基于生理評測技術的民用無人機控制界面研究

王佳珂　牛亞峰　薛澄岐

摘要：無人機技術經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已相當成熟，近幾年以大疆為代表的民用無人機發(fā)展更是迅速。然而民用無人機的快速發(fā)展也帶來了一系列問題，由于民用無人機控制界面復雜，對操控人員的要求較高，導致無人機事故率居高不下，對人身安全與財物安全造成了安全隱患。研究者提出通過融合生理評測技術的無人機控制界面研究方法，進一步提升界面用戶體驗，從而降低無人機事故發(fā)生率。

關鍵詞：無人機 控制界面 生理評測

中圖分類號：V279+.2 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）03-0154-02

引言

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV'，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，按照應用領域可分為軍用無人機與民用無人機。隨著GPS技術、陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等一系列技術的成熟，無人機近幾年發(fā)展異常迅速，尤其是以大疆為代表的民用無人機。

一、無人機的發(fā)展與挑戰(zhàn)

（一）民用無人機的快速發(fā)展

1916年9月12日，第一架無人駕駛飛機在美國試飛，在隨后的數(shù)十年，無人機技術在軍用及民用領域不斷發(fā)展。尤其在近幾年，航拍技術的成熟促使民用無人機行業(yè)的發(fā)展迎來了新的一輪爆發(fā)。隨著無人機市場從興起到普及，根據(jù)數(shù)據(jù)公司IDC的信息預計未來5年復合增長率將達到68%，到2019年市場規(guī)模將達到300萬臺，其中以大疆為代表的多旋翼無人機是主流。隨著無人機的民用化與商業(yè)化，無人機的使用環(huán)境與操作功能也變得更加多樣。無人機已應用在農(nóng)業(yè)、測繪、災難救助、視頻拍攝等多個領域，其背后所蘊藏的商業(yè)價值仍舊有很大的挖掘空間。

（二）無人機所面臨的挑戰(zhàn)

然而，在無人機技術高速發(fā)展中蘊藏的不僅是商機，還有頻發(fā)的事故。（如圖1）所示，無人機的事故率遠遠高于民航與軍用飛機。在無人機早期階段，無人機事故的主要原因是機電故障，而隨著技術的成熟與制造工藝的進步，人為錯誤逐漸成為了無人機事故的主要因素。人為錯誤又可以細分為錯誤操作類與違反規(guī)定類，操作錯誤通常是決策上的失誤，感知錯誤以及操控技能的不成熟。

隨著無人機的民用化與商用化發(fā)展，無人機的飛行環(huán)境也發(fā)生了改變，從高海拔到低海拔，產(chǎn)生了更多障礙物與環(huán)境之間的交互，形成了錯綜復雜的三維飛行環(huán)境信息，這無疑增加了使用者的操作難度。因此，關注操控者的認知負荷與態(tài)勢感知，將操作界面元素合理有序地排布在民用無人機的小尺寸屏幕中，以更加高效順暢的方式呈現(xiàn)給操控者，并進一步簡化無人機的使用操作，優(yōu)化提升用戶體驗，實現(xiàn)無人機安全高效地飛行，則成為了民用無人機設計的一個研究重點。

二、無人機控制界面研究

目前，國內外對于無人機的研究集中在控制系統(tǒng)、信號傳輸技術等方面，其研究對象絕大多數(shù)都是軍用作戰(zhàn)及偵查類無人機，而民用無人機的界面研究開發(fā)基本是由民用無人機廠商完成的，關于民用無人機界面研究文獻并不多見。張玉剛歸納總結了無人機界面設計準則，情感感知影響因素以及人機功能分配理論。針對無AMI，地面控制系統(tǒng)（Ground Control 5ystem，GCS）的特點對人機界面包括框架、布局、色彩、符號等進行了設計。丁霖介紹了中美兩國無人機系統(tǒng)人機交互界面的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎上提出了未來人機交互界面中需要大力研究顯示要素、顯示形式、顯控布局等關鍵技術，并提出對我國開展相關工作的對策建議，對無人機系統(tǒng)人機交互界面的設計發(fā)展起到了牽引作用。馮震等人正對旋翼機的控制復雜性設計了一套地面控制站系統(tǒng)，可進行航及設定和任務規(guī)劃，存儲于回放航拍記錄，并通過旋翼無人機虛擬模型和視頻圖像的融合處理，實時顯示飛機飛行姿態(tài)、位置及運行狀態(tài)，實現(xiàn)了小型無人機的超視距遙感，使其具有直觀、形象的良好操控性能。Justin Menda等人通過近紅外光譜這種實時無傷的腦成像技術實時監(jiān)控操控者控制無人機過程中的大腦活動，用于加強無人機操控員培訓，無人機頁面評估以及開發(fā)。NicolasIs]等人針對控制小型無人機（重量低于1千克）群的地面控制界面（Ground Control Interface，GCI）就安全性與操控難易度進行評估，提出GCI的一系列必要特征，并開發(fā)了一套GIC擴展，用于減少無人機部署時間，最大程度擴展任務時間，解決目前無人機續(xù)航不足的問題。張?zhí)旌降热私榻B了旋翼式無人機的大體分類、技術組成、應用領域、發(fā)展現(xiàn)狀，并預測了旋翼式無人機未來的發(fā)展趨勢。KWANGSU CHO通過兩個實驗對無人機的用戶操控界面可用性作出評價，識別基于不同心智模型的操控性能的差異，結果顯示以飛行員為中心的控制器具有更高的表現(xiàn)。

三、融合生理評測技術的界面評價方法

對于無人機界面的用戶體驗評估，常用的方法可分為兩大類：主觀評估方法與客觀評估方法，進一步細分后的評估方法有：用戶測試、問卷調查、專家訪談、啟發(fā)式評估、認知過程走查、用戶模型、績效評估、生理測量等。其中，上述用戶測試等方法是從主觀態(tài)度層面來把握產(chǎn)品的可用性，而績效評估和生理評測則更為客觀和理性。相比績效評估，生理測評更多依賴于生理測量設備，但也提供了更高的信度與效度，隨著生理測量技術的發(fā)展，越來越多的研究人員將生理評測方法應用到界面用戶體驗研究中。

在生理測評方法中，皮膚電導、心率和心率變化、眼動追蹤以及腦電技術在界面評估中具有較為廣泛地應用于較高的評估價值。皮電是用戶體驗中測量情緒喚醒度的有效指標，相比其他生理指標采集更加方便且價格便宜，因此在實際應用中使用比較廣泛。皮電在應用于用戶體驗研究時，通常會結合其他生理指標以及主觀評價方法。柳沙等人采集被試觀看不同外觀的座椅的皮膚電信號，并結合主觀問卷，發(fā)現(xiàn)在70%以上的情況下，皮電明顯升高的座椅方案與主觀問卷中偏好的方案相吻合。

心率在用戶體驗研究中能夠反映被試的情緒體驗，心率的升高或者降低都代表情緒的變化；心率的變化則對用戶的心理負荷更為敏感，隨著任務負荷的增加而逐漸減小。相比皮電，心電測量具有更高的時間分辨率，但也存在一定的局限性，例如，心率變化無法反映情緒的類型，積極的情緒和糟糕的體驗都會引起心率的變化，因此心電指標通常會結合其他指標共同解釋實驗結果。譚征宇等人通過測量心電、皮電反應數(shù)據(jù)，結合情緒量化表，發(fā)現(xiàn)心率在被試瀏覽網(wǎng)頁與靜息之間有明顯變化，其代表了用戶在瀏覽網(wǎng)頁期間有情緒變化，再結合皮電與情緒量表打分結果，進一步探究不同圖版率的網(wǎng)頁對于用戶體驗的影響。

在用戶與界面的交互方式中，視覺是比較直接的通道，因此眼動追蹤是比較有效的界面評價方法。眼動追蹤設備可以采集用戶在界面中的注釋時間、注視頻率，視覺軌跡等，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過分析量化后可以用來評價界面的用戶體驗。謝偉等人基于無意識認知理論，測量被試對兩種電飯煲界面的首次注視時間、視覺熱點圖、瞳孔大小等，結合行為績效評估與主觀問卷，對電飯煲界面改良設計效果進行評估。

腦電技術的誕生，使得連續(xù)監(jiān)測任務執(zhí)行過程中的心理負荷成為可能，從而更加精確地反饋人機交互狀態(tài)。腦電數(shù)據(jù)可用于指征工作負荷和情緒體驗的變化，隨著工作負荷的增加，α波的功率譜密度減小，而前額葉的β波則隨之增大，隨著工作記憶負荷的增大，前額葉的e波的功率譜密度也隨之增大。王?，|等人開展了包括單一、主要、白天、夜間四類模擬駕駛實驗，并在實驗中收集駕駛員腦電、心電、皮電等數(shù)據(jù)，以腦電β波功率譜值、腦電β/α比值及腦電δ波功率譜值來表達駕駛員在駕駛過程中的情緒狀況與認知負荷。

上述研究都已證明了生理評測在用戶體驗研究方面的應用價值，尤其是用戶的情緒體驗與認知負荷方面。但是單個生理指標往往對于解釋實驗結果缺乏說服力，如心率、呼吸、皮電等并不能區(qū)分不同的情緒類別，只能反映生理喚醒水平，因此研究者通常會選取多個生理指標，并結合主觀問卷來進行用戶體驗研究，這也對多指標的整合與數(shù)據(jù)分析提出了更高的要求。

四、適用于民用無人機界面的研究方法

軍用無人機界面主要是通過在實驗室環(huán)境內的模擬飛行任務來進行，然而目前民用無人機與軍用大型無人機在控制方式上差別很大，民用無人機的使用場景通常在戶外，操控人員通過控制器與手機/平板點觸控制無人機，而軍用大型無人機一般通過地面控制站來進行操控；在屏幕尺寸上，民用無人機通常采用手機、平板電腦或控制器內置屏幕，相比之下民用無人機控制界面的屏幕小很多。因此，現(xiàn)有的實驗室模擬飛行并不能很好地還原民用無人機控制場景，需要一種新的無人機界面研究方法。

由于無人機控制具備一定的難度，目前民用無人機廠商為了訓練新手飛行員紛紛提供了模擬飛行應用，如大疆公司開發(fā)的APP“DJIGO”中的模擬飛行功能（如圖2），該功能下的控制界面與真實的控制界面基本一致。結合該功能，研究者提出通過眼動、皮電等指標揭示認知過程中的認知負荷，記憶能力等指標，結合績效評價指標，建立較為完善的無人機控制界面可用性評價體系。具體操作為：在實驗室中進行模擬飛行，配合頭戴式眼動儀與皮電、心電測試裝飾，（如圖3）所示，相比傳統(tǒng)的計算機模擬飛行更加接近真實場景與操作，對控制界面的評估也能夠更加準確。通過皮電、心電設備獲取用戶在模擬飛行任務中各個階段（起飛、巡航、降落等）的生理參數(shù)，從而分析比較各個階段中用戶的精神負荷；利用眼動追蹤研究獲取用戶在無人機控制界面上的視覺軌跡以及對于界面中各個元素的關注度，例如低電量警告能否及時被用戶所感知，并結合主觀問卷調查，對界面整體及局部元素做出用戶體驗評估。

結語

民用無人機的快速發(fā)展同時也帶來了安全問題，無人機的操控復雜性是主要原因?，F(xiàn)有的無人機界面研究都集中在軍用無人機領域，為了提高民用無人機界面的可用性，降低操控難度，研究者提出了融合眼動、皮電等生理評測技術的無人機控制界面評估方法，致力于建立完善的界面評估體系，提升無人機界面可用性，降低事故概率。