飛機(jī)座艙顯示控制界面設(shè)計(jì)

熊李娜

(中國(guó)航空無(wú)線電電子研究所 通信導(dǎo)航系統(tǒng)部， 上海 201100)

0 引 言

飛機(jī)座艙顯示控制系統(tǒng)作為人機(jī)接口，其設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到飛行員能否做出正確的判斷和決策，以及能否合理的控制，從而保障飛行員能夠安全、順利地完成飛行任務(wù)。

航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從分立式航空電子系統(tǒng)、集中式航空電子系統(tǒng)、聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)到綜合共享式航空電子系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程[1-3]。座艙顯示技術(shù)經(jīng)歷了由機(jī)電到電子、由專用到多功能、由分立到系統(tǒng)的漫長(zhǎng)發(fā)展過(guò)程。顯示器歷經(jīng)簡(jiǎn)單機(jī)電儀表、機(jī)電伺服儀表、綜合指引儀表、陰極射線管電子顯示器、平板顯示器系統(tǒng)，以及正在研制、探索、驗(yàn)證的觸敏顯示控制器、頭盔顯示器和高清晰大屏幕顯示控制器等發(fā)展階段[1,4]。座艙顯示系統(tǒng)也隨著技術(shù)的發(fā)展不斷發(fā)展前進(jìn)。

飛機(jī)座艙設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮飛行員的認(rèn)知特點(diǎn)和感知運(yùn)動(dòng)操作特性。在高度緊張的情況下，飛行員通常只是把直觀知覺(jué)到的顯示信息作為認(rèn)知判斷和操作的基礎(chǔ)[5]。研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)顯示控制類飛行管理系統(tǒng)人機(jī)界面相比，飛行員使用三維圖形數(shù)據(jù)格式信息顯示界面時(shí)，不僅認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間短、操作錯(cuò)誤少、心理負(fù)荷低，而且情景意識(shí)明顯增強(qiáng)[6]。因此，三維立體顯示器的研制和開(kāi)發(fā)成為一種新的顯示選擇。用平視儀、下視儀、頭盔顯示器、三維聽(tīng)覺(jué)顯示器和觸覺(jué)顯示器構(gòu)筑一個(gè)虛擬增強(qiáng)型座艙，讓飛行員在其中執(zhí)行一項(xiàng)模擬空中截?fù)羧蝿?wù)，殲滅有兩架戰(zhàn)斗機(jī)支援的四輛地面坦克。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用增強(qiáng)型座艙的飛行員在戰(zhàn)場(chǎng)停留時(shí)間、對(duì)地攻擊次數(shù)、任務(wù)獲勝次數(shù)、敵我損毀對(duì)比方面比常規(guī)座艙占有明顯優(yōu)勢(shì)，而且增強(qiáng)型座艙能夠提高飛行員的情景意識(shí)、降低飛行員工作負(fù)荷，更受飛行員的歡迎[7]。

(1) 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)空軍就與麥道公司簽訂合同，利用模擬器研究21 世紀(jì)戰(zhàn)斗機(jī)的座艙技術(shù)。為此，麥道公司的座艙設(shè)計(jì)專家首次提出了“大圖像”(Big Picture)的概念，其主導(dǎo)思想是利用大屏幕顯示器實(shí)現(xiàn)超視距全局態(tài)勢(shì)感知，以頭盔顯示器作為實(shí)現(xiàn)視距內(nèi)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)感知的主顯示器，并采用握桿操縱控制(HOTAS)、觸摸控制、頭位跟蹤與控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合顯示控制[8-9]。X-32驗(yàn)證機(jī)的座艙達(dá)到了“座艙2000”標(biāo)準(zhǔn)，而X-35驗(yàn)證機(jī)則直接采用了“全景座艙”的設(shè)計(jì)理念。

國(guó)外第三代戰(zhàn)斗機(jī)的座艙布局多采用“一平三下”的布局方式，即平顯在儀表板頂部，之下是正前方控制板，三個(gè)多功能顯示器位于儀表板左、中、右[10]。采用該布局形式的戰(zhàn)機(jī)有歐洲的EF2000、JAS-39“鷹獅”等。

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室于 1990 年提出了“全景座艙控制和顯示系統(tǒng)(PCCADS)”方案[9,11]，向飛行員提供較大面積的顯示器和離軸目標(biāo)截獲武器瞄準(zhǔn)頭盔，以滿足超視距的態(tài)勢(shì)感知和大離軸角瞄準(zhǔn)的需要。

相比第三代戰(zhàn)斗機(jī)或三代半戰(zhàn)斗機(jī)，F(xiàn)/A-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)是波音公司與洛馬公司聯(lián)合為美國(guó)空軍研制的空中優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)斗機(jī)[12-13]。F/A-22 的座艙有1個(gè)平視顯示器和6個(gè)多功能顯示器[14-15]。

美國(guó)新研制的F-35戰(zhàn)斗機(jī)，其座艙配有大屏幕顯示器，支持觸敏控制、語(yǔ)音識(shí)別，采用雙目式瞄準(zhǔn)頭盔顯示器，充分體現(xiàn)了戰(zhàn)斗機(jī)座艙顯示的發(fā)展方向。

(2) 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)軍用飛機(jī)正處在更新?lián)Q代時(shí)期，引入計(jì)算機(jī)控制顯示技術(shù)，用平視儀、下視儀、多功能顯示器等時(shí)分制綜合信息顯示系統(tǒng)取代常規(guī)機(jī)電顯示儀表，采用話音告警技術(shù)改進(jìn)聽(tīng)覺(jué)顯示界面，是我國(guó)新機(jī)研制和現(xiàn)役飛機(jī)改型中更新信息顯示界面的主要舉措。

①座艙控制界面研究

國(guó)產(chǎn)新機(jī)在普遍采用平視儀、下視儀、多功能顯示器等綜合電子顯示系統(tǒng)的同時(shí)，還大量采用握桿操縱控制器、顯示器周邊控制軟鍵、正前方控制板等新型控制設(shè)計(jì)將座艙重要控制器小型化、集中化、多功能化，以方便飛行員同時(shí)兼顧顯示觀察和操作控制。采用握桿操縱技術(shù)，將至關(guān)重要的轉(zhuǎn)換控制器集中布置在飛機(jī)油門桿和駕駛桿上，以保證飛行員在平視飛行操縱飛機(jī)的同時(shí)仍能完成諸如武器投放等控制動(dòng)作，是現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)控制器設(shè)計(jì)的共同特點(diǎn)。

②座艙自動(dòng)化與人工控制

座艙自動(dòng)化正在成為一種設(shè)計(jì)時(shí)尚，為了切實(shí)降低飛行員的工作負(fù)荷，座艙自動(dòng)化必須關(guān)注三個(gè)關(guān)鍵的工效學(xué)問(wèn)題：功能分配、刺激-反應(yīng)兼容、飛行員內(nèi)在操作模型[16]，盡可能實(shí)現(xiàn)人與自動(dòng)化系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)配合。目前，正致力于探討飛行員內(nèi)在操作模型和自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行模式之間的匹配和兼容，呼喚以人為本的自動(dòng)化設(shè)計(jì)[17]。

盡管飛機(jī)座艙自動(dòng)化在某種程度上減輕了飛行員的體力負(fù)荷，但卻增加了非常規(guī)操作的負(fù)荷，帶來(lái)很多與飛行安全相關(guān)的問(wèn)題。例如，飛行員情境意識(shí)喪失、監(jiān)控?zé)o能、心理負(fù)荷加重、自動(dòng)化系統(tǒng)故障或失效時(shí)難以有效恢復(fù)等[18]。目前，我國(guó)飛機(jī)座艙自動(dòng)化控制技術(shù)尚處于初級(jí)階段，對(duì)飛機(jī)的整體自動(dòng)控制能力有限，可靠性不高，這對(duì)座艙顯示控制界面的設(shè)計(jì)提出了新的要求。而我國(guó)軍用飛機(jī)座艙已采用大屏幕液晶顯示器取代CRT顯示器，液晶顯示工效學(xué)和座艙合理自動(dòng)化可能成為國(guó)內(nèi)飛機(jī)座艙顯示控制界面工效學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

隨著航電顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖形處理技術(shù)等的不斷發(fā)展，以及航電顯示復(fù)雜度的不斷增加，以往的開(kāi)發(fā)方法逐漸暴露出諸多缺點(diǎn)[19]：需要進(jìn)行復(fù)雜的編程和圖形設(shè)計(jì)，手寫代碼(Hand code)的工作量非常大；以手寫代碼描述儀表的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)越來(lái)越困難，還容易忽略儀表的某些重要特性；編程、調(diào)試過(guò)程中消耗了大量的人力、物力和時(shí)間；開(kāi)發(fā)的顯示形式單一，不能滿足日益豐富的需求；對(duì)于界面繁多且顯示格式復(fù)雜、數(shù)據(jù)交互要求高的航電顯示系統(tǒng)，所需要的開(kāi)發(fā)投入更大、周期更長(zhǎng)。這些都是國(guó)內(nèi)研究中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

為此，本文設(shè)計(jì)一種集成在C++系統(tǒng)中的飛機(jī)座艙顯示控制界面設(shè)計(jì)方法，探討軟件設(shè)計(jì)中采用的關(guān)鍵技術(shù)，并提出飛機(jī)座艙顯示控制界面設(shè)計(jì)的綜合評(píng)價(jià)方法。

1 軟件設(shè)計(jì)中采用的關(guān)鍵技術(shù)與方法

飛機(jī)座艙提供一個(gè)重要的人機(jī)交互環(huán)境。載機(jī)的飛行數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)的工作參數(shù)以及作為聯(lián)邦成員訂購(gòu)的一些信息最后都要輸送到座艙內(nèi)的顯示系統(tǒng)[20]。操作者根據(jù)顯示的信息，操縱載機(jī)或者根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)做出相應(yīng)響應(yīng)。通過(guò)艙內(nèi)外視景的疊加以及對(duì)中央控制面板的操作獲得駕駛飛行仿真的沉浸感、交互感。

1.1 座艙顯示系統(tǒng)加入視景仿真

本文中，飛行員通過(guò)人機(jī)交互界面，仿真座艙的同時(shí)觀察艙外視景和艙內(nèi)顯示系統(tǒng)。由Microsoft Visual C++ 中MFC開(kāi)發(fā)的多功能顯示器、中央控制板和用 OpenGL開(kāi)發(fā)的平視顯示器最終需要嵌入到視景仿真平臺(tái)上并顯示出來(lái)[21]。

1.1.1 視景融合

界面的底層是由OpenGL實(shí)現(xiàn)的，而Microsoft Visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)出的仿真儀表等可以生成C++和OpenGL源代碼，因此它們之間是可以通過(guò)OpenGL 連接起來(lái)的。

視景仿真界面和OpenGL采用的三維觀察方法基本一樣，而二者的視點(diǎn)坐標(biāo)系不同。雖然都采用右手坐標(biāo)系，但是視景仿真界面視點(diǎn)看向y軸正方向，OpenGL看向z軸負(fù)方向，如圖1所示。

(a) 視景仿真視點(diǎn)坐標(biāo)系 (b) OpenGL 視點(diǎn)坐標(biāo)系

圖1 兩種視點(diǎn)坐標(biāo)系

Fig.1 Coordinate systems of two viewpoint

這樣就把視景、平視顯示器、多功能顯示器和中央控制面板整合在一個(gè)窗口中顯示出來(lái)，如圖2所示。

圖2 座艙顯控系統(tǒng)與視景疊加效果

1.1.2 鼠標(biāo)消息映射

在多功能顯示器和中央控制面板上，有許多可以進(jìn)行人機(jī)交互的開(kāi)關(guān)、按鍵，它們能對(duì)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊等動(dòng)作做出相應(yīng)的響應(yīng)。但是視景仿真界面和Microsoft Visual C++ 6.0兩種開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)的鼠標(biāo)消息處理機(jī)制不同，導(dǎo)致仿真時(shí)座艙中多功能顯示器和中央控制面板上的開(kāi)關(guān)按鍵不能響應(yīng)鼠標(biāo)消息。解決方法是：首先將視景仿真界面中的鼠標(biāo)消息映射為多功能顯示器能夠識(shí)別的鼠標(biāo)事件格式，然后重載視景仿真界面中的鼠標(biāo)消息處理虛函數(shù)onMouseInput。對(duì)于每一個(gè)需要根據(jù)鼠標(biāo)動(dòng)作做出響應(yīng)的按鍵或開(kāi)關(guān)，需要獲取它們的位置和尺寸大小，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置位于這個(gè)范圍之內(nèi)時(shí)，這些開(kāi)關(guān)和按鍵將會(huì)做出反應(yīng)。流程圖如圖3所示。

圖3 鼠標(biāo)消息映射流程圖

1.2 飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模型的實(shí)現(xiàn)

本文需要用實(shí)時(shí)獲得的飛行參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)模型和視點(diǎn)的移動(dòng)，因此需要利用位置策略創(chuàng)建一種新的運(yùn)動(dòng)方式?？梢杂?vpObject 類的成員函數(shù) SetStrategy()將物體和運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行綁定。對(duì)于有多種運(yùn)動(dòng)模型的仿真對(duì)象，函數(shù) SetNextStrategy()可以將多種運(yùn)動(dòng)模型順序與物體綁定。

在一次空戰(zhàn)仿真中，從機(jī)場(chǎng)跑道滑行開(kāi)始到目標(biāo)截獲過(guò)程中的部分畫面如圖4所示。

(a) 跑道滑行階段 (b) 起飛階段

(c) 飛行航姿1 (d) 飛行航姿2

圖4 飛行仿真截圖

Fig.4 Screenshot of flight simulation

1.3 視點(diǎn)管理

在飛行視景仿真應(yīng)用中，操作者可以根據(jù)需要調(diào)整視點(diǎn)，只有進(jìn)入到視點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的場(chǎng)景、物體及環(huán)境特效才能被顯示出來(lái)，其他部分將被裁剪掉。因此視點(diǎn)管理在視景仿真中發(fā)揮著非常重要的作用。

當(dāng)視點(diǎn)位于飛機(jī)座艙外時(shí)，可以選擇相對(duì)于飛機(jī)模型不同的位置設(shè)定視點(diǎn)，看到飛機(jī)不同的側(cè)面，如圖5所示；當(dāng)視點(diǎn)處于座艙內(nèi)部時(shí)，使用設(shè)定一個(gè)相對(duì)于飛機(jī)模型固定偏移的視點(diǎn)，以達(dá)到總處于座艙內(nèi)部的感覺(jué)。

(a) 側(cè)視圖 (b) 前視圖

圖5 飛機(jī)座艙外不同視點(diǎn)效果圖

Fig.5 Different viewpoints outside the aircraft cockpit

1.4 視景仿真中的坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換

飛機(jī)飛行及座艙顯示視景仿真系統(tǒng)作為飛機(jī)數(shù)傳及控制系統(tǒng)仿真的一部分，需要將載機(jī)的飛行參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給監(jiān)控方顯示。仿真中整個(gè)大地形是以經(jīng)緯度為單位開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的，而飛行仿真中飛機(jī)位置數(shù)據(jù)是以米為單位計(jì)算的，為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)單位，需要將飛機(jī)位置參數(shù)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度在監(jiān)控系統(tǒng)上顯示出來(lái)。

通常，飛行視景仿真中涉及到四種坐標(biāo)系[22]：投影坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系和局部笛卡爾坐標(biāo)系，如圖6所示，圖中，LLE是Locally Linear Embedding(局部線性嵌入算法)的縮寫。該算法是針對(duì)非線性信號(hào)特征矢量維數(shù)的優(yōu)化方法，這種維數(shù)優(yōu)化并不僅是在數(shù)量上簡(jiǎn)單的約簡(jiǎn)，而是在保持原始數(shù)據(jù)性質(zhì)不變的情況下，將高維空間的信號(hào)映射到低維空間上，即特征值的二次提取。

(a) 投影坐標(biāo)系 (b) 大地坐標(biāo)系

(c) 地心坐標(biāo)系 (d) 局部笛卡爾坐標(biāo)系

圖6 飛行視景仿真中的四種坐標(biāo)系

Fig.6 Four coordinate systems in flight visual simulation

多種坐標(biāo)系在飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等各種飛行視景仿真中都有廣泛的應(yīng)用。

基于同一個(gè)橢球模型的不同坐標(biāo)系之間可以相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)轉(zhuǎn)換，將一個(gè)坐標(biāo)系下的位置信息和姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換為另一坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)信息。大地坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系或者地心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)調(diào)用函數(shù)一步實(shí)現(xiàn)，而投影坐標(biāo)系和地心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換則需要以大地坐標(biāo)系為中間媒介。

2 顯控界面設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選與確定

作為座艙顯示控制系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)，必然要綜合考慮顯示系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，包括顯示信息內(nèi)容，顯示方式，顯示背景、光照，顯示、控制布局以及控制器的可靠性、可控性等。任何一個(gè)方面都不是獨(dú)立的，而是與其他方面密切相關(guān)。飛行員只有通過(guò)顯示儀認(rèn)知并正確地理解后，才能進(jìn)行有效的控制。因而，評(píng)價(jià)座艙顯示控制系統(tǒng)的有效方法是將其納入綜合性的任務(wù)環(huán)境之中，通過(guò)評(píng)估和分析執(zhí)行任務(wù)的效果，來(lái)評(píng)價(jià)顯示控制系統(tǒng)在實(shí)際任務(wù)環(huán)境中的效能。

2.1.2 評(píng)價(jià)體系的建立

由于顯示、控制器的布局影響顯示控制系統(tǒng)的性能，顯示、控制器的布局合理性也應(yīng)有兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)?？紤]到設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用的制約，經(jīng)濟(jì)性自然也為一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

完成任務(wù)的程度用系統(tǒng)的“顯示水平”“控制水平”描述，在開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)和執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的狀態(tài)情況用“顯示可靠性”“控制可靠性”來(lái)評(píng)估。

隨著飛機(jī)性能的提高，飛行員的工作負(fù)荷及操作難度也日益增大。一個(gè)顯示控制系統(tǒng)，其工作強(qiáng)度當(dāng)然是越低越好。在評(píng)估該系統(tǒng)時(shí)，負(fù)荷強(qiáng)度也應(yīng)為一個(gè)評(píng)估指標(biāo)。

整個(gè)評(píng)價(jià)體系如圖7所示，其中包括11項(xiàng)：顯示可讀性、顯示可飛性、可控性、顯示可靠性、控制水平(能控性)、控制可靠性、總體布局合理性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、維修性及安全性。

2.2 評(píng)價(jià)方法的確立

(1) 在完成各飛行任務(wù)的基礎(chǔ)上用主、客觀綜合考慮法來(lái)評(píng)估單項(xiàng)指標(biāo)；

(2) 采用定性目標(biāo)的定量處理法來(lái)進(jìn)行主觀評(píng)估；

(3) 采用專家判斷層次分析法[23]計(jì)算加權(quán)系數(shù)；

(4) 采用多級(jí)工程模糊綜合評(píng)判對(duì)座艙顯示控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)判；

(5) 采用最小、最大距離法(重心排序法[24])進(jìn)行排序、決策；

(6) 具體評(píng)估步驟：①根據(jù)具體評(píng)估對(duì)象及考慮因素、對(duì)象的實(shí)際使用情境確定測(cè)試課目、評(píng)估指標(biāo)；②填寫加權(quán)判斷矩陣，計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)；③進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試,完成各單因素指標(biāo)評(píng)估；④綜合考慮主、客觀值，進(jìn)行綜合評(píng)估；⑤利用④得到的綜合評(píng)估分值進(jìn)行多方案的優(yōu)先排序。

圖7 顯控系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 結(jié) 論

(1) 本文設(shè)計(jì)了一種集成在C++系統(tǒng)中的飛機(jī)座艙顯示控制界面設(shè)計(jì)方法，并開(kāi)發(fā)出了平視顯示器、多功能顯示器，以及可以自定義的運(yùn)動(dòng)模型模塊、平視顯示器繪制模塊、多功能顯示器繪制模塊等，實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)視景、艙外視景的融合疊加和視點(diǎn)管理、場(chǎng)景管理、環(huán)境特效等功能。該設(shè)計(jì)方法能夠較好地反映出飛行員的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，提高了界面友好性、操作直觀性、簡(jiǎn)便性。

(2) 飛機(jī)座艙顯控界面設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)體系的建立，為飛機(jī)座艙顯示控制界面設(shè)計(jì)方法的評(píng)價(jià)建立了基礎(chǔ)，但目前此套評(píng)價(jià)體系尚在理論研究中，還需進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。