1、江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃結(jié)題項(xiàng)目研究報(bào)告項(xiàng)目名稱:面向旱田作業(yè)工況的拖拉機(jī)駕駛室 人機(jī)優(yōu)化方法 申請(qǐng)者: 學(xué) 院: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 專 業(yè): 工業(yè)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師: 職稱: 副教授 2016年 5 月 12 日目錄1引 言411 選題背景412 研究現(xiàn)狀413 研究?jī)?nèi)容與方法4131 研究?jī)?nèi)容4132 研究方法52研究現(xiàn)狀521 拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)界面構(gòu)成分析522 零件清單723 關(guān)于駕駛室設(shè)計(jì)的其他說(shuō)明14231 駕駛室的尺寸范圍14232 拖拉機(jī)駕駛室H點(diǎn)的確定15233 拖拉機(jī)駕駛室座椅研究15234 顯示裝置的定位16235 操控裝置系統(tǒng)的定位1624 小結(jié)183拖拉機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)

2、193.1使用者分析193.2用戶任務(wù)模型193.3駕駛室布局裝置設(shè)計(jì)點(diǎn)提要203.4駕駛室布局圖223.5小結(jié)224基于駕駛室振動(dòng)模型的人機(jī)優(yōu)化研究224.1田面掃描方法探究224.1.1 相關(guān)文獻(xiàn)主要觀點(diǎn)列舉224.2田面模型獲取方法的確定234.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備236.2.2 數(shù)據(jù)處理方法246.2.3 平整度評(píng)價(jià)方法254.3 駕駛室操縱部件分析264.3.1 影響上肢失調(diào)狀態(tài)的因素264.3.2 駕駛室操縱裝置分析264.3.3 操作舒適性評(píng)價(jià)264.4 上肢簡(jiǎn)化模型的建立與求解274.4.1 上肢模型的建立274.4.2 針對(duì)操縱桿及旋鈕類裝置的尺寸求解274.4.3 方向盤的尺寸

3、求解304.3 小結(jié)315虛擬拖拉機(jī)駕駛室樣機(jī)仿真模型325.1草圖方案325.1.1 手操作系統(tǒng)325.1.2 腳操作系統(tǒng)與顯示裝置345.1.3 駕駛室座椅345.1.4 其他零部件355.2模型方案355.1.1駕駛空間355.1.2駕駛室座椅365.1.3 操作系統(tǒng)365.1.4 顯示系統(tǒng)396渲染模型396.1駕駛室整體色系的選擇396.1.1 相關(guān)文獻(xiàn)主要觀點(diǎn)列舉396.1.2 文獻(xiàn)分析406.2駕駛室功能色彩的分區(qū)416.2.1 相關(guān)文獻(xiàn)主要觀點(diǎn)列舉416.2.2 文獻(xiàn)分析416.3駕駛室穩(wěn)定的色彩搭配426.3.1 相關(guān)文獻(xiàn)主要觀點(diǎn)列舉426.3.2 文獻(xiàn)分析426.4現(xiàn)有產(chǎn)品

4、色彩應(yīng)用案例426.4.1駕駛室案例分析426.4.2駕駛室整體色系的選擇436.4.3駕駛室功能色彩的分區(qū)446.4.4駕駛室穩(wěn)定的色彩搭配456.5關(guān)于色彩在拖拉機(jī)駕駛室里的應(yīng)用總結(jié)456.6模型渲染方案476.1.1駕駛空間476.1.2駕駛室座椅476.1.3 操作系統(tǒng)486.1.4 顯示系統(tǒng)496.7小結(jié)507 基于Pro/E Manikin的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證507.1 操縱裝置的布局優(yōu)化507.2 Manikin驗(yàn)證507.3 小結(jié)52摘要：本項(xiàng)目重點(diǎn)研究了面向旱田作業(yè)工況的拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)駕駛室尺寸數(shù)據(jù)和零部件的梳理、MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)反推出各個(gè)操縱裝置的最優(yōu)

5、尺寸范圍、建立虛擬拖拉機(jī)駕駛室樣機(jī)仿真模型、結(jié)合Pro/E Manikin對(duì)所有零部件逐個(gè)分析驗(yàn)證，對(duì)虛擬拖拉機(jī)駕駛室樣機(jī)仿真與優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證研究，修正、完善虛擬仿真模型，并開(kāi)展各操縱裝置形態(tài)參數(shù)和位置參數(shù)的優(yōu)化，建立舒適性評(píng)價(jià)體系，研究駕駛室的配色體系并渲染模型，探索面向旱田作業(yè)工況的拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：零件清單；MATLAB；樣機(jī)仿真模型；Pro/E Manikin1 引 言11 選題背景隨著我國(guó)拖拉機(jī)保有量的逐漸增加以及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高, 一方面, 越來(lái)越多的拖拉機(jī)駕駛員對(duì)駕駛室的舒適性提出了更高的要求; 另一方面,通過(guò)對(duì)拖拉機(jī)駕駛室舒適性的改進(jìn)也可以提高

6、產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。從拖拉機(jī)的行業(yè)背景來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外拖拉機(jī)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。雖然我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)企業(yè)也形成了一定規(guī)模和占有了一定的市場(chǎng)空間,但就針對(duì)拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)部研究而言,還都停留在理論階段,與國(guó)外品牌拖拉機(jī)還有很大的差距。就拖拉機(jī)的使用情況來(lái)看，拖拉機(jī)是一種農(nóng)民主要使用的農(nóng)耕機(jī)械類設(shè)備，在中國(guó)這樣一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)中，其使用頻繁廣泛，需求量大。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)師對(duì)于農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺乏一定的關(guān)注，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏與人機(jī)工程等學(xué)科的聯(lián)系應(yīng)用，因此拖拉機(jī)駕駛室的研究應(yīng)用存在很大的提升空間。12 研究現(xiàn)狀拖拉機(jī)是一種工作環(huán)境惡劣、操縱系統(tǒng)復(fù)雜的重型機(jī)械，它的駕駛室設(shè)計(jì)以及與駕駛室相關(guān)的人機(jī)

7、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的每一個(gè)元素都關(guān)系到機(jī)械的正常高效的運(yùn)行和駕駛員安全舒適的操控，因此，在拖拉機(jī)的工業(yè)設(shè)計(jì)中，對(duì)人性化理念的訴求就顯得尤為突出。1在拖拉機(jī)駕駛室的研究中，美國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)師Henry Dreyfass被認(rèn)為是拖拉機(jī)人機(jī)工程學(xué)研究的第一人。1950年，Henry Dreyfuss在為John Deer公司設(shè)計(jì)拖拉機(jī)駕駛室時(shí)將飛機(jī)駕駛船內(nèi)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)理論應(yīng)用到了拖拉機(jī)駕駛室的操縱裝置的設(shè)計(jì)中，將操縱手柄用顏色和形狀區(qū)分，并將其設(shè)計(jì)成流水線生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化部件2。隨著人機(jī)工程學(xué)理論的發(fā)展與完善，對(duì)拖拉機(jī)駕駛室的座椅、顯示裝置、操縱裝置、駕駛環(huán)境及安全性能都進(jìn)行了深入的研究3-6。拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)

8、基礎(chǔ)研究薄弱，駕駛室設(shè)計(jì)依據(jù)與優(yōu)化方法缺失制約了拖拉機(jī)操作舒適性，同時(shí)需減少作業(yè)時(shí)安全事故和預(yù)防拖拉機(jī)駕駛員的職業(yè)病。目前，國(guó)外重點(diǎn)開(kāi)展了駕駛室和座椅減振懸架的研究7-11。國(guó)內(nèi)對(duì)拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)工學(xué)的研究起步比較晚，大多側(cè)重在理論分析上12-13。13 研究?jī)?nèi)容與方法131 研究?jī)?nèi)容（1）拖拉機(jī)駕駛室數(shù)據(jù)庫(kù)的建立為探尋拖拉機(jī)駕駛室潛在的設(shè)計(jì)需求，基于拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)部零部件，完成了一份完整的駕駛室內(nèi)室所有零件的名稱、功能、用戶操縱任務(wù)、操縱尺寸以及尺寸選取依據(jù)的研究清單。列舉出自駕駛員進(jìn)入拖拉機(jī)駕駛室開(kāi)始所采取的一系列操控行為（用戶任務(wù)模型），并根據(jù)成人尺寸及駕駛室相關(guān)尺寸列出駕駛室布局人機(jī)優(yōu)

9、化設(shè)計(jì)尺寸，明細(xì)人在駕駛操作過(guò)程中與各部件的交互行為，建立可供分類、查詢、統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)庫(kù)，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（2）虛擬拖拉機(jī)駕駛室樣機(jī)仿真模型的建立結(jié)合駕駛室人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，根據(jù)各部件的功能、使用頻率以及操作順序等，進(jìn)行駕駛室優(yōu)化布局。對(duì)各操縱部件分析其人機(jī)需求，完成操縱部件形態(tài)方向的設(shè)計(jì)草圖。分析拖拉機(jī)駕駛室各個(gè)操縱部件的操縱特點(diǎn)，如操作方式和使用頻率等；建立人體上肢的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)RULA評(píng)價(jià)體系篩選各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最終得出各個(gè)操縱裝置的最優(yōu)尺寸范圍，據(jù)此反推出設(shè)計(jì)尺寸的合理性，完成人體和駕駛室仿真模型的建立。（3）人機(jī)優(yōu)化方法研究結(jié)合Pro/E Ma

10、nikin進(jìn)行舒適性評(píng)價(jià)，通過(guò)計(jì)算RULA值是否為12內(nèi)驗(yàn)證設(shè)計(jì)尺寸是否合理。探索面向旱田作業(yè)工況的拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并開(kāi)展各操縱裝置形態(tài)參數(shù)和位置參數(shù)的優(yōu)化，為相關(guān)農(nóng)業(yè)設(shè)備駕駛室研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和方法支撐。132 研究方法結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)案例、文獻(xiàn)、專利以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，建立駕駛室設(shè)計(jì)清單。對(duì)駕駛員和駕駛室進(jìn)行三維虛擬設(shè)計(jì)，研究建立真實(shí)、準(zhǔn)確描述面向旱田作業(yè)工況的人體及駕駛室仿真分析模型，結(jié)合Pro/E Manikin進(jìn)行舒適性評(píng)價(jià)，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，建立舒適性評(píng)價(jià)體系，驗(yàn)證設(shè)計(jì)；并根據(jù)旱田作業(yè)工況、駕駛室振動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)人體和駕駛室的仿真和分析；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用參數(shù)化優(yōu)化

11、設(shè)計(jì)技術(shù)和多因素任務(wù)模型的模擬，開(kāi)展駕駛室各操縱裝置的形態(tài)參數(shù)和位置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲取駕駛室的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。2 研究現(xiàn)狀21 拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)界面構(gòu)成分析拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)操作者的生理特征、運(yùn)動(dòng)特征、心理特點(diǎn)、體能限度以及習(xí)慣等因素，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)原則，對(duì)拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)各操縱裝置、顯示調(diào)節(jié)裝置和座椅等結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，同時(shí)要盡可能減小駕駛室內(nèi)的噪音和振動(dòng)，為駕駛員提供一個(gè)方便而舒適的工作環(huán)境14-15。本文以大馬力輪式拖拉機(jī)（200馬力左右的拖拉機(jī)）為主要研究對(duì)象，對(duì)拖拉機(jī)駕駛室的布局及設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行分析。從人機(jī)工程學(xué)角度, 可將拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)的元件劃分為手操縱元件、腳

12、操縱元件、視覺(jué)顯示元件、駕駛座椅和駕駛空間等5大類16。按照一般拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)構(gòu)成劃分，得出如圖所示結(jié)構(gòu)。圖1 拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)界面構(gòu)成22 零件清單部件位置名稱相關(guān)人體尺寸GB10000-88百分位數(shù)對(duì)應(yīng)尺寸1其它國(guó)標(biāo)及備注操作方式模型尺寸男（1860歲）mm女（1855歲）mm5%50%95%5%50%95%駕駛空間駕駛室長(zhǎng)度身高1583167817751484157016591448mm駕駛室寬度坐高8589089588098559011456mm駕駛室高度上臂長(zhǎng)2893133382622844081554mm腳踏每層高度前臂長(zhǎng)216237258193213234340mm腳踏距地面高度

13、大腿長(zhǎng)428465505402438476480mm小腿長(zhǎng)338369403313344376坐姿眼高749798847695739783H點(diǎn)H點(diǎn)距接踵點(diǎn)水平距離580mmH點(diǎn)距地面高度500mmH點(diǎn)距靠背135mmH點(diǎn)距離椅面75mm35駕駛座椅椅面高度小腿加足高383413448342382405約339mm坐姿下肢長(zhǎng)9219921063851912975坐姿膝高456493532424458493座寬坐姿臀寬295321355310344382通常以臀寬尺寸的第95百分位數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足最寬人體的需要。約400mm座深坐深421457494401433469座深須小于臀部至小腿距離以

14、使靠背方便的支持腰椎部位。約350mm座面傾角車輛駕駛員座椅一般選取小角度后仰坐姿，傾角一般小于33靠背的高坐高858908958809855901靠背的高度及寬度與駕駛員的坐姿肩高和肩寬有關(guān)。背靠的合適位置位于第5、第6胸椎之間。約590mm 坐姿肩高557598641518556594坐姿眼高749798847695739783坐姿頸椎點(diǎn)高615657701579617657靠背的寬最大肩寬398431469363397438280mm400mm靠背與座面夾角靠背與坐面夾角一般為105度115度。110椅墊一般座墊高度約為25mm左右。為保持身體的穩(wěn)定性，可以使身體適度地陷入坐墊，坐墊的軟

15、硬要適度。約25mm扶手坐姿兩肘間寬371422489348404478距椅面約 150mm間距約 400mm36 副座椅足長(zhǎng)230247264213229244椅面 長(zhǎng) 約 300mm寬約 300mm厚 25mm高 約 400mm顯示界面一般高度坐姿眼高加小腿足高目視距離主要參照美國(guó) Henrry Dreffns 標(biāo)準(zhǔn)，顯示裝置目視距離最大為 711mm，最佳為550mm。儀表板中心和眼橢球中心線的連線與水平面的夾角取值范圍應(yīng)在30度內(nèi)。1200mm一般操作的視距距離560mm750mm一般常用的布置2040的水平視野和視水平線向下 30的垂直視野范圍內(nèi)最重要的布置視野中心 3范圍次要的布置

16、水平視野 4060和視水平線下 3075和以上 10范圍31顯示屏坐姿肩高557598641518556594長(zhǎng) 約300mm寬 約 250mm高 約 230mm坐姿膝高45649353242445849316警示燈17工作狀態(tài)燈18安全狀態(tài)燈直徑約24.6mm高約7.5mm40儀表盤（油量表，水溫表，轉(zhuǎn)速表，速度表，瞬時(shí)速度電子屏）圓形儀表 直徑 約100mm電子屏 長(zhǎng)約125mm寬約65mm操控系統(tǒng)手操縱裝置普通旋鈕控制器1微調(diào)檔負(fù)載旋鈕2靈敏度旋鈕3速度控制旋鈕4空調(diào)旋鈕5保溫區(qū)溫度調(diào)節(jié)旋鈕2食指長(zhǎng)636976606672指尖抓握或手指關(guān)節(jié)緊夾旋轉(zhuǎn)直徑24mm高約10mm大號(hào)按鈕控制器6

17、四輪驅(qū)動(dòng)按鈕食指近位指關(guān)節(jié)寬181921161719按壓直徑34mm 高約 15mm普通按鈕7確定按鍵8快速入土按鍵9越位開(kāi)關(guān)10差速鎖按鍵11自動(dòng)行駛按鍵12微調(diào)檔按鍵13燈開(kāi)關(guān)214動(dòng)力輸出軸開(kāi)關(guān)按鈕15啟動(dòng)開(kāi)關(guān)食指遠(yuǎn)位指關(guān)節(jié)寬151618141516按壓直徑約24.5mm 高約 9mm19手油門手長(zhǎng)1701831961591711831) 操縱桿的形態(tài)和尺寸 一般手握部分設(shè)計(jì)成球形，直徑 22mm-32mm。同時(shí)，操縱桿的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其操縱頻率越低。2) 操縱桿的行程和扳動(dòng)角度 對(duì)于短操縱桿(150mm250mm)，行程約為150mm200mm，左右轉(zhuǎn)角不大于45，前后轉(zhuǎn)角不大于30；對(duì)于

18、長(zhǎng)操縱桿(500mm700mm )，行程約為300mm350mm，轉(zhuǎn)角約為1015。通常操縱桿的動(dòng)作角度不超過(guò)90。3) 操縱桿的位置 根據(jù)GB/T 14775-93的要求，操縱桿應(yīng)配置在駕駛員的上臂與前臂的夾角成90135的范圍內(nèi)，以便于在推、拉方向用力。推、拉把手部分高約76mm直徑35mm 桿可見(jiàn)部分約40mm實(shí)際桿長(zhǎng) 170mm20液壓輸出閥控制桿2手寬768289707682握住桿頭推、拉球形把手直徑約32mm桿可見(jiàn)部分約78m實(shí)際桿長(zhǎng) 250mm21液壓提升位控制手柄22力控制手柄上臂長(zhǎng)289313338262284408掌心朝下橫向握住推、拉把手部分 長(zhǎng)80mm 圓形截面直徑26

19、mm凹進(jìn)部分長(zhǎng) 約57 mm桿可見(jiàn)部分約67mm實(shí)際桿長(zhǎng) 220mm23主變速桿24副變速桿前臂長(zhǎng)216237258193213234掌心朝左縱向抓握推拉，亦可掌心朝下握住桿頭推拉把手部分 高約90mm直徑約32mm桿可見(jiàn)部分約 435mm實(shí)際桿長(zhǎng) 500mm彎曲角度 15和1025動(dòng)力輸出軸手桿大腿長(zhǎng)428465505402438476掌心朝下握住桿頭推、拉球形把手 直徑約 32mm桿可見(jiàn)部分約 440mm實(shí)際桿長(zhǎng) 500mm 彎曲角度 1526手剎四指朝下，掌心朝左橫線抓握，上提或下壓把手部分 長(zhǎng)約90mm直徑約25mm把手距底座高 290mm27換向操作桿左手手指簡(jiǎn)單拉回推出把手部分 長(zhǎng)

20、約133mm直徑約18mm桿可見(jiàn)部分約 100mm實(shí)際桿長(zhǎng) 150mm28檔位手柄29多功能操縱桿右手簡(jiǎn)單拉回推出把手部分 長(zhǎng)約52mm直徑約25mm桿可見(jiàn)部分約 130mm實(shí)際桿長(zhǎng) 180mm30方向盤為保證駕駛員能夠發(fā)出較大的扭矩的同時(shí)使人手腕關(guān)節(jié)盡量處于自然姿勢(shì)角度，方向盤的安裝角度通常應(yīng)選在便于活動(dòng)的1570間。雙手握住兩側(cè)九點(diǎn)及三點(diǎn)位置逆時(shí)針或順時(shí)針推，拉直徑約 406mm截面直徑約26mm角度 55其他區(qū)域37保溫區(qū)足寬8896103818895橢圓長(zhǎng)約250mm寬約170mm深 約 100mm38置物凹臺(tái)長(zhǎng)約 300mm寬約 210mm深約 120mm39洗手臺(tái)橢圓長(zhǎng)約 300m

21、m寬約 230mm深約 120mm腳操縱裝置32離合器（左）小腿長(zhǎng)338369403313344376一般加速踏板在初始位置時(shí),人體右腳與小腿的關(guān)節(jié)角為87度90度,而踏板達(dá)到極限位置時(shí),此角度應(yīng)不大于130度。在制動(dòng)器和離合器踏板兩個(gè)踏板的整個(gè)蹬踏過(guò)程中,人體軀干與大腿的關(guān)節(jié)不應(yīng)比初始位置時(shí)的角度大9度10度,膝關(guān)節(jié)角不應(yīng)超過(guò)170度,小腿與腳的關(guān)節(jié)角應(yīng)為90度110度。踩下或自然抬起長(zhǎng)約 80mm寬約 95mm角度12033剎車（右）踩下或自然抬起長(zhǎng)約80mm寬約95mm角度12034加速踏板（右）踩下或自然抬起長(zhǎng)約250mm寬約95mm角度12023 關(guān)于駕駛室設(shè)計(jì)的其他說(shuō)明231 駕駛

22、室的尺寸范圍駕駛室主體的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)在滿足GB 6238-2004農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛室門道、緊急出口與駕駛員的工作位置尺寸中駕駛員工作位置空間的最小尺寸的基礎(chǔ)上，盡量寬闊適度以方便駕駛員的操作與出入。圖2 駕駛員工作位置的空間最小尺寸18駕駛室要為駕駛員的肘部和雙腳提供足夠的作業(yè)空間，至少保證駕駛?cè)藛T的頭部在座椅調(diào)節(jié)到最高處時(shí)其與駕駛室頂棚之間仍保持一定的距離，甚至駕駛室內(nèi)部高度最好滿足95%的男駕駛員直立時(shí)不會(huì)碰到頭的要求。232 拖拉機(jī)駕駛室H點(diǎn)的確定H點(diǎn)位置的確定主要有兩種方法:一是在GB/T6235-2004農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座位裝置尺寸中,對(duì)拖拉機(jī)駕駛員座椅標(biāo)志點(diǎn)SIP的位置的推薦范圍;二是

23、通過(guò)美國(guó)SAE駕駛員H點(diǎn)位置曲線來(lái)確定H點(diǎn)的位置。19233 拖拉機(jī)駕駛室座椅研究座椅主要包括坐面、靠背（包括腰靠和背靠）和支撐結(jié)構(gòu)等。（1）椅面高度：適宜的椅面高度使駕駛員大腿接近水平、小腿自然放置，以保證不因椅面過(guò)高而使大腿肌肉受壓且椅面過(guò)低而增加背部肌肉負(fù)荷。座面高度小于小腿高加足高以及鞋跟高度修正。同時(shí)，考慮到座椅坐面的傾斜角度，座高為坐面前緣至地面的距離。座椅設(shè)計(jì)為可調(diào)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同身材的操作者的需要。（2）座寬：以臀寬為參考，以女性群體尺寸上限為設(shè)計(jì)依據(jù)，為使駕駛員能調(diào)整坐姿，座寬取適當(dāng)大于臀寬。座寬的選擇寬度應(yīng)避免太大以防止肘部為尋取支承向兩側(cè)伸展而引起肩部疲勞。通常以臀寬尺寸

24、的第95百分位數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足最寬人體的需要。（3）座深：座深須小于臀部至小腿距離以使靠背方便的支持腰椎部位。座深太大會(huì)使駕駛員背部無(wú)法輕易接觸靠背而改變腰部下常曲線造成駕駛員的不適。因此座深應(yīng)當(dāng)選取較小百分位的群體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能適應(yīng)絕大多數(shù)駕駛員。 （4）座面傾角：座面后傾的作用有兩點(diǎn)：一是由于重力，軀干后移，使背部抵靠靠背，獲得支持，可以降低背肌靜壓。二是防止坐者從座緣滑出座面，這對(duì)于經(jīng)常處于震動(dòng)顛簸環(huán)境中的駕駛員座椅非常重要。車輛駕駛員座椅一般選取小角度后仰坐姿，傾角一般小于3。（5）靠背尺寸：靠背的高度及寬度與駕駛員的坐姿肩高和肩寬有關(guān)。靠背用來(lái)提供后仰時(shí)腰部和北部的支撐以保持

25、脊柱的自然形態(tài)。保持腰弧曲線的正常形狀是獲得舒適坐姿的關(guān)鍵。腰靠的最合適位置為第4、第5腰椎之間，保證其適當(dāng)?shù)闹С盅?，且使腰部自由轉(zhuǎn)動(dòng)。背靠的合適位置位于第5、第6胸椎之間。圖3 人體脊柱結(jié)構(gòu)（6）靠背與座面夾角：為維持后仰坐姿使脊柱保持正常自然形態(tài)，同時(shí)增加舒適感，維持身體的穩(wěn)定性，靠背與坐面夾角一般為105度115度。 （7）椅墊：坐姿狀態(tài)下，臀部的兩塊坐骨結(jié)節(jié)支撐大部分上身的重量，因此此處的臀部壓力分布最大，由此向外，壓力逐漸減小。為減少坐骨部分的壓力疲勞，使壓力分散，坐骨部分的坐墊應(yīng)具有支撐性，其他部分則需相對(duì)柔軟。一般座墊高度約為25mm左右。為保持身體的穩(wěn)定性，可以使身體適度地陷

26、入坐墊，坐墊的軟硬要適度。過(guò)硬的坐墊易造成壓力集中，無(wú)法起到緩沖的作用；太軟則不能達(dá)到支持作用，造成坐姿不穩(wěn)，從而使肌肉緊張，產(chǎn)生疲勞。234 顯示裝置的定位拖拉機(jī)信息輸出的主要裝置在這里選取為顯示屏。目視距離主要參照美國(guó) Henrry Dreffns 標(biāo)準(zhǔn)，顯示裝置目視距離最大為 711mm，最佳為550mm。經(jīng)驗(yàn)表明應(yīng)把顯示屏的目視距離控制在 460-710mm 范圍之內(nèi)。20 顯示界面的傾斜角度是依據(jù)人眼最佳的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而確定的且顯示屏的最上端應(yīng)在下視野的平面下。21經(jīng)驗(yàn)表明,前方最佳下視野角為30度左右,所以儀表板中心和眼橢球中心線的連線與水平面的夾角取值范圍應(yīng)在30度內(nèi)。22圖4 駕駛

27、員最佳視角235 操控裝置系統(tǒng)的定位1. 手操縱裝置（1） 方向盤駕駛員通過(guò)手對(duì)方向盤抓握并施加一定的力量，產(chǎn)生較大的扭矩從而對(duì)方向盤進(jìn)行操縱。如圖所示，方向盤傾斜角度與駕駛員施加到方向盤上的力之間有很大的關(guān)系：當(dāng)方向盤的安裝角度越趨于0度（水平）時(shí)，駕駛員可以施加的力越大。但是，考慮到人在方向盤達(dá)到水平角度操作時(shí)，手部腕關(guān)節(jié)處于非自然狀態(tài)，極易產(chǎn)生疲勞，因此，方向盤一般不適宜安裝成0角。為保證駕駛員能夠發(fā)出較大的扭矩的同時(shí)使人手腕關(guān)節(jié)盡量處于自然姿勢(shì)角度，方向盤的安裝角度通常應(yīng)選在便于活動(dòng)的1570間。圖5 方向盤角度與施力特點(diǎn)此外，國(guó)標(biāo) GB591186 給出了方向盤的最外圍直徑的尺寸系列

28、要求，如圖所示。圖6 方向盤尺寸系列要求23（2） 操縱桿件4) 操縱桿的形態(tài)和尺寸 手柄抓握部位的設(shè)計(jì)應(yīng)使力作用在手中肌肉發(fā)達(dá)的部位，包括指尖、虎口、大魚(yú)際和小魚(yú)際部位，手指根部關(guān)節(jié)和手掌則不應(yīng)受力。24 如圖所示，綠色表示適合受力區(qū)域，紅色表示不適合受力區(qū)域。一般手握部分設(shè)計(jì)成球形，直徑 22mm-32mm。同時(shí)，操縱桿的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其操縱頻率越低。圖7 手的肌肉分布圖5) 操縱桿的行程和扳動(dòng)角度 操縱桿的操縱幅度應(yīng)盡量在前臂的正?；顒?dòng)范圍，駕駛員可以只用手臂而不移動(dòng)身軀就可以完成操作。對(duì)于短操縱桿(150mm250mm)，行程約為150mm200mm，左右轉(zhuǎn)角不大于45，前后轉(zhuǎn)角不大于30

29、；對(duì)于長(zhǎng)操縱桿(500mm700mm )，行程約為300mm350mm，轉(zhuǎn)角約為1015。通常操縱桿的動(dòng)作角度不超過(guò)90。25 6) 操縱桿的位置 駕駛員在拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)的操縱屬于坐姿操作，操縱桿手柄的位置應(yīng)與駕駛員的肘部等高。在水平方向上，操縱桿的布置應(yīng)滿足軀干與上臂夾角的舒適范圍，且根據(jù)GB/T 14775-93操縱器一般人類功效學(xué)的要求，操縱桿應(yīng)配置在駕駛員的上臂與前臂的夾角成90135的范圍內(nèi)，以便于在推、拉方向用力。 （3） 按鈕及旋鈕按鈕的操作是直接用手指接觸，尺寸按照成人手指端的尺寸和操作要求而定。由于人手指的食指近位指關(guān)節(jié)寬為手指寬度的最小部位，依據(jù)最小尺寸設(shè)計(jì)原則，取這類按鈕

30、的寬度為 35mm，其長(zhǎng)度取食指長(zhǎng)度的第 50 百分位數(shù)的 70mm。一般小尺寸的旋鈕只需食指與拇指操作，而直徑大的旋鈕其它手指也參與。圖8 旋鈕的操縱力和適宜尺寸12(a)1.510N (b)220N (c)2.525N (d)最佳520N，最大51N (e)最佳3051N，最大102N（4） 腳操縱裝置拖拉機(jī)駕駛室的加速踏板采用全腳踏板，操作者能夠緩慢、平穩(wěn)地控制車速。制動(dòng)踏板和離合踏板采用腳掌踏板，適合間斷踩踏，操縱頻率較高，腳跟懸空時(shí)，能夠發(fā)出較大的力。26踏板大小參考成人腳底的尺寸，其寬度應(yīng)略小于腳寬的尺寸。由于加速踏板所需要的踩力和行程較小,造成駕駛操縱疲勞的主要原因是頻繁踩踏。因

31、此加速踏板的位置布置應(yīng)使人體處在舒適的駕駛姿勢(shì)上。一般加速踏板在初始位置時(shí),人體右腳與小腿的關(guān)節(jié)角為87度90度,而踏板達(dá)到極限位置時(shí),此角度應(yīng)不大于130度。制動(dòng)器和離合器踏板的布置應(yīng)當(dāng)保證人體的腿部處在最佳的施力姿勢(shì)下,一般從已確定的H點(diǎn)位置開(kāi)始布置。同樣在兩個(gè)踏板的整個(gè)蹬踏過(guò)程中,人體軀干與大腿的關(guān)節(jié)不應(yīng)比初始位置時(shí)的角度大9度10度,膝關(guān)節(jié)角不應(yīng)超過(guò)170度,小腿與腳的關(guān)節(jié)角應(yīng)為90度110度。從腳踏板的操縱位置來(lái)看,制動(dòng)踏板和離合踏板比加速踏板離駕駛員要近些。2724 小結(jié)本章重點(diǎn)闡述了根據(jù)成人尺寸及相關(guān)駕駛數(shù)據(jù)，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行分析，對(duì)尺寸數(shù)據(jù)加以修正，列出駕駛室布局人機(jī)優(yōu)化

32、尺寸數(shù)據(jù)，分析并總結(jié)拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)部必要及非必要零部件的功能和使用環(huán)境，研究人與重要裝置的交互行為，了解并分析拖拉機(jī)駕駛室現(xiàn)存的主要問(wèn)題以及可優(yōu)化的方面，建立可供分類、查詢、統(tǒng)計(jì)分析的清單，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。3 拖拉機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)3.1使用者分析拖拉機(jī)的使用人群是農(nóng)民,且多為男性，由于田地作業(yè)工況的復(fù)雜性，使得駕駛疲勞成為駕駛作業(yè)中普遍存在的現(xiàn)象,超時(shí)長(zhǎng)的工作時(shí)間和超負(fù)荷的工作強(qiáng)度主要表現(xiàn)為駕駛員注意力渙散不集中、腰酸背痛、打磕睡,從而影響操作的正確性。它與駕駛員的主觀意識(shí)沒(méi)有關(guān)系,不是駕駛員主觀上的粗心大意,而是駕駛員生理上的神經(jīng)、肌肉疲勞。28因此，關(guān)于拖拉機(jī)駕駛員的分析主要集中在

33、其駕駛疲勞上。以下為關(guān)于拖拉機(jī)駕駛員駕駛疲勞研究的現(xiàn)狀：孔德剛等人對(duì)割曬作業(yè)過(guò)程中不同工作狀況下 NEWHOLLAND M160 型拖拉機(jī)駕駛員的心率進(jìn)行了測(cè)試與分析，從心率的測(cè)試數(shù)據(jù)中分析到駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并對(duì)減輕駕駛員疲勞提出了建議29；李增勇等人分析了造成駕駛疲勞的環(huán)境因素,指出視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、人-座椅、人操縱等界面是影響駕駛疲勞的主要人機(jī)界面,并從人機(jī)界面設(shè)計(jì)方面提出了避免和緩解駕駛疲勞的有效措施30；雷玲等人分析了拖拉機(jī)振動(dòng)對(duì)駕駛員的身體健康產(chǎn)生的各種影響31；馬國(guó)忠等針對(duì)駕駛座椅,從人體特征、生物力學(xué)、心理學(xué)、機(jī)械振動(dòng)、作業(yè)空間等方面分析了駕駛疲勞的成因,突出了汽車駕駛用座椅人機(jī)工程

34、設(shè)計(jì)的重要性32。3.2用戶任務(wù)模型操作階段具體步驟對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)需求啟動(dòng)前1. 坐在座位上2. 調(diào)節(jié)座椅和方向盤至合適位置3. 負(fù)載換向操縱桿于手剎車位置4. 油門置于最低怠速位置1. 各操縱裝置功能分區(qū)明顯。2. 常用操作部件應(yīng)在手易于觸及的地方啟動(dòng)5. 轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)火鑰匙至“1”位預(yù)熱指示燈不亮直接啟動(dòng) 亮待其熄滅后再啟動(dòng)注： 啟動(dòng)時(shí)間不超過(guò)15秒啟動(dòng)后用腳油門控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（使用腳油門踏板時(shí)要將手油門轉(zhuǎn)至最小油門位置） 控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可采用：1.手油門旋鈕 2.腳油門踏板 腳油門可使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超出手油門調(diào)整的最大轉(zhuǎn)速值。3. 鑰匙孔等細(xì)節(jié)處易辨認(rèn)，方便操作。4. 駕駛員視覺(jué)界面設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮人的視

35、覺(jué)特征、心理生理特征, 減少駕駛員精神緊張,減輕精神負(fù)荷,隔離駕駛疲勞。5. 信息接收分析處理過(guò)程是引起眼睛疲勞和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疲勞的主要因素。及時(shí)的操作信息反饋可減少駕駛員疲勞。起步6. 將換向操縱桿置于中間檔（空檔），踏下制動(dòng)踏板保持拖拉機(jī)靜止7. 為變速桿選擇合適的檔位8. 選擇變速桿的微調(diào)檔9. 開(kāi)始行駛向前（后）行駛：向前（后）移動(dòng)換向操縱桿10. 起步后行駛速度的改變 要改變速度區(qū)段，需踏下離合器踏板或按下手動(dòng)離合器按鈕，同時(shí)移動(dòng)主變速桿。 要改變微調(diào)檔，則轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的旋鈕。（若要對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，則應(yīng)使用離合器踏板）6. 具有同一功能、相似功能或一系列操作才能完成某一具體功能的裝

36、置在形態(tài)上具有相似的識(shí)別度。7. 常用裝置（如變速桿）應(yīng)明顯易識(shí)別；不常用裝置則應(yīng)淡化辨識(shí)度，避免干擾駕駛員操作。轉(zhuǎn)向11. 換向操縱桿有如下四個(gè)位置：前方前進(jìn) 中間空檔后方后退 中間下方手剎車結(jié)合制動(dòng)12. 一般情況下，應(yīng)先減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門，再踩下主離合器踏板，然后根據(jù)情況逐漸踩下行駛制動(dòng)器操縱踏板，使拖拉機(jī)平穩(wěn)停住。緊急制動(dòng)時(shí)，應(yīng)同時(shí)踩下主離合器踏板和行駛制動(dòng)器操縱踏板，不能單獨(dú)踩下行駛制動(dòng)器操縱踏板，以免使制動(dòng)器急劇磨損或使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。8. 緊急裝置應(yīng)醒目，具有提醒的作用。9. 一系列操作動(dòng)作相對(duì)應(yīng)的操作部件設(shè)計(jì)應(yīng)具有關(guān)聯(lián)性。停車13. 減小油門降低拖拉機(jī)速度。14. 踏下離合器踏板，將變

37、速桿置于空擋位置，然后松開(kāi)離合器，停穩(wěn)后發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，以降低水溫和潤(rùn)滑油溫度，不要在高溫時(shí)熄火。熄火15. 將熄火拉線拉至熄火位置。16. 將啟動(dòng)開(kāi)關(guān)旋至“關(guān)”位置，關(guān)閉所有電源。17. 停放時(shí)應(yīng)踩下制動(dòng)器踏板，并使用停車鎖定裝置。（冬季停放時(shí)，應(yīng)放凈冷卻水，以免凍壞缸體和水箱）3.3駕駛室布局裝置設(shè)計(jì)點(diǎn)提要（1） 拖拉機(jī)操縱裝置名稱設(shè)計(jì)及修正思路重要等級(jí)主變速桿變速桿的現(xiàn)在設(shè)計(jì)為分列左右，且其位置距離太遠(yuǎn)并不合理，改進(jìn)為右手操縱1副變速桿1換向操作桿一般位于方向盤左側(cè)來(lái)選擇前進(jìn)或后退行駛1手剎（停車制動(dòng)器操作手柄）距離人手位置最近且易于抓握1手油門現(xiàn)位置設(shè)計(jì)不合理，沒(méi)有進(jìn)行可識(shí)化設(shè)

38、計(jì)，容易引起誤操作1液壓輸出閥控制桿（多路閥手柄）一般為兩個(gè)，現(xiàn)位置設(shè)計(jì)不合理1液壓提升器位控制手柄2液壓提升器力控制手柄2動(dòng)力輸出軸控制桿現(xiàn)操縱方式為左右推動(dòng)且手柄形狀不合理，現(xiàn)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品多為后置式1檔位手柄1多功能操縱桿合并多種功能避免繁瑣，如：控制燈、雨刷、喇叭、轉(zhuǎn)向燈等多種功能2注：重要等級(jí)綜合該零件的功能、使用頻率、緊急程度等要素評(píng)估其功能分區(qū)（即距離人體的距離以及是否可快速觸及并操作），共分為1、2、3三級(jí)，級(jí)數(shù)越小，表示該裝置越重要。（2） 腳踏板名稱設(shè)計(jì)及修正思路重要等級(jí)離合器踏板1腳剎踏板1油門踏板1（3） 按鍵名稱設(shè)計(jì)及修正思路重要等級(jí)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)1確定按鍵1微調(diào)檔按鍵3差速鎖按

39、鍵原為操作手柄，現(xiàn)改為按鍵方式3動(dòng)力輸出軸開(kāi)關(guān)1自動(dòng)行駛按鍵3微調(diào)負(fù)載換擋旋鈕1速度匹配按鍵2液壓提升裝置的相關(guān)按鍵升降開(kāi)關(guān)、越位開(kāi)關(guān)、快速入土按鍵、靈敏度旋鈕2四輪驅(qū)動(dòng)（前橋驅(qū)動(dòng)操作）3其他按鍵如燈開(kāi)關(guān)、空調(diào)開(kāi)關(guān)3（4） 拖拉機(jī)顯示裝置儀表名稱設(shè)計(jì)及修正思路重要等級(jí)速度表定量顯示（模擬顯示）1油壓表水溫表里程表定性顯示（數(shù)字顯示）1油量表警戒顯示1電瓶表3.4駕駛室布局圖圖9 駕駛室布局方案3.5小結(jié)本章從用戶的角度出發(fā)分析駕駛室使用人群（以農(nóng)民為主），列舉出駕駛員自進(jìn)入駕駛室開(kāi)始的一系列操控行為，據(jù)此整理用戶任務(wù)模型，梳理每個(gè)部件對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)，并依據(jù)現(xiàn)有問(wèn)題分析改良措施；同時(shí)依據(jù)分析用

40、戶操縱行為以及零件重要等級(jí)對(duì)其進(jìn)行功能分區(qū)，依據(jù)上一章的零件清單歸納零件的使用頻率及重要性，據(jù)此提出駕駛室布局方案。4 基于駕駛室振動(dòng)模型的人機(jī)優(yōu)化研究4.1田面掃描方法探究4.1.1 相關(guān)文獻(xiàn)主要觀點(diǎn)列舉來(lái)源文獻(xiàn)機(jī)構(gòu)主要觀點(diǎn)（設(shè)計(jì)方法）基于最小二乘支持向量機(jī)模型預(yù)測(cè)田面糙率太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院構(gòu)建基于最小二乘支持向量機(jī)的田面糙率模型（LSSVM-N）實(shí)質(zhì)是確定最小二乘支持向量機(jī)回歸的輸入、輸出和模型中的參數(shù)。LSSVM-N模型中的輸入為田面糙率的主要影響因素，常見(jiàn)有田面凸凹程度、根莖寬度、根莖高度、土壤質(zhì)地等，輸出為田面糙率33。基于農(nóng)田高程信息快速采集系統(tǒng)的平整精度評(píng)價(jià)方法國(guó)土資

41、源部土地整理中心假設(shè)土地平整后的擬合平面方程為：Z = AX + BY + C。已知有若干的樣本點(diǎn)，設(shè)任意樣本點(diǎn)坐標(biāo)為：（Xi，Yi，Zi），根據(jù)最小二乘法的思想，樣本點(diǎn)到擬合平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離最小,即達(dá)到最佳擬合的目的。因此，考慮求解該距離平方和M 的最小值。計(jì)算公式如下：M= 34?；诩す鉁y(cè)距儀和Matlab的水田平整度檢測(cè)方法廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院該方法通過(guò)對(duì)田面數(shù)據(jù)的快速采集、處理和三維重構(gòu)，并計(jì)算重構(gòu)田面的高程差和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)合正態(tài)分布 3法則，對(duì)水田平整度作出評(píng)價(jià)。利用激光測(cè)距儀和 Matlab 能夠快速獲取準(zhǔn)確的測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)，方法簡(jiǎn)單，測(cè)量效率高，自動(dòng)化程度高，可為自動(dòng)化、 智能

42、化獲取與數(shù)據(jù)處理的相關(guān)研究提供參考35。不同地表狀況耕地的田面糙率研究西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院針對(duì)裸地、翻耕地和作物地3種不同地表狀況耕地的田面糙率進(jìn)行研究。分析確定了裸地和翻耕地田面糙率的主要影響因素為田面凹凸程度，作物地田面糙率的主要影響因素還包括根莖寬度和根莖高度；進(jìn)行了3種地表狀況的田面凹凸程度、根莖寬度和根莖高度的田間實(shí)測(cè)及田面水流運(yùn)動(dòng)試驗(yàn).將零慣量模型與優(yōu)化方法相結(jié)合，建立了田面糙率求解的優(yōu)化模型；根據(jù)田面實(shí)測(cè)資料，利用優(yōu)化模型求得3 種耕地的田面糙率值，據(jù)此，建立了裸地、翻耕地和作物地3種耕地田面糙率與其主要影響因素之間的關(guān)系式，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，所建立的關(guān)系式正確36。4.2田

43、面模型獲取方法的確定陳君梅，黃培奎等提出了基于激光測(cè)距儀和Matlabd的水田平整度檢測(cè)方法。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)田面數(shù)據(jù)的快速采集、處理和三維重構(gòu)，并通過(guò)計(jì)算重構(gòu)田面的高程差和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)合正態(tài)分布3法則，對(duì)水田平整度作出評(píng)價(jià)。利用激光測(cè)距儀和Matlab能夠快速獲取準(zhǔn)確的測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)，方法簡(jiǎn)單，測(cè)量效率高，自動(dòng)化程度高，可為自動(dòng)化、智能化獲取與數(shù)據(jù)處理的相關(guān)研究提供參考。4.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過(guò)文獻(xiàn)查找以及對(duì)于文獻(xiàn)中方法的比較，最終確立了基于激光測(cè)距儀和Matlab的水田平整度檢測(cè)方法，我們依照論文中的方法步驟進(jìn)行田面模型的建立。根據(jù)激光測(cè)距儀LMS291的技術(shù)參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)置其角度測(cè)量范圍為 1

44、80，角度分辨率為0.5，掃描周期為13.32 ms，系統(tǒng)測(cè)量誤差為10 mm（用不同厚度紙板驗(yàn)證了激光測(cè)距儀測(cè)量誤差范圍為 614 mm）。該模式下激光測(cè)距儀返回的每幀數(shù)據(jù)包含361個(gè)測(cè)距點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)采用極坐標(biāo)格式，即每個(gè)測(cè)距點(diǎn)(，)包含了距離與角度信息。經(jīng)三角轉(zhuǎn)換可得到空間直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換公式如下：x=cosy=cos水田田面是一個(gè)三維空間，而激光測(cè)距儀LMS291是一個(gè)二維激光雷達(dá)，為了獲得田面三維空間數(shù)據(jù)點(diǎn)，把激光測(cè)距儀安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可在水平方向 360旋轉(zhuǎn)，精度為 1。結(jié)合旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的搭建方式，激光測(cè)距儀的掃描方向設(shè)置為豎直方向，目標(biāo)掃描點(diǎn)為田面。激光測(cè)距儀及轉(zhuǎn)

45、臺(tái)示意圖如圖10所示。圖 10激光測(cè)距儀及轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖 激光測(cè)距儀隨著旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，其測(cè)距數(shù)據(jù)需經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以得到同一坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)。本研究在推導(dǎo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式中使用兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系，即轉(zhuǎn)臺(tái)底座坐標(biāo)系 O-XYZ（固定不動(dòng)）和激光發(fā)射器坐標(biāo)系 O1-X1Y1Z1。這兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸互相平行，具體定義見(jiàn)圖11。圖11 轉(zhuǎn)臺(tái)底座坐標(biāo)系和激光發(fā)射器坐標(biāo)系 開(kāi)始測(cè)量時(shí)，激光測(cè)距儀接收頭在A點(diǎn)，測(cè)完一組數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，激光測(cè)距儀的接收頭在以原點(diǎn)O為圓心，半徑OO1=159 mm 的半圓弧上移動(dòng)。激光掃射平面為 O1EQ，激光束在平面O1X1Y1上的投影為O1E，O1E與坐標(biāo)軸O1Y

46、1的夾角為，激光束與坐標(biāo)軸 O1Z1的夾角為。Q點(diǎn)為激光掃描器在田面上的掃描點(diǎn)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。Q點(diǎn)在坐標(biāo)系 O1-X1Y1Z1和坐標(biāo)系O-XYZ中的位置分別為： 6.2.2 數(shù)據(jù)處理方法LMS291 激光測(cè)距儀與 PC 機(jī)采用發(fā)送報(bào)文或接收?qǐng)?bào)文方式相互通信，激光測(cè)距儀所采集的數(shù)據(jù)與 PC 機(jī)的通訊傳輸借助 Matlab 軟件進(jìn)行串口通信。在 Matlab平臺(tái)借助編程與相關(guān)函數(shù)調(diào)用能實(shí)現(xiàn)測(cè)距數(shù)據(jù)后期處理、田面三維重構(gòu)和田間平整度計(jì)算，具體流程如圖12所示。圖12 Matlab編程實(shí)現(xiàn)田面平整度計(jì)算流程LMS291激光測(cè)距儀通過(guò)自帶總線RS-232連接PC機(jī)，通信波特率設(shè)為9600 bps。通過(guò)Mat

47、lab串口指令發(fā)送字符串“02 00 02 00 30 01 3118”到激光測(cè)距儀，則測(cè)距儀返回 1 幀數(shù)據(jù)。PC 機(jī)記錄測(cè)距儀測(cè)得的361個(gè)十六進(jìn)制極坐標(biāo)數(shù)據(jù)（，），經(jīng)過(guò)進(jìn)制間和坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換便能將測(cè)距數(shù)據(jù)在定義的大地坐標(biāo)系中表示出來(lái)。運(yùn)用Matlab可以將PC機(jī)采集的測(cè)距數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)畫(huà)出三維點(diǎn)云圖，通過(guò)編程便能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)繪圖一步到位，快捷便利。對(duì)應(yīng)公式具體編程語(yǔ)句如下：x(j)=a*sin(E(k)+A(k)*sin(P(k)*sin(E(k); %坐標(biāo) xy(j)=a*cos(E(k)+A(k)*sin(P(k)*cos(E(k); %坐標(biāo) yz(j)=A(k)*cos(P(

48、k); %坐標(biāo) zplot3(x,y,z,.b);其中 E(k)對(duì)應(yīng)角度，A(k)對(duì)應(yīng)測(cè)距長(zhǎng)度L，P(k)對(duì)應(yīng)角度。 6.2.3 平整度評(píng)價(jià)方法水平田面的平整度有兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，一是農(nóng)田表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)差 Sd， 標(biāo)準(zhǔn)差反映了農(nóng)田表面平整度的總體狀況，標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值越小，說(shuō)明田面起伏越小，田面越平整；二是高程差分布 ED，它通過(guò)計(jì)算田塊內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)到擬合平面的距離 di，然后對(duì)距離 di進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)di小于某一距離值A(chǔ)（如3 cm）的測(cè)量點(diǎn)的累計(jì)百分比，從而評(píng)價(jià)田面高低起伏幅度和分布特征1，14。若百分比符合正態(tài)分布3法則，則說(shuō)明約有99.7%的測(cè)點(diǎn)分布在 EDA 的區(qū)間內(nèi)，即絕大多數(shù)田面高

49、程與田塊平均高程值相差在距離值A(chǔ)以內(nèi)。比較標(biāo)準(zhǔn)差 Sd和距離值 A 的數(shù)值，把數(shù)值較大者作為實(shí)驗(yàn)田田面的平整度。由于測(cè)距點(diǎn)云平面難以保證絕對(duì)水平，農(nóng)田田面往往也不與海拔水平面絕對(duì)平行，因此在進(jìn)行農(nóng)田平地精度評(píng)價(jià)時(shí)，需要根據(jù)測(cè)量的田塊點(diǎn)位高程數(shù)據(jù)擬合平面方程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。在大地坐標(biāo)系中，采用Matlab軟件中的Regress函數(shù)可求得田面擬合平面方程為：Z=AX+BY+C，具體程序如下X1=n x y ;b=regress(z,X1);Xfit=min(x) :5:max(x);yfit=min(y) :5:max(y);XFIT,YFIT=meshgrid(xfit,yfit);ZFIT=b(1)+b(2)*XFIT+b(3)*YFIT;Mesh(XFIT,YFIT,ZFIT);田面某測(cè)點(diǎn)至擬合平面距離的計(jì)算公式為距離 di的標(biāo)準(zhǔn)差 Sd計(jì)算公式為d 為所有測(cè)點(diǎn)至擬合平面垂直距離的平均值，n為田塊內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的數(shù)量。 運(yùn)用以上兩公式，結(jié)合求得的擬合平面，便可計(jì)算實(shí)驗(yàn)田面的平整度。由于沒(méi)有找到合適的試驗(yàn)田以及設(shè)備的等條件，我們通過(guò)文獻(xiàn)查找確定了駕駛室內(nèi)部的振動(dòng)情況。4.3 駕駛室操縱部件分析4.3.1 影響上肢失調(diào)狀態(tài)的因素在上肢快速評(píng)估法當(dāng)中，影響上肢失調(diào)狀態(tài)的主要影響因素是各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，當(dāng)各個(gè)關(guān)節(jié)處于合適的角度位置時(shí)，人體的肌肉失調(diào)