交通指揮中心無人機遠程控制臺設計＊

孟繁和 尹沫洋 呂潭 徐奧林

1.安徽科力信息產業有限責任公司；2.城市交通管理集成與優化技術公安部重點實驗室；3.安徽省智能交通重點實驗室

隨著我國機動車保有量快速增加，交通擁堵治理和交通安全管控是交通指揮中心面臨的關鍵挑戰。特別是節假日期間高速公路因事故造成的擁堵事件時有發生。無人機具有機動性強，感知范圍廣的特點，但傳統無人機在高速公路管理中的應用，主要通過飛手現場手動控制方式，僅支持視距范圍內控制，無法為交通指揮中心提供及時有效的現場觀測信息。隨著5G 無線通信和北斗精確定位技術的推廣應用，借鑒軍用超視距無人機應用方式，探索交通指揮中心遠程控制無人機的應用，本文將詳細說明交通指揮中心無人機遠程控制臺設計。

1 目前高速公路無人機應用存在的主要問題

目前，交通指揮中心人員無人機應用主要是被動看現場回傳的視頻，在實際應用中，由于后臺人員操控技術要求高、不能掌握現場飛行環境狀況，易發生飛行事故，造成操作人員心理負擔大，難以展開常態化應用。高速公路無人機的應用仍然停留在現場手動搖控的階段，沒有融入到整個交通巡邏管理過程中統一管理起來，不能快速地形成實時的事件勘察與評估。因此，迫切需要解決交通指揮中心開展無人機交通巡邏一體化裝備的問題。

國內民用無人機控制臺研究尚處在起步階段，本文借鑒軍用無人機遠程控制臺設計思路，通過研究無人機遠程控制臺結構和布局、優化操作過程便捷性、提供更多安全預警信息避免操作差錯，以此來實現無人機巡邏的裝備化、可視化能力，真正融入到高速公路交通管理的過程中。

2 控制臺系統組成及說明

交通指揮中心遠程無人機控制臺整體組成包括2 大部分：控制臺臺面人機操作交互系統和控制臺內部主機控制系統，配合現場無人機和無人機停機坪環境監測系統共同形成應用。臺面人機操作交互系統由顯示單元、聲光預警單元、矩陣以及操作飛行手柄等組成。內部主機控制系統細分為飛行控制主機、任務管理主機、工控主機、PLC 可編程邏輯控制器以及網絡交換設備組成，其中工控主機除了監測預警安全信息，還要提供無人機實時視頻接收和視頻分析任務，配置可擴充GPU 芯片嵌入式系統，滿足深度學習、AI 智能監控需求，實際配置英特爾?Coffee Lake 平臺C2466 芯片組技術，搭載NVIDIA Turning?架構的嵌入式系統，配備RTX2080i 高性能顯卡。

3 控制臺設計

控制臺設計主要從應用流程制訂、布局結構設計、人機交互設計幾個方面開展設計工作。

3.1 應用流程

控制臺應用流程設計如圖1 所示。

圖1 控制臺應用流程圖Fig.1 Console application flow chart

3.2 結構設計

3.2.1 設計原則

（1）符合人機工程原則。無人機遠程控制臺結構設計中，按照人機工程原則，考慮人、機器及環境三者間的協調，考慮人員操作姿勢的舒適，避免操作姿勢不應當引起過度疲勞。例如臺面高度和顯示視域參考國標GB/T10000 成年人坐姿尺寸，符合操作人員平均水平、腿部預留伸展空間等。

（2）適合交通指揮中心環境原則。控制臺樣式、色調、材質應與交通指揮中心整體環境相適應，不要有尖銳折角，另外，交通指揮中心大多建設在既有建筑高層，控制臺各模塊尺寸要能夠適用普通載人電梯內部尺寸，方便運輸安裝。

（3）預定功能性原則。需要簡化操作復雜度，由單人即可完成高速公路無人機遠程飛行任務，提供操作員飛行安全信息感官反饋。

3.2.2 布局設計

現有軍用無人機控制臺，由于飛行任務多變，操作人員大多數時間使用飛控手柄和加速桿操作飛行，鍵鼠使用頻率低，大多采用抽拉鍵盤設計。但交通指揮中心無人機控制主要是沿高速公路巡線應用，航線規劃后飛行任務變動少，飛控手柄和加速桿使用頻率低，而鍵鼠使用頻率高，本文根據這一特點針對臺面布局做出優化設計。

控制臺臺面布局劃分為：（1）主顯示區：設置一臺24寸高清液晶顯示器，作為無人機飛行操作主界面；（2）輔助顯示區：設置二臺24 寸高清液晶顯示器，作為任務管理、安全監測輔助界面；（3）預警提示區：設置警示燈和蜂鳴器，用于聲光報警；（4）操作手冊提示區：表面用于固定安全操作手冊，內部做為喊話耳麥收納空間；（5）開關、矩陣切換區：設置矩陣用于顯示內容切換，開關機按鈕，輸入輸出接口等；（6）操作臺面區：右側為飛行手柄模塊，中間為無線鍵鼠操作，左側為加速桿模塊（如圖2 所示）。

圖2 控制臺臺面布局圖Fig.2 Console table layout

3.2.3 結構設計

軍用無人機控制臺因為需要滿足機載、車載應用，結構抗震要求高，多采用整體鋼結構框架，而高速公路無人機控制臺在交通指揮中心使用，不需要考慮結構抗震，更多需要考慮操作人員舒適性以及和整體環境協調性。結構設計如圖3 所示，主要設計特點有：

圖3 控制臺尺寸及結構圖Fig.3 Dimensions and structure of the console

（1）臺面高度、腿部空間參考國標GB/T10000，符合中國成年人坐姿尺寸；

（2）顯示視域中心設計高度1200mm，上下顯示器俯仰角度可在±20°范圍調整，符合操作人員平均水平；

（3）控制臺臺面模塊采用拼裝件設計，運輸搬運寬度控制小于800mm，可以出入各類電梯；

（4）控制臺底部后側設計一組暗裝滾輪，操作人員可以靈活整體移動；

（5）控制臺結構采用薄鋼板鈑金件，表面噴塑處理，顯示器支架、滾輪采用標準件，儲物網孔門采用3D 打印件。整體設計沒有尖銳折角。

3.3 交互設計

3.3.1 顯示區人機界面

無人機控制臺提供重要的任務指引、飛行參數等信息，是操作人員遠程控制無人機的主要依據。傳統無人機地面站通常采用雙屏顯示，操作人機界面分為飛行控制界面和實時視頻畫面，同時疊加飛行參數等安全信息。但是在交通指揮中心遠程控制無人機執行任務時，雙屏顯示存在很多缺點，主要有無法及時獲取地面起降環境信息、不能實時掌握巡邏任務執行情況等。遠程控制臺設計采用三屏顯示，人機界面優化為圖4（a）多機巡邏任務管理平臺、圖4（b）地面起降環境監控系統、圖4（c）無人機實時飛行控制三部分。

圖4 （a）多機巡邏任務管理平臺Fig.4 (a) Multi-machine patrol task management platform

（b）地面起降環境監控系統Fig.4 (b) Ground takeoff and landing environment monitoring system

（c）無人機實時飛行控制Fig.4 (c) UAV real-time flight control

圖4（a）多機巡邏任務管理平臺：任務執行前申請、接受巡邏任務，對無人機設備及人員管理，基于地圖顯示任務規劃航線、無人機位置狀態、空域限制信息提醒、地面相關警車警員位置；任務執行過程中通過可視化交互設計，實時顯示無人機當前任務進展，關鍵節點到位情況，即將執行的飛行動作，同時可以疊加機載視頻分析圖像、地面視頻圖像；任務執行結束，保存各項任務記錄，進行數據統計分析，顯示飛行數據分析結果，機載數據上傳保存結果等信息。

圖4（b）地面起降環境監控系統：在起飛、降落階段，接收、顯示前端停機坪監控攝像機、風速傳感器、定位差分儀、電源控制設備傳回來的各類傳感器數據，在飛行巡邏階段切換為機載視頻圖像信息。

圖4（c）無人機實時飛行控制：飛行前根據巡邏任務規劃航線、航點，設置各項飛行參數、載荷動作，顯示起飛前通信、定位、電氣參數；飛行過程中，實時飛行界面包含實時地圖、實時圖像、飛行控制、儀表顯示、載荷控制等實時窗口，可以顯示當前飛行模式、無人機經緯度、海拔高度、衛星星數、電池狀態，切換可以顯示無人機圖像和喊話器當前語音等信息。

3.3.2 預警提示區

聲光報警于日常生活常見，例如乘坐電梯超載預警、地鐵開關門預警，符合人機工程，普通人員簡單培訓即可掌握，在遠程控制臺面板設計聲光預警提示區，可以降低人員操作負擔，提高飛行安全性，如圖5 所示。

預警提示區設置在控制臺左側，將飛行任務執行過程中要關注的關鍵信息，通過聲光報警方式給操作人員提醒。具體預警信息有：

（1）飛行階段提醒：對應起飛準備階段、飛行巡航中、飛行著陸階段。起飛準備階段燈光常綠表示正常狀態，黃閃表示當前GPS 精度、電壓或現場風速異常，燈光熄滅表示未連接無人機。飛行著陸階段燈光常綠表示進入差分連接狀態，黃閃表示差分斷開或偏航，燈光熄滅表示尚未進入著陸階段。

（2）飛行安全預警：對應飛行巡航階段中，無人機實時電量、高度、偏航預警。燈光常綠表示正常狀態，黃閃表示異常，同時蜂鳴器聲音同步報警，燈光熄滅表示未起飛。

（3）飛機任務提醒：視頻分析狀態是對應無人機視頻分析檢測高速公路事件，常綠表示正在檢測中，黃閃表示發現高速公路異常事件，提醒操作人員注意，燈滅表示不在檢測中。錄像狀態是提醒操作人員及時開啟和關閉視頻載荷錄像。數據狀態是提醒操作人員后臺通信服務是否正常。

4 設計成果

無人機遠程控制臺設計試制成果如圖6 所示。在實際應用中，遠程控制臺實現了高速公路無人機遠程超視距現場觀測、飛機及載荷性能狀態安全監測、巡邏任務信息提醒，并通過聲光信息反饋，減輕無人機遠程操作人員負擔，達到了設計預期。

圖6 控制臺首臺套圖Fig.6 The first set of consoles

5 結語

無人機遠程控制臺解決了交通指揮中心無法常態化開展高速公路無人機應用的問題。該控制臺具有以下特點：（1）集成度高，單人可以遠程安全操作無人機，完成高速公路巡邏任務；（2）三屏交互顯示主次分明，內容清晰，提高了操縱人員獲取信息的效率；（3）增加視覺和聽覺信息反饋，為無人機飛行安全提供給操作者一定的幫助；（4）參考了人機工程學設計原則，提高無人機操作效率，降低了人員長期使用疲勞感；（5）可拆卸臺面模塊設計，尺寸、樣式適應交通指揮中心工作環境。

引用

[1] 張玉剛,薛紅軍,欒義春,等.無人機地面控制系統操作員控制臺設計與仿真[J].火力與指揮控制,2008,33(10):141-143.

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[3] 黃育龍,余隋懷,楊延璞,等.無人機地面控制臺人機布局優化設計[J].圖學學報,2013,34(2):89-93.

[4] 鄧紅德,李興岷,王亮.超視距遙控無人機飛行控制臺設計與實現[J].計算機測量與控制,2011,19(11):2702-2704.