飞机驾驶舱人机一体化设计方法研究

发布时间：2018-12-27 16:40

【摘要】：飞机驾驶舱是飞行员获取飞行信息、控制飞机，完成飞行任务的工作场所。驾驶舱人机工效设计对飞机的安全、性能的充分发挥、作战效能等起着重要的作用，驾驶舱符合人机工效学设计，才能达到人机匹配，飞行员才能安全、高效、舒适地完成驾驶任务。飞机驾驶舱人机工效设计是一个以人为中心的多需求多学科的综合求解问题，但目前还缺乏有效的综合协同设计方法，设计后期的评价也缺乏定量化的评价指标。基于此，论文在973项目“民机驾驶舱人机工效综合仿真理论与方法研究”(编号：2010CB734106)的资助下，提出了将驾驶舱设计参数化与工效学参数化相结合的一体化设计方法进行驾驶舱人机工效综合设计，该方法在概念设计阶段充分融入人机工效设计知识，进行人机工效量化评价，并能进行人在环的驾驶舱人机工效虚拟评估、设计，实时体现人的设计意志。论文研究对于拓展飞机驾驶舱仿真设计理论，特别是对于提高我国民机总体设计水平具有理论意义和工程实用价值。论文主要工作有： 1）对飞机驾驶舱人机工效研究进行了综述。详细介绍了飞机驾驶舱人机工效设计研究的背景，国内外研究进展，并分析了其中存在的问题，，确定了论文的研究思路。 2）分析了飞机驾驶舱各个设计阶段的人机工效问题，在此基础上提出了飞机驾驶舱人机一体化设计的概念，建立了相应的设计理论框架，并分析了其组成，凝练出设计过程中的关键技术。主要包括通过飞机驾驶舱参数化建模，实现人机工效参数驱动生成驾驶舱的快速设计；量化人体性能参数，并以此为目标进行驾驶舱几何参数和人机工效参数的优化设计；以虚拟现实为基础实现设计阶段人在环的飞机驾驶舱工效虚拟设计。 3）通过分析驾驶舱内部几何关系，采用驾驶舱构型特征提取实验确定了驾驶舱几何特征参数。通过查阅国军标、航标和Society ofAutomotive Engineers(SAE) International等相关标准确定了驾驶舱人机工效设计参数，归纳了相关设计知识。在此基础上，建立驾驶舱人机工效参数化模板，融合驾驶舱设计知识和实例，形成驾驶舱参数化驱动模型，在CATIA平台上进行二次开发实现了驾驶舱人机工效交互式驱动设计。 4）对常见人体性能参数进行量化方法研究，包括可视性、视觉舒适性、操纵可达性和操纵舒适性等工效参数的量化，并以其为目标函数进行了驾驶舱人机工效优化设计。（1）视觉工效上，引入等时反应曲线建立了可视性的量化求解方程，在二次开发的基础上建立了视觉舒适性的量化求解过程。形成了虚拟驾驶舱使用的基于SPEOS/CATIA的驾驶舱眩光量化评估方法，实物驾驶舱使用的基于数码相机的可视量化方法和基于数码相机高动态图像（HDR）的驾驶舱眩光量化评估方法。并以颜色色调、明度和纯度为参数针对驾驶舱环境整体色彩进行了视觉舒适性研究。最后以风挡玻璃眩光问题为例进行了基于视觉工效的驾驶舱参数优化设计；（2）操纵工效上，通过操纵定位实验，研究了驾驶舱环境中三维空间的费茨定律，并以该定律计算的反应时为基础确定了操纵可达性量化的表示方法。以D-H方法为基础建立了人体操纵模型，并以关节位移、相对势能、关节舒适和视觉舒适为人体性能优化函数研究了姿态预测优化方法，在此基础上建立了基于姿态预测的操纵舒适性量化评估方法。最后以中央控制台高度设置问题为例进行了基于操纵工效的驾驶舱参数优化设计。 5）建立了人在环的飞机驾驶舱人机工效虚拟设计系统。（1）建立了一种沉浸式视觉工效虚拟评价设计系统。该方法首先采用SPEOS软件进行驾驶舱视觉仿真，再引入虚拟现实眼镜Oculus Rift显示仿真结果，并通过显示器校准和显示色样品色匹配实验对显示设备进行颜色特征化建模，保证显示结果和真实看到结果的一致性，然后在此基础上进行驾驶舱视觉环境的沉浸式人机工效学评价，可以实现实时反馈视觉工效评价结果改进驾驶舱设计。最后提出了基于云模型的内饰视觉工效评价为例对该系统进行了实例验证；（2）基于虚拟现实眼镜、姿态识别追踪设备，建立了基于CATIA的虚拟现实操纵工效评价设计系统。该方法以CATIA为建模平台进行二次开发，采用Oculus Rift设备进行虚拟人视觉感知，MS Kinect设备进行虚拟人体驱动，实现人在环的飞机驾驶舱操纵工效设计，可以实现实时反馈操纵工效评价结果改进驾驶舱设计。论文的主要创新点有： 1）提出了飞机驾驶舱人机一体化设计的概念，建立了设计理论框架，并分析了其组成，凝练出设计过程中的关键技术。通过该方法能对飞机驾驶舱人机工效进行参数化驱动设计、工效优化设计及人在环的虚拟设计。并建立了一种飞机驾驶舱人机一体化集成设计平台； 2）提出了人体主要性能参数量化方法，包括可视性、视觉舒适性、操纵可达性和操纵舒适性等工效参数的量化，并以此为优化目标建立了优化模型，进行了驾驶舱人机工效的优化设计。量化参数即可为驾驶舱人机工效优化设计提供目标函数，又可用来进行驾驶舱人机工效量化评价，改善了以往人机工效视觉和操纵上的评价方法； 3）基于数字设计平台，融入虚拟现实技术，建立了人在环的飞机驾驶舱人机工效设计系统，为飞机驾驶舱人机一体化设计提供了有力支撑。采用该系统在驾驶舱的设计初期能够实现快速沉浸式的体验设计结果，并可进行桌面现场评估，完善了驾驶舱设计阶段的工效主观评价方法，为设计阶段人机工效评估中飞行员或设计人员直接的参与提供了低成本工具，可实时反馈设计人员以及飞行员的评价意见。论文提出的人机一体化设计理论与方法融合了参数化设计、优化设计和虚拟设计技术，符合现代设计的理论与理念。其与传统设计方法的不同在于设计过程的人机结合性，传统方法只能在设计方案之后，进行评价，然后再改进。人机一体化设计方法直接将专家知识、经验以及评价融入在设计进程中，可以在很大程度上提高设计效率，具有高效性、交互性、沉浸性和反馈性的特点。人机一体化设计的发展为驾驶舱人机工效设计提供了新的发展方向。
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【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V223.1;TB18

【参考文献】