多模式無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)的功能，很多技術(shù)人員對(duì)多模式無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行研究。本文在這一背景下，首先對(duì)多模式無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析，之后從多模式人機(jī)交互裝置、數(shù)據(jù)記錄及處理子系統(tǒng)、人因工程評(píng)估子系統(tǒng)、無人機(jī)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)這幾方面對(duì)多模式無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)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(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。

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

隨著科技的發(fā)展，軍用無人機(jī)的功能不斷提高，傳統(tǒng)的使用鼠標(biāo)操作的無人機(jī)人機(jī)交互模式已經(jīng)不能順應(yīng)時(shí)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(duì)多模式的無人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。近年來，此項(xiàng)研究融合了人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，國內(nèi)外一些研究成果都推動(dòng)了無人機(jī)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(yàn)談一談多模式無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。

1 多模式無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)多模式無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)需要融入人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮到系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)用性。具體設(shè)計(jì)需要采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，使系統(tǒng)具備如下功能。第一，需要建立出無人機(jī)交互驗(yàn)證評(píng)估平臺(tái)，這是設(shè)計(jì)的首要功能，要對(duì)操作員的動(dòng)作定位數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，從而支持人機(jī)界面的開發(fā)。第二，要設(shè)計(jì)出逼真的單人無人機(jī)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(tái)和地面站場(chǎng)景。該系統(tǒng)應(yīng)該由四項(xiàng)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(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)，下面筆者就對(duì)這四部分子系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2 多模式無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 多模式人機(jī)交互裝置

多模式人機(jī)交互裝置是人機(jī)交互系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，進(jìn)行這部分設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用到兩臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，并利用局域網(wǎng)傳輸交互數(shù)據(jù)，將各個(gè)分支裝置組合起來。其中包含幾大交互裝置，第一是眼動(dòng)儀裝置，需要采用與眼球追蹤技術(shù)對(duì)人眼的位置和注視方向進(jìn)行追蹤，具體可以用紅外圖像采集設(shè)備與紅外設(shè)備對(duì)圖像進(jìn)行處理，并使用軟件算法計(jì)算，達(dá)到追蹤人眼轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎng)景。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，需用到具備90Hz刷新率和110°視場(chǎng)的HTC Vive頭顯，并結(jié)合Steam VR追蹤技術(shù)實(shí)時(shí)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(jī)，這主要是捕捉操作者的肢體動(dòng)作，實(shí)時(shí)與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互，對(duì)操作員模擬訓(xùn)練進(jìn)行評(píng)估。具體設(shè)計(jì)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(duì)操作員的手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，需要采用VR交互手套與顯示設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，通過手套內(nèi)的傳感器返回信息，捕捉手勢(shì)。第五是語音識(shí)別設(shè)備，這主要是對(duì)語音效果進(jìn)行識(shí)別，需要使用中文語音交互模塊進(jìn)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(jī)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(tái)中的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行交互。技術(shù)人員可以使用軟件設(shè)計(jì)模式分離、橋接數(shù)據(jù)管理模塊中的各子模塊，從而達(dá)成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的獨(dú)立演化。另一大系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫管理模塊，具體設(shè)計(jì)要使用My SQL軟件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行模塊管理，構(gòu)建出可以用于測(cè)試驗(yàn)證的環(huán)境。這一模塊中還要設(shè)計(jì)出包含任務(wù)和數(shù)據(jù)處理等子模塊，使模塊可以實(shí)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(píng)估子系統(tǒng)

人因工程評(píng)估子系統(tǒng)數(shù)據(jù)人機(jī)交互系統(tǒng)中的應(yīng)用層，主要對(duì)多模式人機(jī)交互裝置所采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，技術(shù)人員需要在系統(tǒng)中構(gòu)建出評(píng)估算法和指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)量化評(píng)估的目的。具體要在系統(tǒng)中加入控制器，設(shè)計(jì)出操作域分析模塊，進(jìn)行控制信息的傳輸。在進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)，設(shè)計(jì)人員還要對(duì)眼動(dòng)儀等設(shè)備獲取的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)出視域分析模塊，利用算法將信息轉(zhuǎn)化為平面圖，并對(duì)顯控界面的布局、眼球運(yùn)動(dòng)的指標(biāo)等問題進(jìn)行分析和評(píng)估。最后，要設(shè)計(jì)出語音交互控制指令分析模塊，驗(yàn)證有限指令集語音區(qū)分度是否合理等問題。

2.4 無人機(jī)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)

無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)中的最后一個(gè)子系統(tǒng)就是無人機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)化的捕捉，從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景交互。為了使設(shè)計(jì)達(dá)成虛擬訓(xùn)練的效果，該系統(tǒng)中也要建立出以下幾個(gè)模塊。其中可以使用仿真技術(shù)建立出虛擬操作臺(tái)及航電系統(tǒng)，對(duì)無人機(jī)的現(xiàn)實(shí)操作場(chǎng)景進(jìn)行虛擬還原。還要構(gòu)建出科目訓(xùn)練子系統(tǒng)，在無人機(jī)控制之前對(duì)飛行內(nèi)容、飛行方案等進(jìn)行設(shè)定。[2]在具體操作無人機(jī)時(shí)，離不開無人機(jī)飛行仿真模塊，這一模塊可以對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行顯示，設(shè)計(jì)人員可以通過改善幾何模型精度，并提高解算程序的運(yùn)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(jìn)的技術(shù)出現(xiàn)，這都為無人機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了支持。所以相關(guān)設(shè)計(jì)人員一定要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)理念，引入先進(jìn)技術(shù)，積極進(jìn)行實(shí)踐，搭建出功能強(qiáng)大，實(shí)用性強(qiáng)的交互系統(tǒng)。還要不斷完善人機(jī)交互系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)，積極利用該系統(tǒng)進(jìn)行無人機(jī)操作訓(xùn)練，從而提高我國的無人機(jī)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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

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