小型近程无人机操控培训探究

屈强 周庆君 张励维

随着小型近程无人机在军事和民用领域中的应用迅速增加，具有熟练职业技能的无人机操控员需求也在增长。然而，有效的无人机操控员培训研究还没有完全跟上需求。为了推动无人机操控员培训事业的发展，本文研究不同无人机操控培训方案对培训效果的影响。根据试验结果，与接受监督控制培训的学员相比，接受高水平监督控制培训的学员加入手动控制培训后，其实际操控能力发挥更好。而过于自信的学员更加倾向于手动控制无人机，其操控失误导致的坠机概率比接受监督控制培训的学员高15倍。本文研究结果对无人机操控培训方案设计具有借鉴意义。

小型近程无人机具有机动性高、隐蔽性强、部署快捷等特点，在情报、侦察、监视、打击、通信中继、搜索救援、测绘、建筑物和基础设施巡检、精准农药喷洒等军事和民用领域中的应用正在迅速增长。

当前，无人机飞行任务需要严格的人工操控，人工操控失误是造成无人机事故的主要因素之一。国外先前已经研究无人机自动化水平对操控员行为的影响，以及操控员针对不同任务，如何动态调整自动控制比例。这些研究表明，为了减少人员工作量而引入更多的高水平自动控制技术，操控效果可能并不会一直提高。如何采取有效手段培训无人机操控员，如何改进技术以帮助操控员开展培训是当前无人机操控培训行业需要解决的问题。

还有一些无人机操控培训研究集中在如何改进培训设备、评估方法、预筛选方案来增强培训效果。无人机模拟器在操控员初始培训中已经被证明具有有效性。无人机运动提示提升了模拟器逼真度和训练效果。

另一项研究是，操控培训引入无人机追逐它机的训练场景，是否能增强操控员复杂环境下的态势感知能力。

其他研究通过功能性近红外光谱（Functional near-infrared spectroscopy， fNIRS）测量脑血氧量，评估无人机操控员在无人机飞行控制过程中的态势感知和认知能力。

上述研究侧重于辅助培训方法与培训效果测量方法，很少研究如何让操控员掌握最基本、最熟练的操控技能。此外，一些文献研究表明，操控員可能会过度信任小型近程无人机的自主飞行能力，在本应使用手动控制的情况下，过多采用航路点预设方法让无人机自主飞行。

操控培训试验方案

操控培训试验教具

本次操控培训试验采用一种小型近程多旋翼无人机。多旋翼无人机在手动控制或者监督控制模式下飞行。两种模式都有一个相似但不同的控制界面。监控模式下，参与试验的操控员预设起点、途径点、终点、飞行高度等参数，无人机按预设程序飞行，参试操控员只在必要时对无人机进行控制。

操控培训试验内容

操控培训试验分为培训和任务测试两个阶段。培训阶段包含理论学习与实操练习，而任务测试阶段主要是实操测试。培训阶段的实操练习与任务测试阶段的实操测试使用不同的场地环境。

通过调查发现，为达到较好效果，培训内容需包括六个基础培训单元和一个全流程实操培训单元，如表1所述。六个基础培训单元分别为无人机基础知识培训、应用程序界面培训、起飞与降落操控培训、通用导航培训、摄像机操作培训、应急处理培训，每个单元均采用教程、幻灯片学习，单元测试两种教学方式。此外，第3至第5单元分别安排起飞与降落、飞行、摄像机实操练习。所有培训单元均被设计为自定义进度，参试操控员可自行决定何时进入新单元学习。

操控培训试验过程

参试操控员共42人，被随机分配到3个不同的培训组。根据表1列出的无人机起飞、降落、飞行、摄像机实操练习，第1组操控员既练习手动控制，也练习监督控制；第2组操控员仅练习监督控制，因此实操练习时间短；第3组操控员也仅练习监督控制，但为了确定培训时间是否是提高操控能力的重要因素之一，第3组增加了额外的实操练习学时，确保与第1组具有相同的学时。

3组操控员完成培训后，均进行任务测试。测试内容为无人机监督控制，以检验参试操控员是否掌握了无人机飞行、摄像机等科目的必要操控技能。表2列出了3个组的实操培训与任务测试统计信息。

为了体现规律的普遍性，最后的任务测试包括三次独立测试，每次测试时间为15min（不含准备时间），任务测试场地与培训阶段的实操练习场地不同。第1次测试为必选项目，第2次测试和第3次测试为自选项目。每次测试开始前，参试操控员事先会拿到一张环境地图，并被告知数字纸板放置在环境中的特定位置，且环境中存在障碍物，会阻碍无人机飞行，但是参试操控员并不知道障碍物的数量与位置。测试目标任务是，操控员控制无人机起飞，并将无人机导航到目标位置，然后查看机载摄像机提供的信息，大声读出目标纸板上的数字，最后操控无人机返回起飞地点。根据测试规定，无人机坠机、撞机、任务完成前电池电量耗尽，视为任务测试失败；操控员正确读出纸板上的数字，视为任务测试成功。在三次测试中，操控员每次参与测试，均需重新调整障碍物位置和目标纸板位置。对于那些选择多次测试的参试操控员来说，他们在两次测试之间可以休息大约5min。

通过对比第1组与第2、3组的实操培训与测试，本文可以确定操控员加入手动控制培训是否有利于操控能力提升。

操控培训试验结果

42名操控员参加了本次操控培训试验。其中，39名完成第2或3次任务测试，33名完成所有三次任务测试。第1组有7人完成三次任务测试，第2组和第3组各有8人完成三次任务测试。由于第1组的实操培训时间比第2组长，所以第1组的许多参试操控员没有时间尝试第3次任务测试。

第1次任务测试结果

表3显示，在第1次任务测试中，第3组表现最好，其成功率达50%，即50%的参试操控员完成了任务；第2组成功率为36%，位居第二。这两组的成功率没有统计学差异。实操培训时间与任务测试失败之间没有明显的联系。

多次任务测试结果

在成功完成三次任务测试的16名参试操控员中，5名有无人机操控经验，11名没有无人机操控经验。5名有经验参试操控员完成任务测试的平均用时为5.54±0.86min，明显少于11名无经验参试操控员的平均用时6.85±0.95min。

表3显示，在第1次任务测试中，第2组平均用时最短；在第2次任务测试中，第1组平均用时最短。对于第1组，其第3次任务测试的平均用时最短，为3.64±1.74min，比第1次任务测试的平均用时缩短41%，这个41%是所有培训组三次任务测试平均用时缩短的最大值，表明随着时间推移，参试操控员操控技能更加熟练。三次任务测试平均用时分别是：第1次任务测试为6.44±1.09min，第2次任务测试为5.14±1.72min，第3次任务测试为4.29±1.80min。第2次任务测试平均用时比第1次缩短约1min，第3次任务测试平均用时比第2次缩短约1min。三组参试操控员完成三次任务测试的用时详见图2。

过度自信的影响

所有培训组完成无人机操控培训试验后，教员对每位参试操控员的实际表现予以评价，评价分为较差、基本满意、较好三个等级。如果参试操控员完成飞行任务，则被评为较好；如果参试操控员读出目标纸板上的数字，但无人机返回起飞点时坠机，获得基本满意评价；如果参试操控员造成无人机碰撞或无人机电池电量耗尽，则被评为较差。此外，参试操控员也需要对自己的表现进行自我评价，自评分为非常差，较差，基本满意，较好，优秀五个等级。表4统计了三组在第1次任务测试中表现较好、基本满意或较差的人数。

为了检验过度自信可能产生的影响，现将参试操控员自评等级与教员评价等级进行比较。首先，本文定义一个指标，即信心偏差，用来表征参试操控员的自信程度。如果参试操控员自评等级与教员评价等级相符，则信心偏差为 0，0是基准分数；如果参试操控员自评等级比教员评价等级高1级，则信心偏差为1，1表示自信；如果参试操控员自评等级比教员评价等级高2级，则信心偏差为2，2表示过度自信。同理，参试操控员自评等级比教员评价等级低1级，信心偏差为-1，-1表示不自信；参试操控员自评等级比教员评价等级低2级，信心偏差为-2，-2表示非常不自信。信心偏差的取值范围为-2～2。

图3显示了各组参试操控员完成第1次任务测试后的信心偏差。每组参试操控员分为成功者和失败者两类。在失败者中，65%的人员表现过度自信，而成功者没有过度自信的案例。

通過进一步调查发现，那些过度自信的参试操控员在任务测试中，采用了更多的手动控制，即在控制无人机飞行时，时不时会用手动控制替代自动控制。

结论

本文首先研究三种不同无人机实操培训方案的效果，检验手控+监控模式是否比监控模式的培训效果更好。第二，研究培训时间是否是提高学员操控技能的重要因素之一。令人惊讶的两个发现是，当参试操控员采用自定义进度训练时，多数人在规定的实操时间内很快完成了培训；过度自信的参试操控员造成坠机的概率是正常参试操控员的15倍，因为前者不信任无人机的自主性，更多采用了手控模式。虽然一个人的过度自信是与生俱来和因过去技术经验影响而形成的，但培训可改变一个人的过度自信。

对于那些成功完成任务测试的参试操控员来说，结果好坏参半。总体表现最好的是，在监督控制培训之前接受过手动控制培训的人员。因此，培训单位应重视手动控制培训，采用多种手段强化手动控制培训效果，例如模拟训练、基于第一人称视角的真机实训等方法，并且保证充足的培训时间。本次操控培训试验考虑并不周全，未来，我们将继续在操控培训中探索有效的方法，总结经验。