人機交互是無人機自主飛行驗證的重點

格拉漢姆·瓦里克/Graham Warwick

自主飛行是無人機發展的重要方向。自主性技術不僅可以減少機組人員，減少工作量，而且還可以提高安全性。在通往自主飛行的道路上，人機交互技術是當前試驗驗證的重點。

無人駕駛技術常常被描繪成可能取代飛行員。為此，美國國防部預研局（DARPA）和西科斯基飛機公司聯合開展駕駛艙機組人員自主系統（ALIAS）驗證，旨在開發一套可以給飛機帶來高度自動化的嵌入式移動組件。駕駛艙機組人員自主系統項目于2016年10月由極光飛行科學公司和西科斯基飛機公司完成了第1階段驗證工作，2018年10月17日完成了第2階段驗證工作。該項目驗證了如何使用自主系統來減少現有飛機的工作量和提高安全性，同時建立了飛行員對自主系統的信任，從而為在某些任務中減少機組人員鋪平道路。驗證試驗中發現，人機交互技術是自主飛行的關鍵技術之一。

作為DARPA項目，駕駛艙機組人員自主系統的重點是實現機組減員情況下的軍用飛行操作。該項目經理丹·帕特說：“通過讓每名操作員更高效，從而使用更少的機組人員操作同一架飛機，這將有助于解決訓練有素的軍事人員短缺問題，并為國防部帶來豐厚的回報。”無論飛機平臺的電子電路復雜性如何，DARPA的駕駛艙機組人員自主系統都能帶來高超的駕駛艙自動化水平；增加單飛行員操作的安全性，減少某些任務的機組人員；感知系統能讀取儀器，以規范輔助飛行員操作；聯網的平板電腦可從空中和地面協同控制飛機。

一架西科斯基S-76B改裝的自動駕駛飛機，一輛由DARPA提供的塞斯納“大篷車”飛機和一輛地面站方艙車參加了在紐約州波基普西市西科斯基子公司AAG總部進行的駕駛艙機組人員自主系統演示。圖片來演：泰德·卡爾森/西科斯基飛機公司

利用駕駛艙輔助設備幫助飛行員信任自主系統

（1）極光飛行科學公司第二階段驗證

丹·帕特說，“駕駛艙機組人員自主系統項目是要制造一架自動駕駛的飛機，而不是排斥駕駛員。駕駛艙機組人員自主系統可以管理所有的基本程序，這樣飛行員就不用切換開關，能夠更有效地利用時間。飛行員可以考慮任務的內容和收集的信息，而不是管理操縱桿和油門。但駕駛艙機組人員自主系統給駕駛艙帶來的自主性不僅僅限于軍事，而具有短期應用和長期影響。該系統可能在五年內完成集成，但是，將商用飛機從兩名飛行員減少到一名“任務指揮官”需要管理上的改變，同時需要幾十年時間產生足夠的數據來證明系統是安全的或更安全的。”

駕駛艙機組人員自主系統第二階段試驗驗證了包含了許多技術，這些技術可將自主系統應用到幾乎所有飛機，甚至是沒有航空電子數據總線的飛機，包括讀取模擬儀器的攝像機系統技術、通過機械臂操縱控制器的技術、允許地面和空中多個用戶協同控制飛機的平板電腦技術等。

丹·帕特說：“我們有這樣的愿景，自主系統可以最終管理所有低級飛行任務。同時，這些技術可以使航空飛行更安全。”他與汽車行業作了比較，汽車行業關注自動駕駛汽車的安全性，但許多單項技術可以使駕駛更安全。

丹·帕特說，“具有監視儀表和警告飛行員的極光感知系統，是你想象得到的、可以很快進入駕駛艙并在不減少駕駛員的情況下，提高安全性的技術。駕駛艙機組人員自主系統的長期模型是能夠處理突發事件，幫助篩選所有輸入的復雜信息，并將其提取為人類能理解的信息的自主系統。”

極光飛行科學公司在弗吉尼亞州馬納薩斯總部的駕駛艙機組人員自主系統驗證包括，DARPA提供的塞斯納“大篷車”飛機的飛行，以及在另一架“大篷車”飛機和貝爾UH-1直升機（用作硬件回路模擬器）上進行的地面演示。該項目還涉及極光飛行科學公司“半人馬座”自動駕駛飛機的飛行，該飛機是鉆石DA42雙發活塞飛機的改進型。

“大篷車”飛機經改裝后，在駕駛艙右側增加了感知系統，安裝的四個攝像機對準儀表板并監視儀表、開關和控制器，感知系統讀取并數字化指針及開關位置，并將這些飛機狀態數據提供給駕駛艙機組人員自主系統。

極光飛行科學公司的感知系統使用攝像機讀取模擬儀器和監視控制器及開關，以確定飛機狀態。圖片來源：極光飛行科學公司

取代右側座椅的是用于操縱駕駛桿和方向舵踏板的托盤加裝致動器，以及一個用于調節油門和展開襟翼的六自由度機械臂。飛行員可以迅速松開機械臂，如果與飛行員發生沖突，機械臂也會收回。

尚未在“大篷車”飛機上實現，但正在開發的語音識別系統能使飛行員像跟副駕駛員一樣與駕駛艙機組人員自主系統進行語音交互。首席創新官約翰·泰爾科說：“它能聽從空中交通管制，并將其數字化輸入駕駛艙機組人員自主系統系統。它能像副駕駛員一樣服從飛行員指令并進行請求-響應。如果你錯了一步，它會提醒你。”

駕駛艙機組人員自主系統的關鍵是它需要飛行知識，而且它必須適用于不同的平臺。這些知識包括飛行動力學模型和飛行員手冊中所有正常和異常操作的規程。丹·帕特說：“無人機規劃的困難之處在于想到每一種可能的情況，對于現有飛機而言，這些情況都寫在手冊里了。自主系統必須學懂手冊。”

極光飛行科學公司的知識獲取系統基于通用模板，這些模板利用了不同類型飛機（例如，單引擎或多引擎）的規程相似的優勢。極光飛行科學公司表示：“如果是單引擎、固定式起落架的飛機，我們不需要知道如何收回起落架。我們可以在很短的時間內制作一個通用的飛行手冊。”

在“大篷車”飛機地面演示中可以看到這些知識在起作用。在模擬起飛后，飛行員通過平板電腦使用駕駛艙機組人員自主系統。駕駛艙機組人員自主系統系統取得飛機控制權后，移動機械臂抓住油門桿。飛行員使用平板電腦發出90°轉彎指令；系統讀取儀表數值后，控制機械臂加大油門以保持高度。

隨后，通過向駕駛艙機組人員自主系統快速移交控制權以穩定飛機水平飛行，極光飛行科學公司演示了自主系統如何幫助迷失方向的飛行員恢復正常姿態。通過模擬變速箱污染導致的發動機故障，證實了駕駛艙機組人員自主系統系統具備飛行手冊中的規程知識。

感知系統觀察指示燈，并一直監視油壓表。手冊上寫道，如果壓力值一直高于某一水平，并不算嚴重的警報。但如果感知系統發現油壓降低且低壓燈亮起，駕駛艙機組人員自主系統將警告飛行員，并在平板電腦上顯示發動機故障檢查表。

飛行員確認發動機故障后，系統會將油門調整到怠速狀態，使飛機達到最佳滑翔速度。飛行員隨后仔細核對檢查表，表中一些任務交由駕駛艙機組人員自主系統完成。感知系統監測飛行員的動作和駕駛艙指示，以核實檢查表項目已經完成，也會應飛行員要求給予提示。

“半人馬座”飛機和UH-1直升機上都安裝了感知系統，極光飛行科學公司還說，“大篷車”飛機、DA42飛機和UH-1直升機上的駕駛艙機組人員自主系統硬件和軟件都是相同的，以此驗證駕駛艙機組人員自主系統系統在不同平臺間的可擴展性。

（2）西科斯基飛機公司第二階段驗證

另一場競爭對手的駕駛艙機組人員自主系統演示包括一架由S-76B改裝的自動駕駛飛機——西科斯基自動化研究飛機（SARA）、另一架“大篷車”飛機和一輛地面站方艙車。該演示在位于紐約州波基普西市的AAG總部進行。AAG是西科斯基飛機公司的子公司，擁有S-76飛機的部分股份。

在西科斯基矩陣技術自主系統項目支持下，SARA改裝成遙控自動駕駛飛機，這也代表著駕駛艙機組人員自主系統應用領域的一個方向。來自同一家商業運營商、由DARPA提供的“大篷車”飛機則代表另一個方向：修改現有的自動駕駛儀以便與駕駛艙機組人員自主系統系統共同工作。

西科斯基自主系統項目主任伊格爾·切林賓斯基說，該演示模擬的是最簡單的貨運任務。其理念是創建一個“大駕駛艙”，使地面人員和空中機組人員作為一個團隊工作，所有人使用相同的、聯網的平板電腦，通過自主系統管理飛機。

雖然驅動不同、控制規則經過修改，但西科斯基S-76B SARA直升機和塞斯納“大篷車”飛機的自主系統軟件是相同的。圖片來源：西科斯基公司

SARA具備全權的數字飛行控制器和三重冗余的自主任務管理器，從而能夠完全無人駕駛飛行。“大篷車”飛機具有雙任務管理器。據伊格爾·切林賓斯基說，由于駕駛艙機組人員自主系統通過現有的自動駕駛伺服機構控制渦輪螺旋槳飛機飛行，因此飛行控制權限只有50%～80%。SARA和“大篷車”飛機的高性能計算硬件不同，但運行的軟件相同。

西科斯基飛機公司演示的目的是展示飛行員可以在直升機上執行貨運任務，著陸后，拿著相同的平板電腦并將其連接到“大篷車”飛機儀表板上，然后使用相同的硬件和軟件執行起飛和貨運飛行任務。在兩架飛機上，駕駛艙機組人員自主系統就像是擔任安全駕駛員的第二名機組人員一樣。

在SARA上，飛行員通過護膝上的平板電腦操作直升機。飛行員在觸摸屏上規劃任務，同時將任務分配給飛行員、地面操作員和駕駛艙機組人員自主系統。安裝在右窗臺上的六自由度鼠標允許飛行員“猛烈地”改變飛機位置，從而使終端區操作更容易，但是操作指令仍需經過自主系統。

當輸入任務或指令時，以及在整個飛行過程中，路徑規劃系統自動檢查后續的航線，看SARA上的激光雷達傳感器是否檢測到有障礙物。隨后，駕駛艙機組人員自主系統會在任務管理器設置的約束條件下，自動調整飛行計劃以避免碰撞。

根據目標航點建立任務計劃。伊格爾·切林賓斯基說：“目標航點可以是空間中的任何一個點，”自主系統知道它何時可以偏離這個目標航點、偏離多少，并且仍然完成任務。“如果你告訴它‘在該點降落’，但它做不到，它就會提示操作者。如果你告訴它‘在附近降落’，但它做不到，它會找到一個適合的著陸地點，并告訴操作員‘如果你什么都不做，我就在這里降落。’”

在演示中，SARA手動滑行。地面站命令起飛后，S-76B自主升空到40ft懸停，激光雷達傳感器開始掃描，平板電腦上生成危險地圖，沖突地區顯示為紅色。伊格爾·切林賓斯基接著演示了如何在地面上使用平板電腦觸摸地圖以重新定位直升機。

平板電腦通過Wi-Fi連接到地面站，地面站通過使用可操縱天線的商業通信鏈路連接到飛機。伊格爾·切林賓斯基說：“我們使用最先進的數據鏈加密技術。”共享激光雷達數據需要一條大容量的鏈路，傳輸指令則占用更少的帶寬，而SARA可以使用低速率的銥星鏈路進行超視距控制。

通過網絡，飛行員的平板電腦可以顯示其他用戶輸入的指令。他可以按下“執行”按鈕來接受這些更改，或者按“放棄”按鈕拒絕。伊格爾·切林賓斯基說，根據美國陸軍執行貨運任務的方式，飛機控制權通過口頭方式無縫移交。

起飛后，飛行員沒有觸碰控制裝置。伊格爾·切林賓斯基說：“駕駛艙機組人員自主系統可以操縱飛機直到降落。”SARA著陸并手動滑行回到停機坪后，機組人員轉移到“大篷車”飛機，在飛機手動起飛后，控制權移交給駕駛艙機組人員自主系統平板電腦。

由于SARA早已存在，“大篷車”飛機用于證明駕駛艙機組人員自主系統的可移植性，并且“表示我們在兩個月內能做什么”。這兩架飛機“展示了我們如何提供一系列的應用方案，而不僅僅是一刀切的方法。”

正如需要駕駛艙機組人員自主系統一樣，“大篷車”飛機證明了缺少自動駕駛儀的飛行器需要機器控制。在自主系統控制下，基座上的電子機械傳動器驅動一個機械臂調節油門，另一個機械臂則移動襟翼。

伊格爾·切林賓斯基說，西科斯基自主系統并不強調機器系統，而是在“大篷車”飛機駕駛艙安裝了攝像機收集數據，以開發讀取模擬儀表及開關的能力，系統還致力于語音識別研究。飛機安裝了UTC（聯合技術公司）航空航天系統公司的激光雷達和短波紅外傳感器，以避免碰撞。

西科斯基飛機公司的駕駛艙機組人員自主系統實現理念包括“分布式解決方案”和“集成解決方案”，“分布式解決方案”提供高度可靠和容忍發射的“始終在線”加力，但需要修改機身周圍的幾個位置，“集成解決方案”將所有東西都放在駕駛艙內。

采用分布式方法時，改裝一架飛機需要200h或更多的時間，將駕駛艙機組人員自主系統應用于新平臺需要大約一年時間。集成系統能夠在一天到一個星期內快速完成改造和改裝，但只能提供“像自動駕駛”的可靠性和部分控制權。伊格爾·切林賓斯基說：“‘大篷車’飛機介于兩者之間。”

人機交互是DARPA/西科斯基飛機公司自主飛行的重點

極光飛行科學公司和西科斯基飛機公司都已經完成了駕駛艙機組人員自主系統第2階段驗證試驗，該階段將培育篩選出來的技術，并將這些技術在另一個不同的平臺上進行飛行試驗。丹·帕特說，DARPA將篩選集成商，但目前還未決定是哪家公司。在第三階段驗證中，極光飛行科學公司投標的重點是感知和語音識別，而不是機器驅動。其總裁兼首席運營官馬克·切利說：“我們已經知道團隊準備接受什么。近期，飛行員還沒做好啟動準備，他們準備好了感知、檢查、語音識別和復述檢查清單。”而西科斯基飛機公司第3階段的策略是“圍繞領域和資格集成，將繼續發展重點技術，以更多智能、規劃和人機交互能力為中心。”

因此，丹·帕特說，“長期來看，駕駛艙機組人員自主系統所展示的技術是駕駛艙自動化系統變得更魯棒的關鍵，可能從根本上改變人們與飛機的交互方式。”要突破范例很難，但這可能是將自動化技術引入飛行的方法。“很明顯的是，未來只有一個機組人員的駕駛艙或者自動駕駛飛機，不能像今天的樣子。”

ALIAS第3階段于2017年1月獲批，其重點是將駕駛艙機組人員自主系統集成到美國陸軍西科斯基UH-60“黑鷹”通用直升機。該系統定于2018年在西科斯基飛機公司UH-60A上進行飛行試驗，UH-60A將于2019年在美國軍事基地進行兩次任務演示。

在第3階段驗證中，西科斯基飛機公司展示了飛行員在模擬軍事任務中與自主系統交互的新方法，這些飛行利用位于弗吉尼亞州尤斯特斯堡的S-76試驗平臺進行。作為駕駛艙機組人員自主系統的第3階段，除了在2016年項目第2階段中展示的平板接口外，10月17日的飛行還引入了飛行控制操縱器作為與自主系統交互的手段。

DARPA項目經理格雷厄姆·德羅澤斯基（Graham Drozeski）說，在尤斯特斯堡的飛行顯示了一系列的能力，包括端到端的自主任務以及飛行員通過駕駛艙機組人員自主系統使用飛行控制操縱器而不是傳統的周期距與總距控制來駕駛直升機。

根據與DARPA的第三階段協議，美國陸軍還將裝備配備有駕駛艙機組人員自主系統的UH-60M，同時西科斯基飛機公司還致力于將可確認的自主能力集成到其S-92商用直升機。這項工作“將持續到2020年及以后。

格雷厄姆·德羅澤斯基說，“在尤斯特斯堡的S-76 西科斯基自動化研究飛機（SARA）的飛行在現實環境中證實，駕駛艙機組人員自主系統可以集成至UH-60”。UH-60的飛行以空中機動、傷員輸送和路線偵察任務為模型；S-97的任務是飛行低空路線，避開電線，在多個偏遠狹窄區域起飛和著陸，自主探測著陸區內的障礙。

最新版本的駕駛艙機組人員自主系統能夠實現多個級別的控制，從預先計劃的、完全自主的任務到飛行中的動態重新規劃和實時控制。駕駛艙操縱器的右搖桿控制滾轉和空速，左搖桿控制偏航。

西科斯基飛機公司試飛員馬克·沃德說：“你可以預編程駕駛艙機組人員自主系統以自主執行任務，然后在 “飛行回路”中使用左手和右手控制器修改X、Y和Z軸的計劃。”他說，尤斯特斯堡的飛行任務從飛行員零交互的完全自主到“操作飛行控制操縱器和飛行”，其中，完全自主通過飛行員與編入駕駛艙機組人員自主系統的總體任務目標交互的混合模式進行。

西科斯基飛機公司飛行員馬克·沃德（右）訓練一位新的直升機操作員如何使用駕駛艙機組人員自主系統自主技術。圖片來源：西科斯基飛機公司

在第2階段，西科斯基飛機公司展示了在S-76 SARA（圖中前者）和塞斯納“大篷車”飛機之間連接駕駛艙機組人員自主系統的能力。圖片來源：西科斯基飛機公司

增加的飛行控制操縱器接口使飛行員能夠快速地與駕駛艙機組人員自主系統交互。西科斯基自主系統總工程師伊格爾·切林賓斯基說，“我們希望以一種敏捷的方式進行交互，因此我們開發了一個流暢的接口，使系統能夠立即做出反應。”他說，自主系統需要能夠對“人類的突發奇想”做出反應，比如飛行員決定向左而不是向右繞過一座山。增加的飛行控制操縱器需要“更快的動作和任務規劃算法”。

伊格爾·切林賓斯基說，“我們的重點是使飛行員能夠在不同程度與駕駛艙機組人員自主系統的自主能力進行交互，從而能夠以最高效率、最有效的方式執行任務。”機組人員可以與駕駛艙機組人員自主系統進行交互，以修改幾分鐘前計劃好的飛行路徑，并且自主系統將調整以實現預定的任務目標。或者，如果出現緊急情況，飛行員可以抓住操縱桿，自主系統將會立即做出反應。”

德羅澤斯基說，盡管駕駛艙機組人員自主系統一直致力于將自主性作為減少機組人員工作量的一種方式賦予有人駕駛飛機而非無人駕駛機，“在其過程中，該項目變得強調人和機器的交互作用，但這在四年前可能還不是很清楚。”

DARPA預計這項技術將集成到現有和未來的軍用飛機。德羅澤斯基說，“這是減少旋翼飛機事故的一種方法，可控飛行撞地（CFIT）和人為失誤仍然是直升機墜毀的主要原因。我們期望看到由于自主架構和能力，直升機災難和事故將顯著減少。”