设计远程呈现无人机以支持同步、空中远程协作：一项探索性研究

文献标题

设计远程协作支持的空中临场感无人机：一项探索性研究

文献信息

• 主题领域: 远程协作、人机交互和无人机技术
• 关键词: 无人机, 用户界面, 遥控飞行器, 远程协作, 临场感, 协同工作, 四旋翼无人机, 远程协作控制

研究背景与问题

• 发现的问题或挑战:

  • 当前无人机技术在多远程用户的实时协作和社交互动支持方面存在局限性。
  • 现有远程无人机操控通常需要现场用户的辅助，缺乏多用户独立控制和管理无人机的自由。
  • 噪声和视野受限等硬件限制阻碍了无人机临场系统的开发。

• 为何重要:

  • 无人机在人道主义危机、搜索与救援、高空勘测等场景中具有巨大潜力，可减少风险、提高效率，拓展对难以到达地区的访问。
  • 支持多用户实时协作的远程无人机系统能提升决策过程和团队的环境感知能力。

• 研究动机与相关工作:

  • 研究动机是开发一个能支持中空远程协作的无人机遥控系统。传统的无人机平台，如谷歌的实验性无人机或一些现有的远程视频平台，未能很好地解决这些问题。
  • Rae等人的临场感设计框架为研究提供了理论基础，通过对过去研究的评估，作者发现需要跨软硬件领域解决多用户同步无人机操控问题。

解决方案

• 提出的方案:

  • 开发 "Squadrone" 系统，一个空中无人机临场平台，支持多个远程用户进行实时协作。
  • 主要特性包括共享360度视图、多用户控制切换、虚拟现实技术的整合，以及便捷用户界面设计。

• 创新之处:

  • 支持多个用户同时连接到无人机并独立调整视角，而不会干扰他人。
  • 为用户提供共享飞行操作的能力，通过游戏手柄实现易于掌握的操控方法。
  • 使用高分辨率360度摄像头和实时音频流提供沉浸式体验。

• 实施步骤与关键技术:

  1. 采用人机交互设计方法，经过三轮设计迭代开发Squadrone。
  2. 技术实现上结合了游戏手柄API、WebRTC视频流、云接口与无人机控制模块。
  3. 开发了一个兼容无人机的基于Web的用户界面，用于实时管理控制与任务自定义。
  4. 进行了硬件改造，如增加防震阻尼垫以减少震动对摄像头拍摄质量的影响。

研究成果

• 具体成果:

  • Squadrone 系统能够成功支持多用户远程协作，提供共享的空中视野和实时沟通能力。
  • 参与者表示通过该平台建立了对远程环境的更好感知，并实现了协作任务，如航拍勘探和物体定位。

• 优势:

  • 与现有解决方案相比，Squadrone 提供了较强的沉浸感和用户体验，特别是在无人机操控的灵活性和360度视图支持上。
  • 在实验中，Squadrone 的设计增强了团队成员的参与感与效率。

• 实验和评估结果:

  • 在三轮设计迭代中共收集到13名参与者（19-32岁）的数据，总飞行时间约380分钟。
  • 参与者总体对平台的沉浸式特性和协作体验表示满意，平均评分为6.16/7以上（基于沉浸感问卷）。
  • 在多个用户场景下，团队的整体参与度和任务贡献较为均衡。

• 局限性与未来方向:

  • 局限性:
    • 无人机的飞行时间受电池限制，音频捕捉的效果依赖于无人机操作人员的物理位置等。
    • 用户对设备（如VR头盔）的适应期可能影响初期的使用体验。
  • 未来方向:
    • 深入研究多用户遥控切换和视觉焦点的协作效益。
    • 优化用户界面及信息显示方式（如HUD）以适应复杂任务场景。
    • 探索更高效的噪声抑制方法和无人机音频捕捉技术。