无人机地面控制站人机工效研究

无人机地面控制站人机工效研究

席浩元

西安爱生技术集团有限公司    710065

摘要：本文研究了中大型无人机地面站的人机工效。首先介绍了无人机地面站的人机工效设计要求，然后根据每个设计要求对无人机地面站的相应部件进行了设计。结果表明，考虑人机效率因素的无人机地面站系统工作稳定可靠，人机界面设计良好，地面站操作员对地面站系统有很高的评价。

关键词：无人机；地面控制站；人机工效；地面站

1 前言

人机工效是指通过人与设备之间良好的协同合作来推动设备发挥出最大的效益。针对地面站操作人员来说，对于工作以及工作环境的主观感受就是舒适度和易用性。人机功效主要有两方面的重要性：首先，在开展高空长航时大中型无人机主要目标在于“零伤亡”，而无人机的实际控制仍在地面操作人员的手中。其次，由于地面站自身具有一定的局限，比如需要检测大量的信息且需要长时间的工作，这些情况进步导致操作人员具有较大的任务量，也为操作人员的实际操作带来难度。很容易导致操作人员出现疲惫，从而造成操作失误问题。所以，在开展无人机地面站的设计的过程中应当将人机功效考虑进去。

2 人机工效设计要求

2.1 作业环境

地面站的空间是有限的，舱内具有众多的任务设备，所以空气很难畅通。比如，显示计算机会散发出大量的热量。所以，在基于人机功效开展设计的过程中，要想保证具有良好的作业环境，那么就需要重视机舱的通风散热能力。此外，操作人员的健康和工作舒适度也会受到地面站客舱内的环境温度、照明、颜色等方面的影响，所以在设计的过程中也要综合考虑这些因素。

2.2 操作席位

地面站操作座椅主要包括的设备有操作席位、控制平台以及平台上的显示器等内容。基于人机功效开展操作座椅设计的过程中，需要保证座椅的高度以及尺寸等与人体舒适的工作姿势相符合。在安装显示器的过程中也需要将人的视角以及视觉距离是否合理等因素考虑进去。在设计控制机构形状的过程中需要考虑到开展操作过程中是否具有舒适性等因素。

2.3 人机界面

在设计地面站人机界面时，需要保证这一界面能够为操作人员实时进行监控并且开展智能化信息处理提供支持。基于这一设计要求，应该科学合理的划分各个席位的功能，针对每个席位设计相应的人机界面。

2.4 人机功能分配

在设计人机功能配置的过程中，需要将这些因素综合的考虑：（1）人和机器的性能、特性、承载能力等方面的内容；（2） 操作人员在适应设备的过程中所花费的时间；（3） 不同个体之间的差异以及个人与集体之间的差异；（4） 将设备取代人类是否可靠，是否具备经济性等因素。

2.5 防错措施

对于飞机以及有效载荷和地面站最终的控制权是归操作人员所有的，所以针对操作人员的飞行任务以及任务执行操作错误预防方面的措施给予研究是非常必要的。在进行防错设计过程中，可以将以下两个因素考虑进去：首先，避免由于操作人员不小心接触到了人机交互界面而发出错误指令。其次，在系统设计的过程中避免执行与飞行之间不匹配的情况。

2.6 应急措施

开展地面站应急管理能够帮助相关操作人员在特殊情况下仍能够将任务较好的完成。在设计这一措施过程中应该考虑以下因素，如果发生了故障，那么能够将故障给予精准的定位，并在第一时间告知于操作人员。如果地面站的数据链路或是设备出现了故障，那么仍能够保证操作人员对无人机的飞行进行持续全面的监视。

3 无人机地面控制站人机功效设计

3.1 作业环境设计

空间布局。该设计采用了细分设计：工作舱、机柜舱、配件舱。将工作舱放置在控制台上，不仅使工作空间更加宽敞整洁，还隔离了设备运行产生的噪音；机柜隔间用于存放计算机和其他设备；配件柜用于存放电缆、工具箱等。

通风和散热。在工作舱的左右两侧墙上各安装一个通风风扇。进气风扇位于左下侧，排气风扇位于右上侧。工作舱和机柜舱顶部两侧都有多个空调通风口。工作舱空调出口处的风量可以独立控制。操作人员可以根据自己的身体状况调整区域内的温度，创造一个舒适温暖的环境。

噪音控制。这可以从对噪声源的控制以及避免出现振动这两个方面进行考虑。在设计的过程中可以选择低噪声轴流风机来达到降音的目的，连接空调机架与防护罩边缘。理应这种构架能够保证机舱振动的噪音降至到最低状态。

采光。方舱左侧面板共有2个照明窗，沿方舱顶部纵向安装6盏8W LED灯。在实际使用中，通过照明灯具照明调节旋钮调节工作舱的照明，为工作人员提供舒适的工作环境。

颜色配置。为了使操作人员的视觉环境能够更为柔和舒适，避免出现视觉疲劳的问题，将舱壁颜色设计成为乳白色，其他的设备颜色设计成为玉白色，控制工作台的颜色设计成为黑色。

3.2 操作席位设计

座椅结构设计。地面站操作座椅控制台的设计依据为亚洲人体标准进行设计的，较好的贯彻了人性化的设计理念，从外观上来看也非常具有时代感。基于人机功效设计开展过程中，需要保证既符合人类视觉操作的要求，也能够具有简单舒适的作用。控制台的机制图如图1所示。根据相关标准，控制台的尺寸如表1所示。

图1  控制台的机构图

表1   控制台尺寸数据表

可以看出，控制台的最终尺寸在控制台尺寸的允许范围内，耗时的设计充分考虑了使用操纵杆时操作的准确性，并可以调整肘部高度，以适应不同用户肘部姿势和高度的细微差异。

3.3 人机功能分配

在对地面站人机功能进行配置的过程中，需要遵循整个系统功能设计具备安全可靠性，从而能够将操作人员的错位降至到最低水平。从无人机地面站系统给出的任务流程上来看，飞行的全过程中都离不开操作人员的参与。在飞行前准备阶段，需要能够从指挥中心给予的任务计划和有关态势信息中来对整个航路以及有效载荷进行科学合理的规划，对于不合理之处能够及时给予修改完善，制定出应急处理措施和计划。在起飞导航阶段：需要由操作员给出“起飞”命令，对于无人机运行的状态给予检测，在出现特殊情况后能够保证在第一时间进行处理。在执行任务阶段：操作员能够根据实际的飞行和任务区域情况，对航线进行修改完善并且能够根据作战任务、战区态势等情况对任务载荷进行干预和控制。在回收阶段：操作员还需要对无人机的状态情况进行监控，及时处理好紧急情况，保证随时接管无人机的控制权。

3.5 防错措施设计

在设计无人机系统的过程中，机载综合管理设备的主要功能在于能够对远程命令进行接收和处理，从而避免出现飞行控制或航空电子/机电综合管理计算机设置自主保护策略时出错，这很容易造成任务指令发送失败或是无法将飞机与设备的状态进行匹配的情况。同时，如果这一指令会对飞行甚至是操作人员的健康安全造成影响，那么就会提示出“预命令”这一操作的限制，在这一特殊指令发出时，需要先将预命令发布出去。

3.6 应急措施设计

设计出健康诊断系统，这一系统能够基于无人机的总线中对飞机上的所有设备实际状态信息情况进行获取并且检测，从而及时得知设备中可能存在的故障或是异常，并且也能够评估这一异常会对飞行任务产生的影响情况，给出解决故障或异常的处理对策，能够帮组操作员及时有效的将故障排除。

4 结语

基于人机功效来设计无人机地面站系统能够更好的推动这一系统的稳定运行。如果具有良好的人机界面设计，营造良好的舒适的操作人员工作环境，那么对于更好的执行任务满足任务的需要是有巨大帮助的。地面站操作员针对地面站系统的要求在不断提高。在未来自动化发展不断深化的背景下，会进一步优化地面站的人机功效，能够保证站内设备根据不同操作员的特征以及疲劳程度进行调整，针对人机界面的设计也会更为人性化，这些都为推动操作人员更好的完成任务提供帮助。

参考文献

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