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飞机座舱人机工效评定实验台研制

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  • 发布日期:2010-09-05 20:44
  • 有效期至:长期有效
  • 技术区域:广东湛江市
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详细说明
摘 要:为解决飞机人机界面设计在新形势下面临的问题,研制了一套基于飞行模拟器的驾驶员工效评定实验台,以便在更加实际的飞行情况下对飞行员的认知特性进行研究。该实验台由飞机座舱、仿真软件、计算机系统和生理参数测量系统等组成,能开展座舱优化布局、界面信息显示适人性、脑力负荷的综合评定等研究。该实验台的研制为飞机人机界面的工效设计和评定提供了一种新的方法。

引言

  随着航空工业的发展,越来越多的高新技术开始运用到座舱设计中,随之产生的人机匹配问题也日益引起研究航空工效学人员的关注[1]。新型显示技术的使用极大地增加了飞行员的脑力负荷和视觉负荷,当飞行员处于紧张或疲劳时更容易引起判断和决策的失误或误操作。美国国家航空航天局对重大飞行事件调查发现,80%~90%以上的飞机事故与人的失误有关[2]。
为了解决人机界面设计在新形势下面临的问题,国内外专家进行了很多的研究,但大都是在实验室通过抽象模拟的方法对影响界面设计的各因素进行分析。由于飞行活动的复杂性和危险性,这类研究的实际效用不能只在实验室中进行评估,需要现场验证在实验室所得出的研究成果是否适用于现实的飞行过程中[3]。但在真实的飞机上进行这种现场研究其代价是昂贵的,并且也是很危险的。飞行模拟器的出现为理论研究与实际飞行之间架起了桥梁。国外已开展了利用飞行模拟器对飞行员的脑力负荷和情境意识等研究[4-6]。国内的飞行模拟器主要用于飞行训练或了解特定飞行工况(如过载对人体生理影响等),缺乏对飞机人机界面设计进行工效评价的功能。因此,需要开发一种飞机座舱人机工效评定实验台,该实验台既能仿真模拟飞机的实际飞行过程,又能在操纵飞行过程的同时对座舱布局及人机显控界面的适人性和脑力负荷进行评价。

1 系统组成

飞机座舱人机工效评定实验台由驾驶台(硬件)、仿真软件、计算机测控系统和生理参数测量系统组成。工效评定实验台的布局以F-22为蓝本,采用图1所示的总体布局。



1·1 驾驶台
驾驶台由座舱外壳、6台液晶显示器、座椅、油门杆、驾驶杆及脚蹬组成。

1·1.1 液晶显示器布局及作用
6台显示器包括一台32″的用于显示视景和各种平显信息的液晶显示器。在其正下方是4台实现前上方显示与多功能显示的触摸屏,采用“T”型的布置方式。其中,位于仪表面板中央的主多功能显示器主要用来显示导航系统信息。左右两侧的辅助多功能显示器分别用来显示攻击与防御、检查单、子系统、发动机推力、装载物/外挂管理信息等。在左右两侧的辅助多功能显示器上方通过编程控制再产生两个用来显示告警与通讯等信息的显示框,其也可作为备用飞行仪表与燃油指示器。下侧的辅助多功能显示器主要显示发动机/燃油信息与武器状态。
每个多功能显示器周边设有上下左右共20个多功能按键,通过按键切换来分别显示各种飞行状态下的信息。在下辅助多功能显示器的左侧设有一台模拟辅助操纵的触摸屏,装配了启动飞机必须的各种手柄及开关。为了开展工效实验,装配的各手柄和开关位置可通过鼠标拖动来改变布局。
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1·1·2 座椅
座椅布置在座舱的正中央,为了进行座舱布局的工效分析,座椅倾角及前后与上下位置可调整。
1·1·3 驾驶杆及油门杆
采用Thrustmaster公司生产的HOTAS Cougar全金属手柄来仿真战斗机的操纵设备。手柄上有16个按钮, 4个苦力帽(DirectionalHats)与7个模拟轴,可以完成对飞机的基本飞行操纵及机炮、导弹的发射。油门杆布置在座椅右侧,驾驶杆布置在座椅的右侧或中央。
1·1·4 脚蹬
脚蹬参照有关标准加工而成,通过传感器与系统相连可以实现刹车等基本功能。
1·2 仿真软件
仿真软件系统由教员控制台、虚拟驾驶舱系统、
景系统和音响系统等组成。
1·2·1 教员控制台
通过教员控制台对飞行状态和信息显示格式等进行设置,完成对飞行参数的初始化。提供的功能主要包括:飞机燃油量和重量、飞行高度、速度、航向、水平位置等的设置;装载导弹/炸弹的数量、型号,以及机炮剩余炮弹数量的配置;按键尺寸、系统符号的设置
1·2·2 虚拟驾驶舱系统
该系统主要包括飞行操纵系统、动力系统、燃油系统、飞行指引系统和电子飞行仪表系统。通过飞行操纵系统,从操纵装置采集来的数据经A/D转换,作为飞机运动方程的参数输入,经过运动方程解算,得出飞机的位移和姿态变化。该动力方程采用某机型的飞机运动方程,计算机进行实时解算,并驱动飞行仪表系统工作,模拟飞机飞行的全过程。同时,为更加真实的模拟实际飞行状态,还设计了告警系统、自动飞行系统等。在教员控制台上进行故障设置时,相应的故障信息将会以文字的形式显示在飞行仪表上,并发出警报。飞行员需要进行相应的操作来排除故障。
1·2·3 视景系统
该系统基于仿真软件MUTIGEN/VEGA平台,以VisualC++6. 0为主要的开发工具,利用计算机网络技术将视景系统和虚拟驾驶舱系统有机地联系起来。视景系统的建模包括F-22仿真模型、机场及其附近的地形(如丘陵、公路、城镇、湖泊及树木等)。该模块通过与操纵系统的交互,读取计算机解算出的数据,驱动视景程序运行,完成对飞机飞行状态的实时仿真,并将其显示在驾驶舱前方的32″液晶显示屏上。
1·2·4 音响系统
工效实验台将向飞行员提供各种音响效果的模拟,如飞机发动机噪声、飞机近地报警和飞机下降速率过快报警等。
1·3 计算机测控系统
整个模拟系统由主、辅两台计算机控制。主计算机为一台DELL Precision 690图形工作站,辅助计算机为一台DELL OptiplexGX62 PC机。模拟器主计算机通过模/数转换卡(A/D)和开关量输入卡,对座舱操纵设备进行状态采样,并实时解算出各显示、指示设备参数,再经数/模转换卡(D/A)和开关量输出卡(I/O)转换,经驱动放大后控制座舱显示设备工作,从而实现模拟设备的实时仿真过程;辅助计算机主要用于控制视景系统和记录飞行数据。两台计算机之间通过局域网采用Client/Server模态进行通讯,飞行数据记录系统将实时记录飞行数据和相关信息,用于对飞行员的飞行绩效进行分析。
1·4 生理参数测量系统
生理参数测试系统主要由眼动分析系统、脑电和心电分析系统组成。脑波和心电的测量采用国产脑电图仪和心电图仪。眼动分析系统采用瑞典SmartEye公司开发的无接触式眼动分析系统,可实时记录飞行员在飞行作业过程中的眼动和头动情况,如注视点位置、注视时间、扫视轨迹、瞳孔直径、眨眼率、眨眼时间、眼睑开度和头动等数据,用于研究飞行员扫视规律及疲劳情况,为仪表板的布局和界面信息显示方式的设计提供依据。

2 工效评定实验台用途

2·1 驾驶舱空间布局分析
飞机驾驶舱是飞行员执行飞行任务时的主要活动平台,驾驶舱显控装置空间布局的优劣直接影响飞行员操作的舒适性和准确性[7]。其内容主要包括仪表板布局,驾驶杆、油门杆、脚蹬布置和操纵力分析,座椅倾角对显控装置空间布局影响等。
本实验台中的显示仪表及布置采用可编程技术实现,各显示器的显示内容可以通过周边按键相互切换。眼动分析系统可以记录不同的飞行阶段飞行员眼睛注视情况,据此可以分析各显示信息的重要程度。结合飞行员扫视规律,来布局这些信息显示的空间配置,以保证清晰、迅速地提供可靠的信息。
同时,各显示器的安装角度可以任意调节,以用于研究不同视角对飞行员获取信息情况的影响。
驾驶杆和油门杆可以前后移动并调节高度,通过安装在关节处的力矩传感器可推算出操纵力,结合人体模型中操纵力的计算仿真及被试驾驶杆和油门杆不同布置方式的主观感受来进行优化布局。
高空高速战斗机为了提高飞行员抗过载能力,座椅倾角有进一步扩大倾向,但带来的问题是传统的显示器布局将偏离人眼的中心。通过调节座椅倾角和显示器的安装角度来预测座椅倾角对显示器布局的影响。
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2·2 界面信息显示研究
界面信息显示研究主要包括飞行员在不同飞行阶段关心的信息,用什么字符、颜色、形状和画面对这些信息进行编码最有利于飞行员快速理解飞行信息的含义。信息显示格式影响操纵者认知过程和决策行为,影响信息接受的速度和精度[7]。飞行员对飞行信息的解读速度和准确度对人机工效影响极大,必须通过开展电子信息显示中文数字和符号显示、图形显示彩色编码、形状编码和语义编码的适人性理论来分析和实验研究。界面信息显示研究结合界面模型来完成[8]。通过实验台的工效评估软件接口,可在平显或任一台多功能显示器上展现界面模型。因该模型中信息与飞行任务有关,为了较好地完成飞行任务必须参考模型中相关信息,计算机将记录完成上述飞行任务所需的反应时间和正确率等数据,以用于工效评价。
2·3 脑力负荷的综合评定
随着自动化系统的发展,飞行员面临的信息加工要求越来越高,而用于判断决策的时间越来越短。虽然自动化会减轻飞行员体力负荷,但信息量的增加等会提高人的心理负荷[9]。因此在人机界面设计中需对注意力与脑力负荷进行综合评定。
脑力负荷的测量方法可分为主任务测量法、辅助任务测量法、生理测量法和主观评价法。但没有一种指标能够全面反映不同任务条件下脑力负荷的状况[10]。本研究采用以下方法来开展脑力负荷的综合评定:通过界面模型设置主任务和辅助任务并确定任务绩效测量评定指标来进行飞行员主任务和辅助任务绩效测量;通过生理参数测量系统记录与飞行员的脑力负荷状况相关的生理指标;在实验结束后,在类似于NASA-TLX和SWAT的调查表上打分,通过模糊数学处理得出飞行员脑力负荷的主观评价结果。将上述结果进行综合分析可对脑力负荷进行综合评定。

3 结束语

利用分布式仿真技术,按照飞行品质要求及人机工效学原理,研制了一套基于飞行模拟器的驾驶员工效评定实验台。该实验台既能仿真模拟飞机的实际飞行过程,又能在操纵飞行过程的同时对座舱布局、人机显控界面的适人性和飞行员脑力负荷水平等进行评价。该实验台的研制为飞机人机界面的工效设计提供了一种新的手段。

参考文献:
[1] 郭小朝.飞机座舱显示———控制工效学研究近况[J].人类工效学, 2001, 7(4): 34-37.
[2] 刘 琳.飞行事故有原因[J].百科知识, 2006, 1(2):22-23.
[3] Kantowitz, Roediger B H, ElmesH L. Experimental Psy-chology [M].America:West Publishing Company, 1997:534-535.
[4] Amy L,Alexander, Thomas E,et al. Examining the Rela-tionship Between MentalWorkload and Situation Aware-ness in a SimulatedAirCombatTask [R].AD-A387928,2000.
[5] EndsleyM R,Garland D J. Situation Awareness AnalysisandMeasurement [M].Mahwah,NJ:Erlbaum, 2000

 
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