

电机支座固定在触屏模拟顶板的背部，起到支撑振动电机的作用；振动电机的输出轴联接一个偏心轮，振动电机同时与顶板计算机相连；

振动控制信号包括振动时间与振动强度信息；

当顶板计算机传递振动控制信号后，振动电机输出轴开始旋转并带动偏心轮旋转，偏心轮旋转产生振动，由于振动电机借由电机支座与触屏模拟顶板连接在一起；所以偏心轮产生的振动便传递到触屏模拟顶板上，直接给操作人员反馈振动输出。

3)、顶板计算机将声音控制信号传递给触屏模拟顶板声音组件；

触屏模拟顶板声音组件包括：音箱和音箱支架；音箱通过音箱支架固定在触屏模拟顶板的背部，与所要模拟的开关处于同一方位，同时音箱与顶板计算机相连；

当顶板计算机传递声音控制信号后，音箱调用并播放存储在顶板计算机内部的模拟开关状态改变的音效文件，直接在虚拟开关同一方位处给操作人员反馈声音输出。

本发明的优点在于：

1)、一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置，在保持程序训练模拟器较低成本的同时，有效地避免了操作传统触屏模拟顶板时产生的反馈不足问题。

2)、一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置，所用技术成熟，模块化程度高，提升了飞行模拟器对于飞机座舱模拟的逼真程度，以及人机交互性能，在飞行模拟器上具有广阔的应用前景。

3)、一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置，是一种适用于程序训练飞行模拟器的新型触屏模拟顶板装置，可以有效地解决点击传统触屏面板反馈不足的问题，提升飞行模拟器中触屏模拟顶板的人机交互体验。

附图说明

图1是本发明一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置的原理示意图；

图2是本发明一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置的硬件架构示意图；

图3是本发明具体实施例中触屏模拟顶板的显示内容示意图；

图4是本发明具体实施例中触屏模拟顶板上的发动机火警面板示意图。

11-触屏模拟顶板，21-顶板计算机，31-振动电机，32-电机支座，33-偏心轮，41-音箱，42-音箱支架，51-核心计算机。

具体实施例

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

现有技术中，与实体开关面板的飞行模拟器相比，触屏模拟顶板的飞行模拟器在声音以及触觉两方面存在反馈不足；以及操作人员在点击位置不准、误触或者点击之后触屏模拟顶板没反应等情况下无法及时得到反馈，进而降低飞行模拟器的人机交互体验。本发明提出了一种新型的触屏模拟顶板装置，该装置在操作人员点击触屏模拟顶板上显示的虚拟开关图像后，能够在显示开关状态上作出符合顶板操作逻辑的改变，同时能够模拟实体开关状态改变的振动，并能从触屏模拟顶板方位发出相应的音效，给予飞行模拟器操作人员相应的声音反馈和振动反馈。

如图1所示，所述的新型触屏模拟顶板装置包括：触屏模拟顶板11、顶板计算机21、触屏模拟顶板振动组件30、触屏模拟顶板声音组件40和飞行模拟器核心计算机51；

顶板计算机21分别与触屏模拟顶板11、触屏模拟顶板振动组件30、触屏模拟顶板声音组件40和核心计算机51相连接。

如图2所示，触屏模拟顶板振动组件30包括：振动电机31，电机支座32和偏心轮33；电机支座32固定在触屏模拟顶板11的背部，支撑振动电机31，振动电机31的输出轴联接一个偏心轮33，振动电机31同时与顶板计算机21相连；

触屏模拟顶板声音组件40包括：音箱41和音箱支架42；音箱41通过音箱支架42固定在触屏模拟顶板11的背部，与所要模拟的开关处于同一方位，同时音箱41与顶板计算机21相连；

触屏模拟顶板11是一种替代附带实体开关的顶板仪表面板，用来显示飞行模拟器顶板的图像与飞行模拟器操作人员进行交互。当操作人员点击触屏模拟顶板11上某一区域时，触屏模拟顶板11便将点击信号传给顶板计算机21。并且，触屏模拟顶板11还将接收来自于顶板计算机21反馈的显示控制信号，依据显示控制信号在显示开关状态上作出相应的改变；如开关按下或者弹起、是否点亮等；

顶板计算机21作为核心部件，接收来自于触屏模拟顶板11的点击信号，并内置顶板按键的操作逻辑；顶板按键的操作逻辑由Matlab软件的Simulink模块编写，与真实飞机顶板按键的操作逻辑保持一致。

顶板计算机21对输入某一开关的点击信号后，运用内置的飞行模拟器顶板操作逻辑进行处理计算，分析输出相应开关状态改变的信息，相应开关的振动控制信号，以及相应开关的声音控制信号；同时将各个信号分别同时发出；

具体为：

1)、顶板计算机21将开关状态改变信息传递给核心计算机51；

核心计算机51负责分析飞行模拟器整体的飞行数据，并对飞行模拟器所模拟的飞行器运行状态进行实时仿真。在接收到开关状态改变信息后，核心计算机51根据开关状态改变信息对飞行模拟器飞行数据以及运行状态进行更改，然后反馈给顶板计算机21飞行模拟器所模拟飞行器的相关部件的状态改变信息；顶板计算机21根据部件状态信息将对应的显示控制信号传给触屏模拟顶板11；

2)、顶板计算机21将振动控制信号传递给触屏模拟顶板振动组件30；

顶板计算机21传递的振动控制信号包含振动时间与振动强度信息；在接收来自于顶板计算机21的振动控制信号后，振动电机31输出轴开始旋转并带动偏心轮33旋转，偏心轮33旋转产生振动，由于振动电机31借由电机支座32与触屏模拟顶板11连接在一起。所以偏心轮33产生的振动便传递到触屏模拟顶板11上。操作者点击触屏模拟顶板11上显示的虚拟开关图像，造成虚拟开关状态改变后，触屏模拟顶板振动组件30便能够产生振动以模拟实体开关状态改变的效果。

触屏模拟顶板振动组件30的振动原理不局限于联接偏心轮33的振动电机31，可换为其他振动发生装置。

3)、顶板计算机21将声音控制信号传递给触屏模拟顶板声音组件40；

触屏模拟顶板声音组件40在接收来自于顶板计算机21的声音控制信号后，音箱41调用并播放存储在顶板计算机21内部的模拟开关状态改变的音效文件，如“咔哒”声等。由于音箱21固定在触屏模拟顶板11的背部，与所要模拟的开关处于同一方位，因此飞行模拟器操作者在点击触屏模拟顶板11上显示的虚拟开关图像，造成虚拟开关状态改变后，能够得到来自于和虚拟开关同一方位的声音反馈。

下面结合A320民航飞机对本发明的具体实施方法进行详细说明。

触屏模拟顶板应用于A320民航飞机的飞行模拟器上，显示内容如图3所示，触屏模拟顶板上发动机火警面板区域放大图如图4所示；正常情况下，图中①区域“FIRE”警报按钮保护盖为盖上状态，警报按钮为按下状态且警报按钮灯不点亮，②区域按键为弹起状态且按键灯不点亮。

在操作飞行模拟器的过程中，飞行模拟器核心计算机经过分析计算，向顶板计算机输出部件状态信息—飞机发动机火灾警报信息；顶板计算机运行顶板操作逻辑进行分析后，将针对“FIRE”警报按钮的显示控制信号发送给触屏模拟顶板，触屏模拟顶板依据上述显示控制信号，在显示内容上做出相应的改变，即将图中①区域“FIRE”警报按钮灯点亮，提示飞行模拟器操作人员发生了发动机火灾。

飞行模拟器操作人员随即点击触屏模拟顶板上①区域的“FIRE”警报按钮保护盖，触屏模拟顶板将点击信号传给顶板计算机，顶板计算机经过内部顶板操作逻辑分析，将针对“FIRE”警报按钮保护盖的显示控制信号传给触屏模拟顶板，将振动控制信号和声音控制信号分别发送给触屏模拟顶板振动组件与触屏模拟顶板声音组件。触屏模拟顶板依据上述显示控制信号在显示内容上做出改变，即①区域“FIRE”警报按钮保护盖弹起；触屏模拟顶板振动组件依据振动控制信号发出振动，提示操作人员保护盖已打开；触屏模拟顶板声音组件依据声音控制信号发出保护盖打开的“咔哒”声。

飞行模拟器操作人员在保护盖打开后，点击图中①区域“FIRE”警报按钮。触屏模拟顶板将点击信号传给顶板计算机，顶板计算机经过内部顶板操作逻辑分析，将针对①区域“FIRE”警报按钮的显示控制信号传给触屏模拟顶板，将振动控制信号和声音控制信号分别发送给触屏模拟顶板振动组件与触屏模拟顶板声音组件，将开关状态改变信息传给核心计算机。触屏模拟顶板依据针对①区域警报按钮的显示控制信号在显示内容上做出改变，即①区域“FIRE”警报按钮由按下状态变为弹起状态，同时②区域“SQUIB”按键灯点亮成白色，表明灭火系统准备就绪。触屏模拟顶板振动组件依据振动控制信号发出振动，提示操作人员警报按钮状态已经改变。触屏模拟顶板声音组件依据声音控制信号发出按钮弹起的“咔哒”声。

飞行模拟器操作人员在确认灭火系统准备就绪后，点击②区域“DISCH”按键。触屏模拟顶板将点击信号传给顶板计算机，顶板计算机经过顶板操作逻辑分析，将针对②区域“DISCH”按键的显示控制信号传给触屏模拟顶板，将振动控制信号和声音控制信号分别发送给触屏模拟顶板振动组件与触屏模拟顶板声音组件，将开关状态改变信息传给核心计算机。触屏模拟顶板依据针对②区域“DISCH”按键的显示控制信号，将②区域“DISCH”按键由弹起状态变为按下状态并点亮成琥珀色，向飞行模拟器操作人员表明灭火系统开始运行。触屏模拟顶板振动组件依据振动控制信号发出振动，提示操作人员②区域“DISCH”按键已被按下。触屏模拟顶板声音组件依据声音控制信号发出按键被按下的“咔哒”声。

飞行模拟器核心计算机接收开关状态改变信息后，经过内部仿真分析，若发动机火灾被扑灭，则向顶板计算机发送发动机火灾警报解除信息。顶板计算机运行顶板操作逻辑后，将显示控制信号发送给触屏模拟顶板，触屏模拟顶板依据显示控制信号，将图中①区域“FIRE”警报按钮灯熄灭，提示飞行模拟器操作人员发动机火灾已经解决。

当飞行模拟器操作人员在未发生火灾警报时点击图4所示②区域中虚拟按键时，触屏模拟顶板将点击信号传给顶板计算机，顶板计算机运行顶板操作逻辑分析后将显示控制信号传给触屏模拟顶板，将振动控制信号和声音控制信号分别发送给触屏模拟顶板振动组件与触屏模拟顶板声音组件，由于在这种情况下操作人员点击按键并无意义，所以顶板计算机不会将开关状态改变信息传给核心计算机；即操作人员可以得到振动反馈与声音反馈，触屏模拟顶板上虚拟开关状态发生改变；但是不会对飞行模拟器运行产生任何影响。

当飞行模拟器操作人员点击了图4所示区域中非按键区域时，触屏模拟顶板将点击信号传给顶板计算机，顶板计算机经过分析认为操作者并没有对任何按键实行操作，因此不会给予系统其他组件传递任何信号，操作者也无法得到振动以及声音反馈，这符合正常的操作逻辑。

Claims (4)

1.一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置，其特征在于，包括触屏模拟顶板、顶板计算机、触屏模拟顶板振动组件、触屏模拟顶板声音组件和飞行模拟器核心计算机；

顶板计算机分别与触屏模拟顶板、触屏模拟顶板振动组件、触屏模拟顶板声音组件和核心计算机相连接；

触屏模拟顶板振动组件包括：振动电机，电机支座和偏心轮；电机支座固定在触屏模拟顶板的背部，支撑振动电机，振动电机的输出轴联接一个偏心轮，振动电机同时与顶板计算机相连；

触屏模拟顶板声音组件包括：音箱和音箱支架；音箱通过音箱支架固定在触屏模拟顶板的背部，与所要模拟的开关处于同一方位，同时音箱与顶板计算机相连。

2.如权利要求1所述的一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置，其特征在于，所述的触屏模拟顶板同飞行模拟器操作人员进行交互，当操作人员点击操作触屏模拟顶板上的某一区域时，触屏模拟顶板将点击信号传递给顶板计算机；并且，触屏模拟顶板还接收顶板计算机反馈的显示控制信号，依据显示控制信号在显示开关状态上作出相应的改变，并将显示的状态改变图像返回给操作人员。

3.如权利要求1所述的一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置，其特征在于，所述的顶板计算机作为核心部件，接收来自于触屏模拟顶板的点击信号，并内置顶板按键的操作逻辑，对输入某开关的点击信号后，能够进行分析进而输出相应开关状态改变的信息，相应开关的振动控制信号，以及相应开关的声音控制信号，并将各个信号分别同时发出，具体为：

a)、顶板计算机将开关状态改变信息传递给核心计算机；

核心计算机负责分析飞行模拟器整体的飞行数据，并对飞行模拟器所模拟的飞行器运行状态进行实时仿真；在接收到开关状态改变信息后，核心计算机根据开关状态改变信息对飞行模拟器飞行数据以及运行状态进行更改，然后反馈给顶板计算机飞行模拟器所模拟的相关部件的状态改变信息；顶板计算机根据部件状态改变信息将对应的显示控制信号传给触屏模拟顶板；

b)、顶板计算机将振动控制信号传递给触屏模拟顶板振动组件；

振动控制信号包括振动时间与振动强度信息；

当顶板计算机传递振动控制信号后，振动电机输出轴开始旋转并带动偏心轮旋转，偏心轮旋转产生振动，由于振动电机借由电机支座与触屏模拟顶板连接在一起；所以偏心轮产生的振动便传递到触屏模拟顶板上，直接给操作人员反馈振动输出；

c)、顶板计算机将声音控制信号传递给触屏模拟顶板声音组件；

当顶板计算机传递声音控制信号后，音箱调用并播放存储在顶板计算机内部的模拟开关状态改变的音效文件，直接在虚拟开关同一方位处给操作人员反馈声音输出。

4.如权利要求1所述的一种增强人机交互体验的新型触屏模拟顶板装置，其特征在于，所述的触屏模拟顶板振动组件的振动原理不局限于联接偏心轮的振动电机。