小型近程無人機操控培訓探究

屈強 周慶君 張勵維

隨著小型近程無人機在軍事和民用領域中的應用迅速增加，具有熟練職業技能的無人機操控員需求也在增長。然而，有效的無人機操控員培訓研究還沒有完全跟上需求。為了推動無人機操控員培訓事業的發展，本文研究不同無人機操控培訓方案對培訓效果的影響。根據試驗結果，與接受監督控制培訓的學員相比，接受高水平監督控制培訓的學員加入手動控制培訓后，其實際操控能力發揮更好。而過于自信的學員更加傾向于手動控制無人機，其操控失誤導致的墜機概率比接受監督控制培訓的學員高15倍。本文研究結果對無人機操控培訓方案設計具有借鑒意義。

小型近程無人機具有機動性高、隱蔽性強、部署快捷等特點，在情報、偵察、監視、打擊、通信中繼、搜索救援、測繪、建筑物和基礎設施巡檢、精準農藥噴灑等軍事和民用領域中的應用正在迅速增長。

當前，無人機飛行任務需要嚴格的人工操控，人工操控失誤是造成無人機事故的主要因素之一。國外先前已經研究無人機自動化水平對操控員行為的影響，以及操控員針對不同任務，如何動態調整自動控制比例。這些研究表明，為了減少人員工作量而引入更多的高水平自動控制技術，操控效果可能并不會一直提高。如何采取有效手段培訓無人機操控員，如何改進技術以幫助操控員開展培訓是當前無人機操控培訓行業需要解決的問題。

還有一些無人機操控培訓研究集中在如何改進培訓設備、評估方法、預篩選方案來增強培訓效果。無人機模擬器在操控員初始培訓中已經被證明具有有效性。無人機運動提示提升了模擬器逼真度和訓練效果。

另一項研究是，操控培訓引入無人機追逐它機的訓練場景，是否能增強操控員復雜環境下的態勢感知能力。

其他研究通過功能性近紅外光譜（Functional near-infrared spectroscopy， fNIRS）測量腦血氧量，評估無人機操控員在無人機飛行控制過程中的態勢感知和認知能力。

上述研究側重于輔助培訓方法與培訓效果測量方法，很少研究如何讓操控員掌握最基本、最熟練的操控技能。此外，一些文獻研究表明，操控員可能會過度信任小型近程無人機的自主飛行能力，在本應使用手動控制的情況下，過多采用航路點預設方法讓無人機自主飛行。

操控培訓試驗方案

操控培訓試驗教具

本次操控培訓試驗采用一種小型近程多旋翼無人機。多旋翼無人機在手動控制或者監督控制模式下飛行。兩種模式都有一個相似但不同的控制界面。監控模式下，參與試驗的操控員預設起點、途徑點、終點、飛行高度等參數，無人機按預設程序飛行，參試操控員只在必要時對無人機進行控制。

操控培訓試驗內容

操控培訓試驗分為培訓和任務測試兩個階段。培訓階段包含理論學習與實操練習，而任務測試階段主要是實操測試。培訓階段的實操練習與任務測試階段的實操測試使用不同的場地環境。

通過調查發現，為達到較好效果，培訓內容需包括六個基礎培訓單元和一個全流程實操培訓單元，如表1所述。六個基礎培訓單元分別為無人機基礎知識培訓、應用程序界面培訓、起飛與降落操控培訓、通用導航培訓、攝像機操作培訓、應急處理培訓，每個單元均采用教程、幻燈片學習，單元測試兩種教學方式。此外，第3至第5單元分別安排起飛與降落、飛行、攝像機實操練習。所有培訓單元均被設計為自定義進度，參試操控員可自行決定何時進入新單元學習。

操控培訓試驗過程

參試操控員共42人，被隨機分配到3個不同的培訓組。根據表1列出的無人機起飛、降落、飛行、攝像機實操練習，第1組操控員既練習手動控制，也練習監督控制；第2組操控員僅練習監督控制，因此實操練習時間短；第3組操控員也僅練習監督控制，但為了確定培訓時間是否是提高操控能力的重要因素之一，第3組增加了額外的實操練習學時，確保與第1組具有相同的學時。

3組操控員完成培訓后，均進行任務測試。測試內容為無人機監督控制，以檢驗參試操控員是否掌握了無人機飛行、攝像機等科目的必要操控技能。表2列出了3個組的實操培訓與任務測試統計信息。

為了體現規律的普遍性，最后的任務測試包括三次獨立測試，每次測試時間為15min（不含準備時間），任務測試場地與培訓階段的實操練習場地不同。第1次測試為必選項目，第2次測試和第3次測試為自選項目。每次測試開始前，參試操控員事先會拿到一張環境地圖，并被告知數字紙板放置在環境中的特定位置，且環境中存在障礙物，會阻礙無人機飛行，但是參試操控員并不知道障礙物的數量與位置。測試目標任務是，操控員控制無人機起飛，并將無人機導航到目標位置，然后查看機載攝像機提供的信息，大聲讀出目標紙板上的數字，最后操控無人機返回起飛地點。根據測試規定，無人機墜機、撞機、任務完成前電池電量耗盡，視為任務測試失敗；操控員正確讀出紙板上的數字，視為任務測試成功。在三次測試中，操控員每次參與測試，均需重新調整障礙物位置和目標紙板位置。對于那些選擇多次測試的參試操控員來說，他們在兩次測試之間可以休息大約5min。

通過對比第1組與第2、3組的實操培訓與測試，本文可以確定操控員加入手動控制培訓是否有利于操控能力提升。

操控培訓試驗結果

42名操控員參加了本次操控培訓試驗。其中，39名完成第2或3次任務測試，33名完成所有三次任務測試。第1組有7人完成三次任務測試，第2組和第3組各有8人完成三次任務測試。由于第1組的實操培訓時間比第2組長，所以第1組的許多參試操控員沒有時間嘗試第3次任務測試。

第1次任務測試結果

表3顯示，在第1次任務測試中，第3組表現最好，其成功率達50%，即50%的參試操控員完成了任務；第2組成功率為36%，位居第二。這兩組的成功率沒有統計學差異。實操培訓時間與任務測試失敗之間沒有明顯的聯系。

多次任務測試結果

在成功完成三次任務測試的16名參試操控員中，5名有無人機操控經驗，11名沒有無人機操控經驗。5名有經驗參試操控員完成任務測試的平均用時為5.54±0.86min，明顯少于11名無經驗參試操控員的平均用時6.85±0.95min。

表3顯示，在第1次任務測試中，第2組平均用時最短；在第2次任務測試中，第1組平均用時最短。對于第1組，其第3次任務測試的平均用時最短，為3.64±1.74min，比第1次任務測試的平均用時縮短41%，這個41%是所有培訓組三次任務測試平均用時縮短的最大值，表明隨著時間推移，參試操控員操控技能更加熟練。三次任務測試平均用時分別是：第1次任務測試為6.44±1.09min，第2次任務測試為5.14±1.72min，第3次任務測試為4.29±1.80min。第2次任務測試平均用時比第1次縮短約1min，第3次任務測試平均用時比第2次縮短約1min。三組參試操控員完成三次任務測試的用時詳見圖2。

過度自信的影響

所有培訓組完成無人機操控培訓試驗后，教員對每位參試操控員的實際表現予以評價，評價分為較差、基本滿意、較好三個等級。如果參試操控員完成飛行任務，則被評為較好；如果參試操控員讀出目標紙板上的數字，但無人機返回起飛點時墜機，獲得基本滿意評價；如果參試操控員造成無人機碰撞或無人機電池電量耗盡，則被評為較差。此外，參試操控員也需要對自己的表現進行自我評價，自評分為非常差，較差，基本滿意，較好，優秀五個等級。表4統計了三組在第1次任務測試中表現較好、基本滿意或較差的人數。

為了檢驗過度自信可能產生的影響，現將參試操控員自評等級與教員評價等級進行比較。首先，本文定義一個指標，即信心偏差，用來表征參試操控員的自信程度。如果參試操控員自評等級與教員評價等級相符，則信心偏差為 0，0是基準分數；如果參試操控員自評等級比教員評價等級高1級，則信心偏差為1，1表示自信；如果參試操控員自評等級比教員評價等級高2級，則信心偏差為2，2表示過度自信。同理，參試操控員自評等級比教員評價等級低1級，信心偏差為-1，-1表示不自信；參試操控員自評等級比教員評價等級低2級，信心偏差為-2，-2表示非常不自信。信心偏差的取值范圍為-2～2。

圖3顯示了各組參試操控員完成第1次任務測試后的信心偏差。每組參試操控員分為成功者和失敗者兩類。在失敗者中，65%的人員表現過度自信，而成功者沒有過度自信的案例。

通過進一步調查發現，那些過度自信的參試操控員在任務測試中，采用了更多的手動控制，即在控制無人機飛行時，時不時會用手動控制替代自動控制。

結論

本文首先研究三種不同無人機實操培訓方案的效果，檢驗手控+監控模式是否比監控模式的培訓效果更好。第二，研究培訓時間是否是提高學員操控技能的重要因素之一。令人驚訝的兩個發現是，當參試操控員采用自定義進度訓練時，多數人在規定的實操時間內很快完成了培訓；過度自信的參試操控員造成墜機的概率是正常參試操控員的15倍，因為前者不信任無人機的自主性，更多采用了手控模式。雖然一個人的過度自信是與生俱來和因過去技術經驗影響而形成的，但培訓可改變一個人的過度自信。

對于那些成功完成任務測試的參試操控員來說，結果好壞參半。總體表現最好的是，在監督控制培訓之前接受過手動控制培訓的人員。因此，培訓單位應重視手動控制培訓，采用多種手段強化手動控制培訓效果，例如模擬訓練、基于第一人稱視角的真機實訓等方法，并且保證充足的培訓時間。本次操控培訓試驗考慮并不周全，未來，我們將繼續在操控培訓中探索有效的方法，總結經驗。