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1、第六章 控制器的设计,本章学习目的,认识控制器设计的重要性 掌握并能应用控制器的设计原则 了解不同种类控制器的优缺点及适用范围 能够分析控制器设计的合理性 了解控制器设计领域的最新动向,6.1 控制器概论,控制器是把人的控制信号传递给机器系统的工具。 在人-机系统中，控制器作为人和机器之间的联系纽带，是把人的控制意愿转化成机器运作命令的手段。,狭义和广义的控制器,根据控制的特点，控制器的定义能够被分为狭义和广义两种。 狭义的控制器在负责控制命令的传递过程中，本身不具有分析选择的智能，换句话说，这样的控制器没有采用程序控制的机制。大多数传统的控制工具都包含于这个狭义的定义之内，它们一般需要人特定
2、的身体部位来触发控制。 广义的控制器在狭义控制器的基础上，还包括了采用建立在计算机技术之上的各种智能型程序控制。由于程控技术的采用，控制器本身具有了一定的分析能力，因而为通过声音或眼睛等方式进行控制提供了可能。,研究及应用领域的变迁,从人因工程角度系统地对控制器进行研究起始于半个多世纪之前。早期的研究集中于前面所谈到的狭义上的控制器，这些控制器大都由人的手或脚触发，研究的重点在于控制信息的编码以及控制器设计的标准化等问题。随着计算机的出现和推广，控制器的设计和研究产生了几个较为重大的变化。,控制器的分类,离散或连续型控制器 根据所传递信息的特性，控制器可以被分为离散型和连续型两大类。离散型控制
3、器其所传递的控制信息的离散的，是在有限值域内的一个选择。对于一个离散型的控制器而言，控制状态之间的切换是一个突变的过程。与此相反，连续型控制器所传递的是连续信号，通常是在连续值域上一个选择。 在控制器设计过程中，对连续型或离散型控制的选择要从应用的场合及其要求出发。一般来说，离散型控制常用在控制状态数量较小情况下。一般的经验是，当控制状态少于25-30时，离散控制适用；而当需要进行精确细微调控或控制状态较多时，则通常采用连续型控制。值得提出的是，使用者在通过离散型控制器的操作过程中能得到更多的控制反馈。,2) 直线型或旋转型控制器,根据所允许的操作方向，控制器又可以被分为直线型和旋转型两类。典
4、型的直线型控制器包括按钮、上下拨动的开关，和沿直线方向前后移动的滑杆等。旋转型控制器则包括传统的电话拨号键盘，门的旋转把手，和广播上的圆形音量旋纽等。 一般来说，对于连续信号经常采用旋转型控制器，这样可以把控制器设计得较为小巧，节省了空间；而在针对离散信号时，采用直线型控制器又有着设计简单、明了的优点。在这两种控制器类型之间的选择并没有一定的准则，设计人员往往发挥想象力，并结合实际问题而做出选择。,3) 单自由度或多自由度控制器,控制器的自由度决定控制器上活动部分所允许的运动方式。简单地说，单自由度的控制只发生在单一方向上,这种单自由度控制也常常被称为一维控制。相比之下，多自由度控制器能够实现
5、多于一个自由度的控制运动，常见的例子包括电脑鼠标，游戏操纵杆，手动汽车的档位操纵杆等。这几个例子中，控制器都接受使用者两个自由度上的输入，因此也被称为二维控制。 从控制的信号输出角度出发，单自由度控制是单值输出，而多自由度控制是向量输出。大多数情况下，多自由度的向量输出都能通过多个单自由度的控制加以组合而实现。,4) 手控、脚控等,根据人触发控制器时所采用的身体部位和交互方式的不同，控制器也可被分为手控、脚控等不同的种类。由于人身体不同部位的力量、灵活性各有差别，控制的设计应该从它们的不同特点出发。人的手动作灵巧，因而适合从事精确、细致的控制工作，如键盘输入等在多个控制位之间频繁转换的任务。相
6、反，人的脚部力量大，但灵活性较差。因此，脚适合于控制动作简单、但触发控制力量较大或需要持续施力的工作任务。从控制自由度的角度上说，多自由度的控制要求较为复杂的控制动作，因而一般采用手控；而脚控一般作为单自由度控制的一个方式。在实际生活中，脚控常常作为手控的一种补充形式，在人的手已经被别的任务所占有的情况下，脚可以用来完成一些辅助性的任务。最典型的例子是驾驶汽车，弹钢琴，或操作传统缝纫机时所采用的手脚合作的方式。,5) 自由移动型和固定型控制器,根据在受力情况下的表现，控制器可分为自由移动型和固定不动型两大类。区别这两类控制器的一个通俗易懂的例子是计算机上鼠标的两种实现方式。如图6-3所示，常见
7、的计算机外置鼠标状似一个小老鼠，通过电线连接在计算机上。它是一个自由移动型控制器的代表。随着人的作用力，这个鼠标可以在二维平面上自由滑动，控制信号（X,Y坐标位置的变化）是通过感知其运动而实现。而一些手提电脑上附带的鼠标杆则是固定不动型的控制器的代表。鼠标杆位于键盘中部，用户按动此杆就能达到控制指针的作用。与自由移动鼠标不同的是鼠标杆不会改变位置，它所感知的是人施加于其上的作用力。,6.2 控制器的设计原则,形形色色的控制器出现在我们生活、工作的各个角落。虽然它们各自之间在形态功能上存在着种种不同，我们能够总结出许多相对稳定的共同特征：所有的旋钮都有一定的形状和大小；大多数控制器都对控制运动有
8、一定的阻力；我们挑选控制器的用料时要考虑材质的特性；设计人员在设计控制器时都要考虑如何防止控制器被错误激活，等等。,6.2.1 控制的编码,1) 形状编码 在形状编码的标准手册中，设计人员可以查阅到各种标准化了的形状。这些不同的形状都保证使用者只需通过触觉就能将其区分开来。为了制定标准手册，科研人员对大量不同的形状进行了调查。,2) 尺寸编码,控制器的尺寸编码是通过控制器的大小来实现对不同控制器的区分。一般来说，作为编码方式的一种，尺寸编码不如形状编码有效。以手柄为例，如果一次让被试人员触摸一个手柄，则通常他们最多只能比较三个不同手柄的大小。 一般来说，两个形状相似的控制器，在尺寸上需要存在2
9、0%左右的差别才能保证被操作人员有效区分。因此，在实际工作中，尺寸很少被做为唯一的编码方式。为了保证控指器编码的有效性，尺寸编码常和别的编码方式结合在一起被采用于设计中。,3) 质地编码,除了尺寸和形状之外，控制器表面材料的质地也是编码的一种形式。由于对于质地的分辨需要较敏锐的触觉，因此这种编码方式通常在手控控制器中采用。常见的设计方案包括使用不同的手柄材料和在手柄表面刻画不同的纹路两种方法。在材料的选择上，木质、塑料和金属等都是较为常见的选项。而通过表面纹路来改变质地，往往需要较大的差别才能保证编码的有效。在采用质地作为编码时，另外要注意两点：第一，人手的触觉在环境因素影响下会发生变化，因此
10、，对于在寒冷、水下等环境下使用的控制器，利用质地编码时常会发生失效的情况；第二，当操作者必须戴手套完成控制时，质地编码也常常失效。,4) 位置编码,当汽车司机在驾驶中把脚从油门换到刹闸时，当我们晚上回到家中在墙上摸索电灯的开关时，当计算机用户在键盘上进行盲打时，他们所依靠的都是控制器的位置编码。通过这种编码方式区分控制器的主要难度是如何设计控制器之间的位置间距，从而保证操作者能够准确地把不同的控制器区分开来。为了回答这个问题，研究人员通过实验，让被试人员在眼睛被蒙住的条件下，在水平和垂直两个方向的控制面板上选择不同的开关。在实验中，这些开关之间的间距为2.5厘米。实验的结果显示被试在垂直方向上
11、选择的准确率要高于水平方向。根据错误率的大小，设计人员可以大致上选取6.3厘米作为垂直方向分布、10.2厘米作为水平方向分布的控制器设计间隔。当间隔大于这个指标时，操作者能够较为准确的通过位置分辨不同的控制器。,5) 颜色编码,利用颜色对控制器进行编码十分常见。对于颜色编码的使用要注意几个方面。 首先，由于不同的颜色在公众常识中代表不同的含义，在采用颜色编码时，应该注意到在颜色的挑选时要保持与常识的一致性。第二，颜色编码只在操作者能够看到的情况下才有效，因此采用颜色编码对于工作现场的照明条件有一定的要求。另外，当控制器有可能被弄脏的情况下，颜色编码也可能失效。在实际工作中，颜色编码常与尺寸等别
12、的编码一些组合使用，增强对控制器区分的有效性。,6) 助记标识,控制器设计中一个容易被忽视的属性是它的助记标识。如名所示，助记标识是帮助操作者理解、记忆控制器功能的文字或图形式的标签。虽然助记标识看似简单，但它们的重要性不容低估。如何设计简单易懂、不易产生歧义的标识方式，特别是在当前产品国际化的形势下，设计出不同语言、不同文化背景的使用者都能正确理解的标识是对设计人员的一个挑战。好的标识设计应该满足统一、通用等特点要求。对于成功设计的助记标识，操作者不需要进行训练，就能够理解标识所代表的含义。,有关控制标识设计的常用原则,统一规划标识的位置，避免把一部分标识放在控制器之上，另一部分放在控制器的
13、下面的混乱设计。 标识的内容应该简洁明了。 利用抽象的符号作为标识时，往往需要事先对操作人员进行识别训练，因此应该尽量避免使用。 在标识上配合使用颜色编码通常是一个十分有效的方式。颜色的选择应该符合人们的常识，例如利用红色代表紧急、或停止等意义。 颜色在标识设计中应该作为辅助方式，而不应该作为主要或唯一的编码方式。 提供恰当的照明，保证操作人员能够准确阅读标识。,6.2.2 控制-显示比,为了研究控制与显示之间的关系，科研人员提出了控制-显示比的概念。如名所示，控制-显示比指的是控制量和其引起的显示量之间的比例。,6.2.3 控制器的力学特性,根据控制阻力的成因，可以把它们分为四大类：弹性阻力
14、、静态阻力、粘性阻力和惯性阻力。 弹性阻力有时也被称为弹簧阻力。采用弹性阻力的控制器都有一个平衡位置。当控制器离开这个平衡位置时，阻力会增大，阻力的大小与控制器离开平衡位置的距离成正比。当外界的作用力消失后，控制器在松弛的状态下会自动回复到自己的初始平衡位置。通过弹性阻力，操作者能较准确地感知控制的大小。 静态阻力也被称为库仑阻力，它是阻碍静止控制器开始运动趋势的阻力。一旦静止的物体开始移动后，,控制器的力学特性,静态阻力即开始迅速减小。我们在试图推动没有轮子的重物时所感觉到的阻力就属于静态阻尼。虽然让静物脱离初始的静止状态需要很大的作用力，但是，一旦物体开始移动后，需要让它保持运动的作用力就
15、迅速减少。这种静态阻力对操作人员的精确控制造成很大不便。,控制器的力学特性,粘性阻力的大小与控制器中运动部分的运动速度成正比。利用粘性阻力能够防止控制器运动过快，过滤掉不规则的控制运动，支持操作人员进行平滑的控制调节。比如，液压控制的工作原理就是让活塞通过粘性液体，利用粘性阻力来实现平滑的调控。,控制器的力学特性,惯性阻力的大小与运动物体的运动加速度成正比。它能防止控制器快速变速。惯性阻力的效果通常表现在体积较大的控制器中。虽然惯性阻力也支持连续平滑的控制动作，它也有负面影响。例如，在需要进行精确调节时，克服惯性阻力需要操作人员施加较大的作用力，从而常常会造成用力过猛等误操作的情况。,6.2.
16、4 公众常识与控制器的设计,控制器的设计要合乎于公众的常识意见。对于这一点我们以几个例子来说明。首先，举一个最简单的例子。在控制器的颜色编码中，设计人员如何选取不同的颜色来区别控制的不同呢？如果我们建议“用红色代表紧急状态或停止，绿色代表正常或运行”，相信许多读者会觉得这个选择很自然，原因在于这个设计选择和大众对这两种颜色所代表的象征意义的理解是吻合的。因此，在看到了喷涂了红色的控制手柄，自然而然会提醒操作者它们一般用在紧急的情况下。这就是一个合理顺应公众常识进行设计的例子。,图6-7 旋钮控制中关于旋转方向和所控制数量变化之间关系的三条常识 图中所示的旋转方向都会引起所控制量的增加,6.2.5 控制器的保护,利用凹陷保护 寻找安全位置 合理空间布局 附加额外遮盖 利用沟槽锁定 特定操作次序 增强控制阻力,6.2.6 可接近性指数,如何决定在一个控制平台上，多个控制器的分布设计是否合理？为了回答这个问题，我们就要引入可接近性指数这个概念。简单地说，可接近性指数代表了操作人员接近控制器的容易程度。它的计算考虑到操作人员能接近控制器的容易程度、控制器的使用频率，以及控制器相对
