王佳珂　牛亞峰　薛澄岐

摘要：無(wú)人機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展已相當(dāng)成熟，近幾年以大疆為代表的民用無(wú)人機(jī)發(fā)展更是迅速。然而民用無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展也帶來(lái)了一系列問(wèn)題，由于民用無(wú)人機(jī)控制界面復(fù)雜，對(duì)操控人員的要求較高，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)事故率居高不下，對(duì)人身安全與財(cái)物安全造成了安全隱患。研究者提出通過(guò)融合生理評(píng)測(cè)技術(shù)的無(wú)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(wú)人機(jī)事故發(fā)生率。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī) 控制界面 生理評(píng)測(cè)

中圖分類號(hào)：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2018）03-0154-02

引言

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)”，英文縮寫為“UAV'，是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為軍用無(wú)人機(jī)與民用無(wú)人機(jī)。隨著GPS技術(shù)、陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等一系列技術(shù)的成熟，無(wú)人機(jī)近幾年發(fā)展異常迅速，尤其是以大疆為代表的民用無(wú)人機(jī)。

一、無(wú)人機(jī)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

（一）民用無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展

1916年9月12日，第一架無(wú)人駕駛飛機(jī)在美國(guó)試飛，在隨后的數(shù)十年，無(wú)人機(jī)技術(shù)在軍用及民用領(lǐng)域不斷發(fā)展。尤其在近幾年，航拍技術(shù)的成熟促使民用無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展迎來(lái)了新的一輪爆發(fā)。隨著無(wú)人機(jī)市場(chǎng)從興起到普及，根據(jù)數(shù)據(jù)公司IDC的信息預(yù)計(jì)未來(lái)5年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到68%，到2019年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到300萬(wàn)臺(tái)，其中以大疆為代表的多旋翼無(wú)人機(jī)是主流。隨著無(wú)人機(jī)的民用化與商業(yè)化，無(wú)人機(jī)的使用環(huán)境與操作功能也變得更加多樣。無(wú)人機(jī)已應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、測(cè)繪、災(zāi)難救助、視頻拍攝等多個(gè)領(lǐng)域，其背后所蘊(yùn)藏的商業(yè)價(jià)值仍舊有很大的挖掘空間。

（二）無(wú)人機(jī)所面臨的挑戰(zhàn)

然而，在無(wú)人機(jī)技術(shù)高速發(fā)展中蘊(yùn)藏的不僅是商機(jī)，還有頻發(fā)的事故。（如圖1）所示，無(wú)人機(jī)的事故率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于民航與軍用飛機(jī)。在無(wú)人機(jī)早期階段，無(wú)人機(jī)事故的主要原因是機(jī)電故障，而隨著技術(shù)的成熟與制造工藝的進(jìn)步，人為錯(cuò)誤逐漸成為了無(wú)人機(jī)事故的主要因素。人為錯(cuò)誤又可以細(xì)分為錯(cuò)誤操作類與違反規(guī)定類，操作錯(cuò)誤通常是決策上的失誤，感知錯(cuò)誤以及操控技能的不成熟。

隨著無(wú)人機(jī)的民用化與商用化發(fā)展，無(wú)人機(jī)的飛行環(huán)境也發(fā)生了改變，從高海拔到低海拔，產(chǎn)生了更多障礙物與環(huán)境之間的交互，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的三維飛行環(huán)境信息，這無(wú)疑增加了使用者的操作難度。因此，關(guān)注操控者的認(rèn)知負(fù)荷與態(tài)勢(shì)感知，將操作界面元素合理有序地排布在民用無(wú)人機(jī)的小尺寸屏幕中，以更加高效順暢的方式呈現(xiàn)給操控者，并進(jìn)一步簡(jiǎn)化無(wú)人機(jī)的使用操作，優(yōu)化提升用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)安全高效地飛行，則成為了民用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)研究重點(diǎn)。

二、無(wú)人機(jī)控制界面研究

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)人機(jī)的研究集中在控制系統(tǒng)、信號(hào)傳輸技術(shù)等方面，其研究對(duì)象絕大多數(shù)都是軍用作戰(zhàn)及偵查類無(wú)人機(jī)，而民用無(wú)人機(jī)的界面研究開(kāi)發(fā)基本是由民用無(wú)人機(jī)廠商完成的，關(guān)于民用無(wú)人機(jī)界面研究文獻(xiàn)并不多見(jiàn)。張玉剛歸納總結(jié)了無(wú)人機(jī)界面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，情感感知影響因素以及人機(jī)功能分配理論。針對(duì)無(wú)AMI，地面控制系統(tǒng)（Ground Control 5ystem，GCS）的特點(diǎn)對(duì)人機(jī)界面包括框架、布局、色彩、符號(hào)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。丁霖介紹了中美兩國(guó)無(wú)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(lái)人機(jī)交互界面中需要大力研究顯示要素、顯示形式、顯控布局等關(guān)鍵技術(shù)，并提出對(duì)我國(guó)開(kāi)展相關(guān)工作的對(duì)策建議，對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)發(fā)展起到了牽引作用。馮震等人正對(duì)旋翼機(jī)的控制復(fù)雜性設(shè)計(jì)了一套地面控制站系統(tǒng)，可進(jìn)行航及設(shè)定和任務(wù)規(guī)劃，存儲(chǔ)于回放航拍記錄，并通過(guò)旋翼無(wú)人機(jī)虛擬模型和視頻圖像的融合處理，實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)飛行姿態(tài)、位置及運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了小型無(wú)人機(jī)的超視距遙感，使其具有直觀、形象的良好操控性能。Justin Menda等人通過(guò)近紅外光譜這種實(shí)時(shí)無(wú)傷的腦成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控操控者控制無(wú)人機(jī)過(guò)程中的大腦活動(dòng)，用于加強(qiáng)無(wú)人機(jī)操控員培訓(xùn)，無(wú)人機(jī)頁(yè)面評(píng)估以及開(kāi)發(fā)。NicolasIs]等人針對(duì)控制小型無(wú)人機(jī)（重量低于1千克）群的地面控制界面（Ground Control Interface，GCI）就安全性與操控難易度進(jìn)行評(píng)估，提出GCI的一系列必要特征，并開(kāi)發(fā)了一套GIC擴(kuò)展，用于減少無(wú)人機(jī)部署時(shí)間，最大程度擴(kuò)展任務(wù)時(shí)間，解決目前無(wú)人機(jī)續(xù)航不足的問(wèn)題。張?zhí)旌降热私榻B了旋翼式無(wú)人機(jī)的大體分類、技術(shù)組成、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展現(xiàn)狀，并預(yù)測(cè)了旋翼式無(wú)人機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。KWANGSU CHO通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)無(wú)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)。

三、融合生理評(píng)測(cè)技術(shù)的界面評(píng)價(jià)方法

對(duì)于無(wú)人機(jī)界面的用戶體驗(yàn)評(píng)估，常用的方法可分為兩大類：主觀評(píng)估方法與客觀評(píng)估方法，進(jìn)一步細(xì)分后的評(píng)估方法有：用戶測(cè)試、問(wèn)卷調(diào)查、專家訪談、啟發(fā)式評(píng)估、認(rèn)知過(guò)程走查、用戶模型、績(jī)效評(píng)估、生理測(cè)量等。其中，上述用戶測(cè)試等方法是從主觀態(tài)度層面來(lái)把握產(chǎn)品的可用性，而績(jī)效評(píng)估和生理評(píng)測(cè)則更為客觀和理性。相比績(jī)效評(píng)估，生理測(cè)評(píng)更多依賴于生理測(cè)量設(shè)備，但也提供了更高的信度與效度，隨著生理測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究人員將生理評(píng)測(cè)方法應(yīng)用到界面用戶體驗(yàn)研究中。

在生理測(cè)評(píng)方法中，皮膚電導(dǎo)、心率和心率變化、眼動(dòng)追蹤以及腦電技術(shù)在界面評(píng)估中具有較為廣泛地應(yīng)用于較高的評(píng)估價(jià)值。皮電是用戶體驗(yàn)中測(cè)量情緒喚醒度的有效指標(biāo)，相比其他生理指標(biāo)采集更加方便且價(jià)格便宜，因此在實(shí)際應(yīng)用中使用比較廣泛。皮電在應(yīng)用于用戶體驗(yàn)研究時(shí)，通常會(huì)結(jié)合其他生理指標(biāo)以及主觀評(píng)價(jià)方法。柳沙等人采集被試觀看不同外觀的座椅的皮膚電信號(hào)，并結(jié)合主觀問(wèn)卷，發(fā)現(xiàn)在70%以上的情況下，皮電明顯升高的座椅方案與主觀問(wèn)卷中偏好的方案相吻合。

心率在用戶體驗(yàn)研究中能夠反映被試的情緒體驗(yàn)，心率的升高或者降低都代表情緒的變化；心率的變化則對(duì)用戶的心理負(fù)荷更為敏感，隨著任務(wù)負(fù)荷的增加而逐漸減小。相比皮電，心電測(cè)量具有更高的時(shí)間分辨率，但也存在一定的局限性，例如，心率變化無(wú)法反映情緒的類型，積極的情緒和糟糕的體驗(yàn)都會(huì)引起心率的變化，因此心電指標(biāo)通常會(huì)結(jié)合其他指標(biāo)共同解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。譚征宇等人通過(guò)測(cè)量心電、皮電反應(yīng)數(shù)據(jù)，結(jié)合情緒量化表，發(fā)現(xiàn)心率在被試瀏覽網(wǎng)頁(yè)與靜息之間有明顯變化，其代表了用戶在瀏覽網(wǎng)頁(yè)期間有情緒變化，再結(jié)合皮電與情緒量表打分結(jié)果，進(jìn)一步探究不同圖版率的網(wǎng)頁(yè)對(duì)于用戶體驗(yàn)的影響。

在用戶與界面的交互方式中，視覺(jué)是比較直接的通道，因此眼動(dòng)追蹤是比較有效的界面評(píng)價(jià)方法。眼動(dòng)追蹤設(shè)備可以采集用戶在界面中的注釋時(shí)間、注視頻率，視覺(jué)軌跡等，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析量化后可以用來(lái)評(píng)價(jià)界面的用戶體驗(yàn)。謝偉等人基于無(wú)意識(shí)認(rèn)知理論，測(cè)量被試對(duì)兩種電飯煲界面的首次注視時(shí)間、視覺(jué)熱點(diǎn)圖、瞳孔大小等，結(jié)合行為績(jī)效評(píng)估與主觀問(wèn)卷，對(duì)電飯煲界面改良設(shè)計(jì)效果進(jìn)行評(píng)估。

腦電技術(shù)的誕生，使得連續(xù)監(jiān)測(cè)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的心理負(fù)荷成為可能，從而更加精確地反饋人機(jī)交互狀態(tài)。腦電數(shù)據(jù)可用于指征工作負(fù)荷和情緒體驗(yàn)的變化，隨著工作負(fù)荷的增加，α波的功率譜密度減小，而前額葉的β波則隨之增大，隨著工作記憶負(fù)荷的增大，前額葉的e波的功率譜密度也隨之增大。王?，|等人開(kāi)展了包括單一、主要、白天、夜間四類模擬駕駛實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)中收集駕駛員腦電、心電、皮電等數(shù)據(jù)，以腦電β波功率譜值、腦電β/α比值及腦電δ波功率譜值來(lái)表達(dá)駕駛員在駕駛過(guò)程中的情緒狀況與認(rèn)知負(fù)荷。

上述研究都已證明了生理評(píng)測(cè)在用戶體驗(yàn)研究方面的應(yīng)用價(jià)值，尤其是用戶的情緒體驗(yàn)與認(rèn)知負(fù)荷方面。但是單個(gè)生理指標(biāo)往往對(duì)于解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏說(shuō)服力，如心率、呼吸、皮電等并不能區(qū)分不同的情緒類別，只能反映生理喚醒水平，因此研究者通常會(huì)選取多個(gè)生理指標(biāo)，并結(jié)合主觀問(wèn)卷來(lái)進(jìn)行用戶體驗(yàn)研究，這也對(duì)多指標(biāo)的整合與數(shù)據(jù)分析提出了更高的要求。

四、適用于民用無(wú)人機(jī)界面的研究方法

軍用無(wú)人機(jī)界面主要是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)的模擬飛行任務(wù)來(lái)進(jìn)行，然而目前民用無(wú)人機(jī)與軍用大型無(wú)人機(jī)在控制方式上差別很大，民用無(wú)人機(jī)的使用場(chǎng)景通常在戶外，操控人員通過(guò)控制器與手機(jī)/平板點(diǎn)觸控制無(wú)人機(jī)，而軍用大型無(wú)人機(jī)一般通過(guò)地面控制站來(lái)進(jìn)行操控；在屏幕尺寸上，民用無(wú)人機(jī)通常采用手機(jī)、平板電腦或控制器內(nèi)置屏幕，相比之下民用無(wú)人機(jī)控制界面的屏幕小很多。因此，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室模擬飛行并不能很好地還原民用無(wú)人機(jī)控制場(chǎng)景，需要一種新的無(wú)人機(jī)界面研究方法。

由于無(wú)人機(jī)控制具備一定的難度，目前民用無(wú)人機(jī)廠商為了訓(xùn)練新手飛行員紛紛提供了模擬飛行應(yīng)用，如大疆公司開(kāi)發(fā)的APP“DJIGO”中的模擬飛行功能（如圖2），該功能下的控制界面與真實(shí)的控制界面基本一致。結(jié)合該功能，研究者提出通過(guò)眼動(dòng)、皮電等指標(biāo)揭示認(rèn)知過(guò)程中的認(rèn)知負(fù)荷，記憶能力等指標(biāo)，結(jié)合績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立較為完善的無(wú)人機(jī)控制界面可用性評(píng)價(jià)體系。具體操作為：在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬飛行，配合頭戴式眼動(dòng)儀與皮電、心電測(cè)試裝飾，（如圖3）所示，相比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬飛行更加接近真實(shí)場(chǎng)景與操作，對(duì)控制界面的評(píng)估也能夠更加準(zhǔn)確。通過(guò)皮電、心電設(shè)備獲取用戶在模擬飛行任務(wù)中各個(gè)階段（起飛、巡航、降落等）的生理參數(shù)，從而分析比較各個(gè)階段中用戶的精神負(fù)荷；利用眼動(dòng)追蹤研究獲取用戶在無(wú)人機(jī)控制界面上的視覺(jué)軌跡以及對(duì)于界面中各個(gè)元素的關(guān)注度，例如低電量警告能否及時(shí)被用戶所感知，并結(jié)合主觀問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)界面整體及局部元素做出用戶體驗(yàn)評(píng)估。

結(jié)語(yǔ)

民用無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展同時(shí)也帶來(lái)了安全問(wèn)題，無(wú)人機(jī)的操控復(fù)雜性是主要原因。現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)界面研究都集中在軍用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，為了提高民用無(wú)人機(jī)界面的可用性，降低操控難度，研究者提出了融合眼動(dòng)、皮電等生理評(píng)測(cè)技術(shù)的無(wú)人機(jī)控制界面評(píng)估方法，致力于建立完善的界面評(píng)估體系，提升無(wú)人機(jī)界面可用性，降低事故概率。