無人機指揮控制系統交互設計研究

劉唱 北京理工大學

1 研究背景

隨著科技的不斷發展，無人機無論在軍事領域還是民用領域的應用都越來越普遍，而交互設計在無人機指揮控制系統中的重要性也被逐步提升。

在軍事領域，無人機已成為現代戰爭必不可少的武器裝備。如何更好地利用無人機在復雜多變的戰場環境下及時把握戰機，如何快速準確地感知戰場態勢并作出正確的決策，如何更好地控制無人機完成艱巨的任務，無論對無人機操作員還是對無人機指揮控制系統的交互設計，都提出了更高層次的要求。

在民用領域，農業、能源、公共安全、基礎設施、建筑等行業都將無人機作為重要的輔助工具，代替人來完成較為復雜困難甚至是難以執行的任務。不僅如此，由于突發事件的時間限制，要求操作員必須保持較高的態勢感知能力，所以良好的交互設計對于實現指揮無人機高效完成高難度作業任務至關重要。

2 無人機指揮控制系統發展現狀

科技的不斷發展促使無人機自主級別不斷提高，系統能夠代替操作員完成一部分繁雜的任務，操作員的雙手就能從底層的飛行控制任務中解放出來，從而更多地執行監督控制任務。操控任務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、感知態勢，作出最冷靜正確的決策，更高效地完成任務。

無人機指揮控制系統是連接操作員與無人機這兩個單元之間的紐帶，系統通過通信鏈路接收無人機采集的信息，輔助操作員對無人機的飛行數據及任務載荷狀態進行實時監控并協助處理分析[2]，通過合理的交互設計使操作員快速充分地理解信息，能夠如同“身臨其境”一般感知態勢，從而形成決策，對無人機進行指揮控制。

目前，很多國家都在對無人機指揮控制系統進行研究，但從交互設計角度研究無人機指揮控制界面的相關文獻較少。

大疆公司的DJI GS Pro 地面站軟件界面，是對無人機進行操作及綜合管理的iPad 端應用程序。操作員可以通過直觀簡易的交互設計規劃復雜航線任務，實現全自動航點飛行作業。并設計了虛擬護欄功能、數據云端存儲功能保障無人機的飛行和數據安全。且該軟件支持團隊協作作業，為設計一站多機系統的交互界面奠定基礎。

3 設計要點分析

復雜的接口關系、龐大的信息量和控制量都給無人機指揮控制系統的交互設計提出了難題。人機交互的優化應該關注以下幾個設計要點：

(1）調理清晰的任務流程

調理清晰的任務流程可以指導用戶如何完成任務，用任務流的方式幫助用戶專注、高效地達到任務目標。進入指揮系統之后，操作員收到新任務首先要通過任務列表查看任務詳情，通過任務規劃界面進行預先部署。任務開始執行后對任務進度進行監控，對無人機飛行姿態、飛行環境進行實時感知，對任務區域進行監測，并根據實時環境狀況作出方案調整，以及完成對搭載設備的控制。完成任務后對獲取信息和執行效果進行統計評估并對無人機及指揮系統設備狀態進行檢測與維護。

(2）邏輯合理的信息架構

對于指揮控制系統而言，其承載的任務復雜，信息結構層次繁雜，僅依靠感性、主觀的設計思維很難獲得設計合理的人機交互界面。邏輯合理的信息架構是良好的交互設計的基礎，設計者應注意對信息架構的梳理，將內容有序分類，將結構化繁為簡，注意層級的廣度和深度，同時注意形成良好的界面布局，有利于用戶快速進行視覺搜索，了解自己在哪里，將要做什么，可以做什么等一系列問題，強化操作員對系統的積極認知。

(3）易于理解的信息表達

無人機將各個搭載設備收集到的參數信息全部發送至指揮控制系統，但是大量且復雜的參數信息會導致操作員注意力分散，無法快速捕捉關鍵信息，增加了操作員的認知負荷。設計中應盡量把各參數信息進行初步處理與綜合歸納，用形象化的圖形、符號優化信息表達的方式，以做到各參數信息一目了然，消除認知摩擦現象，提高操作員認知效率和態勢感知績效。

(4）增強操作員態勢感知能力

增強態勢感知能力是無人機指揮控制系統向設計者提出的新的設計挑戰。以往的無人機是在操作者的視線范圍內飛行，而無人機指揮控制系統屬于遠程控制系統，是操作員與無人機不在同一空間環境下的控制工具，這就造成了操作員會產生情境感知等方面的障礙，使其缺乏洞悉安全風險的能力，影響操作員對安全威脅的發現識別，最終影響操作員的決策與行動。交互設計在增強操作員態勢感知能力方面，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，還可以簡化場景信息，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，尋找能使操作員產生沉浸感的設計方案。

（5）人性化的安全保障與輔助能力

指控系統應能夠自動對操作員的判斷與操作給以輔助，例如無人機在發出報警信息時，系統界面能相應地給予應對方案及操作提示。操作員作出影響飛行安全的操作時，系統應彈出對話框提醒操作員并令其確認是否要繼續執行此操作。突發事件來臨時，系統應將必要的實時性的狀況及時有效地呈現給操作員。參數、圖標和控件的設計也應盡量貼合使用者的使用規則和操作習慣，避免容易產生誤解和歧義的顯示，避免容易引起誤操作的界面布置 ，確保人機交互的持續穩定性。

4 結束語

作為整個無人機系統的重要組成部分，指揮控制系統界面的交互設計直接影響著整個無人機系統的運行狀態和執行任務的效率。面對未來一站多機的發展趨勢，更要做好對單個無人機指揮控制的交互設計研究，為單個操作員同時控制多架無人機的指揮控制界面的交互設計打下扎實的研究基礎。