無人機系統(tǒng)控制站操作容錯控制技術(shù)

張翠萍，王宏倫，沙　飛，鄭麗麗

(北京航空航天大學無人駕駛飛行器設(shè)計研究所，北京　100191)

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無人機系統(tǒng)控制站操作容錯控制技術(shù)

張翠萍，王宏倫，沙飛，鄭麗麗

(北京航空航天大學無人駕駛飛行器設(shè)計研究所，北京100191)

通過對國內(nèi)外無人機系統(tǒng)控制站操作容錯技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及大量實際飛行操作經(jīng)驗的總結(jié)和分析研究，明確了現(xiàn)階段無人機控制站操作容錯控制技術(shù)主要涵蓋了操作軟件容錯、控制站面板容錯和操作界面布局容錯等三個維度的核心問題。并從設(shè)計依據(jù)和原則入手，提出了無人機系統(tǒng)控制站操作容錯設(shè)計的要求，分別針對軟件容錯設(shè)計、面板容錯設(shè)計、操作界面容錯布局要求進行了分析，可為無人機控制站操作容錯設(shè)計提供有益參考。

無人機；控制站；操作容錯

無人機系統(tǒng)的控制站CS(Control Station)是無人機系統(tǒng)的重要組成部分之一，作為整個無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮中心，控制站的控制內(nèi)容一般包括：飛行器的飛行過程，飛行航跡，有效載荷的任務功能，通訊鏈路的正常工作，以及飛行器的發(fā)射和回收。在執(zhí)行任務過程中，操縱員不僅需要對操作流程相當熟悉，還需要能夠根據(jù)大量飛行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)靈活地分析飛機的狀態(tài)，克服各種未知因素的不利影響，以保證全系統(tǒng)整體功能的成功實現(xiàn)。這種高壓長時緊張的勞動強度下，經(jīng)常發(fā)生一些操作失誤也就再所難免。美空軍2007年發(fā)布的報告指出，至少八成“捕食者”墜毀事故在一定程度上涉及人為錯誤。因此提高控制站操作容錯能力將非常有利于降低由于操作失誤等人為因素造成飛行事故的幾率。

目前對控制站設(shè)計多集中在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計[1-3]、數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)方法[4]、軟件設(shè)計方法[5-6]等，對于操作容錯設(shè)計方面考慮很少。而文獻[7]將發(fā)展“無人機操控的安全、告警與防錯技術(shù)”作為無人機地面站技術(shù)的七大發(fā)展技術(shù)趨勢之一提出，正是說明操作容錯控制技術(shù)的重要性。在復雜系統(tǒng)集成與綜合的背景下，無人機系統(tǒng)控制站操作容錯設(shè)計的難點，是針對軟硬件集成系統(tǒng)，要求在可靠性、安全性、人機工程三方面達到高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

本文通過對國內(nèi)外無人機系統(tǒng)控制站操作容錯技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及大量實際飛行操作經(jīng)驗的總結(jié)和分析研究，明確了現(xiàn)階段無人機控制站操作容錯控制技術(shù)主要涵蓋的三個維度核心問題：操作軟件容錯、控制站面板容錯和操作界面布局容錯。圍繞上述問題，本文從設(shè)計依據(jù)和原則入手，提出了無人機系統(tǒng)控制站操作容錯設(shè)計的要求，分別針對軟件容錯設(shè)計、面板容錯設(shè)計、操作界面容錯布局要求進行了分析。

1　控制站操作容錯設(shè)計研究

1.1總體結(jié)構(gòu)

針對無人機系統(tǒng)控制站產(chǎn)生人機交互的主要部位即為操作容錯設(shè)計的對象，主要包括控制操作軟件、控制操作面板、控制操作界面。如圖1所示。

圖1　無人機系統(tǒng)控制站人機交互設(shè)計

1.2設(shè)計原則

為保證無人機系統(tǒng)控制站操作容錯設(shè)計合理、可行，在進行控制站設(shè)計時應遵照以下三個原則：實用原則、同步原則、非擴散原則。控制站作為整個無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮中心，應確保具備必要的技術(shù)儲備且在工程上能夠?qū)嵤?，即實用原則。同步原則即容錯設(shè)計應與控制站系統(tǒng)研制各階段同步進行。非擴散原則即要求不能由于容錯設(shè)計的自身設(shè)計錯誤引起系統(tǒng)錯誤甚至崩潰。

1.3容錯設(shè)計

1.3.1控制站操作軟件容錯設(shè)計

文獻[8]給出了計算機軟件可靠性有和安全性設(shè)計準則和要求，適用于嵌入式軟件，對于其他軟件有一定的參考意義。而文獻[9]針對系統(tǒng)、子系統(tǒng)、裝備和設(shè)施給出了人機工程設(shè)計準則，這對于控制站而言也具有一定的借鑒作用。

根據(jù)無人機控制站操作軟件的功能、性能等特點，結(jié)合飛行操縱經(jīng)驗分析，參考文獻[9]中涉及的人機界面軟件安全性、可靠性方面的內(nèi)容，對控制站操作軟件的容錯設(shè)計提出以下七個方面的設(shè)計要素[8]，如表1所示。在實際設(shè)計過程中，可以根據(jù)具體情況進行適當裁剪使用。

表1　控制站操作軟件的容錯設(shè)計

4軟件健壯性設(shè)計1)接口故障處理設(shè)計。應充分估計操作軟件接口的各種可能故障,包括遙控操縱桿、鍵盤、鼠標、控制面板按鈕等,并采取相應的措施。操作軟件應該對輸入、輸出的信息進行加工處理前,檢驗其是否合理。2)錯誤操作處理。操作軟件應能判斷操縱員的輸入操作正確或合理與否,并在遇到不正確或不合理輸入和操作時拒絕該操作的執(zhí)行,并提醒操縱員注意錯誤的輸入或操作,同時指出錯誤的類型和糾正措施。3)異常保護設(shè)計。應仔細分析操作軟件運行過程中各種可能的異常情況,設(shè)計相應的保護措施。異常處理措施應使控制站轉(zhuǎn)入安全狀態(tài),并保持計算機處于運行狀態(tài)。5余量設(shè)計1)應確定有關(guān)軟件模塊的存儲量、輸入輸出通道吞吐能力及處理時間要求,并滿足系統(tǒng)規(guī)定的余量要求(一般要求留有至少20%的余量)。2)軟件工作的時序安排,要結(jié)合具體的對象確定各種周期。如采樣周期、數(shù)據(jù)計算處理周期、控制周期、自診斷周期、輸入輸出周期等。6數(shù)據(jù)設(shè)計1)屬性控制。任何數(shù)據(jù)都應規(guī)定其合理的范圍(如值域、變化率等)。如果數(shù)據(jù)超出了規(guī)定的范圍,就應進行出錯處理。2)數(shù)值運算范圍控制。進行數(shù)值運算時,應注意數(shù)值的范圍及誤差問題。3)精度控制。保證運算所要求的精度,要考慮到計算誤差及舍入誤差,選定足夠的數(shù)據(jù)有效位。4)合理性檢查。在軟件的入口、出口及其它關(guān)鍵點上,應對重要的物理量進行合理性檢查,并采取便于故障隔離的處理措施。5)特殊問題。在數(shù)值運算時,應仔細考慮浮點數(shù)接近零時的處理方式。7防錯設(shè)計1)非授權(quán)存取的限制。應防止對操作軟件程序(源程序、匯編程序及目標代碼)和數(shù)據(jù)的非授權(quán)的或無意的存取或修改,其中包括對代碼的自修改。對安全關(guān)鍵功能模塊應設(shè)置調(diào)用密碼。2)數(shù)據(jù)區(qū)隔離。為了防止程序把數(shù)據(jù)錯當成指令來執(zhí)行,要采用將數(shù)據(jù)與指令分割存放的措施。

1.3.2控制站操作面板容錯設(shè)計

無人機系統(tǒng)控制站的面板一般提供了一些機械式的指令按鈕和遙控操縱桿，以方便操作手能快速找到并使用這些指令，或在需要人工操作遙控操縱桿時使用，面板上的指令通常都是一些常用或緊急情況下使用的指令，一旦出錯將會造成事故。

1)一般準則

①設(shè)計基礎(chǔ)。符合人體工程學，按鈕響應明確，可靠性高。

②復雜性和精確性。要求控制面板的復雜性和精確性應與系統(tǒng)要求的一致，不能超出操作人員的能力(指手動操作的靈巧性、協(xié)調(diào)性或反應時間)[9]。

③保護。無人機控制面板的一些關(guān)鍵功能鍵(比如發(fā)動機起動、發(fā)動機停車、自毀、開傘、彈射起飛等)需要通過預令鍵、解鎖鍵或加保護蓋等形式加以保護，防止誤碰。

④一致性。無人機控制面板中功能設(shè)計應與軟件控制界面中相對應的功能設(shè)計保持一致，并明確兩者的優(yōu)先級關(guān)系，降低犯錯概率。

2)控制站面板常用指令按鈕容錯設(shè)計

①指令按鈕選擇。無人機控制站面板常用指令按鈕的選擇應符合用戶方的使用習慣和人機工程設(shè)計準則，比如：調(diào)節(jié)范圍大并有精度要求的控制鍵應選用多轉(zhuǎn)控制器；以離散步驟進行操作的控制鍵應選用卡銷式控制器；對于控制器調(diào)節(jié)有規(guī)定限度和范圍的，應在調(diào)節(jié)范圍的始端和終端設(shè)置制動卡[9]。

②運動方向。無人機控制站面板常用指令按鈕運動方向應與相聯(lián)系的各類裝置或運行系統(tǒng)的相關(guān)運動一致，符合人的正常使用習慣。一般來說，向前、順時針、向右、向上或按壓等運動方向通常是功能開啟或使系統(tǒng)進入運行狀態(tài)，如果是模擬量控制，向這些方向運動通常意味著控制量增大[9]。

③間距。按鈕的最小間距應符合人機工程學要求，考慮到戴防護手套的操作要求，通常設(shè)計間距要略大于人機工程學所給定的標準參考值[9]。無人機控制站種類繁多，既有大型方艙式控制站，也有手提便攜式控制站，因此其控制面板在尺寸大小和間距上也是各不相同，不能一概而論。

④編碼。對于硬件控制面板來說合理的編碼是減小誤操作發(fā)生概率的最有效方式。在選用編碼方式時應根據(jù)每一種編碼方式的優(yōu)缺點來確定，并且在整個系統(tǒng)中的編碼運用應保持一致。通常有位置編碼、大小編碼、形狀編碼、顏色編碼、標注編碼和操作方式編碼六種主要編碼形式。對于易混淆的功能鍵或是重要功能鍵通常應采取兩種以上的編碼方式加以區(qū)分[9]。

3)控制站面板遙控操縱桿容錯設(shè)計

①選型。操縱桿應滿足飛機進行遙控飛行的基本功能需求：通常情況下有副翼、升降舵、油門和方向舵四個模擬量連續(xù)控制通道，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實際需求可以增加襟翼、阻力板、起落架收放、剎車、開加力、發(fā)射回收控制、通話控制、任務載荷控制、武器控制等功能鍵。其中副翼、升降舵和方向舵三個連續(xù)模擬量應具備機械回中功能，油門控制通常選用多轉(zhuǎn)控制器，四個主要模擬量控制通常應具備中位微調(diào)功能，并能夠在軟件界面上實時準確的顯示模擬量的準確位置。

②布置。根據(jù)操縱員通常使用習慣，將遙控操縱桿放置于右手操作區(qū)域，便于在進行人工干預或遙控不影響左手區(qū)域指令的發(fā)送；如果遙控操縱桿與顯示器布置在同一縱列上，則其最高位置不應超過顯示器的最低位置，不應阻擋操作人員的視線；通常油門控制器布置在操縱員的左手操作區(qū)域。

③功能。遙控操縱桿功能上的容錯設(shè)計，主要是解決操作人員可通過觸覺正確辨識操縱桿信息的問題，因此操縱桿在設(shè)計時應大量采用觸覺編碼設(shè)計。另外，遙控操縱桿應具有功能啟動鍵或鎖定機構(gòu)，減少因為誤碰操縱桿而帶來的安全隱患；各桿的零位限位器應具有一定的摩擦阻力，操作時需要施加一定力度才能滑動，避免操作其他桿位或指令時的無意觸碰。操縱桿上的按鍵應具有位置編碼、大小編碼或形狀編碼等可以觸覺辨識的編碼形式，零位限位器應具有標注編碼或顯示反饋，方便操縱員快速、準確地適應操縱桿。

4)緊急情況使用指令容錯設(shè)計

①界定。應嚴格界定緊急情況下使用的指令，緊急指令鍵不宜過多，并且保證所有的緊急指令鍵在軟件控制界面上也具有同樣功能的軟件控制鍵。

②布置。緊急情況使用的指令應位于操縱員雙手不能隨意觸碰但便于操作的位置。

將單因素分析結(jié)果中P＜0.05的因素CHO、HGB、中醫(yī)證型納入多因素分析，分析結(jié)果顯示CHO＞5.18 mmol/L、HGB＜120 g/L、氣血兩虛證不是CRPC患者無進展生存的獨立危險因素（P＞0.05），見表4。

③設(shè)計。緊急情況使用指令設(shè)計的核心要求是：快速、準確、受保護。緊急情況使用的指令應采用啟動開關(guān)、解鎖裝置或保護蓋設(shè)計等防誤碰手段，并且這類指令鍵應有明顯的狀態(tài)反饋，方便操縱員及時準確的了解該指令鍵的工作狀態(tài)。

1.3.3控制站操作界面容錯布局設(shè)計

無人機操縱員通過控制站操作軟件界面或面板將遙控指令發(fā)送給飛機，實現(xiàn)對無人機的控制，因此是否發(fā)送了正確的指令以及指令是否能夠正確發(fā)送關(guān)系著無人機的安全。提高操作界面布局的科學性、合理性，在一定程度將有利于減少操作的失誤。

1)布局原則

合理的操作平臺布置可以有效地降低發(fā)生誤操作的概率。操作界面布局要遵循人機工程學設(shè)計原理，通常遵循以下四個原則：

①安全性原則。采用設(shè)備的功能模塊化布局，可以使人機界面更加合理、具有邏輯性，避免操縱人員的誤動作。

②高效性原則。在現(xiàn)代大型客機上普遍采用多功能綜合電子顯示系統(tǒng)，同時，安裝集聲音、燈光、文字一體的綜合告警系統(tǒng)。

③舒適性原則。在操縱界面的視覺設(shè)計上，應注意界面要形狀規(guī)則、拐角圓滑平整，顯示器、儀表、設(shè)備的布置要和諧而有規(guī)律，色彩要和諧統(tǒng)一，光亮度要柔和。

④重要性原則。重要的控制鍵應安排在操作者操作或認讀最為方便的區(qū)域。

2)操作軟件界面容錯布局設(shè)計

影響人機界面可靠性的因素主要有：操作人員的技能以及與他人的合作能力、信息傳遞的可靠性和環(huán)境。其中信息傳遞的可靠性就涵蓋了操縱界面的設(shè)計可靠性，以提高在人機交互過程中的信息雙向傳遞的可靠性。

①功能分區(qū)。為了使操作人員能夠迅速而正確地使用種類不一、功能繁多的指令，同時能夠快速準確地獲取遙測信息，無人機系統(tǒng)控制站操作軟件界面在設(shè)計時應進行功能分區(qū)，提高界面的信息交互效率，如表2所示。

表2　操作軟件界面功能分區(qū)設(shè)計

②布局合理。在進行界面布局時，為了避免使用過程中操縱員判斷和使用上的錯誤，飛行儀表的布局宜采用T字型分布原則。觀察頻率最高的儀表可布置于儀表板的正中，如地平儀，地平儀左邊是速度表，右邊是高度表，三指標基本處于一條水平線，綜合觀察它們的指示可了解飛機的縱向運動。地平儀下邊可布置航道羅盤，與地平儀構(gòu)成垂直線，綜合觀察它們的指示可了解飛機的側(cè)向運動。T字型布局可高效顯示飛機的運動參數(shù)，且與人的使用習慣一致。

③優(yōu)化設(shè)計?？刂普拒浖缑嬖O(shè)計時，還要考慮顯示畫面的清晰度和邏輯性，這樣既能提高界面的可靠性，也不會造成操縱員錯覺，提高操作安全性。由于顯示信息的多樣性和復雜性，還應采用不同顏色對這些信息分類顯示，提升操縱人員的視覺識別效率。在信息本體顏色已定情況下，界面背景色的優(yōu)化選擇很重要。研究表明，用黑色作為背景色，在顏色組合識別效率方面顯著優(yōu)于其他顏色。

④切換設(shè)計?？刂普静僮飨到y(tǒng)集合了遙控操縱桿、軟件界面和控制面板，三者在飛行起降過程中的分工不同，應定義它們之間的切換優(yōu)先等級，實現(xiàn)良好切換，增加起降的安全性。軟件界面應具有最高優(yōu)先級，可控制車內(nèi)、外控制權(quán)的切換。

3)控制面板容錯布局設(shè)計

考慮到人體尺寸和運動生物力學特性等因素，通常將控制面板布置在操作者正前方的位置，該位置又可劃分成4個區(qū)域(見圖2)，在設(shè)計控制面板位置布局時，要根據(jù)實際操作的重要性將控制面板的各功能鍵布置于這四個區(qū)域內(nèi)。

1區(qū)：主要控制鍵布置區(qū)2區(qū)：緊急控制鍵和精確調(diào)節(jié)的次要控制鍵布置區(qū)3區(qū)：其它次要控制鍵的可取限度區(qū)4區(qū)：次要控制鍵最大布置區(qū)圖2　無人機系統(tǒng)控制站面板位置布局

需要說明的是，該圖中區(qū)域的劃分適合于大型無人機系統(tǒng)的控制站，小型無人機系統(tǒng)的控制站可以按該區(qū)域進行劃分，但尺寸上可以有所調(diào)整。

另外，控制面板和與之相關(guān)的顯示器之間的關(guān)系應該是明顯和不模糊的，控制面板通常在相關(guān)顯示器的下方或右側(cè)，使操作人員在使用時其手臂不會遮擋顯示器，從而減小犯錯幾率。[9]

2　結(jié)束語

無人機操作容錯設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成為武器裝備系統(tǒng)研發(fā)與應用，尤其是無人機系統(tǒng)控制站的研發(fā)與應用的重要技術(shù)。目前國內(nèi)比較缺乏這方面的基礎(chǔ)理論、實現(xiàn)技術(shù)的研究。我國無人機操作容錯控制技術(shù)整體落后于發(fā)達國家水平。從長遠發(fā)展來看，無人機系統(tǒng)控制站未來的發(fā)展趨勢將是一站多機[7]，更進一步是發(fā)展通用控制站，以提高無人機系統(tǒng)的互操作性和操作人員訓練效率。這將對控制站的設(shè)計提出更高挑戰(zhàn)，而控制站的容錯能力亦顯得更為突出。開展無人機控制站操作容錯控制技術(shù)研究，為操縱員提供更為人性化的操作平臺，將在未來的試驗、飛行中極大地減少由于操作失誤引起的飛行事故，提高無人機系統(tǒng)使用的安全性，減少系統(tǒng)損失。

[1]吳益明，盧京潮．無人機地面控制站系統(tǒng)的應用研究[J]．航空精密制造技術(shù)，2006，42(3)：48-53．

[2]羅珊，陳睿璟，路引，等.便攜式地面測控系統(tǒng)[J].兵工自動化，2012，31(8)：14-16.

[3]Zhang Wen,QIN Guo-SHun.Design of UAV ground control station[C].International Conference on Remote Sensing(ICRS)，2010：383-387.[4]吳益民．無人機遙控遙測數(shù)據(jù)的實時處理研究口[J]．計算機測量與控制，2006，14(5)：681-694．

[5]朱建新，張秋陽，謝習華.某型無人機地面站軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中南林業(yè)科技大學學報,2011,31(4)：164-168.

[6]張治生，陳懷民，吳成富，等.無人機地面站控制臺軟件設(shè)計[J].測控技術(shù)，2007,26(4)：74-76.

[7]周焱.無人機地面站發(fā)展綜述[J].航空電子技術(shù)，2010：41(1)：1-6.

[8]GJB/Z 102-1997 軟件可靠性和安全性設(shè)計準則[S].中華人民共和國國家軍用標準,1997.

[9]GJB 2873—1997軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計準則[S].中華人民共和國國家軍用標準,1997.

Fault-tolerant Operation Technology of UAS Control Station

ZHANG Cui-ping,WANG Hong-lun,SHA Fei,ZHENG Li-li

(Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

The project is developed on putting forward key techniques through researching the fault-tolerant operation technology on UAS control station at home and abroad and analyzing vast experience gained from actual operation.The key techniques include fault-tolerant design requirement of software，fault-tolerant design requirement of the control station panel and the fault-tolerant design requirement of operation interface.Aiming at the above-mentioned three key techniques,the design requirements are provided in detail,which include the design bases and principles.The results of the project is a reference to the fault-tolerant design on UAS control station.

UAV; control station; fault-tolerant operation

1673-3819(2016)05-0123-04

2016-04-15

2016-05-19

張翠萍(1979-)，女，廣西桂林人，碩士，工程師，研究方向為無人機導航飛控系統(tǒng)。

王宏倫(1977-)，男，博士，研究員，博士生導師。

沙飛(1979-)，男，碩士，工程師。

鄭麗麗(1984-)，女，碩士，工程師。

V279

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.027