第六章控制器設計中的人因素

1、工程心理學工程心理學 配套課件配套課件 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l控制器是人用以將人的控制信息傳遞給機器，使之執(zhí)行控制功能，實現(xiàn)調(diào)整、改變機器運行狀態(tài)的裝置l合理設計控制器將有利于提高人機系統(tǒng)的工作效率，提高操作者操作的準確性、速度和安全性，同時減少操作者的緊張和疲勞工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l根據(jù)輸入信息特

2、點，控制器可分為連續(xù)調(diào)節(jié)控制器和離散位選控制器l根據(jù)運動方式，控制器可分為平移控制器和旋轉(zhuǎn)控制器l根據(jù)運動維度，控制器可分為一維控制器和多維控制器l根據(jù)操作控制器的身體器官，控制器可分為手控制器、腳控制器和言語控制器工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系控制器的常用編碼方式一般有形狀和表紋編碼、顏編碼色、位編碼置、標記編碼、大小及操作方法編碼等工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系控制器編碼需要注意編碼方式的選擇以及

3、冗余編碼等問題工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l控制器的大小設計應同人的肢體尺寸相適應l在控制器的排列中，控制器之間應該有適當?shù)拈g距l(xiāng)控制器的尺寸和間距大小的設置可通過費茨定律來預測工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系控制器的阻力主要有以下四種類型：靜摩擦和庫倫摩擦彈性阻力黏滯阻力慣性工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系最大阻力不能超過操作者的用力能力，最小阻力也要防止控制器的偶然觸發(fā)反饋信息指操作者獲得調(diào)節(jié)控制器的結(jié)果，可以幫助操作者及時糾正

4、錯誤反應工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系控制器位置的安放必須以使用者群體的人體測量資料為依據(jù)。這種資料包括人體尺寸和人體不同工作姿勢時的手、足最佳操作區(qū)域和最大操作區(qū)域等工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系控制器的位置排列可根據(jù)控制器的功能重要性、系統(tǒng)的操作順序等因素設置工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l可辨識性l可達性l反饋信息l布局合理性工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心

5、理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l為避免疾病的發(fā)生，手工工具設計的重要原則是使手腕和前臂保持在一條直線上工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l手工工具應當與手有較大的接觸面，以便在較大的區(qū)域分散壓力工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l通常，應避免頻繁地使用食指，可使部分動作分擔至其他手指工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l手輪的形狀一般是圓形的，常見的手輪控制器有汽車方向盤、液化氣閥門

6、開關等工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l常見的曲柄有自行車腳蹬。曲柄多應用于需要多圈轉(zhuǎn)動控制，涉及高速度或大力量的場合工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l旋鈕控制器在生活中比較多見，如音量控制器、風扇轉(zhuǎn)速控制器等工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l按鈕的功能主要是啟動與關閉機器，接通與斷開某種操作狀態(tài)，或流量的分級調(diào)節(jié)等工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l扳鈕開關也稱撥動開關，它通常有兩到三個離散調(diào)節(jié)位置工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l手柄

7、和操縱桿都是桿式控制器，常用于涉及大的力或位移，或要求多維度的控制運動的情境下工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系.l腳的操作具有速度慢、準確性差的特點。但是腳控制器的使用能在一定程度上減輕手的控制負荷，并且適用于需要用大力氣操作的情況l腳踏板一般在坐姿條件下使用，應保證操縱舒適，用力方便l腳踏板的踩踏平面應為長方形或橢圓形，其大小與腳掌大小相符工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l語音控制器實際上是通過計算機的

8、言語識別技術，將語音識別為計算機可辨的指令，以執(zhí)行一定的控制功能的裝置，它由說話人、語音識別系統(tǒng)和輸出的識別結(jié)果等部分組成工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l語音控制的優(yōu)勢在于其自然性l語音輸入的優(yōu)勢體現(xiàn)在雙任務情形中，當數(shù)據(jù)輸入和其他活動必須同時進行時，語音識別是最合適的l語音識別系統(tǒng)也特別適合殘疾人使用工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系為提高識別的準確度，說話者需在每個詞尾處停頓一下，并及時給出輸入的反饋工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系

9、人的言語的可變性不僅包括不同國家的語言差異，還包括同種語言方言的差異、個人語型差異以及由生理、心理或環(huán)境因素引起的個人語型在時間上的變化為了解決言語可變性問題，可在系統(tǒng)中增加發(fā)音相近詞語，來增加識別的容錯性工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系環(huán)境噪聲會大大降低語音系統(tǒng)的識別率除了盡量將語音控制界面應用在環(huán)境噪聲較低的情境中，還應在需要精確識別的場合，盡量使用觸發(fā)識別模式，或者口令觸發(fā)模式工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l較常使用的技術是角膜反射跟蹤法、虹膜鞏膜邊緣跟蹤技術

10、和瞳孔角膜跟蹤法工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系大多數(shù)的眼動控制都應用在軍事領域，“眼睛瞄準系統(tǒng)”或“視覺跟蹤系統(tǒng)”就是很好的例子工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系劍橋大學卡文迪許實驗室的研究人員開發(fā)出一種用來取代計算機標準鍵盤布局的Dasher軟件新版本工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系視線跟蹤技術未來的一個誘人的應用領域就是虛擬現(xiàn)實和游戲工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心

11、理學系 浙江理工大學心理學系眼動控制界面的設計中，應適當降低視覺閱讀任務的難度，以降低視覺負荷工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系對精度要求較高的眼動控制系統(tǒng)，可使用固定頭部的支架，減少頭部運動帶來的干擾。對自由度要求較高的系統(tǒng)，如眼動控制的智能家電系統(tǒng)，可適當降低系統(tǒng)的精度工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系米達斯接觸問題：指的是由于用戶隨意的視線運動而造成計算機對用戶意圖識別的困難基于視線跟蹤技術建立有效的用戶界面的挑戰(zhàn)之一，就是避免米達斯接觸問題工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系當前由于視線跟蹤技術還沒

12、有完全成熟，系統(tǒng)感應并計算視線所需要的時間，會相應延遲“物體已被選中”的反饋時間；而且操作員必須保持凝視一小段時間，系統(tǒng)作出反應才能降低意外激活的可能性工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l腦機接口一般包括信號采集系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、信號輸出系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)等部分工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系沃爾帕（Wolpaw）等利用基于或節(jié)律的腦機接口實現(xiàn)了對光標的二維控制法維爾（Farwell）和鄧金（Donchin）

13、等最早將P300作為控制信號應用于腦機接口工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系通過想象左手或右手運動，可在左右大腦半球產(chǎn)生不同的同步化或去同步化，以此就可以控制光標在屏幕上的運動或選擇屏幕上方或下方的字母工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系BCI系統(tǒng)也可應用于其他領域，尤其是特殊環(huán)境下的作業(yè)，如無人駕駛的汽車或飛機等，同時，腦機界面也可能給電子游戲帶來一場革命工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系要考慮可分辨的控制指令的個數(shù)，系統(tǒng)的實時性要求等方面工

14、程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系如果大腦也要同時接受其他感覺通道的輸入信息并進行處理，那么，BCI輸出控制時，同時進行的大腦認知活動應降低，以保持控制的效率工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系目前，為使用者建立腦電波模板時要經(jīng)過很長的預實驗階段才能正確地辨認與腦電波對應的功能工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l控制-顯示比（control display ratio，簡稱C/D比）指控制與顯示的動程之比?？刂?顯示比的倒數(shù)也稱為系統(tǒng)增益（sys

15、tem gain）l對于單一的連續(xù)控制器，在設計時應該選擇對于特定操作任務的最佳C/D比，過高或過低的C/D比均會降低任務績效l最佳C/D比受到顯示器大小、調(diào)節(jié)誤差容限、控制運動與系統(tǒng)輸出的時滯等因素的影響工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l空間兼容性指顯示器與控制器的空間關系與人們對這種關系預測的一致性。控制器與顯示器的空間位置關系往往是一一對應的，它們的位置關系兼容與否將影響到控制器或顯示器的使用效果工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學

16、心理學系 浙江理工大學心理學系一般來說，對于顯示器是圓形或扇形，控制器是旋鈕時，其運動兼容性表盤固定、指針運動和指針固定、表盤運動兩種情況工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系采用旋轉(zhuǎn)式控制器配以長條形固定標尺移動指針的顯示器運動兼容關系，存在三條原則：瓦里克原則刻度同側(cè)原則右旋增加原則工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系側(cè)相切或垂直相切時，其運動兼容性原則是：順（逆）時針旋轉(zhuǎn)與背對（朝向）人的直線移動相聯(lián)系；順時針選擇表示增加；設計一致性；控制-顯示關系的邏輯性；選擇最合適的備選方案工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學

17、心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l在執(zhí)行手動操作任務中，往往需要操縱目標裝置來追蹤某一動態(tài)目標，使其按照坐標標示的時空軌跡運行l(wèi)手工控制系統(tǒng)一般都是閉環(huán)系統(tǒng)。它需要通過反饋，即將輸出信息反饋給系統(tǒng)輸入，以穩(wěn)定或控制輸出工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系l追蹤環(huán)包括四個基本要素：顯示操作者控制器受控元素工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心

18、理學系 浙江理工大學心理學系l追蹤作業(yè)的輸入可以是常量，也可以是變量l根據(jù)輸入隨時間變化的特性，輸入的基本類型可以分為：階躍輸入（step input）斜坡輸入（ramp input）正弦輸入（sine input）工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系增益是描述系統(tǒng)輸出與輸入之比，即O/I，是控制顯示比的倒數(shù)追蹤誤差和用戶的主觀評價，似乎都與系統(tǒng)增益呈U形關系工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系系統(tǒng)的延時有三種類型：傳遞延時指數(shù)延遲S形延遲工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工大學心理學系零階系統(tǒng)：零階控制也稱為位置控制。這種控制器的位移變化都會帶來系統(tǒng)輸出的直接變化一階系統(tǒng)：一階控制系統(tǒng)中，操作員動作的直接作用是控制輸出變化的速率，也稱作速度控制二階系統(tǒng)：二階系統(tǒng)中，對目標速度積分時，能獲得一個常加速度，即每次采樣，速度增加一個常量工程心理學工程心理學 浙江理工大學心理學系 浙江理工