牛海燕，田 亮，白雅娟，鄒 雷

(北京特種車輛研究所，北京100072)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

工效試驗(yàn)是考核駕駛員在規(guī)定的作業(yè)時間內(nèi)，完成作業(yè)任務(wù)的工作效能.裝甲車輛駕駛艙工效試驗(yàn)系統(tǒng)必須具備以下幾個要素:為駕駛員提供作業(yè)任務(wù);為駕駛員完成作業(yè)任務(wù)提供人機(jī)交互界面;能考核駕駛員作業(yè)任務(wù)的完成情況;能監(jiān)測駕駛員操作過程中作業(yè)績效參數(shù)的變化.只有具備以上幾個要素，才能深入開展人機(jī)工效分析與評價研究[1].

本研究中設(shè)計(jì)的駕駛艙工效學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)具有以下5項(xiàng)主要功能:

1)人機(jī)界面空間布局可設(shè)定.

在模擬某型號裝甲車輛駕駛艙工作空間、工作座椅、顯示裝置、操縱裝置和觀瞄裝置的安裝位置、結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，按照人機(jī)工程學(xué)原理，確定調(diào)整范圍，設(shè)計(jì)內(nèi)部空間和各裝置安裝位置的三維調(diào)整機(jī)構(gòu).通過調(diào)整各裝置安裝位置既可設(shè)定人機(jī)界面空間布局，也可用于開展人機(jī)界面空間布局作業(yè)可達(dá)性、可視性、舒適性等工效學(xué)研究[2].

2)操縱裝置的操縱力可調(diào)節(jié).

在駕駛艙的手操縱裝置(左、右操縱桿、變速桿)、腳操縱裝置(油門踏板、離合踏板、制動踏板)上分別設(shè)計(jì)力反饋系統(tǒng)，獲得操縱裝置輸出的反力，反力的大小既可自行設(shè)置.也可根據(jù)視景變化情況使用特定模型生成.依此開展操縱力適宜性研究.

3)試驗(yàn)科目復(fù)雜程度可設(shè)定.

因孟晚舟豐富的履歷，外界紛紛猜測她將是華為下一任接班人。不過，任正非曾表示，華為從創(chuàng)立那一天起，確立的路線就是任人唯賢，而不是任人唯親。

依據(jù)駕駛教范，設(shè)置3個難度等級的試驗(yàn)科目，每個科目都有作業(yè)成績評定標(biāo)準(zhǔn)，在駕駛員完成作業(yè)任務(wù)后給出科目考核成績.依此開展作業(yè)復(fù)雜性對駕駛員工效的影響研究.

4)駕駛員作業(yè)績效參數(shù)可監(jiān)測.

篩選出能夠表征駕駛員作業(yè)績效的參數(shù).通過實(shí)時監(jiān)測參數(shù)變化，進(jìn)行分析作業(yè)過程中駕駛員生理和心理的疲勞程度.疲勞是人機(jī)工效學(xué)研究的重要內(nèi)容之一.

5)駕駛員的作業(yè)過程可監(jiān)控.

監(jiān)控作業(yè)過程中駕駛員的作業(yè)行為，結(jié)合作業(yè)任務(wù)，分析駕駛員作業(yè)的誤操作率，依此開展作業(yè)可靠性研究.

試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)圖1所示思路設(shè)計(jì).其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 駕駛艙工效試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路框圖

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)從總體結(jié)構(gòu)上分為主控臺和試驗(yàn)臺兩部分.主控臺由1臺主機(jī)和2臺顯示器組成.操控顯示器用于主試人員設(shè)置試驗(yàn)任務(wù)和監(jiān)控駕駛員狀態(tài)，顯示本系統(tǒng)中的各軟件界面，包括試驗(yàn)科目設(shè)定、科目考核成績以及成績評定的詳細(xì)內(nèi)容、作業(yè)績效參數(shù)變化曲線、力反饋系統(tǒng)用戶設(shè)置及實(shí)際測量值的實(shí)時顯示、試驗(yàn)過程監(jiān)控畫面，等等;主控臺視景顯示器與試驗(yàn)臺視景顯示器顯示內(nèi)容相同，用于主試人員掌握駕駛員接收到的作業(yè)指令和場景.試驗(yàn)臺由形成人機(jī)界面交互的駕駛艙機(jī)械結(jié)構(gòu)、人機(jī)工效分析系統(tǒng)、視景顯示器、輔助設(shè)備等裝置組成.

裝甲車輛駕駛艙人機(jī)界面的基本組成要素包括工作空間、工作座椅、操縱裝置(左右操縱桿、油門踏板、制動踏板、離合器踏板、變速桿等)、觀瞄裝置(潛望鏡和顯示器)、顯示裝置(主儀表板等).試驗(yàn)臺中組成人機(jī)界面的各部件安裝位置均設(shè)計(jì)有三維調(diào)整機(jī)構(gòu).通過調(diào)整各部件安裝位置，能夠形成5至95百分位駕駛員的最優(yōu)人機(jī)界面布局.人機(jī)工效分析系統(tǒng)包括操縱裝置力反饋控制系統(tǒng)、主儀表板控制系統(tǒng)、運(yùn)動時/反應(yīng)時監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，等等.輔助設(shè)備主要用于增強(qiáng)駕駛員的作業(yè)真實(shí)感，包括照明燈、音響，等等.駕駛員通過潛望鏡觀察路面，視景顯示器為駕駛員提供視覺場景，并顯示下達(dá)給駕駛員的作業(yè)指令.

試驗(yàn)臺電控部分的設(shè)計(jì)主要包括主儀表板和操縱裝置.在車輛實(shí)際使用中，駕駛艙主儀表板的顯示和控制關(guān)系到整個車輛的狀態(tài).而試驗(yàn)系統(tǒng)作為一套駕駛艙半實(shí)物仿真裝置，對主儀表板的仿真不可能達(dá)到實(shí)際的狀態(tài).在本試驗(yàn)系統(tǒng)中，對主儀表板實(shí)現(xiàn)電控的目的是開展儀表信息可判讀性、儀表顯示與控制組合方式等工效學(xué)研究.因此，對主儀表板上的用于顯示的儀表和指示燈實(shí)現(xiàn)電可控，對用于控制的按鈕和開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行采集并傳輸至計(jì)算機(jī).主儀表板包括多個儀表、按鈕、六位撥碼開關(guān)、兩位開關(guān)和三位開關(guān)，等等.操縱裝置的電控部分根據(jù)車輛使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì).對操縱裝置加裝傳感器和接口電路，將駕駛員的操作數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行解算車輛姿態(tài).主要操縱裝置包括左右操縱桿、油門、剎車、離合器和變速桿等.試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用上、下位機(jī)的方式，下位機(jī)利用單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)的處理后，通過標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸給上位計(jì)算機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是模塊化程度高、對外引線簡單、可靠性好、設(shè)計(jì)靈活且性能價格比較高.

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 視景系統(tǒng)

視景系統(tǒng)為駕駛員提供視場和試驗(yàn)科目，主要包括車輛工作狀態(tài)音響模擬、車輛動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)實(shí)時解算、三維場景繪制與多窗口同步、串口數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)科目管理等功能.工作原理是通過串行總線采集駕駛艙內(nèi)硬件設(shè)備的信號，計(jì)算機(jī)根據(jù)硬件設(shè)備的操縱信號實(shí)時解算車輛的狀態(tài)，繪制潛望鏡呈現(xiàn)出的車外全景三維圖像，輸出到視景顯示器，并根據(jù)車輛狀態(tài)同步輸出三維戰(zhàn)場聲音到立體聲環(huán)繞音響設(shè)備.

依據(jù)所模擬型號的駕駛教范設(shè)置試驗(yàn)科目，試驗(yàn)科目與實(shí)際訓(xùn)練科目相同.試驗(yàn)任務(wù)結(jié)束后，給出駕駛員的科目考核總成績及詳細(xì)扣分情況.試驗(yàn)科目按照任務(wù)復(fù)雜程度從簡至難分為基本駕駛科目、技能考核科目和綜合考核科目，共計(jì)18個駕駛科目.其中基本駕駛科目包括基本作業(yè)、依次換擋駕駛和調(diào)控速度駕駛;技能考核科目包括上坡路、直角限制路、彎道限制路、下坡樁間限制路、車轍橋、土嶺和彈坑等路面上的駕駛技能;綜合考核科目進(jìn)行不同地形的路面駕駛，包括高原、公路、越野、冰雪、沙漠和海灘等地形路面的駕駛.

試驗(yàn)系統(tǒng)作為一套半實(shí)物仿真系統(tǒng)，只有具備良好的逼真度才能保證人機(jī)工效分析的準(zhǔn)確性.視景系統(tǒng)通過進(jìn)行車輛動力學(xué)仿真、地形地物的細(xì)節(jié)仿真、試驗(yàn)科目中的各種場景仿真，如撞標(biāo)志桿、過障礙物，等等，來確保視覺逼真度;通過與車輛的工作狀態(tài)同步輸出三維戰(zhàn)場聲音，來確保聽覺逼真度.圖3為駕駛員潛望鏡視場效果.

圖3 潛望鏡視場效果

2.2 操縱裝置力反饋系統(tǒng)

駕駛艙操縱裝置的操縱力并不是越小越好，操縱力在什么范圍內(nèi)能既省力又有力量感，是操縱力適宜性研究的內(nèi)容之一.

在駕駛艙的左、右操縱桿、變速桿、油門踏板、離合踏板、制動踏板上分別設(shè)計(jì)力反饋分系統(tǒng)，對操縱裝置的操縱力進(jìn)行閉環(huán)控制.主試人員可以設(shè)置力反饋系統(tǒng)輸出的最大反力值，也可根據(jù)視景變化情況使用特定模型計(jì)算輸出的反力值，駕駛員克服反力進(jìn)行操縱，利用相應(yīng)的傳感器，對施加的力進(jìn)行動態(tài)檢測記錄.在試驗(yàn)任務(wù)結(jié)束后，對駕駛員的生理生化指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)合駕駛員主觀描述，可以開展操縱力適宜性試驗(yàn)研究.

圖4所示為力反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意框圖.在操縱桿或踏板的扭矩軸上安裝負(fù)載齒輪和編碼器，在力矩電機(jī)軸上安裝電機(jī)齒輪，將負(fù)載齒輪與電機(jī)齒輪嚙合，使電機(jī)的反力通過齒輪嚙合作用到操縱桿/踏板上.駕駛員給操縱桿/踏板施加作用力，克服電機(jī)扭矩的反力來驅(qū)動操縱桿/踏板.操縱桿/踏板扭矩軸上安裝的編碼器采集到扭矩軸的角位移后，傳輸給PC機(jī)并依據(jù)動力學(xué)模型進(jìn)行解算，再由控制器輸出作用在電機(jī)上的電流，來驅(qū)動力矩電機(jī)工作.駕駛員施加給操縱桿或腳踏板的角位移越大，作用在電機(jī)上的電流越大，力矩電機(jī)提供反力越大.當(dāng)駕駛員施加的力消失，控制器給力矩電機(jī)一個較小的力矩輸出，讓操縱桿或腳踏板回到初始位置.

圖4 力反饋系統(tǒng)原理框圖

為了使主試人員掌握駕駛員施力情況，系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制.利用2個聯(lián)軸器將動態(tài)扭矩傳感器安裝在操縱桿軸上，測量駕駛員施加給操縱桿的操縱力.將2個單方向壓力傳感器相互垂直組成陣列，安裝在踏板上，用于測量駕駛員施加給踏板的操縱力.

由于人的觸覺非常敏感，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，為了保證駕駛員的作業(yè)真實(shí)感，必須滿足觸覺對采樣頻率的要求.該方案使用FPGA技術(shù)保證力反饋控制器的采樣頻率大于1 kHz.

2.3 作業(yè)績效參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

反應(yīng)時/運(yùn)動時是駕駛員作業(yè)績效的重要參數(shù)，體現(xiàn)駕駛員工效降低的程度.反應(yīng)時是指從給出任務(wù)指令提示到駕駛員開始操作的時間，體現(xiàn)駕駛員的反應(yīng)能力，其變化能夠反映駕駛員的心理疲勞程度.運(yùn)動時是指從駕駛員開始操作到作業(yè)任務(wù)完成的時間，體現(xiàn)駕駛員的作業(yè)能力，其變化能夠反映駕駛員的生理疲勞程度.駕駛員的操作過程由發(fā)動、起車、換擋、制動、轉(zhuǎn)向等基本動作組成，對駕駛員完成基本動作的反應(yīng)時/運(yùn)動時進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，就可以客觀分析駕駛員完成作業(yè)任務(wù)的工效降低情況.

圖5為反應(yīng)時/運(yùn)動時監(jiān)測原理框圖.在左操縱桿、右操縱桿、油門踏板、制動踏板、離合踏板和變速桿的轉(zhuǎn)軸上安裝角位移編碼器.通過RC電路和高速光耦串聯(lián)實(shí)現(xiàn)濾波功能.輸出信號進(jìn)入基于FPGA的采集卡實(shí)現(xiàn)片內(nèi)濾波和增量功能從而計(jì)算出角位移.采集卡上的FPGA根據(jù)角位移的變化來判斷操作過程開始或結(jié)束時刻，使用UART協(xié)議通過串口RS232將該時刻發(fā)送給計(jì)算機(jī);當(dāng)計(jì)算機(jī)以中斷模式收到任務(wù)狀態(tài)報文后，調(diào)用相應(yīng)消息函數(shù)，利用主板上的高精度時鐘檢測當(dāng)前時刻，計(jì)算完成反應(yīng)時和運(yùn)動時.

圖5 反應(yīng)時/運(yùn)動時監(jiān)測原理

3 系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)系統(tǒng)由1臺高性能主機(jī)、3臺顯示器、駕駛艙組件、電控系統(tǒng)組件等設(shè)備組成.系統(tǒng)中主要硬件選型為:電機(jī)型號為松下齒輪減速電機(jī)56JX300K/60ZY105-2430，編碼器采用無錫瑞普科技ZSP3806-003G-2500BZ1，攝像頭分辨率為800萬像素.視景部分采用代數(shù)型多剛體動力學(xué)仿真驅(qū)動引擎Vortex來模擬車輛機(jī)動能力，可實(shí)時改變裝備技術(shù)參數(shù)與場景環(huán)境參數(shù)，并實(shí)時輸出車輛運(yùn)動姿態(tài)與車輛性能狀態(tài).采用VegaPrime2.0實(shí)現(xiàn)視場、戰(zhàn)場環(huán)境的模擬.本系統(tǒng)經(jīng)設(shè)計(jì)、開發(fā)及聯(lián)機(jī)調(diào)試，達(dá)到了預(yù)定的技術(shù)目標(biāo).

4 結(jié)束語

依據(jù)人機(jī)工效學(xué)原理，結(jié)合裝甲車輛自身的特點(diǎn)和研究重點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套駕駛艙工效學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng).利用本系統(tǒng)可以開展作業(yè)可達(dá)性、作業(yè)可視性、操縱力適宜性、儀表信息可判讀性、作業(yè)任務(wù)復(fù)雜性、駕駛員作業(yè)可靠性等方面的人機(jī)工效試驗(yàn)研究.

[1]郭北苑，方衛(wèi)寧.分布式仿真半實(shí)物機(jī)車駕駛工效學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)[J].試驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，20(7):41-44.

[2]毛恩榮，張 紅，宋正河.車輛人機(jī)工程學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2007:175-177.