飛機(jī)駕駛艙人機(jī)一體化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、飛機(jī)駕駛艙是飛行員獲取飛行信息、控制飛機(jī)，完成飛行任務(wù)的工作場(chǎng)所。駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)對(duì)飛機(jī)的安全、性能的充分發(fā)揮、作戰(zhàn)效能等起著重要的作用，駕駛艙符合人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)，才能達(dá)到人機(jī)匹配，飛行員才能安全、高效、舒適地完成駕駛?cè)蝿?wù)。飛機(jī)駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)是一個(gè)以人為中心的多需求多學(xué)科的綜合求解問(wèn)題，但目前還缺乏有效的綜合協(xié)同設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)后期的評(píng)價(jià)也缺乏定量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。基于此，論文在973項(xiàng)目“民機(jī)駕駛艙人機(jī)工效綜合仿真理論與方法研究”(編

2、號(hào)：2010CB734106)的資助下，提出了將駕駛艙設(shè)計(jì)參數(shù)化與工效學(xué)參數(shù)化相結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行駕駛艙人機(jī)工效綜合設(shè)計(jì)，該方法在概念設(shè)計(jì)階段充分融入人機(jī)工效設(shè)計(jì)知識(shí)，進(jìn)行人機(jī)工效量化評(píng)價(jià)，并能進(jìn)行人在環(huán)的駕駛艙人機(jī)工效虛擬評(píng)估、設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)體現(xiàn)人的設(shè)計(jì)意志。論文研究對(duì)于拓展飛機(jī)駕駛艙仿真設(shè)計(jì)理論，特別是對(duì)于提高我國(guó)民機(jī)總體設(shè)計(jì)水平具有理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。論文主要工作有：
　　1）對(duì)飛機(jī)駕駛艙人機(jī)工效研究進(jìn)行了綜述。詳細(xì)介

3、紹了飛機(jī)駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)研究的背景，國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，并分析了其中存在的問(wèn)題，確定了論文的研究思路。
　　2）分析了飛機(jī)駕駛艙各個(gè)設(shè)計(jì)階段的人機(jī)工效問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提出了飛機(jī)駕駛艙人機(jī)一體化設(shè)計(jì)的概念，建立了相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論框架，并分析了其組成，凝練出設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。主要包括通過(guò)飛機(jī)駕駛艙參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)人機(jī)工效參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成駕駛艙的快速設(shè)計(jì)；量化人體性能參數(shù)，并以此為目標(biāo)進(jìn)行駕駛艙幾何參數(shù)和人機(jī)工效參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；以虛擬現(xiàn)實(shí)為

4、基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段人在環(huán)的飛機(jī)駕駛艙工效虛擬設(shè)計(jì)。
　　3）通過(guò)分析駕駛艙內(nèi)部幾何關(guān)系，采用駕駛艙構(gòu)型特征提取實(shí)驗(yàn)確定了駕駛艙幾何特征參數(shù)。通過(guò)查閱國(guó)軍標(biāo)、航標(biāo)和Society of Automotive Engineers(SAE) International等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定了駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)參數(shù)，歸納了相關(guān)設(shè)計(jì)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，建立駕駛艙人機(jī)工效參數(shù)化模板，融合駕駛艙設(shè)計(jì)知識(shí)和實(shí)例，形成駕駛艙參數(shù)化驅(qū)動(dòng)模型，在CATIA平臺(tái)上進(jìn)

5、行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了駕駛艙人機(jī)工效交互式驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。
　　4）對(duì)常見(jiàn)人體性能參數(shù)進(jìn)行量化方法研究，包括可視性、視覺(jué)舒適性、操縱可達(dá)性和操縱舒適性等工效參數(shù)的量化，并以其為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了駕駛艙人機(jī)工效優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　?。?）視覺(jué)工效上，引入等時(shí)反應(yīng)曲線建立了可視性的量化求解方程，在二次開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上建立了視覺(jué)舒適性的量化求解過(guò)程。形成了虛擬駕駛艙使用的基于SPEOS/CATIA的駕駛艙眩光量化評(píng)估方法，實(shí)物駕駛艙使用的基于數(shù)碼相機(jī)的可視

6、量化方法和基于數(shù)碼相機(jī)高動(dòng)態(tài)圖像（HDR）的駕駛艙眩光量化評(píng)估方法。并以顏色色調(diào)、明度和純度為參數(shù)針對(duì)駕駛艙環(huán)境整體色彩進(jìn)行了視覺(jué)舒適性研究。最后以風(fēng)擋玻璃眩光問(wèn)題為例進(jìn)行了基于視覺(jué)工效的駕駛艙參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；（2）操縱工效上，通過(guò)操縱定位實(shí)驗(yàn)，研究了駕駛艙環(huán)境中三維空間的費(fèi)茨定律，并以該定律計(jì)算的反應(yīng)時(shí)為基礎(chǔ)確定了操縱可達(dá)性量化的表示方法。以D-H方法為基礎(chǔ)建立了人體操縱模型，并以關(guān)節(jié)位移、相對(duì)勢(shì)能、關(guān)節(jié)舒適和視覺(jué)舒適為人體性能優(yōu)化函數(shù)

7、研究了姿態(tài)預(yù)測(cè)優(yōu)化方法，在此基礎(chǔ)上建立了基于姿態(tài)預(yù)測(cè)的操縱舒適性量化評(píng)估方法。最后以中央控制臺(tái)高度設(shè)置問(wèn)題為例進(jìn)行了基于操縱工效的駕駛艙參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　5）建立了人在環(huán)的飛機(jī)駕駛艙人機(jī)工效虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
　?。?）建立了一種沉浸式視覺(jué)工效虛擬評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該方法首先采用SPEOS軟件進(jìn)行駕駛艙視覺(jué)仿真，再引入虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡Oculus Rift顯示仿真結(jié)果，并通過(guò)顯示器校準(zhǔn)和顯示色樣品色匹配實(shí)驗(yàn)對(duì)顯示設(shè)備進(jìn)行顏色特征化建模

8、，保證顯示結(jié)果和真實(shí)看到結(jié)果的一致性，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行駕駛艙視覺(jué)環(huán)境的沉浸式人機(jī)工效學(xué)評(píng)價(jià)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋視覺(jué)工效評(píng)價(jià)結(jié)果改進(jìn)駕駛艙設(shè)計(jì)。最后提出了基于云模型的內(nèi)飾視覺(jué)工效評(píng)價(jià)為例對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證；（2）基于虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、姿態(tài)識(shí)別追蹤設(shè)備，建立了基于CATIA的虛擬現(xiàn)實(shí)操縱工效評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該方法以CATIA為建模平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用Oculus Rift設(shè)備進(jìn)行虛擬人視覺(jué)感知，MS Kinect設(shè)備進(jìn)行虛擬人體驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人

9、在環(huán)的飛機(jī)駕駛艙操縱工效設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋操縱工效評(píng)價(jià)結(jié)果改進(jìn)駕駛艙設(shè)計(jì)。
　　論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：
　　1）提出了飛機(jī)駕駛艙人機(jī)一體化設(shè)計(jì)的概念，建立了設(shè)計(jì)理論框架，并分析了其組成，凝練出設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)該方法能對(duì)飛機(jī)駕駛艙人機(jī)工效進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、工效優(yōu)化設(shè)計(jì)及人在環(huán)的虛擬設(shè)計(jì)。并建立了一種飛機(jī)駕駛艙人機(jī)一體化集成設(shè)計(jì)平臺(tái)；
　　2）提出了人體主要性能參數(shù)量化方法，包括可視性、視覺(jué)舒適性、操縱可達(dá)性

10、和操縱舒適性等工效參數(shù)的量化，并以此為優(yōu)化目標(biāo)建立了優(yōu)化模型，進(jìn)行了駕駛艙人機(jī)工效的優(yōu)化設(shè)計(jì)。量化參數(shù)即可為駕駛艙人機(jī)工效優(yōu)化設(shè)計(jì)提供目標(biāo)函數(shù)，又可用來(lái)進(jìn)行駕駛艙人機(jī)工效量化評(píng)價(jià)，改善了以往人機(jī)工效視覺(jué)和操縱上的評(píng)價(jià)方法；
　　3）基于數(shù)字設(shè)計(jì)平臺(tái)，融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立了人在環(huán)的飛機(jī)駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為飛機(jī)駕駛艙人機(jī)一體化設(shè)計(jì)提供了有力支撐。采用該系統(tǒng)在駕駛艙的設(shè)計(jì)初期能夠?qū)崿F(xiàn)快速沉浸式的體驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，并可進(jìn)行桌面現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估

11、，完善了駕駛艙設(shè)計(jì)階段的工效主觀評(píng)價(jià)方法，為設(shè)計(jì)階段人機(jī)工效評(píng)估中飛行員或設(shè)計(jì)人員直接的參與提供了低成本工具，可實(shí)時(shí)反饋設(shè)計(jì)人員以及飛行員的評(píng)價(jià)意見(jiàn)。
　　論文提出的人機(jī)一體化設(shè)計(jì)理論與方法融合了參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理論與理念。其與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不同在于設(shè)計(jì)過(guò)程的人機(jī)結(jié)合性，傳統(tǒng)方法只能在設(shè)計(jì)方案之后，進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后再改進(jìn)。人機(jī)一體化設(shè)計(jì)方法直接將專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)以及評(píng)價(jià)融入在設(shè)計(jì)進(jìn)程中，可以在很大程度