熊李娜

(中國航空無線電電子研究所 通信導(dǎo)航系統(tǒng)部， 上海 201100)

0 引 言

飛機座艙顯示控制系統(tǒng)作為人機接口，其設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到飛行員能否做出正確的判斷和決策，以及能否合理的控制，從而保障飛行員能夠安全、順利地完成飛行任務(wù)。

航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從分立式航空電子系統(tǒng)、集中式航空電子系統(tǒng)、聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)到綜合共享式航空電子系統(tǒng)的發(fā)展過程[1-3]。座艙顯示技術(shù)經(jīng)歷了由機電到電子、由專用到多功能、由分立到系統(tǒng)的漫長發(fā)展過程。顯示器歷經(jīng)簡單機電儀表、機電伺服儀表、綜合指引儀表、陰極射線管電子顯示器、平板顯示器系統(tǒng)，以及正在研制、探索、驗證的觸敏顯示控制器、頭盔顯示器和高清晰大屏幕顯示控制器等發(fā)展階段[1,4]。座艙顯示系統(tǒng)也隨著技術(shù)的發(fā)展不斷發(fā)展前進。

飛機座艙設(shè)計應(yīng)同時考慮飛行員的認(rèn)知特點和感知運動操作特性。在高度緊張的情況下，飛行員通常只是把直觀知覺到的顯示信息作為認(rèn)知判斷和操作的基礎(chǔ)[5]。研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)顯示控制類飛行管理系統(tǒng)人機界面相比，飛行員使用三維圖形數(shù)據(jù)格式信息顯示界面時，不僅認(rèn)知反應(yīng)時間短、操作錯誤少、心理負荷低，而且情景意識明顯增強[6]。因此，三維立體顯示器的研制和開發(fā)成為一種新的顯示選擇。用平視儀、下視儀、頭盔顯示器、三維聽覺顯示器和觸覺顯示器構(gòu)筑一個虛擬增強型座艙，讓飛行員在其中執(zhí)行一項模擬空中截擊任務(wù)，殲滅有兩架戰(zhàn)斗機支援的四輛地面坦克。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用增強型座艙的飛行員在戰(zhàn)場停留時間、對地攻擊次數(shù)、任務(wù)獲勝次數(shù)、敵我損毀對比方面比常規(guī)座艙占有明顯優(yōu)勢，而且增強型座艙能夠提高飛行員的情景意識、降低飛行員工作負荷，更受飛行員的歡迎[7]。

(1) 國外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)80年代中期，美國空軍就與麥道公司簽訂合同，利用模擬器研究21 世紀(jì)戰(zhàn)斗機的座艙技術(shù)。為此，麥道公司的座艙設(shè)計專家首次提出了“大圖像”(Big Picture)的概念，其主導(dǎo)思想是利用大屏幕顯示器實現(xiàn)超視距全局態(tài)勢感知，以頭盔顯示器作為實現(xiàn)視距內(nèi)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢感知的主顯示器，并采用握桿操縱控制(HOTAS)、觸摸控制、頭位跟蹤與控制等技術(shù)，實現(xiàn)綜合顯示控制[8-9]。X-32驗證機的座艙達到了“座艙2000”標(biāo)準(zhǔn)，而X-35驗證機則直接采用了“全景座艙”的設(shè)計理念。

國外第三代戰(zhàn)斗機的座艙布局多采用“一平三下”的布局方式，即平顯在儀表板頂部，之下是正前方控制板，三個多功能顯示器位于儀表板左、中、右[10]。采用該布局形式的戰(zhàn)機有歐洲的EF2000、JAS-39“鷹獅”等。

美國空軍研究實驗室于 1990 年提出了“全景座艙控制和顯示系統(tǒng)(PCCADS)”方案[9,11]，向飛行員提供較大面積的顯示器和離軸目標(biāo)截獲武器瞄準(zhǔn)頭盔，以滿足超視距的態(tài)勢感知和大離軸角瞄準(zhǔn)的需要。

相比第三代戰(zhàn)斗機或三代半戰(zhàn)斗機，F(xiàn)/A-22“猛禽”戰(zhàn)斗機是波音公司與洛馬公司聯(lián)合為美國空軍研制的空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機[12-13]。F/A-22 的座艙有1個平視顯示器和6個多功能顯示器[14-15]。

美國新研制的F-35戰(zhàn)斗機，其座艙配有大屏幕顯示器，支持觸敏控制、語音識別，采用雙目式瞄準(zhǔn)頭盔顯示器，充分體現(xiàn)了戰(zhàn)斗機座艙顯示的發(fā)展方向。

(2) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國軍用飛機正處在更新?lián)Q代時期，引入計算機控制顯示技術(shù)，用平視儀、下視儀、多功能顯示器等時分制綜合信息顯示系統(tǒng)取代常規(guī)機電顯示儀表，采用話音告警技術(shù)改進聽覺顯示界面，是我國新機研制和現(xiàn)役飛機改型中更新信息顯示界面的主要舉措。

①座艙控制界面研究

國產(chǎn)新機在普遍采用平視儀、下視儀、多功能顯示器等綜合電子顯示系統(tǒng)的同時，還大量采用握桿操縱控制器、顯示器周邊控制軟鍵、正前方控制板等新型控制設(shè)計將座艙重要控制器小型化、集中化、多功能化，以方便飛行員同時兼顧顯示觀察和操作控制。采用握桿操縱技術(shù)，將至關(guān)重要的轉(zhuǎn)換控制器集中布置在飛機油門桿和駕駛桿上，以保證飛行員在平視飛行操縱飛機的同時仍能完成諸如武器投放等控制動作，是現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機控制器設(shè)計的共同特點。

②座艙自動化與人工控制

座艙自動化正在成為一種設(shè)計時尚，為了切實降低飛行員的工作負荷，座艙自動化必須關(guān)注三個關(guān)鍵的工效學(xué)問題：功能分配、刺激-反應(yīng)兼容、飛行員內(nèi)在操作模型[16]，盡可能實現(xiàn)人與自動化系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)配合。目前，正致力于探討飛行員內(nèi)在操作模型和自動化系統(tǒng)運行模式之間的匹配和兼容，呼喚以人為本的自動化設(shè)計[17]。

盡管飛機座艙自動化在某種程度上減輕了飛行員的體力負荷，但卻增加了非常規(guī)操作的負荷，帶來很多與飛行安全相關(guān)的問題。例如，飛行員情境意識喪失、監(jiān)控?zé)o能、心理負荷加重、自動化系統(tǒng)故障或失效時難以有效恢復(fù)等[18]。目前，我國飛機座艙自動化控制技術(shù)尚處于初級階段，對飛機的整體自動控制能力有限，可靠性不高，這對座艙顯示控制界面的設(shè)計提出了新的要求。而我國軍用飛機座艙已采用大屏幕液晶顯示器取代CRT顯示器，液晶顯示工效學(xué)和座艙合理自動化可能成為國內(nèi)飛機座艙顯示控制界面工效學(xué)研究的重點領(lǐng)域。

隨著航電顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖形處理技術(shù)等的不斷發(fā)展，以及航電顯示復(fù)雜度的不斷增加，以往的開發(fā)方法逐漸暴露出諸多缺點[19]：需要進行復(fù)雜的編程和圖形設(shè)計，手寫代碼(Hand code)的工作量非常大；以手寫代碼描述儀表的復(fù)雜運動越來越困難，還容易忽略儀表的某些重要特性；編程、調(diào)試過程中消耗了大量的人力、物力和時間；開發(fā)的顯示形式單一，不能滿足日益豐富的需求；對于界面繁多且顯示格式復(fù)雜、數(shù)據(jù)交互要求高的航電顯示系統(tǒng)，所需要的開發(fā)投入更大、周期更長。這些都是國內(nèi)研究中面臨的關(guān)鍵問題。

為此，本文設(shè)計一種集成在C++系統(tǒng)中的飛機座艙顯示控制界面設(shè)計方法，探討軟件設(shè)計中采用的關(guān)鍵技術(shù)，并提出飛機座艙顯示控制界面設(shè)計的綜合評價方法。

1 軟件設(shè)計中采用的關(guān)鍵技術(shù)與方法

飛機座艙提供一個重要的人機交互環(huán)境。載機的飛行數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)的工作參數(shù)以及作為聯(lián)邦成員訂購的一些信息最后都要輸送到座艙內(nèi)的顯示系統(tǒng)[20]。操作者根據(jù)顯示的信息，操縱載機或者根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢做出相應(yīng)響應(yīng)。通過艙內(nèi)外視景的疊加以及對中央控制面板的操作獲得駕駛飛行仿真的沉浸感、交互感。

1.1 座艙顯示系統(tǒng)加入視景仿真

本文中，飛行員通過人機交互界面，仿真座艙的同時觀察艙外視景和艙內(nèi)顯示系統(tǒng)。由Microsoft Visual C++ 中MFC開發(fā)的多功能顯示器、中央控制板和用 OpenGL開發(fā)的平視顯示器最終需要嵌入到視景仿真平臺上并顯示出來[21]。

1.1.1 視景融合

界面的底層是由OpenGL實現(xiàn)的，而Microsoft Visual C++ 6.0開發(fā)出的仿真儀表等可以生成C++和OpenGL源代碼，因此它們之間是可以通過OpenGL 連接起來的。

視景仿真界面和OpenGL采用的三維觀察方法基本一樣，而二者的視點坐標(biāo)系不同。雖然都采用右手坐標(biāo)系，但是視景仿真界面視點看向y軸正方向，OpenGL看向z軸負方向，如圖1所示。

(a) 視景仿真視點坐標(biāo)系 (b) OpenGL 視點坐標(biāo)系

圖1 兩種視點坐標(biāo)系

Fig.1 Coordinate systems of two viewpoint

這樣就把視景、平視顯示器、多功能顯示器和中央控制面板整合在一個窗口中顯示出來，如圖2所示。

圖2 座艙顯控系統(tǒng)與視景疊加效果

1.1.2 鼠標(biāo)消息映射

在多功能顯示器和中央控制面板上，有許多可以進行人機交互的開關(guān)、按鍵，它們能對鼠標(biāo)的點擊等動作做出相應(yīng)的響應(yīng)。但是視景仿真界面和Microsoft Visual C++ 6.0兩種開發(fā)軟件平臺的鼠標(biāo)消息處理機制不同，導(dǎo)致仿真時座艙中多功能顯示器和中央控制面板上的開關(guān)按鍵不能響應(yīng)鼠標(biāo)消息。解決方法是：首先將視景仿真界面中的鼠標(biāo)消息映射為多功能顯示器能夠識別的鼠標(biāo)事件格式，然后重載視景仿真界面中的鼠標(biāo)消息處理虛函數(shù)onMouseInput。對于每一個需要根據(jù)鼠標(biāo)動作做出響應(yīng)的按鍵或開關(guān)，需要獲取它們的位置和尺寸大小，當(dāng)鼠標(biāo)點擊位置位于這個范圍之內(nèi)時，這些開關(guān)和按鍵將會做出反應(yīng)。流程圖如圖3所示。

圖3 鼠標(biāo)消息映射流程圖

1.2 飛機運動模型的實現(xiàn)

本文需要用實時獲得的飛行參數(shù)來驅(qū)動飛機模型和視點的移動，因此需要利用位置策略創(chuàng)建一種新的運動方式?？梢杂?vpObject 類的成員函數(shù) SetStrategy()將物體和運動模型進行綁定。對于有多種運動模型的仿真對象，函數(shù) SetNextStrategy()可以將多種運動模型順序與物體綁定。

在一次空戰(zhàn)仿真中，從機場跑道滑行開始到目標(biāo)截獲過程中的部分畫面如圖4所示。

(a) 跑道滑行階段 (b) 起飛階段

(c) 飛行航姿1 (d) 飛行航姿2

圖4 飛行仿真截圖

Fig.4 Screenshot of flight simulation

1.3 視點管理

在飛行視景仿真應(yīng)用中，操作者可以根據(jù)需要調(diào)整視點，只有進入到視點覆蓋范圍內(nèi)的場景、物體及環(huán)境特效才能被顯示出來，其他部分將被裁剪掉。因此視點管理在視景仿真中發(fā)揮著非常重要的作用。

當(dāng)視點位于飛機座艙外時，可以選擇相對于飛機模型不同的位置設(shè)定視點，看到飛機不同的側(cè)面，如圖5所示；當(dāng)視點處于座艙內(nèi)部時，使用設(shè)定一個相對于飛機模型固定偏移的視點，以達到總處于座艙內(nèi)部的感覺。

(a) 側(cè)視圖 (b) 前視圖

圖5 飛機座艙外不同視點效果圖

Fig.5 Different viewpoints outside the aircraft cockpit

1.4 視景仿真中的坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換

飛機飛行及座艙顯示視景仿真系統(tǒng)作為飛機數(shù)傳及控制系統(tǒng)仿真的一部分，需要將載機的飛行參數(shù)實時傳遞給監(jiān)控方顯示。仿真中整個大地形是以經(jīng)緯度為單位開發(fā)實現(xiàn)的，而飛行仿真中飛機位置數(shù)據(jù)是以米為單位計算的，為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)單位，需要將飛機位置參數(shù)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度在監(jiān)控系統(tǒng)上顯示出來。

通常，飛行視景仿真中涉及到四種坐標(biāo)系[22]：投影坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系和局部笛卡爾坐標(biāo)系，如圖6所示，圖中，LLE是Locally Linear Embedding(局部線性嵌入算法)的縮寫。該算法是針對非線性信號特征矢量維數(shù)的優(yōu)化方法，這種維數(shù)優(yōu)化并不僅是在數(shù)量上簡單的約簡，而是在保持原始數(shù)據(jù)性質(zhì)不變的情況下，將高維空間的信號映射到低維空間上，即特征值的二次提取。

(a) 投影坐標(biāo)系 (b) 大地坐標(biāo)系

(c) 地心坐標(biāo)系 (d) 局部笛卡爾坐標(biāo)系

圖6 飛行視景仿真中的四種坐標(biāo)系

Fig.6 Four coordinate systems in flight visual simulation

多種坐標(biāo)系在飛機、導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等各種飛行視景仿真中都有廣泛的應(yīng)用。

基于同一個橢球模型的不同坐標(biāo)系之間可以相互轉(zhuǎn)換，通過轉(zhuǎn)換，將一個坐標(biāo)系下的位置信息和姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換為另一坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)信息。大地坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系或者地心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換可以通過調(diào)用函數(shù)一步實現(xiàn)，而投影坐標(biāo)系和地心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換則需要以大地坐標(biāo)系為中間媒介。

2 顯控界面設(shè)計綜合評價方法

2.1 評價指標(biāo)體系的建立

2.1.1 評價指標(biāo)的篩選與確定

作為座艙顯示控制系統(tǒng)的綜合評價，必然要綜合考慮顯示系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的各個方面，包括顯示信息內(nèi)容，顯示方式，顯示背景、光照，顯示、控制布局以及控制器的可靠性、可控性等。任何一個方面都不是獨立的，而是與其他方面密切相關(guān)。飛行員只有通過顯示儀認(rèn)知并正確地理解后，才能進行有效的控制。因而，評價座艙顯示控制系統(tǒng)的有效方法是將其納入綜合性的任務(wù)環(huán)境之中，通過評估和分析執(zhí)行任務(wù)的效果，來評價顯示控制系統(tǒng)在實際任務(wù)環(huán)境中的效能。

2.1.2 評價體系的建立

由于顯示、控制器的布局影響顯示控制系統(tǒng)的性能，顯示、控制器的布局合理性也應(yīng)有兩個評價指標(biāo)?？紤]到設(shè)計、制造費用的制約，經(jīng)濟性自然也為一個評價指標(biāo)。

完成任務(wù)的程度用系統(tǒng)的“顯示水平”“控制水平”描述，在開始執(zhí)行任務(wù)和執(zhí)行任務(wù)過程中的狀態(tài)情況用“顯示可靠性”“控制可靠性”來評估。

隨著飛機性能的提高，飛行員的工作負荷及操作難度也日益增大。一個顯示控制系統(tǒng)，其工作強度當(dāng)然是越低越好。在評估該系統(tǒng)時，負荷強度也應(yīng)為一個評估指標(biāo)。

整個評價體系如圖7所示，其中包括11項：顯示可讀性、顯示可飛性、可控性、顯示可靠性、控制水平(能控性)、控制可靠性、總體布局合理性、經(jīng)濟性、可靠性、維修性及安全性。

2.2 評價方法的確立

(1) 在完成各飛行任務(wù)的基礎(chǔ)上用主、客觀綜合考慮法來評估單項指標(biāo)；

(2) 采用定性目標(biāo)的定量處理法來進行主觀評估；

(3) 采用專家判斷層次分析法[23]計算加權(quán)系數(shù)；

(4) 采用多級工程模糊綜合評判對座艙顯示控制系統(tǒng)進行綜合評判；

(5) 采用最小、最大距離法(重心排序法[24])進行排序、決策；

(6) 具體評估步驟：①根據(jù)具體評估對象及考慮因素、對象的實際使用情境確定測試課目、評估指標(biāo)；②填寫加權(quán)判斷矩陣，計算各級指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)；③進行各項測試,完成各單因素指標(biāo)評估；④綜合考慮主、客觀值，進行綜合評估；⑤利用④得到的綜合評估分值進行多方案的優(yōu)先排序。

圖7 顯控系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系

3 結(jié) 論

(1) 本文設(shè)計了一種集成在C++系統(tǒng)中的飛機座艙顯示控制界面設(shè)計方法，并開發(fā)出了平視顯示器、多功能顯示器，以及可以自定義的運動模型模塊、平視顯示器繪制模塊、多功能顯示器繪制模塊等，實現(xiàn)了艙內(nèi)視景、艙外視景的融合疊加和視點管理、場景管理、環(huán)境特效等功能。該設(shè)計方法能夠較好地反映出飛行員的運動學(xué)和動力學(xué)特性，提高了界面友好性、操作直觀性、簡便性。

(2) 飛機座艙顯控界面設(shè)計綜合評價方法與評價體系的建立，為飛機座艙顯示控制界面設(shè)計方法的評價建立了基礎(chǔ)，但目前此套評價體系尚在理論研究中，還需進一步實踐驗證。