基于態(tài)勢(shì)感知的農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

宮 宇， 邵 將

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

無人機(jī)操作界面是操作員與無人機(jī)傳遞和交互信息的媒介， 無人機(jī)操作員通過無人機(jī)操作界面進(jìn)行信息交互來了解無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)時(shí)的工作狀態(tài)，無人機(jī)操作員的態(tài)勢(shì)感知能力不僅僅涉及到認(rèn)識(shí)效率問題， 更涉及到安全問題。因此，無人機(jī)的界面設(shè)計(jì)直接影響無人機(jī)操作員的工作效率。 而隨著數(shù)字媒體技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、顯示技術(shù)的成熟， 無人機(jī)的數(shù)字操作交互界面的視覺設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)人機(jī)工效的影響引起廣泛重視， 巨大的信息量對(duì)于地面的操作員來說，加重信息處理難度的同時(shí)，還容易導(dǎo)致決策失誤造成航空事故。 因此，本研究以某農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面為例， 研究態(tài)勢(shì)感知理論應(yīng)用于界面交互設(shè)計(jì)的方法， 同時(shí)對(duì)于準(zhǔn)確獲取界面信息提高操作員態(tài)勢(shì)感知能力，提高工作績(jī)效具有重要意義。 為農(nóng)業(yè)無人機(jī)等工程機(jī)械操作界面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 相關(guān)理論研究

1.1 態(tài)勢(shì)感知

態(tài)勢(shì)感知理論在人機(jī)交互系統(tǒng)領(lǐng)域中是一個(gè)非常重要的研究部分， 其在航空領(lǐng)域的概念最早追溯于第一次世界大戰(zhàn)期間。 態(tài)勢(shì)感知（Situation Awareness）的定義最早由Mica Endsley 在1988 年的國(guó)際人因工程協(xié)會(huì)的年度會(huì)議上給出，即態(tài)勢(shì)感知是在特定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)對(duì)周邊環(huán)境中各種要素的感知、理解，并以此來對(duì)它們隨后的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)[1]。 Endsley 的研究將態(tài)勢(shì)感知分為三級(jí)，第一級(jí)是感知環(huán)境中的元素，第二級(jí)理解當(dāng)前的情境，第三級(jí)是預(yù)測(cè)未來的狀況。 簡(jiǎn)單來說，態(tài)勢(shì)感知是意識(shí)到周圍環(huán)境正在發(fā)生什么，并理解當(dāng)前的信息以及未來會(huì)發(fā)生什么。

Endsley 描述了SA 的理論框架模型，如圖1 所示，將態(tài)勢(shì)感知的過程分為3 個(gè)層次， 第1 層是感知環(huán)境中的關(guān)鍵因素，第2 層是綜合理解這些因素的含義，特別是當(dāng)與目標(biāo)相結(jié)合時(shí)， 在最高的層次是預(yù)測(cè)系統(tǒng)在不久的將來會(huì)發(fā)生什么的狀況。 而界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將影響著操作員的態(tài)勢(shì)感知能力，從而影響其決策判斷和執(zhí)行力，因而態(tài)勢(shì)感知對(duì)于無人機(jī)操作員在農(nóng)業(yè)作業(yè)時(shí)的決策制定和無人機(jī)操作具有十分重要的意義。

圖1 Endsley 態(tài)勢(shì)感知理論模型

1.2 態(tài)勢(shì)感知在人機(jī)界面的相關(guān)研究

人機(jī)界面中的態(tài)勢(shì)感知問題受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，如金濤[2]根據(jù)界面作業(yè)所需完成的操作任務(wù)，采用行為實(shí)驗(yàn)和腦電實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的新技術(shù)路線， 以腦電反饋負(fù)波、 反應(yīng)時(shí)和正確率三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別來衡量SA 的“感知性、 理解性和可判斷性”， 解決數(shù)字圖形界面態(tài)勢(shì)感知（SA）難以被客觀評(píng)測(cè)的問題。 Jin[3]討論了態(tài)勢(shì)感知與航空事故的關(guān)系， 提出了面向態(tài)勢(shì)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)流程。金濤[4]運(yùn)用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、實(shí)例驗(yàn)證相結(jié)合的方法，提出新的SA 認(rèn)知理論模型，為數(shù)字DHCI 的SA 測(cè)量提供了新思路和新方法，有助于提高DHCI 的SA 績(jī)效和降低操作者的腦力負(fù)荷，其研究成果為有效實(shí)現(xiàn)對(duì)DHCI的SA 綜合評(píng)價(jià)提供了重要技術(shù)手段和理論依據(jù)。 由芳[5]通過優(yōu)化人機(jī)界面來提高人與車的團(tuán)隊(duì)協(xié)作， 對(duì)汽車人機(jī)界面評(píng)測(cè)與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究， 幫助優(yōu)化汽車人機(jī)界面設(shè)計(jì)， 提高用戶體驗(yàn)。 王建民[6]通過基于態(tài)勢(shì)感知的智能駕駛汽車人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)研究、實(shí)踐與評(píng)估，為汽車人機(jī)界面 設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 郭玉宋[7]針對(duì)復(fù)雜信息界面探索基于態(tài)勢(shì)感知要素的用戶心智模型構(gòu)建方法， 以指導(dǎo)人機(jī)交互設(shè)計(jì)。 Wang[8]研究了在ACC 功能下HUD 的不同人機(jī)界面（HMI） 對(duì)態(tài)勢(shì)感知的影響（SA）和切入駕駛場(chǎng)景的系統(tǒng)可用性，通過改進(jìn)HUD-HMI 設(shè)計(jì)可以提高SA和系統(tǒng)可用性。 Zhang[9]基于視覺和聽覺感官通道的觸發(fā)輸入，提出了一種基于多智能體的態(tài)勢(shì)感知分析模型，探討了事故發(fā)生的機(jī)理和可能的預(yù)防措施， 可以有效避免嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。 Sa Kil Kim[10]提出了一種用于核電廠主側(cè)監(jiān)測(cè)的EID 原型， 驗(yàn)證生態(tài)界面設(shè)計(jì)能夠提高核電廠高級(jí)控制室操作人員的態(tài)勢(shì)感知能力。

1.3 無人機(jī)操作界面相關(guān)研究

現(xiàn)階段， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無人機(jī)的研究集中在控制系統(tǒng)、自動(dòng)化技術(shù)等方面，其研究對(duì)象多為軍用無人機(jī)，對(duì)農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面的研究并不是很多。 張楨[11]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了植保旋翼無人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)， 可實(shí)現(xiàn)與植保無人機(jī)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通信、監(jiān)測(cè)飛行姿態(tài)、顯示飛行作業(yè)軌跡和飛行控制等操作。 Jonathan Cacace[12]提出了一個(gè)多模態(tài)的注意為基礎(chǔ)的界面， 該框架是對(duì)流向操作者的信息流進(jìn)行過濾，根據(jù)情境和人的狀態(tài)選擇和調(diào)整通信方式，用于人類操作員監(jiān)測(cè)和控制活動(dòng)的一組無人機(jī)在搜索和救援任務(wù)。 王佳珂等[13]提出通過融合生理評(píng)測(cè)技術(shù)的無人機(jī)控制界面研究方法，進(jìn)一步提升界面用戶體驗(yàn)，從而降低無人機(jī)事故發(fā)生率。 丁霖[14]簡(jiǎn)要介紹了中美兩國(guó)無人機(jī)系統(tǒng)人機(jī)交互界面的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，提出了未來人機(jī)交互界面技術(shù)中需大力研究顯示要素、 顯示形式、顯控布局等關(guān)鍵技術(shù)，并提出了我國(guó)開展相應(yīng)工作的對(duì)策建議， 以對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)發(fā)展起到牽引作用。KWANGSU CHO[15]通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)無人機(jī)的用戶操控界面可用性作出評(píng)價(jià)， 識(shí)別基于不同心智模型的操控性能的差異， 結(jié)果顯示以飛行員為中心的控制器具有更高的表現(xiàn)。

2 基于態(tài)勢(shì)感知的農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面優(yōu)化策略

本文主要通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面元素的組織和呈現(xiàn)方式來提高操作員的態(tài)勢(shì)感知能力從而對(duì)界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 通過對(duì)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面存在的問題進(jìn)行調(diào)研分析， 并提出農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)原則，為農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 現(xiàn)有界面問題分析

農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面是信息提供的渠道， 也是決策行動(dòng)的作用目標(biāo)。 本文以某農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面作為研究對(duì)象，對(duì)操作界面進(jìn)行功能任務(wù)分析，通過對(duì)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面的分析，發(fā)現(xiàn)界面信息元素較多，界面信息可視化呈現(xiàn)存在許多問題， 在不同程度上都降低了操作員的態(tài)勢(shì)感知能力。 本文農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面的操作顯示問題分析為主進(jìn)行說明。

通過相關(guān)調(diào)研分析， 發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面存在以下問題：

（1）障礙物的視覺表現(xiàn)形式不突出，操作員無法在較短時(shí)間內(nèi)判斷當(dāng)前無人機(jī)距離障礙物的距離。

（2）無人機(jī)電量的讀數(shù)不準(zhǔn)確，無法得到精確數(shù)值。

（3）無人機(jī)的電量與遙控器的電量圖標(biāo)表現(xiàn)形式不統(tǒng)一。

（4）無人機(jī)的剩余藥量位置及表現(xiàn)形式不明顯，不易引起操作者的注意。

2.2 農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)原則

很多學(xué)者研究了無人機(jī)的界面設(shè)計(jì)和視覺元素呈現(xiàn)形式對(duì)無人機(jī)操作員操作績(jī)效的影響， 無人機(jī)的操作界面通常指的是控制和界面應(yīng)用部分，包括遙控器的按鈕、旋鈕、手柄和觸屏等。農(nóng)業(yè)無人機(jī)的操作界面應(yīng)合理安排各種信息區(qū)域， 界面整體顏色與色調(diào)應(yīng)最大化的避免視覺疲勞，減少閃爍感對(duì)操作員的注意力分散，采用明顯區(qū)分的顏色表示報(bào)警設(shè)備。因此，無人機(jī)操作界面的人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則包括以下幾點(diǎn)。

（1）清晰簡(jiǎn)潔原則。農(nóng)業(yè)無人機(jī)的操作界面主要實(shí)現(xiàn)操作員和無人機(jī)的信息交互，通過無人機(jī)界面獲取農(nóng)業(yè)無人機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息，并完成農(nóng)業(yè)無人機(jī)的操作控制。根據(jù)人的記憶曲線原理，清晰簡(jiǎn)潔的界面設(shè)計(jì)要求易讀、易懂、便于操作員理解使用，并減少操作員發(fā)生錯(cuò)誤選擇的可能，有利于減少因操作不當(dāng)而造成的安全事故。

（2）一致性原則。一致性的界面可以讓用戶對(duì)于如何操作有更好的理解，從而提升效率。風(fēng)格一致表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面的整體風(fēng)格做到統(tǒng)一一致， 包括界面的背景色、標(biāo)題欄、報(bào)警欄、控件、字體、字號(hào)和顏色等；色彩一致表現(xiàn)在不同的圖符顏色代表農(nóng)業(yè)無人機(jī)不同的工作狀態(tài)， 使無人機(jī)操作員可以在短時(shí)間內(nèi)辨認(rèn)出顏色的差異從而判斷當(dāng)前農(nóng)用無人機(jī)的工作狀態(tài)， 以便做出進(jìn)一步的決策。

（3）易學(xué)性原則。良好的農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面應(yīng)該對(duì)于無人機(jī)操作員來說應(yīng)該是易懂、易學(xué)的。由于農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作員的經(jīng)驗(yàn)、文化水平、語言等參差不齊，因此要結(jié)合操作員和界面設(shè)計(jì)理論原則進(jìn)行設(shè)計(jì)， 做到農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面易懂易學(xué)易用。

3 界面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對(duì)上述提出的農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面可視化呈現(xiàn)存在的問題，并依據(jù)農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)原則，本文基于態(tài)勢(shì)感知理論對(duì)現(xiàn)有界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）改變障礙物的視覺表現(xiàn)形式，增加色彩的語意設(shè)計(jì)， 根據(jù)無人機(jī)距離障礙物的遠(yuǎn)近呈現(xiàn)不同的圖標(biāo)顏色顯示。當(dāng)無人機(jī)距離障礙物距離在8m 以內(nèi)時(shí)，顯示紅色，代表危險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)無人機(jī)距離障礙物在8～20m 時(shí)，顯示黃色，代表警示狀態(tài)；當(dāng)無人機(jī)距離障礙物大于20m 時(shí)，顯示綠色，代表安全狀態(tài)，并在障礙物上方呈現(xiàn)具體的無人機(jī)距離障礙物的距離及預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，減少操作員的反應(yīng)時(shí)間，提高操作者的決策和效率，降低安全事故的發(fā)生率。

（2）優(yōu)化無人機(jī)電量的視覺表現(xiàn)形式，使無人機(jī)電量圖標(biāo)與遙控器電量圖標(biāo)視覺呈現(xiàn)形式一致， 同時(shí)增加電量讀數(shù)，視覺呈現(xiàn)形式更直觀；同時(shí)，根據(jù)電量的不同呈現(xiàn)不同的顏色顯示， 有助于幫助操作者更直觀的判斷出當(dāng)前狀態(tài)下的安全狀態(tài)。

（3）將剩余電量圖標(biāo)及其數(shù)字顯示進(jìn)行色彩設(shè)計(jì)，當(dāng)無人機(jī)上剩余電量低于10%時(shí)， 顯示紅色， 代表危險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)無人機(jī)剩余電量在10%～30%時(shí)，顯示黃色，代表警示狀態(tài)；當(dāng)無人機(jī)剩余電量大于30%時(shí)，顯示綠色，代表安全狀態(tài)。不同工作狀態(tài)下顯示不同的顏色，快速引起操作員的注意力并判斷無人機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)。

（4）優(yōu)化無人機(jī)剩余藥量的視覺表現(xiàn)形式，使剩余藥量圖標(biāo)表現(xiàn)形式與無人機(jī)剩余電量的圖標(biāo)形成統(tǒng)一一致。 同時(shí)，將剩余藥量圖標(biāo)及其數(shù)字顯示進(jìn)行色彩設(shè)計(jì)，當(dāng)剩余藥量低于3.2L 時(shí)，顯示紅色，代表危險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)剩余藥量在3.2～9.6L 時(shí)，顯示黃色，代表警示狀態(tài)；當(dāng)剩余藥量大于9.6L 時(shí)，顯示綠色，代表安全狀態(tài)，這種表現(xiàn)形式可以快速幫助操作員判斷無人機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)，防止當(dāng)剩余藥量過低時(shí)容易對(duì)無人機(jī)造成損害， 并發(fā)生航空事故。

基于上述的優(yōu)化， 基于態(tài)勢(shì)感知理論與及界面設(shè)計(jì)原則，優(yōu)化前后的農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化前后農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)無人機(jī)的操作界面設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)化工程，需要考慮的原則以及滿足的需求很多。 在進(jìn)行農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中， 需要研究操作員的文化背景、工作環(huán)境以及操作員的認(rèn)知方式，優(yōu)秀的無人機(jī)人機(jī)系統(tǒng)，要根據(jù)操作員的需求，面對(duì)農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是夜間作業(yè)或環(huán)境可視度低時(shí)，或者由于天氣條件不可控制，在強(qiáng)風(fēng)洪澇、高溫干旱、低溫冷害、沙暴揚(yáng)塵等惡劣天氣下，作業(yè)難度系數(shù)急劇提高的嚴(yán)峻形式下，操作員都可以依據(jù)無人機(jī)界面， 在復(fù)雜多變的任務(wù)環(huán)境當(dāng)中處理大量的信息， 理解當(dāng)前的任務(wù)態(tài)勢(shì)從而做出正確的決策。隨著數(shù)字化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面中會(huì)有更多的信息傳遞給操作員， 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)在無人機(jī)整體設(shè)計(jì)中占據(jù)著越來越重要的地位。 合理的農(nóng)業(yè)無人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)對(duì)提高操控人員態(tài)勢(shì)感知能力， 提高其可以根據(jù)特殊環(huán)境因素而動(dòng)態(tài)整體的理解當(dāng)前情境的能力，對(duì)提前做出決策與行動(dòng)，減少實(shí)際操作時(shí)間，以保障農(nóng)用無人機(jī)可以安全順利完成操作作業(yè)具有重要意義。 隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)將在未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，農(nóng)業(yè)無人機(jī)交互界面系統(tǒng)會(huì)越來越成熟，給操作員提供更好的操作體驗(yàn)， 將對(duì)中國(guó)乃至世界智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。