本發(fā)明屬于飛行模擬器領(lǐng)域，具體是一種增強人機交互體驗的新型觸屏模擬頂板裝置。

背景技術(shù)：

飛行模擬器是能夠在地面逼真地模擬空中飛行的一整套現(xiàn)代化設(shè)備的總稱。運用飛行模擬器進(jìn)行訓(xùn)練既經(jīng)濟、又安全，而且機場、天氣等外部條件對訓(xùn)練限制也較小。與借助計算機的數(shù)字仿真不同，飛行模擬器仿真通過對駕駛艙飛行環(huán)境的構(gòu)建，給予使用者駕駛真實飛機一樣的感覺。

程序訓(xùn)練飛行模擬器是飛行模擬器的一種，其主要目標(biāo)在于規(guī)范操作者的飛行操作流程，出于降低成本的考慮，程序訓(xùn)練飛行模擬器往往采用觸屏模擬頂板替代傳統(tǒng)的實體開關(guān)頂板，觸屏模擬頂板顯示開關(guān)的圖像，操作人員通過點擊相應(yīng)開關(guān)的圖像從而達(dá)到操作實體開關(guān)的效果。

在操作真實飛機駕駛艙頂板上的開關(guān)時，每進(jìn)行一次點擊開關(guān)操作，頂板上的開關(guān)按鈕都會改變狀態(tài)，如開關(guān)按下或者彈起，是否點亮等；并發(fā)出諸如“咔噠”的聲音，通過觸覺、聲音等途徑給與操作者反饋。

而當(dāng)對應(yīng)用傳統(tǒng)觸屏模擬頂板的飛行模擬器進(jìn)行操作時，觸屏模擬頂板采集操作人員的點擊信號后，將信號發(fā)送給計算機進(jìn)行處理，計算機再回傳給觸屏模擬頂板相應(yīng)的顯示控制信號，從而控制顯示內(nèi)容的改變。這樣做，在人機交互方面會存在如下問題：

(1)由于觸屏本身是一個平面，開關(guān)在觸屏模擬頂板上的特定區(qū)域顯示且不具有可動性，因此操作者點擊虛擬開關(guān)圖像后往往無法通過觸覺感受到開關(guān)狀態(tài)的改變；

(2)一方面觸屏模擬頂板不能發(fā)出開關(guān)狀態(tài)變化的音效給予操作者反饋，另一方面現(xiàn)有的觸屏模擬頂板通過模擬器的音箱發(fā)出開關(guān)狀態(tài)變化的音效，但是模擬器的音箱往往不固定在觸屏模擬頂板上，即聲音不從觸屏模擬頂板所在方位發(fā)出，降低了駕駛艙環(huán)境模擬的逼真程度。

如果飛行模擬器操作者出現(xiàn)了點擊位置不準(zhǔn)、誤觸或者點擊之后觸屏模擬頂板沒反應(yīng)等問題，由于反饋渠道的不足，操作人員很難在點擊之后第一時間知曉問題的發(fā)生，這不但不利于駕駛艙操作環(huán)境的模擬，限制了觸屏模擬頂板在飛行模擬器上的應(yīng)用，而且還降低了人機交互體驗。

在改進(jìn)飛行模擬器體驗方面，美國peterbohlender在us9058750號專利中提出了一種基于直升機飛行模擬器的振動裝置方案；該方案在模擬器座椅上安裝了3個振動電機，在儀表面板以及操縱桿上分別安裝了1個振動電機。通過對于電機振動頻率的控制來模擬直升機飛行時的振動，從而提升駕駛艙模擬的逼真程度。但是，該專利著眼于操作飛行模擬器時對于飛行器運行振動的模擬，并未涉及在使用觸屏模擬頂板的情況下模擬點擊實體開關(guān)產(chǎn)生的振動，因而使用觸屏模擬頂板造成的觸覺反饋缺失的問題依然存在。

西安飛豹科技發(fā)展有限公司在cn201520663882.x號專利中提出了一種飛行模擬器聲音仿真系統(tǒng)，通過一系列音箱組輸出環(huán)境噪音、告警音、導(dǎo)航音和教員指令等，構(gòu)建了具有真實感以及沉浸感的聲場，營造了逼真的駕駛艙環(huán)境。但是，該專利側(cè)重模擬飛行駕駛艙的環(huán)境音效以及教員聲音；未涉及在使用觸屏模擬頂板的情況下模擬點擊實體開關(guān)的音效，所以使用觸屏模擬頂板造成的聲音反饋缺失的問題依然存在。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對操作附帶傳統(tǒng)觸屏模擬頂板的飛行模擬器時所產(chǎn)生的誤觸，反饋不足等現(xiàn)象，為了提升飛行模擬器的人機交互體驗，增加仿真的逼真程度；提出了一種適用于程序訓(xùn)練飛行模擬器的新型觸屏模擬頂板裝置，具體是一種增強人機交互體驗的新型觸屏模擬頂板裝置。

所述的新型觸屏模擬頂板裝置包括：觸屏模擬頂板、頂板計算機、觸屏模擬頂板振動組件、觸屏模擬頂板聲音組件以及飛行模擬器的核心計算機。

頂板計算機分別與觸屏模擬頂板、觸屏模擬頂板振動組件、觸屏模擬頂板聲音組件和核心計算機相連接。

觸屏模擬頂板用來同飛行模擬器操作人員進(jìn)行交互，當(dāng)操作人員點擊操作觸屏模擬頂板上的某一區(qū)域時，觸屏模擬頂板將點擊信號傳遞給頂板計算機；并且，觸屏模擬頂板還接收頂板計算機反饋的顯示控制信號，依據(jù)顯示控制信號在顯示開關(guān)狀態(tài)上作出相應(yīng)的改變，并將顯示的狀態(tài)改變圖像返回給操作人員。

頂板計算機作為核心部件，接收來自于觸屏模擬頂板的點擊信號，并內(nèi)置頂板按鍵的操作邏輯，對輸入某開關(guān)的點擊信號后，能夠進(jìn)行分析進(jìn)而輸出相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)改變的信息，相應(yīng)開關(guān)的振動控制信號，以及相應(yīng)開關(guān)的聲音控制信號，并將各個信號分別同時發(fā)出，具體為：

1)、頂板計算機將開關(guān)狀態(tài)改變信息傳遞給核心計算機；

核心計算機負(fù)責(zé)分析飛行模擬器整體的飛行數(shù)據(jù)，并對飛行模擬器所模擬的飛行器運行狀態(tài)進(jìn)行實時仿真。在接收到開關(guān)狀態(tài)改變信息后，核心計算機根據(jù)開關(guān)狀態(tài)改變信息對飛行模擬器飛行數(shù)據(jù)以及運行狀態(tài)進(jìn)行更改，然后反饋給頂板計算機飛行模擬器所模擬的相關(guān)部件的狀態(tài)改變信息；頂板計算機根據(jù)部件狀態(tài)改變信息將對應(yīng)的顯示控制信號傳給觸屏模擬頂板；

2)、頂板計算機將振動控制信號傳遞給觸屏模擬頂板振動組件；

觸屏模擬頂板振動組件包括：振動電機，電機支座和偏心輪。

電機支座固定在觸屏模擬頂板的背部，起到支撐振動電機的作用；振動電機的輸出軸聯(lián)接一個偏心輪，振動電機同時與頂板計算機相連；

振動控制信號包括振動時間與振動強度信息；

當(dāng)頂板計算機傳遞振動控制信號后，振動電機輸出軸開始旋轉(zhuǎn)并帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動，由于振動電機借由電機支座與觸屏模擬頂板連接在一起；所以偏心輪產(chǎn)生的振動便傳遞到觸屏模擬頂板上，直接給操作人員反饋振動輸出。

3)、頂板計算機將聲音控制信號傳遞給觸屏模擬頂板聲音組件；

觸屏模擬頂板聲音組件包括：音箱和音箱支架；音箱通過音箱支架固定在觸屏模擬頂板的背部，與所要模擬的開關(guān)處于同一方位，同時音箱與頂板計算機相連；

當(dāng)頂板計算機傳遞聲音控制信號后，音箱調(diào)用并播放存儲在頂板計算機內(nèi)部的模擬開關(guān)狀態(tài)改變的音效文件，直接在虛擬開關(guān)同一方位處給操作人員反饋聲音輸出。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1)、一種增強人機交互體驗的新型觸屏模擬頂板裝置，在保持程序訓(xùn)練模擬器較低成本的同時，有效地避免了操作傳統(tǒng)觸屏模擬頂板時產(chǎn)生的反饋不足問題。

2)、一種增強人機交互體驗的新型觸屏模擬頂板裝置，所用技術(shù)成熟，模塊化程度高，提升了飛行模擬器對于飛機座艙模擬的逼真程度，以及人機交互性能，在飛行模擬器上具有廣闊的應(yīng)用前景。

3)、一種增強人機交互體驗的新型觸屏模擬頂板裝置，是一種適用于程序訓(xùn)練飛行模擬器的新型觸屏模擬頂板裝置，可以有效地解決點擊傳統(tǒng)觸屏面板反饋不足的問題，提升飛行模擬器中觸屏模擬頂板的人機交互體驗。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種增強人機交互體驗的新型觸屏模擬頂板裝置的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明一種增強人機交互體驗的新型觸屏模擬頂板裝置的硬件架構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明具體實施例中觸屏模擬頂板的顯示內(nèi)容示意圖；

圖4是本發(fā)明具體實施例中觸屏模擬頂板上的發(fā)動機火警面板示意圖。

11-觸屏模擬頂板，21-頂板計算機，31-振動電機，32-電機支座，33-偏心輪，41-音箱，42-音箱支架，51-核心計算機。

具體實施例

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

現(xiàn)有技術(shù)中，與實體開關(guān)面板的飛行模擬器相比，觸屏模擬頂板的飛行模擬器在聲音以及觸覺兩方面存在反饋不足；以及操作人員在點擊位置不準(zhǔn)、誤觸或者點擊之后觸屏模擬頂板沒反應(yīng)等情況下無法及時得到反饋，進(jìn)而降低飛行模擬器的人機交互體驗。本發(fā)明提出了一種新型的觸屏模擬頂板裝置，該裝置在操作人員點擊觸屏模擬頂板上顯示的虛擬開關(guān)圖像后，能夠在顯示開關(guān)狀態(tài)上作出符合頂板操作邏輯的改變，同時能夠模擬實體開關(guān)狀態(tài)改變的振動，并能從觸屏模擬頂板方位發(fā)出相應(yīng)的音效，給予飛行模擬器操作人員相應(yīng)的聲音反饋和振動反饋。

如圖1所示，所述的新型觸屏模擬頂板裝置包括：觸屏模擬頂板11、頂板計算機21、觸屏模擬頂板振動組件30、觸屏模擬頂板聲音組件40和飛行模擬器核心計算機51；

頂板計算機21分別與觸屏模擬頂板11、觸屏模擬頂板振動組件30、觸屏模擬頂板聲音組件40和核心計算機51相連接。

如圖2所示，觸屏模擬頂板振動組件30包括：振動電機31，電機支座32和偏心輪33；電機支座32固定在觸屏模擬頂板11的背部，支撐振動電機31，振動電機31的輸出軸聯(lián)接一個偏心輪33，振動電機31同時與頂板計算機21相連；

觸屏模擬頂板聲音組件40包括：音箱41和音箱支架42；音箱41通過音箱支架42固定在觸屏模擬頂板11的背部，與所要模擬的開關(guān)處于同一方位，同時音箱41與頂板計算機21相連；

觸屏模擬頂板11是一種替代附帶實體開關(guān)的頂板儀表面板，用來顯示飛行模擬器頂板的圖像與飛行模擬器操作人員進(jìn)行交互。當(dāng)操作人員點擊觸屏模擬頂板11上某一區(qū)域時，觸屏模擬頂板11便將點擊信號傳給頂板計算機21。并且，觸屏模擬頂板11還將接收來自于頂板計算機21反饋的顯示控制信號，依據(jù)顯示控制信號在顯示開關(guān)狀態(tài)上作出相應(yīng)的改變；如開關(guān)按下或者彈起、是否點亮等；

頂板計算機21作為核心部件，接收來自于觸屏模擬頂板11的點擊信號，并內(nèi)置頂板按鍵的操作邏輯；頂板按鍵的操作邏輯由matlab軟件的simulink模塊編寫，與真實飛機頂板按鍵的操作邏輯保持一致。

頂板計算機21對輸入某一開關(guān)的點擊信號后，運用內(nèi)置的飛行模擬器頂板操作邏輯進(jìn)行處理計算，分析輸出相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)改變的信息，相應(yīng)開關(guān)的振動控制信號，以及相應(yīng)開關(guān)的聲音控制信號；同時將各個信號分別同時發(fā)出；

具體為：

1)、頂板計算機21將開關(guān)狀態(tài)改變信息傳遞給核心計算機51；

核心計算機51負(fù)責(zé)分析飛行模擬器整體的飛行數(shù)據(jù)，并對飛行模擬器所模擬的飛行器運行狀態(tài)進(jìn)行實時仿真。在接收到開關(guān)狀態(tài)改變信息后，核心計算機51根據(jù)開關(guān)狀態(tài)改變信息對飛行模擬器飛行數(shù)據(jù)以及運行狀態(tài)進(jìn)行更改，然后反饋給頂板計算機21飛行模擬器所模擬飛行器的相關(guān)部件的狀態(tài)改變信息；頂板計算機21根據(jù)部件狀態(tài)信息將對應(yīng)的顯示控制信號傳給觸屏模擬頂板11；

2)、頂板計算機21將振動控制信號傳遞給觸屏模擬頂板振動組件30；

頂板計算機21傳遞的振動控制信號包含振動時間與振動強度信息；在接收來自于頂板計算機21的振動控制信號后，振動電機31輸出軸開始旋轉(zhuǎn)并帶動偏心輪33旋轉(zhuǎn)，偏心輪33旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動，由于振動電機31借由電機支座32與觸屏模擬頂板11連接在一起。所以偏心輪33產(chǎn)生的振動便傳遞到觸屏模擬頂板11上。操作者點擊觸屏模擬頂板11上顯示的虛擬開關(guān)圖像，造成虛擬開關(guān)狀態(tài)改變后，觸屏模擬頂板振動組件30便能夠產(chǎn)生振動以模擬實體開關(guān)狀態(tài)改變的效果。

觸屏模擬頂板振動組件30的振動原理不局限于聯(lián)接偏心輪33的振動電機31，可換為其他振動發(fā)生裝置。

3)、頂板計算機21將聲音控制信號傳遞給觸屏模擬頂板聲音組件40；

觸屏模擬頂板聲音組件40在接收來自于頂板計算機21的聲音控制信號后，音箱41調(diào)用并播放存儲在頂板計算機21內(nèi)部的模擬開關(guān)狀態(tài)改變的音效文件，如“咔噠”聲等。由于音箱21固定在觸屏模擬頂板11的背部，與所要模擬的開關(guān)處于同一方位，因此飛行模擬器操作者在點擊觸屏模擬頂板11上顯示的虛擬開關(guān)圖像，造成虛擬開關(guān)狀態(tài)改變后，能夠得到來自于和虛擬開關(guān)同一方位的聲音反饋。

下面結(jié)合a320民航飛機對本發(fā)明的具體實施方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

觸屏模擬頂板應(yīng)用于a320民航飛機的飛行模擬器上，顯示內(nèi)容如圖3所示，觸屏模擬頂板上發(fā)動機火警面板區(qū)域放大圖如圖4所示；正常情況下，圖中①區(qū)域“fire”警報按鈕保護蓋為蓋上狀態(tài)，警報按鈕為按下狀態(tài)且警報按鈕燈不點亮，②區(qū)域按鍵為彈起狀態(tài)且按鍵燈不點亮。

在操作飛行模擬器的過程中，飛行模擬器核心計算機經(jīng)過分析計算，向頂板計算機輸出部件狀態(tài)信息—飛機發(fā)動機火災(zāi)警報信息；頂板計算機運行頂板操作邏輯進(jìn)行分析后，將針對“fire”警報按鈕的顯示控制信號發(fā)送給觸屏模擬頂板，觸屏模擬頂板依據(jù)上述顯示控制信號，在顯示內(nèi)容上做出相應(yīng)的改變，即將圖中①區(qū)域“fire”警報按鈕燈點亮，提示飛行模擬器操作人員發(fā)生了發(fā)動機火災(zāi)。

飛行模擬器操作人員隨即點擊觸屏模擬頂板上①區(qū)域的“fire”警報按鈕保護蓋，觸屏模擬頂板將點擊信號傳給頂板計算機，頂板計算機經(jīng)過內(nèi)部頂板操作邏輯分析，將針對“fire”警報按鈕保護蓋的顯示控制信號傳給觸屏模擬頂板，將振動控制信號和聲音控制信號分別發(fā)送給觸屏模擬頂板振動組件與觸屏模擬頂板聲音組件。觸屏模擬頂板依據(jù)上述顯示控制信號在顯示內(nèi)容上做出改變，即①區(qū)域“fire”警報按鈕保護蓋彈起；觸屏模擬頂板振動組件依據(jù)振動控制信號發(fā)出振動，提示操作人員保護蓋已打開；觸屏模擬頂板聲音組件依據(jù)聲音控制信號發(fā)出保護蓋打開的“咔噠”聲。

飛行模擬器操作人員在保護蓋打開后，點擊圖中①區(qū)域“fire”警報按鈕。觸屏模擬頂板將點擊信號傳給頂板計算機，頂板計算機經(jīng)過內(nèi)部頂板操作邏輯分析，將針對①區(qū)域“fire”警報按鈕的顯示控制信號傳給觸屏模擬頂板，將振動控制信號和聲音控制信號分別發(fā)送給觸屏模擬頂板振動組件與觸屏模擬頂板聲音組件，將開關(guān)狀態(tài)改變信息傳給核心計算機。觸屏模擬頂板依據(jù)針對①區(qū)域警報按鈕的顯示控制信號在顯示內(nèi)容上做出改變，即①區(qū)域“fire”警報按鈕由按下狀態(tài)變?yōu)閺椘馉顟B(tài)，同時②區(qū)域“squib”按鍵燈點亮成白色，表明滅火系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒。觸屏模擬頂板振動組件依據(jù)振動控制信號發(fā)出振動，提示操作人員警報按鈕狀態(tài)已經(jīng)改變。觸屏模擬頂板聲音組件依據(jù)聲音控制信號發(fā)出按鈕彈起的“咔噠”聲。

飛行模擬器操作人員在確認(rèn)滅火系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，點擊②區(qū)域“disch”按鍵。觸屏模擬頂板將點擊信號傳給頂板計算機，頂板計算機經(jīng)過頂板操作邏輯分析，將針對②區(qū)域“disch”按鍵的顯示控制信號傳給觸屏模擬頂板，將振動控制信號和聲音控制信號分別發(fā)送給觸屏模擬頂板振動組件與觸屏模擬頂板聲音組件，將開關(guān)狀態(tài)改變信息傳給核心計算機。觸屏模擬頂板依據(jù)針對②區(qū)域“disch”按鍵的顯示控制信號，將②區(qū)域“disch”按鍵由彈起狀態(tài)變?yōu)榘聪聽顟B(tài)并點亮成琥珀色，向飛行模擬器操作人員表明滅火系統(tǒng)開始運行。觸屏模擬頂板振動組件依據(jù)振動控制信號發(fā)出振動，提示操作人員②區(qū)域“disch”按鍵已被按下。觸屏模擬頂板聲音組件依據(jù)聲音控制信號發(fā)出按鍵被按下的“咔噠”聲。

飛行模擬器核心計算機接收開關(guān)狀態(tài)改變信息后，經(jīng)過內(nèi)部仿真分析，若發(fā)動機火災(zāi)被撲滅，則向頂板計算機發(fā)送發(fā)動機火災(zāi)警報解除信息。頂板計算機運行頂板操作邏輯后，將顯示控制信號發(fā)送給觸屏模擬頂板，觸屏模擬頂板依據(jù)顯示控制信號，將圖中①區(qū)域“fire”警報按鈕燈熄滅，提示飛行模擬器操作人員發(fā)動機火災(zāi)已經(jīng)解決。

當(dāng)飛行模擬器操作人員在未發(fā)生火災(zāi)警報時點擊圖4所示②區(qū)域中虛擬按鍵時，觸屏模擬頂板將點擊信號傳給頂板計算機，頂板計算機運行頂板操作邏輯分析后將顯示控制信號傳給觸屏模擬頂板，將振動控制信號和聲音控制信號分別發(fā)送給觸屏模擬頂板振動組件與觸屏模擬頂板聲音組件，由于在這種情況下操作人員點擊按鍵并無意義，所以頂板計算機不會將開關(guān)狀態(tài)改變信息傳給核心計算機；即操作人員可以得到振動反饋與聲音反饋，觸屏模擬頂板上虛擬開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變；但是不會對飛行模擬器運行產(chǎn)生任何影響。

當(dāng)飛行模擬器操作人員點擊了圖4所示區(qū)域中非按鍵區(qū)域時，觸屏模擬頂板將點擊信號傳給頂板計算機，頂板計算機經(jīng)過分析認(rèn)為操作者并沒有對任何按鍵實行操作，因此不會給予系統(tǒng)其他組件傳遞任何信號，操作者也無法得到振動以及聲音反饋，這符合正常的操作邏輯。