——人机协同控制系统研制侧记
6月24日，3名航天员“驾驶”着神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器完成了首次手控交会对接。与自动交会对接时不同，航天员要与飞船“协同作战”才能共同完成这项被称为“百米穿针”的对接任务。
一套“完美”的人机协同控制系统是决定手控交会对接任务成败的关键。因此，如何设计出飞船在空间飞行环境下，以航天员为主体的最佳人工控制系统，让人和机器实现“完美结合”，成为飞船设计师们必须“啃下的一块硬骨头”。
航天员景海鹏、刘旺在进行手控交会对接训练
没有最接近，只有更接近
“航天员在进行手控交会对接时，如果出现视觉偏差将会导致严重后果。”中国航天科技集团公司五院502所载人飞船制导、导航与控制分系统(GNC分系统)副主任设计师任焜说。
为了不让偏差出现在设计上，技术人员在对飞船的视觉显示器界面进行设计时，提出了“无限接近真实”的要求。
比如，他们精确考量显示器的安装位置距离航天员的远近、高低及所在方位，让航天员视线与现实面的夹角应尽可能垂直，以减少视觉偏差；他们要求当飞船发生状态变化时，显示器必须实时显示；他们严苛显示器上的文字、数字、符号、图形的形状、大小和笔画的粗细、间距，以及指针、刻度、标尺的粗细、长短，使它们都符合航天员的判读习惯……
“仅在十字靶标的精度显示设计过程中，我们就进行了反复修改。”任焜回忆道。TV摄像机是手控交会对接过程中最主要的相对位置姿态观测设备。在目标飞行器与飞船TV摄像机相对应的位置上安装了十字靶标，可供航天员利用十字和底盘的相对关系辨别飞船和目标飞行器的距离和相对姿态。
“在最初的设计方案中，我们为了追求更高精度，确定了一种刻度划分方法，结果在训练过程中发现，这种刻度划分原则反而效果不佳。”任焜说。
因此，他们在原有的刻度方法上进行了调整。设计师认为，虽然从技术层面讲，调整后在某些方面略有牺牲，但收获了更高的成功率。
夏季开车对于普通驾驶员来说，强光反射是件令人头疼的事情。“太空驾驶员”同样也会碰到这种情况。因此，如何“武装”设备对付强光是技术人员挖空心思考虑的另一个问题。
拿十字靶标的设计来说，普通的表面处理方法在太空环境的强光反射下，根本不堪一击。
任焜告诉记者，在最初方案中，靶标的底盘是用普通工艺从处理的金属，虽然在地面状态完全满足人类肉眼的要求，但是技术人员通过太阳模拟实验发现，这种“调皮”的材料披了一层“老实”的外衣，强光反射下，它瞬间变得“煞白”，航天员根本无法识别靶标的数字。最后他们使用了一种特殊材料，才解决了这个问题。
除此之外，需要设计师们格外费心的还有显示器上字符与背景的亮度、对比度及颜色、照明水平、方式等，因为这些看似不起眼的细节也会影响到航天员的判读效果。
航天员景海鹏、刘旺在进行手控交会对接训练
航天员用着顺手是唯一标准
当“太空驾驶员”通过显示器得到了准确的信息并作出判断后，手控交会对接就要进入操作阶段了。这时，飞船上的控制器就成了下一场“大戏”的“领衔主演”。
飞船上的控制器包括操纵杆（控制手柄）、旋钮、曲柄以及联动开关等，它们也需要设计人员在工效学设计方面考虑不少问题。
比如，技术人员会考虑控制器的形状和尺寸必须与其功能、操作方式相匹配，符合航天员的日常使用习惯；在每一个控制器间，他们会根据航天员是否带手套，飞船振动幅度等因素来确定合理的间隔；控制器的安装位置则是遵循“把最重要的控制器安装在最易操作的位置上”的原则，依次排序……
在手控交会对接过程中，操纵杆起着“方向盘”的作用，掌控着飞船的飞行姿态和方向。设计人员希望操纵杆与航天员融为一体，成为他们的第二双手。因此，操纵杆的转动角度和移动行程等，都是与航天员多次“切磋”后确定的。
“航天员用着顺手是我们设计的唯一标准。”任焜说。为此，他们还在操纵杆的操作力度上下了番功夫，使航天员在用不同的身体部位进行操纵时，操纵杆的力度与航天员相应身体部位相匹配。
正如每辆汽车都会装置安全带和安全气囊一样。飞船上的操控装置也为航天员设计了一系列防护措施。
“在上天前，航天员累计接受过上千次的训练，再加上他们本身是飞行员出身，具备较强的操作能力和过硬的心理素质。平时，他们训练的成绩基本上都能达到厘米级，成功率是相当高的。”载人飞船制导、导航与控制分系统主管设计师李志宇告诉记者。但是，对于飞船的设计者而言，还是要为飞船预想出无数“不测”，并加以防护。
“为了便于航天员操作，手柄设计上有防误操作，航天员不小心碰到手柄不会影响操作性。此外，为了便于航天员辨识，手柄经过了特别设计，航天员即便是带着手套也能灵敏地感受到操作档位。”李志宇说。
为了最大限度减少航天员可能出现的操作失误，技术人员还尽可能地将操作系统简单化。
在航天员分析、判断以及发出操作指令的过程中，正常情况下，真正需要他们思考的东西比较少，即便“跟着感觉走”，也不会出现如同我们日常开汽车中，驾驶员将“油门”当成“刹车”的重大失误。
显然，手控交会对接给载人航天器的设计增加了难度，因为除了航天员的生保系统外，还必须提高整个系统的人机协同性和安全可靠性。正如技术人员们所言，实现人与飞船操作自动化的最优组合，最大限度地保证人的安全、飞船的可靠是他们永远追求的目标。（杨蕾/文 秦宪安/摄）
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