人机环境系统

人机环境系统（精选12篇）

人机环境系统 篇1

1 引言

近年来, 感知网络、传感器网络、环境智能, 以及普适计算、智慧空间[1]等概念日益流行, 相关技术和应用成为研究热点。这些概念和技术体现一些共同的理念, 包括环境感知、分布式智能、自组织系统和以人为本等。

作为两类典型的智能系统, 机器人系统和无线传感器网络, 相结合研究主要体现在两方面:一方面是由机器人来辅助传感器网络实现更好的网络服务, 主要包括移动机器人辅助的节点部署[2]、节点定位[3]、节点管理[4]及传感器数据收集[5]等;另一方面是由传感器网络提供环境的实时信息实现对机器人的导航[6,7]、机器人间协作[8]及任务分配[9]等。

另外, 近年来LED通信逐渐成为研究热点。作为重要发展趋势的LED光通信具有非常明显的优势和巨大的发展空间, 尤其是照明与通信的整合代表未来的重要发展方向[10]。

本文以远程监控的人与服务机器人协同系统为对象, 分别给出系统总体结构设计、传感器网络、生物信号处理的微型无线生物信号处理模块等关键设备的设计与实现等方面典型问题。

2 系统总体结构设计

传感器网络环境下人机协同系统体系结构如图1所示。

整个系统包括人-机器人-传感器网络, 分别代表三类智能的对象, 以及LED通信和RF通信两种通信方式 (图1中分别用实线和虚线描述) 。LED通信和RF通信有机融合, 为实现人—机器人—传感器网络的智能融合提供通信和网络基础。

3 传感器网络相关设备的设计与实现

传感器网络相关设备包括WSNs网关 (中心节点) 和普通节点两类。

WSNs网关为超高频RFID和传感器网络综合控制器, 其结构框图如图2所示。

运用MSP430和TMS320X2812 DSP双微处理器结构完成对各模块的工作协调、数据判别和智能信息处理算法的实现等功能。超高频RFID读写模块实现对超高频标签的读写。传感器网络节点射频通信模块实现与其他综合控制器、传感器网络节点之间通信。外扩Flash ROM用于存储脱机数据, 保证意外断电时数据不会丢失。外扩RAM用于存储过程数据或其他临时数据。电源及其管理模块为系统提供能源。可扩展I/O接口包括通用输入输出接口、串行设备接口 (SPI, Serial Peripheral Interface) 、集成电路互联 (I2C, Inter IC) 接口、通用异步收发器 (UART, Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 接口等。通信网络模块通过以太网或CAN总线等方式实现与监控机等的通信。显示模块包括人机交互以及设备运行状态提示等显示功能。

采用该综合控制器 (在现场具体包括装备于监控环境之中或由专业监控人员手持的便携式综合控制器) , 能够通过与生命指征综合监控系统、传感器网络节点之间的信息交互所获得的环境、对象的基本信息, 运用分布式信息检索技术和通信技术, 由本地或者远程实时提供所需支持信息和决策信息, 以保证被监控人员的健康状态监测和科学的应急处置。

以MSP430微处理器和XE1201射频收发芯片为核心所设计的普通节点, 其具体可以设置成两种工作方式:定时发送ID, 其余时间处于休眠状态;读写器唤醒方式, 即平时处于休眠状态, 定时转入接收状态, 当有读写器搜寻时被唤醒并与读写器进行数据通信。后一种工作方式比较省电。

作为LED通信的重要设备, 数字稳幅光接收机电路如图3所示。光电探测器位于光接收电路的最前端, 完成光脉冲信号转变为电脉冲信号, 是接收电路的核心器件。前置放大电路与光电探测器合理设计, 要求使转变后的电信号信噪比 (SNR) 达到尽可能最大值。主放大电路实现无失真的放大经过前置放大器的输出信号, 输出信号的电平幅度稳定由自动增益控制电路实现, 最后经过均衡器、时钟提取电路及判决电路取得再生的数字信号。

4 生命指征综合监控系统设计与实现

生命指征综合监控系统中, 最核心的功能模块主要包括脑电、肌电信号放大器和微型无线生物信号处理模块。

在实际硬件平台制作中, 采用两块电路板相叠加的方法, 其中上层板专门用作脑电信号的采集、放大和预处理, DSP及相关的外围电路都集成在其上;下层电路板用作核心板, 主要承担语音识别和控制、与外界的数据交互和刺激器的驱动, 主要由单片机完成相关任务。

4.1 微型无线生物信号处理模块

嵌入式控制电路核心的微处理器分别选用超低功耗的嵌入式MSP430系列和TMS320X2812 DSP系列两种。与其他品牌的嵌入式CPU相比, MSP430不但具有操作简单、接口方便的优点, 更重要的是它还有多种低功耗工作模式 (LPM) , 能够大大地降低系统功耗。DSP预留RS-232C通信接口, 实现其对机器人控制命令的输出;双处理器实现数据共享, 并与其他装置进行数据交互。

在上述生命指征综合监控系统平台之上, 实现了肌电和脑电信号在处理器中的算法, 成功获取了肌电和脑电信号的特征量。

基于脑电信号的特点和信号处理的需要, 设计中没有利用DSP自带的AD转换功能, 而是选用16位专用的ADC (Analog-to-Digital Converter) 芯片——AD976。由于是要对多路脑电信号进行处理, 若每路都用一个AD976, 则会增大整体电路体积、提高功耗、提高成本, 所以利用多路选择开关CD74HCT4067进行相应的脑电信号选择。

DSP软件设计方面, 实现了有限推进响应滤波算法和快速傅里叶算法, 相关程序固化到DSP上, 进行脑电信号的分析和处理。

4.2 脑电和肌电信号放大器设计与制作

脑电、肌电信号幅度约为几十毫伏, 频率较宽 (1~150 Hz) , 极易受到外界干扰 (主要是工频干扰) , 因此前置放大电路设计是对整个系统具有根本性的影响。基于肌电和脑电信号特征, 开发出高精度、较强抗干扰能力的前置脑电信号放大电路, 并完成集成化设计。

脑电放大电路采用屏蔽驱动与浮地跟踪技术, 使放大通道的共模抑制比达到100~110 dB, 加上约1 000 MΩ的通道输入阻抗, 可以有效地克服因皮肤接触电阻引起的伪差信号干扰。放大电路采用低噪声集成生物信号放大器和高、低通滤波回路, 充分保障了整体系统的各项性能指标。

前置放大器采用3级放大, 并设计相应的滤波器, 级间用光电耦合浮地隔离, 另外电源采用DC/DC隔离, 以保证安全。

5 结语

本文综合生命指征信号监测与传感模块, 使传统医学监测仪器微型化、智能化, 从而成为面向用户的较为便宜的终端设备;借助于传感器网络和LED通信网络将被监测者的健康状态信息传送到服务机器人或医院, 是移动医疗与远程健康监护网络的关键部分之一。

本文成果主要立足于家庭和社区, 为实现智能移动医疗与远程健康监护系统奠定了基础。

摘要：针对人与服务机器人协同远程健康监控系统, 分析了系统总体结构设计、传感器网络、微型无线生物信号处理模块等关键设备的设计与实现等方面典型问题。实验室应用证明, 所设计硬件、软件及算法的有效性。

关键词：无线传感器网络,机器人,协同系统,嵌入式系统

参考文献

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[2]邴志刚.传感器网络优化部署问题研究[D].天津:南开大学, 2008.

[3]Caballero, Merino, Gil, et al.A probabilistic framework for entire WSN localization using a mobile robot[J].Robotics and Autonomous Systems, 2008, 56 (10) :798-806.

[4]Sheu, Hsieh, Cheng.Design and implementation of mobile robot for nodes replacement in wireless sensor networks[J].Journal of information science and engineering, 2008, 24 (2) :393-410.

[5]Tekdas, Isler, Lim, et al.Using mobile robots to harvest data from sensor fields[J].Wireless Communications, 2009, 16 (1) :22-28.

[6]Batalin, Sukhatme, Hattig.Mobile robot navigation using a sensor network[C].International Conference on Robotics and Automation, 2004, IEEE.636-641.

[7]Kumar, Rus, Singh.Robot and sensor networks for first responders[J].Pervasive Computing, IEEE, 2004.3 (4) :24-33.

[8]Chella, Lo Re, Macaluso, et al.Multi-robotInteracting Through Wireless Sensor Networks[C]International Conference on Artificial Intelligence and Human-Oriented Computing, 2007.789-796.

[9]Batalin, Sukhatme.Using a sensor network for distributed multi-robot task allocation[C].International Conference on Robotics andAutomation.New Orleans:IEEE, 2004:158-164.

[10]Komine, Nakagawa, Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2004, 50 (1) :100-107.

人机环境系统 篇2

一个项目想要获得审批，就必须要有环境保护部门出具的环境影响评价书，而这份报告中就需要涉及到项目周边地区的地形图。一些大型城市周边的地形图可以通过卫星图像记录进行成像，然而在一些比较偏僻的地方这种手段就无法取得成果，即使是勉强找到了有相关性的文件，也会由于清晰度不足或者是成像不够完整无法加以应用。为了解决这种问题，一般项目的立项机构会临时进行绘制工作，但是这种方法也存在着许多缺点，比如说需要的时间非常长，这对于项目的审批非常不利。另外就是一些机构出于无奈会选择一些非实时的、分辨率非常低的图像进行申请，这样很难取得良好的工作效果。在无人机遥感系统出现以后，这种偏僻地区的地形成像问题得到了解决。它凭借着自身的一系列优势，能够在短时间内为申请立项单位提供分辨率高、成像效果清晰的地形图，另外就是，在一些山地等比较危险的环境中，能够替代人力完成任务。无人机遥感系统在出色的完成任务的同时，也能够保障工作人员的人身安全。在项目的环境影响评价中运用无人机遥感系统以后，可以与之前的地形成像进行比对，这样就能够分析得出本项目对于环境的影响情况。

2.2在环境监测中的应用

过去的环境监测工作，一般都是利用点式采样法来确定整片区域内的整体环境情况，这种方法由于其选择的点不具有代表性，随机性比较强，所以有一定的局限。无人机遥感系统的出现和使用很好的解决了这个问题，它能够在大范围内、长时间的进行环境信息收集以及监测，这对于环境监测工作的意义是无可比拟的。在无人机遥感系统中，依托于无人机上安装的成像仪，能够将环境中的各项信息数据非常准确的传输到处理中心，另外其能够收集到的数据种类也是多种多样的，甚至可以通过地面成像系统找到排污口以及污染源，快速的将环境污染问题解决掉。另外，无人机上还可以根据具体的需要，安装大气情况监控设备，从而对待测区域内的大气污染情况进行检测。

2.3在环境应急中的应用

在处理环境应急问题的时候，无人机遥感系统的作用就显得更加明显。它能够不受交通不畅的影响，从空中抵达待测区域，另外由于其无需人员驾驶的特征，还能够抵达一些具有辐射性或者危险的高危地带，对该地区的环境情况进行实时高效的测定。通过在无人机上安装的影响设备，它能够将待测地区的影响数据及时的传达出来，以便我们对现场的救援进度等进行管理和统筹。无人机遥感系统在环境应急中的应用，为环境保护机构的及时应变以及事后处理带来了极大的便利，使得环境应急处理水平得到提升。

结语

总而言之，作为时代进步和科技发展的产物，无人机遥感系统在环境保护领域中得到了广泛的认可，并且已经取得了非常喜人的成就，它能够为环境工作者提供更加安全、便捷的工作条件。所以说，在今后的工作中，环境保护机构需要不断的更新工作手段，提升科技含量，把无人机遥感系统更好的应用在环境保护领域，使其发挥出自身的优势，为我们的环境保护做出贡献。

参考文献

[1] 钟林华.无人机遥感系统在环境保护中的应用探索[J].科技创新与应用，，(24)：291.

[2] 杨海军，李营，朱海涛，洪运富.无人机遥感技术在环境保护领域的应用[J].高技术通讯，2015，25(06)：607-613.

[3] 蔡丽，付博.浅谈环境保护领域内无人机遥感系统的应用[J].企业技术开发，，33(26)：55-56.

搭载人机交互系统 篇3

外观设计与原车良好兼容

飞歌 FA108A01E2影音导航主机屏幕采用了分辨率达800X480的高清数字屏幕，设计风格参照了雷克萨斯ES250原车的主机，使得导航主机外观与原车主控区完好兼容，完全感觉不到突兀。

通过数据线，飞歌 FA108A01E2影音导航主机可直接与iPod产品实现音频接入及全功能控制，在屏幕上还能同时显示iPod里面的歌曲名称，以及播放状态、时间等。通过USB线接入U盘后，选择主菜单的“碟机”选项，点击屏幕的“USB模式”，即可使用U盘播放的功能。同时，还可以对各款接入的产品进行充电。

飞歌独有的Remote Touch人机交互系统 操控便捷

飞歌FA108A01E2影音导航主机的最大卖点就是配备了飞歌独有的Remote Touch人机交互系统。其系统操控按键安装在变速杆旁，摇杆搭配拉丝金属的线条，给人简洁又不失高档的印象。在实际操控使用时就如同一款车载鼠标，能够通过摇杆和按钮操控影音导航主机，比起需要点击触屏操控确实快捷很多，大大方便了车主的使用。

另外，飞歌ES250 FA108A01E2影音导航主机还非常注重后座乘客的用户体验，其后视娱乐功能可以单独控制后座显示屏的节目内容，使前后排座位乘客可以同时观看不同的影视节目。

值得一提的是，用户还可通过自行选配增加TPMS胎温胎压检测、CMMB数字电视、倒车后视等功能。其中倒车后视功能只需要增加后视摄像头便可实现。当挂入倒档后，该系统会自动接通位于车尾的高清广角倒车摄像头，将车后状况清晰地显示于车载导航系统的液晶屏上。其精准的倒车轨迹线，有效地增强了倒车的安全性。

人机环境系统 篇4

根据无人机所受的力和力矩, 以及无人机的重心、转动惯量等, 由动力学和运动学方程即可求取无人机的六自由度运动方程。具体为:

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式中, [V, α, β, ωx, ωy, ωz, θγψ, x, H, z]T分别表示空速、迎角、侧滑角、滚转/偏航/俯仰角速率、俯仰角、滚转角、偏航角、纵向位移、高度、侧向位移。

2 无人机实时仿真系统

2.1 硬件系统

硬件系统主要由仿真计算机、飞行控制器、飞机传感器、飞行模拟转台和接口设备等组成。其中仿真计算机主要对无人机运动规律和仿真结果进行可视化输出, 并进行相应的处理。因此, 仿真计算机包括运动学解算计算机、视景仿真计算机、监控数据处理计算机、接口通讯计算机等。各仿真计算机可以通过网络连接来相互通讯。

2.2 软件系统

软件系统为MATLAB RTW系统。RTW是MATALB软件的重要组成部分。RTW与MATLAB可以实现无缝连接, 既满足了设计这在系统概念与方案设计等的需求, 也为系统的技术实现或完成不同功能的系统实时操作实验提供了方便, 并且为并行工程的实现创造了一个良好的环境。本文采用的是xPC Target方案, xPC Target是RTW的附加产品, 它是一种“双机型”的解决途径, 即xPC Target需要使用两台PC机, 其中宿主机用于运行Simulink, 而目标机则用于执行所生成的代码。目标PC机运行了一个高度紧缩型的实时操作内核, 该实时操作内核采用了32位保护模式, 通过以太网络连接或串口线连接来实现宿主机和目标机之间的通信。

2.3 系统构成

本文采用的实时仿真系统主要由以下几部分构成:

(1) 实时仿真机:主要用来模拟飞机的运动。

(2) 飞行控制器:实现飞行管理及控制。

(3) 传感器:陀螺、高度表、磁航向计等。

(4) 飞行转台:复现无人机姿态运动。

(5) 接口设备:高速串口板、FO板卡、网卡。

(6) 支持服务系统:显示、记录、文档等软硬件。

系统的具体结构为:

上图中详细的描述了飞控实时仿真的结构。仿真系统的工作流程为:由仿真计算机控制半实物仿真过程的进行, 在给定初始条件及模型参数后, 半实物仿真开始, 仿真计算机解算无人机的运动方程, 解算完毕即将有关状态信号输出给飞行模拟转台。飞行模拟转台接受飞机姿态信号后, 复现飞机的姿态运动, 放置在转台上的垂直陀螺和传感器感受飞机的姿态及其变化, 飞行控制器由此产生控制信息控制舵机, 最后, 舵角传感器将舵角信号传给仿真计算机。仿真结果可以通过网络与PC机实时通讯, 由PC机实时显示各状态变化曲线, 也可以通过投影仪显示无人机的三维运动场景。

参考文献

[1]姚俊, 马松辉.Si mulink建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.

[2]黄忠霖.控制系统Matlab计算及仿真 (第2版) [M].北京:国防工业出版社, 2004.

无人机机载光电系统综述 篇5

本文主要介绍以色列、美国、俄罗斯、西欧诸国的无人机机载光电系统及其新技术的`应用,如高精度稳瞄技术、美国的第四代电光相机、先进的前视红外系统及多光谱信息的压缩与传输技术.本文对我国无人机光电系统的设计有一定的参考价值.

作 者：成刚 杨随虎 CHENG Gang YANG Sui-hu 作者单位：成刚,CHENG Gang(西安应用光学研究所,陕西,西安,710065)

杨随虎,YANG Sui-hu(西安邮电学院,通信工程系,陕西,西安,710064)

人机环境系统 篇6

[关键词]机械制造 人机管理 信息系统

机械制造企业实现信息化是企业生存和发展的必由之路，而研究开发管理信息系统是提高企业管理水平，实现企业信息化的基础。

机械制造行业的特点

由于不同的生产特征，决定着企业开发应用管理信息系统时应当贯彻的管理思想，因而，必须在管理信息系统总体规划之前认真分析生产特征，才能保证管理信息系统对企业的生产经营活动进行有效管理。

1.机械制造行业是典型的离散型制造业

生产过程具有加工——装配性质，加工过程基本上是把原材料分割成离散的毛坯，然后，经过冷、热加工，部件组装，总装成整机出厂。其特征是不同的物料经过非连续性移动，通过不同路径，生产出不同的产品。如发动机、石油机械等机械制造企业。

2.机械制造企业的生产经营模式多样

为用户订单设计、为订单生产、为订单装配和按市场预测的库存生产，组织生产的模式有单件生产、多品种/小批量和重复大批量生产等多种方式。

3.机械制造企业生产计划复杂

机械产品的结构和制造工艺复杂，生产设备、工装夹具、刀具和量具等种类繁多；产品构成、设备资源均随市场需求变化；机械产品零部件制造周期不同，加工工艺的不确定性，管理起来动态多变。为了保证产品配套、按期交货，又尽可能减少在制品的积压，经常从产品的交货期倒推，安排生产计划。

4.机械产品开发环节重要

新产品开发要有创新设计，还有大量的变型设计、工艺设计和工装设计，因此，机械制造企业必须具备强有力的机械工程设计能力。

5.机械制造企业的自动化程度参差不齐

设备以普通机床、专用加工机床和数控机床(cnc)、加工中心(mc)、柔性化加工设备(fmc、fms)并存。

6.机械产品的设计制造涉及多学科、多技术、多企业

通常主机厂与零部件制造厂分立，原材料和辅料又分散供应，这就要求对企业联盟的资源进行动态协同管理。

上述特点，决定了研究机械制造行业人机管理信息系统，只能选择适合离散型的制造行业的理论和方法。

机械制造行业人机管理信息系统的根据机械制造行业的特点，结合人体因素、人机系统的总体设计、工作场所和信息传递装置设计、作业改善、环境控制与安全保护等，是研究人-机-环境系统研究的基础。同时，一个现代化生产系统，要发挥其效能，必须适应人的生理和心理特性。使人获得舒适、安全、健康的环境条件，力图提高人本身的能力，从而达到提高工效的目的。

机械制造行业管理信息系统可以定义为：机械制造行业人机管理信息系统是运用人机工程学方法研究机械加工、装配企业管理信息系统并溶入人与环境因素的集成化人机系统。

机械制造行业人机管理信息系统是一个以人为主导，利用计算机硬件、软件、网络通信、其他办公设备，进行信息收集、传递、加工、存储、更新和维护，以企业战略竞优，提高管理效率和效益为目的，支持企业高层决策、中层控制、基层运作，符合人的生理和心理特点的更加人性化的集成人-机系统。

机械制造行业人机管理信息系统是运用现代管理方法和技术手段，在信息处理模型和处理过程相对确定的情况下，以数据作为系统的驱动动力，利用各种管理方法或科学模型(特别是定量化的方法，如数学模型、经验模型、程序化模型和运筹学模型等)对信息进行加工处理，分析生产经营状况和环境条件，支持管理和决策工作，确保企业目标的实现。

机械制造行业人机管理信息系统的组成

机械制造行业人机管理信息系统是一个庞大、复杂的系统工程。应用人机工程学的方法，分析机械制造行业人机管理信息系统，其组成是：人/组织-机器(计算机软硬件及网络系统)-环境(政策、法规、管理理念、企业文化、市场需求、供销渠道等)三大部分。

1.在人－机集成管理信息系统中，人/组织永远处于主动的支配地位。不管计算机及网络技术发展的多么先进，在处理实际问题时具有多么强大的能力，企业经营管理的主体永远只能是人，而不是机器，这是由管理科学本身的性质决定的。而且，机械制造行业人机管理信息系统中必需的大量的人的创造性劳动和智慧，也永远是计算机所不能替代的。

2.计算机软、硬件及其网络系统是人-机集成管理信息系统的硬件基础，是支撑人-机管理信息系统正常运行的技术设备(即技术系统)。计算机具备强大的记忆、存储、高速运算和高精度与可靠性等技术性能，却是人不能替代的。

3.国家政策、法规、现代科学管理理念、企业文化、市场需求、供销渠道，以及工作的微环境等等，构成了机械制造行业人机管理信息系统的正常运行的内、外部环境。

机械制造行业人机管理信息系统的模型

应用人机工程学的方法，分析机械制造行业人机管理信息系统中人、机、环境三者关系，即：人机管理信息系统中的人是指人/组织，机指计算机硬件、软件及网络等技术系统，环境是指内外部环境。将这三个环节按照系统论的思想构建成机械制造行业人机管理信息系统模型。

模型中的三个环节是：

人/组织：组织变革、人员培训、人的心理、人的生理、人体力学。

机(技术系统)：管理科学、计算机技术、机械工程。

环境：政策、法规、企业文化、市场需求、供销渠道、工作环境。

认真研究确定人和计算机在管理信息系统中的作用，充分发挥人与计算机系统的各自优势，将人的创造性智慧和计算机系统的强大记忆、存储、运算和高速传递等技术性能实现互补交融，产生放大聚变，达到提升科学管理的目的。

[1]朱序璋.人机工程学.西安电子科技大学出版社，2006

[2]刘萍朱序璋．浅析人机工程学在现代制造业管理信息系统中的应用.2007

[3]刘萍.机械制造行业人机管理信息系统研究与开发.硕士研究生学位论文2008

人机环境系统 篇7

我国煤矿安全管理专家认为:煤矿生产系统中可能意外释放的能量是造成事故的内因;人机环管中的不安全因素是导致能量意外释放并造成事故的外因, 其中人的不安全行为、机 (物) 的不安全状态、环境的不安全条件是直接原因, 管理上的缺陷和技术上的不足是深层次的原因;内外因的综合作用, 可能导致能量的意外释放, 从而诱发事故。

根据煤矿内外因事故致因理论, 预防事故的直接手段就是预防生产系统中的能量意外释放。防范能量释放要从两方面入手:一是通过改进管理, 消除管理缺陷, 防止因管理失误而造成现场失误;二是通过消除诱发能量失控的人、机、环境因素, 从技术层面消除事故条件。因此, 实现煤矿安全生产应从管理和技术两方面入手, 从管理和技术环节上切断事故因果链, 实现风险预控。 (煤矿内外因事故致因理论模型如图1所示) 。

2 人机环境相互关系

煤矿作业均是处于“人机环境”系统中的, 系统中的任何一要素出现故障, 都会影响煤矿生产的运行, 甚至危及煤矿生产的安全性, 造成重大事故。在人机环境系统中, 人是劳动的主体, 是机器的操纵与使用者, 人能适应与改变环境;机器是人劳动的手段和工具, 机器应用得当可以提高工作效率和减轻劳动强度, 同时在使用过程中改变着环境, 如钻机施工造成噪音、放炮作业产生一氧化碳有害气体等;环境刺激着人的感官, 甚至影响人的判断, 同时, 环境影响机器或设备的运转, 比如主通风房高压变频器室, 如果温度过高, 会造成高温跳闸导致风机无计划停风。

以此为例:由于生产任务调整, 16采区人员分布减少, 为降低人力成本, 16轨道下山架空行人车运行采用了“自助”乘车的管理模式。但个别区队职工乘车期间经常出现吊椅不摘、乱扔吊椅, 甚至搞破坏的现象, 不能保证架空人车的正常使用, 甚至不能保证架空人车的安全运行。大平煤矿主管部门通过制定下发相关制度加强管理, 并组织会议, 与职工进行进一步的沟通交流, 分析利弊, 规范相关行为, 使职工意识到, 只有通过相互协作、自觉规范行为, 大家才能更好更充分的得到架空人车带来的便利性, 为架空人车正常运行营造了良性环境。架空人车良性安全运行, 为职工创造了良好的上下班环境, 节省体力, 提高功效, 自身素养也得到得升, 职工在上下班情绪平静, 交流意愿加强, 工作沟通方便, 说话语调下降, 文明用语提升, 队伍变得有凝聚力。

综上所述, 人—机—环境三个是相互影响、相互制约的一个体系。博德的现代事故因果连锁理论认为:在企业中, 如果管理者能够充分发挥管理机能, 则可以有效地控制人的不安全行为和物 (机) 的不安全状态。同样, 加强环境优化, 进行人机环境优化管理, 有效的实现风险控制, 能够减轻职工劳动强度、提高工作效率、改善职工工作环境, 实现安全生产。

3 人机环境优化管理

3.1 对不安全人排查

在人机环境系统中, 人是主体, 是实现既定目标的关键, 也是激发事故的主要因素。对于职工安全意识差, 责任心不强, 操作不正确或不规范, 安全措施不执行等, 都属于不安全人。要排查“不安全人”, 首先要教育出“安全人”。

大平煤矿在“安全人”的教育上采取多种措施:以“科学发展、安全发展”“隐患可控、事故可防”等安全生产理念为主导, 进行强力灌输, 并解析渗透应用, 提高了职工安全认知;经常性组织进行安全知识培训和岗位施工作业操作工艺标准培训, 提高职工安全知识水平和技能水平, 规范职工行为;进行感恩教育和事故警示教育, 提高职工责任感和安全意识;为排查不安全人, 大平煤矿制定专项排查表:一是排查思想隐患人员, 每班在职工班前会议上, 对存在有思想情绪、精神状态不好的职工进行谈话, 保证其上岗的精神状态;二是排查安全意识或技能水平不高、操作不规范的人员, 每月组织安全知识和业务技能考试, 对培训考试不合格或技能水平低的人员, 停止上岗作业或调离工作岗位, 由中层管理人员不间断深入井下进行现场排查, 排查应知应会掌握不熟练或技能水平不达标的人员, 排查操作过程中不按规范标准施工的人员, 查“三违”进行“纠偏”管理。

3.2 对“机”和“环”的隐患识别

大平煤矿推行“岗位描述”和“手指口述”岗位作业法, 对信号工、绞车司机等工种, 要求在作业过程中, 对设备运转完好情况进行菜单式确认, 同时必须确认每一道施工环节安全, 才能进行下一道工序, 安全条件达不到, 存在安全隐患的, 及时整改到位。

为加强现场安全管理, 大平煤矿推行现场安全评价管理, 每班施工作业前, 针对施工作业地点的生产环境进行现场安全评价, 辨识作业环境中存在的危险因素, 对辨识出的危险源, 制定专项措施, 安排专人监控落实, 确保在施工作业过程中作业环境里的不安全因素都在动态监控管理中。特别是机电系统开展的隐患辨识“五项”法, 将岗位操作、精神状态、设备工器具、关联作业、环境状况五项20条内容进行明确, 岗位作业前进行专项排查, 保证了现场环境安全, 作业安全。

4 人机环境优化应用及效果

只有人机环境有效结合, 消灭不安全因素, 创造舒适的作业环境, 才能提升矿井安全保障系数, 真正实现矿井的本质安全。

“人”是指工作主体 (如操作人员) , 本质安全人的培养, 需要矿对职工的安全教育培训和行为习惯培养, 通过转变职工安全观念、加强职工培训和培养职工良好的作业习惯等方面, 实现本质安全人, 可以有效控制“机”并改善“环境”。

“机”是指人所控制的一切对象的总称 (设备、生产过程等) , 设备的本质安全, 需要防护的设施完善和设备缺陷的改进。通过在皮带机尾安装防护罩、在溜子机头机尾安装护罩、在井下主要运输斜巷安装防跑车装置等安全防护装置的完善, 实现人与机的有效隔离;通过主副井换绳盘绳装置、副井阻车器装置、敲帮问顶长钎等工具、设施进行改造, 弥补了设备缺陷, 进一步提升了设备的可靠程度的同时节省人力, 保证了人的安全, 营造了安全生产环境。

大平煤矿对井下设备设施进行人性化管理, 按照“不缺失→安全可靠→人性化→精美”四个步骤对安全设施进行全面整改, 实现了设施设备齐全、可靠, 灵敏、美观。例如, 采煤工作面下付巷皮带过桥, 对其“八”字形角度、台阶高度与间距、扶手高度与材质、职工平均身高、体重、人行走时的生理特点进行统筹考虑, 同时按照审美要求进行打磨、上漆, 做到看着精美, 用着安全舒适。

“环境”是指人、机共处的特定的工作条件 (例如温度、噪声、有害气体等) , 环境合理优化需要结合现场进行工艺改革或技术创新, 提高工作效率, 减轻职工劳动强度, 从提高职工作业舒适程度入手, 实现现场环境的本质安全。大平煤矿在做好质量标准化细化的基础上, 把噪音强、光线暗、滴漏水、路面滑、地板不平整等列入安全隐患, 作为人机系统优化的一个方向进行立项研究, 积极整改。对井下风机进行消声处理, 采掘巷道、主要进回风巷道安装了全断面防尘网, 交叉路口使用弯道报警器等, 在煤巷掘进工作面安装掘装机, 在很大程度上减轻了职工劳动强度, 改善了职工作业环境。

为促进矿创新体系作用, 大平煤矿鼓励创新改革, 开展了QC小组活动 (质量管理小组活动) 和“五小” (小革新、小设计、小发明、小创造、小建议) 创新活动, 每月对项目进行评选, 根据评选结果进行奖励, 促进了全矿创新管理和技术革新, 同时加大了机械化水平管理力度, 对于节约人力、提高效益、保障安全起到积极作用。

5 结语

通过大平煤矿近年来, 在“人、机、环境”系统方面的协调、高效、安全的优化应用, 对减少事故发生, 提高生产效率, 实现安全生产, 增加社会效益和经济效益, 对安全发展产生了深远的影响。

摘要：根据煤矿内外事故致因理论, 阐述了“人、机、环境”之间的关系及在煤矿安全生产中发挥的作用, 通过人机环境优化在大平煤矿的实践应用, 促进了矿井安全生产, 体现了人机环境优化在煤矿安全生产中的重要作用。

关键词：人机环境,优化,实践应用

参考文献

人机环境系统 篇8

关键词：复杂电磁环境,无人机,靶场应用

随着世界新军事变革的发展, “陆、海、空、天、电磁”五维一体的联合作战已成为现代战争的主要形态。战场上, 取得制电磁权对充分发挥武器装备作战效能, 获取战争胜利至关重要。靶场作为武器装备的试验场, 需要构建检验武器装备抗干扰能力的复杂电磁环境, 需要无人机具备复杂电磁环境下完成多元化任务的能力。

一、无人机的靶场应用

1) 信息获取。在靶场装备试验期间, 需要对试验航区态势及船只活动情况进行不间断侦察, 确保试验安全顺利进行, 同时为了第一时间获取试验结果, 也需要定点摄录监视。

2) 实施电磁干扰。靶场电磁环境的构建是全方位的, 要逼真模拟实际的作战环境, 需要在无人机上加装辐射源。同时, 无人机在设计时可以不考虑人体对射频辐射的承受能力, 因此, 其搭载的电子战设备功率可以尽可能的进行提升, 增加攻击威力。

3) 提供通信中继能力。无人机可以在高空长时间飞行, 为靶场提供不间断的通信中继能力。

4) 设备带飞。无人机可以搭载不同的任务设备, 按照预定航路进行飞行, 达到检验考核设备性能的目的。

二、复杂电磁环境对无人机的影响

靶场复杂电磁环境主要由被试武器系统电磁辐射、靶场参试装备电磁辐射、民用电磁辐射以及自然产生的电磁现象等构成, 如图1 所示:

无人机在执行任务期间, 导航系统和数据链与其他设备电磁发生冲突, 就会对飞行造成不良影响。

1、通信链路失效。复杂电磁环境下, 信号背景噪声提高, 信噪比降低, 误码率增高, 无人机与控制站之间通信效能将受到较大影响, 难以得到指标要求, 如果干扰严重, 还会造成通信链路中断, 导致无人机失控坠毁。

2、情报信息失真。复杂电磁环境下, 无人机可能由于误码而不执行地面站指令或执行错误指令, 造成对目标判断失误, 形成虚警或漏报, 致使下行情报信息失真或无法传回数据, 不能完成既定任务。

3、导航坐标失准。导航系统是无人机的眼睛, 无人机无论是起降、巡航, 还是遂行任务都离不开导航系统提供精确的坐标, 导航系统如果无法提供精确的定位数据, 无人机飞出去后, 难以按照预定航路完成任务。

三、无人机抗干扰主要措施

在复杂电磁环境下要确保无线电数据传输的畅通, 需要无人机有很强的抗干扰能力。针对不同辐射源的干扰特点, 采用不同的抗干扰措施, 做到有的放矢, 常采用的抗干扰措施主要有以下几种:1) 加强机载电子设备电磁屏蔽设计。无人机全系统要进行电磁兼容性试验, 合理布局机载电子设备, 并采用复合导电橡胶条、屏蔽缠带、橡胶屏蔽衬垫等手段减少电磁泄露。2) 采用自适应干扰抑制。无人机通信与测控常用频段主要有: L, C/ X, Ku/ Ka波段, 频段较高、方向性强, 采用自适应调零天线收发信息也可以从一定程度上抑制指向性的瞄准式干扰。地面控制站能够自动调整天线使方向图主波束对准信号方向, 而将波束零点位置对准干扰源方向以最大程度地抑制干扰。3) 配备多种导航手段。在复杂电磁环境下执行任务的无人机要配备冗余导航系统, 增强精确导航能力。导航系统可采取的抗干扰技术有: 无源定位技术、无线频率干扰 ( RFL) 源控制技术、导航卫星信息冗余技术、GPS/惯导综合导航系统等。4) 合理设置飞行方案。无人机遇到不确定辐射源干扰时, 应尽快确定辐射装备型号、战 ( 技) 术性能、干扰源正对方向。然后制定无人机飞行航线, 适时变换遥控遥测频率或关闭遥控器进行程控飞行。

四、结束语

总而言之, 针对无人机在靶场复杂电磁环境中的使用特点, 一方面发展性能更好更能满足信息化条件需要的无人机, 另一方面研究复杂电磁环境下的无人机使用方法。在未来的靶场复杂电磁环境中, 无人机的使用效能会越来越高, 同时随着电磁技术和微波技术的发展, 靶场环境会越来越复杂, 探讨复杂电磁环境下无人机的使用还需要不断深化和发展。

参考文献

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[3]王惠娟.复杂电磁环境抗干扰对策[J].动力与电气工程, 2008 (34) :103-104.

人机环境系统 篇9

人机工效是汽车产品非常重要的使用性能, 一直是汽车厂商非常重视的内容。如同大多数产品一样, 用户极少参与汽车的设计过程, 这使得在设计中充分考虑用户特点和需求、以用户为中心进行人机工程学设计变得尤为重要。企业在进行设计方案的验证时, 除了采用虚拟验证之外, 还通常要制造产品的物理模型 (或样车) , 邀请技术人员和管理人员 (乃至目标用户) 对设计方案进行主观评价。这种物理模型评价试验称为物理模型测试, 具有直观、可靠的优点。虽然, 物理模型测试仍然是目前汽车虚拟设计评价所替代不了的, 但模型的制作成本通常较高, 为了节省开支, 通常只对少数认为可行的方案进行物理模型测试。物理模型测试需要在设计方案 (甚至是详细结构) 基本成形之后才能够进行, 因此, 时间上比较滞后, 加之方案的修改和再评价在原物理模型上很难实现, 必须返回设计环节进行改进, 使得设计周期大大延长。此外, 上述基于产品物理模型的主观评价方法不容易与其他评价手段相结合, 并且所制作的物理模型难以用于对一些人机工效问题进行深层次研究[1]。正是因为存在上述问题, 一些汽车公司对可调节和反复使用的产品物理模型进行了研究和开发, 并应用到了产品开发实践中, 取得了较好的使用效果[1], 较典型的是福特的一体化布置设计、评价系统 (integrated package design andappraisal system) [2-3]。

就可调节人机验证台架而言, 一些研究机构曾经进行过类似的研究和开发, 例如:国内一些研究机构就曾经针对不同的使用场合开发了专门验证前排驾驶工效的试验台架, 用于模拟汽车或飞机驾驶舱和分析验证驾驶员人机工效[4-8]。目前的可调节人机验证台架还存在下述问题:1通常主要用于某种人机工效试验研究, 很少用于实际产品的设计方案呈现;2少数用于产品验证的台架也主要针对某种特定车型进行验证, 同一个台架不能针对不同类型的车型进行验证。3一般不具有验证内饰设计的功能, 即使有内饰验证功能, 通常只适合安装某种车型的内饰, 而不能适合安装不同乘用车型的内饰, 因而内饰验证方面功能具有局限性。

受长安汽车公司委托, 吉林大学汽车工程学院主持开发了用于乘用车人机工效和内饰设计验证的可调节台架系统, 目标是既要克服目前可调节人机验证台架存在的上述问题, 还能在一个台架上实现乘用车开发过程中的人机工效和内饰设计的双重验证功能。

1设计需求分析和目标定位

1.1覆盖车型

覆盖足够宽泛的车型范围, 快速、准确地呈现各种车型的设计方案, 是人机台架系统最基本的功能要求。本文的人机台架系统主要面向乘用车 (M1类[9]) , 包括轿跑车、敞篷车、轿车、CRV、 SUV、MPV等车型。这些车型的一些典型设计参数范围如表1所示。台架的主体结构和尺寸仿照真实的三厢轿车设计, 但可以用于呈现整个乘用车范围内各种车型的设计方案。

1.2功能要求

为了能够快速、准确地表达各种乘用车的设计方案, 要求座椅、仪表板、操纵件 (转向盘、踏板、 换挡杆、手制动杆) 、立柱、顶盖和车身闭合件 (车门、发动机舱盖、后背舱盖) 等能够按照该车型的设计参数值在台架上进行布置, 因此, 必须将这些部位设计成具有足够的活动自由度部件, 并能够在各自的自由度方向上进行无级调节。主要的调节自由度见表2。从轿跑车到各级别轿车, 再到SUV、MPV等, 表2中很多部位的活动自由度 (与绝大多数汽车布置参数相对应) 都在一个较大的范围内变化。对于本身就带有调节功能的零部件 (或车身附件) , 如座椅、转向盘等, 其自身的调节范围远远不能满足要求, 必须额外补充调节量。 所有直线自由度的调节精度控制在1mm以内。

对于座椅、转向盘、换挡杆、仪表板等, 不同车型会采用不同厂家、不同规格和尺寸的总成, 这就要求它们能够方便地拆装。由于本台架的另一主要功能是对部分内饰的效果进行验证, 这也要求这些内饰能够方便地安装和更换。

容纳乘员的空间应该能够适合各种常见的人群, 因此, 相关布置参数的统计计算应考虑极限人体尺度的目标人群。计算所采用的部分人体尺寸参见表3。

在人机台架上验证的主要内容包括:1乘员乘坐和活动空间;2驾驶员和后排乘员视野;3驾驶员操纵的方便性和舒适性;4乘员上下车和进出方便性等。

1.3结构要求

台架除了要具备足够的结构强度之外, 还要有较高的刚度, 以保证各活动部件的调节机构能正常发挥作用, 避免造成零件磨损和调节精度下降;而整体结构则应尽可能轻量化。结构和机构的实现应确保使用中无危险。为了便于今后进行维护, 各部件及其调节机构应采用模块化设计和制造, 并尽量采用螺钉连接进行装配。除此之外, 在结构的设计上还力求做到受力均匀、变形协调、 强度相等和载荷传递路径短等[10]。

2概念设计

2.1总体框架

根据设计需求和目标定位, 确定了整个系统的总体概念方案。整个台架系统所包括的各部分内容见图1。目前的工作主要针对硬件系统的开发, 包括结构框架设计制造、车身零部件改装、各自由度调节机构设计制造和控制系统开发。

2.2定位基准系统

定位基准的合理选择对于设计、制造和使用非常重要。设计基准通常采用硬点来实现, 能够直接与现有的标准兼容, 如SAE J1100[11]。若某方面尺寸在标准中没有相关硬点定义, 则需要根据具体情况自行定义定位基准。制造基准的选取则更多地考虑保证设计和制造精度。使用中的定位基准包括一些硬点和厂商自定义的、用于定位一些形状不规则的零部件的基准。限于篇幅, 本文只介绍设计中的定位基准, 如图2所示。图2中, PRP为加速踏板基准点 (pedal reference point) , AHP为加速踏板踵点 (accelerator heel point) , SgRP为乘员的乘坐基准点 (seating ref- erence point) , FRP为后排乘员的踵点 (floor ref- erence point) [11]。除此之外, 在仪表板、立柱、车门、顶盖等处还自定义了一些基准, 用以表示对应的机构的位置, 由于涉及一些技术秘密, 本文不予列出。

2.3前排空间设计

本台架用于人机工效验证, 就必须能够适应各种身材和体型的人进行工效试验, 故应该按照极限尺寸的人来设计前后排乘员的乘坐空间。本文参照了欧美和亚洲国家的极限尺寸人体数据, 充分保证对绝大多数人群的设计适应度不小于99%。图3为前排乘坐空间设计结果。图3中, 空间p1-p2-p4-p3为综合考虑各国人体尺寸之后0.5到99.5百分位驾驶员乘坐空间范围;空间p1-p2-p6-p5为座椅调节机构的最小行程范围;空间p5-p6-p8-p7为台架补充的调节范围, 其中空间p3-p4-p8-p7是容纳可能出现的超大尺寸身材驾驶员的乘坐范围。图3中, x方向的坐标原点为PRP, z方向的坐标原点为AHP。为了验证所设计的范围, 图3中绘出了成年人最短下肢长度 (位置Ⅰ) 和最长下肢长度 (位置Ⅱ) , 分别对应于亚洲国家女性和荷兰男性, 可见, 设计范围已经完全覆盖目标群体尺寸范围 (完全容纳下肢长度) , 并且前后端都留出了必要的后备范围。

2.4后排空间设计

后排空间设计同样应保证能够表现各种乘用车型的设计方案, 因此, 需要对现有的典型乘用车后排空间大小和位置进行统计分析。图4中给出了典型的6辆各级别乘用车后排空间 (图中以L50表示, 定义为前后排乘坐基准点SgRP之间的前后距离) 尺寸。根据典型乘用车后排空间大小和位置的统计结果, 参照前排座椅的最前和最后位置, 最终确定后排所需的最大和最小空间及乘坐位置。

2.5其他空间设计

宽度方向需要确定座椅和立柱的调节范围, 高度方向需要确定顶盖高度、发动机罩C点高度和后备舱D点高度的分布范围, 确定的依据同样是对各种乘用车型参数所进行的统计分析结果。

3结构设计

3.1调节机构

绝大多数自由度都是沿着直线方向运动, 因此, 可采用直线滑动副和丝杠实现自由度调节, 利用步进电机进行驱动。各自由度调节机构的组成件尽量利用成熟的产品进行集成。个别结构和运动形式特殊的零部件则需要进行特殊加工。因此, 与绝大多数活动自由度相关的零部件结构形式和尺寸就根据已有产品的规格尺寸进行选型并确定下来。

3.2结构验证

为了保证整个系统运行准确、可靠, 在最后确定结构形式和制造之前, 需要对结构的强度进行分析计算, 确保各个部件受力合理, 不会出现局部应力过大的现象。因此, 对于承载大的结构, 都利用MSC.Nastran软件进行了分析计算, 对结构强度和刚度进行了分析验证。

3.3机构DMU分析

由于需要调节的部位和自由度非常多, 一些部位的活动自由度和结构如果设计不当可能还会出现干涉的现象, 因此, 必须进行各部位自由度调节的功能分析, 即进行机构的DMU分析, 一方面验证自由度的功能和相应结构参数的合理性, 另一方面也验证不同自由度之间会不会出现干涉。

4制造和装配

对经过验证的结构和机构进行了制造和装配验证, 并估算了成本, 之后进行了加工、采购和集成。制造采用委托加工的形式。制造完毕的物理模型经过了功能评估、初步验收和最终验收, 结果表明, 本模型的设计和制造符合预期的技术要求。

5结语

本文研究并开发了专门用于乘用车人机工程学设计和验证的台架系统, 并申请了相关专利。 本台架系统目前已经实现了硬件和控制软件部分, 未来将要进一步对相配套的评价和分析软件进行开发, 从而在预期目标的基础上实现更为复杂、方便的功能。相对于目前的同类台架, 本台架的优势在于:1能够非常全面地验证乘员的人机工效;2能够针对各种乘用车型进行验证;3能够对内饰设计效果进行验证。

参考文献

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[10]杨文斌.机械结构设计准则及实例[M].北京:机械工业出版社, 1997.

人机环境系统 篇10

人机工程学起源于欧美, 又称“人类工效学”。国际人机工程学学会对人机工程学的定义是:“研究人在工作环境中的解剖学、生理学、心理学等方面的因素, 研究系统中各组成部分的交互作用 (效率、健康、安全、舒适等) , 研究在工作和家庭中、在休假的环境里, 如何实现人-机-环境最优化的问题的学科。”在实验室里, 做实验者、实验设备、实验台和实验室内部环境等因素组成了实验室特有的实验室人-机-环境系统。通过研究实验室人-机-环境之间相互关系的规律, 达到系统总体性能的最优化, 改善实验环境, 让做实验者更健康、高效、愉快地工作。

2 室内环境色彩设计

室内环境色彩设计是指一切建筑物内部空间的色彩, 给人以美感, 能够提高室内环境设计的视觉感受, 并且影响人们的情趣、引发联想。室内色彩设计要求设计师既要充分考虑室内环境的功能因素, 又要充分考虑色彩等审美因素, 对室内环境色彩空间的方位、大小、使用空间的人及周围情况等因素综合考虑, 设计出能够创造视觉效果、调整氛围、表达心境, 具有人情味和亲和力, 满足审美需求和情感需求的室内环境色彩系统。

3 当前实验室环境色彩设计中存在的问题

一直以来, 实验室作为教学科研的重要场所, 其功能性一直倍受重视, 而环境设计却明显受到忽视, 特别是色彩设计, 存在很多问题:有的实验室缺乏整体规划和整体色调, 只考虑了室内环境的使用价值, 而忽略了室内色彩的分类和选择, 造成色彩凌乱、不协调;有的实验室空间色彩单调, 构图单一, 色彩设计呆板孤立, 完全没有起到调整面积和改善空间的作用;有的实验室环境设计没有考虑人的心理需求和情感需求, 显得枯燥、压抑和阴暗, 缺少趣味和人情味, 呆久了人容易产生厌倦情绪。

4 人机工程学在实验室环境色彩设计中的具体应用

4.1 利用色彩和光线调整改变实验室内空间大小

色彩在改变实验室空间大小方面起着举足轻重的作用。色彩有冷暖色调之分, 将“冷暖”这种温度的感觉同视觉领域的色彩感觉联系在一起, 不是指物理上的实际温度感觉, 而是指视觉上和心理上相互体验并相互关联的一种知觉效应。一般把橘红色纯色定为最暖色, 称为暖极;把天蓝色纯色定为最冷色, 称为冷极。冷色调有后退感和收缩感, 暖色调有一种迫近感和膨胀感。设计师经常利用色彩的冷暖感而产生的色彩视错觉来改变实验室内空间大小。一般来说, 空间大小、高低、空旷, 抑或局促的效果与色彩的关系是相呼应的。当空间过于高大时, 可用近感的暖色调减弱空旷感, 以增强舒适感和临近感;当空间尺度过小时, 可用远感的冷色调扩大空间, 减弱紧张、压抑感;当屋顶过高时, 可用近感色也就是暖色使距离感拉近;当屋顶过低时, 也可用冷色调使屋顶变得高一些, 从而起到改善空间的作用。

在实验室内, 色彩调节光线的作用很强, 通常明度高的颜色反射光线强, 明度低的颜色反射光线弱, 当实验室内明度较低时, 可采用反射率较高的色彩如白色提高明度, 扩大空间感。当实验室内明度较高时, 可采用反射率较低的色彩, 如蓝灰色降低明度, 缩小空间感。

4.2 利用色彩的标志性对实验室空间进行导向和分类

色彩是空间导向系统设计中重要的视觉要素之一, 色彩所具有的诱目性、传达性、符号性等特点, 使导向系统能够进行更高效的信息传达。空间导向系统设计中色彩的实用性表现在其分类、排列顺序和引导视线的功能方面。色彩能够将导向信息系统性地归纳起来, 保持了导向系统的连续性。实验室内可充分利用色彩进行导向和分类。例如:可用不同的色彩把实验室操作空间、人行的空间和其他空间加以区分, 可在实验室走廊及楼梯间, 选用色彩艳丽、导向性强的色彩作为地面色彩, 提高交通路线的明晰度;对于实验台、操作台、仪器设备、放置实验用品的家具和其他物品可用不同色彩加以装饰, 便以区别, 从而明确划分空间区域。

4.3 确保实验室色彩的协调统一

室内色彩设计的根本问题是配色问题。梵高说:“没有不好的颜色只有不好的搭配”。在室内环境中, 各种色彩相互作用于空间中, 和谐与对比是最根本的关系, 怎样恰当的处理这种关系是营造实验室空间氛围的关键。在确定实验室环境设计整体效果时, 要注意从房间的天花板、墙面、地面统一构思考虑, 把实验台, 实验设备、操作工具、室内家具、陈设饰品以其他物品的摆放统一安排考虑。通常任何颜色和白色搭配在一起都能展现出漂亮又持久的整体效果, 其中经典的配色方案包括:绿与白、蓝与白等。实验室色彩设计要根据实验室的特色来安排整体色调, 在整体色调设计中, 主色调要能突出实验室的专业特色, 要有统一感, 其他颜色可用于调节, 但都要服从主色调。

4.4 注意人对色彩的情感规律

人们对色彩的感觉是一般美感中最大众化、最普遍的视觉形式。当人们看到某种色彩时, 往往会引起人们的美妙联想和情感共鸣。这就是色彩视觉通过形象思维而产生的心理作用。色彩与人的情绪、情感和意志紧密相联, 不同的颜色会给浏览者不同的心理感受。色彩的明度和纯度尤其会影响人们的情绪, 每种色彩在饱和度, 透明度上略微变化就会产生不同的感觉。心理学研究表明, 暖色可引起瞳孔放大, 心脏跳动加快、心情兴奋、扩张炎热的感觉;冷色可引起眼睛的淡漠感觉, 心脏、脉搏跳动平稳, 给人冷静、收缩和寒冷的感觉;中间色处于兴奋和冷静之间, 眼睛不疲劳, 给人宁静、柔和与舒适的感觉。在进行实验室色彩设计时, 不同专业的操作者对实验室色彩的要求是不一样的。因此, 要恰当运用色彩情感规律, 充分体现实验室的专业特点和专业差异。比如理科实验室的空间色彩一般是以冷色调的色彩为主, 适合具有稳定感的色系, 以营造出清醒、冷静、理智的氛围;文科实验室的空间色彩一般偏向黄橙色、粉色、红色等暖色调为主, 以营造出轻松、温馨的氛围;艺术类实验室的空间色彩一般采用纯度较高的浅色系或对比度较大的色系, 以营造出活泼、具有时代气息、富有想象力的氛围。

色彩设计是整个实验室环境设计的点晴之笔。在实验室色彩设计中应用人机工程学原理是人文关怀在室内设计中的充分体现, 能极大的改善和优化实验室内部的空间感、环境氛围、舒适度和使用效率等因素, 令实验操作更科学、方便和舒适, 以激发实验操作者的创造力, 提高实验准确率, 取得更有价值的教学科研成果。

摘要：人机工程学以人-机-环境作为研究的对象, 通过揭示人-机-环境之间相互关系的规律, 达到系统总体性能的最优化, 进而改善工作和生活环境。实验室是高校开展教学实践和进行科学研究的重要场所。色彩设计在实验室环境设计中占有非常重要的作用。色彩设计不仅可以划分空间区域、调节空间大小, 还能美化实验室环境, 调节人的心理, 提高生活品质以及工作效率。本文就如何应用人机工程学进行实验室环境色彩设计, 创造令做实验者身心愉悦的实验室色彩环境系统进行研究, 实现实验室人-机-环境最优化。本文从人机工程学的角度, 对实验室环境色彩设计进行探讨, 美化实验室环境, 调节人的心理, 提高工作效率, 使实验室人-机-环境达到最优化。

关键词：人机,实验室,环境,色彩设计

参考文献

[1]丁玉兰.人机工程学[M].北京理工大学出版社.2005.[1]丁玉兰.人机工程学[M].北京理工大学出版社.2005.

[2]张勇一.室内设计中的人体工程学分析[J].怀化学院学报 (自然科学) .2006.[2]张勇一.室内设计中的人体工程学分析[J].怀化学院学报 (自然科学) .2006.

[3]刘盛璜.人体工程学与室内设计[M].中国建筑工业出版社.2004.[3]刘盛璜.人体工程学与室内设计[M].中国建筑工业出版社.2004.

人机环境系统 篇11

关键词：校园卡圈存系统；人机界面；改良设计；交互

人机界面是人与产品进行信息传递与交流的交互面，用户使用产品的综合操作环境系统，也是用户和机器之间互相传递信息的媒介。通过调研分析发现现有的校园卡圈存系统的人机界面设计存在一些缺陷和问题，本文针对这些问题进行改良设计。

原有的人机界面设计如图1、2，

一　原有校园卡圈存系统人机界面的缺陷和问题分析以及改进方案

（１）操作界面方面

缺陷及问题：原有的系统操作界面是采用视觉界面（如图1）、功能实体按钮和数字键盘（如图2）结合的方式。在使用的过程中，由于按钮的使用频率过高导致按钮上的数字或文字标识变模糊，或按钮对应的功能或菜单指示不明确等，用户在进行进一步操作的过程中会产生误操作或不必要的操作。改进方案：设计全触摸屏的操作界面，除去实体按钮和键盘的部分，用户通过手触点击各个功能按钮便可进行目标操作，整个使用过程都是在视觉界面上完成的。这是对上文提到的社会科技发展和设计流行发展趋势的一种呼应，顺应了时代的发展，同时也满足了用户对生活周遭产品的更高层次的心理追求，以及对高品质生活的需求。

（２）系统界面流程操作的交互方面

缺陷及问题：1）系统的初始界面以及使用产品结束后的界面是功能主界面（如图1），过于单调，缺少与用户的交互，缺乏亲和力，而且没有给用户提供一定的指示如何进行产品的起始操作。2）没有提供相关的搜索工具或帮助、指引、提示信息供用户参考使用（如图7、8）以及无明确的反馈信息。这导致用户在使用圈存机的时候，特别是初始使用者，他们会因为不了解产品的使用方式而感到困扰，会因此进行多种方式试用而导致使用效率也随之降低，从而也影响了用户的操作情绪。3）操作流程、容错及改错方面。原有产品功能操作流程方面容易给用户误操作或者没有充分考虑用户使用过程当中由于误操作或多余操作想返回上一步操作或者进行别的任务的时候的方便性、自由选择的权利（如输入圈存金额的时候，有些用户可能会想自己输入一定的金额或者像取款机一样选择固定的金额，原有界面没有提供这样的服务）等，以及设置了没必要的操作，如插入校园卡之后还需按“确认”按钮。另外，当用户想结束当前操作，取出卡的时候，还需一步一步地退回到主界面，这无疑浪费了用户的时间、触动了用户的耐心，影响了心情。改进方案：1）设计一个欢迎界面和感谢使用的界面，其中欢迎界面上有插卡提示和演示图，这样用户可以明了地知道如何进行第一步的操作以进行自己的目标行为，界面还设计了时间和日期显示、服务电话等辅助信息；感谢使用的界面有相关提醒信息，提示用户在完成目标操作后取走自己的卡，以免造成不必要的隐患和麻烦。另外，两个界面上有分别有欢迎词和感谢使用词。这些设置考虑了用户的使用心理感受，能给用户带来愉悦的心情，给人一种在使用“有生命”的产品的感觉，而不是在跟所谓的机械的物体在交流，这些都体现了“人性化”的设计精神。2）（1）在界面上设计操作流程提示（①选择圈存金额→②输入银行卡密码→③圈存完成），以帮助用户能够较快地使用产品进行操作。且每个流程提示用颜色将其区分，红色代表当前的操作步骤，蓝色表示其他步骤，明确地给用户传达有效信息。（2）提供了输入密码和身份证号码时的温馨提示。用以提示用户在输入密码时注意密码安全，以防他人获取信息而造成麻烦或损失，以及由于有些身份证号码包含字母，温馨提示帮助用户了解如何正确输入有效身份证号码，从而进行正确地下一步操作，这些都是“体贴”的设计表现方式。（3）当用户操作错误的时候，提供相关的反馈信息，指引用户改错并进行正确的操作。3）（1）圈存金额页面设置“自定义金额”选项，为用户带来方便。（2）系统功能操作流程图方面，本着“以用户为中心”的思想，省去不必要的步骤，换之或加上更为明了的方式，使用户操作起来更为方便、快捷、有效。（３）设置进入其他功能界面的“选择其他服务”及直接“退卡”按钮。

（３）视觉效果方面

缺陷及问题：原有界面只是单一的蓝色背景和文字描述。缺乏了审美愉悦性（愉悦性是人类审美的一个更高层次，表现为一种快感），难免显得有些单调乏味。而丰富的界面设计应该具备外观形式或符号信息（色彩、线条、形状、质感等），这些因素又物化为审美客体的形式感（形体感、色彩感、线条感等）以及与此相应的语言信息、符号，这能给用户带来视觉冲击。且页面的布局要简洁、明了、有序，不能显示杂乱。

改进方案：

界面整体以红色为主色调，功能菜单分区、按钮布局与颜色区分、整体颜色搭配等都是基于用户的感受进行的设计。如图3。

三　结束语

人机界面是面向人的，与人息息相关，这就要求它必须体现“人性化”关怀。好的人机界面美观易懂，操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快，增强兴趣，从而提高效率。界面设计的美，不仅是艺术审美形式的美，满足人们感觉上的愉悦性，更多的是产品作为操作的一种工具，来满足实现某种目的带来的愉悦性，它带有更多的实用性。

参考文献

[1] 罗仕鉴、朱上上、孙守迁著，《人机界面设计》，[M] 机械工业出版社 2002.9

[2] 李世国著，《体验与挑战—产品交互设计》，江苏：江苏出版社,2008

[3] 周苏编著，《人机界面设计》，北京：科学出版社,2007

人机交互地图系统的设计与实现 篇12

关键词：手势识别,手势跟踪,轨迹判定,地图控制,OpenCV

计算机技术水平发展的过程, 也是一个探讨如何更好地与计算机沟通的过程。如果技术构建的生活领先人们目前的生活太多, 就需要设计足够好的用户体验来驱动人们向新技术转变, 这也是人机交互发展的意义所在。更加随意和自然的人机交互方式一直是用户体验研究的主要方向。本文所设计的单摄像头下的单手手势识别地图控制系统, 从肤色检测入手, 并且选择了Camshift算法对人手进行定位跟踪, 选择HSV颜色空间进行自然背景下的肤色提取, 整个系统基于Open CV开发, 包括图像编辑、窗口操作、手势跟踪判定以及图像处理控制等各个模块都采用了Open CV的功能函数, 使用简单, 操作便捷, 具有一定的研究价值和市场前景。

一系统需求分析

本文系统以实现主要的人机交互地图功能为主, 所以一些可供扩展开发的功能没有列入主要的系统需求之内。基于这一前提, 系统需求包括:

显示视频, 在视频中跟踪显示肤色区域;

载入地图图片, 并可以无需更改代码, 更换地图图片;

识别手势指令, 并且根据指令控制图片移动;

在各个程序进程上, 留有扩展开发入口。

根据系统需求, 按照人机交互的顺序, 结合Open CV函数的特点, 设计出系统框架如图1。

二Open CV简介

Open CV的全称是Open Source Computer Vision Library, 开源计算机视觉库。Open CV于1999年由Intel建立, 现在由Willow Garage提供支持。Open CV是一个基于BSD许可证授权 (开源) 发行的跨平台计算机视觉库, 可以运行在Linux、Windows和Mac OS操作系统上。

Open CV量级轻而效率高, 由一系列C函数和少量C++类构成, 同时提供了Python, Ruby, MATLAB等语言的接口, 实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。加上其开源的特性, 处理得当, 不需要添加新的外部支持也可以完整地编译链接生成执行程序, 其代码经过适当改写可以正常地运行在DSP系统和单片机系统中。

Open CV大量应用于人机互动、物体识别、图像分割、人脸识别、动作识别、运动跟踪以及机器人开发等各个领域, 应用非常广泛。通过优化的C代码的编写对其执行速度带来了可观的提升, 并且可以通过购买Intel的IPP高性能多媒体函数库 (Integrated Performance Primitives) 得到更快的处理速度。

三手势识别

手势的表达能力介乎语言与表情、身体姿态之间, 但是在环境的适应性、交互的便捷性方面有突出优势, 所以成为人们研究下一代交互方式的首选媒介。但是手势的复杂性也非常突出, 这一面说明手势识别的难度很大, 另一面说明手势交互能够带来的信息量很大。

本文研究的手势识别是对手势做静态化的大致定位, 对具体细节可以不精确计算, 得到连续稳定变化的目标区域, 具体表现在获得目标区域的稳定性质点 (比如重心) , 在视频流的每一帧连续变化中, 稳定性质点不会发生跳变。本文对手势识别提出的流程方案是:前景提取、肤色提取、手部提取、手势跟踪。

1. 前景提取

在连续变化的视频帧中, 除人体的操作变化之外, 实际上背景通常是静态不变的, 所以将前景提取放在手势识别的第一步进行, 目的在于排除静态背景的干扰。前景提取中的“前景”指在连续图像中变化的图像部分, 前景提取是一个从所有图像数据里面提取动态数据的过程。经过前景提取得出的动态区域, 然后针对动态区域做进一步的肤色识别等流程, 这一步骤提高了识别系统整体的效率。

视频捕捉的视频流之中, 如果假定背景保持不变。通过分析其中移动的前景图像建立模型, 将背景模型和当前帧进行比对可以检测出前景物体, 通过调用Open CV中的absdiff函数即可计算得到。但是对于大多数情况来说, 获取背景图片都不容易。

具体的实现过程主要分为两部分:一部分是调用absdiff函数找出当前图片和背景图片的区别, 使用了threshold函数除去前景。如果当前图片像素与背景图片像素变化超过一定阈值就认定其为前景像素;另一部分工作是更新背景图片, 调用函数Accumulateweighted, 根据权重参数可以调整背景更新的速度, 将当前图片更新到背景中, 将得到的前景提取结果作为mask, 在更新背景图片时避免了前景的干扰。Open CV封装了Background Subtractor MOG类, 为我们做好了相关工作。

此法可以得到的结果是二值化的结果。所以需要采用迭代的过程, 将得出的二值化结果的区域坐标输出, 反馈到肤色提取模块, 再在动态提取后的区域中做分析检测。

2. 皮肤检测

皮肤检测的任务是在视频流中找到皮肤区域, 并且把检测出的目标区域标定。皮肤检测通常作为从视频中提取人体部位过程的预处理步骤。

因为皮肤的特征具有差异性, 根据人们不同的种族、健康或者年龄等不同因素, 都会产生差异, 所以皮肤检测可以是两个维度的工作, 既可以基于肤色检测也可以基于皮肤肌理检测。两种检测方法的原理不同, 目前主要的研究都集中在肤色检测这一方面。因为皮肤的肌理相对肤色来说, 更加细微, 所以检测的难度以及对环境的敏感度都比肤色要高。本文也基于肤色检测进行。

由于皮肤在视频流中的颜色取决于摄像头拍摄时的光照条件, 包括光照的角度以及光照的强度。本文具体讨论在光照不变或者皮肤颜色对光照变化不敏感的条件下进行的情况。

皮肤检测包括如下步骤:颜色空间转换、设定皮肤边界、标定皮肤区域。

颜色空间的值与很多变量有关, 对光照条件等主要的干扰因素的敏感程度不同, 且与肉眼所见颜色并未必有明显的线性关系。因此, 作为皮肤检测的重要环节, 选择颜色空间对皮肤检测模块的性能有很大影响。

因为本系统需要直接定制肤色边界, 所以采用了感性颜色空间中的HSV空间, 包括三个部分:色相 (H) , 饱和度 (S) 以及亮度 (L、V) 。他们从RGB空间非线性转换而来。优势在于允许用户直观制定色调、饱和度的肤色边界。通过设定HSV值, 可以直接看到系统检测的效果, 并可根据效果及时调整。HSV值设定以后的, 满足HSV设定边界的像素点被标记成为皮肤区域。

人体的皮肤是由红色的血液或者褐色以及黄色的黑色素组合而成的, 所以皮肤的颜色是在一个有限的皮肤范围之内。因此, 皮肤检测在将图像转换到颜色空间后, 可以确定一个肤色边界来划定肤色区域。肤色边界是指在颜色空间中, 根据颜色的各个值设定区分条件, 满足条件像素点才能被标定为皮肤像素。

对图片的操作本质上针对一个矩阵进行操作, 每个矩阵上的点具有位置和颜色值。针对图片数据矩阵上所有的点做一个遍历检测, 对每个点按照肤色边界条件作对比检测, 然后把满足边界条件的点保持原有数据, 不满足条件的点设为白色。针对点的对比检测完成之后, 对图像做形态学处理, 将大块的颜色区域划为连续的区域。同时将满足条件的区域中的一些不满足条件的区域标识出来。这样整个皮肤检测流程就完成了。

3. 手部提取

输入手部提取模块的图像, 已经经过前景提取和皮肤检测, 意味着理想情况下, 摄像头采集到的静态元素已经排除, 运动着的目标非皮肤区域也已排除。但是用户被摄像头采集到皮肤区域, 不止是包括手势部位, 也包括了脸和手臂。

脸部和手臂虽然互相干扰, 但是脸部包含了眼睛、鼻子和嘴唇等非肤色区域, 所以在连续的区域之间会有一些小的非肤色区间。可以基于区域的连续性来将脸部排除。

手掌和手臂都是连续的肤色区域, 需要进一步确定手掌的位置。首先取得两个最大的手指指尖坐标, 然后根据两个坐标之间的差值, 确定一个起点, 再根据设定的手掌比例算出手掌的横向面积, 满足横向长度的范围之内, 就属于手掌区域, 剩余的就是手臂区域。

该方法受到摄像头面对手势的方向以及距离的影响。极端情况下, 当整个手臂被判定为手掌时, 整个手势的跟踪轨迹也会有一个稳定的输出值, 但是因为面积变大, 以及遮挡面积等各种影响都变大, 所以输出值相对真实值会变得缓慢。

4. 实现方案

本系统主要负责手势识别以及跟踪的函数:

该函数的主要作用是, 输入视频帧转换成的图像, 识别并输出肤色区域中心坐标。这一模块的主要任务有:将肤色区域跟踪框显示到视频中, 方便及时查看识别跟踪效果, 以修正肤色阈值;输出肤色区域中心坐标数据到轨迹判定模块。

实现的过程如下:

将图像转换到HSV空间, 设定皮肤过滤阈值成对应的HSV值条件, 然后通过设定的HSV值对图像进行检测;

通过Cam Shift算法跟踪肤色区域, 并且将跟踪框显示到视频流图像中, 输出显示;

将肤色区域的跟踪数据存入track_box变量地址中, 以供系统下一进程调用。

四手势跟踪与判定

手势跟踪通过不同帧之间稳定性质点的变化来推断整个运动的轨迹。所以, 手势跟踪和手势运动的速度、对象是否被遮挡等都有关系。

目标从进入摄像头采集范围开始, 移动过程的每帧之间需要一定的时间, 所以相邻视频帧之间必然有一定的相关性, 基于这种相邻帧之间的相关性可以对肤色检测的对象进行跟踪, 持续输出目标坐标以完成手势识别系统的任务。对人机交互地图系统的手势识别模块来说, 手势跟踪的目的是持续输出坐标, 并且设置跟踪框, 此外, 还可以反馈信息给手部提取模块以减少计算量。

目前, 对目标跟踪算法展开很多研究, 这些算法各有优缺点。在不同的系统里, 根据需求的不同, 选择对应的目标跟踪算法, 对整个系统的性能以及识别率都至关重要。本文的手势识别是基于肤色的, 所以选择使用Cam Shift算法。

1. Cam Shift跟踪算法

Cam Shift的一大特点就是其搜索窗口在初始化之后会在每一次搜索完毕之后自适应调整其大小, 使得跟踪窗口能适应目标大小的变化。Camshift是基于肤色的, 由于基于肤色识别的算法对光照比较敏感, 所以需要选择对光照亮度变化不太敏感的颜色空间如HSV, YCg Cr等。在HSV空间中, 只需要计算H通道的颜色直方图;在YCg Cr空间里, 需要计算Cg Cr通道的颜色直方图, 为了减少计算, 选择前者。以下是Camshift跟踪的基本步骤;

第一步, 初始化搜索窗口, 将RGB颜色空间转换为HSV颜色空间。根据用户手动选择的搜索窗口, 获取待跟踪目标的颜色直方图;

第二步, 根据获得的颜色直方图将原始图像映射为对应颜色的概率分布图像;

第三步, 计算当前搜索窗口内概率分布图像的重心, 把搜索窗口的中心移到计算得到的重心处, 更新搜索窗口的中心及大小, 返回第二步, 重复操作直至窗口的中心不再发生变化或与重心的距离在预定阈值之内。

因为Camshift跟踪需要用户手动设置, 并不能实现自动跟踪。但是可以对步骤一进行以下流程优化, 以实现Cam Shift跟踪的自动化。

加载待跟踪目标的颜色图像, 计算待跟踪目标的颜色直方图;

设置搜索窗口为整个视频窗口或略小于整个视频窗口。

Camshift跟踪会根据目标的尺度更新窗口大小, 所以最初的最大化设置会在搜索开始后立即变成适应目标的窗口大小。在本系统中, Cam Shift持续将搜索窗口的中心坐标输出, 即可完成从手势图像到具体目标坐标的转化。

2. 手势轨迹判定

手势跟踪持续输出了手势的位置坐标, 由此, 我们需要设计一个轨迹判定算法来从轨迹之中识别出手势传达的指令。

本文采用一种基于坐标系加判定圆的交互判定方式:构建一个以视频采集中心为原点的坐标系, 再以原点为圆心, R为半径构成一个判定圆。这种轨迹判定方式可以满足平移和缩放两种操作的判定需求。

(1) 平移判定

当轨迹落在判定圆之内时, 系统即处于触发状态, 当手势坐标离开判定圆, 系统立刻脱离触发状态, 同时记录这一时刻点的坐标, 将其与触发点的坐标相对比, 则可得出一个由坐标差形成的向量, 反映了这一手势的方向以及移动量。

这样得出平移向量可以包含各个方向, 如果基于该向量再加上一些判定算法, 则可以得出一些仅包含几个方向 (比如上下左右) 的平移值。

(2) 缩放判定

因为缩放操作比移动操作的频次要低, 所以缩放操作可以比移动操作稍微复杂。

本文的缩放操作定义为:在坐标系中对整段输入轨迹做匹配处理, 当一段坐标轨迹连续顺时针或者逆时针经过了四个坐标象限的时候, 根据顺时针或者逆时针判定为放大或者缩小。至于缩放的倍数, 需要事先确定。

这样做的好处是:当用户知道触发圆的存在时, 会有目的地发出指令手势。同时在无指令意向时, 会注意避开触发圆。通过调节触发圆半径R的大小, 对触发敏感地区进行设置, 使得系统可以灵活适应不同场景, 降低用户误操作的概率。此外, 通过采用相对坐标的差值, 保留了手势的方向, 使得图像具有多维的方向感。

3. 实现方案

手势判定模块的任务是:当用户做出符合规则的手势时, 模块从前流程模块中实时获得肤色区域坐标, 经过判定, 输出对应的指令。因为仅需实现图片移动, 所以本模块的实现函数为:

void Judge (float x, float y, int&dx, int&dy) ;

调用跟踪模块的track_box变量的中心x、y坐标, 经过算法判定以后输出移动的坐标。如果实时输入的坐标没有满足坐标条件, 则输出dx、dy均为零。

实现过程为:

对dx、dy变量清零。因为x、y变量为偏移量, 如果之后的流程中输入的坐标不满足判定条件, 则输出为0的偏移量, 不发生影响;

对输入的坐标x、y做偏移处理, 因为视频采集的区域中心坐标并非是 (0, 0) , 所以需要针对圆心做调整。采集区域的坐标值形成以采集区域中心为圆心的坐标系;

判定触发状态:如果系统已触发, 当前坐标在触发圆内, 则把状态设置为已触发, 保存坐标值;如果系统已触发, 当前坐标不在触发圆内, 则用目前的坐标值减去触发状态保存的坐标值, 设置 (dx, dy) 输出。

五地图交互

人机交互地图系统的难度以及核心模块集中在手势识别方面, 但是用户在使用时真正看见的是地图交互模块。虽然地图的载体是图片, 但是操作地图和操作图片有一定区别。放大缩小所操作的地图, 不简单是一张图片, 而是切换了不同精细度的数张图片。地图模块的几个功能是:管理地图图像数据源、获取手势指令、对数据进行相应操作。

1. 地图数据管理

常用的地图显示方式的最佳实现方案为联网时自动更新数据以及离线时使用可用的离线数据。数据源采用图片作为主要的呈现载体, 系统直接根据需求把对应的地图图片显示出来。

地图数据管理的关键是, 用户不用直接修改代码, 可以通过文件夹操作等方式增加地图数据, 可以在程序中输入数据检索文件夹中的图片, 当用户需要使用当前地图时, 只要把图片放入文件夹即可。

2. 地图操作

当选定地图之后, 地图的操作主要是移动和缩放。至于多维信息的查询, 需要结合地图匹配的数据库和相应信息交互的功能方能实现。仅仅针对地图本身而言, 并不需要如此多的功能设置。我们具体研究地图的移动和缩放功能。

针对地图的缩放功能, 有些地图本身的信息非常密集, 所以需要做到对地图本身的缩放处理。而另外一些地图, 实际上并非“看不清”, 而是给出一些宏观图像, 放大功能则是针对其中一个密集区域调用相应的详细地图图片。

针对地图的移动功能, 如果本地数据源是静态图片, 那么移动是有边界的。同时, 移动的尺寸也非常重要, 针对显示框的不同形状, 要给地图移动设定一定颗粒度的移动距离。如果颗粒度太大, 用户在需要同时看移动后地点和移动前地点之间的路线时容易操作过度;如果颗粒度太小, 用户则需要连续操作, 这样既浪费用户精力, 又可能造成误差。

无论是移动还是缩放, 在边界问题上, 都需要给用户反馈, 以提醒用户是否可以操作, 是否需要更新数据源。对于特定硬件而言, 图像显示的窗口大小要作对应的设置以满足最佳的查看体验。

(1) 图像的平移

图像的平移是将图像中所有的点都按照指定的平移量水平、垂直移动。设 (x0, y0) 为原图像上的一点, 图像水平平移量为tx, 垂直平移量为ty, 则平移后点 (x0, y0) 坐标将变为 (x1, y1) 。

显然 (x0, y0) 和 (x1, y1) 的关系如下:

用矩阵表示如下:

对该矩阵求逆, 可以得到逆变换:

平移后图像上的每一点都可以在原图像中找到对应的点。例如, 对于新图中的 (0, 0) 像素, 代入上面的方程组, 可以求出对应原图中的像素 (-tx, -ty) 。如果tx或ty大于0, 则 (-tx, -ty) 不在原图中。对于不在原图中的点, 可以直接将它的像素值统一设置为0或255 (对于灰度图就是黑色或白色) 。

(2) 图像的缩放

图像移动变换是1:1的变换, 而图像的缩放操作会改变图像的大小, 产生的图像中的像素可能在原图中找不到相应的像素点, 这样就必须进行近似处理。本文的方法是直接赋值为和它最相近的像素值。

假设图像x轴方向缩放比率为fx, y轴方向缩放比率为fy, 那么原图中点 (x0, y0) 对应与新图中的点 (x1, y1) 的转换矩阵为:

其逆运算如下:

例如, 当fx=fy=0.5时, 图像被缩放到一半大小, 此时缩小后图像中的 (0, 0) 像素对应于原图中的 (0, 0) 像素; (0, 1) 像素对应于原图中的 (0, 2) 像素; (1, 0) 像素对应于原图中的 (2, 0) 像素, 以此类推。在原图基础上, 每行隔一个像素取一点, 每隔一行进行操作。其实是将原图每行中的像素重复取值一遍, 然后每行重复一次。

3. 实现方案

地图交互系统分为几个模块设计, 分别为:载入模块、移动模块和显示模块。

(1) 载入模块

地图载入模块需要让系统具备动态的图片接受能力。允许用户直接修改地图存放文件夹中的图片, 只要满足命名规则, 不需要修改代码可以直接更改操作的地图。本文设定在E盘map文件夹下, 存放需要显示的图片, 命名为map.jpg即可。基于Open CV的cv Load Image函数, 使得系统支持大多数图片格式, 不仅限于jpg格式。

实现函数为:

Ipl Image*map=cv Load Image ("E://map/map.jpg") ;

(2) 移动模块

地图移动模块需要实现地图的上下左右移动, 能够调用判定模块输出的图片, 移动坐标对应移动图片。当图片移动超出尺寸时, 显示黑色背景。

实现函数为:

Ipl Image*dst=Move (Ipl Image*map, int dy, int dx) ;

移动模块的流程是:

判断 (dx, dy) 是否为零, 如果为零则跳过移动执行, 直接进入下一循环, 节省计算量:

按照dx、dy值移动图片, 并且返回移动处理后的图片。以供显示模块显示。

(3) 显示模块

地图显示模块需要在屏幕中心显示一个固定尺寸、固定位置的窗口。在窗口中显示各种移动操作后的地图图片。因为基于Open CV的cv Named Window以及cv Show Image函数有较大局限, 创建的窗口只能和图片一样大小或者固定大小, 无法全屏显示部分图片:当窗口尺寸大于图片时, 图片从左上角开始显示, 未铺满的地方为黑色;当窗口尺寸小于图片时, 图片按照窗口的比例默认显示。这不能满足我们既要能够查看图片中的一部分, 同时保持窗口大小不变的需求。

为了满足函数调用条件又满足系统需求, 采取了一下办法:

图像显示确认首先采取固定窗口位置以及固定窗口大小的处理方式;

采用类似图像移动函数的方式对图像进行处理:针对要显示的目标以及显示框架, 制定一个框架空图像, 其尺寸大小和需显示的图像一致, 但内容为空;

按照要显示目标的区域, 把地图图片目标区域的数据复制到frame图片中。然后返回frame, 就完成了部分显示图片的任务。

实现函数为:

dst=Fill (dst) , cv Show Image ("Map", dst)

因为复制目标图片值需要大量的计算, 所以将填充函数和显示函数分离, 按需调用, 可以有效提高系统性能。

六实验结果

整个人机交互地图系统的程序设计循环流程为:

先将摄像头视频流中的帧转换为图片导入;

调用识别跟踪函数, 实时获取采集图片中肤色区域的坐标数据;

显示视频数据;

调用判定函数, 从坐标数据中判定对应的手势指令;

如果发出指令 (移动坐标不为零) , 则移动地图;

显示地图。

代码如下:

编程实现后, 用单手操作, 进行不同方向移动地图的效果如下。

1. 向左移动图片

手坐标在触发圆内, 系统触发, 见图6 (左上) ;

手坐标在触发圆左侧 (图片中右侧) , 触发移动图6 (右上) ;

图片处于原位, 见图6 (左下) ;

图片左移, 显示更多地图右侧区域, 见图6 (左下) 。

2. 向右移动图片

手坐标在触发圆内, 系统触发, 见图7 (左上) ;

手坐标在触发圆右侧 (图片中左侧) , 触发移动图7 (右上) ;

图片处于原位, 见图7 (左下) ;

图片右移, 显示更多地图左侧区域, 见图7 (左下) 。

3. 向上移动图片

手坐标在触发圆内, 系统触发, 见图8 (左上) ;

手坐标在触发圆上方, 触发移动图8 (右上) ;

图片处于原位, 见图8 (左下) ;

图片上移, 显示更多地图下方区域, 见图8 (左下) 。

4. 向下移动图片

手坐标在触发圆内, 系统触发, 见图9 (左上) ;

手坐标在触发圆下方, 触发移动图9 (右上) ;

图片处于原位, 见图9 (左下) ;

图片下移, 显示更多地图上方区域, 见图9 (左下) 。

七小结与展望

本文从系统需求入手, 设计实现了一个基于手势识别技术的人机交互地图系统。并针对系统的各个功能模块, 从理论角度进行分析和思考, 在传统算法的基础上, 设计出肤色识别系统、符合手势交互规则的轨迹判定算法以及基于判决圆的交互判定方法, 使得系统能够分析用户的真实命令意图, 降低用户无意识手势造成的错误判定, 减少误操作。在手势判定之后, 针对输出的指令, 设计适用于地图操作的控制系统, 最后利用Open CV编程实现。

本文的研究虽然取得预期的效果, 但功能还不完善, 可以进一步研究开发:

加入前景提取模块。这是排除静态背景影响的基础, 目前的系统没有此模块, 较容易受到背景颜色的干扰。前景提取模块以输出前景区域为主, 并加入形态学处理, 通过计算, 使得整个前景提取的结果是有原始图像数据的前景区域图像;