基于操作員生理特性的無人直升機(jī)地形感知與告警設(shè)計(jì)研究

根據(jù)民用航空事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)生可控飛行撞地事故占到了總事故數(shù)量的絕大部分。直升機(jī)由于具備垂直起降、近地機(jī)動(dòng)特點(diǎn)，其飛行安全受環(huán)境因素影響較大。環(huán)境因素中未知地形、線塔、惡劣氣象條件、夜視等都會(huì)對(duì)直升機(jī)的飛行安全造成直接影響，直升機(jī)面臨的可控飛行撞地形勢(shì)日益嚴(yán)峻。2005年，國(guó)際直升機(jī)安全組為避免直升機(jī)發(fā)生可控飛行撞地事故提出了一系列改進(jìn)方法，包括改善座艙交互界面、降低飛行員負(fù)擔(dān)、提供障礙物三維視景畫面、加裝地形提示告警系統(tǒng)幫助飛行員識(shí)別和規(guī)避障礙物等。2006年，F(xiàn)AA規(guī)定救援直升機(jī)必須配裝直升機(jī)地形提示與告警設(shè)備，隨后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，TAWS裝機(jī)之后醫(yī)療救援直升機(jī)的事故發(fā)生概率降低了28.6%。2018年11月的一項(xiàng)聯(lián)合測(cè)試結(jié)果顯示，TAWS能夠使直升機(jī)安全性至少提高40%。

由于地面站操作人員缺乏對(duì)無人直升機(jī)所處環(huán)境的直接感知，再疊加通信延遲等不利影響，難以對(duì)危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)作出及時(shí)響應(yīng)。有必要對(duì)TAWS在無人直升機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行研究，通過地面控制站的告警顯示，提醒操作人員采取動(dòng)作、避免可控飛行撞地事故發(fā)生。

TAWS功能介紹

TAWS包含近地告警（GPWS）告警功能、前視地形告警（FLTA）告警功能，可根據(jù)直升機(jī)侵入告警外邊界、內(nèi)邊界的程度，提供注意、警告兩個(gè)等級(jí)的告警提示。

近地告警主要是提供“下視”告警功能，包括下降率過大、地形接近率過大、起飛/復(fù)飛后掉高過大、高度提示、側(cè)傾角過大、俯仰角過大等模式。首先梳理與近地告警相關(guān)的性能指標(biāo)，如加速能力、爬升率、下降率，作為建立告警邊界設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)。在基準(zhǔn)點(diǎn)限制的范圍內(nèi)選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)、計(jì)算每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的告警邊界值，處理后得到實(shí)用的GPWS告警邊界。

前視地形告警主要提供“前視”告警功能，可實(shí)現(xiàn)地形以及障礙物的預(yù)測(cè)式防撞告警。該功能利用輸入的飛行數(shù)據(jù)及攜帶的數(shù)據(jù)庫，發(fā)出語音和指示燈告警。根據(jù)直升機(jī)姿態(tài)信息以及飛行階段，結(jié)合改出軌跡預(yù)測(cè)告警算法，在其前方空間內(nèi)形成一個(gè)虛擬的三維告警邊界，同時(shí)結(jié)合位置信息、地形數(shù)據(jù)庫提供的地形數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)比對(duì)告警邊界與地形、障礙物、高壓線碰撞的周邊地形的空間位置關(guān)系，當(dāng)告警邊界與周邊地形觸碰時(shí)即觸發(fā)告警。

無人直升機(jī)地形感知與告警設(shè)計(jì)

操作人員主要通過地面站實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的飛行監(jiān)控和操縱控制，因此TAWS告警設(shè)計(jì)主要針對(duì)地面控制站飛行監(jiān)控席位。TAWS告警設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

（1）由于操作人員聚焦于任務(wù)，孤立的視覺告警可能會(huì)被忽視；

（2）需仔細(xì)平衡地形告警虛警率與觸發(fā)閾值，避免操作員跳過或者關(guān)閉告警系統(tǒng)；

（3）地形告警應(yīng)能夠被抑制與確認(rèn)，避免影響操作人員后續(xù)操作；

（4）TAWS警告級(jí)告警應(yīng)提供20秒預(yù)警時(shí)間，注意級(jí)告警應(yīng)提供30秒預(yù)警時(shí)間，便于操作人員感知并處置。

告警形式

根據(jù)告警設(shè)計(jì)基本要求，可控飛行撞地意味著直升機(jī)暴露在外部危險(xiǎn)/威脅中，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的告警。無人機(jī)操作員由于任務(wù)需要其視線可能會(huì)離開顯示器，因此視覺告警一般不推薦用于時(shí)間緊急的警告信息，但是可用于更具有持續(xù)性、低優(yōu)先級(jí)的信息或者作為高優(yōu)先級(jí)告警信息聽覺告警的補(bǔ)充。聽覺作為比視覺更少受空間限制的感覺形態(tài)，聽覺告警在高優(yōu)先級(jí)告警上的應(yīng)用更廣。

因此考慮操作員視距、聽覺特性，確定TAWS告警采用聽覺告警為主、視覺告警為輔的告警形式。

根據(jù)無人直升機(jī)侵入TAWS告警邊界的程度，TAWS提供兩種級(jí)別的告警（警告級(jí)、注意級(jí)），以及無線電高度提示。地形告警觸發(fā)后，觸發(fā)聽覺告警，同步在地面站飛行監(jiān)控頁面以閃爍的字符顯示視覺告警內(nèi)容，警告級(jí)為紅色，注意級(jí)為黃色，無線電高度提示僅具有聽覺告警。在TAWS告警子頁面，設(shè)置語音靜默、告警抑制等按鍵選項(xiàng)。

視覺告警

視覺告警的設(shè)計(jì)需要吸引操作員注意力，而不妨礙對(duì)其他視覺信息的感知。

根據(jù)操作員視覺特性、儀表布局要求和告警設(shè)計(jì)要求，綜合考慮操作員對(duì)視覺告警項(xiàng)的辨認(rèn)清晰度、速度，視覺告警項(xiàng)應(yīng)安裝在操作員設(shè)計(jì)眼位為頂點(diǎn)、對(duì)稱于從設(shè)計(jì)眼位延伸到顯示器頂部中心軸線的30°視錐內(nèi)，以便于操作員無需轉(zhuǎn)動(dòng)頭部就可以獲取視覺告警信息。

一項(xiàng)關(guān)于人員眼動(dòng)軌跡的研究（Class A HTAWS Warning Annunciation）表明，操作人員眼睛通過一系列主動(dòng)地、有順序的掃視活動(dòng)，直到找到需要注視的信息。下圖為操作人員采用“半風(fēng)箏形”或者“風(fēng)箏形”掃視軌跡及重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。具體到TAWS頁面設(shè)計(jì)中，應(yīng)將視覺告警顯示區(qū)域盡量靠近主要觀察區(qū)域，尤其是在姿態(tài)指示器周邊。

聽覺告警

聽覺告警包括語音告警、音調(diào)告警，或者二者綜合設(shè)計(jì)形式。語音告警的優(yōu)勢(shì)在于可傳達(dá)復(fù)雜信息，且不需要提前學(xué)習(xí)，但是需要較長(zhǎng)時(shí)間理解、容易被掩蓋。音調(diào)告警的優(yōu)缺點(diǎn)與語音告警相反，可以短時(shí)間內(nèi)傳達(dá)信息、加快反應(yīng)時(shí)間，可以聽得更準(zhǔn)確、減少噪音掩蓋下生誤聽的概率，在高負(fù)荷情況下易被操作員捕獲，但缺點(diǎn)是需要提前學(xué)習(xí)，且音調(diào)告警數(shù)量不建議超過6種。

綜合兩種聽覺告警優(yōu)缺點(diǎn)，TAWS聽覺告警采用音調(diào)（前奏）+語音告警形式。在語音告警音前插入一個(gè)特殊的音調(diào)，增加顯著性、區(qū)別性，一方面便于操作員快速反應(yīng)，另一方面有助于區(qū)分地面站內(nèi)噪音或者其他告警音。

聽覺告警內(nèi)容方面，對(duì)于警告級(jí)告警，若處置措施是明確的，則建議直接通過聽覺告警告知處置程序，若處置措施需要根據(jù)情況確定，則應(yīng)告知操作員告警原因。對(duì)于注意級(jí)告警，通過聽覺告警告知操作員告警原因。

總結(jié)與展望

TAWS發(fā)展至今，功能不斷改進(jìn)，在防止可控飛行撞地方面取得了顯著地成效。即使如此，TAWS在無人直升機(jī)上的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。現(xiàn)階段TAWS系統(tǒng)只作為單純的、獨(dú)立的告警系統(tǒng)，缺少對(duì)前方環(huán)境的主動(dòng)感知，沒有與飛控系統(tǒng)的閉環(huán)控制回路進(jìn)行交聯(lián)，因此存在潛在地形沖突/威脅時(shí)，需要操作員感知并進(jìn)行應(yīng)急處置，而不能自行規(guī)避。受限于機(jī)載地形數(shù)據(jù)精度，無人機(jī)無法及時(shí)獲取最新的地形數(shù)據(jù)，同樣存在一定的安全隱患。

隨著未來先進(jìn)光電/雷達(dá)傳感器技術(shù)、飛行器綜合環(huán)境監(jiān)視技術(shù)、智能避障算法的發(fā)展，結(jié)合無人機(jī)自主化等級(jí)的提升，為無人機(jī)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)探測(cè)、智能決策、自主避障功能提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，切實(shí)提升無人直升機(jī)綜合避障能力。