1、载人航天器人机界面 设计与评价,主要内容,人机界面的概念 人机界面设计准则的确定 载人航天的环境约束条件 显示器人因设计要求 控制器人因设计要求 载人航天器人机界面工效学评价,一、人机界面的概念,人机界面： 是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息和能量的媒介，其中包括信息的输入和输出。 要求：良好的人机界面美观易懂、操作简单且具有引导功能，使操作者感觉愉快、增强兴趣，从而提高使用效率。 分类： 广义的人机界面 狭义的人机界面,一、人机界面的概念,机器的状态由显示器显示出来，作业者首先要感知显示器上指示信号的变化，然后分析，解释显示的意义并做出相应决策，再以必要的控制方式通过控制
2、器实现对机器状态的调整。这是一个典型的封闭系统，即人在闭环中的系统。 在人-机-环境系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面”，亦即进行信息和能量交换的面，故称为广义的人机界面。,一、人机界面的概念,狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面，又称人机接口或用户界面(User Interface)，它是计算机科学中近年受到重视的研究方向之一。人机界面是计算机科学与心理学、认知科学、图形艺术和人机工程学的交叉研究领域，是人与计算机之间传递和交换信息的媒介，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。 计算机系统是由计算机硬件、软件和人共同构成的人机系统，人与硬件、软件结合而构成了人机界面。,一、人机
3、界面的概念,航空航天器人机界面是飞行员/航天员在其所处的环境条件下同飞行器进行信息与能量交互的界面。在这里，飞行员/航天员(人)是系统的主体，是决策者和控制者；航空航天器(机器)是运载工具，是被控对象。飞行员/航天员必须了解被控对象的性能，随时得知其运行状态，当它的状态与所要求状态有差异时，航天员必须予以干预，使之达到要求的状态。为此，他必须对其实施各种控制，为了达到精确、快速和方便地控制的目标，它必须满足人的控制能力和特性要求；同时，飞行员/航天员也要尽快可靠地了解飞行器的技术状态、做出决策，并实施正确的控制。,一、人机界面的概念,来源：国立台湾科技大学人因工程教材：彭游教授，P19，201
4、0,一、人机界面的概念,二、人机界面设计准则的确定,人因设计过程,二、人机界面设计准则的确定,人机界面设计分析考虑的因素,二、人机界面设计准则的确定,需求分析的迭代,二、人机界面设计准则的确定,自上而下的多层次分析原则 在顶层优先的TPMs反映了载人航天器系统完成其功能目标来响应飞行任务需求的全部功能特性，这里可能有许多因素，如重量、尺寸、安装、可操作性、可靠性和可维护性、可支持性以及成本等，这些效果的测度(Measures of Effectiveness, MOEs)必须以重要性的程度来规定，例如，在载人航天器的人机界面设计中，安全性和可靠性是首要考虑的要素。 建立顶层要求后，可对每一要求
5、做进一步的分析与综合，建立人面界面设计要求分析树，进行多层次的分析与考虑，这是一种自上而下的拆分，例如，经济因素可做为人机界面设计分析的第一层的要求之一，它又可分为技术开发成本、研制成本、购置成本等。,三、载人航天环境约束条件,在进行载人航天器人机界面人因工程设计时，应考虑的环境因素有： 微重力 热环境 振动 噪声 冲击 照明,三、载人航天环境约束条件,微重力因素对设计的影响 人的通行 活动或施力的限制 与微重力相关的生理效应 钙丧失 体液转移 前庭功能转变,三、载人航天环境约束条件,来源：NASA-STD-3001,三、载人航天环境约束条件,舱内热环境 航天器舱内航天员的产热率受其舒适程度及
6、健康状况的影响很大，而热环境是决定航天员热舒适性的重要因素之一。因此，在进行座舱加热、循环和冷却系统的设计时，应保证航天员的舒适性，主要依靠的是控制气体的温度、湿度、气流速度、热辐射等大气环境参数。这四个要素对人体的热平衡都会产生影响。此外，必须找出热辐射源，连同代谢水平和航天员穿着的服装(影响皮肤湿度和出汗率的因素)，对其进行综合评价和控制 。,三、载人航天环境约束条件,振动环境 在进行载人航天器人机界面设计时，对振动的考虑包括振动环境、振动能量传输、人体对振动的响应以及耐受标准等方面的内容。航天运行中的振动环境涉及的振幅和频率范围很宽，振幅的变化范围可以覆盖几个数量级；频率范围通常包括从1
7、Hz到80Hz，低频段可延伸至0.1Hz1Hz。必须考虑由运载火箭助推器、空气动力载荷、轨道推进器以及舱内设备引起的所有振动。此外，舱内人员的活动和紧固不牢靠的舱载器件也可是振动的来源。振动极少作为一种孤立的因素发生。其它力学环境因素，如超重、冲击、失重等，可与振动相互作用，既能减弱也能增大其作用。,三、载人航天环境约束条件,须关注的几个振动段 发射段振动环境：11Hz的强振动 转道段振动 返回段振动 航天器的振动传输 航天器的振动可以通过直接的机械途径或者一些间接的途径从振源传到航天员的支撑面或接触界，再通过臀部、手、脚等部位作用于航天员的身体。机械振动可以压缩、剪切和扭转力的方式进行传递，
8、强的空气噪声也可激发起固体结构的振动。到达航天员处的振动能量取决于振源和接受者之间的主要传递途径、耦合损失系数以及机械响应的模式。 航天员座椅、座垫、脚蹬限制器、扶手等是振动途径中的重要环节，应特别注意这些支撑器具在减振方面的设计。,三、载人航天环境约束条件,冲击 撞击着陆：10-100g 猛烈的机动飞行：2-6g,三、载人航天环境约束条件,噪声 噪声是空气中的一种压力波动。因为人耳对声音大小的感觉与物理层面的声音压力的对数成线性关系，因此常用分贝（dB）级表示声压大小，dB大小常用专门的声学仪器来测量。1000Hz5000Hz频率范围内的听阈值是20Pa，当声压达200Pa，人耳朵感到疼痛，
9、因此听阈和痛阈之比值为107。 ISS：睡眠区：50dB 工作区：60dB,三、载人航天环境约束条件,照明 航天器的照明系统设计，应优化所有飞行活动的观察条件，包括从非常粗略的视觉要求 (如运动中的观察)到需要区分颜色编码、观察仪表的细节、发现微弱的目标或夜间行星的细节。应考虑的关键因素有： 光源颜色 光的强度 光源的位置 光的分布 作业材料的特性 航天员的暗/明适应水平 航天员的心理学因素,四、显示器人因设计要求,显示器类型：CRT、LED、LEO、指针式等。 一般要求 页面设计 显示形式 显示器亮度与对比度,四、显示器人因设计要求,一般要求 只显示为完成特定的具体任务并做出相应决策时所必需
10、的信息，且在要求的范围和精度内。 应提供对有关设备和系统状态的清晰指示。 同一事件的所有相关信息应同步、一致地显示。 显示器的故障信息，应实时、清晰地呈现给航天员。,四、显示器人因设计要求,页面设计 同一显示页面中，各种信息种类不应过多，不同类别的信息应以不同字符形式显示； 一条语句中包含的汉字或英文单词的个数不应多于10个； 显示页中关键信息的位置应醒目、对比明显，显示时间应不小于1s，同时其显示密度应尽量小； 重要信息应有冗余、备份，显示在中心区域，其上下应至少保留一个字符空间，其前后应至少保留两个字符空间； 应允许航天员对所关注的信息进行重显。,四、显示器人因设计要求,显示形式 数值用表
11、格显示 指针显示 指示方式、刻度标记、数字、零位、指针形状与尺寸 数字显示 字符高度 字符宽高比 字符笔划宽度 字符颜色 字符刷新频率 页面显示形式：功能分组,四、显示器人因设计要求,显示器亮度与对比度 应为显示器提供亮度控制器，亮度的调控范围应能多级或连续地改变，在非应急操作时，可手控调至全关状态； 显示器亮度应不低于35cd/m2，且在整个亮度范围内应连续可调； 字符最大亮度应不低于170cd/m2 ，且在整个亮度范围内应连续可调； 字符与背景的亮度对比度应可调，以8:112:1为适宜范围，不宜高于20:1； 透射光指示器内的亮度对比度应不低于0.5，对于环境照明照度小于10 lx时，这个
12、比例至少应为9.0。此外，背景亮度应低于图形亮度； 环境照明产生的亮度不应超过显示器亮度的25%，与显示器直接相邻的表面亮度，其范围应为屏幕背景亮度的10%100%。,五、控制器人因设计要求,载人飞船控制器常分为以下几类 按钮/按键类控制器 拨动开/关控制器 指捏旋转式控制器 手轮式控制器 键盘,五、控制器人因设计要求,控制器选择原则 安装控制器的空间尺寸及方位 安装位置的重要性 失重环境因素的影响 被控对象的特性 作业要求 航天员的右利手特性 避免使用脚控制器,五、控制器人因设计要求,控制器选择原则 安装控制器的空间尺寸及方位 安装位置的重要性 失重环境因素的影响 被控对象的特性 作业要求
13、航天员的右利手特性 避免使用脚控制器,五、控制器人因设计要求,防误操作与运动方向 防误操作 控制器的设计与安装应采取防护措施减少使其意外起动的可能性，如调整安装位置与方向、加护盖保护(如使用护盖则不应妨碍或影响临近设备的操作)、对旋转类控制器(指捏旋转式控制器、手轮控制器等)应在开关外部设置阻挡保护装置等。 运动方向 按钮类：按下接通，抬起断开 拨动类：垂直方向时，向上为开；向下为关。 旋转类：顺时针转动为启动或功能增加,五、控制器人因设计要求,控制器编码 尺寸编码 形状编码 颜色编码,五、控制器人因设计要求,按键/钮要求,五、控制器人因设计要求,拨动开关要求 形状：用手指操纵时，其柄部可选圆
14、柱形或球形。 尺寸：顶端直径为8mm10mm，拔动开关的长度为1225mm。 当从一个档位拔动到另一个档位时，应有明显的手感或到位声。 控制功能应与调节动作的方向保持一致，垂直方向操作时，向上为开，向下为关；水平方向操作时，向右扳开启，向左扳关闭。,五、控制器人因设计要求,指捏式旋钮要求 形状：用手指操纵时，其柄部可选圆柱形或球形。 尺寸：顶端直径为8mm10mm，拔动开关的长度为1225mm。 当从一个档位拔动到另一个档位时，应有明显的手感或到位声。 控制功能应与调节动作的方向保持一致，垂直方向操作时，向上为开，向下为关；水平方向操作时，向右扳开启，向左扳关闭。,五、控制器人因设计要求,手轮
15、设计要求 单手操作时手轮抓握直径D：45mm85mm； 手轮的槽距L：11mm19mm； 手轮的厚度h：5mm13mm； 手旋转时的启动力：10N35N； 应提供易于航天员观察、不会产生歧义的标识。,五、控制器人因设计要求,操纵手柄 用于粗调控制 尺寸、启动力、运动方向 用于精细控制 形状、尺寸、安装位置、运动方向,五、控制器人因设计要求,键盘 键盘的设计应与地面通用的键盘设计基本一致，即使用带有字母、数字和功能键的全功能键盘； 数字键盘是用于输入数字信息的键盘，可采用33+1：矩阵的形式布置，数字中的“0”应位于最下面一行的中间； 根据不同的使用要求，可选择字母、数字混合布局或两种字符分隔布
16、局的键盘，分隔布局的键盘应将数字键盘装在标准键盘的右侧； 非便携式键盘放置的倾斜度应与键盘放置面成1525，最佳为1718。便携式键盘的倾斜度应能根据航天员的需要进行调整； 为了及时了解按键操作后的结果，应考虑提供适当的反馈信息。,六、载人航天器人机界面工效学评价,一般认为，载人航天器人机界面工效学评价就是运用其人因工程设计要求或相关标准，对其适人性水平进行评估或确认的过程。 产品的功能 评价的标准 评价的范围 根据载人航天工程的实际情况，它分为三个层次(level)： 部件级评价 分系统级评价 系统级评价,六、载人航天器人机界面工效学评价,六、载人航天器人机界面工效学评价,评价目的 通过载人
17、航天器人机界面进行工效学评价，其目的是使相关人员掌握和了解相关产品的工效性能和存在的问题，为其工效学放行、充分发挥航天员在执行飞行任务时的作业效率、提高人-飞行器系统整体效率以及后续的产品改进设计提供依据和资料。工效学评价应从人机界面产品的方案设计阶段开始就逐步介入，通过工效评价，在设计阶段就能预测到其工效方面的优势和存在的不足，并及时改进。 因此，人机界面工效学评价目的就是，根据评价结果，对载人航天器人机界面进行改进，消除不良素或潜在危险，以达到人-飞行器系统效率的最优化。,六、载人航天器人机界面工效学评价,评价原则 评价方法客观 评价方法通用，保证信度 评价指标综合 评价项目应有重点,评价
18、基本环节,六、载人航天器人机界面工效学评价,评价步骤,六、载人航天器人机界面工效学评价,常用评价方法,六、载人航天器人机界面工效学评价,模拟评价,六、载人航天器人机界面工效学评价,评价结果处理 “优秀”指根据飞行状态，该评价项目的技术状态满足受试者的观察/操作要求，受试者感觉非常合适，不需要进行改进。 “良好”指根据飞行状态，该评价项目的技术状态满足受试者的观察/操作要求，受试者感觉较合适，需要进行较小改进。 “中等”指根据飞行状态，该评价项目的技术状态能够满足受试者的观察/操作要求，受试者感觉基本合适，需要进行较大改进。 “及格”指根据飞行状态，该评价项目的技术状态能够满足受试者的观察或操作
19、要求，受试者稍微感觉不适，需要进行大的改进。 “不及格”指根据飞行状态，该评价项目的技术状态不能够满足受试者的观察或操作要求，受试者感觉不合适，必须进行设计改进，再重新进行评价验证。 记分：优秀至不及格，分别记为5、3、2、1、0分。,六、载人航天器人机界面工效学评价,对于客观评价的项目，根据工效学要求所规定的范围，直接给出“合格”与“不合格”的结果。 对于有多个评价指标的多属性评价对象，在对各评价指标进行标准化处理后，可根据前述的多属性评价方法或加权方法进行计算，一般采用下式公式,六、载人航天器人机界面工效学评价,附记： 航空航天人因工程也是一个对航空航天器人机界面设计影响因素综合权衡的过程，最终的目标是使之有效地符合人的工作特性与要求，保证其适人性水平最佳。,谢谢！,
