战斗机座舱人机界面基本模型分析

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卷 年
面的设计不断优化 ,满足人机工效的要求 。 新一代航空操作平台的开发研究工作主要集中
在显示信息需求 、信息显示格式 、座舱软件界面 、飞 行员情景意识 、人员决策辅助 、座舱操作自动化 、飞 行引导与控制 、指令输入设备等问题上 。
在国外 , 近些年仍有许多研究集中在平视仪 ( Head Up Display ,HUD) 、下视仪 ( Head Down Display , HDD) 、多功能显示器 (Multifunction Display ,MFD) 、头 盔显示器 ( Head Mounted Display , HMD) 等信息显示 优化方面 。三维立体显示器的研制和开发成为一种 新的显示选择 。采用握杆操纵 ( Hands On the Throttle And Stick ,HOTAS) 技术 ,把飞行操纵中需要同时完 成的转换控制器布置在飞机油门杆和驾驶杆上 ,以 保证飞行员在平视飞行状态能够双手握杆同时完成 飞机控制和武器投放等重要操作 ,是高性能战斗机 普遍采用的控制设计 。目前 ,正致力于探讨飞行员 内在操作模型和自动化系统运行模式之间的匹配和 兼容 ,呼唤以人为本的自动化设计 。
笔者对战斗机座舱人机界面中的飞行员和战斗 机的组成部分进行工效分析 ,在此基础上建立了战 斗机座舱人机界面三要素基本模型 ,并利用不同的 线条表示了三要素间不同程度的相互作用关系 。
2 战斗机座舱人机界面基本模型
在人机界面上 ,向飞行员表达战斗机飞行状态 的仪表或器件叫显示器 ,供飞行员操纵战斗机飞行 的装置或器件叫控制器 。对战斗机来说 ,控制器执 行的功能是输入 ,显示器执行的功能是输出[2] 。飞 行员通过感受器接受战斗机的输出效应 (例如 :显示 其所显示的数值) 是输入 ;通过运动器操纵控制器 ,
1 引 言
战斗机座舱人机界面是飞行员与战斗机间发生 信息交互作用的窗口 ,所有的人机信息交流都是通 过该窗口进行的 ,该窗口通常称为人机界面[1] 。通
过该窗口 ,飞行员获得显示系统提供的信息 ,对信息 进行分析处理 ,做出决策 ,通过战斗机控制系统执行 决策 ,完成对战斗机的控制 。随着战斗机的不断改 良 ,飞行员接收的信息越来越多 ,对飞行员的要求越 来越高 ,而人的能力是有极限的 ,这就要求对人机界
3 三要素工效学分析
311 飞行员感受器工效学分析 31111 飞行员视觉分析
飞行员主要是通过视觉 、听觉和体觉来接收外 部信息 ,其中视觉最为重要 ,大约有 80 %的信息来 自视觉[3] 。此外 ,大多数人工控制也都是主要依赖 视觉显示获得和控制有关的输入信息 。
飞行员作业时双眼的视觉作业域在中心轴左右 94°,视平线上 55°～56°、下 65°～70°范围 ,其垂直面 内视野与视界如图 3 、图 4 所示 。根据视觉观察任 务的不同 ,又可把双眼总视区分成如图 4 所示的若 干子区 ,其中 - 94°～94°为视轴转动最佳区 , - 62°～ 62°为颜色识别区 , - (30°～60°) ～ (30°～60°) 为标 注 、标记识别区 , - (5°～30°) ～ (5°～30°) 为最大视 敏区 , - (5°～10°) ～ (5°～10°) 为符号识别区 , - 1°～ 1°为精细视觉区 。
Classification and code of disciplines : 620. 2040 CLC number : X912. 9 Documnet code : A Abstract : The components and functions of the man2machine interface of fighter are discussed. Every part is divided into 3 essential factors of the pilot and fighter. It is on this basis that the basic model of 3 essentials of man2machine interface in fighter’s cockpit is established. Through analysis of the mutual relationship between each component of essential factor , different lines are used to express different levels of interaction relationships. Ergonomic analysis is conducted on components of 3 essentials of pilot and fighter to discuss its role in the man2 machine interface of fighter. From the establishment of man2machine interface model and the ergonomic analysis on 3 essentials in the model , the importance and function of each factor in interface are obtained , which would provide design criteria for the man2machine interface in the fighter. Key words : fighter ; cockpit ; man2machine interface ; ergonomics ; model
图 4 眼在水平面内的工效区 Ⅰ- 视轴转动最佳区 ; Ⅱ- 颜色识别区 ; Ⅲ- 标注 、标记识别区 ; Ⅳ- 最大视敏区 ; Ⅴ- 符号识别区 ; Ⅵ- 精细视觉区 。
31112 飞行员听觉分析 听觉是仅次于视觉的重要感知途径 ,听觉与其
他感觉器官比较有其自身的特征 ,表现为 6 方面 : ①接受信息无方向性 ; ②强度辨别阈限 ; ③频率辨别阈限 ; ④方位辨别能力 ; ⑤距离知觉 ; ⑥掩蔽效应[2 ] 。
在国内 ,我国军用飞机正在引入计算机控制显 示技术 ,用平视仪 、下视仪 、多功能显示器等时分制 综合信息显示系统取代常规机电显示仪表 ,采用话 音告警技术改进听觉显示界面 ,是我国新机研制和 现役飞机改型中更新信息显示界面的主要举措 。国 产新机在普遍采用平视仪 、下视仪 、多功能显示器等 综合电子显示系统的同时 ,还大量采用握杆操纵控 制器 、显示器周边控制软键 、正前方控制板等新型控 制设计将座舱重要控制器小型化 、集中化 、多功能 化 ,以方便飞行员同时兼顾显示观察和操作控制 。 目前 ,军用飞机座舱采用大屏幕液晶显示器取代 CRT 显示器已经成为一种流行趋势和选择 。因此 , 液晶显示工效学和座舱合理自动化可能成为国内飞 机座舱显示控制界面工效学研究的重点领域 。
自己头部位置的各种变化及身体平衡状态的感觉 。 平衡觉感受器位于内耳的前庭器官 ———半规管和耳 石器中 。影响平衡觉并导致失去平衡的因素主要有 酒 、年龄 、恐惧 、突然的运动 、热紧迫 、不常有的姿势 等 。运动觉是人对自己身体各部位的位置及其运动 状态的一种内部感觉 。
312 飞行员的运动器工效学分析
执行飞行员的意图和指令则是输出 。如果把感受 器 、中枢神经系统和运动器作为飞行员的 3 个要素 , 而把战斗机的显示器 、机体和控制器作为战斗机的 3 个要素 ,并将各要素之间的联系用图表示出来 ,就 叫作三要素基本模型 。该模型如图 1 所示 。
图 1 战斗机座舱人机界面三要素基本模型
在人的三要素中 ,飞行员的感受器是眼睛 、耳朵 和身体其他感觉器官 ,运动器是手和脚 ;在战斗机的 三要素中 ,显示器主要包括视觉显示器和听觉显示 器等 ,控制器主要包括操纵杆 、油门杆 、脚蹬和各种 开关按钮等 ;战斗机座舱环境是指座舱中的温度 、压 强 、噪声 、照明和仪表板的布局及颜色等 。图 2 具体 给出了飞行员与战斗机之间的相互关系 ,而且可以 从图上得知飞行员的哪一部分与战斗机的哪一部分 有联系 ,并有何种程度的联系 。
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31211 施加力 为某控制设计的最大力或阻力应根据可能实施
该控制的最弱者所施加的最大力确定 。能施用的最 大力取决于下述诸因素 :控制类型 、实施控制采用的
Basic Model Analysis of Man2machine Interface in Fighter’s Cockpit
KANG Wei2yong WANG Li2jing , Assoc. Prof . Y UAN Xiu2gan , Prof . L IU Zhong2qi (School of Aeronautics Science & Technology ,Beijing University of Aeronautics & Astronautics ,Beijing 100083 ,China)
Ξ 文章编号 :1003 - 3033 (2006) 01 - 0049 - 06 ; 收稿日期 :2005 - 04 - 06 ; 修稿日期 :2005 - 10 - 10
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安全 Safety
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学报 Journal
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第 1 期 康 卫 勇 等 : 战 斗 机 座 舱 人 机 界 面 基 本 模 型 分 析
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图 2 战斗机座舱人机界面模型
图 3 垂直面内视野与视界 1 - 中心视轴转动时中央视觉区 ; 2 - 仅仅头部转动时中央视觉区 ; 3 - 头 、眼转动时的知觉区 。
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学 报 Vol . 1 6 No . 1
Journal
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战斗机座舱人机界面基本模型分析Ξ
康卫勇 王黎静 副教授 袁修干 教授 柳忠起
(北京航空航天大学航空科学与工程学院 ,北京 100083)
飞行员的运动器主要由手和脚组成 。由于飞行 员在执行任务时 ,需要对操纵的设备施加一定的力 量才能完成操纵任务 ,因此要求飞行员的运动器有 一定的力量 ,这里研究的力量包括施加力 、推力和拉 力 、提举力 。
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31113 飞行员的体觉分析 除人体的感受器官眼睛和耳朵接收信息之外 ,
还可以通过其他器官接收信息形成知觉 ,肤觉 、本体 感觉 。
肤觉是通过皮肤感受外界环境中与它所接触物 体受到的刺激 。人体皮肤上分布着 3 种感受器 :触
觉感受器 、温度感受器和痛觉感受器 。 本体感觉主要有平衡觉和运动觉 。平衡觉是对
学科分类与代码 :620. 2040 中图分类号 :X912. 9 文献标识码 :A 基金项目 :国家航空科学基金资助( 03B51045) 。 【摘 要】 讨论战斗机人机界面的组成部分及其功能 ,把各部分划分到飞行员和战斗机的三要素 中 ,在此基础上建立了战斗机座舱人机界面三要素基本模型 ;通过分析要素组成部分间相互关系 ,利 用不同的线条表示其不同程度的相互作用关系 ;对飞行员和战斗机的三要素组成部分进行了工效分 析 ,进而探讨其在战斗机人机界面中的作用 。通过人机界面模型的建立以及对战斗机座舱人机界面 模型中的三要素进行的工效分析 ,得出了在人机界面中各个因素的重要程度及其功能作用 ,为战斗 机座舱人机界面的设计提供了参考 。 【关键词】 战斗机 ; 座舱 ; 人机界面 ; 工效 ; 模型