基于VR的工程机械远程操控系统人机交互设计研究

作     者：刘康 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾栋

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：虚拟现实 人机交互 远程操控 工程机械 信息流 

摘      要：随着5G时代的到来,以及数字化转型发展政策的提出,工程机械远程操控成为研究热点之一。工程机械远程操控不仅有效规避了作业环境恶劣的问题,保证了驾驶员的人身安全,而且提高了作业效率。然而,现有远程操控的交互载体多为二维平面,致使操作员缺乏临场感与沉浸感,难以感知工程机械运动状态和真实工况,导致了交互质量及效率降低。而VR技术的人机交互特性弥补了现有远程操控的沉浸感不足、交互效率低等问题。因此,本文开展了基于VR的工程机械远程操控系统人机交互设计研究。本文研究内容主要包括以下四部分:(1)设计流程研究:首先,根据应用现状,归纳了虚拟现实中的人机交互模式,总结了VR人机交互设计原则与特征,用以指导后续设计研究;然后,基于信息流理论,分析了工程机械远程操控过程的信息流向,提出了工程机械远程操控系统设计框架;最后,根据设计框架,提出了基于VR的工程机械远程操控系统人机交互设计流程。(2)用户需求研究:首先,以旋挖钻为例,通过问卷调查法、观察法、访谈法,获得了旋挖钻作业过程中操作员的基本需求及行为数据;然后,采用HTA(Hierarchical Task Analysis)方法,分析了操作员行为,构建了旋挖钻远程操控任务模型;最后,根据任务模型,总结了VR远程操控系统的功能需求,并提出了相应的设计策略。(3)设计实践:首先,依据功能需求,提出了旋挖钻VR远程操控系统的功能模块设计方案;然后,根据信息流框架构建了旋挖钻VR远程操控人机交互模型,同时结合VR人机交互特性,提出了旋挖钻VR远程操控交互方式,以及针对关键功能模块的人机交互设计方案;接着,基于人机工程学,提出了虚拟驾驶舱空间布局设计方案;最后,提出了系统交互界面及视觉设计方案。(4)方案评估:本部分从系统可用性和虚拟驾驶舱空间设计合理性两方面对设计方案进行了评估。运用Unreal Engine 5等开发了旋挖钻VR远程操控系统原型,并分别采用SUS可用性测试与人机仿真分析进行方案评估。评估数据表明,所开发系统具有良好的可用性,且虚拟驾驶舱空间设计较为合理。本文以旋挖钻为例,提出了基于VR的工程机械远程操控系统人机交互设计方案,开发了虚拟仿真系统原型,并对所提方案进行了可用性评估与人机仿真分析,为VR环境下的工程机械远程操控人机交互设计提供了参考。论文共有图58幅,表17个,参考文献77篇。