無人機(jī)地面控制臺人機(jī)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃育龍， 余隋懷， 楊延璞， 李 正

（西北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)研究所，陜西 西安 710072）

無人機(jī)是一種動力驅(qū)使、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器。自1931年以來，無人機(jī)受到越來越多國家的重視，發(fā)展迅猛，目前在全世界范圍內(nèi)已掀起了無人機(jī)的研制熱潮[1]。

在無人機(jī)的發(fā)射和飛行過程中，控制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(jì)，由于人為差錯(cuò)造成的飛機(jī)事故，約占總事故的3/4左右[2]。為了避免人為差錯(cuò)，一個(gè)重要方面就是深入展開人機(jī)系統(tǒng)的研究，將“人”的因素提升到飛機(jī)控制系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)以及評價(jià)中，這是避免人為差錯(cuò)，減少飛機(jī)飛行事故的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)無人機(jī)研究正處于起步階段，控制臺的布局設(shè)計(jì)通常是借鑒國外現(xiàn)有產(chǎn)品，或者由工程人員和飛行人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，往往缺乏科學(xué)的研究和評價(jià)方法，很難滿足我國操作人員的使用方式和習(xí)慣。隨著我國無人機(jī)事業(yè)的發(fā)展，深入研究控制臺的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分必要。

本文通過對現(xiàn)有某型號無人機(jī)地面控制臺的調(diào)研和分析，得出了控制臺布局人機(jī)尺寸的缺陷和不足，從而以控制臺布置原則和人體尺度原則對無人機(jī)控制臺的布局和人機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，最后運(yùn)用Jack軟件進(jìn)行視域、可達(dá)域的評價(jià)，驗(yàn)證了改進(jìn)后控制臺布局的合理性和使用的舒適性。

1 控制臺人機(jī)工程分析

1.1 改進(jìn)前控制臺布局不足分析

通過對現(xiàn)有無人機(jī)地面控制臺的研究分析，其外觀尺寸和主要的布局可分別簡化如圖1、圖2所示。圖1為改進(jìn)前控制臺的側(cè)視圖，圖2為改進(jìn)前控制臺的俯視圖。

從圖中可以看出，現(xiàn)有控制臺布局方面主要存在以下缺陷：

1）圖2中所示抽拉鍵盤的位置不符合人手部的操作習(xí)慣，長時(shí)間操作容易產(chǎn)生手部疲勞。

2）當(dāng)鍵盤拉出時(shí)，圖2中上部的一些常用按鍵的位置超出人體手部的可達(dá)區(qū)域。

3）圖2中，在操作軌跡球鼠標(biāo)時(shí)，容易造成控制手柄的誤操作。

圖1 改進(jìn)前控制臺側(cè)視圖

圖2 改進(jìn)前控制臺俯視圖

1.2 無人機(jī)地面站控制臺的布局設(shè)計(jì)

1.2.1 控制臺設(shè)計(jì)原則

無人機(jī)地面站控制臺的布局設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)考慮作業(yè)者的身體尺寸和操作的舒適性等因素，根據(jù)控制臺的布局原則和人體尺度原則進(jìn)行無人機(jī)控制臺的布局分析。

1）可達(dá)域原則：首先要保證所有的操作按鍵在正常作業(yè)狀態(tài)下處于人手的可達(dá)區(qū)域之內(nèi)。

2）使用頻率原則：指將經(jīng)常用到的操作按鍵放置在人最舒適、最容易觸控的位置，即±30°～±60°的區(qū)域內(nèi)，如鍵盤、軌跡球鼠標(biāo)和航向等要放置在人手能最快速操作的位置。

3）功能原則：即是指將具有相似功能的按鍵放置在統(tǒng)一的區(qū)域，便于操作，如“爬升”、“俯沖”和直“飛”都表示飛行的狀態(tài)，又如手控和程控都表示操作的方式，這些同類型的按鍵應(yīng)放置在一起。

4）操作順序原則：在實(shí)際的發(fā)射和飛行中，各個(gè)操作之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，使用時(shí)有先后順序，如發(fā)射前先必須進(jìn)行相關(guān)的設(shè)備檢查，之后啟動發(fā)動機(jī)、火箭點(diǎn)火、爬升等等，因此，這些按鍵應(yīng)該按照使用順序的原則布置。

1.2.2 “人”的因素

“人”的因素是指根據(jù)人的生理心理等因素，分別將操作按鍵布置在人使用舒適、合理的范圍內(nèi)。操作者作業(yè)時(shí)肢體運(yùn)動線路最短、最舒適、效率和準(zhǔn)確性最高的作業(yè)范圍稱為最佳作業(yè)空間范圍[3]。按照使平均身高的人符合的原則，如圖3中所示，將使用頻率最高的按鍵設(shè)置在手和眼協(xié)調(diào)區(qū)內(nèi)；將不常使用的按鍵放置在最大作業(yè)區(qū)內(nèi)；將一些特殊用途的指示性元件布置在視覺舒適區(qū)。

圖3 控制臺作業(yè)面布置區(qū)域

根據(jù)一般人的使用原則，選擇人體百分位數(shù)為50的人，以滿足我國作業(yè)人群的平均水平，如圖4中虛線框所示為參考GB/T10000-88的我國50%成年人坐姿人體尺寸。

如圖4所示，3.3和3.8之和表示坐姿人眼離地高度，其對應(yīng)的百分位數(shù)50的數(shù)據(jù)為121.1cm，考慮到必要的修正量，這里我們?nèi)≌麛?shù)120cm。

基于以上所得百分位數(shù)的人體數(shù)據(jù)，結(jié)合人體手部作業(yè)可達(dá)域、最有效區(qū)域和視域的設(shè)計(jì)原則對現(xiàn)有控制臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 坐姿人體尺寸

1.2.3 改進(jìn)后控制臺的布局

根據(jù)控制臺的設(shè)計(jì)原則，對原有的控制臺進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的布局如圖5和圖6所示。圖5中水平臺面加長以便設(shè)置鍵盤；圖6中軌跡球鼠標(biāo)和控制手柄位置有所改動便于操作；部分按鍵位置重新設(shè)置，以符合發(fā)射及飛行時(shí)的操作順序。

圖5 改進(jìn)后控制臺側(cè)視圖

圖6 改進(jìn)后控制臺俯視圖

2 改進(jìn)后控制臺布局評價(jià)

2.1 Jack軟件介紹

Jack是由美國賓夕法尼亞大學(xué)人開發(fā)的人機(jī)功效分析軟件，可用于構(gòu)建仿真環(huán)境（虛擬世界），并通過強(qiáng)大的圖形環(huán)境與之發(fā)生交互。Jack的基本功能包括虛擬環(huán)境構(gòu)建、虛擬人體構(gòu)建、人體尺寸定義、虛擬環(huán)境中的人體定位、虛擬人任務(wù)指派和虛擬人感覺評價(jià)[4]。

2.2 評價(jià)分析過程

評價(jià)分析過程主要是以下7個(gè)階段：

1）在UG中設(shè)計(jì)創(chuàng)建無人機(jī)控制臺的模型；

2）將模型導(dǎo)入到Jack軟件中進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈恢谜{(diào)整；

3）在Jack軟件中構(gòu)建P50人體模型，并調(diào)整成需要的坐姿；

4）將導(dǎo)入的模型和人體模型進(jìn)行匹配；

5）依據(jù)人體模型舒適、最佳、極限的視線（手臂活動），分別調(diào)整人體模型的相應(yīng)位置；

6）運(yùn)用Jack軟件視域（可達(dá)域）相應(yīng)的分析檢測工具分析人體模型與控制臺的沖突干涉性，對于不符合要求的地方，重新返回UG中設(shè)計(jì)模型直至符合要求；

7）記錄視域（可達(dá)域）與控制臺的相對位置，完成評價(jià)。整個(gè)過程如圖7所示。

圖7 Jack軟件評價(jià)流程

2.3 控制臺的評價(jià)分析

在人機(jī)工程學(xué)評價(jià)系統(tǒng)中，常用的人機(jī)評價(jià)類型有視域、力和扭矩分析、舒適度分析、姿勢預(yù)測、可及范圍、疲勞和恢復(fù)、手動操作局限分析等[5]。本文針對控制臺的特點(diǎn)，考慮到操作方便、舒適等設(shè)計(jì)要素，主要實(shí)現(xiàn)了視域和可達(dá)域的評價(jià)，驗(yàn)證了無人機(jī)地面控制臺布局的合理性以及使用的舒適性。

1）可達(dá)域分析

可達(dá)域的衡量標(biāo)準(zhǔn)是以合格與不合格體現(xiàn)，可達(dá)域的合格性指人體與產(chǎn)品“裝配”定位后，在滿足舒適度的前提下，手、足可否觸及產(chǎn)品上特定部分，并實(shí)現(xiàn)預(yù)定操縱[6]。

Jack軟件中的可達(dá)域是通過以肩關(guān)節(jié)和手臂長確定的球體來分析的，球體包絡(luò)的范圍表示按鍵的可達(dá)范圍，通過建立手臂側(cè)伸、平伸、上舉的可達(dá)域球體，映射可達(dá)域球體包含所有控制臺按鍵在內(nèi)，即驗(yàn)證所有按鍵均符合可達(dá)域要求。

2）視域分析

視域的合格性是通過人的雙眼與產(chǎn)品上特定對象的位置關(guān)系來判定的，識別或觀察對象位于視錐體內(nèi)即為合格。

Jack軟件中的視野是通過以視野角度和視距確定的視錐體來分析的，視錐體包絡(luò)的范圍表示控制臺的可見范圍，通過建立字母辨別范圍、顏色辨別范圍、最佳視野范圍、極限范圍的視錐體，映射各個(gè)視錐體在控制臺上的相對位置，則可以判斷控制臺上操作按鈕位置設(shè)置是否合理。

3 評價(jià)實(shí)例

1）視域

為了驗(yàn)證控制臺上屏幕的視域合理性，在Jack軟件中我們使圖9中屏幕1、屏幕2和小屏幕處于人的視野正中央時(shí)，記錄頭部上下轉(zhuǎn)動角度的最小值，同時(shí)保證眼睛的轉(zhuǎn)動處在0°到向下30°的舒適范圍內(nèi)。圖8為視域分析顯示圖，圖9為Jack中人體模型視野分析圖。

圖8 視域分析顯示圖

圖9 Jack軟件中人體模型視野分析圖

經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)屏幕處于最佳視野范圍內(nèi)時(shí)，人頭部向上向下的范圍都為10°，小于人頭部關(guān)節(jié)最佳舒適度25°[7]。

2）可達(dá)域

同理，為了直觀顯示控制臺上的操作按鈕設(shè)置是否合理，將在Jack軟件中驗(yàn)證各個(gè)按鍵是否處于可達(dá)域球體之內(nèi)，如圖10為人體模型可達(dá)域與控制臺相對位置的側(cè)視圖。

圖10 Jack軟件中人體模型可達(dá)域分析圖

從圖10中可以直觀看到，所有按鍵均在可達(dá)域范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

為了提高無人機(jī)操作人員的工作效率，降低無人機(jī)發(fā)射和飛行過程中的誤操作，將人機(jī)工程學(xué)運(yùn)用到了無人機(jī)地面站控制臺的布局設(shè)計(jì)中，從控制臺的尺寸、按鍵布局和人體尺度分析等方面進(jìn)行了討論和優(yōu)化，結(jié)合某型號無人機(jī)地面控制臺布局進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，并應(yīng)用Jack軟件進(jìn)行了視域和可達(dá)域的分析，驗(yàn)證了改進(jìn)后設(shè)計(jì)的合理性。將此方法理論化、實(shí)踐化，不但可以分析其他控制臺布局的設(shè)計(jì)，還對控制臺的人機(jī)交互、標(biāo)識設(shè)計(jì)、疲勞度分析等都有借鑒和參考價(jià)值。

[1]許 威, 蔣 蓁. 超小型無人機(jī)地面控制站電子導(dǎo)航地圖的開發(fā)[J]. 機(jī)電一體化, 2006, 12(6): 44-46.

[2]馮艷萍. 2008年美國消防員殉職情況分析[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息, 2009, (10): 75-79.

[3]項(xiàng)英華. 人類功效學(xué)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2008: 232.

[4]于文愷, 蒲海蓉. 基于Jack的人因工程優(yōu)化研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2009.

[5]李 昶, 王小平, 余隋懷. 面向家電產(chǎn)品的人機(jī)工程設(shè)計(jì)與檢測技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2011, (1):97-101.

[6]劉紅杰. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人機(jī)尺度關(guān)系量化評價(jià)的研究[J]. 包裝工程, 2006, 27(2): 192.

[7]丁玉蘭. 人因工程[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社,2004: 184.