基于虛擬仿真的UAV地面站操作舒適性評(píng)價(jià)研究

張 麗， 何法江

(上海工程技術(shù)大學(xué)， 上海 201620)

0 引 言

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)因其眾多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、使用便捷、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等，目前在各個(gè)國家中都成為了一大熱點(diǎn)。近年來，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，關(guān)于無人機(jī)自主控制的研究技術(shù)越來越成熟，然而，在實(shí)際任務(wù)執(zhí)行過程中，很多時(shí)候都需要地面站的飛行員根據(jù)實(shí)際戰(zhàn)況及時(shí)發(fā)出控制指令，飛行員仍然擁有飛機(jī)控制的最終決定權(quán)。因此，在無人機(jī)地面站的設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行操作舒適性評(píng)價(jià)，然而采用真人真機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不僅成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，而且耗時(shí)耗力，為此目前廣泛采用的是計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，利用數(shù)字化的人體模型和無人機(jī)地面站的三維模型，來進(jìn)行操作舒適性分析。

在虛擬建模技術(shù)的工程應(yīng)用研究方面，Sanjog等人[1]對(duì)虛擬人體建模技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了綜述，形成了關(guān)于數(shù)字人體建模在航空和航天工業(yè)應(yīng)用中的綜合知識(shí)體系。Abbasov等人[2]研究了Be-200飛機(jī)駕駛艙的虛擬建模與飛行員執(zhí)行任務(wù)時(shí)的操作舒適性問題，通過Spline Extrude，Polygon Extrude方法進(jìn)行建模，建立了各種飛機(jī)機(jī)艙布局的真實(shí)場景。Karmakar等人[3]針對(duì)噴氣式飛機(jī)的飛行員，對(duì)其工作狀態(tài)下的視域進(jìn)行了分析。杜娟[4]以參數(shù)化方法建立了人體模型骨骼體系，實(shí)現(xiàn)了三維人體模型動(dòng)態(tài)顯示。在駕駛艙優(yōu)化方面，鈕松[5]利用遺傳算法對(duì)駕駛艙布局進(jìn)行了優(yōu)化，基于匹配度原理，通過計(jì)算機(jī)仿真建立了駕駛艙布局模型。Liu等人[6]在確定目標(biāo)函數(shù)時(shí)，采用了最小歐氏距離的計(jì)算方法，通過PSO算法來對(duì)飛機(jī)駕駛艙的布局設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

本文利用CATIA虛擬建模仿真技術(shù)，構(gòu)建了符合中國飛行員人體尺寸的數(shù)字化人體模型，建立了人體運(yùn)動(dòng)學(xué)連桿模型，通過Matlab擬合了人體操作舒適性范圍，結(jié)合RULA評(píng)價(jià)方法，對(duì)某型號(hào)無人機(jī)地面站進(jìn)行操作舒適性分析。

1 數(shù)字化人體模型的建立

數(shù)字化人體模型是指在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建的可視化虛擬人體，在形態(tài)和動(dòng)態(tài)上極具人類特征，可以在虛擬環(huán)境中根據(jù)不同指令完成各式各樣的任務(wù)。

CAITA的Safe Work模塊中，與人體模型建立相關(guān)的是人體模型構(gòu)造模塊HBR(Human Builder)和人體模型尺寸編輯模塊HME(Human Measurements Editor )。其中，HBR模塊主要用于建立一個(gè)可以進(jìn)行互動(dòng)仿真分析的數(shù)字化人體模型，這是基于一種最佳人體模型分類系統(tǒng)的，可以非常精確地模擬人體的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征，用于精準(zhǔn)的仿真分析，評(píng)估人與產(chǎn)品的舒適性。HME模塊可以個(gè)性化地修改人體參數(shù)，創(chuàng)建自定義的數(shù)字化人體模型。本文采用的仿真軟件為CATIA V5-6R2014，在CATIA V5中，提供了103個(gè)可供修改的人體參數(shù)或操作臨界參數(shù)，諸如身高、上肢長、下肢長、坐高等參數(shù)，另外還可以定義平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，通過使用多分布的方法，確保建立的人體模型在更大程度上接近實(shí)際人體。

要建立本文所需的符合中國飛行員人體尺寸參數(shù)的虛擬人模型，需要在HB模塊中建立一個(gè)基礎(chǔ)的人體模型。在數(shù)字化人體模型建立的初始階段，需要從系統(tǒng)預(yù)設(shè)的人體模型庫中選擇一個(gè)人體模型范本，用于后期的尺寸編輯等個(gè)性化定制操作。人體尺寸參數(shù)在不同國家、不同地區(qū)的人群之間存在很大的差異。CATIA V5預(yù)設(shè)的人體模型庫中只有美國、加拿大、法國、日本、韓國這五個(gè)代表性的國家，卻沒有中國的人體模型，因此在初始建模時(shí)，只能初步選擇和中國人體尺寸最為接近的韓國人的人體模型。本文在設(shè)計(jì)時(shí)需要分別選取第5百分位、第50百分位和95百分位的人體尺寸，從而滿足大部分人的要求。研究選取的是第50%的韓國人的人體模型基準(zhǔn)如圖1所示。

(a)類別選擇界面1

(b)類別選擇界面2

當(dāng)人體模型基準(zhǔn)選擇完畢以后，初始的人體模型就建立了，如圖2所示。然而，如果直接使用韓國人的數(shù)字化人體模型進(jìn)行仿真，會(huì)降低實(shí)驗(yàn)的可信度，因此需要根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，選取中國飛行員實(shí)際的人體測量參數(shù)[7]，將建立的人體模型修改為中國飛行員的數(shù)字模型。

圖2 初步建立的人體模型

通過Human Measurements Editor模塊將各項(xiàng)人體尺寸按照標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)進(jìn)行修改，得到符合中國飛行員人體尺寸的數(shù)字化人體模型。CATIA V5可以根據(jù)虛擬人的立姿和坐姿兩種狀態(tài)對(duì)不同的尺寸項(xiàng)目進(jìn)行修改，這是因?yàn)橛行┏叽鐓?shù)只有在特定的姿態(tài)下進(jìn)行測量才更加準(zhǔn)確，減少測量誤差，如立姿狀態(tài)下可以修改身高、上肢長度、下肢長度等參數(shù)，坐姿狀態(tài)下可以修改坐姿眼高、坐深、坐寬等參數(shù)。研究給出的在立姿狀態(tài)下可修改的參數(shù)，如圖3所示。

圖3 虛擬人立姿狀態(tài)可修改的參數(shù)

通過以上步驟分別建立得到相應(yīng)的第5%、50%和95%的中國飛行員人體模型，用于后續(xù)的仿真分析。

2 操作舒適性仿真分析

通過飛行員的虛擬人體模型，對(duì)無人機(jī)地面站進(jìn)行操作舒適性仿真分析，當(dāng)飛行員在正常工作狀態(tài)時(shí)，分析該姿態(tài)下的人體舒適性。 對(duì)此可得研究闡釋如下。

2.1 操作舒適性范圍求解

根據(jù)美軍對(duì)于駕駛艙的相關(guān)研究，在坐姿工作狀態(tài)下，手部操作的舒適范圍如圖4所示。

圖4 MIL-STD中的操作舒適性范圍

由圖4可以看出，MIL-STD中，以坐位點(diǎn)SRP為參考點(diǎn)，則手部操作的最佳舒適性范圍是距離坐位點(diǎn)水平距離500～640 mm、垂直距離260～360 mm范圍內(nèi)，由于圖4中并未標(biāo)明眼位點(diǎn)的坐標(biāo)位置，因此根據(jù)圖像位置進(jìn)行估測，得到手部操作的舒適性范圍大約為距離眼位點(diǎn)水平距離260～400 mm、垂直距離300～400 mm范圍內(nèi)。

然而，該結(jié)論是針對(duì)美國人的人體尺寸參數(shù)研究得出的，不一定適用于中國的飛行員，因此，需要在中國飛行員人體模型的基礎(chǔ)上，研究得到符合中國飛行員的手部操作可達(dá)性范圍以及舒適性范圍。

本文在人體多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化和改進(jìn)，提取了手部可達(dá)性范圍研究所涉及到的相關(guān)人體部位，建立了人體運(yùn)動(dòng)學(xué)連桿模型。人體運(yùn)動(dòng)學(xué)連桿模型在工作狀態(tài)下的示意圖如圖5所示。

圖5中，S1表示眼位點(diǎn)，S2表示枕突點(diǎn)，S3表示頸關(guān)節(jié)點(diǎn)，S4表示肩關(guān)節(jié)點(diǎn)，S5表示肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，S6表示手部參考點(diǎn)，l1表示頸部關(guān)節(jié)點(diǎn)到眼睛的垂直距離，l2表示頸部關(guān)節(jié)點(diǎn)到坐位點(diǎn)的距離，l3表示肩關(guān)節(jié)點(diǎn)到坐位點(diǎn)的距離，l4表示上臂長度，l5表示前臂和手的長度，αub表示上臂與軀干的夾角，αqb表示前臂彎曲角度，θ'表示軀干軸線和垂直方向的夾角，等于座椅靠背傾角。

圖5 人體運(yùn)動(dòng)學(xué)連桿模型

手部參考點(diǎn)S6(S6x，S6y)的坐標(biāo)可用下式計(jì)算，即：

(1)

其中，θ'的范圍為12°～37°，計(jì)算時(shí)選取θ'=15°；αub的舒適性范圍為0°～5°，αqb的舒適性范圍為60°～100°，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)αqb<70°時(shí)，操縱桿的所在手托裝置將會(huì)和腿部發(fā)生干涉，為了給手托裝置預(yù)留安裝空間，αqb的最小值定為70°，公式涉及到的飛行員人體尺寸參數(shù)見表1。

表1 手部操作舒適性范圍涉及的人體參數(shù)

Tab. 1 Human parameters involved in the range of hand operation comfortmm

測量項(xiàng)目百分位數(shù)55095j177189201l1133137141l2645679715l3570608645l4293315342l5385419451

分別取αub為0°和5°，取αqb在70°～100°之間步長變化為0.1，即可求出操作舒適性范圍，經(jīng)Matlab計(jì)算可得擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 中國飛行員操作舒適性范圍

圖6中，帶圓圈的線圍成的面積表示第5%的飛行員手部操作的舒適性范圍，同理帶三角形和星號(hào)的線所圍的面積分別表示第50%和第95%的飛行員手部操作舒適性范圍。以某型號(hào)的無人機(jī)地面站為例，經(jīng)分析驗(yàn)證，該地面站的主要操縱設(shè)備基本位于圖6中的手部操作舒適性范圍內(nèi)，因此初步認(rèn)為該地面站的設(shè)計(jì)合理。

2.2 RULA評(píng)價(jià)分析

為了更加可靠、準(zhǔn)確地驗(yàn)證操控臺(tái)布局的合理性，本文還將采用RULA評(píng)價(jià)法進(jìn)一步地對(duì)操作舒適性進(jìn)行驗(yàn)證分析。

RULA是一種簡便的工作姿態(tài)分析方法，通過建立人體模型，以人體姿勢為主要依據(jù)，同時(shí)考慮動(dòng)作狀態(tài)和肌肉力的使用，以評(píng)分的形式來判斷操作過程中是否有姿勢不符合人體正常姿勢習(xí)慣或可能產(chǎn)生損傷的情況，被廣泛應(yīng)用于訓(xùn)練工效評(píng)估。

RULA評(píng)價(jià)法在評(píng)分過程中，首先將身體分為上肢和軀干兩大部分，分別對(duì)這兩部分進(jìn)行測評(píng)，先測量每個(gè)部分中各關(guān)節(jié)的評(píng)分，然后根據(jù)各關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的不同得分，分別得出上肢和軀干兩部分的評(píng)分，隨后再將兩部分結(jié)合，得出RULA總評(píng)分，最后根據(jù)RULA總得分來確定該動(dòng)作的舒適度等級(jí)。RULA評(píng)分的判斷標(biāo)準(zhǔn)如圖7～圖9所示。其中，各顏色所代表的分值見表2。

表2 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

圖7 上臂姿勢評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)范圍

圖8 前臂姿勢評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)范圍

圖9 軀干姿勢評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)范圍

根據(jù)RULA的總分，對(duì)于人體姿態(tài)的評(píng)分共分為4個(gè)等級(jí)，詳見表3。

表3 RULA舒適性等級(jí)

通過CATIA對(duì)某型號(hào)無人機(jī)地面站進(jìn)行RULA評(píng)估，結(jié)果如圖10所示。除前臂和手腕部分得分為2，其余部分得分均為1分，屬于RULA舒適性等級(jí)中的1級(jí)，說明飛行員處于該工作姿態(tài)下是比較舒適的，因此證明了該無人機(jī)地面站的設(shè)計(jì)合理，飛行員的操作舒適性良好。

圖10 RULA姿態(tài)評(píng)估得分

3 結(jié)束語

本文以中國飛行員的人體尺寸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在CATIA平臺(tái)中建立了中國飛行員數(shù)字化的人體模型和人體運(yùn)動(dòng)學(xué)連桿模型，并通過Matlab仿真擬合出了中國飛行員的操作舒適性范圍，用該范圍對(duì)某型號(hào)無人機(jī)地面站操作舒適性驗(yàn)證，結(jié)果表明該地面站的主要操縱裝置基本位于操作舒適性范圍；同時(shí)，利用RULA分析工具，進(jìn)一步對(duì)該地面站的操作舒適性進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，得分均≤2，說明飛行員的工作姿態(tài)是比較舒適的，進(jìn)一步證明了該地面站操作舒適性良好。