基于CATIA人因工程的无人机地面站设计

张丽 何法江

摘  要： 无人机地面站是飞行员与无人机之间进行交互的唯一接口，基于人因工程相关理论进行地面站操控台的设计，是保证飞行员安全、舒适、高效完成任务的重要手段。在CATIA平台上建立操纵台模型，以数据库中现有的人体模型为基础，根据中国人体尺寸建立中国飞行员标准人体模型，从操作可达性、视野可视性两个方面对地面站操控台布局进行分析和仿真。

关键词： 无人机; 地面站; 人因工程; CATIA仿真; 人体建模

中图分类号：V279          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）06-46-03

Abstract： The GCS（Ground Control Station） is the only interface between the pilot and the UAV（Unmanned Aerial Vehicle）. It is an important means to ensure the safety， comfort and efficiency of the pilot by designing the console of GCS according to human factors engineering. The console model is built on the CATIA platform. Based on the existing human body model in the database， the Chinese pilot standard human body model is established according to the Chinese human body size. The analysis and simulation of the console are applied from two aspects： operational accessibility and visual field visibility.

Key words： UAV; ground control station; human factors engineering; CATIA simulation; operational accessibility; visual field visibility

0 引言

无人机具有体积小、成本低、使用方便、对作战环境要求低等优点，目前已成为各个国家空军装备研究中的热点。近年来随着智能控制技术迅猛发展，无人机已具备高度的自主控制能力，然而，战场瞬息万变的动态情况始终离不开地面站飞行员的判断与操作。

无人机地面站是飞行员操纵无人机执行任务的工作环境，也是飞行员与无人机信息交互的唯一界面和手段，相当于传统飞机的驾驶舱，却又区别于飞机驾驶舱。与有人机的飞行员相比，地面站的飞行员没有直观的飞行体验，所有反馈都是通过仪器仪表显示，在长时间的任务执行过程中，更容易发生疲劳、反应迟钝、操作失误等事故，因此地面站操控台的设计是否符合人因工程规范，对飞行员体力、心理和意识活动、工作效率有着重要影响，进而关系到无人机是否安全、性能是否充分发挥、作战效能如何等。因此，在我国无人机地面站的研制过程中有必要对地面站的操控台进行人因工程分析和设计，为飞行员提供一个舒适、安全、省力的驾驶环境。

本文基于CATIA平台建立了无人机地面站操控台模型和飞行员人体模型，对操控台的可达性和飞行员视野的可视性进行了仿真分析。

1 操控台人因工程研究现状

1.1 研究进展

王黎明和艾玲英[1-2]根据驾驶舱布局准则，在模糊理论和专家系统算法的基础上给出了民机驾驶舱布局方案，并在CATIA软件上进行了舒适性、可达性、可视性等方面的评价。王文军从整体角度研究了进行飞机驾驶舱人机工效设计与评估的技术流程，搭建了人机工效设计与综合评估理论体系，并开发了原型系统，对飞机驾驶舱的人机工效性能的提高起到了系统性的促进作用[3]。

Sanjog等对航空与航天领域的虚拟人体建模技术发展进行了综述，形成了关于数字人体建模在航空和航天工业应用中的综合知识体系，确定了目前尚待探索的途径和发展方向，得出未来的研究方向应该以人为本的结论[4]。Abbasow等研究了Be-200飞机驾驶舱的计算机建模与人机工效问题，基于人体工程学原理，通过Spline Extrude，Polygon Extrude方法建模，建立了各种飞机机舱布局的真实场景[5]。Karmakar等研究了将虚拟人应用于喷气式飞机飞行员视域分析的方法[6]。

1.2 仿真软件

无人机地面站操控台是一种特殊形式的驾驶舱，其主要特点和一般驾驶舱相同，如空间有限、控制系统复杂、人机接口密集等。因此，驾驶舱的设计已经成为了人因工程学在航空领域的主要研究方向，国内外使用较多的具有代表性的软件主要有法国Dassault公司的CATIA、德国THCMATH公司的RAMSIS、美国宾夕法尼亚大学的JACK等。

CATIA[7-8]是法国Dassault System公司于1982年发布的一款CAD/CAE/CAM一体化软件，广泛应用于航空领域的制造设计中，其人机分析模块可以形象地模拟实际工作中人的各种操作状态和运动姿势。

RAMSIS[9-10]于上世纪80年代由TECMATH公司与慕尼黑大学共同开发，其初始目标是解决汽车工业中的人机工程学问题。

JACK[11-12]是西門子工业软件有限公司（原UGS 公司）旗下的一款人因工程分析软件，提供了多种人机工效仿真分析工具，可进行可达域、视域、舒适性、疲劳性等相关因素的分析。

本文采用CATIA进行仿真分析。

2 操控台人因工程设计准则

2.1 座椅设计准则

座椅和飞行员的安全息息相关，一个舒适的座椅可以减轻驾驶员的疲劳程度，长时间的乘坐也可以尽可能地减轻对脊柱、腰肌等部位的损伤。在我国，无人机地面站操控台的设计缺乏人因工程的规范指导，其座椅设计尺寸与结构难免与中国人人体尺寸结构存在差异。人体最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使身体上部略向上后倾斜，保持身体上部与大腿夹角在90?～115?之间，同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度。座椅的椅盆角应置于固定位置，使座椅底板前沿向上倾斜，其座板板面与平行于目视参考平面之间形成7?夹角[13]。

2.2 显示设备布局设计准则

显示设备的布局设计主要以人眼的视觉特性为基础。视觉特性主要有视角特性、视距特性和视野特性。

视角是观察对象两端视线的夹角。视距指眼睛至被观察对象的距离。视角与视距和被观察对象两端点的直线距离有关，用公式表示为：

其中，a为视角，D为被观察对象两端点的直线距离，L为视距。

人在观察各种显示仪表时，视距过远或过近对认读速度和准确性都不利。一般应根据被观察对象的大小和形状在 380～760mm之间选择最佳视距。本文设计对象中的显示屏为21.5英寸，因此选择视距为630mm。

3 基于CATIA的人因工程仿真分析

3.1 飞行员人体模型的建立

由于CATIA V5 HBR模块的数据库中没有中国人人体尺寸数据，因此在设计中首先选取与中国人平均身材最为接近的日本人人体模型，构造一个日本人的标准人体模型，再通过HME模块，根据中国人体数据进行尺寸编辑得到所需的中国人的人体模型，如图1所示。

3.2 操纵可达性及舒适性分析

人体模型对控制台的仿真模拟主要是坐姿人体手臂的可达性分析。人体模型在背部紧靠椅背不动、仅仅依靠肩周之下手臂运动的双手可达区域为图2中阴影区域所示，由仿真效果可以看出，双手可达区域涵盖了操控台的前方大部分区域，足够覆盖所要求的控制器范围，因此手部操作适应性良好。

3.3 可视性分析

人的双眼视野范围在 CATIA 中计算为类似椭圆视野。飞行员处于坐姿状态时，其视线通常会偏离标准视线向下15?。人体的双单眼视野范围通常设置为水平方向左右120?，垂直方向上下35?。通过可视性分析可定性分析驾驶员处于设计眼位，正常视线时，对显示设备的观察。

对飞行员模型进行视野模拟，在人体模型上身背靠椅背不动的约束下，仅依靠扭动脖颈调整眼睛朝向，进行平视、视界下限模拟，如图3所示。

图3中可以表明，飞行员的平视视野良好，可以清楚地看清中间的显示屏;视界上下限之内可以清楚地看清最上面和最下面的显示屏。因此，驾驶舱布局总体视野效果良好，设计合理。

4 结束语

通过对无人机地面站操控台进行人因工程仿真分析，可以明确各个设备布局是否合理，良好的布局设计将提升无人机在飞行员操作和生存环境等性能，为飞行员提供一个舒适、安全、省力的工作环境，为高效的飞行控制和圆满的完成任务提供保障。本文在CAITA V5平台建立了操控台模型，基于中国人的人体尺寸数据，建立了符合中国飞行员身材尺寸的人体模型，从虚拟人的操作可达性、视野可视性两个方面对操控台进行了仿真分析。进一步将更多地从定量的角度开展操控台人因工程的分析研究。

参考文献（References）：

[1] 王黎明.基于知识库的飞机驾驶舱布局设计方法研究[D].西北工业大学，2004.

[2] 艾玲英.智能化飞机驾驶舱空间布局设计方法的研究[D].西北工业大学，2005.

[3] 王文军. 飞机驾驶舱人机工效设计与综合评估关键技术[D].西北工业大学，2015.

[4] J Sanjog， S Karmakar， T Patel， A Chowdhury. Towardsvirtual ergonomics： aviation and aerospace[J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology，2015.87（3）：266-273

[5] I B Abbasov， V V Orekhov. Computational modeling ofpassenger amphibian aircraft Be-200 cabin interior[J].Advances in Engineering Software，2014.76：154-160

[6] S Karmakar， M S Pal， D Majumdar， D Majumdar.Application of digital human modeling and simulation for vision analysis of pilots in a jet aircraft： a case study [J].Work-A Journal of Prevention Assessment & Rehabilitation，2012.41：3412-3418

[7] 江洪.CATIA V5基础教程[M].机械工业出版社，2017.

[8] 叶坤武，魏思东，包涵.面向驾驶舱布局優化的手部操作研究[J].机械科学与技术，2018.37（5）：747-752

[9] C Vogt， C Mergl， H Bubb. Interior layout design ofpassenger vehicles with RAMSIS [J]. Human Factors and Ergonomics In Manufacturing. 2005.15（2）：197-212

[10] W Remlinger， H Bubb， H Wirsching. New features for thesight analysis with RAMSIS [A].Digital Human Modeling for Design and Engineering Conference and Exhibition[C]，2008.

[11] 李险峰，钮建伟.Jack人因工程基础及应用实例[M].电子工业出版社，2012.

[12] 王华亭，田宇，程广伟，王普毅，汪立国.基于JACK 的某自行高炮乘员舱人机工效评估[J].火炮发射与控制学报，2013.2：63-66

[13] HB7046-1994.民用飞机驾驶舱座椅设计要求[S].中国标准出版社，1994.