基于工效测评仿真平台的飞行员上肢作业域测评系统

摘要

本发明提供了一种基于工效测评仿真平台的飞行员上肢作业域测评系统，包括工效测评仿真平台子系统，为飞行员提供模拟真实飞行的仿真操作；三维空间坐标定位子系统，用于捕捉飞行模拟过程中飞行员双手食指指尖的动作，并采集双手食指指尖三维坐标值；飞行员上肢作业域测评子系统，包括飞行员上肢作业域计算模块，飞行员上肢作业域划分模块，飞行员手部三维坐标点输入模块，飞行员上肢作业域测评模块。

权利要求

1.一种基于工效测评仿真平台的飞行员上肢作业域测评系统，其特征在于包括：工效测评仿真平台子系统（1），用于提供飞行模拟操作环境；

三维空间坐标定位子系统（2），用于在飞行模拟过程中采集飞行员双手食指指尖三维坐标值；

飞行员上肢作业域测评子系统（3），用于对驾驶舱作业空间布局进行测评，其中所述工效测评仿真平台子系统（1）包括：飞机仿真模块（11），用于对飞机的飞行操纵系统、燃油系统、液压系统、起落架系统特性的模拟；

仿真驾驶舱模块(12)，用于提供真实大型客机驾驶舱的作业空间布局，提供模拟飞行的硬件设备；

仿真系统控制台模块（13），用于对系统的控制、状态抽样、数据输出等功能，所述三维空间坐标定位子系统（2）包括：数据手套，用于捕捉飞行员飞行模拟时手部食指指尖的操作动作；

三维空间位置跟踪器，用于定位和输出飞行员飞行模拟时双手食指指尖的位置，所述飞行员上肢作业域测评子系统（3）包括：飞行员上肢作业域计算模块（31），用于计算飞行员上肢作业域三维包络图；

飞行员上肢作业域划分模块（32），用于对驾驶舱作业空间进行划分；

飞行员手部三维坐标点输入模块（33），用于与飞行员上肢作业域的范围进行比较；

飞行员上肢作业域测评模块（34），用于对驾驶舱作业空间布局进行测评。

2.如权利要求1所述的基于飞行模拟的飞行员上肢作业域测评系统，其特征在于所述的飞行员上肢作业域计算模块（31）包括：将飞行员人体生物力学模型置于模拟驾驶舱硬件模块中以座椅中位参考点为原点建立三维空间坐标系的部分;设定部分，用于设定躯干只有一个自由度，绕Y轴旋转，α为躯干角，是躯干与Z轴的夹角，向后倾斜时躯干角为负,向前倾斜时躯干角为正; 计算部分，用于根据飞行员各部位尺寸与身高L的比例关系，用几何法求得飞行员上肢作业域的计算公式：。

3.如权利要求1所述的基于飞行模拟的飞行员上肢作业域测评系统，其特征在于飞行员上肢作业域测评模块（34）用于执行以下操作：（1）输入进行飞行模拟的飞行员身高，调用飞行员上肢作业域划分模块生成飞行员上肢作业域三维包络图，（2）调用飞行员手部三维坐标点输入模块，计算落在每个区域内坐标点的百分数λi，所述区域包括舒适域λ1，功能可达域λ2，最大可达域λ3，非作业域λ4，（3）判断λi的值，进行该驾驶舱作业空间布局合理性的测评，其中：λ4>0时，等级为Ⅴ，作业空间布局很差；

λ4＝0时，若λ3>30%，等级为Ⅳ，作业空间布局较差；

λ4＝0时，若0<λ3≤30%，等级为Ⅲ，作业空间布局稍差；

λ3＝0时，若λ2>30%，等级为Ⅱ，作业空间布局较好；

λ3＝0时，若λ2≤30%，等级为Ⅰ，作业空间布局良好。

说明书

基于工效测评仿真平台的飞行员上肢作业域测评系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种飞行员上肢作业域的测评系统，可测评基于飞机座舱仿真平台上飞行员进行飞行操作时上肢作业域，进而测评飞机驾驶舱作业空间布局的合理性。

背景技术

[0002] 当前，飞行任务与飞行环境复杂化对飞行员的飞行操作提出了更高的要求。因此，对于飞行员安全、有效和舒适操作的研究，成为航空人机工效学的主要内容。驾驶舱作业空间的布局不合理不仅增加了飞行员的操作难度，降低飞行品质，甚至会影响飞行安全。飞行员长时间进行不舒适操作不仅会增加工作负荷，引起身体疲劳，更会影响身体健康。为了使飞行操作更加安全舒适，针对驾驶舱内飞行员飞行操作的上肢作业域测评成为飞机驾驶舱作业空间布局的重要参考标准。在评测方法上，国内外学者也展开了多项研究工作。现有的研究大都是在人体生物力学模型的基础上，抽取特定的操作，如驾驶杆操作进行分析。所采用的方法也都是通过计算公式结合虚拟仿真程序，如CATIA，Jack建立的驾驶舱模型与人体模型进行测评。这种测评过于抽象、片面，与飞行员在真实驾驶舱内进行飞行操作，完成飞行任务的过程有很大的差异，因此测评的可信度是有限的，需要通过真实驾驶舱内飞行过程中飞行员的实际操作进行验证才能确定评测结果的科学性，而这种通过真实飞行检验的测评结果的代价是非常昂贵的，也无法为前期的驾驶舱作业空间布局设计提供参考。因此，需要一种更加接近真实飞机驾驶舱布局和飞行员实际飞行操作的方法进行飞行员上肢作业域的测评，使测评结果更加科学可信，并能指导飞机驾驶舱作业空间的布局设计。

发明内容

[0003] 本发明的技术解决问题是：提供一种基于工效测评仿真平台的飞行员上肢作业域测评系统。

[0004] 根据本发明的一个实施例的技术解决方案是：一种基于工效测评仿真平台的飞行员上肢作业域测评系统包括工效测评仿真平台子系统、三维空间坐标定位子系统、飞行员上肢作业域测评子系统。其中，工效测评仿真平台子系统包括飞机仿真模块、仿真驾驶舱模块、仿真系统控制台模块；三维空间坐标定位子系统包括数据手套、三维空间位置跟踪器。作业域测评子系统包括飞行员上肢作业域计算模块,飞行员上肢作业域划分模块,飞行员手部三维坐标点输入模块,飞行员上肢作业域测评模块。

[0005] 仿真系统控制台模块结合仿真驾驶舱模块，用于建立通用大型客机驾驶舱仿真设备，为飞行员提供飞行操作的驾驶盘、按键等仿真件，并结合飞机仿真模块为飞行操作模拟提供仿真平台；三维空间坐标定位子系统用于采集飞行员飞行模拟过程中双手食指指尖操作动作和位置三维坐标点，然后，通过飞行员上肢作业域测评子系统测评该驾驶舱作业空间的合理性，指导驾驶舱的作业空间布局设计实践。

[0006] 本发明与现有技术相比的优点在于：（1）工效测评仿真平台子系统是一个完善仿真平台，在该平台上进行的操作具有较高可信度；（2）工效测评仿真平台子系统中的仿真驾驶舱模块根据真实大型客机驾驶舱的尺寸和布局构建，与仿真系统控制台相结合，能够使飞行员的飞行操作更加接近实际飞行；（3）三维空间坐标定位子系统能够在很短的时间间隔（可精确到毫秒）内捕捉飞行员手部操作位置的三维坐标点，并且能准确标定到每个手指，避免了以前需要通过数学计算或测量才能得到坐标点的缺陷。三维空间坐标定位子系统结合工效测评仿真平台子系统可获得数千个坐标点，为测评提供了大量精确的数据，提高了测评的准确性；（4）飞行员上肢作业域测评子系统采用了飞行员人体生物力学模型与飞行员飞行模拟获得的手部操作位置三维坐标点进行比较的方法，使理论与实践得到很好的结合。（5）采用本发明可以在飞机驾驶舱作业空间布局设计的初期阶段进行指导，有效地缩短了研制周期，降低设计成本。

[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于工效测评仿真平台的飞行员上肢作业域测评系统，其特征在于包括：

[0008] 工效测评仿真平台子系统，用于提供飞行模拟操作环境；

[0009] 三维空间坐标定位子系统，用于在飞行模拟过程中采集飞行员双手食指指尖三维坐标值；

[0010] 飞行员上肢作业域测评子系统，用于对驾驶舱作业空间布局进行测评。

附图说明

[0011] 图1为根据本发明的一个实施例的飞行员上肢作业域的测评系统的结构图。

[0012] 图2为根据本发明的一个实施例的仿真驾驶舱模块结构图。

[0013] 图3为根据本发明的一个实施例的飞行员上肢作业域评测子系统工作流程图。

[0014] 图4为根据本发明的一个实施例的飞行员人体生物力学模型图。

[0015] 图5A-图5C为根据本发明的一个实施例的飞行员上肢作业域测评界面示例图。

具体实施方式

[0016] 如图1所示，根据本发明的一个实施例的飞行员上肢作业域的测评系统包括工效测评仿真平台子系统（1）、三维空间坐标定位子系统（2）、飞行员上肢作业域测评子系统（3）。

[0017] 根据本发明的一个实施例的飞行员上肢作业域测评子系统（3）包括飞行员上肢作业域计算模块（31）,飞行员上肢作业域划分模块（32）,飞行员手部三维坐标点输入模块（33）,飞行员上肢作业域测评模块（34）。

[0018] 在根据本发明的实施例的一个具体实例中，飞行员上肢作业域测评子系统（3）由Matal软件编写，其示例性界面如图5A至图5C所示。根据本发明的一个实施例的工作流程如图3所示,其中飞行员上肢作业域计算模块（31）是由飞行员人体生物力学模型推导出飞行员上肢作业域计算公式。

[0019] 在本发明的一个实施例中,用到了现有技术的工效测评仿真平台子系统。工效测评仿真平台子系统包括飞机仿真模块、仿真驾驶舱模块、仿真系统控制台模块。

[0020] 根据本发明的一个实施例的飞机仿真模块包括飞行操纵子模块、燃油子模块、液压子模块、起落架子模块。飞行操纵子模块仿真飞机的主操纵系统和辅助操纵系统的工作逻辑和系统特性，包括横滚操纵、俯仰操纵等；燃油子模块对燃油系统的工作逻辑和系统特性进行仿真，主要包括油量指示系统以及燃油分布系统等；液压子模块主要对液压系统的工作逻辑和系统特性进行仿真，为收放起落架、收放襟翼等功能提供仿真信号；起落架子模块主要实现主起落架、前起落架的工作逻辑和系统特性，以支持起落架系统正常工作。起落架操纵在控制台系统设置实现。

[0021] 根据本发明的一个实施例的仿真驾驶舱模块的结构如图2所示，驾驶舱显控面板最上面是一个仿真件遮光板。仿真件遮光板下面并列排布了3个多功能显示（MFD，Multi-Function Display）的液晶屏,位于驾驶舱左部的是一个仿真件驾驶盘和一个仿真件座椅,左边放置了一个用于显示飞行信息的19寸多功能显示（MFD）的液晶屏,右部的是一个示意件驾驶盘和示意件座椅,两个驾驶盘中间布置了一个19英寸多功能显示（MFD，Multi-Function Display）的触摸屏。飞行员通过操纵仿真件驾驶盘机构控制副翼和升降舵，实现飞机横滚和俯仰。向左(逆时针)、向右(顺时针)转动驾驶盘时，副翼偏转实现飞机横滚控制；推、拉驾驶杆时，控制升降舵偏转，从而实现飞机的纵向俯仰操纵。

[0022] 仿真系统控制台模块具备以下功能：系统冻结、系统复位与退出功能；对起落架操作功能；状态抽样功能，通过读取抽样文件，使系统恢复到文件存储时的状态，至少具备起飞、巡航、降落三个状态抽样；调用工效测评程序的功能，为工效测评程序预留速度、高度、姿态接口，输出相关飞行数据，以进行工效测评。

[0023] 在本发明的一个实施例中,用到了现有技术的三维空间坐标定位系统，包括数据手套和三维空间位置跟踪器，数据手套是虚拟现实应用主要交互设备，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，有左手和右手之分。数据手套包括固定在弹性纤维手套上的光导纤维和带式三维跟踪传感器，在每根手指的关节处有一个光导纤维环.光纤由塑料管束成若干路，以适应手指的弯曲运动。三维空间位置跟踪器是用于空间跟踪定位的装置，一般与数据手套结合使用，可以跟踪和输出数据手套中传感器的位置。在根据本发明的实施例的一个具体实例中，采用了加拿大Measurand公司的Shapehand数据手套，结合Ascension公司的鸟群跟踪器（Flock of Birds），捕捉飞行员进行模拟飞行操作时双手食指指尖的三维坐标点，输出捕捉点的三维坐标值。

[0024] 如图4所示，根据本发明的一个实施例的飞行员人体生物力学模型将人体简化为杠杆铰链机构；将该模型置于模拟驾驶舱硬件模块中，以座椅椅面中位参考点为原点建立三维空间坐标系。在根据本发明的一个实施例中，躯干设定一个自由度，绕Y轴旋转，α为躯干角，是躯干与Z轴的夹角，向后倾斜时躯干角为负,向前倾斜时躯干角为正。飞行员上肢作业域是手臂伸直状态下指尖所能触及的范围，本发明中采用食指指尖，因此，将飞行员的上臂、前臂及手指总长度看作一条直线绕肩关节点B、C，在以座椅中位点为原点的三维空间坐标系中作转动。在每一个等高面上，上肢作业域的包络线为以肩关节为圆心的圆弧，其表达式可以在建立的三维空间坐标系中求解。

[0025] 表1中国成年男性上肢各环节与身高的比例关系

[0026]体段 全身 头颈 躯干 肩宽 上臂 前臂 手
长度 L 0.19L 0.29L 0.224L 0.19L 0.14L 0.11L

[0027] 根据GB10000-88标准中的人体测量基础数据推导出飞行员各部位尺寸与身高L的比例关系，见表1，用几何法求得飞行员上肢作业域的计算公式如下：

[0028]

[0029] 飞行员上肢作业域测评子系统（3）中飞行员上肢作业域划分模块（32），参考了HB6154-88和GJB35B-2008中的相关标准，将飞行员上肢作业域划分为三个区域。第一个区域是舒适域，即当飞行员保持巡航坐姿，α=-15°时，手臂自然伸展情况下双手食指指尖能够达到和操作的区域；第二个区域是功能可达域，即当飞行员保持巡航坐姿，α=-15°时，手臂和肩部肌肉最大伸张情况下，双手食指指尖能够到达和操作的区域，第二区域比第一区域向外延伸50mm；第三区域为最大可达域，即当飞行员保持巡航坐姿，α=35°时，手臂自然伸展情况下双手食指指尖能够达到和操作的区域。驾驶舱内上肢作业域以外的区域是第四区域，为飞行员上肢不能达到的区域，即非作业域。

[0030] 飞行员上肢作业域测评子系统（3）中的飞行员手部三维坐标点输入模块（33）是一个接口模块，用于将三维空间坐标定位子系统（2）采集到的飞行员双手食指指尖三位坐标点以文本格式输入飞行员上肢作业域测评子系统（3）。

[0031] 飞行员上肢作业域测评子系统（3）中的飞行员上肢作业域测评模块（34）是结合飞行员上肢作业域计算模块（31）、飞行员上肢作业域划分模块（32）两个部分进行测评的，测评流程如下：

[0032] （1）输入进行飞行模拟的飞行员身高，按照飞行员上肢作业域划分方法生成飞行员上肢作业域三维包络图，将三维空间分为舒适域、功能可达域、最大可达域、非作业域四个区域。

[0033] （2）输入飞行模拟过程中采集的飞行员手部操作位置三维坐标点，分别计算落在每个区域内坐标点的百分数λi，舒适域为λ1，功能可达域为λ2，最大可达域为λ3，非作业域为λ4。

[0034] （3）判断λi的值，进行该驾驶舱作业空间布局合理性的测评，飞行员上肢作业域测评量表见表2。λ4>0时，等级为Ⅴ，作业空间布局很差；λ4＝0时，若λ3>30%，等级为Ⅳ，作业空间布局较差；λ4＝0时，若0<λ3≤30%，等级为Ⅲ，作业空间布局稍差；λ3＝0时，若λ2>30%，等级为Ⅱ，作业空间布局较好；λ3＝0时，若λ2≤30%，等级为Ⅰ，作业空间布局良好。最终根据以上测评标准进行判断，得出测评结果。测评结果以图像和文档格式体现,可进行输出和保存。

[0035] 表2飞行员上肢作业域测评量表

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