CN112598958B - 柔性模拟座舱人机工效测试系统及其测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性模拟座舱人机工效测试系统，其包括模拟座舱机械装置、仿真面板、操纵机构、分布式数据采集装置和人机工效测试装置，在实时运行过程中，测试对象处在所述模拟座舱机械装置中，通过所述仿真面板获取信息，通过所述操纵机构进行控制，通过所述分布式数据采集分装置进行信号转换与信号双向传递，所述人机工效测试系统实时记录测试对象在模拟舱中的所有生理、认知、操作和面部反应参数信息，通过模拟飞行过程中测试对象信息的采集对其进行飞行能力评价，通过数据分析和测试对象的反馈对柔性模拟座舱进行人机工效测评。本发明针对不同装备或产品设计一套搭建试验平台，可实现测试对象的飞行能力评价及柔性模拟座舱的人机工效测评。

Description

柔性模拟座舱人机工效测试系统及其测评方法

技术领域

本发明属于装备或产品人机工程试验与评估，具体涉及一种柔性模拟座舱人机工效测试系统及其测试方法。

背景技术

目前，多型装备或产品与使用人员之间的人机界面都采用舱室内交互的方式。例如，所有飞机的状态信息都集中在驾驶舱进行综合显示，这些信息的内容和显示形式是飞行员安全、高效地驾驶飞机的保证。这其中符合人机工程的装备或产品舱室设计能给使用人员提供合理的控制器布局、良好的飞行视野和舒适便捷的操纵方式，从而减少人员的工作负荷，使人员更高效、安全地完成任务，间接地提高了装备或产品的总体性能。柔性舱载式试验与评估系统便是常常用于舱室人机工程研究与分析的试验平台，通过柔性的机械装置设计和兼容多种输入方式的模拟显示界面，为舱室显示系统布局和界面设计、操纵机构设计、舱室作业空间和作业环境设计等人机工程研究工作提供了一套完整的试验系统。

然而，目前针对不同型号飞机座舱开展人机工程对比分析试验时，需要分别搭建试验系统，研制和生产阶段就需要投入大量的人力物力，且时间成本较高。再者，传统人机工程试验主要侧重于装备或产品人机系统的静态参数及其对应的安全性、可用性，而缺少针对实际使用任务和综合因素等的人机工程量化试验手段。综上，研制科学、合理、可操作的基于人机工程的柔性模拟座舱人机工效测试系统，可有效提升人机工程试验的工作效率，降低其成本降低，具有重要的理论和应用价值。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种柔性模拟座舱人机工效测试系统，该系统具备显示界面可重构、空间布局可重排、杆位布置可重设、测试设备可更换等柔性特点，使其可以模拟多型飞机座舱人机界面，能开展不同指标和参数的人机工程试验。

本发明采用的技术方案是，其包括模拟座舱机械装置、仿真面板、操纵机构和分布式数据采集装置，处在所述模拟座舱机械装置中的测试对象通过所述仿真面板获取信息，通过所述操纵机构进行控制，通过所述分布式数据采集分装置进行信号转换与信号双向传递，从而实时记录测试对象在所述模拟座舱机械装置中的反应参数信息，

所述模拟座舱机械装置包括驾驶舱机械装置、外壳和曲面异形件，采用模块化形式组装，所述驾驶舱机械装置包括仿真飞行座椅和滑轨，所述仿真飞行座椅安装在所述滑轨上，支持前后、高度和倾角的手动调节，所述外壳和曲面异形件采用玻璃钢制成；

所述仿真面板包括前面板、第一倾斜面板、第二倾斜面板、下面板、第一控制面板和第二控制面板，所述前面板安装在所述驾驶舱机械装置的正前方并用于飞行仪表、开关、按钮及旋钮的显示与控制，所述第一倾斜面板和第二倾斜面板分别安装在所述前面板的左侧和右侧，所述下面板安装在所述前面板的下侧中间位置，所述第一控制面板和第二控制面板分别安装在所述驾驶舱机械装置的左侧和右侧；

所述操纵机构包括操纵杆、油门杆和脚蹬，所述操纵杆和油门杆同时具有中杆和侧杆两种构型，中杆能拆卸且支持中杆和侧杆操纵方式互换，所述油门杆采用模块化结构，包括切换成转动和直线运行两种不同形式的油门杆；

所述分布式数据采集装置包括前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡，所述前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡将采集数据直接封装成标准网络数据包发送给数据记录与传输系统，并将所述数据记录与传输系统接收的网络数据包解包后转换成驱动信号发送到所述前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡上。

可优选的是，还包括人机工效测试装置，所述人机工效测试装置包括生理同步测试与分析组件、认知工效测试与分析组件、行为绩效测试与分析组件以及作业环境测试与分析组件，所述人机工效测试装置设置在驾驶舱机械装置中，所述生理同步测试与分析组件包括心电、皮电、心率、皮温和肌电的采集传感器，分别对人体心电、皮电、心率、皮温和肌电的生理数据进行测试和分析；所述认知工效测试与分析组件包括眼动仪、航空心理测试组件，通过所述眼动仪收集测试对象的眼动指标，结合所述航空心理测试组件测试得到的心理指标，综合分析获得测试对象操作时的认知与心理分析结果；所述行为绩效测试与分析组件包括行为记录组件和行为观察分析组件，记录人员操作数据，通过所述行为记录组件和行为观察分析组件实时分析人员操作设备的绩效，同步实时记录与分析参与作业人员的行为表现，同步记录、追踪、分析个体和团队的心理和生理变化情况；所述作业环境测试与分析组件设有环境参数采集组件，测量光照、温湿度及噪声在内的环境参数。

可优选的是，所述前面板安装有触摸式高分辨率LCD显示器且采用图形工作站驱动，所述第一倾斜面板、第二倾斜面板、下面板、第一控制面板和第二控制面板均由多块触控屏拼接而成，且采用含多个VGA输出的单板机驱动。

可优选的是，所述前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡的各信号就近转换，通过光纤完成数据传输。

本发明的另一方面，提供一种利用前述的柔性模拟座舱人机工效测试系统的测评方法，通过生理同步测试与分析组件采集测试对象的测量测试指标，应用认知工效测试与分析组件实现认知作业的工效评价，应用行为绩效测试与分析组件实现测试对象的行为能力与任务绩效评价，通过作业环境测试与分析组件实现环境参数对测试对象行为能力与任务绩效评价的补充；建有人机工效要求标准数据库，根据对人机工效测试系统研究设备记录数据的分析结果以及飞行员的反馈信息，智能与数据库中人机工效要求标准中具体条款进行比对分析，调整座舱操纵机构的形式，自主优化设计驾驶舱显示系统布局和信息显示方式，生成座舱显示系统仿真界面，并部署到柔性模拟座舱实验台上，进行新一轮闭环仿真验证，经过多次仿真，最终获得优选的座舱布局和座舱人机工效方案。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的柔性模拟座舱人机工效测试系统，无需针对不同装备或产品重新搭建试验平台，即可研究不同类型的舱室布局特点和规律、控制要素的可达性和可操作性、显示方式及显示要素的可读性和可理解性、新型显控交互技术的特点和规律、环境因素变化对人机交互特点和规律的影响、舱室人机系统界面相关工效设计参数等，达到提高工作效率、降低成本的效果。

2、本发明对于已完成设计且投入使用的通用模拟器，所设计的柔性模拟座舱人机工效测试系统能够以该模拟器为依托，对使用该模拟器进行训练的飞行员的飞行能力进行评价；同时对于正在设计中的模拟器，所设计的柔性模拟座舱人机工效测试系统能够通过自带的人机工效设计分析验证方法流程对模拟器进行人机工效测评，对其人机工效设计水平进行评价，并得出满意的座舱布局。

附图说明

图1为本发明柔性模拟座舱人机工效测试系统的整体组成示意图；

图2为本发明的模拟座舱机械装置结构示意图；

图3为本发明的仿真面板布局示意图；

图4为本发明的分布式数据采集装置布局示意图；

图5为本发明的人机工效测试系统组成示意图；

图6为本发明的座舱外部视景环幕示意图；

图7为本发明的模拟座舱机械装置的立体结构示意图。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供的柔性模拟座舱人机工效测试系统，如图1及图2所示，其包括模拟座舱机械装置1、仿真面板2、操纵机构3、分布式数据采集装置5 和人机工效测试装置6，在实时运行过程中，测试对象例如接受测试的飞行员处在模拟座舱机械装置1中，通过仿真面板获取信息，通过操纵机构进行控制，通过分布式数据采集分装置5进行信号转换与信号双向传递，人机工效测试装置6实时记录测试对象在模拟舱中的所有生理、认知、操作和面部反应参数信息。

根据人机工效研究的需要，柔性模拟座舱人机工效测试系统整体上采用开放式结构设计，为了在不改变硬件的条件下，通过合理配置即可快速实现不同机型驾驶舱人机界面的仿真，柔性模拟座舱的综合显示仪表、机械仪表、控制面板等全部以图形化的方式显示在液晶显示器上，控制面板上的操作全部使用触摸方式完成。

如图2及图7所示，模拟座舱机械装置1包括驾驶舱机械装置11、头戴式测试装置、平显装置112、外壳12、座舱环幕15和曲面异形件13，驾驶舱机械装置11根据飞机驾驶舱布局和外形尺寸进行综合设计，兼顾一平三下的经典驾驶舱布局和目前最先进的大屏幕显示器前面板驾驶舱布局，采用模块化形式组装，驾驶舱机械装置11以钢结构为核心，驾驶舱机械装置11包括仿真飞行座椅111和滑轨113，滑轨113设置在座舱内部的底部，仿真飞行座椅111 安装在所述滑轨上，支持前后、高度和倾角的手动调节，外壳12和曲面异形件13均采用玻璃钢成型工艺制造完成。整体结构坚固，具有足够的机械强度；同时易于装配和拆卸，具有良好的可维护性。座舱环幕15的结构如图6座舱外部视景环幕所示，其罩设在外壳12外部，能够对壳体进行封闭，其整体为环形结构。头戴式测试装置能够采集测试对象的数据参数，如眼动数据及脑电数据等，其在使用时佩戴在测试对象头部。

本一个优选实施例中，仿真飞行座椅111前后调节范围为±80mm、上下升降范围为±25mm、倾角范围为±10°。操纵机构3包括操纵杆、油门杆和脚蹬，均为物理仿真件，操纵杆和油门杆同时具有中杆和侧杆两种构型，中杆可拆卸且支持中杆和侧杆操纵方式互换，油门杆采用模块化设计可替换，支持切换成转动和直线运行两种不同形式的油门杆。

如图3所示，仿真面板2包括前面板21、第一倾斜面板22、第二倾斜面板23、下面板24、第一控制面板25和第二控制面板26，前面板21安装在驾驶舱机械装置正前方，安装有触摸式高分辨率LCD显示器。第一倾斜面板22 和第二倾斜面板23分别安装在前面板21的左侧和右侧，下面板24安装在前面板21的下侧中间位置，第一控制面板25和第二控制面板26分别安装在驾驶舱机械装置的左侧和右侧，第一倾斜面板22、第二倾斜面板23、下面板24、第一控制面板25和第二控制面板26均由多块触控屏拼接而成。采用软件方式模拟前面板21和第一控制面板25和第二控制面板26上的各种综合显示仪表、机械指针仪表、指示灯、开关和按钮等，以支持各种不同的座舱显控布局。仿真面板2的触摸屏由嵌入式计算机驱动显示，仿真软件由座舱仪表编辑器生成并下载到仿真仪表面板的嵌入式计算机上运行。

根据模拟驾驶舱内生成各仪表仿真画面对计算机性能要求的不同，驾驶舱内各显示屏分别采用图形工作站或者单板机驱动，其中前面板21触屏采用图形工作站210驱动，其它面板触屏采用含多个VGA输出的单板机驱动。此外，前面板21的角度、第一倾斜面板22和第二倾斜面板23的位置、第一控制面板25和第二控制面板26的位置均支持在一定范围内调节。第一倾斜面板22 和第二倾斜面板23由单板机100控制，第一控制面板25由单板机200控制，第二控制面板26由单板机300控制。

本实施例中，前面板21安装一块23英寸触摸式高分辨率LCD显示器，角度能够在0°至16°之间调节；第一倾斜面板22和第二倾斜面板23各安装一块7英寸触控屏，可前后调整±50mm；下面板24安装一块10英寸触控屏；第一控制面板25由两块10寸触控屏拼接构成，分别为左触屏251和右触屏252，第二控制面板26由三块10寸触控屏拼接构成，分别为左触屏261、右触屏262 和右触屏263，且均可从初始位置向外移动±100mm、向下移动±50mm、前后移动±50mm。

模拟座舱内部的显控部分在软件的配合下，仪表及开关按钮布局、显示模式、显示类型具备可配置、可重构的特性。通过仪表编辑器生成的虚拟仪表画面不仅包括仪表、按钮、开关等可视、可操作部分，为增强系统的真实感，还包括仪表框、附属机构等固定部分，同时在仪表仿真上，还通过图像生成中的光照、阴影、凸凹映射等技术，渲染出仪表板的指示照明、环境光、阴影、表面材料质感等细节，以烘托系统的真实感。

如图4所示，分布式数据采集装置5由多个独立的采集模块组成，每个采集模块负责一个仿真座舱面板组件或者飞行操纵设备的操作信号采集或者驱动。采集模块通过以太网接口与数据记录，每个采集模块均为一个独立的嵌入式系统，实现了数字输入(D/I)、数字输出(D/O)、模拟输入(A/D)、模拟输出(D/A)、CAN总线控制、以太网通讯等多种功能，具有完善的自检、采集/输出、网络组/解包能力。分布式数据采集分装置5包括前面板采集卡51、操纵杆和油门杆采集卡52、侧面板采集卡53和脚蹬采集卡54，前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡将采集数据直接封装成标准网络数据包发送给数据记录与传输系统，并将数据记录与传输系统接收的网络数据包解包后转换成驱动信号发送到前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡上。前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡被安装在相应物理设备附近，将各信号就近转换，通过光纤经光电口交换机55发送至数据记录与传输系统56完成数据传输。这种结构可完全避免电信号长距离传输带来的附加干扰，提高了系统的可靠性。

如图5所示，人机工效测试装置6包括生理同步测试与分析组件、认知工效测试与分析组件、行为绩效测试与分析组件、作业环境测试与分析组件，人机工效子测试系统加装在驾驶舱机械装置中，可拆卸且可替换。

生理同步测试与分析组件包括心电、皮电、心率、皮温、肌电等采集传感器，分别对人体心电、皮电、心率、皮温、肌电等生理数据进行测试和分析；认知工效测试与分析组件包括眼动仪、航空心理测试组件，通过眼动仪收集测试对象的眼动指标，结合航空心理测试组件测试得到的心理指标，综合分析获得测试对象操作时的认知与心理分析结果；行为绩效测试与分析组件包括行为记录组件和行为观察分析组件，记录人员操作数据，通过行为记录组件和行为观察分析组件实时分析人员操作设备的绩效，同步实时记录与分析参与作业人员的行为表现，同步记录、追踪、分析个体和团队的心理和生理变化情况；作业环境测试与分析组件设有环境参数采集组件，测量光照、温湿度及噪声在内的环境参数。

基于本发明提供的柔性模拟座舱人机工效测试系统，提供相应的飞行员测评方法，基于人机工效测试系统，通过生理同步测试与分析组件采集测试对象的生理测量测试指标，应用认知工效测试与分析组件实现认知作业的工效评价，应用行为绩效测试与分析组件实现测试对象的行为能力与任务绩效评价，通过作业环境测试与分析组件实现环境参数对测试对象行为能力与任务绩效评价的补充。

基于本发明提供的柔性模拟座舱人机工效测试系统，提供相应的设计验证方法，基于人机工效测试系统，构建有人机工效要求标准数据库，根据对人机工效测试系统研究设备记录数据的分析结果以及飞行员的反馈信息，智能与数据库中人机工效要求标准中具体条款进行比对分析，调整座舱操纵机构3的形式，自主优化设计驾驶舱显示系统布局和信息显示方式，生成座舱显示系统仿真界面，并部署到柔性模拟座舱实验台上，进行新一轮闭环仿真验证，经过多次仿真，最终获得优选的座舱布局和座舱人机工效方案。

本发明提供的柔性模拟座舱人机工效测试系统，无需针对不同装备或产品重新搭建试验平台，即可研究不同类型的舱室布局特点和规律、控制要素的可达性和可操作性、显示方式及显示要素的可读性和可理解性、显控交互技术的特点和规律、环境因素变化对人机交互特点和规律的影响、舱室人机系统界面相关工效设计参数等，达到提高工作效率、降低成本的效果；对于已完成设计且投入使用的通用模拟器，所设计的柔性模拟座舱人机工效测试系统能够以该模拟器为依托，对使用该模拟器进行训练的飞行员的飞行能力进行评价；同时对于正在设计中的模拟器，所设计的柔性模拟座舱人机工效测试系统能够通过自带的人机工效设计分析验证方法流程对模拟器进行人机工效测评，对其人机工效设计水平进行评价，并得出满意的座舱布局。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种柔性模拟座舱人机工效测试系统，其特征在于，其包括模拟座舱机械装置、仿真面板、操纵机构和分布式数据采集装置，处在所述模拟座舱机械装置中的测试对象通过所述仿真面板获取信息，通过所述操纵机构进行控制，通过所述分布式数据采集分装置进行信号转换与信号双向传递，从而实时记录测试对象在所述模拟座舱机械装置中的反应参数信息，

所述模拟座舱机械装置包括驾驶舱机械装置、外壳和曲面异形件，采用模块化形式组装，所述驾驶舱机械装置包括仿真飞行座椅和滑轨，所述仿真飞行座椅安装在所述滑轨上，支持前后、高度和倾角的手动调节，所述外壳和曲面异形件采用玻璃钢制成；

所述仿真面板包括前面板、第一倾斜面板、第二倾斜面板、下面板、第一控制面板和第二控制面板，所述前面板安装在所述驾驶舱机械装置的正前方并用于飞行仪表、开关、按钮及旋钮的显示与控制，所述第一倾斜面板和第二倾斜面板分别安装在所述前面板的左侧和右侧，所述下面板安装在所述前面板的下侧中间位置，所述第一控制面板和第二控制面板分别安装在所述驾驶舱机械装置的左侧和右侧；所述第一倾斜面板、第二倾斜面板、下面板、第一控制面板和第二控制面板均由多块触控屏拼接而成，且采用含多个VGA输出的单板机驱动；

所述操纵机构包括操纵杆、油门杆和脚蹬，所述操纵杆和油门杆同时具有中杆和侧杆两种构型，中杆能拆卸且支持中杆和侧杆操纵方式互换，所述油门杆采用模块化结构，包括切换成转动和直线运行两种不同形式的油门杆；

所述分布式数据采集装置包括前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡，所述前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡将采集数据直接封装成标准网络数据包发送给数据记录与传输系统，并将所述数据记录与传输系统接收的网络数据包解包后转换成驱动信号发送到所述前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡上；

还包括人机工效测试装置，所述人机工效测试装置包括生理同步测试与分析组件、认知工效测试与分析组件、行为绩效测试与分析组件以及作业环境测试与分析组件，所述人机工效测试装置设置在驾驶舱机械装置中，所述生理同步测试与分析组件包括心电、皮电、心率、皮温和肌电的采集传感器，分别对人体心电、皮电、心率、皮温和肌电的生理数据进行测试和分析；所述认知工效测试与分析组件包括眼动仪、航空心理测试组件，通过所述眼动仪收集测试对象的眼动指标，结合所述航空心理测试组件测试得到的心理指标，综合分析获得测试对象操作时的认知与心理分析结果；所述行为绩效测试与分析组件包括行为记录组件和行为观察分析组件，记录人员操作数据，通过所述行为记录组件和行为观察分析组件实时分析人员操作设备的绩效，同步实时记录与分析参与作业人员的行为表现，同步记录、追踪、分析个体和团队的心理和生理变化情况；所述作业环境测试与分析组件设有环境参数采集组件，测量光照、温湿度及噪声在内的环境参数。

2.根据权利要求1所述的柔性模拟座舱人机工效测试系统，其特征在于，所述前面板安装有触摸式高分辨率LCD显示器且采用图形工作站驱动。

3.根据权利要求1所述的柔性模拟座舱人机工效测试系统，其特征在于，所述前面板采集卡、操纵杆和油门杆采集卡、侧面板采集卡和脚蹬采集卡的各信号就近转换，通过光纤完成数据传输。

4.一种利用权利要求1至3之一所述的柔性模拟座舱人机工效测试系统的测评方法，其特征在于，通过生理同步测试与分析组件采集测试对象的生理测量测试指标，应用认知工效测试与分析组件实现认知作业的工效评价，应用行为绩效测试与分析组件实现测试对象的行为能力与任务绩效评价，通过作业环境测试与分析组件实现环境参数对测试对象行为能力与任务绩效评价的补充；建有人机工效要求标准数据库，根据对人机工效测试系统研究设备记录数据的分析结果以及测试对象的反馈信息，智能与数据库中人机工效要求标准中具体条款进行比对分析，调整座舱操纵机构的形式，自主优化设计驾驶舱显示系统布局和信息显示方式，生成座舱显示系统仿真界面，并部署到柔性模拟座舱实验台上，进行新一轮闭环仿真验证，经过多次仿真，最终获得优选的座舱布局和座舱人机工效方案。

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