HMI助力飞天梦——浅谈载人低空飞行器设计

  配备先进座舱显示系统终端，集成飞行状态、导航信息、系统状态等多类关键信息，为飞行员提供全面直观的信息展示。飞行中，飞行员能实时掌握飞行器的飞行高度、速度、航向等信息，以及导航系统提供的精确路线规划和周边地形信息，这一些信息对于确保飞行安全和实现准确导航至关重要。控制设备设计符合人体工程学，操作部件位置与操控手感的优化，大大降低操作失误风险，使飞行员能精准操控飞行器。

  人机交互方式丰富多样是载人低空飞行器座舱交互设计的一大亮点。这类飞行器一般会用触摸屏技术与传统物理按键相结合的方式，以充分的发挥两者的优势。触摸屏方便飞行计划输入、气象信息查看等日常操作，物理按键保障发动机启动、紧急制动等关键功能的可靠操作。语音交互系统也大范围的应用，减轻手部操作负担，提高操作效率与安全性，让飞行员专注飞行任务。例如，飞行员可通过语音指令快速查询信息或调整飞行参数。但由于飞行时噪音较大，需要驾驶员有佩戴耳麦等设备。

  具备自动和手动两种模式，自动模式下，可实现自动航线规划、自动巡航飞行、智能一键返航、全向空中融合感知、降落视野辅助等一系列先进功能；手动驾驶模式操作简单便捷，如小鹏汇天的单杆操纵系统，单手单杆就可以实现对飞行器的操控，具有较高的操作便利性和灵活性，提高飞行的操控性。其独特旋翼设计和先进飞控算法确保飞行安全，具备高安全冗余保障，即使部分部件失效仍能稳定飞行。

  小鹏汇天在全球首创的车载自动分合机构是载人低空飞行器的一项重要创新成果。可通过智能设备一键操控飞行体与陆行体分离或结合，快速切换行驶模式，操作便捷。智能手动驾驶模式上手快，降低飞行员学习成本，使更多人能体验飞行汽车出行。

  任务导向的显控界面优化：触摸屏技术使得显示与控制功能融为一体，飞行员可通过触屏操作改变屏幕显示内容，突出当前任务关键信息，隐藏不必要的信息，避免信息混乱，利于安全高效监控和操作。而传统驾驶舱的仪表显示和控制器件存在一定的局限性，其设计往往没有最大限度地考虑飞行任务及飞行员的实际的需求，轻易造成信息呈现混乱、关键信息难以识别以及误按按钮等问题，对飞行安全构成威胁。

  工作负荷的有效降低：在飞行任务中，触摸屏可整合显示与控制设备，基于飞行任务的需求对资源进行整合，有效地协同了手、眼、脚等操作。它缩短了多个显示与控制元件之间的物理操作距离，减少了飞行员在操作的流程中的心理加工环节，从而有效地降低了飞行员的工作负荷，尤其在关键飞行阶段优势明显。

  自然直观的操作体验：触摸屏技术在日常生活中的广泛普及使得人们对其操作方式极为熟悉，这种熟悉感也延伸到了飞行器座舱的操作中。触摸屏人机界面元素具有较高的功能可见性，飞行员能够凭借直觉快速理解并操作，操作速度得到非常明显提升，同时错误操作率也大幅度的降低。其良好的可学习性和技能迁移性使得飞行员能够迅速掌握触控交互方式，并且一旦学会，就不容易遗忘。这为飞行操作带来了极大的便利，提高了操作效率。

  触摸屏的操作本质上是一种手眼协同作业，必须在眼睛的注视下才能完成。这与传统操纵器件形成了鲜明对比，传统操纵器件凭借其独特的形状和触感，飞行员可以在不借助视觉或者无需持续注视的情况下做相关操作。在多任务场景中，这一特性使得触摸屏的使用受到限制，因为飞行员的视线很难从触摸屏上转移到其他任务上，进而影响了他们同时处理多个任务的能力，给飞行操作带来了诸多不便。

  与传统控制器件相比，触摸屏依靠手指接触控制存在很明显短板。手指接触屏幕的面积相对较大，这使得精确瞄准小面积目标物变得困难重重，而且当多个目标物距离较近时，难以清晰区分。在涉及精确数字输入的任务中，例如调节预定精确高度或者调整气压基准，触摸屏操作不仅耗时，还有可能会出现失误。相比之下，旋钮旋转或者键盘输入等传统方式在这类任务中更高效便捷。当然，对那些不需要精确数字的操作，比如通过手指滑动来调整屏幕亮度，触摸屏则可以凭借其直观性轻轻松松完成，无需确切知道亮度的具体数值，只要达到主观感受舒适的程度即可。

  传统操纵器件大多具备触动觉反馈机制，这对于飞行员核实操作的准确性至关重要。例如，经验比较丰富的飞行员能够最终靠感知驾驶杆的力度来判断飞机的姿态。然而，触摸屏操作却恰恰缺少这种触动觉反馈，这有几率会使视觉 – 触觉信息不一致的问题。具体来说，飞行员仅仅从视觉通道获取操作成功的信息，但无法从触觉通道进行核实，进而影响了他们对操作结果的准确判断。未解决这一问题，需要为飞行员提供一些额外的信息（并不全是触觉信息），以辅助他们核实操作，确保多感觉通道信息的一致性，进而提高飞行操作的可靠性。

  在飞行过程中，飞行员可能会因为种种原因误触触摸屏的某个区域或对象，这种误触可能会引发一系列不可逆转的难以处理的后果。为降低误触风险，目前采取了一些措施。首先，需要明确界定触摸屏在不同飞行任务中的适合使用的范围，确定哪些操作适合使用触摸屏，哪些操作不适合。其次，对于一些关键操作，增加再次确认机制，确保操作的准确性。此外，还应提供中断或可逆操作功能，作为误触发生后的补救手段。然而，目前在误触防范的人机交互机制方面的研究还不够深入，仍然要进一步探索和完善。

  飞机在飞行过程中不可避免地会遇到颠簸和振动，这对触摸屏的交互性能产生了显著的负面影响。振动首先会导致显示画面抖动，严重干扰飞行员的视觉，使其难以清晰地获取信息。其次，振动对触摸屏的操作也极为不利，会造成定位不准确，大幅度提升了飞行员的工作负荷。在任务对精度要求比较高的情况下，触摸屏的操作绩效明显低于轨迹球等其他交互方式。并且，不同的手势在振动环境中的表现也大相径庭， 单击 手势相对而言受到振动的干扰较小，而 拖拽 、 缩放 等手势在较为严重的振动环境中，任务完成时间会显著延长，错误率也会大幅增加。

  信息爆炸难以应对，航空技术发展使飞行器系统复杂，飞行各阶段信息海量产生，如复杂气象下气象雷达和大气数据计算机数据剧增，如果未来大量民用飞行器在空中飞行，飞行航路是否会有冲突，飞行员难以快速整合分析，易导致决策延误或失误，危及飞行安全。

  系统繁杂操作不易，现代飞行器系统众多先进，如无人驾驶、综合航空电子等，各系统操作流程和控制方式复杂，无人驾驶系统航线飞行参数设置繁琐，飞行员需掌握大量知识技能，学习成本和操作难度高，操作不当易引发事故。

  人机交互协调难题，无人驾驶系统与人权限切换和工作协调不当易引发人机冲突，系统故障时飞行员手动接管操作不顺畅可能会引起飞行失控，需精确设计切换机制和协调策略。

  恶劣环境考验设备，设备需在高温、低温、高湿度、强振动等极端环境下稳定工作，高温沙漠或寒冷高空环境易使电子设备性能直线下降或故障，显示屏冻结或显示异常，影响飞行员获取信息和操作控制，威胁飞行安全。

  生理特征差异适配难，飞行员身高、臂长、视力等生理特征不同，要求座舱交互系统高度可调节，座椅、显示设备位置和亮度等需适应个体差异，确保不同飞行员操作舒适、视野良好，提高操作准确性和效率。

  升级影响难以平衡，系统升级时需确保与原有系统兼容，避免影响飞行任务，且不能改变飞行员熟悉操作方式，如仪表显示系统升级需无缝对接其他系统，否则增加飞行员适应成本和操作风险。

  座舱交互涉及关键飞行信息，网络通信环境下需防范黑客攻击，防止飞行数据篡改、窃取或干扰，确保飞行控制指令准确执行，黑客入侵可能会引起飞行失控，后果严重。

  涉及飞行员个人隐私信息（健康数据、操作记录等）和乘客信息（身份信息、行程信息等）存储使用需遵守法规保护隐私，座舱生物识别技术应用中要确保生物特征信息安全存储和合法使用，避免信息泄露引发法律和信任问题。

  开发先进座舱交互系统需大量资金和人力，新型显示（OLED）和交互技术（语音识别、手势控制等）研发成本高，增加飞行器研发总成本，对制造商和运营商经济压力大。

  提升座舱交互性能需兼顾成本效益，过于复杂昂贵系统增加制造成本、经营成本（维护、能耗）和维护成本（零部件更换），影响经济效益，需在性能提升和成本控制间找平衡点。

  航空领域法规和标准（适航、人机工效等）严格，座舱交互系统设计需满足显示设备亮度、对比度、颜色编码等标准，确保信息可读性和可辨识度，保障飞行安全和人机交互质量。

  法规标准逐渐完备，座舱系统需及时满足新要求，如飞行安全和人机协同新规出台后，系统功能和性能需相应调整，确保符合最新法规标准，避免违规运营风险。

  突发紧急状况（设备故障、气象突变、遭遇鸟击等）时，座舱交互系统需提供清晰应急指示和操作引导，如发动机故障时需及时准确显示故障信息和应急流程（重启步骤、备用动力启动等），且信息直观，避免飞行员因信息混乱延误处理时机。

  系统应具备容错能力，飞行员操作失误或部分故障时保持基本功能，提供错误提示和纠正建议，故障排除后迅速恢复正常运行且不影响后续任务，如误关关键系统时能阻止错误执行或提供恢复简便方法，保障飞行安全和任务连续性。

  低空飞行器（如 eVTOL）常在城市环境中运行，面临复杂地形、建筑物和交通状况。飞行环境对座舱交互设计影响显著，需提供清晰直观交互界面，降低飞行员视觉负荷，提高视觉工效。例如在高楼林立城市飞行，飞行员需快速准确识别地标与障碍物，座舱显示系统应突出关键信息，避免干扰。

  良好座舱工效是飞行员高效达成目标重要保证。研究飞机座舱光环境对飞行员视觉工效影响表明，合适照明、显示对比度等因素至关重要。在低空飞行器座舱设计中，需优化这一些因素，确保飞行员在各种光线条件下清晰读取信息，准确判断飞行状态。

  飞行中驾驶员对地空位置判断至关重要，ADS – B 技术提供周围飞行器位置和高度信息，增强态势感知能力，提升可视避让能力。在 eVTOL 中应用 ADS – B 技术，可帮助飞行员及时了解周边空中交通状况，提前避让决策，提高飞行安全性。如在繁忙城市空中交通中，飞行员可依此避免碰撞。

  除 ADS – B 技术，还可结合其他传感器和信息融合技术，逐步提升飞行员态势感知能力。利用摄像头、雷达等传感器获取旁边的环境信息并整合到座舱显示系统，以直观方式呈现，帮助飞行员更好判断自身位置和飞行环境。

  当前 eVTOL 座舱设计有创新之处，如模块化座椅与座舱设计。Aviointeriors 的 Glassafe 座椅设计，通过透明茧式结构为乘客创造孤立空间，提高舒适度，也为座舱布局优化提供思路，可能会影响人机交互方式和流程。

  eVTOL 座舱设计面临挑战，业界尚无统一屏幕放置位置标准，导致不同机型操作习惯差异大，增加飞行员培训成本。在驾驶员握操作杆时可能操作不便，如难触控制按钮或触摸屏操作受限。需通过人机工程研究解决，优化座舱交互设计。

  未来，民用 eVTOL 座舱设计将更智能化和傻瓜化。用户可在屏幕或手机预先制定飞行任务，包括快捷选择目的地、自主规划路线、提供高度建议等参数。更多的一键起飞，一键降落，一键航行等自动任务。能智能的根据实时交通和气象条件自动调整路线，避开拥堵和恶劣天气。

  座舱需解决用户对舱外环境及起飞点、悬停点、目的地和降落点的判断。通过传感器和智能算法，实时监测飞行器状态（电量、部件健康等）、舱外环境（气象、地形等），并直观呈现给用户。利用定位技术和地图数据，准确识别关键位置，提供全面飞行信息。

  实时监控驾驶员状态，学习并记录驾驶员的飞行习惯。在驾驶员身体状态不能操作飞行器时，可以主动接管飞行，并安全降落等。

  战斗机座舱布局优化模型可用于 eVTOL，如基于飞行员视觉注意力分配的布局优化模型。分析飞行员视觉注意力分布，合理的安排座舱内显示设备、控制按钮位置，使飞行员快速准确获取信息和操作。如将常用信息和功能置于视觉焦点附近，减少视线转移和操作时间。

  借鉴战斗机座舱提高视觉功能方法，采取了特殊显示技术提高信息对比度、清晰度，优化颜色搭配，降低视觉负荷，提高视觉工效。人机交互设计考虑飞行员视觉习惯和反应能力，确保操作便捷准确。

  飞前准备阶段，展现出了高度的系统性和严谨性。起飞前，飞行器会进行设备自检、系统自检和环境确认等一系列步骤。设备自检功能能够全面检测飞行控制管理系统、动力系统、通信系统等核心部件的工作状态，及时有效地发现潜在的故障隐患，确保飞行器在起飞前各个系统都处于最佳状态。例如，通过对飞行控制传感器的检测，能保证飞行器在飞行过程中的操控准确性；对动力系统的检查能够保证发动机或电机的正常运行，提供足够的动力。系统自检则主要是针对座舱内的各种电子系统和软件进行仔细的检测，确保显示系统、交互系统等正常工作，保证信息数据显示准确无误，人机交互流畅。环境确认环节则要求飞行员对起飞场地的地形、气象条件等进行详细检查，判断是不是满足飞行要求。例如，检查起飞场地是否有障碍物、风向和风速是否在安全范围内等。这些飞行前的准备步骤相互配合，共同为飞行安全提供了坚实的保障。

  在舱内设备方面，小鹏汇天飞行舱配备了可触摸的大屏和不可触摸的导航水平仪表屏。可触摸大屏为飞行员提供了便捷的操作界面，可用于飞行计划输入、系统设置、信息查询等多种操作。然而，在实际使用的过程中，也发现了一些问题。例如，在飞行过程中，由于飞行器的振动以及操作反馈不够直观等原因，可能会影响触摸操作的精度和效率。此外，在强光照射下，屏幕的可视性可能会受到一定影响。不可触摸的导航水平仪表屏则提供了一种稳定可靠的导航信息显示方式，即使在复杂的飞行环境下，也能够清晰地显示飞行器的姿态、航向、高度等关键导航信息，为飞行员提供了重要的参考依据。

  在交互方面，针对操作不便的问题，未来设计需要逐步优化屏幕位置和操作方式。例如，可优先考虑调整可触摸大屏的倾斜角度和位置，使其更符合人体工程学原理，方便飞行员在不同飞行姿态下都能够轻松操作。同时，改进触摸操作算法，提高触摸精度和响应速度，增强操作反馈的直观性，例如通过声音或震动提示操作是否成功。此外，还可以探索如何更好地整合可触摸大屏和不可触摸仪表屏的功能，实现信息的无缝切换和共享，提高座舱交互的整体效率。

  心理安全，小鹏汇天飞行汽车虽从无机舱发展到全封闭双人机舱，外观的安全性逐步提升，但仍未完全消除用户心理不安全感。不论飞行驾驶员还是观众，都有不安感未消除。除了宣传上使用高管试飞验证宣传外，未来还可优化设计，如强化安全设计可视化，通过增加明显安全标识与指示灯、展示安全结构材料，明确标识保障性降落伞，操作步骤外示，让用户能更直观感知强化安全感。

  除了小鹏汇天，还有一些企业在载人低空飞行器座舱交互设计方面也进行了积极的探索和创新。例如，某些公司在舱内布局设计上采用了灵活性更好的模块化设计理念，座椅和控制台的布局能够准确的通过不同的任务需求来做快速调整。在执行救援任务时，可以将座椅调整为方便救援人员进出和操作设备的布局；在商务运输时，则能调整为更加舒适的乘客乘坐模式。这种模块化设计不仅提高了座舱空间的利用率，还增强了飞行器的通用性和适应性。

  在人机交互技术方面，一些企业正在研究将虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术应用于座舱交互设计。通过 VR 技术，飞行员可以在模拟的飞行环境中进行训练，提前熟悉飞行操作和应对各种突发情况，提高飞行技能。在实际飞行中，AR 技术能将导航信息、地形地貌、空中交通状况等信息以虚拟图像的形式叠加在飞行员的视野中，使飞行员能更直观地获取信息，提高飞行的安全性和效率。例如，在低能见度天气条件下，AR 技术能帮助飞行员清晰地看到跑道、障碍物等重要信息，确保安全降落。

  此外，部分企业还注重提升座舱的舒适性和人性化设计。例如，采用更加舒适的座椅材料和人体工程学设计，减轻飞行员和乘客在长时间飞行中的疲劳感。同时，优化座舱内的环境控制管理系统，确保温度、湿度、气压等环境参数适宜，为乘客提供更舒适的乘坐体验。在信息显示方面，采用高分辨率、高亮度的显示屏，并优化显示界面的设计，使信息更加清晰、简洁、易懂，减少飞行员的信息解读时间。

  飞行器座舱交互设计领域持续不断的发展变化，载人低空飞行器（如 eVTOL）座舱交互设计机遇与挑战并存。考虑飞行环境、驾驶员操作习惯和技术发展的新趋势，借鉴战斗机等设计经验，结合人机交互新技术，持续优化座舱交互设计、解决现有问题，将为未来城市空中交通带来更安全、舒适和高效的飞行体验，推动载人低空飞行器在未来出行领域大范围的应用。随技术进步和研究深入，座舱交互设计将在智能化、人性化、安全性等方面持续突破，为航空领域发展注入新活力。