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Usability of Avionic Touchscreens Under Vibration: Supported versus Freehand Target Selection in Cockpit Conditions

Adam Jonathan Schachner

Master's thesis (2022)

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Abstract

(Problem) Touchscreens in the cockpit may be placed far from the pilot, and be used under vibration or turbulence. Prior work found that touchscreens offered higher target selection throughput (a performance score combining both speed and accuracy) in static conditions, compared to other tested input devices, but their performance and error rate degraded more quickly under vibration. SAE ARP60494 has suggested using a hand-support to mitigate this effect. There is a need to quantify the impact of vibration on touchscreen target selection in the flight deck environment, as well as measure hand-support utility, using a standardized methodology. (Objective) We measured the impact of vibration on touchscreen target selection using a standardized methodology, allowing our results to be compared against other studies, and compared between hand-support methods (using the thumb, while holding onto the screen's edge, versus using the index finger freehand), avionic versus commercial touchscreens, and touchscreen positions. (Method) 24 participants completed an ISO 9241-411 multidirectional selection task (a standardized Fitts' target selection task). We built an adjustable vibration test platform, with the touchscreens placed in representative cockpit positions. The participants were exposed to vibration levels representative of helicopter flight. We tested four touchscreens, two screen positions, two hand-support methods and two vibration levels. We measured target selection throughput, error rate and subjective preference. (Results and Discussion) We found average throughput values of 6.5 bits/sec in static conditions, versus 5.7 bits/sec with vibration, which is higher than alternative input device throughput reported in prior work. Average error rates were high: 10.3% in static conditions, versus 16.6% with vibration. Similar to prior work, we found an exponential increase in error rate with decreasing target size. We failed to find evidence of a benefit from using the hand-support, compared to the freehand baseline, for the task and vibration conditions we investigated: the hand-support resulted in lower throughput, and higher or equivalent average error rate, in both static and vibration conditions. Under vibration, the pedestal outperformed the main instrument panel position, with higher throughput and lower error rate. In static conditions, the two positions performed similarly. The avionic touchscreens performed similarly to the consumer touchscreens. (Conclusion) The findings of this study are important for establishing minimum target sizes for avionic interfaces under vibration, as well as understanding the impact of vibration on touchscreen usability in the cockpit, the differences between screen positions, and the limits of using a hand-support as a vibration mitigation method.

Résumé

(Problème) Dans le poste de pilotage, les écrans tactiles peuvent être éloignés du pilote et utilisés dans des conditions de vibration ou de turbulence. Des travaux précédents ont trouvé que les écrans tactiles offrent un débit (throughput; une métrique de performance capturant à la fois la vitesse et la précision) plus élevé dans des conditions statiques par rapport à d'autres dispositifs testés, mais que leur performance et leur taux d'erreur a dégradé plus rapidement sous l'effet des vibrations. L'utilisation d'un support manuel pour atténuer cet effet a été suggérée par la norme SAE ARP60494. Il est nécessaire de quantifier l'impact des vibrations sur la sélection des cibles à l'écran tactile dans le poste de pilotage, ainsi que de mesurer l'utilité du support manuel, en utilisant une méthodologie normalisée. (Objectif) Nous avons mesuré les effets de la vibration sur la sélection des cibles de l'écran tactile à l'aide d'une méthode normalisée, ce qui permet de comparer nos résultats avec ceux d'autres études, et comparé le support manuel (utilisant le pouce, en tenant le bord de l'écran, versus utilisant l'index, avec main libre), les écrans tactiles avioniques et commerciaux, et les positions de l'écran tactile. (Méthode) 24 participants ont effectué une tâche de sélection multidirectionnelle ISO 9241-411 (une tâche de sélection standardisée de Fitts). Nous avons bâti une plateforme d'essai réglable qui vibre, avec des écrans tactiles positionnés dans une géométrie représentative du poste de pilotage. Les participants ont été exposés à des niveaux de vibration représentatifs du vol en hélicoptère. Nous avons testé quatre écrans tactiles, deux positions d'écran, deux méthodes de support manuel et deux niveaux de vibration. Nous avons mesuré le débit de sélection des cibles, le taux d'erreur et la préférence subjective. (Résultats et discussion) Nous avons trouvé des valeurs moyennes de débit de 6,5 bits/sec sans vibration, contre 5,7 bits/sec avec vibration, ce qui est plus élevé que les valeurs de débit pour d'autres dispositifs d'entrée rapportées par les travaux précédents. Les taux d'erreur moyens étaient élevés : 10,3 % sans vibration, contre 16,6 % avec vibration. Comme dans les travaux précédents, nous avons constaté une augmentation exponentielle du taux d'erreur lorsque la taille de la cible diminue, ce qui souligne l'importance d'utiliser des cibles de taille appropriée. Dans des conditions statiques, le support manuel a clairement nui à l'utilisation de l'écran tactile à main levée. Dans des conditions de vibration, le débit était plus faible et le taux d'erreur similaire lors de l'utilisation du support manuel par rapport à l'utilisation à main levée. Nous n'avons donc pas trouvé de preuves de l'avantage d'un support manuel lors de l'exécution d'une tâche de sélection multidirectionnelle sur un écran tactile soumis à des vibrations. Dans des conditions de vibration, la position du piédestal a été meilleure que la position sur le tableau de bord principal (débit plus élevé et taux d'erreur plus faible). Dans des conditions statiques, les deux positions ont donné des résultats similaires. Les écrans tactiles avioniques ont une performance similaire aux écrans tactiles commerciaux. (Conclusion) Les résultats de cette étude sont importants pour établir des tailles cibles minimales pour les interfaces avioniques soumises à des vibrations, ainsi que pour comprendre l'impact des vibrations sur l'utilisabilité des écrans tactiles dans le cockpit, les différences entre les positions des écrans et les limites de l'utilisation d'un support manuel comme méthode d'atténuation des vibrations.

Department: Department of Mathematics and Industrial Engineering
Program: Maîtrise recherche en génie industriel
Academic/Research Directors: Philippe Doyon-Poulin
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10321/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:12
Last Modified: 25 Oct 2023 19:04
Cite in APA 7: Schachner, A. J. (2022). Usability of Avionic Touchscreens Under Vibration: Supported versus Freehand Target Selection in Cockpit Conditions [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10321/

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