第六章 控制器设计中人因素

1、工程心理学工程心理学 配套课件配套课件 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l控制器是人用以将人的控制信息传递给机器，使之执行控制功能，实现调整、改变机器运行状态的装置l合理设计控制器将有利于提高人机系统的工作效率，提高操作者操作的准确性、速度和安全性，同时减少操作者的紧张和疲劳工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l根据输入信息特

2、点，控制器可分为连续调节控制器和离散位选控制器l根据运动方式，控制器可分为平移控制器和旋转控制器l根据运动维度，控制器可分为一维控制器和多维控制器l根据操作控制器的身体器官，控制器可分为手控制器、脚控制器和言语控制器工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系控制器的常用编码方式一般有形状和表纹编码、颜编码色、位编码置、标记编码、大小及操作方法编码等工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系控制器编码需要注意编码方式的选择以及

3、冗余编码等问题工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l控制器的大小设计应同人的肢体尺寸相适应l在控制器的排列中，控制器之间应该有适当的间距l控制器的尺寸和间距大小的设置可通过费茨定律来预测工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系控制器的阻力主要有以下四种类型：静摩擦和库伦摩擦弹性阻力黏滞阻力惯性工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系最大阻力不能超过操作者的用力能力，最小阻力也要防止控制器的偶然触发反馈信息指操作者获得调节控制器的结果，可以帮助操作者及时纠正

4、错误反应工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系控制器位置的安放必须以使用者群体的人体测量资料为依据。这种资料包括人体尺寸和人体不同工作姿势时的手、足最佳操作区域和最大操作区域等工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系控制器的位置排列可根据控制器的功能重要性、系统的操作顺序等因素设置工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l可辨识性l可达性l反馈信息l布局合理性工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心

5、理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l为避免疾病的发生，手工工具设计的重要原则是使手腕和前臂保持在一条直线上工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l手工工具应当与手有较大的接触面，以便在较大的区域分散压力工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l通常，应避免频繁地使用食指，可使部分动作分担至其他手指工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l手轮的形状一般是圆形的，常见的手轮控制器有汽车方向盘、液化气阀门

6、开关等工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l常见的曲柄有自行车脚蹬。曲柄多应用于需要多圈转动控制，涉及高速度或大力量的场合工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l旋钮控制器在生活中比较多见，如音量控制器、风扇转速控制器等工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l按钮的功能主要是启动与关闭机器，接通与断开某种操作状态，或流量的分级调节等工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l扳钮开关也称拨动开关，它通常有两到三个离散调节位置工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l手柄

7、和操纵杆都是杆式控制器，常用于涉及大的力或位移，或要求多维度的控制运动的情境下工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系.l脚的操作具有速度慢、准确性差的特点。但是脚控制器的使用能在一定程度上减轻手的控制负荷，并且适用于需要用大力气操作的情况l脚踏板一般在坐姿条件下使用，应保证操纵舒适，用力方便l脚踏板的踩踏平面应为长方形或椭圆形，其大小与脚掌大小相符工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l语音控制器实际上是通过计算机的

8、言语识别技术，将语音识别为计算机可辨的指令，以执行一定的控制功能的装置，它由说话人、语音识别系统和输出的识别结果等部分组成工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l语音控制的优势在于其自然性l语音输入的优势体现在双任务情形中，当数据输入和其他活动必须同时进行时，语音识别是最合适的l语音识别系统也特别适合残疾人使用工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系为提高识别的准确度，说话者需在每个词尾处停顿一下，并及时给出输入的反馈工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系

9、人的言语的可变性不仅包括不同国家的语言差异，还包括同种语言方言的差异、个人语型差异以及由生理、心理或环境因素引起的个人语型在时间上的变化为了解决言语可变性问题，可在系统中增加发音相近词语，来增加识别的容错性工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系环境噪声会大大降低语音系统的识别率除了尽量将语音控制界面应用在环境噪声较低的情境中，还应在需要精确识别的场合，尽量使用触发识别模式，或者口令触发模式工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l较常使用的技术是角膜反射跟踪法、虹膜巩膜边缘跟踪技术

10、和瞳孔角膜跟踪法工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系大多数的眼动控制都应用在军事领域，“眼睛瞄准系统”或“视觉跟踪系统”就是很好的例子工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系剑桥大学卡文迪许实验室的研究人员开发出一种用来取代计算机标准键盘布局的Dasher软件新版本工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系视线跟踪技术未来的一个诱人的应用领域就是虚拟现实和游戏工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心

11、理学系 浙江理工大学心理学系眼动控制界面的设计中，应适当降低视觉阅读任务的难度，以降低视觉负荷工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系对精度要求较高的眼动控制系统，可使用固定头部的支架，减少头部运动带来的干扰。对自由度要求较高的系统，如眼动控制的智能家电系统，可适当降低系统的精度工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系米达斯接触问题：指的是由于用户随意的视线运动而造成计算机对用户意图识别的困难基于视线跟踪技术建立有效的用户界面的挑战之一，就是避免米达斯接触问题工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系当前由于视线跟踪技术还没

12、有完全成熟，系统感应并计算视线所需要的时间，会相应延迟“物体已被选中”的反馈时间；而且操作员必须保持凝视一小段时间，系统作出反应才能降低意外激活的可能性工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l脑机接口一般包括信号采集系统、信号处理系统、信号输出系统和反馈系统等部分工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系沃尔帕（Wolpaw）等利用基于或节律的脑机接口实现了对光标的二维控制法维尔（Farwell）和邓金（Donchin）

13、等最早将P300作为控制信号应用于脑机接口工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系通过想象左手或右手运动，可在左右大脑半球产生不同的同步化或去同步化，以此就可以控制光标在屏幕上的运动或选择屏幕上方或下方的字母工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系BCI系统也可应用于其他领域，尤其是特殊环境下的作业，如无人驾驶的汽车或飞机等，同时，脑机界面也可能给电子游戏带来一场革命工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系要考虑可分辨的控制指令的个数，系统的实时性要求等方面工

14、程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系如果大脑也要同时接受其他感觉通道的输入信息并进行处理，那么，BCI输出控制时，同时进行的大脑认知活动应降低，以保持控制的效率工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系目前，为使用者建立脑电波模板时要经过很长的预实验阶段才能正确地辨认与脑电波对应的功能工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l控制-显示比（control display ratio，简称C/D比）指控制与显示的动程之比。控制-显示比的倒数也称为系统增益（sys

15、tem gain）l对于单一的连续控制器，在设计时应该选择对于特定操作任务的最佳C/D比，过高或过低的C/D比均会降低任务绩效l最佳C/D比受到显示器大小、调节误差容限、控制运动与系统输出的时滞等因素的影响工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l空间兼容性指显示器与控制器的空间关系与人们对这种关系预测的一致性。控制器与显示器的空间位置关系往往是一一对应的，它们的位置关系兼容与否将影响到控制器或显示器的使用效果工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学

16、心理学系 浙江理工大学心理学系一般来说，对于显示器是圆形或扇形，控制器是旋钮时，其运动兼容性表盘固定、指针运动和指针固定、表盘运动两种情况工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系采用旋转式控制器配以长条形固定标尺移动指针的显示器运动兼容关系，存在三条原则：瓦里克原则刻度同侧原则右旋增加原则工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系侧相切或垂直相切时，其运动兼容性原则是：顺（逆）时针旋转与背对（朝向）人的直线移动相联系；顺时针选择表示增加；设计一致性；控制-显示关系的逻辑性；选择最合适的备选方案工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学

17、心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l在执行手动操作任务中，往往需要操纵目标装置来追踪某一动态目标，使其按照坐标标示的时空轨迹运行l手工控制系统一般都是闭环系统。它需要通过反馈，即将输出信息反馈给系统输入，以稳定或控制输出工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系l追踪环包括四个基本要素：显示操作者控制器受控元素工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心

18、理学系 浙江理工大学心理学系l追踪作业的输入可以是常量，也可以是变量l根据输入随时间变化的特性，输入的基本类型可以分为：阶跃输入（step input）斜坡输入（ramp input）正弦输入（sine input）工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系增益是描述系统输出与输入之比，即O/I，是控制显示比的倒数追踪误差和用户的主观评价，似乎都与系统增益呈U形关系工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系系统的延时有三种类型：传递延时指数延迟S形延迟工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工大学心理学系零阶系统：零阶控制也称为位置控制。这种控制器的位移变化都会带来系统输出的直接变化一阶系统：一阶控制系统中，操作员动作的直接作用是控制输出变化的速率，也称作速度控制二阶系统：二阶系统中，对目标速度积分时，能获得一个常加速度，即每次采样，速度增加一个常量工程心理学工程心理学 浙江理工大学心理学系 浙江理工