多模式無人機人機交互系統(tǒng)設(shè)計分析與研究

宋瑞濤 楊振洲 曹舒珊 熊子璇 肖洋

摘 要：為了拓展軍用無人機的功能，很多技術(shù)人員對多模式無人機人機交互系統(tǒng)進行研究。本文在這一背景下，首先對多模式無人機人機交互系統(tǒng)的總體設(shè)計思路進行分析，之后從多模式人機交互裝置、數(shù)據(jù)記錄及處理子系統(tǒng)、人因工程評估子系統(tǒng)、無人機模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)這幾方面對多模式無人機人機交互系統(tǒng)的設(shè)計進行研究，希望能為相關(guān)技術(shù)人員帶來一定的啟示，提高無人機人機交互系統(tǒng)的設(shè)計水平。

關(guān)鍵詞：多模式無人機;人機交互系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計

隨著科技的發(fā)展，軍用無人機的功能不斷提高，傳統(tǒng)的使用鼠標操作的無人機人機交互模式已經(jīng)不能順應(yīng)時代的發(fā)展和控制的要求，所以國內(nèi)外的技術(shù)人員開始對多模式的無人機交互系統(tǒng)進行研究與設(shè)計。近年來，此項研究融合了人工智能與虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，國內(nèi)外一些研究成果都推動了無人機多模式交互技術(shù)的發(fā)展，下面筆者就結(jié)合自身的研究經(jīng)驗談一談多模式無人機人機交互系統(tǒng)的設(shè)計問題。

1 多模式無人機人機交互系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計多模式無人機人機交互系統(tǒng)需要融入人工智能和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計需考慮到系統(tǒng)的標準化、通用化和模塊化要求，要選擇成熟貨架產(chǎn)品作為系統(tǒng)硬件，以此提高系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和實用性。具體設(shè)計需要采用模塊化的設(shè)計思路，使系統(tǒng)具備如下功能。第一，需要建立出無人機交互驗證評估平臺，這是設(shè)計的首要功能，要對操作員的動作定位數(shù)據(jù)進行收集和分析，從而支持人機界面的開發(fā)。第二，要設(shè)計出逼真的單人無人機操作訓(xùn)練環(huán)境，從而提升教學(xué)和訓(xùn)練效果，這需要系統(tǒng)采用沉浸式頭顯設(shè)備，還原1：1的地面操作臺和地面站場景。該系統(tǒng)應(yīng)該由四項子系統(tǒng)組成，不同的子系統(tǒng)需要發(fā)揮不同的作用，共同構(gòu)成整個人機交互系統(tǒng)，下面筆者就對這四部分子系統(tǒng)進行分析。

2 多模式無人機人機交互系統(tǒng)設(shè)計分析

2.1 多模式人機交互裝置

多模式人機交互裝置是人機交互系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，進行這部分設(shè)計時，需要使用到兩臺獨立的計算機，并利用局域網(wǎng)傳輸交互數(shù)據(jù)，將各個分支裝置組合起來。其中包含幾大交互裝置，第一是眼動儀裝置，需要采用與眼球追蹤技術(shù)對人眼的位置和注視方向進行追蹤，具體可以用紅外圖像采集設(shè)備與紅外設(shè)備對圖像進行處理，并使用軟件算法計算，達到追蹤人眼轉(zhuǎn)動的目的。第二是VR HMD裝置，這屬于一種定位系統(tǒng)，可以為操作者提供眼球畫面中的三維場景。在具體設(shè)計時，需用到具備90Hz刷新率和110°視場的HTC Vive頭顯，并結(jié)合Steam VR追蹤技術(shù)實時獲取無線操控手柄與顯示器的位置。[1]第三是3D體感攝像機，這主要是捕捉操作者的肢體動作，實時與虛擬場景進行交互，對操作員模擬訓(xùn)練進行評估。具體設(shè)計要使用成熟的Kinect2設(shè)備，并結(jié)合微軟的Kinect接口文件和Prime Senseps編碼技術(shù)，獲取人體信息。第四是VR Glove，其可以對操作員的手勢進行識別，需要采用VR交互手套與顯示設(shè)備進行聯(lián)動，通過手套內(nèi)的傳感器返回信息，捕捉手勢。第五是語音識別設(shè)備，這主要是對語音效果進行識別，需要使用中文語音交互模塊進行指令采集。

2.2 數(shù)據(jù)記錄及處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)記錄處理子系統(tǒng)也屬于人機交互系統(tǒng)中的另一基礎(chǔ)層，主要可以起到數(shù)據(jù)庫管理和網(wǎng)絡(luò)通信的作用，其中包含兩大模塊。其中的DDS網(wǎng)絡(luò)通信模塊需要使用分布式數(shù)據(jù)分發(fā)DDS技術(shù)，可以與仿真平臺中的數(shù)據(jù)及時進行交互。技術(shù)人員可以使用軟件設(shè)計模式分離、橋接數(shù)據(jù)管理模塊中的各子模塊，從而達成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的獨立演化。另一大系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫管理模塊，具體設(shè)計要使用My SQL軟件驅(qū)動進行模塊管理，構(gòu)建出可以用于測試驗證的環(huán)境。這一模塊中還要設(shè)計出包含任務(wù)和數(shù)據(jù)處理等子模塊，使模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、修改、整合等系列功能。

2.3 人因工程評估子系統(tǒng)

人因工程評估子系統(tǒng)數(shù)據(jù)人機交互系統(tǒng)中的應(yīng)用層，主要對多模式人機交互裝置所采集來的數(shù)據(jù)進行分析和評估，技術(shù)人員需要在系統(tǒng)中構(gòu)建出評估算法和指標，實現(xiàn)量化評估的目的。具體要在系統(tǒng)中加入控制器，設(shè)計出操作域分析模塊，進行控制信息的傳輸。在進行控制器設(shè)計時，要注意控制器分割距離的科學(xué)性，避免發(fā)生因距離過小而發(fā)生連帶操作的問題。同時，設(shè)計人員還要對眼動儀等設(shè)備獲取的信息進行轉(zhuǎn)化，設(shè)計出視域分析模塊，利用算法將信息轉(zhuǎn)化為平面圖，并對顯控界面的布局、眼球運動的指標等問題進行分析和評估。最后，要設(shè)計出語音交互控制指令分析模塊，驗證有限指令集語音區(qū)分度是否合理等問題。

2.4 無人機模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)

無人機人機交互系統(tǒng)中的最后一個子系統(tǒng)就是無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)要與VR頭顯、交互手套等交聯(lián)，進行實時的、動態(tài)化的捕捉，從而實現(xiàn)場景交互。為了使設(shè)計達成虛擬訓(xùn)練的效果，該系統(tǒng)中也要建立出以下幾個模塊。其中可以使用仿真技術(shù)建立出虛擬操作臺及航電系統(tǒng)，對無人機的現(xiàn)實操作場景進行虛擬還原。還要構(gòu)建出科目訓(xùn)練子系統(tǒng)，在無人機控制之前對飛行內(nèi)容、飛行方案等進行設(shè)定。[2]在具體操作無人機時，離不開無人機飛行仿真模塊，這一模塊可以對虛擬場景進行顯示，設(shè)計人員可以通過改善幾何模型精度，并提高解算程序的運行效率，從而提高顯示效果。

3 結(jié)語

綜上所述，近年來，越來越多先進的技術(shù)出現(xiàn)，這都為無人機人機交互系統(tǒng)的設(shè)計提供了支持。所以相關(guān)設(shè)計人員一定要創(chuàng)新設(shè)計理念，引入先進技術(shù)，積極進行實踐，搭建出功能強大，實用性強的交互系統(tǒng)。還要不斷完善人機交互系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)，積極利用該系統(tǒng)進行無人機操作訓(xùn)練，從而提高我國的無人機技術(shù)。

參考文獻：

[1]王偉偉，王卿.應(yīng)用于無人機的新體系數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計[J].智能物聯(lián)技術(shù)，2018，1（02）：33-37+41.

[2]余鴻哲，彭飛，等.針對路橋養(yǎng)護的無人機巡檢信息管理軟件系統(tǒng)[J].機電一體化，2018，24（06）：45-50.