无人机地面控制站人机工效研究

汤易　金颖　周英博

摘要：文章针对长航时中、大型无人机地面站的人机工效进行了研究，首先介绍了无人机地面站的人机工效设计要求，然后根据各个设计要求设计出无人机地面站相应的各个部分。结果证明：考虑了人机功效因素的无人机地面站系统工作稳定、可靠，且人机界面设计良好，地面站操作员对该地面站系统的评价非常高。

关键词：无人机；地面控制站；人机工效；长航时；地面站；人在回路 文献标识码：A

中图分类号：V279 文章编号：1009-2374（2016）01-0006-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.004

人机工效是指人与设备的合理匹配，从而使得设备产生最大的效益。对于地面站操作员来说，心理满意度是指对工作和工作环境等一种内在的感受和态度，即对工作满意状况的主观反映。人机工效的重要性主要体现在两个方面：（1）高空长航时中、大型的无人机的战争目标是“零伤亡”，而目前的无人机系统仍属于“人在回路”的系统，即地面站操作人员拥有控制无人机的最终决定权；（2）地面站自身的局限性，例如监视信息量大、工作时间长、空间狭小等会增加地面站操作员的工作负荷和操作难度，使得操作员极易产生心理、生理疲劳，甚至导致操作员误判或误操作。因此，在无人机地面站设计中，需要综合考虑人机工效这一重要因素。

1 无人机地面控制站的系统组成

目前国内外常见的无人机地面控制站均具有飞行监控、任务规划、链路监控、任务载荷监控、情报数据分析、通信指挥控制等综合能力。按使用功能和部署情况可将地面控制站分为基地级、移动方舱式及便携式三种，本文将着重对移动方舱式地面控制站进行人机工效设计。

2 人机工效设计要求

地面站人机工效的设计要求主要包括以下方面：作业环境、操作席位、人机界面、人机功能分配、防错措施和应急措施。

2.1 作业环境

由于地面站是密闭的方舱，空间狭小，空气流通性差，大量的舱内任务设备，尤其是显示器计算机等设备的发热量很大，所以，舱内的通风散热能力成为工作环境的人机工效设计要求的研究重点。除此之外，地面站舱内的环境温度、照明、色彩和噪声将会影响操作员的工作效能、身体健康以及人体舒适度。

2.2 操作席位

地面站操作席位主要包括座椅、控制台架及台架上的显示器、操作机构、按键、开关等设备。具体来说，操作席位的人机工效需要考虑操作席位的外形尺寸是否能保证人体具有良好舒适的作业姿势；显示器安装角度是否考虑人的视角、视距的合理性；操纵机构的外形是否满足人手操作的舒适性，位置是否符合人体尺寸要求和肢体用力范围等。

2.3 人机界面

地面站的人机界面设计要求是，操作员能够对无人机平台、任务载荷、数据链终端进行实时监控，并进行航路规划和情报信息处理。因此，根据相关人机界面的设计要求，应先按功能划分席位，然后设计与各席位相对应的人机界面。

2.4 人机功能分配

人机功能分配的设计要求需要考虑以下因素：（1）人和机器的性能、特点、负荷能力、潜在能力以及各种限度；（2）人适应机器所需的选拔条件和培训时间；（3）人的个体差异和全体差异；（4）人和机器对突然时间应激反应能力的差异和对比；（5）机器替代人的效果以及可行性、可靠性、经济性等方面的对比分析。

2.5 防错措施

由于地面站操作员拥有对飞机、载荷、链路、地面站的最终控制权，因此研究直接影响飞行安全和任务执行操作的防错措施具有十分重要的意义。无人机地面站的防错措施有两点设计要求：（1）在人机交互界面上防止操作员的误碰导致的指令发出；（2）在系统设计时防止与飞行状态不匹配的操作指令执行。

2.6 应急措施

地面站的相关应急措施可以有效保证操作员在各种紧急情况下仍能完成任务。应急措施的设计要求有以下两点：当故障发生后，能够快速、准确地定位故障并及时地向操作员告警；保证在数据链或地面站内设备发生故障时，操作员仍能持续地对无人机飞行进行监控。

3 无人机地面控制站人机功效设计

3.1 作业环境设计

3.1.1 空间布局。本设计采用分舱设计：工作舱、机柜舱和附件舱。工作舱放置的是控制台，这样不仅能让作业空间变得更加宽敞、整洁，还可以隔离设备工作时产生的噪声；机柜舱用来放置计算机等设备；附件舱用来存放电缆、工具包等。

3.1.2 通风散热。工作舱内左右壁各安装1个换气扇，进气扇置于左侧底部、排气扇置于右侧顶部。工作舱及机柜舱顶部两侧均设置有多个空调出风口，其中工作舱的空调出风口可独立进行风量大小控制，操作员可以根据自身身体条件调节所在区域的温度，营造舒适的温热环境。

3.1.3 噪声控制。降噪措施可以从两个方面入手：（1）控制噪声源；（2）避免产生振动。设计时，选用低噪声轴流风机以减小噪声，并将空调机架与方舱包边连接，这种整体式框架结构在最大程度上减小了空调的振动噪声向舱内的传播。

3.1.4 采光照明。在方舱的左壁板上共设有2个采光窗，并沿方舱顶部纵向设置6盏8W LED照明灯。在实际使用过程中，通过照明灯照度调节旋钮适量调节工作舱照度，为工作人员提供舒适的工作环境。

3.1.5 颜色配置。为了使操作员长期在舱内工作创造柔和的视觉环境，避免视觉疲劳，同时凸显操作功能区域，舱内墙面颜色为乳白色，设备颜色为玉白色、控制台架为黑色。

3.2 操作席位设计

3.2.1 席位的结构设计。地面站操作席位控制台按亚洲人体标准并结合具体设备进行合理设计，设计新颖，体现人性化理念，具有时代感，外观呈流线型，按亚洲人体工程学，灵活性及稳定性设计考虑。满足人体工程学及人体操作视线要求，布局整齐美观、舒适、实用。控制台的机构图见图1。根据相关标准，控制台尺寸有如表1所示。