平视显示飞行仿真系统的人机功效评价

闫思齐 姜苈峰

摘 要：在中国大型客机的发展中，平视显示器（HUD）信息显示的人性化设计越来越受到重视。已建立十九个方程耦合的飞行仿真模型，并利用GL Studio建立了由飞行仿真方程驱动的HUD模型[1-2]。对实验对象进行工效学实验，根据受试者的反应时间和的正确率，分析平视显示器模型信息显示的人性化程度。通过对受试者模拟飞行操作的实验和实验结果分析，得到了适合人体特征的HUD信息显示特征，主要是显示信息的颜色和尺寸。

关键词：飞行仿真；HUD模型；人机功效评价

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.109

1 飞行仿真模型

以某型号飞机为参考，利用六自由度飞机建模的一般方法和原理，建立了起飞、巡航和着陆过程的数学模型。刚性飞行器的运动建模包括六个质心对应的六自由度运动方程，其中三个方程表示质心运动，其余三个方程表示质心旋转。另外，还包含了六个运动学方程，用来表示空间位置和姿态的变化。由于空气动力学参数的非线性，飞行运动微分方程是常系数的变系数非线性方程组，采用数值迭代法求解方程组。

2 工效学实验设计与实施

根据GJB1010-90标准[3]，显示信息的字体大小和颜色是HUD界面主要研究对象，本文测试两个字符大小（5毫米；10毫米）和三种显示的颜色（蓝色；绿色；黄色）[4]。拟通过对实验数据的统计分析，得到尺寸和颜色对信息获取的影响。

研究对象为空军航空大学16名具有相关航空知识背景的学生，无色盲。飞行仿真要求受试者在整个操纵过程中对模型平视显示器显示的数据进行监控。当参数达到一定阈值时，为了保持正常飞行，受试者应立即做出反应。例如，当空速达到一定值时，应将油门杆拉回，起落架应根据状态警告予以收回或放下。在飞行模拟任务中，空速、航向、气压等数据都会出现随机干扰，导致标度指针和显示值的变化，要求受试者尽可能快地读出这些变化，并按相应的键进行调整。所有这些任务都被认为是主要任务。模拟程序将自动记录按键的正确率和反应时间测量任务性能。

3 实验结果与分析

实验测试结果如图1和图2所示，方差分析显示，在主要任务中，字符颜色的主效应（p<0.001）和字符大小和颜色的交互作用（P=0.346）有显著的统计学意义（p=0.004），但字符大小的主要影响不显著（P=3）。由于显著的交互效应，字符大小与颜色的匹配成为影响任务绩效的主要因素。绿色或黄色目标的最佳识别尺寸为5mm，蓝色目标则需要较大的尺寸。绿色和黄色适合作为界面字符颜色，蓝色只能用于较大的目标。另外，绿色和黄色在尺寸上稍微难以识别，然而，蓝色应该用在更大的尺寸上以获得更好的识别。

对于正确的运算速度，方差分析表明，字符大小和颜色的交互影响是显著的（P=0.009）。进一步的实验表明，在5毫米字符大小的条件下，绿色和黄色的正确率显著高于蓝色（分别为p=0.013和p<0.001），而綠色和黄色的差异不显著（P=0.927）。绿色和黄色目标的识别优于蓝色，但不明显。在10毫米字符大小的条件下，蓝色和绿色（p=0.071）、蓝色和黄色（p=0.109）、绿色和黄色（P=0.997）之间的差异不显著。绿色和黄色目标的识别优于蓝色，但不明显。与5毫米性状相比，蓝色目标的识别率有所提高，而绿色和黄色略有下降。

方差分析表明，字符大小和颜色的交互作用显著（p=0.004）。进一步的实验表明，在5毫米字符大小的条件下，绿黄反应时间显著高于蓝（p<0.001，p=0.017），但绿黄差异不显著（p=0.925）。在10毫米字符大小的条件下，蓝色和绿色（p=0.695）、蓝色和黄色（p=0.735）、绿色和黄色（P=0.990）之间的差异不显著。对绿色和黄色字符的识别仍优于蓝色，但不明显，与5毫米的条件相比，对蓝色目标的识别速度较快，而对绿色和黄色目标的识别略有减慢。

参考文献：

[1]孙鑫.进一步解释vc++第一版[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]Jeffrey Richter， Programming applications for Microsoft Windows，4th ed.， Beijing：Mechinery Industry Press，2000.

[3]GJB1016-90-1990，机载电子/光显示系统通用技术条件[S].

[4]郭小朝，刘宝善，马雪松，伊丽，熊端琴.歼击机座舱通用显示信息及其优先级的确定[J].中华航空航天医学杂志，2006（04）：260-263.