飛機駕駛艙人機一體化設(shè)計方法研究.pdf

1、飛機駕駛艙是飛行員獲取飛行信息、控制飛機，完成飛行任務(wù)的工作場所。駕駛艙人機工效設(shè)計對飛機的安全、性能的充分發(fā)揮、作戰(zhàn)效能等起著重要的作用，駕駛艙符合人機工效學(xué)設(shè)計，才能達到人機匹配，飛行員才能安全、高效、舒適地完成駕駛?cè)蝿?wù)。飛機駕駛艙人機工效設(shè)計是一個以人為中心的多需求多學(xué)科的綜合求解問題，但目前還缺乏有效的綜合協(xié)同設(shè)計方法，設(shè)計后期的評價也缺乏定量化的評價指標?；诖耍撐脑?73項目“民機駕駛艙人機工效綜合仿真理論與方法研究”(編

2、號：2010CB734106)的資助下，提出了將駕駛艙設(shè)計參數(shù)化與工效學(xué)參數(shù)化相結(jié)合的一體化設(shè)計方法進行駕駛艙人機工效綜合設(shè)計，該方法在概念設(shè)計階段充分融入人機工效設(shè)計知識，進行人機工效量化評價，并能進行人在環(huán)的駕駛艙人機工效虛擬評估、設(shè)計，實時體現(xiàn)人的設(shè)計意志。論文研究對于拓展飛機駕駛艙仿真設(shè)計理論，特別是對于提高我國民機總體設(shè)計水平具有理論意義和工程實用價值。論文主要工作有：
　　1）對飛機駕駛艙人機工效研究進行了綜述。詳細介

3、紹了飛機駕駛艙人機工效設(shè)計研究的背景，國內(nèi)外研究進展，并分析了其中存在的問題，確定了論文的研究思路。
　　2）分析了飛機駕駛艙各個設(shè)計階段的人機工效問題，在此基礎(chǔ)上提出了飛機駕駛艙人機一體化設(shè)計的概念，建立了相應(yīng)的設(shè)計理論框架，并分析了其組成，凝練出設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)。主要包括通過飛機駕駛艙參數(shù)化建模，實現(xiàn)人機工效參數(shù)驅(qū)動生成駕駛艙的快速設(shè)計；量化人體性能參數(shù)，并以此為目標進行駕駛艙幾何參數(shù)和人機工效參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計；以虛擬現(xiàn)實為

4、基礎(chǔ)實現(xiàn)設(shè)計階段人在環(huán)的飛機駕駛艙工效虛擬設(shè)計。
　　3）通過分析駕駛艙內(nèi)部幾何關(guān)系，采用駕駛艙構(gòu)型特征提取實驗確定了駕駛艙幾何特征參數(shù)。通過查閱國軍標、航標和Society of Automotive Engineers(SAE) International等相關(guān)標準確定了駕駛艙人機工效設(shè)計參數(shù)，歸納了相關(guān)設(shè)計知識。在此基礎(chǔ)上，建立駕駛艙人機工效參數(shù)化模板，融合駕駛艙設(shè)計知識和實例，形成駕駛艙參數(shù)化驅(qū)動模型，在CATIA平臺上進

5、行二次開發(fā)實現(xiàn)了駕駛艙人機工效交互式驅(qū)動設(shè)計。
　　4）對常見人體性能參數(shù)進行量化方法研究，包括可視性、視覺舒適性、操縱可達性和操縱舒適性等工效參數(shù)的量化，并以其為目標函數(shù)進行了駕駛艙人機工效優(yōu)化設(shè)計。
　?。?）視覺工效上，引入等時反應(yīng)曲線建立了可視性的量化求解方程，在二次開發(fā)的基礎(chǔ)上建立了視覺舒適性的量化求解過程。形成了虛擬駕駛艙使用的基于SPEOS/CATIA的駕駛艙眩光量化評估方法，實物駕駛艙使用的基于數(shù)碼相機的可視

6、量化方法和基于數(shù)碼相機高動態(tài)圖像（HDR）的駕駛艙眩光量化評估方法。并以顏色色調(diào)、明度和純度為參數(shù)針對駕駛艙環(huán)境整體色彩進行了視覺舒適性研究。最后以風(fēng)擋玻璃眩光問題為例進行了基于視覺工效的駕駛艙參數(shù)優(yōu)化設(shè)計；（2）操縱工效上，通過操縱定位實驗，研究了駕駛艙環(huán)境中三維空間的費茨定律，并以該定律計算的反應(yīng)時為基礎(chǔ)確定了操縱可達性量化的表示方法。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、相對勢能、關(guān)節(jié)舒適和視覺舒適為人體性能優(yōu)化函數(shù)

7、研究了姿態(tài)預(yù)測優(yōu)化方法，在此基礎(chǔ)上建立了基于姿態(tài)預(yù)測的操縱舒適性量化評估方法。最后以中央控制臺高度設(shè)置問題為例進行了基于操縱工效的駕駛艙參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。
　　5）建立了人在環(huán)的飛機駕駛艙人機工效虛擬設(shè)計系統(tǒng)。
　　（1）建立了一種沉浸式視覺工效虛擬評價設(shè)計系統(tǒng)。該方法首先采用SPEOS軟件進行駕駛艙視覺仿真，再引入虛擬現(xiàn)實眼鏡Oculus Rift顯示仿真結(jié)果，并通過顯示器校準和顯示色樣品色匹配實驗對顯示設(shè)備進行顏色特征化建模

8、，保證顯示結(jié)果和真實看到結(jié)果的一致性，然后在此基礎(chǔ)上進行駕駛艙視覺環(huán)境的沉浸式人機工效學(xué)評價，可以實現(xiàn)實時反饋視覺工效評價結(jié)果改進駕駛艙設(shè)計。最后提出了基于云模型的內(nèi)飾視覺工效評價為例對該系統(tǒng)進行了實例驗證；（2）基于虛擬現(xiàn)實眼鏡、姿態(tài)識別追蹤設(shè)備，建立了基于CATIA的虛擬現(xiàn)實操縱工效評價設(shè)計系統(tǒng)。該方法以CATIA為建模平臺進行二次開發(fā)，采用Oculus Rift設(shè)備進行虛擬人視覺感知，MS Kinect設(shè)備進行虛擬人體驅(qū)動，實現(xiàn)人

9、在環(huán)的飛機駕駛艙操縱工效設(shè)計，可以實現(xiàn)實時反饋操縱工效評價結(jié)果改進駕駛艙設(shè)計。
　　論文的主要創(chuàng)新點有：
　　1）提出了飛機駕駛艙人機一體化設(shè)計的概念，建立了設(shè)計理論框架，并分析了其組成，凝練出設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)。通過該方法能對飛機駕駛艙人機工效進行參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計、工效優(yōu)化設(shè)計及人在環(huán)的虛擬設(shè)計。并建立了一種飛機駕駛艙人機一體化集成設(shè)計平臺；
　　2）提出了人體主要性能參數(shù)量化方法，包括可視性、視覺舒適性、操縱可達性

10、和操縱舒適性等工效參數(shù)的量化，并以此為優(yōu)化目標建立了優(yōu)化模型，進行了駕駛艙人機工效的優(yōu)化設(shè)計。量化參數(shù)即可為駕駛艙人機工效優(yōu)化設(shè)計提供目標函數(shù)，又可用來進行駕駛艙人機工效量化評價，改善了以往人機工效視覺和操縱上的評價方法；
　　3）基于數(shù)字設(shè)計平臺，融入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立了人在環(huán)的飛機駕駛艙人機工效設(shè)計系統(tǒng)，為飛機駕駛艙人機一體化設(shè)計提供了有力支撐。采用該系統(tǒng)在駕駛艙的設(shè)計初期能夠?qū)崿F(xiàn)快速沉浸式的體驗設(shè)計結(jié)果，并可進行桌面現(xiàn)場評估

11、，完善了駕駛艙設(shè)計階段的工效主觀評價方法，為設(shè)計階段人機工效評估中飛行員或設(shè)計人員直接的參與提供了低成本工具，可實時反饋設(shè)計人員以及飛行員的評價意見。
　　論文提出的人機一體化設(shè)計理論與方法融合了參數(shù)化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計和虛擬設(shè)計技術(shù)，符合現(xiàn)代設(shè)計的理論與理念。其與傳統(tǒng)設(shè)計方法的不同在于設(shè)計過程的人機結(jié)合性，傳統(tǒng)方法只能在設(shè)計方案之后，進行評價，然后再改進。人機一體化設(shè)計方法直接將專家知識、經(jīng)驗以及評價融入在設(shè)計進程中，可以在很大程度