舰炮瞄准装置操控界面优化设计

邵 婷,李光琛 ,张文兴,尤 栋,俞育新

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.舟山地区装备修理监修室，浙江 舟山 316000)



舰炮瞄准装置操控界面优化设计

邵 婷1,李光琛1,张文兴1,尤 栋1,俞育新2

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.舟山地区装备修理监修室，浙江 舟山 316000)

介绍了舰炮瞄准装置操控界面设计中的优化设计方法及应用，在充分考虑操作人员、设备及工作环境相互作用的前提下，以人机界面的匹配优化为总体目标，以操控台几何尺寸和各个功能单元几何可布置区域为条件，依据人机工学和人机界面最优化设计原则，参考国内战士人体模型的数据，分析操作手和操控设备的显示单元、操控单元的数据特点，以人体模型尺寸、环境使用条件为变量规划出每个单元的各器件的约束条件，确定了瞄准装置单兵操作的操控台人机界面优化设计模型，并进行工程设计。

瞄准装置；操控台；人机系统；人机界面；优化设计

本文所提及的操控系统人机界面主要指的是使用人员与机器及其工作环境相互关系的界面空间几何位置区域。在舰炮瞄准装置操控系统(以下简称操控台系统)中，人通过知觉显示设备获得关于设备的信息之后，利用人体操纵控制器件，调整和改变设备的工作状态，使其按计划目标工作。其设计最终目的是在设备安全使用的前提下，使用人员获得较为舒适、可靠、便捷的操作性能。在具体的人机操控界面设计中，要充分考虑人与机械的配合，通过查询大量操控设备的试验数据并参考相关研究结果，经分析计算和比较才能取得满意的效果[1]。笔者针对操控台人机界面的优化设计问题，重点分析基于空间几何位置匹配的优化设计方法及实际应用。

1 操控台人机界面要素

1.1 人机界面交换模型

人机界面信息包括环境信息、设备信息的显示和设备接收信息的控制。人机系统信息交换的一般模型如图1所示。

1.2 人机信息交换、控制方式及要素

在人机系统中，根据人机界面设计原则，按使用人员接收信息的不同通道，通过视觉、听觉和触觉器官接收机械和环境信息。其中以视觉、听觉获取信息最为基本和广泛。人控制设备采用身体相关部位运动实现，主要分为手部动作控制、脚部动作控制两大类控制设备完成[2]。其典型控制要素如图2所示。

2 操控台人机界面优化设计

操控台的设计，最关键的是控制器件与显示器件的布置。控制器件必须位于操控人员舒适的作业范围，一般介于肩与肘之间的空间范围内。显示器件应保证操控者能良好地观察到各个感应器件传输的设备相关信息。通过判断，操作所有控制器件，实现设备的相关功能，同时为人员在长时间操控设备时提供了方便的作业条件和舒适操控姿势。

2.1 操控台高度设计

常用操控台按坐姿位置分为两种：低式坐姿操控台和高式坐姿操控台。在实际应用中应考虑合适的容膝空间和伸展空间加以综合考虑设计，以保证操控者舒适的操控姿势和心理感受。

低式坐姿操控台的高度在坐姿人体水平视线以下，以保证操控者的视线能达到控制台前方为准；其次应把操控台面布置约高于720 mm，面板倾斜20°左右为宜。

高式坐姿操控台的高度为坐姿人体水平视线以上10°～45°范围，以保证操控者的视线能达到控制台前方各个控制、显示器件；其次应把操控台按功能单元分区布置[3]。

2.2 操控台工作面设计

为较方便舒适地显示控制操作面，根据人体测量学数据分析，应将手眼协调区布置在操控者眼前半径不大于600 mm、视角不大于60°的范围内为宜。

2.2.1 显示界面设计

尽量按照操控人员水平视线重合区以上15°至以下35°的范围内设置斜度为10°的主显示面板，配置最主要的显示器；其次在视野重合区左右水平线重合区以上10°～ 45°范围内设置斜度为20°的面板，配置辅助显示元件。显示器件选型时应考虑使用环境影响。

2.2.2 手控操控元件布置

按照在操控者视水平线以下30°～ 50°范围内设置面板，在其上配置各种控制开关、按钮等操控器件；操控人员坐姿胸前375 mm的空间内为主控界面区域，在该区域配置最关键的操控器件操纵杆、键盘以及关键开关。布置时应考虑人员操作的左、右习惯和操作的舒适性问题。

2.2.3 操纵杆

任意扳动操纵杆，通过十字分解机构，将操纵杆扳动的角度分解成纵、横2个分量，与此同时，杆头的小球压杯状体，使其向下运动，通过齿条、齿轮带动压下电位器旋转，对应输出方位、高低2个跟踪角速度。复位弹簧与弹簧使手柄自动归零。硅油阻尼器是保证平稳跟踪的，调节硅油粘度可得到不同的阻尼系数，使得归零时间可调整。其传动原理如图3所示。

2.3 操控台工作座椅设计

人体较自然舒适的工作姿势为坐姿，操控设备应保证身体处在较为稳定的姿态，因此座椅设计是人机设计的重要环节。

2.3.1 座椅设计要素

座椅结构应与各操作环节相适应，从坐姿生理学考虑，保持操作过程身体腰靠支撑、舒适并有利于两脚前后移动，减少腰椎部位受力；座椅座高、腰背高应该可调，且调节机构应可靠、简单、方便；工作座椅座面和腰靠均应使人感觉安全、舒适[4]。

2.3.2 座椅参数设计要素

参考座高360～480 mm，座宽不小于400 mm，座深不小于380 mm。座椅其余相关尺寸可依据中国成人身体尺寸确定具体数值，同时要兼顾使用空间[5]。

3 人机界面优化设计匹配函数

操控台人机界面的匹配优化程度是评价其显示、操作和控制的总体指标，建立目标函数为总函数，单个目标函数则以操控界面中各单元的器件匹配优化程度为主，分别进行多层次、多任务、多目标的最优化。而操控台系统中的显示单元、灯铃指示单元、操控单元与操作手之间匹配的合理程度，用数值来表示，介于0～l之间，距最佳位置越近就越接近于l，也就代表人与机系统界面匹配得越好。匹配优化程度的函数表达式为[6]

(1)

操控台人机系统总体效能的高低与人机界面中人体模型的选择有关。依据国内战士人体模型的数据，分析操作手和操控设备的显示单元、操控单元的数据特点，规划出每个单元的各器件的约束条件，在构建约束条件时必须以人体模型尺寸、环境使用条件为变量[7]。设计中也应以此为出发点具体分析，又相互协调开展设计,达到整体设计的最优化。

4 装备设计及应用

根据上述人机界面设计思想，设计出某型大口径舰炮炮位光电瞄准装置的操控台，其操控人机界面尺寸：550 mm×200 mm,550 mm×205 mm,336 mm×240 mm，具体操控面板布局如图4所示。

某型小口径舰炮瞄具操控人机界面尺寸：454 mm×258 mm,具体操控面板布局如图5所示。

根据人机界面优化设计匹配函数公式，解算出该两型瞄具相对应的匹配优化度数值,如表1所示。

表1 匹配优化度表

5 结束语

笔者对舰炮瞄准装置操控台人机界面操控布局设计优化方法进行了简单综合论述，依据人机工程学和人机界面最优化设计原则，对操作人员的认知特性、生理因素、心理因素进行分析，完善了操控台界面设计的步骤和方法，得出互相的约束条件和相关目标函数，建立了操控台人机操控界面优化设计的模型。

References)

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Manipulation Interface Optimized Design of Aiming Devices of Naval Gun

SHAO Ting1, LI Guangchen1, ZHANG Wenxing1, YOU Dong1, YU Yuxin2

(1.Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering,Xianyang 712099,Shaanxi,China；2.Equipment Repair Supervisor’s Office in Zhoushan Area，Zhoushan 316000, Zhejiang,China)

This article describes the optimized design method and its application in the aiming device operation interface of the naval gun. With full considerations of the interplay among operators, equipment and environment as a prerequisite, the general objective is the excellent matching of man-machine interface. According to the man-machine engineering and optimized design of the man-machine interface, the statistical characteristics of the display unit and the manipulation unit of the operation device are analyzed with reference to the human phantom data of domestic soldiers. The size of human body model and the working conditions are used as variables for the planning of constraints of each device in each unit. In conclusion, the man-machine interface optimized design model of the operating device in an aiming device by a single soldier is confirmed and is to be used for engineering design.

aiming devices; manipulation platform; man-machine system; man-machine interface; optimized design

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.016

2015-04-16

邵婷(1982—)，女，高级工程师，主要从事舰炮瞄具技术研究。E-mail：zpfst@163.com

TH703.7

A

1673-6524(2016)03-0076-04