装甲车辆驾驶舱工效学试验系统方案研究

牛海燕，田 亮，白雅娟，邹 雷

(北京特种车辆研究所，北京100072)

1 系统总体设计方案

工效试验是考核驾驶员在规定的作业时间内，完成作业任务的工作效能.装甲车辆驾驶舱工效试验系统必须具备以下几个要素:为驾驶员提供作业任务;为驾驶员完成作业任务提供人机交互界面;能考核驾驶员作业任务的完成情况;能监测驾驶员操作过程中作业绩效参数的变化.只有具备以上几个要素，才能深入开展人机工效分析与评价研究[1].

本研究中设计的驾驶舱工效学试验系统具有以下5项主要功能:

1)人机界面空间布局可设定.

在模拟某型号装甲车辆驾驶舱工作空间、工作座椅、显示装置、操纵装置和观瞄装置的安装位置、结构形式的基础上，按照人机工程学原理，确定调整范围，设计内部空间和各装置安装位置的三维调整机构.通过调整各装置安装位置既可设定人机界面空间布局，也可用于开展人机界面空间布局作业可达性、可视性、舒适性等工效学研究[2].

2)操纵装置的操纵力可调节.

在驾驶舱的手操纵装置(左、右操纵杆、变速杆)、脚操纵装置(油门踏板、离合踏板、制动踏板)上分别设计力反馈系统，获得操纵装置输出的反力，反力的大小既可自行设置.也可根据视景变化情况使用特定模型生成.依此开展操纵力适宜性研究.

3)试验科目复杂程度可设定.

因孟晚舟丰富的履历，外界纷纷猜测她将是华为下一任接班人。不过，任正非曾表示，华为从创立那一天起，确立的路线就是任人唯贤，而不是任人唯亲。

依据驾驶教范，设置3个难度等级的试验科目，每个科目都有作业成绩评定标准，在驾驶员完成作业任务后给出科目考核成绩.依此开展作业复杂性对驾驶员工效的影响研究.

4)驾驶员作业绩效参数可监测.

筛选出能够表征驾驶员作业绩效的参数.通过实时监测参数变化，进行分析作业过程中驾驶员生理和心理的疲劳程度.疲劳是人机工效学研究的重要内容之一.

5)驾驶员的作业过程可监控.

监控作业过程中驾驶员的作业行为，结合作业任务，分析驾驶员作业的误操作率，依此开展作业可靠性研究.

试验系统根据图1所示思路设计.其总体结构如图2所示.

图1 驾驶舱工效试验系统设计思路框图

图2 系统总体结构示意图

该系统从总体结构上分为主控台和试验台两部分.主控台由1台主机和2台显示器组成.操控显示器用于主试人员设置试验任务和监控驾驶员状态，显示本系统中的各软件界面，包括试验科目设定、科目考核成绩以及成绩评定的详细内容、作业绩效参数变化曲线、力反馈系统用户设置及实际测量值的实时显示、试验过程监控画面，等等;主控台视景显示器与试验台视景显示器显示内容相同，用于主试人员掌握驾驶员接收到的作业指令和场景.试验台由形成人机界面交互的驾驶舱机械结构、人机工效分析系统、视景显示器、辅助设备等装置组成.

装甲车辆驾驶舱人机界面的基本组成要素包括工作空间、工作座椅、操纵装置(左右操纵杆、油门踏板、制动踏板、离合器踏板、变速杆等)、观瞄装置(潜望镜和显示器)、显示装置(主仪表板等).试验台中组成人机界面的各部件安装位置均设计有三维调整机构.通过调整各部件安装位置，能够形成5至95百分位驾驶员的最优人机界面布局.人机工效分析系统包括操纵装置力反馈控制系统、主仪表板控制系统、运动时/反应时监测系统、监控系统，等等.辅助设备主要用于增强驾驶员的作业真实感，包括照明灯、音响，等等.驾驶员通过潜望镜观察路面，视景显示器为驾驶员提供视觉场景，并显示下达给驾驶员的作业指令.

试验台电控部分的设计主要包括主仪表板和操纵装置.在车辆实际使用中，驾驶舱主仪表板的显示和控制关系到整个车辆的状态.而试验系统作为一套驾驶舱半实物仿真装置，对主仪表板的仿真不可能达到实际的状态.在本试验系统中，对主仪表板实现电控的目的是开展仪表信息可判读性、仪表显示与控制组合方式等工效学研究.因此，对主仪表板上的用于显示的仪表和指示灯实现电可控，对用于控制的按钮和开关的状态进行采集并传输至计算机.主仪表板包括多个仪表、按钮、六位拨码开关、两位开关和三位开关，等等.操纵装置的电控部分根据车辆使用情况进行设计.对操纵装置加装传感器和接口电路，将驾驶员的操作数据传输到计算机中进行解算车辆姿态.主要操纵装置包括左右操纵杆、油门、刹车、离合器和变速杆等.试验系统的数据采集采用上、下位机的方式，下位机利用单片机采集数据，经过相应的处理后，通过标准接口传输给上位计算机，其优点是模块化程度高、对外引线简单、可靠性好、设计灵活且性能价格比较高.

2 分系统设计方案

2.1 视景系统

视景系统为驾驶员提供视场和试验科目，主要包括车辆工作状态音响模拟、车辆动力学与运动学实时解算、三维场景绘制与多窗口同步、串口数据采集、试验科目管理等功能.工作原理是通过串行总线采集驾驶舱内硬件设备的信号，计算机根据硬件设备的操纵信号实时解算车辆的状态，绘制潜望镜呈现出的车外全景三维图像，输出到视景显示器，并根据车辆状态同步输出三维战场声音到立体声环绕音响设备.

依据所模拟型号的驾驶教范设置试验科目，试验科目与实际训练科目相同.试验任务结束后，给出驾驶员的科目考核总成绩及详细扣分情况.试验科目按照任务复杂程度从简至难分为基本驾驶科目、技能考核科目和综合考核科目，共计18个驾驶科目.其中基本驾驶科目包括基本作业、依次换挡驾驶和调控速度驾驶;技能考核科目包括上坡路、直角限制路、弯道限制路、下坡桩间限制路、车辙桥、土岭和弹坑等路面上的驾驶技能;综合考核科目进行不同地形的路面驾驶，包括高原、公路、越野、冰雪、沙漠和海滩等地形路面的驾驶.

试验系统作为一套半实物仿真系统，只有具备良好的逼真度才能保证人机工效分析的准确性.视景系统通过进行车辆动力学仿真、地形地物的细节仿真、试验科目中的各种场景仿真，如撞标志杆、过障碍物，等等，来确保视觉逼真度;通过与车辆的工作状态同步输出三维战场声音，来确保听觉逼真度.图3为驾驶员潜望镜视场效果.

图3 潜望镜视场效果

2.2 操纵装置力反馈系统

驾驶舱操纵装置的操纵力并不是越小越好，操纵力在什么范围内能既省力又有力量感，是操纵力适宜性研究的内容之一.

在驾驶舱的左、右操纵杆、变速杆、油门踏板、离合踏板、制动踏板上分别设计力反馈分系统，对操纵装置的操纵力进行闭环控制.主试人员可以设置力反馈系统输出的最大反力值，也可根据视景变化情况使用特定模型计算输出的反力值，驾驶员克服反力进行操纵，利用相应的传感器，对施加的力进行动态检测记录.在试验任务结束后，对驾驶员的生理生化指标进行测试，结合驾驶员主观描述，可以开展操纵力适宜性试验研究.

图4所示为力反馈系统设计示意框图.在操纵杆或踏板的扭矩轴上安装负载齿轮和编码器，在力矩电机轴上安装电机齿轮，将负载齿轮与电机齿轮啮合，使电机的反力通过齿轮啮合作用到操纵杆/踏板上.驾驶员给操纵杆/踏板施加作用力，克服电机扭矩的反力来驱动操纵杆/踏板.操纵杆/踏板扭矩轴上安装的编码器采集到扭矩轴的角位移后，传输给PC机并依据动力学模型进行解算，再由控制器输出作用在电机上的电流，来驱动力矩电机工作.驾驶员施加给操纵杆或脚踏板的角位移越大，作用在电机上的电流越大，力矩电机提供反力越大.当驾驶员施加的力消失，控制器给力矩电机一个较小的力矩输出，让操纵杆或脚踏板回到初始位置.

图4 力反馈系统原理框图

为了使主试人员掌握驾驶员施力情况，系统应该实现闭环控制.利用2个联轴器将动态扭矩传感器安装在操纵杆轴上，测量驾驶员施加给操纵杆的操纵力.将2个单方向压力传感器相互垂直组成阵列，安装在踏板上，用于测量驾驶员施加给踏板的操纵力.

由于人的触觉非常敏感，在系统设计时，为了保证驾驶员的作业真实感，必须满足触觉对采样频率的要求.该方案使用FPGA技术保证力反馈控制器的采样频率大于1 kHz.

2.3 作业绩效参数监测系统

反应时/运动时是驾驶员作业绩效的重要参数，体现驾驶员工效降低的程度.反应时是指从给出任务指令提示到驾驶员开始操作的时间，体现驾驶员的反应能力，其变化能够反映驾驶员的心理疲劳程度.运动时是指从驾驶员开始操作到作业任务完成的时间，体现驾驶员的作业能力，其变化能够反映驾驶员的生理疲劳程度.驾驶员的操作过程由发动、起车、换挡、制动、转向等基本动作组成，对驾驶员完成基本动作的反应时/运动时进行实时监测，就可以客观分析驾驶员完成作业任务的工效降低情况.

图5为反应时/运动时监测原理框图.在左操纵杆、右操纵杆、油门踏板、制动踏板、离合踏板和变速杆的转轴上安装角位移编码器.通过RC电路和高速光耦串联实现滤波功能.输出信号进入基于FPGA的采集卡实现片内滤波和增量功能从而计算出角位移.采集卡上的FPGA根据角位移的变化来判断操作过程开始或结束时刻，使用UART协议通过串口RS232将该时刻发送给计算机;当计算机以中断模式收到任务状态报文后，调用相应消息函数，利用主板上的高精度时钟检测当前时刻，计算完成反应时和运动时.

图5 反应时/运动时监测原理

3 系统方案的实现

试验系统由1台高性能主机、3台显示器、驾驶舱组件、电控系统组件等设备组成.系统中主要硬件选型为:电机型号为松下齿轮减速电机56JX300K/60ZY105-2430，编码器采用无锡瑞普科技ZSP3806-003G-2500BZ1，摄像头分辨率为800万像素.视景部分采用代数型多刚体动力学仿真驱动引擎Vortex来模拟车辆机动能力，可实时改变装备技术参数与场景环境参数，并实时输出车辆运动姿态与车辆性能状态.采用VegaPrime2.0实现视场、战场环境的模拟.本系统经设计、开发及联机调试，达到了预定的技术目标.

4 结束语

依据人机工效学原理，结合装甲车辆自身的特点和研究重点，设计并实现了一套驾驶舱工效学试验系统.利用本系统可以开展作业可达性、作业可视性、操纵力适宜性、仪表信息可判读性、作业任务复杂性、驾驶员作业可靠性等方面的人机工效试验研究.

[1]郭北苑，方卫宁.分布式仿真半实物机车驾驶工效学试验系统[J].试验技术与管理，2005，20(7):41-44.

[2]毛恩荣，张 红，宋正河.车辆人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社，2007:175-177.