某型無人機操作臺人機功效優化設計

徐江寧 殷佳源

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081）

無人機的發射和飛行過程中，操作臺的布局問題直接影響操作人員的作業效率和舒適度，進而影響無人機的發射、飛行和執行任務的成功率。根據美國飛機事故調查數據顯示，在1959～1992年間，無論是軍用還是民用飛機，發生災難性事故的主要原因之一是人為因素。據統計，由于人為差錯造成的飛機事故，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功效優化設計，將“人”的因素提升到飛機控制系統的布局設計以及評價中，這是避免人為差錯，減少飛機飛行事故的關鍵。

無人機系統包括飛機系統和地面控制站。由于地面控制站設備數量多、監視信息量大等特點，加之工作時間長、操作空間有限等因素，良好的人機工效設計能增加操作員舒適度，降低操作員生理、心理疲勞，發揮操作員最大的工作效能。

1 操作臺三維建模

JACK 軟件的優勢在于其強大的仿真分析功能，而三維建模能力稍顯不足，只能創建簡單幾何體模型，在進行復雜對象的仿真分析時，通常導入運用專業三維建模軟件創建的三維數據模型使用。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，最后導入Rhino 保存為.wrl文件導入JACK 軟件進行仿真分析。

2 兩型操作臺人機功效分析

現有對A、B 兩型操作臺進行人機關系分析。為簡潔明確，圖1 中A 型操作臺為原設計，B 型操作臺為改進型。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：屏幕區域命名圖

2.1 基于坐姿控制臺人機尺寸的對比分析

根據丁玉蘭編寫的《人機工程學》可知，該型坐姿操作臺的理想尺寸關系如圖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 屏為主要顯示區域，c 屏為次要顯示區域。因此綜合對比，在屏幕高度方面，B 型操作臺優于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 屏傾角設計均有一定的合理性。

A、B 型兩型b 屏均采用豎直設計，角度方面無差異體現。A型c 屏豎直傾角為35°，B 型c 屏豎直傾角為20°。與理想狀態下的c 屏豎直傾角為20°相比，B 型c 屏設計傾角更加符合人機關系。

綜上，在屏幕尺寸、傾斜角的設計上，B 型的人機關系優于A 型。

兩型操作臺屏幕角度如圖5所示。

2.2 仿真環境的建立

JACK 軟件基于運動學算法與生物力學算法構建了業界最為精準的人體生物力學模型，通過反向運動原理提供只需調節關鍵部位即可完成肢體動作調節能力[6]。軟件包含ANSUR1988、GERMAN、ASIAN_INDIAN_NID97、CDN_LF97、NA_AUTO、CHINESE、JAPANESE_2006、KOREAN_2003、NHANES 這9 大標準人體數據庫，每個數據庫中支持01、05、50、95、99 五個百分位數的男性和女性人體數據選擇。此外，可通過【Advanced Scaling】來準確地修正人體模型的單項或全部的26 項尺寸參數，進而創建出貼近真實人的數字人模型。

如圖6所示，依據無人機男性操作手最高和最矮的身高標準，選擇CHINESE 數據庫中95%的人體尺寸創建駕駛員虛擬模型，檢查模型各部位幾何形態是否出現比例異常現象，并通過【Body Part Scaling】命令進行調整。[1]

圖6：無人機操作手身高標準與操作手95%模型

2.3 基于JACK的人機關系分析

在JACK 中，重點為可視域與可達域的分析。分別將A 型、B型操作臺導入JACK中，分別建立95百分位的男性進行可視域分析，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

根據人視域舒適區為視線上50°—視線下70°的范圍，對操作人員的視域范圍設置為120°。由圖可知A、B 型兩款屏幕均在視覺舒適區內。

分別將A 型、B 型操作臺導入JACK 中，分別建立95 百分位的男性進行可達域分析，如圖9 和圖10所示。

圖9：A 型操作臺可達域

圖10：B 型操作臺可達域

根據圖9、圖10 可知，在可達域方面，A 型、B 型均能覆蓋a、b 屏的信息交互區，c 屏部分覆蓋。但對比可知B 型的可達域覆蓋區域較A 型更大一些。因此，在可達域方面，B 型比A 型更符合人機關系。

3 結論

B 型操作臺設計中運用簡潔的手法，將方中帶圓的極簡風，通過分割、疊加將功能區域合理的劃分，整體風格科技感強，模塊功能區分，又不失穩重感，使產品看起來更生動，加強了人機舒適感，合理的區域分割，操作更準確便捷。

通過尺寸對比和仿真分析可知，在屏幕的高度、尺寸、可視域、可達域、舒適性等領域的對比中，B 型操作臺的人機關系優于A 型操作臺的人機關系。