基于虛擬仿真的UAV地面站操作舒適性評價研究

張 麗， 何法江

(上海工程技術大學， 上海 201620)

0 引 言

無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)因其眾多優點，如體積小、使用便捷、環境適應能力強等，目前在各個國家中都成為了一大熱點。近年來，科學技術不斷發展，關于無人機自主控制的研究技術越來越成熟，然而，在實際任務執行過程中，很多時候都需要地面站的飛行員根據實際戰況及時發出控制指令，飛行員仍然擁有飛機控制的最終決定權。因此，在無人機地面站的設計中，必須進行操作舒適性評價，然而采用真人真機進行實驗不僅成本高、風險大，而且耗時耗力，為此目前廣泛采用的是計算機虛擬仿真技術，利用數字化的人體模型和無人機地面站的三維模型，來進行操作舒適性分析。

在虛擬建模技術的工程應用研究方面，Sanjog等人[1]對虛擬人體建模技術在航空領域的應用與發展進行了綜述，形成了關于數字人體建模在航空和航天工業應用中的綜合知識體系。Abbasov等人[2]研究了Be-200飛機駕駛艙的虛擬建模與飛行員執行任務時的操作舒適性問題，通過Spline Extrude，Polygon Extrude方法進行建模，建立了各種飛機機艙布局的真實場景。Karmakar等人[3]針對噴氣式飛機的飛行員，對其工作狀態下的視域進行了分析。杜娟[4]以參數化方法建立了人體模型骨骼體系，實現了三維人體模型動態顯示。在駕駛艙優化方面，鈕松[5]利用遺傳算法對駕駛艙布局進行了優化，基于匹配度原理，通過計算機仿真建立了駕駛艙布局模型。Liu等人[6]在確定目標函數時，采用了最小歐氏距離的計算方法，通過PSO算法來對飛機駕駛艙的布局設計進行了優化。

本文利用CATIA虛擬建模仿真技術，構建了符合中國飛行員人體尺寸的數字化人體模型，建立了人體運動學連桿模型，通過Matlab擬合了人體操作舒適性范圍，結合RULA評價方法，對某型號無人機地面站進行操作舒適性分析。

1 數字化人體模型的建立

數字化人體模型是指在計算機中構建的可視化虛擬人體，在形態和動態上極具人類特征，可以在虛擬環境中根據不同指令完成各式各樣的任務。

CAITA的Safe Work模塊中，與人體模型建立相關的是人體模型構造模塊HBR(Human Builder)和人體模型尺寸編輯模塊HME(Human Measurements Editor )。其中，HBR模塊主要用于建立一個可以進行互動仿真分析的數字化人體模型，這是基于一種最佳人體模型分類系統的，可以非常精確地模擬人體的靜態和動態特征，用于精準的仿真分析，評估人與產品的舒適性。HME模塊可以個性化地修改人體參數，創建自定義的數字化人體模型。本文采用的仿真軟件為CATIA V5-6R2014，在CATIA V5中，提供了103個可供修改的人體參數或操作臨界參數，諸如身高、上肢長、下肢長、坐高等參數，另外還可以定義平均值和標準差，通過使用多分布的方法，確保建立的人體模型在更大程度上接近實際人體。

要建立本文所需的符合中國飛行員人體尺寸參數的虛擬人模型，需要在HB模塊中建立一個基礎的人體模型。在數字化人體模型建立的初始階段，需要從系統預設的人體模型庫中選擇一個人體模型范本，用于后期的尺寸編輯等個性化定制操作。人體尺寸參數在不同國家、不同地區的人群之間存在很大的差異。CATIA V5預設的人體模型庫中只有美國、加拿大、法國、日本、韓國這五個代表性的國家，卻沒有中國的人體模型，因此在初始建模時，只能初步選擇和中國人體尺寸最為接近的韓國人的人體模型。本文在設計時需要分別選取第5百分位、第50百分位和95百分位的人體尺寸，從而滿足大部分人的要求。研究選取的是第50%的韓國人的人體模型基準如圖1所示。

(a)類別選擇界面1

(b)類別選擇界面2

當人體模型基準選擇完畢以后，初始的人體模型就建立了，如圖2所示。然而，如果直接使用韓國人的數字化人體模型進行仿真，會降低實驗的可信度，因此需要根據調查數據，選取中國飛行員實際的人體測量參數[7]，將建立的人體模型修改為中國飛行員的數字模型。

圖2 初步建立的人體模型

通過Human Measurements Editor模塊將各項人體尺寸按照標準中的參數進行修改，得到符合中國飛行員人體尺寸的數字化人體模型。CATIA V5可以根據虛擬人的立姿和坐姿兩種狀態對不同的尺寸項目進行修改，這是因為有些尺寸參數只有在特定的姿態下進行測量才更加準確，減少測量誤差，如立姿狀態下可以修改身高、上肢長度、下肢長度等參數，坐姿狀態下可以修改坐姿眼高、坐深、坐寬等參數。研究給出的在立姿狀態下可修改的參數，如圖3所示。

圖3 虛擬人立姿狀態可修改的參數

通過以上步驟分別建立得到相應的第5%、50%和95%的中國飛行員人體模型，用于后續的仿真分析。

2 操作舒適性仿真分析

通過飛行員的虛擬人體模型，對無人機地面站進行操作舒適性仿真分析，當飛行員在正常工作狀態時，分析該姿態下的人體舒適性。 對此可得研究闡釋如下。

2.1 操作舒適性范圍求解

根據美軍對于駕駛艙的相關研究，在坐姿工作狀態下，手部操作的舒適范圍如圖4所示。

圖4 MIL-STD中的操作舒適性范圍

由圖4可以看出，MIL-STD中，以坐位點SRP為參考點，則手部操作的最佳舒適性范圍是距離坐位點水平距離500～640 mm、垂直距離260～360 mm范圍內，由于圖4中并未標明眼位點的坐標位置，因此根據圖像位置進行估測，得到手部操作的舒適性范圍大約為距離眼位點水平距離260～400 mm、垂直距離300～400 mm范圍內。

然而，該結論是針對美國人的人體尺寸參數研究得出的，不一定適用于中國的飛行員，因此，需要在中國飛行員人體模型的基礎上，研究得到符合中國飛行員的手部操作可達性范圍以及舒適性范圍。

本文在人體多剛體運動學模型的基礎上進行簡化和改進，提取了手部可達性范圍研究所涉及到的相關人體部位，建立了人體運動學連桿模型。人體運動學連桿模型在工作狀態下的示意圖如圖5所示。

圖5中，S1表示眼位點，S2表示枕突點，S3表示頸關節點，S4表示肩關節點，S5表示肘關節點，S6表示手部參考點，l1表示頸部關節點到眼睛的垂直距離，l2表示頸部關節點到坐位點的距離，l3表示肩關節點到坐位點的距離，l4表示上臂長度，l5表示前臂和手的長度，αub表示上臂與軀干的夾角，αqb表示前臂彎曲角度，θ'表示軀干軸線和垂直方向的夾角，等于座椅靠背傾角。

圖5 人體運動學連桿模型

手部參考點S6(S6x，S6y)的坐標可用下式計算，即：

(1)

其中，θ'的范圍為12°～37°，計算時選取θ'=15°；αub的舒適性范圍為0°～5°，αqb的舒適性范圍為60°～100°，經過實驗證明，當αqb<70°時，操縱桿的所在手托裝置將會和腿部發生干涉，為了給手托裝置預留安裝空間，αqb的最小值定為70°，公式涉及到的飛行員人體尺寸參數見表1。

表1 手部操作舒適性范圍涉及的人體參數

Tab. 1 Human parameters involved in the range of hand operation comfortmm

測量項目百分位數55095j177189201l1133137141l2645679715l3570608645l4293315342l5385419451

分別取αub為0°和5°，取αqb在70°～100°之間步長變化為0.1，即可求出操作舒適性范圍，經Matlab計算可得擬合結果如圖6所示。

圖6 中國飛行員操作舒適性范圍

圖6中，帶圓圈的線圍成的面積表示第5%的飛行員手部操作的舒適性范圍，同理帶三角形和星號的線所圍的面積分別表示第50%和第95%的飛行員手部操作舒適性范圍。以某型號的無人機地面站為例，經分析驗證，該地面站的主要操縱設備基本位于圖6中的手部操作舒適性范圍內，因此初步認為該地面站的設計合理。

2.2 RULA評價分析

為了更加可靠、準確地驗證操控臺布局的合理性，本文還將采用RULA評價法進一步地對操作舒適性進行驗證分析。

RULA是一種簡便的工作姿態分析方法，通過建立人體模型，以人體姿勢為主要依據，同時考慮動作狀態和肌肉力的使用，以評分的形式來判斷操作過程中是否有姿勢不符合人體正常姿勢習慣或可能產生損傷的情況，被廣泛應用于訓練工效評估。

RULA評價法在評分過程中，首先將身體分為上肢和軀干兩大部分，分別對這兩部分進行測評，先測量每個部分中各關節的評分，然后根據各關節對應的不同得分，分別得出上肢和軀干兩部分的評分，隨后再將兩部分結合，得出RULA總評分，最后根據RULA總得分來確定該動作的舒適度等級。RULA評分的判斷標準如圖7～圖9所示。其中，各顏色所代表的分值見表2。

表2 評分標準

圖7 上臂姿勢評分標準范圍

圖8 前臂姿勢評分標準范圍

圖9 軀干姿勢評分標準范圍

根據RULA的總分，對于人體姿態的評分共分為4個等級，詳見表3。

表3 RULA舒適性等級

通過CATIA對某型號無人機地面站進行RULA評估，結果如圖10所示。除前臂和手腕部分得分為2，其余部分得分均為1分，屬于RULA舒適性等級中的1級，說明飛行員處于該工作姿態下是比較舒適的，因此證明了該無人機地面站的設計合理，飛行員的操作舒適性良好。

圖10 RULA姿態評估得分

3 結束語

本文以中國飛行員的人體尺寸數據為基礎，在CATIA平臺中建立了中國飛行員數字化的人體模型和人體運動學連桿模型，并通過Matlab仿真擬合出了中國飛行員的操作舒適性范圍，用該范圍對某型號無人機地面站操作舒適性驗證，結果表明該地面站的主要操縱裝置基本位于操作舒適性范圍；同時，利用RULA分析工具，進一步對該地面站的操作舒適性進行了評價分析，得分均≤2，說明飛行員的工作姿態是比較舒適的，進一步證明了該地面站操作舒適性良好。