某型無人機(jī)操作臺人機(jī)功效優(yōu)化設(shè)計

徐江寧 殷佳源

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081）

無人機(jī)的發(fā)射和飛行過程中，操作臺的布局問題直接影響操作人員的作業(yè)效率和舒適度，進(jìn)而影響無人機(jī)的發(fā)射、飛行和執(zhí)行任務(wù)的成功率。根據(jù)美國飛機(jī)事故調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在1959～1992年間，無論是軍用還是民用飛機(jī)，發(fā)生災(zāi)難性事故的主要原因之一是人為因素。據(jù)統(tǒng)計，由于人為差錯造成的飛機(jī)事故，約占總事故的3/4 左右。為了避免人為差錯，一個重要方面就是深入展開人機(jī)功效優(yōu)化設(shè)計，將“人”的因素提升到飛機(jī)控制系統(tǒng)的布局設(shè)計以及評價中，這是避免人為差錯，減少飛機(jī)飛行事故的關(guān)鍵。

無人機(jī)系統(tǒng)包括飛機(jī)系統(tǒng)和地面控制站。由于地面控制站設(shè)備數(shù)量多、監(jiān)視信息量大等特點(diǎn)，加之工作時間長、操作空間有限等因素，良好的人機(jī)工效設(shè)計能增加操作員舒適度，降低操作員生理、心理疲勞，發(fā)揮操作員最大的工作效能。

1 操作臺三維建模

JACK 軟件的優(yōu)勢在于其強(qiáng)大的仿真分析功能，而三維建模能力稍顯不足，只能創(chuàng)建簡單幾何體模型，在進(jìn)行復(fù)雜對象的仿真分析時，通常導(dǎo)入運(yùn)用專業(yè)三維建模軟件創(chuàng)建的三維數(shù)據(jù)模型使用。本文使用Soildedge 作為操作臺建模軟件，圖1 為操作臺三維模型截圖。建模完成后保存為STP 文件格式，最后導(dǎo)入Rhino 保存為.wrl文件導(dǎo)入JACK 軟件進(jìn)行仿真分析。

2 兩型操作臺人機(jī)功效分析

現(xiàn)有對A、B 兩型操作臺進(jìn)行人機(jī)關(guān)系分析。為簡潔明確，圖1 中A 型操作臺為原設(shè)計，B 型操作臺為改進(jìn)型。兩型操作臺均屬坐姿控制臺。

圖1：操作臺三維模型

由下至上，分別將三個屏幕命名為a 屏、b 屏、c 屏。如圖2所示。

圖2：屏幕區(qū)域命名圖

2.1 基于坐姿控制臺人機(jī)尺寸的對比分析

根據(jù)丁玉蘭編寫的《人機(jī)工程學(xué)》可知，該型坐姿操作臺的理想尺寸關(guān)系如圖3所示。

圖3：理想尺寸的坐姿操作臺

分別對A、B 兩型操作臺的屏幕高度進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4：A、B 兩型操作臺屏幕高度

A 型a 屏高度在610.00mm—845.00mm 之間，B 型a 屏高度在682.00mm—880.00mm 之間。與理想狀態(tài)下的725.00mm—850.00mm 范圍相比，B 型a 屏幕高度更接近理想值一些。

A 型b 屏高度在845.00mm—1208.00mm 之間，B 型b 屏高度在880.00mm—1239.00mm 之間。與理想狀態(tài)下的850.00mm—1320.00mm 范圍相比，兩型差別較小。

A 型c 屏高度在1208.00mm—1530.00mm 之間，B 型c 屏高度在1239.00mm—1565.00mm 之間。與理想狀態(tài)下的1325.00mm—1750.00mm 范圍相比，兩型差別較小。

由于在信息展示中，a、b 屏為主要顯示區(qū)域，c 屏為次要顯示區(qū)域。因此綜合對比，在屏幕高度方面，B 型操作臺優(yōu)于A 型操作臺。

操作臺屏幕高度尺寸如圖5所示。

圖5：A、B 兩型操作臺屏幕角度

分別對A、B 兩型操作臺的屏幕角度進(jìn)行分析，如圖5所示。

A 型a 屏水平傾角為60°，B 型a 屏水平傾角為55°。在圖3 中所示的兩種理想圖，a 圖中的豎直傾角為20°，該情況適合觸屏操作為主的交互設(shè)計。b 圖中的a 屏水平傾角為35°，該情況適合按鍵操作為主的交互設(shè)計。由圖1 可知，A 型操作臺的a 屏為雙信息顯示屏，以展示信息為主的交互方式。B 型操作臺的a 屏為按鍵與信息共同展示與操作的交互方式。因此，兩型操作臺的a 屏傾角設(shè)計均有一定的合理性。

A、B 型兩型b 屏均采用豎直設(shè)計，角度方面無差異體現(xiàn)。A型c 屏豎直傾角為35°，B 型c 屏豎直傾角為20°。與理想狀態(tài)下的c 屏豎直傾角為20°相比，B 型c 屏設(shè)計傾角更加符合人機(jī)關(guān)系。

綜上，在屏幕尺寸、傾斜角的設(shè)計上，B 型的人機(jī)關(guān)系優(yōu)于A 型。

兩型操作臺屏幕角度如圖5所示。

2.2 仿真環(huán)境的建立

JACK 軟件基于運(yùn)動學(xué)算法與生物力學(xué)算法構(gòu)建了業(yè)界最為精準(zhǔn)的人體生物力學(xué)模型，通過反向運(yùn)動原理提供只需調(diào)節(jié)關(guān)鍵部位即可完成肢體動作調(diào)節(jié)能力[6]。軟件包含ANSUR1988、GERMAN、ASIAN_INDIAN_NID97、CDN_LF97、NA_AUTO、CHINESE、JAPANESE_2006、KOREAN_2003、NHANES 這9 大標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)庫，每個數(shù)據(jù)庫中支持01、05、50、95、99 五個百分位數(shù)的男性和女性人體數(shù)據(jù)選擇。此外，可通過【Advanced Scaling】來準(zhǔn)確地修正人體模型的單項或全部的26 項尺寸參數(shù)，進(jìn)而創(chuàng)建出貼近真實人的數(shù)字人模型。

如圖6所示，依據(jù)無人機(jī)男性操作手最高和最矮的身高標(biāo)準(zhǔn)，選擇CHINESE 數(shù)據(jù)庫中95%的人體尺寸創(chuàng)建駕駛員虛擬模型，檢查模型各部位幾何形態(tài)是否出現(xiàn)比例異常現(xiàn)象，并通過【Body Part Scaling】命令進(jìn)行調(diào)整。[1]

圖6：無人機(jī)操作手身高標(biāo)準(zhǔn)與操作手95%模型

2.3 基于JACK的人機(jī)關(guān)系分析

在JACK 中，重點(diǎn)為可視域與可達(dá)域的分析。分別將A 型、B型操作臺導(dǎo)入JACK中，分別建立95百分位的男性進(jìn)行可視域分析，如圖7 和圖8。

圖7：A 型操作臺可視域

圖8：B 型操作臺可視域

根據(jù)人視域舒適區(qū)為視線上50°—視線下70°的范圍，對操作人員的視域范圍設(shè)置為120°。由圖可知A、B 型兩款屏幕均在視覺舒適區(qū)內(nèi)。

分別將A 型、B 型操作臺導(dǎo)入JACK 中，分別建立95 百分位的男性進(jìn)行可達(dá)域分析，如圖9 和圖10所示。

圖9：A 型操作臺可達(dá)域

圖10：B 型操作臺可達(dá)域

根據(jù)圖9、圖10 可知，在可達(dá)域方面，A 型、B 型均能覆蓋a、b 屏的信息交互區(qū)，c 屏部分覆蓋。但對比可知B 型的可達(dá)域覆蓋區(qū)域較A 型更大一些。因此，在可達(dá)域方面，B 型比A 型更符合人機(jī)關(guān)系。

3 結(jié)論

B 型操作臺設(shè)計中運(yùn)用簡潔的手法，將方中帶圓的極簡風(fēng)，通過分割、疊加將功能區(qū)域合理的劃分，整體風(fēng)格科技感強(qiáng)，模塊功能區(qū)分，又不失穩(wěn)重感，使產(chǎn)品看起來更生動，加強(qiáng)了人機(jī)舒適感，合理的區(qū)域分割，操作更準(zhǔn)確便捷。

通過尺寸對比和仿真分析可知，在屏幕的高度、尺寸、可視域、可達(dá)域、舒適性等領(lǐng)域的對比中，B 型操作臺的人機(jī)關(guān)系優(yōu)于A 型操作臺的人機(jī)關(guān)系。