湯志荔,竇洋龍,李 姍

1(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院,西安 710129)

2(西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院,西安 710129)

無人運(yùn)輸機(jī)地面控制站顯示界面的仿真系統(tǒng)①

湯志荔1,竇洋龍2,李 姍2

1(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院,西安 710129)

2(西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院,西安 710129)

為實(shí)現(xiàn)地面控制站操作員對民用無人機(jī)的安全控制,提出了地面控制站集飛行儀表、地圖綜合界面顯示設(shè)計(jì)方案. 采用 GL Studio 和 VC++ 6.0 混合編程的方式,實(shí)現(xiàn)對飛行儀表顯示界面的設(shè)計(jì); 使用 VC++6.0 對 Google Earth二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)地面控制站地圖顯示功能. 將微軟模擬飛行X作為飛行儀表和地圖界面的數(shù)據(jù)驅(qū)動,通過UDP傳輸協(xié)議,實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的綜合測試. 測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以為地面控制站操作員提供完整的態(tài)勢信息,提高操作員的決策效率,為研究地面控制站顯示界面工效問題提供新的方法.

地面控制站; 顯示界面; GL Studio; Google Earth; 界面工效

目前,無人機(jī)在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用. 在民用領(lǐng)域,大型無人機(jī)集成到未來國家空域中的設(shè)想首先被歐洲國家提出,這種用于運(yùn)送貨物的大型無人機(jī)被定義為無人運(yùn)輸機(jī). 為保證大型民用無人機(jī)能同民航客機(jī)一樣在商用領(lǐng)空飛行,空中安全管理部門對其地面控制站的設(shè)計(jì)提出了更高的要求.

無人運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)融入到未來國家空域的最大阻礙是其安全性. 依據(jù)當(dāng)前技術(shù)水平,從無人機(jī)在戰(zhàn)場的應(yīng)用角度分析,無人機(jī)的安全性尚達(dá)不到要求. 據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)分析,在2005年到2015年期間,全球無人機(jī)事故中由操作員失誤造成的事故所占比例大約為50%[1]. 美國空軍研究人員羅伯特·P·赫爾茲中校調(diào)查發(fā)現(xiàn),有75%的無人機(jī)墜機(jī)是“人為因素”導(dǎo)致. 美國軍隊(duì)及地面控制站相關(guān)操作人員對無人機(jī)飛行事故進(jìn)行全面分析,最終得出的結(jié)論為地面站顯示界面的設(shè)計(jì)是影響無人機(jī)飛行安全的主要因素.

在無人機(jī)地面控制站顯示界面研究領(lǐng)域,國內(nèi)外學(xué)者從人機(jī)工效、界面設(shè)計(jì)等方面,展開了一系列的研究. D Perez在文獻(xiàn)[2]中提出了多無人機(jī)地面控制站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將任務(wù)動態(tài)分配的多無人機(jī)平臺的功能,減輕了操作員的任務(wù)負(fù)荷.Crescenzio在文獻(xiàn)[3]中介紹了3D和觸屏技術(shù)在地面控制站顯示與控制界面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)表明先進(jìn)的接口技術(shù)增強(qiáng)了操作員的任務(wù)管理能力. 薛澄岐在文獻(xiàn)[4]中總結(jié)復(fù)雜戰(zhàn)斗機(jī)顯示界面存在的問題,提出一種基于認(rèn)知屬性的界面布局設(shè)計(jì). 莊達(dá)民在文獻(xiàn)[5]中提出了人機(jī)界面的符號編碼方法.

飛行員在民機(jī)駕駛艙內(nèi)可以密切關(guān)注飛機(jī)周圍環(huán)境及飛機(jī)的狀態(tài)參數(shù),當(dāng)遇到突發(fā)情況時,飛行員能夠快速靈活地處理. 不同于民機(jī)駕駛艙飛行員,無人運(yùn)輸機(jī)操作員僅僅依賴從無人機(jī)上傳回的數(shù)據(jù),不能完全感知飛機(jī)的飛行狀態(tài). 如何將這些數(shù)據(jù)直觀地傳遞給操作員成為地面控制站人機(jī)界面設(shè)計(jì)人員主要考慮的問題[6,7]. 為此,本文提出了地面控制站集飛行儀表、地圖、視景綜合界面顯示設(shè)計(jì)方案.

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對地面控制站人機(jī)界面仿真功能,包含三個部分: 飛行儀表界面、地圖顯示界面和飛行視景界面. 系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

在該仿真系統(tǒng)中,飛行儀表界面由GL Studio和VC++6.0工具開發(fā)實(shí)現(xiàn),該界面包含導(dǎo)航顯示信息、主飛行顯示信息、發(fā)動機(jī)及油表等信息; 地圖顯示界面是通過對Google Earth二次開發(fā)實(shí)現(xiàn),該界面提供了無人運(yùn)輸機(jī)實(shí)時軌跡及姿態(tài)等信息; 飛行時景是通過飛行模擬X軟件實(shí)現(xiàn),該軟件同時為上述界面提供飛行驅(qū)動數(shù)據(jù). 整個仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對無人運(yùn)輸機(jī)飛行姿態(tài)、飛行路徑及飛行參數(shù)的仿真.

2 顯示界面的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 飛行儀表界面的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

虛擬儀表顯示界面的開發(fā)使用的是GL Studio軟件,GL Studio軟件由美國分布式仿真技術(shù)公司(Distributed Simulation Technology,DiSTI)開發(fā)設(shè)計(jì). 該軟件主要致力于用戶圖形接口的開發(fā),能夠滿足高質(zhì)量、功能多樣的2D或3D圖形的開發(fā)需求[8]. 同時,該軟件還支持具有2D和3D圖形文件格式、開發(fā)環(huán)境靈活、能夠與VC++平臺兼容等特點(diǎn). GL Studio包含圖形對象設(shè)計(jì)器和代碼生成器,代碼生成器能把圖形對象設(shè)計(jì)器中的文件轉(zhuǎn)為C++和OpenGL的源代碼,生成的源代碼能夠在VC++6.0平臺上進(jìn)行調(diào)試.

基于GL Studio的地面控制站虛擬儀表開發(fā)流程如圖2所示,該流程主要分為圖形界面設(shè)計(jì)和界面對象行為代碼編寫[9]. 圖形界面的設(shè)計(jì)包含整體界面顯示的布局設(shè)計(jì)、圖形符號編碼、圖形位置編碼、圖形顏色編碼、各圖形間邏輯關(guān)系編碼,以上布局設(shè)計(jì)和編碼方式均涉及到人機(jī)工效相關(guān)理論知識. 本部分重點(diǎn)講述界面對象行為代碼的編寫.

圖2 基于 GL Studio 的飛行儀表開發(fā)流程

以顯示界面中導(dǎo)航顯示開發(fā)為例,其設(shè)計(jì)過程如下.

(1) 分析導(dǎo)航顯示界面中動態(tài)和靜態(tài)元素

導(dǎo)航顯示界面元素(數(shù)字、字母、圖形、次級界面)包含動態(tài)元素和靜態(tài)元素,如在導(dǎo)航顯示區(qū)中PLAN模式和MAP模式是在同一區(qū)域通過不同按鈕互相切換實(shí)現(xiàn)的,這兩種模式分別對應(yīng)兩個不同的界面[10-12].PLAN模式頁面和MAP頁面是通過GL Studio工具欄中的組件按鈕形成的二級界面. 兩種界面中左上角的“GS”和“TAS”字符的位置、符號都不發(fā)生變化,因此這種字符為靜態(tài)元素. 與此對應(yīng)的“000”表示地速中的具體數(shù)據(jù),它隨著飛機(jī)的狀態(tài)而改變;“_ _ _/_ _ _”表示待顯示的風(fēng)向和風(fēng)速,它隨飛機(jī)周圍的環(huán)境而變化,這些元素均屬于動態(tài)元素,對于所有的動態(tài)元素均要添加C++代碼以控制其顯示的屬性.

(2) 分析動態(tài)符號的顯示原理

對于MAP模式下的選擇航向游標(biāo)、航向刻度盤及航跡等符號都是動態(tài)顯示的. 以選擇航向游標(biāo)為例分析其顯示原理,航向游標(biāo)沿著航向刻度盤移動,即游標(biāo)沿弧線的外側(cè)邊緣移動. 根據(jù)飛機(jī)飛行的航向,導(dǎo)航界面中刻度盤沿弧線中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動.

(3) 給動態(tài)元素添加行為屬性代碼

以選擇航向游標(biāo)移動為例,在 GL Studio API庫中DynamicTranslate(x,y,z,true/false)函數(shù)為控制航向游標(biāo)移動的函數(shù)[13-15],該函數(shù)中的參量x,y,z表示立體空間中移動的坐標(biāo),true表示不顯示該游標(biāo)對象,false表示顯示該游標(biāo)對象. MAP模式下的頁面為類名是mapmodeClass一個類,選擇航向游標(biāo)為該類中的一個對象,對象名為SelectedHeadingBug. 該游標(biāo)移動屬性的代碼為:

SelectedHeadingBug→DynamicTranslate(x,y,z,false);

導(dǎo)航界面元素設(shè)計(jì)圖如圖3、圖4所示.

(4) MAP模式界面與PLAN模式界面的切換設(shè)計(jì)

MAP模式界面與PLAN模式界面均為導(dǎo)航界面的二級界面,這兩種模式下的界面只是作為導(dǎo)航界面中的兩個組件. 導(dǎo)航界面對應(yīng)的類名為ndpageClass類這兩個組件為導(dǎo)航界面類ndpageClass中的兩個對象,對象名分別為mappage和planpage. 首先,在ndpage Class類中添加類的Mode類屬性,Mode類屬性主要控制二級界面的顯示與關(guān)閉,使用到的函數(shù)為Visibility(true/false),mappage→Visibility(true)表示 MAP 模式界面顯示,mappage→Visibility(false)表示 MAP 模式界面關(guān)閉; 其次,建立兩個按鈕對象名為map_btn和plan_btn的按鈕,在按鈕回調(diào)函數(shù)中控制Mode類屬性.

圖3 導(dǎo)航界面 MAP 模式下元素設(shè)計(jì)

圖4 導(dǎo)航界面 PLAN模式下元素設(shè)計(jì)

2.2 地圖顯示界面的開發(fā)

Google Earth是由谷歌公司面向全球推出的一款虛擬地球信息系統(tǒng)軟件,該軟件結(jié)合衛(wèi)星照片、航空測繪圖像以及三維地理信息實(shí)現(xiàn)了分米級的圖像分辨率. Google Earth地理信息柵格數(shù)據(jù)主要來源于美國國家航空航天局的衛(wèi)星圖像,這些衛(wèi)星圖像的最高的分辨率能夠達(dá)到0.6米,航空測繪的圖像分辨率更高,因此對該軟件的二次開發(fā)更有助于增加操作員的情境認(rèn)知能力.

Google Earth具有豐富的地理數(shù)據(jù),并且該軟件為用戶提供了兩種二次開發(fā)的方式: 一種是KML文件形式,另一種是組件 API形式. Google Earth 組件 API是該軟件組件的公用接口,通過VC++6.0軟件編程調(diào)用組件API庫中的類進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制Google Earth功能[16,17].該軟件組件API類庫共有11種類,在本文仿真部分主要使用到以下3種類,該軟件開發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示,各類的作用如表1所示.

圖5 Google Earth 二次開發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)

表1 Google Earth COM API類庫中的類

Google Earth另一種接口形式是KML文件,該文件的格式與網(wǎng)頁設(shè)計(jì)中使用的HTML語言具有相似的語法結(jié)構(gòu). KML文件包含地理位置信息如經(jīng)度、緯度、高度等,同時也包含飛行器的航跡的表示信息如航跡符號的顏色、線型等. 在VC++6.0程序中是通過OpeKmlFile函數(shù)對KML文件進(jìn)行讀取. 若要無人運(yùn)輸機(jī)的地理信息顯示到Google Earth上,則必須將地理信息寫入KML文件中. 對于無人運(yùn)輸機(jī)仿真過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)點(diǎn),這些數(shù)據(jù)保存在KML文件中直接影響無人運(yùn)輸機(jī)航路顯示的實(shí)時性. 針對這個問題,本文采用設(shè)置MFC定時器的方式對KML文件進(jìn)行定時更新以降低KML文件的執(zhí)行效率.

基于VC++6.0平臺下對Google Earth二次開發(fā)的主要步驟為:

(1) 初始化 Google Earth 客戶端

首先,在 MFC 工程下添加 Google Earth COM API類庫中的類,其中IApplicationGE類與初始化相關(guān);其次,添加 Google Earth 的頭文件 googleearth.h,并定義靜態(tài)CLSID常量,該常量為Google Earth相關(guān)組件的標(biāo)識符; 然后,通過CoInitialize()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對COM庫的初始化. 最后通過CreateDispatch()函數(shù)創(chuàng)建客戶端實(shí)例.

(2) 實(shí)現(xiàn)Google Earth窗口在MFC對話框中的嵌入

通過以下代碼實(shí)現(xiàn)在MFC工程下對Google Earth窗口的嵌入:

HWND hWnd = (HWND) m_geApplication.

GetMain Hwnd();

::SetWindowPos(hWnd,NULL,0,0,1050,750+50,SWP_HIDEWINDOW);

HWND hRender = (HWND) m_geApplication.

GetRenderHwnd();

(3) 對地圖顯示區(qū)域的功能控制

為更好的顯示無人運(yùn)輸機(jī)飛行的軌跡,地圖顯示界面增加不同視角切換功能,顯示區(qū)域功能控制主要依靠上述COM API庫中的三種類,通過調(diào)用不同類中的函數(shù),實(shí)現(xiàn)不同的控制功能.

(4) 注銷地圖的相關(guān)線程,實(shí)現(xiàn)對 Google Earth 的關(guān)閉

在關(guān)閉對話框OnClose()函數(shù)中添加以下代碼

HWND hwnd;

hwnd = (HWND) m_geApplication. GetMain Hwnd();

::SendMessage(hwnd,WM_CLOSE,NULL,NULL);

m_geApplication.ReleaseDispatch();

實(shí)現(xiàn)對Google Earth的關(guān)閉.

3 界面測試結(jié)果

上述為獨(dú)立的顯示界面的設(shè)計(jì)過程,為測試顯示界面的工效,需要飛行數(shù)據(jù)驅(qū)動顯示界面的控件. 仿真系統(tǒng)通過微軟模擬飛行X為顯示界面提供飛行驅(qū)動數(shù)據(jù),該軟件能夠生成較為全面的飛機(jī)飛行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)主要保存在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存空間中,利用FUIPC插件能夠提取該飛機(jī)飛行參數(shù),數(shù)據(jù)通過UDP通信傳輸協(xié)議傳遞給地圖顯示界面和飛行儀表顯示界面. 該軟件還可以提供逼真的飛行視景,這大大增加了地面控制站顯示界面的“沉浸感”. 對仿真系統(tǒng)測試,得到圖6、圖7的顯示界面.

地面控制站虛擬儀表仿真界面如圖5所示,整個儀表仿真界面分為五個區(qū)域: ① 區(qū)域?yàn)榘l(fā)動機(jī)儀表信息顯示區(qū)域; ② 區(qū)域?yàn)橹黠w行顯示區(qū)域; ③ 區(qū)域?yàn)槎喙δ苄畔@示區(qū)域; ④ 區(qū)域?yàn)閷?dǎo)航顯示區(qū)域; ⑤ 區(qū)域?yàn)榇怪睂?dǎo)航顯示區(qū)域. 在發(fā)動機(jī)儀表顯示區(qū)域中,儀表信息顯示以指針和數(shù)值結(jié)合的方式. 在多功能顯示區(qū)域中,包含飛行器狀態(tài)、電氣、液壓、燃料等信息,通過STAT、ELEC、HYD等按鈕實(shí)現(xiàn)相關(guān)界面的切換.

圖6 地面控制站虛擬儀表仿真界面

圖7 基于 Google Earth 的地圖顯示界面

基于Google Earth的地圖顯示界面如圖7所示,該仿真部分主要包含三個區(qū)域: 地圖顯示區(qū)域、飛行數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和功能按鍵控制區(qū)域. 在地圖顯示區(qū)域中粉色的線條表示模擬飛行器飛行的航跡,地圖顯示區(qū)域的右上角的功能鍵和上下滑條能夠?qū)崿F(xiàn)對地圖的放大縮小及視角的調(diào)整; 地圖顯示界面的右上角部分為飛行數(shù)據(jù)顯示部分,包含空速、俯仰角、航向角等飛行信息; 地圖顯示界面的右下角部分包含功能控制按鈕,如飛行數(shù)據(jù)記錄、控制參數(shù)設(shè)置和通信鏈路測試按鈕等.

4 結(jié)語

本文采用GL Studio和VC++6.0相結(jié)合的編程方式及對Google Earth二次開發(fā)的方式,設(shè)計(jì)出了集飛行儀表、地圖及視景為一體的綜合仿真系統(tǒng). 測試結(jié)果表明,仿真系統(tǒng)性能穩(wěn)定,為無人運(yùn)輸機(jī)操作員提供全面的態(tài)勢信息,能夠滿足無人機(jī)飛行任務(wù)的需求,提高了操作員的決策效率. 同時,該系統(tǒng)為研究地面控制站界面工效研究提供了硬件平臺.

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Simulation System for the Human-Machine Interface of Ground Control Station for Unmanned Cargo Aircraft

TANG Zhi-Li1,DOU Yang-Long2,LI Shan2

1(School of Aeronautic,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China)
2(School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China)

In order to realize the goal that the civil unmanned cargo aircraft (UCA) would be controlled by the operator in the ground control station (GCS),the design scheme of the human-machine interface (HMI) for GCS is proposed which integrates the flight instrument and maps. By the way of mixed programming using the tools of GL Studio and VC ++ 6.0,this paper achieves the design of the flight instrument display interface. With the use of VC ++ 6.0 on the secondary development of Google Earth,this paper achieves the design of map display. With UDP transmission protocol,the flight simulation data from the Microsoft simulation flight X is sent to the interface of the display. The test results show that the system can provide complete information for the operator of the ground control station,improve the decision-making efficiency of the operator,and provide a new method for studying the interface efficiency of the ground control station.

ground control station; human-machine interface; GL Studio; Google Earth; ergonomics

湯志荔,竇洋龍,李姍.無人運(yùn)輸機(jī)地面控制站顯示界面的仿真系統(tǒng).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2017,26(12):89–93. http://www.c-s-a.org.cn/1003-3254/6089.html

國家自然科學(xué)基金(61573283)

2017-03-06; 修改時間: 2017-03-23; 采用時間: 2017-03-31