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多模式无人机人机交互系统的设计研究
时间:2019-09-27
摘要：为了拓展军用无人机的功能， 很多技术人员对多模式无人机人机交互系统进行研究。本文在这一背景下， 首先对多模式无人机人机交互系统的总体设计思路进行分析， 之后从多模式人机交互装置、数据记录及处理子系统、人因工程评估子系统、无人机模拟训练子系统这几方面对多模式无人机人机交互系统的设计进行研究， 希望能为相关技术人员带来一定的启示， 提高无人机人机交互系统的设计水平。
关键词：多模式无人机； 人机交互系统； 系统设计；
随着科技的发展， 军用无人机的功能不断提高， 传统的使用鼠标操作的无人机人机交互模式已经不能顺应时代的发展和控制的要求， 所以国内外的技术人员开始对多模式的无人机交互系统进行研究与设计。近年来， 此项研究融合了人工智能与虚拟现实等技术， 国内外一些研究成果都推动了无人机多模式交互技术的发展， 下面笔者就结合自身的研究经验谈一谈多模式无人机人机交互系统的设计问题。
1 多模式无人机人机交互系统总体设计
设计多模式无人机人机交互系统需要融入人工智能和虚拟现实技术， 系统设计需考虑到系统的标准化、通用化和模块化要求， 要选择成熟货架产品作为系统硬件， 以此提高系统设备的可靠性和实用性。具体设计需要采用模块化的设计思路， 使系统具备如下功能。第一， 需要建立出无人机交互验证评估平台， 这是设计的首要功能， 要对操作员的动作定位数据进行收集和分析， 从而支持人机界面的开发。第二， 要设计出逼真的单人无人机操作训练环境， 从而提升教学和训练效果， 这需要系统采用沉浸式头显设备， 还原1:1的地面操作台和地面站场景。该系统应该由四项子系统组成， 不同的子系统需要发挥不同的作用， 共同构成整个人机交互系统， 下面笔者就对这四部分子系统进行分析。
2 多模式无人机人机交互系统设计分析
2.1 多模式人机交互装置
多模式人机交互装置是人机交互系统的基础层， 进行这部分设计时， 需要使用到两台独立的计算机， 并利用局域网传输交互数据， 将各个分支装置组合起来。其中包含几大交互装置， 第一是眼动仪装置， 需要采用与眼球追踪技术对人眼的位置和注视方向进行追踪， 具体可以用红外图像采集设备与红外设备对图像进行处理， 并使用软件算法计算， 达到追踪人眼转动的目的。第二是VR HMD装置， 这属于一种定位系统， 可以为操作者提供眼球画面中的三维场景。在具体设计时， 需用到具备90Hz刷新率和110°视场的HTC Vive头显， 并结合Steam VR追踪技术实时获取无线操控手柄与显示器的位置。[1]第三是3D体感摄像机， 这主要是捕捉操作者的肢体动作， 实时与虚拟场景进行交互， 对操作员模拟训练进行评估。具体设计要使用成熟的Kinect2设备， 并结合微软的Kinect接口文件和Prime Senseps编码技术， 获取人体信息。第四是VR Glove, 其可以对操作员的手势进行识别， 需要采用VR交互手套与显示设备进行联动， 通过手套内的传感器返回信息， 捕捉手势。第五是语音识别设备， 这主要是对语音效果进行识别， 需要使用中文语音交互模块进行指令采集。
2.2 数据记录及处理子系统
数据记录处理子系统也属于人机交互系统中的另一基础层， 主要可以起到数据库管理和网络通信的作用， 其中包含两大模块。其中的DDS网络通信模块需要使用分布式数据分发DDS技术， 可以与仿真平台中的数据及时进行交互。技术人员可以使用软件设计模式分离、桥接数据管理模块中的各子模块， 从而达成系统结构的独立演化。另一大系统是数据库管理模块， 具体设计要使用My SQL软件驱动进行模块管理， 构建出可以用于测试验证的环境。这一模块中还要设计出包含任务和数据处理等子模块， 使模块可以实现数据的输入、修改、整合等系列功能。
2.3 人因工程评估子系统
人因工程评估子系统数据人机交互系统中的应用层， 主要对多模式人机交互装置所采集来的数据进行分析和评估， 技术人员需要在系统中构建出评估算法和指标， 实现量化评估的目的。具体要在系统中加入控制器， 设计出操作域分析模块， 进行控制信息的传输。在进行控制器设计时， 要注意控制器分割距离的科学性， 避免发生因距离过小而发生连带操作的问题。同时， 设计人员还要对眼动仪等设备获取的信息进行转化， 设计出视域分析模块， 利用算法将信息转化为平面图， 并对显控界面的布局、眼球运动的指标等问题进行分析和评估。最后， 要设计出语音交互控制指令分析模块， 验证有限指令集语音区分度是否合理等问题。
2.4 无人机模拟训练子系统
无人机人机交互系统中的最后一个子系统就是无人机模拟训练系统， 该系统要与VR头显、交互手套等交联， 进行实时的、动态化的捕捉， 从而实现场景交互。为了使设计达成虚拟训练的效果， 该系统中也要建立出以下几个模块。其中可以使用仿真技术建立出虚拟操作台及航电系统， 对无人机的现实操作场景进行虚拟还原。还要构建出科目训练子系统， 在无人机控制之前对飞行内容、飞行方案等进行设定。[2]在具体操作无人机时， 离不开无人机飞行仿真模块， 这一模块可以对虚拟场景进行显示， 设计人员可以通过改善几何模型精度， 并提高解算程序的运行效率， 从而提高显示效果。
3 结语
综上所述， 近年来， 越来越多先进的技术出现， 这都为无人机人机交互系统的设计提供了支持。所以相关设计人员一定要创新设计理念， 引入先进技术， 积极进行实践， 搭建出功能强大， 实用性强的交互系统。还要不断完善人机交互系统中的各子系统， 积极利用该系统进行无人机操作训练， 从而提高我国的无人机技术。
参考文献
[1]王伟伟， 王卿。应用于无人机的新体系数据记录系统设计[J].智能物联技术， 2018, 1 （02） :33-37+41.
[2]余鸿哲， 彭飞， 等。针对路桥养护的无人机巡检信息管理软件系统[J].机电一体化， 2018, 24 （06） :45-50.
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