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電車火熱之后，座艙里的設備和交互越來越智能。以往僅有的幾個功能，被現在的HMI設計代替。而現在火熱的低空經濟，其座艙也開是智能化。

2024年是各種“飛行汽車”嶄露頭角的一年，飛行汽車成為市場關注的焦點，低空經濟概念持續活躍。多款代表 eVTOL（電動垂直起降航空器 “Electric Vertical Take-Off and Landing” ） 產品的飛行測試取得成功，如上海峰飛航空的 “盛世龍”、吉利沃飛長空的 AE200 以及小鵬匯天的 “陸地航母” 分體式飛行汽車等取得的重要成果，讓低空經濟備受矚目。

圖 左： “盛世龍”、中：AE200 、右：分體式飛行汽車

與此同時，觸摸屏技術在飛機駕駛艙中的應用也逐漸成為趨勢。這一系列發展促使我們深入研究飛行器座艙交互設計，以實現更安全、高效與舒適的飛行。本文將綜合闡述不同類型飛行器座艙交互設計的特性，深入剖析其面臨的挑戰，并對未來發展趨勢進行展望，重點關注載人低空飛行器座艙交互設計的創新與進步。

一、不同類型飛行器座艙交互設計特點

1. 傳統飛行器座艙交互設計特點簡述

民用飛機座艙交互設計注重長途飛行的高效性、舒適性與安全性，在顯示與控制設備布局、人機交互方式等方面不斷優化；戰斗機座艙著重于作戰效能和飛行員協同作戰，布局與控制邏輯嚴謹；直升機座艙圍繞低空復雜環境作業，強調操作便利性和特殊環境適應性，這些傳統飛行器的座艙交互設計各有千秋，為現代座艙交互設計奠定了基礎。

左:大型客機 中:戰斗機 右:直升機

2. 民用載人低空飛行器座艙交互設計

1）創新構型與功能集成

以小鵬匯天飛行汽車為典型代表，其最新產品采用獨特分體式設計，其陸行體（增程式混合動力皮卡）兼具地面行駛和收納飛行體（多旋翼電動垂直起降飛行器）的能力，大大提升了飛行器的在不同場景適用性。飛行體續航超 500 公里，可滿足城際交通需求，航速較高，多座設計方便多人出行，為城市間的快速通勤提供了可能。

圖源來源小鵬匯天官網

1）先進的顯示與控制

配備先進座艙顯示系統終端，集成飛行狀態、導航信息、系統狀態等多類關鍵信息，為飛行員提供全面直觀的信息展示。飛行中，飛行員能實時掌握飛行器的飛行高度、速度、航向等信息，以及導航系統提供的精確路線規劃和周邊地形信息，這些信息對于確保飛行安全和實現準確導航至關重要?？刂圃O備設計符合人體工程學，操作部件位置與操控手感的優化，有效降低操作失誤風險，使飛行員能精準操控飛行器。

2）多元化人機交互方式

人機交互方式豐富多樣是載人低空飛行器座艙交互設計的一大亮點。這類飛行器通常采用觸摸屏技術與傳統物理按鍵相結合的方式，以充分發揮兩者的優勢。觸摸屏方便飛行計劃輸入、氣象信息查看等日常操作，物理按鍵保障發動機啟動、緊急制動等關鍵功能的可靠操作。語音交互系統也廣泛應用，減輕手部操作負擔，提高操作效率與安全性，讓飛行員專注飛行任務。例如，飛行員可通過語音指令快速查詢信息或調整飛行參數。但由于飛行時噪音較大，需要駕駛員有佩戴耳麥等設備。

3）高度自動化與安全保障

具備自動和手動兩種模式，自動模式下，可實現自動航線規劃、自動巡航飛行、智能一鍵返航、全向空中融合感知、降落視野輔助等一系列先進功能；手動駕駛模式操作簡便，如小鵬匯天的單桿操縱系統，單手單桿即可實現對飛行器的操控，具有較高的操作便利性和靈活性，提高飛行的操控性。其獨特旋翼設計和先進飛控算法確保飛行安全，具備高安全冗余保障，即使部分部件失效仍能穩定飛行。

4）便捷的轉換與操作體驗

小鵬匯天在全球首創的車載自動分合機構是載人低空飛行器的一項重要創新成果。可通過智能設備一鍵操控飛行體與陸行體分離或結合，快速切換行駛模式，操作便捷。智能手動駕駛模式上手快，降低飛行員學習成本，使更多人能體驗飛行汽車出行。

二、觸摸屏技術在飛行座艙中的優勢與挑戰

1. 優勢

1. 任務導向的顯控界面優化：觸摸屏技術使得顯示與控制功能融為一體，飛行員可通過觸屏操作改變屏幕顯示內容，突出當前任務關鍵信息，隱藏不必要的信息，避免信息混亂，利于安全高效監控和操作。而傳統駕駛艙的儀表顯示和控制器件存在一定的局限性，其設計往往沒有充分考慮飛行任務及飛行員的實際需求，容易導致信息呈現混亂、關鍵信息難以識別以及誤按按鈕等問題，對飛行安全構成威脅。
2. 工作負荷的有效降低：在飛行任務中，觸摸屏可整合顯示與控制設備，基于飛行任務的需求對資源進行整合，有效地協同了手、眼、腳等操作。它縮短了多個顯示與控制元件之間的物理操作距離，減少了飛行員在操作過程中的心理加工環節，從而有效地降低了飛行員的工作負荷，尤其在關鍵飛行階段優勢明顯。
3. 自然直觀的操作體驗：觸摸屏技術在日常生活中的廣泛普及使得人們對其操作方式極為熟悉，這種熟悉感也延伸到了飛行器座艙的操作中。觸摸屏人機界面元素具有較高的功能可見性，飛行員能夠憑借直覺快速理解并操作，操作速度得到顯著提升，同時錯誤操作率也大大降低。其良好的可學習性和技能遷移性使得飛行員能夠迅速掌握觸控交互方式，并且一旦學會，就不容易遺忘。這為飛行操作帶來了極大的便利，提高了操作效率。
   

   2. 問題

1）操作對視覺的高度依賴

觸摸屏的操作本質上是一種手眼協同作業，必須在眼睛的注視下才能完成。這與傳統操縱器件形成了鮮明對比，傳統操縱器件憑借其獨特的形狀和觸感，飛行員可以在不借助視覺或者無需持續注視的情況下進行操作。在多任務場景中，這一特性使得觸摸屏的使用受到限制，因為飛行員的視線很難從觸摸屏上轉移到其他任務上，從而影響了他們同時處理多個任務的能力，給飛行操作帶來了諸多不便。

2）控制精度的固有局限

與傳統控制器件相比，觸摸屏依靠手指接觸控制存在明顯短板。手指接觸屏幕的面積相對較大，這使得精確瞄準小面積目標物變得困難重重，而且當多個目標物距離較近時，難以清晰區分。在涉及精確數字輸入的任務中，例如調節預定精確高度或者調整氣壓基準，觸摸屏操作不僅耗時，還容易出現失誤。相比之下，旋鈕旋轉或者鍵盤輸入等傳統方式在這類任務中更加高效便捷。當然，對于那些不需要精確數字的操作，比如通過手指滑動來調整屏幕亮度，觸摸屏則可以憑借其直觀性輕松完成，無需確切知道亮度的具體數值，只要達到主觀感受舒適的程度即可。

3）觸動覺反饋的缺失影響

傳統操縱器件大多具備觸動覺反饋機制，這對于飛行員核實操作的準確性至關重要。例如，經驗豐富的飛行員可以通過感知駕駛桿的力度來判斷飛機的姿態。然而，觸摸屏操作卻恰恰缺少這種觸動覺反饋，這可能會導致視覺 – 觸覺信息不一致的問題。具體來說，飛行員僅僅從視覺通道獲取操作成功的信息，但無法從觸覺通道進行核實，從而影響了他們對操作結果的準確判斷。為了解決這一問題，需要為飛行員提供一些額外的信息（不一定是觸覺信息），以輔助他們核實操作，確保多感覺通道信息的一致性，進而提高飛行操作的可靠性。

4）誤觸風險與防范措施

在飛行過程中，飛行員可能會因為各種原因誤觸觸摸屏的某個區域或對象，這種誤觸可能會引發一系列不可逆轉的嚴重后果。為了降低誤觸風險，目前采取了一些措施。首先，需要明確界定觸摸屏在不同飛行任務中的適用范圍，確定哪些操作適合使用觸摸屏，哪些操作不適合。其次，對于一些關鍵操作，增加再次確認機制，確保操作的準確性。此外，還應提供中斷或可逆操作功能，作為誤觸發生后的補救手段。然而，目前在誤觸防范的人機交互機制方面的研究還不夠深入，仍然需要進一步探索和完善。

5）振動環境下的工作影響

飛機在飛行過程中不可避免地會遇到顛簸和振動，這對觸摸屏的交互性能產生了顯著的負面影響。振動首先會導致顯示畫面抖動，嚴重干擾飛行員的視覺，使其難以清晰地獲取信息。其次，振動對觸摸屏的操作也極為不利，會造成定位不準確，大大增加了飛行員的工作負荷。在任務對精度要求較高的情況下，觸摸屏的操作績效明顯低于軌跡球等其他交互方式。并且，不同的手勢在振動環境中的表現也大相徑庭，“單擊” 手勢相對而言受到振動的干擾較小，而 “拖拽”、“縮放” 等手勢在較為嚴重的振動環境中，任務完成時間會顯著延長，錯誤率也會大幅增加。

三、民用地空載人飛行器座艙交互設計面臨的挑戰

1. 信息過載問題

信息爆炸難以應對，航空技術發展使飛行器系統復雜，飛行各階段信息海量產生，如復雜氣象下氣象雷達和大氣數據計算機數據劇增，如果未來大量民用飛行器在空中飛行，飛行航路是否會有沖突，飛行員難以快速整合分析，易導致決策延誤或失誤，危及飛行安全。

2. 操作復雜性

系統繁雜操作不易，現代飛行器系統眾多先進，如自動駕駛、綜合航空電子等，各系統操作流程和控制方式復雜，自動駕駛系統航線飛行參數設置繁瑣，飛行員需掌握大量知識技能，學習成本和操作難度高，操作不當易引發事故。

3. 人機協同困難

人機交互協調難題，自動駕駛系統與人權限切換和工作協調不當易引發人機沖突，系統故障時飛行員手動接管操作不順暢可能導致飛行失控，需精確設計切換機制和協調策略。

4. 顯示與控制設備的可靠性與適應性

惡劣環境考驗設備，設備需在高溫、低溫、高濕度、強振動等極端環境下穩定工作，高溫沙漠或寒冷高空環境易使電子設備性能下降或故障，顯示屏凍結或顯示異常，影響飛行員獲取信息和操作控制，威脅飛行安全。

5. 飛行員個體差異

生理特征差異適配難，飛行員身高、臂長、視力等生理特征不同，要求座艙交互系統高度可調節，座椅、顯示設備位置和亮度等需適應個體差異，確保不同飛行員操作舒適、視野良好，提高操作準確性和效率。

6. 系統兼容性與升級

升級影響難以平衡，系統升級時需確保與原有系統兼容，避免影響飛行任務，且不能改變飛行員熟悉操作方式，如儀表顯示系統升級需無縫對接其他系統，否則增加飛行員適應成本和操作風險。

7. 安全與隱私保護

1）飛行信息安全堪憂

座艙交互涉及關鍵飛行信息，網絡通信環境下需防范黑客攻擊，防止飛行數據篡改、竊取或干擾，確保飛行控制指令準確執行，黑客入侵可能導致飛行失控，后果嚴重。

2）個人隱私保護重要

涉及飛行員個人信息（健康數據、操作記錄等）和乘客信息（身份信息、行程信息等）存儲使用需遵守法規保護隱私，座艙生物識別技術應用中要確保生物特征信息安全存儲和合法使用，避免信息泄露引發法律和信任問題。

8. 成本與效益平衡

1）研發成本高昂負擔重

開發先進座艙交互系統需大量資金和人力，新型顯示（OLED）和交互技術（語音識別、手勢控制等）研發成本高，增加飛行器研發總成本，對制造商和運營商經濟壓力大。

2）成本效益考量需權衡

提升座艙交互性能需兼顧成本效益，過于復雜昂貴系統增加制造成本、運營成本（維護、能耗）和維護成本（零部件更換），影響經濟效益，需在性能提升和成本控制間找平衡點。

9. 法規與標準遵循

法規標準嚴格約束

航空領域法規和標準（適航、人機工效等）嚴格，座艙交互系統設計需滿足顯示設備亮度、對比度、顏色編碼等標準，確保信息可讀性和可辨識度，保障飛行安全和人機交互質量。

標準更新及時跟進

法規標準不斷完善，座艙系統需及時滿足新要求，如飛行安全和人機協同新規出臺后，系統功能和性能需相應調整，確保符合最新法規標準，避免違規運營風險。

10. 應急處理

緊急情況應對艱巨

突發緊急情況（設備故障、氣象突變、遭遇鳥擊等）時，座艙交互系統需提供清晰應急指示和操作引導，如發動機故障時需及時準確顯示故障信息和應急流程（重啟步驟、備用動力啟動等），且信息直觀，避免飛行員因信息混亂延誤處理時機。

容錯恢復機制關鍵

系統應具備容錯能力，飛行員操作失誤或部分故障時保持基本功能，提供錯誤提示和糾正建議，故障排除后快速恢復正常運行且不影響后續任務，如誤關關鍵系統時能阻止錯誤執行或提供恢復簡便方法，保障飛行安全和任務連續性。

五、載人低空飛行器座艙交互設計的特殊考量

1. 飛行環境影響

1）城市環境復雜性

低空飛行器（如 eVTOL）常在城市環境中運行，面臨復雜地形、建筑物和交通狀況。飛行環境對座艙交互設計影響顯著，需提供清晰直觀交互界面，降低飛行員視覺負荷，提高視覺工效。例如在高樓林立城市飛行，飛行員需快速準確識別地標和障礙物，座艙顯示系統應突出關鍵信息，避免干擾。

2）視覺工效需求

良好座艙工效是飛行員高效完成任務重要保證。研究飛機座艙光環境對飛行員視覺工效影響表明，合適照明、顯示對比度等因素至關重要。在低空飛行器座艙設計中，需優化這些因素，確保飛行員在各種光線條件下清晰讀取信息，準確判斷飛行狀態。

2. 駕駛員位置判斷輔助

1）ADS – B 技術應用

飛行中駕駛員對地空位置判斷至關重要，ADS – B 技術提供周圍飛行器位置和高度信息，增強態勢感知能力，提升可視避讓能力。在 eVTOL 中應用 ADS – B 技術，可幫助飛行員及時了解周邊空中交通狀況，提前避讓決策，提高飛行安全性。如在繁忙城市空中交通中，飛行員可依此避免碰撞。

2）態勢感知提升

除 ADS – B 技術，還可結合其他傳感器和信息融合技術，進一步提升飛行員態勢感知能力。利用攝像頭、雷達等傳感器獲取周邊環境信息并整合到座艙顯示系統，以直觀方式呈現，幫助飛行員更好判斷自身位置和飛行環境。

3. 當前設計創新與不足

1）創新點

當前 eVTOL 座艙設計有創新之處，如模塊化座椅與座艙設計。Aviointeriors 的 Glassafe 座椅設計，通過透明繭式結構為乘客創造孤立空間，提高舒適度，也為座艙布局優化提供思路，可能影響人機交互方式和流程。

2）不足之處

eVTOL 座艙設計面臨挑戰，業界尚無統一屏幕放置位置標準，導致不同機型操作習慣差異大，增加飛行員培訓成本。在駕駛員握操作桿時可能操作不便，如難觸控制按鈕或觸摸屏操作受限。需通過人機工程研究解決，優化座艙交互設計。

（四）未來發展方向

智能化與傻瓜化趨勢

未來，民用eVTOL 座艙設計將更智能化和傻瓜化。用戶可在屏幕或手機預先制定飛行任務，包括快捷選擇目的地、自主規劃路線、提供高度建議等參數。更多的一鍵起飛，一鍵降落，一鍵航行等自動任務。能智能的根據實時交通和氣象條件自動調整路線，避開擁堵和惡劣天氣。

環境感知

座艙需解決用戶對艙外環境及起飛點、懸停點、目的地和降落點的判斷。通過傳感器和智能算法，實時監測飛行器狀態（電量、部件健康等）、艙外環境（氣象、地形等），并直觀呈現給用戶。利用定位技術和地圖數據，準確識別關鍵位置，提供全面飛行信息。

用戶狀態感知

實時監控駕駛員狀態，學習并記錄駕駛員的飛行習慣。在駕駛員身體狀態不能操作飛行器時，可以主動接管飛行，并安全降落等。

（五）戰斗機設計借鑒

1）布局優化模型應用

戰斗機座艙布局優化模型可用于 eVTOL，如基于飛行員視覺注意力分配的布局優化模型。分析飛行員視覺注意力分布，合理安排座艙內顯示設備、控制按鈕位置，使飛行員快速準確獲取信息和操作。如將常用信息和功能置于視覺焦點附近，減少視線轉移和操作時間。

2）視覺功能提升

借鑒戰斗機座艙提高視覺功能方法，采用特殊顯示技術提高信息對比度、清晰度，優化顏色搭配，降低視覺負荷，提高視覺工效。人機交互設計考慮飛行員視覺習慣和反應能力，確保操作便捷準確。

六、載人低空飛行器座艙交互設計實際案例分析

1. 小鵬匯天飛行艙設計案例

1. 飛前準備階段，展現出了高度的系統性和嚴謹性。起飛前，飛行器會進行設備自檢、系統自檢和環境確認等一系列步驟。設備自檢功能能夠全面檢測飛行控制系統、動力系統、通信系統等關鍵部件的工作狀態，及時發現潛在的故障隱患，確保飛行器在起飛前各個系統都處于最佳狀態。例如，通過對飛行控制傳感器的檢測，能夠確保飛行器在飛行過程中的操控準確性；對動力系統的檢查可以保證發動機或電機的正常運行，提供足夠的動力。系統自檢則主要針對座艙內的各種電子系統和軟件進行檢測，確保顯示系統、交互系統等正常工作，保證信息顯示準確無誤，人機交互流暢。環境確認環節則要求飛行員對起飛場地的地形、氣象條件等進行詳細檢查，判斷是否符合飛行要求。例如，檢查起飛場地是否有障礙物、風向和風速是否在安全范圍內等。這些飛行前的準備步驟相互配合，共同為飛行安全提供了堅實的保障。
2. 在艙內設備方面，小鵬匯天飛行艙配備了可觸摸的大屏和不可觸摸的導航水平儀表屏?？捎|摸大屏為飛行員提供了便捷的操作界面，可用于飛行計劃輸入、系統設置、信息查詢等多種操作。然而，在實際使用過程中，也發現了一些問題。例如，在飛行過程中，由于飛行器的振動以及操作反饋不夠直觀等原因，可能會影響觸摸操作的精度和效率。此外，在強光照射下，屏幕的可視性可能會受到一定影響。不可觸摸的導航水平儀表屏則提供了一種穩定可靠的導航信息顯示方式，即使在復雜的飛行環境下，也能夠清晰地顯示飛行器的姿態、航向、高度等關鍵導航信息，為飛行員提供了重要的參考依據。
3. 在交互方面，針對操作不便的問題，未來設計需要進一步優化屏幕位置和操作方式。例如，可以考慮調整可觸摸大屏的傾斜角度和位置，使其更符合人體工程學原理，方便飛行員在不同飛行姿態下都能夠輕松操作。同時，改進觸摸操作算法，提高觸摸精度和響應速度，增強操作反饋的直觀性，例如通過聲音或震動提示操作是否成功。此外，還可以探索如何更好地整合可觸摸大屏和不可觸摸儀表屏的功能，實現信息的無縫切換和共享，提高座艙交互的整體效率。
4. 心理安全，小鵬匯天飛行汽車雖從無機艙發展到全封閉雙人機艙，外觀的安全性逐步提升，但仍未完全消除用戶心理不安全感。不論飛行駕駛員還是觀眾，都有不安感未消除。除了宣傳上使用高管試飛驗證宣傳外，未來還可優化設計，如強化安全設計可視化，通過增加明顯安全標識與指示燈、展示安全結構材料，明確標識保障性降落傘，操作步驟外示，讓用戶能更直觀感知強化安全感。

圖片來源：小鵬匯天展廳，車展小鵬展位，小鵬匯天官網

2. 其他創新案例與實踐經驗

1. 除了小鵬匯天，還有一些企業在載人低空飛行器座艙交互設計方面也進行了積極的探索和創新。例如，某些公司在艙內布局設計上采用了更加靈活的模塊化設計理念，座椅和控制臺的布局可以根據不同的任務需求進行快速調整。在執行救援任務時，可以將座椅調整為方便救援人員進出和操作設備的布局；在商務運輸時，則可以調整為更加舒適的乘客乘坐模式。這種模塊化設計不僅提高了座艙空間的利用率，還增強了飛行器的通用性和適應性。
2. 在人機交互技術方面，一些企業正在研究將虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術應用于座艙交互設計。通過 VR 技術，飛行員可以在模擬的飛行環境中進行訓練，提前熟悉飛行操作和應對各種突發情況，提高飛行技能。在實際飛行中，AR 技術可以將導航信息、地形地貌、空中交通狀況等信息以虛擬圖像的形式疊加在飛行員的視野中，使飛行員能夠更加直觀地獲取信息，提高飛行的安全性和效率。例如，在低能見度天氣條件下，AR 技術可以幫助飛行員清晰地看到跑道、障礙物等重要信息，確保安全降落。
3. 此外，部分企業還注重提升座艙的舒適性和人性化設計。例如，采用更加舒適的座椅材料和人體工程學設計，減輕飛行員和乘客在長時間飛行中的疲勞感。同時，優化座艙內的環境控制系統，確保溫度、濕度、氣壓等環境參數適宜，為乘客提供更加舒適的乘坐體驗。在信息顯示方面，采用高分辨率、高亮度的顯示屏，并優化顯示界面的設計，使信息更加清晰、簡潔、易懂，減少飛行員的信息解讀時間。

七、結語