基于CATIA人因工程的無人機地面站設計

張麗 何法江

摘? 要： 無人機地面站是飛行員與無人機之間進行交互的唯一接口，基于人因工程相關理論進行地面站操控臺的設計，是保證飛行員安全、舒適、高效完成任務的重要手段。在CATIA平臺上建立操縱臺模型，以數據庫中現有的人體模型為基礎，根據中國人體尺寸建立中國飛行員標準人體模型，從操作可達性、視野可視性兩個方面對地面站操控臺布局進行分析和仿真。

關鍵詞： 無人機; 地面站; 人因工程; CATIA仿真; 人體建模

中圖分類號：V279? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）06-46-03

Abstract： The GCS（Ground Control Station） is the only interface between the pilot and the UAV（Unmanned Aerial Vehicle）. It is an important means to ensure the safety， comfort and efficiency of the pilot by designing the console of GCS according to human factors engineering. The console model is built on the CATIA platform. Based on the existing human body model in the database， the Chinese pilot standard human body model is established according to the Chinese human body size. The analysis and simulation of the console are applied from two aspects： operational accessibility and visual field visibility.

Key words： UAV; ground control station; human factors engineering; CATIA simulation; operational accessibility; visual field visibility

0 引言

無人機具有體積小、成本低、使用方便、對作戰環境要求低等優點，目前已成為各個國家空軍裝備研究中的熱點。近年來隨著智能控制技術迅猛發展，無人機已具備高度的自主控制能力，然而，戰場瞬息萬變的動態情況始終離不開地面站飛行員的判斷與操作。

無人機地面站是飛行員操縱無人機執行任務的工作環境，也是飛行員與無人機信息交互的唯一界面和手段，相當于傳統飛機的駕駛艙，卻又區別于飛機駕駛艙。與有人機的飛行員相比，地面站的飛行員沒有直觀的飛行體驗，所有反饋都是通過儀器儀表顯示，在長時間的任務執行過程中，更容易發生疲勞、反應遲鈍、操作失誤等事故，因此地面站操控臺的設計是否符合人因工程規范，對飛行員體力、心理和意識活動、工作效率有著重要影響，進而關系到無人機是否安全、性能是否充分發揮、作戰效能如何等。因此，在我國無人機地面站的研制過程中有必要對地面站的操控臺進行人因工程分析和設計，為飛行員提供一個舒適、安全、省力的駕駛環境。

本文基于CATIA平臺建立了無人機地面站操控臺模型和飛行員人體模型，對操控臺的可達性和飛行員視野的可視性進行了仿真分析。

1 操控臺人因工程研究現狀

1.1 研究進展

王黎明和艾玲英[1-2]根據駕駛艙布局準則，在模糊理論和專家系統算法的基礎上給出了民機駕駛艙布局方案，并在CATIA軟件上進行了舒適性、可達性、可視性等方面的評價。王文軍從整體角度研究了進行飛機駕駛艙人機工效設計與評估的技術流程，搭建了人機工效設計與綜合評估理論體系，并開發了原型系統，對飛機駕駛艙的人機工效性能的提高起到了系統性的促進作用[3]。

Sanjog等對航空與航天領域的虛擬人體建模技術發展進行了綜述，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，確定了目前尚待探索的途徑和發展方向，得出未來的研究方向應該以人為本的結論[4]。Abbasow等研究了Be-200飛機駕駛艙的計算機建模與人機工效問題，基于人體工程學原理，通過Spline Extrude，Polygon Extrude方法建模，建立了各種飛機機艙布局的真實場景[5]。Karmakar等研究了將虛擬人應用于噴氣式飛機飛行員視域分析的方法[6]。

1.2 仿真軟件

無人機地面站操控臺是一種特殊形式的駕駛艙，其主要特點和一般駕駛艙相同，如空間有限、控制系統復雜、人機接口密集等。因此，駕駛艙的設計已經成為了人因工程學在航空領域的主要研究方向，國內外使用較多的具有代表性的軟件主要有法國Dassault公司的CATIA、德國THCMATH公司的RAMSIS、美國賓夕法尼亞大學的JACK等。

CATIA[7-8]是法國Dassault System公司于1982年發布的一款CAD/CAE/CAM一體化軟件，廣泛應用于航空領域的制造設計中，其人機分析模塊可以形象地模擬實際工作中人的各種操作狀態和運動姿勢。

RAMSIS[9-10]于上世紀80年代由TECMATH公司與慕尼黑大學共同開發，其初始目標是解決汽車工業中的人機工程學問題。

JACK[11-12]是西門子工業軟件有限公司（原UGS 公司）旗下的一款人因工程分析軟件，提供了多種人機工效仿真分析工具，可進行可達域、視域、舒適性、疲勞性等相關因素的分析。

本文采用CATIA進行仿真分析。

2 操控臺人因工程設計準則

2.1 座椅設計準則

座椅和飛行員的安全息息相關，一個舒適的座椅可以減輕駕駛員的疲勞程度，長時間的乘坐也可以盡可能地減輕對脊柱、腰肌等部位的損傷。在我國，無人機地面站操控臺的設計缺乏人因工程的規范指導，其座椅設計尺寸與結構難免與中國人人體尺寸結構存在差異。人體最舒適的坐姿是臀部稍離靠背向前移，使身體上部略向上后傾斜，保持身體上部與大腿夾角在90?～115?之間，同時，小腿向前伸，大腿與小腿、小腿與腳掌之間也應達到一定角度。座椅的椅盆角應置于固定位置，使座椅底板前沿向上傾斜，其座板板面與平行于目視參考平面之間形成7?夾角[13]。

2.2 顯示設備布局設計準則

顯示設備的布局設計主要以人眼的視覺特性為基礎。視覺特性主要有視角特性、視距特性和視野特性。

視角是觀察對象兩端視線的夾角。視距指眼睛至被觀察對象的距離。視角與視距和被觀察對象兩端點的直線距離有關，用公式表示為：

其中，a為視角，D為被觀察對象兩端點的直線距離，L為視距。

人在觀察各種顯示儀表時，視距過遠或過近對認讀速度和準確性都不利。一般應根據被觀察對象的大小和形狀在 380～760mm之間選擇最佳視距。本文設計對象中的顯示屏為21.5英寸，因此選擇視距為630mm。

3 基于CATIA的人因工程仿真分析

3.1 飛行員人體模型的建立

由于CATIA V5 HBR模塊的數據庫中沒有中國人人體尺寸數據，因此在設計中首先選取與中國人平均身材最為接近的日本人人體模型，構造一個日本人的標準人體模型，再通過HME模塊，根據中國人體數據進行尺寸編輯得到所需的中國人的人體模型，如圖1所示。

3.2 操縱可達性及舒適性分析

人體模型對控制臺的仿真模擬主要是坐姿人體手臂的可達性分析。人體模型在背部緊靠椅背不動、僅僅依靠肩周之下手臂運動的雙手可達區域為圖2中陰影區域所示，由仿真效果可以看出，雙手可達區域涵蓋了操控臺的前方大部分區域，足夠覆蓋所要求的控制器范圍，因此手部操作適應性良好。

3.3 可視性分析

人的雙眼視野范圍在 CATIA 中計算為類似橢圓視野。飛行員處于坐姿狀態時，其視線通常會偏離標準視線向下15?。人體的雙單眼視野范圍通常設置為水平方向左右120?，垂直方向上下35?。通過可視性分析可定性分析駕駛員處于設計眼位，正常視線時，對顯示設備的觀察。

對飛行員模型進行視野模擬，在人體模型上身背靠椅背不動的約束下，僅依靠扭動脖頸調整眼睛朝向，進行平視、視界下限模擬，如圖3所示。

圖3中可以表明，飛行員的平視視野良好，可以清楚地看清中間的顯示屏;視界上下限之內可以清楚地看清最上面和最下面的顯示屏。因此，駕駛艙布局總體視野效果良好，設計合理。

4 結束語

通過對無人機地面站操控臺進行人因工程仿真分析，可以明確各個設備布局是否合理，良好的布局設計將提升無人機在飛行員操作和生存環境等性能，為飛行員提供一個舒適、安全、省力的工作環境，為高效的飛行控制和圓滿的完成任務提供保障。本文在CAITA V5平臺建立了操控臺模型，基于中國人的人體尺寸數據，建立了符合中國飛行員身材尺寸的人體模型，從虛擬人的操作可達性、視野可視性兩個方面對操控臺進行了仿真分析。進一步將更多地從定量的角度開展操控臺人因工程的分析研究。

參考文獻（References）：

[1] 王黎明.基于知識庫的飛機駕駛艙布局設計方法研究[D].西北工業大學，2004.

[2] 艾玲英.智能化飛機駕駛艙空間布局設計方法的研究[D].西北工業大學，2005.

[3] 王文軍. 飛機駕駛艙人機工效設計與綜合評估關鍵技術[D].西北工業大學，2015.

[4] J Sanjog， S Karmakar， T Patel， A Chowdhury. Towardsvirtual ergonomics： aviation and aerospace[J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology，2015.87（3）：266-273

[5] I B Abbasov， V V Orekhov. Computational modeling ofpassenger amphibian aircraft Be-200 cabin interior[J].Advances in Engineering Software，2014.76：154-160

[6] S Karmakar， M S Pal， D Majumdar， D Majumdar.Application of digital human modeling and simulation for vision analysis of pilots in a jet aircraft： a case study [J].Work-A Journal of Prevention Assessment & Rehabilitation，2012.41：3412-3418

[7] 江洪.CATIA V5基礎教程[M].機械工業出版社，2017.

[8] 葉坤武，魏思東，包涵.面向駕駛艙布局優化的手部操作研究[J].機械科學與技術，2018.37（5）：747-752

[9] C Vogt， C Mergl， H Bubb. Interior layout design ofpassenger vehicles with RAMSIS [J]. Human Factors and Ergonomics In Manufacturing. 2005.15（2）：197-212

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[11] 李險峰，鈕建偉.Jack人因工程基礎及應用實例[M].電子工業出版社，2012.

[12] 王華亭，田宇，程廣偉，王普毅，汪立國.基于JACK 的某自行高炮乘員艙人機工效評估[J].火炮發射與控制學報，2013.2：63-66

[13] HB7046-1994.民用飛機駕駛艙座椅設計要求[S].中國標準出版社，1994.