飛機駕駛艙人機一體化設計方法研究.pdf

1、飛機駕駛艙是飛行員獲取飛行信息、控制飛機，完成飛行任務的工作場所。駕駛艙人機工效設計對飛機的安全、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設計，才能達到人機匹配，飛行員才能安全、高效、舒適地完成駕駛任務。飛機駕駛艙人機工效設計是一個以人為中心的多需求多學科的綜合求解問題，但目前還缺乏有效的綜合協(xié)同設計方法，設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，提出了將駕駛艙設計參數(shù)化與工效學參數(shù)化相結合的一體化設計方法進行駕駛艙人機工效綜合設計，該方法在概念設計階段充分融入人機工效設計知識，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、設計，實時體現(xiàn)人的設計意志。論文研究對于拓展飛機駕駛艙仿真設計理論，特別是對于提高我國民機總體設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計研究的背景，國內外研究進展，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計階段的人機工效問題，在此基礎上提出了飛機駕駛艙人機一體化設計的概念，建立了相應的設計理論框架，并分析了其組成，凝練出設計過程中的關鍵技術。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)驅動生成駕駛艙的快速設計；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)化設計；以虛擬現(xiàn)實為

4、基礎實現(xiàn)設計階段人在環(huán)的飛機駕駛艙工效虛擬設計。
　　3）通過分析駕駛艙內部幾何關系，采用駕駛艙構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等相關標準確定了駕駛艙人機工效設計參數(shù)，歸納了相關設計知識。在此基礎上，建立駕駛艙人機工效參數(shù)化模板，融合駕駛艙設計知識和實例，形成駕駛艙參數(shù)化驅動模型，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動設計。
　　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)化設計。
　?。?）視覺工效上，引入等時反應曲線建立了可視性的量化求解方程，在二次開發(fā)的基礎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、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時為基礎確定了操縱可達性量化的表示方法。以D-H方法為基礎建立了人體操縱模型，并以關節(jié)位移、相對勢能、關節(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)預測優(yōu)化方法，在此基礎上建立了基于姿態(tài)預測的操縱舒適性量化評估方法。最后以中央控制臺高度設置問題為例進行了基于操縱工效的駕駛艙參數(shù)優(yōu)化設計。
　　5）建立了人在環(huán)的飛機駕駛艙人機工效虛擬設計系統(tǒng)。
　?。?）建立了一種沉浸式視覺工效虛擬評價設計系統(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顯示仿真結果，并通過顯示器校準和顯示色樣品色匹配實驗對顯示設備進行顏色特征化建模

8、，保證顯示結果和真實看到結果的一致性，然后在此基礎上進行駕駛艙視覺環(huán)境的沉浸式人機工效學評價，可以實現(xiàn)實時反饋視覺工效評價結果改進駕駛艙設計。最后提出了基于云模型的內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)識別追蹤設備，建立了基于CATIA的虛擬現(xiàn)實操縱工效評價設計系統(tǒng)。該方法以CATIA為建模平臺進行二次開發(fā)，采用Oculus Rift設備進行虛擬人視覺感知，MS Kinect設備進行虛擬人體驅動，實現(xiàn)人

9、在環(huán)的飛機駕駛艙操縱工效設計，可以實現(xiàn)實時反饋操縱工效評價結果改進駕駛艙設計。
　　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計的概念，建立了設計理論框架，并分析了其組成，凝練出設計過程中的關鍵技術。通過該方法能對飛機駕駛艙人機工效進行參數(shù)化驅動設計、工效優(yōu)化設計及人在環(huán)的虛擬設計。并建立了一種飛機駕駛艙人機一體化集成設計平臺；
　　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)化設計。量化參數(shù)即可為駕駛艙人機工效優(yōu)化設計提供目標函數(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)字設計平臺，融入虛擬現(xiàn)實技術，建立了人在環(huán)的飛機駕駛艙人機工效設計系統(tǒng)，為飛機駕駛艙人機一體化設計提供了有力支撐。采用該系統(tǒng)在駕駛艙的設計初期能夠實現(xiàn)快速沉浸式的體驗設計結果，并可進行桌面現(xiàn)場評估

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