無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)研究

劉唱 北京理工大學(xué)

1 研究背景

隨著科技的不斷發(fā)展，無人機(jī)無論在軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域的應(yīng)用都越來越普遍，而交互設(shè)計(jì)在無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)中的重要性也被逐步提升。

在軍事領(lǐng)域，無人機(jī)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)必不可少的武器裝備。如何更好地利用無人機(jī)在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下及時(shí)把握戰(zhàn)機(jī)，如何快速準(zhǔn)確地感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)并作出正確的決策，如何更好地控制無人機(jī)完成艱巨的任務(wù)，無論對(duì)無人機(jī)操作員還是對(duì)無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)，都提出了更高層次的要求。

在民用領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)、能源、公共安全、基礎(chǔ)設(shè)施、建筑等行業(yè)都將無人機(jī)作為重要的輔助工具，代替人來完成較為復(fù)雜困難甚至是難以執(zhí)行的任務(wù)。不僅如此，由于突發(fā)事件的時(shí)間限制，要求操作員必須保持較高的態(tài)勢(shì)感知能力，所以良好的交互設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)指揮無人機(jī)高效完成高難度作業(yè)任務(wù)至關(guān)重要。

2 無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

科技的不斷發(fā)展促使無人機(jī)自主級(jí)別不斷提高，系統(tǒng)能夠代替操作員完成一部分繁雜的任務(wù)，操作員的雙手就能從底層的飛行控制任務(wù)中解放出來，從而更多地執(zhí)行監(jiān)督控制任務(wù)。操控任務(wù)的減少意味著操作員有更多的精力，可以作為指揮員的角色，從更高的視角總攬全局、感知態(tài)勢(shì)，作出最冷靜正確的決策，更高效地完成任務(wù)。

無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)是連接操作員與無人機(jī)這兩個(gè)單元之間的紐帶，系統(tǒng)通過通信鏈路接收無人機(jī)采集的信息，輔助操作員對(duì)無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)及任務(wù)載荷狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并協(xié)助處理分析[2]，通過合理的交互設(shè)計(jì)使操作員快速充分地理解信息，能夠如同“身臨其境”一般感知態(tài)勢(shì)，從而形成決策，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行指揮控制。

目前，很多國家都在對(duì)無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，但從交互設(shè)計(jì)角度研究無人機(jī)指揮控制界面的相關(guān)文獻(xiàn)較少。

大疆公司的DJI GS Pro 地面站軟件界面，是對(duì)無人機(jī)進(jìn)行操作及綜合管理的iPad 端應(yīng)用程序。操作員可以通過直觀簡(jiǎn)易的交互設(shè)計(jì)規(guī)劃復(fù)雜航線任務(wù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)航點(diǎn)飛行作業(yè)。并設(shè)計(jì)了虛擬護(hù)欄功能、數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)功能保障無人機(jī)的飛行和數(shù)據(jù)安全。且該軟件支持團(tuán)隊(duì)協(xié)作作業(yè)，為設(shè)計(jì)一站多機(jī)系統(tǒng)的交互界面奠定基礎(chǔ)。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

復(fù)雜的接口關(guān)系、龐大的信息量和控制量都給無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)提出了難題。人機(jī)交互的優(yōu)化應(yīng)該關(guān)注以下幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

(1）調(diào)理清晰的任務(wù)流程

調(diào)理清晰的任務(wù)流程可以指導(dǎo)用戶如何完成任務(wù)，用任務(wù)流的方式幫助用戶專注、高效地達(dá)到任務(wù)目標(biāo)。進(jìn)入指揮系統(tǒng)之后，操作員收到新任務(wù)首先要通過任務(wù)列表查看任務(wù)詳情，通過任務(wù)規(guī)劃界面進(jìn)行預(yù)先部署。任務(wù)開始執(zhí)行后對(duì)任務(wù)進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)、飛行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，對(duì)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境狀況作出方案調(diào)整，以及完成對(duì)搭載設(shè)備的控制。完成任務(wù)后對(duì)獲取信息和執(zhí)行效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估并對(duì)無人機(jī)及指揮系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)。

(2）邏輯合理的信息架構(gòu)

對(duì)于指揮控制系統(tǒng)而言，其承載的任務(wù)復(fù)雜，信息結(jié)構(gòu)層次繁雜，僅依靠感性、主觀的設(shè)計(jì)思維很難獲得設(shè)計(jì)合理的人機(jī)交互界面。邏輯合理的信息架構(gòu)是良好的交互設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)者應(yīng)注意對(duì)信息架構(gòu)的梳理，將內(nèi)容有序分類，將結(jié)構(gòu)化繁為簡(jiǎn)，注意層級(jí)的廣度和深度，同時(shí)注意形成良好的界面布局，有利于用戶快速進(jìn)行視覺搜索，了解自己在哪里，將要做什么，可以做什么等一系列問題，強(qiáng)化操作員對(duì)系統(tǒng)的積極認(rèn)知。

(3）易于理解的信息表達(dá)

無人機(jī)將各個(gè)搭載設(shè)備收集到的參數(shù)信息全部發(fā)送至指揮控制系統(tǒng)，但是大量且復(fù)雜的參數(shù)信息會(huì)導(dǎo)致操作員注意力分散，無法快速捕捉關(guān)鍵信息，增加了操作員的認(rèn)知負(fù)荷。設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量把各參數(shù)信息進(jìn)行初步處理與綜合歸納，用形象化的圖形、符號(hào)優(yōu)化信息表達(dá)的方式，以做到各參數(shù)信息一目了然，消除認(rèn)知摩擦現(xiàn)象，提高操作員認(rèn)知效率和態(tài)勢(shì)感知績(jī)效。

(4）增強(qiáng)操作員態(tài)勢(shì)感知能力

增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知能力是無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)向設(shè)計(jì)者提出的新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。以往的無人機(jī)是在操作者的視線范圍內(nèi)飛行，而無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)屬于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，是操作員與無人機(jī)不在同一空間環(huán)境下的控制工具，這就造成了操作員會(huì)產(chǎn)生情境感知等方面的障礙，使其缺乏洞悉安全風(fēng)險(xiǎn)的能力，影響操作員對(duì)安全威脅的發(fā)現(xiàn)識(shí)別，最終影響操作員的決策與行動(dòng)。交互設(shè)計(jì)在增強(qiáng)操作員態(tài)勢(shì)感知能力方面，可以將更形象化的路徑指示、避障提示和高度顯示疊加到視景上，還可以簡(jiǎn)化場(chǎng)景信息，將障礙邊緣加輪廓線或文字注釋以突出顯示，還需在界面的布置及地圖與視景的切換效果上拓寬思路，尋找能使操作員產(chǎn)生沉浸感的設(shè)計(jì)方案。

（5）人性化的安全保障與輔助能力

指控系統(tǒng)應(yīng)能夠自動(dòng)對(duì)操作員的判斷與操作給以輔助，例如無人機(jī)在發(fā)出報(bào)警信息時(shí)，系統(tǒng)界面能相應(yīng)地給予應(yīng)對(duì)方案及操作提示。操作員作出影響飛行安全的操作時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)彈出對(duì)話框提醒操作員并令其確認(rèn)是否要繼續(xù)執(zhí)行此操作。突發(fā)事件來臨時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)將必要的實(shí)時(shí)性的狀況及時(shí)有效地呈現(xiàn)給操作員。參數(shù)、圖標(biāo)和控件的設(shè)計(jì)也應(yīng)盡量貼合使用者的使用規(guī)則和操作習(xí)慣，避免容易產(chǎn)生誤解和歧義的顯示，避免容易引起誤操作的界面布置 ，確保人機(jī)交互的持續(xù)穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

作為整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，指揮控制系統(tǒng)界面的交互設(shè)計(jì)直接影響著整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和執(zhí)行任務(wù)的效率。面對(duì)未來一站多機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，更要做好對(duì)單個(gè)無人機(jī)指揮控制的交互設(shè)計(jì)研究，為單個(gè)操作員同時(shí)控制多架無人機(jī)的指揮控制界面的交互設(shè)計(jì)打下扎實(shí)的研究基礎(chǔ)。