基于CATIA的直升机飞行员人体数据库研究

徐 茂，罗 亮，文丽辉

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

人体模型[1]是直升机驾驶舱人机工效虚拟设计与评估的重要工具，其准确性直接关系到驾驶舱可视性、可达性和舒适度的仿真分析及虚拟评估结果。CATIA软件[2]是一款功能强大、接口丰富的设计软件，广泛应用于飞行器、汽车、船舶等设计领域。然而，其人机工程模块并没有附带中国人体模型，只有美国、加拿大、法国、日本和韩国的人体数据库[3]。在直升机设计过程中，设计人员常用日本或韩国人体模型对驾驶舱人机工效进行分析与评价。但是，这种评价结果可能并不完全适用于中国的直升机飞行员群体。毕竟，在疆域与行业上，人体数据存在显著的差异。本文对直升机驾驶舱人体数据库进行了深入的研究，构建了基于CATIA的中国直升机飞行员人体模型与典型姿态库，可为直升机驾驶舱人机工效虚拟分析、设计与评估提供技术支持。

1 数据研究与分析

1.1 人体数据统计

一般来说，人体数据库建立在大量人体测量数据的基础之上，通过标准测量获得大量的人体各变量原始数据，再进行分布拟合、参数估计、假设检验等数学处理，得到各变量的分布类型，最后形成人体数据库。

根据统计经验可知，人体测量变量通常服从正态分布，即概念密度函数为：

(1)

式中，μ为人体数据测量变量的均值，σ>0为人体数据测量变量的标准差。

在正态分布的情况下，人体测量数据的统计特征可由均值和标准差这两个参数完全表示，即人体数据测量变量最主要的统计参数是均值与方差，分别对应GJB 4856-2003人体测量数据的第一和第二列。

百分位表示具有小于并包含某一项人体尺寸的个体占统计样本的百分比，表示人体的某项尺寸数据对于使用对象中百分之几的人可适用，也即人体测量变量的累积概率，详细如图1所示。在不同的人机工程项目中，需要选用不同百分位数的人体进行人机工效虚拟分析与综合评价。其中，常用的典型人体百分位有：5%、50%、95%。

图1 人体数据测量变量百分位分布图

1.2 人体测量变量

CATIA V5R18人机工程模块中使用103个测量变量表示人体模型，而GJB 4856-2003《中国男性飞行员人体尺寸》[4]给出了305个人体测量变量及其相应的人体测量点和测量方法。通过对比分析可知，CATIA软件与GJB 4856-2003标准中的人体测量变量，存在着一定的对应关系，详细如表1所示。

表1 CATIA V5R18与GJB 4856-2003中人体测量变量的对应关系

注：“/”表示没有相应人体数据，“-”表示减号，“——”表示空缺。

由表可知，在GJB 4856-2003标准中，除us79、us126、us251等13个人体测量变量以外，其余基本上可以找到与CATIA软件中人体测量变量相对应的数据。对于那些在标准中没有对应数据的项目，由于其并不会影响人体模型的总体尺寸，数据库中以CATIA软件中默认的参数代替。

2 模型构建与应用

2.1 人体模型构建

在CATIA软件中，人体模型是一种以.sws为扩展名的文本文件，可以通过文本编程软件或工具编辑而成。在创建一个人体模型时，需要遵循一定的编写规则。一个人体模型文件大致由三部分构成，即段首、段中和段尾。其中，段首关键词常以MEAN_STDEV M(男性)或MEAN_STDEV F(女性)开头，段尾关键词以END结尾。段中关键词有三个，为〈variable〉 、〈mean〉 、〈stddev〉，分别对应变量的引用代码us2至us255、测量变量的均值和测量变量的方差。在人体模型文本中，“！”用以注释，空格表示分隔符，关键词区分大小写，长度以cm为单位，重量以kg为单位，文本名称避用中文字符等。

按照CATIA人体模型文件编码规则要求，参考GJB 4856-2003《中国男性飞行员人体尺寸》，构建中国直升机男性飞行员人体模型，参考文本如图2。

图2 中国直升机男性飞行员人体模型文本示意图

在CATIA运行的环境中，依次进行以下操作，主菜单栏—>工具—>选项—>Safework—>Human Measurements Editor—>Anthropometry，再点击Add按钮，在文件夹选择人体模型文件，点击OK输入，即完成了中国直升机男性飞行员人体数据库的导入，如图3(a)。在Human Builder模块中，点击Inserts a new manikin，选择导入的人体模型文件，即可完成中国直升机飞行员人体模型的调用，如图3(b)。通过对比发现，中国直升机飞行员与日本、韩国人体之间存在明显的尺寸差异，比如身高、肩高和腰点高，详见图3(c)。

图3 基于CATIA的中国直升机飞行员人体模型

2.2 人体姿态应用

西北工业大学苏润娥等[5]对民机飞行员进行了大量的研究，最终得到一种最舒适的驾驶坐姿评价模型：脚与小腿夹角100°、膝屈角140°、躯干与大腿夹角100°、背角13°、后臂与躯干夹角10°、肘角100°、头部倾角5°，详见图4(a)。在Human Builder模块中，点击Posture Editor功能键，然后按照文献给出的最舒适值调整相应参数，即可得到中国直升机飞行员最舒适坐姿的人体模型，如图4(b)所示。在CATIA环境中，将带有H-Point的人体模型导入直升机驾驶舱模型中，选择相应的百分位模型，使其与座椅参考点重合，即可开展对驾驶舱可视性、可达性和舒适度的分析与评估，如图4(c)。在不同的飞行阶段中，直升机飞行员的坐姿不尽相同，但是可以建立一种典型的人体坐姿姿态库，将其保存在CATIA人体姿态中，以用于综合评价直升机驾驶舱在不同阶段中的人机工效水平，参考图4(d)。

2.3 虚拟驾驶舱评估

在某型号的方案设计阶段,将人体模型典型姿态库导入驾驶舱电子样机中,参考Q16S/1433-2016《民用直升机驾驶舱设计规范》，对驾驶杆、总距杆、脚蹬、仪表板、中央操纵台、顶部操纵台、侧部操纵台以及风挡玻璃等，分别进行了可视性、可达性和舒适性评估。结果表明：对某型号虚拟驾驶舱的人机工效评估，使用直升机人体模型，对比其他人体模型或参数化模型，其评估数据更加真实、可靠。

图4 人体模型不同姿态的构建与应用

3 结论

本文主要采用对比讨论与分析的方法，分别对CATIA人体模型数据库与GJB 4856-2003人体测量数据库进行了研究。形成结论如下：

1)CATIA人体模型与GJB 4856-2003人体测量变量存在一定的对应关系，可根据国军标人体数据库构建新的CATIA人体模型。

2)CATIA人体模型文本文件具有一定的编码规则，在满足要求的前提下，可实现新的CATIA人体模型数据库构建。

3)基于CATIA构建的中国直升机飞行员人体模型与典型姿态库，可用于直升机驾驶舱的虚拟设计与仿真分析及综合评估。