為UAS操作員培訓創(chuàng)建模擬環(huán)境

無人機系統(tǒng)（UAS）正越來越多地被世界各地的軍隊使用。無論是偵察工作還是戰(zhàn)術交戰(zhàn)，無人駕駛車輛都可以從地面站進行遠程控制，并在范圍和敏捷性方面提供非凡的能力，同時消除對人類生命的風險。為了執(zhí)行任務，操作員需要接受各種技能的培訓，從UAS提供的視覺信息的解釋到根據(jù)手頭的情況做出正確反應。

模擬UAS地面站非常復雜，需要許多不同的技術協(xié)同工作才能為受訓者產生最終結果。在為操作員培訓創(chuàng)建模擬環(huán)境時，需要以直觀的方式提供關鍵元素，例如UAS的傳感器輸出和顯示用于駕駛或控制車輛的數(shù)據(jù)的圖形疊加層，以確保提供有效的培訓環(huán)境。

從系統(tǒng)設計的角度來看，使用不同的技術在多個不同的屏幕上模擬傳感器輸出和圖形疊加可能會更容易。從受訓者的角度來看，這種方法可能會產生不必要的工作量，并且疊加層在UAS的傳感器饋送上精確定位的重要性可能會丟失。最佳解決方案是使用商用現(xiàn)成 （COTS） 3D 圖像生成器和 COTS 2D 人機界面建模工具將 UASs 傳感器饋送及其視覺疊加合并到單個屏幕中，以簡化合并這些應用程序的過程，并提供更有效、更直觀的 UAS 訓練系統(tǒng)。

將需求與技術相匹配

COTS 3D 圖像生成系統(tǒng)可用于模擬 UAS 傳感器饋送。這種類型的應用程序可以在屏幕上渲染合成動畫環(huán)境，例如地形，建筑物，移動的車輛，大氣效果以及使虛擬世界栩栩如生的任何其他細節(jié)。除了在項目生命周期內接收持續(xù)的產品更新并從經過驗證的框架中受益外，選擇COTS圖像生成器還帶來了額外的功能，可提升UAS地面站模擬器的真實感，例如模擬高保真?zhèn)鞲衅鳎ɡ缫挂曠R和紅外線）。相比之下，在內部開發(fā)這種先進的視覺功能成本高昂，耗時且極具挑戰(zhàn)性，因為它需要非常具體的專業(yè)知識。

對于在傳感器饋送頂部呈現(xiàn)給操作員的 2D 疊加層，例如平視顯示器 （HUD） 或目標標線，COTS 人機界面 （HMI） 設計軟件最適合，因為它使開發(fā)人員能夠直觀地定義疊加層的元素及其各自的功能、數(shù)據(jù)范圍和信息源，而無需手動編寫代碼。設計完成后，自動代碼生成器會將顯示內容打包為獨立的可執(zhí)行程序。在開發(fā)的這一部分使用 COTS HMI 設計軟件可引入高級創(chuàng)作概念，如圖形邏輯創(chuàng)建，并通過使用圖形用戶界面而不是手動編碼來加快開發(fā)周期。

集成 2D 和 3D 圖形

一旦開發(fā)了2D疊加和3D圖形，就需要將它們集成到一個有凝聚力的方法中，為學員提供準確代表真實設備的集成視圖。

為了實現(xiàn)這一點，2D HMI設計軟件和3D圖像生成器都需要使用相同的圖形語言在屏幕上繪制圖形。如果他們不這樣做，那么將它們集成到同一環(huán)境中將是困難的 - 如果不是不可能的話。在當今的桌面和嵌入式計算世界中，首選的圖形語言通常是 OpenGL。

另一個需要解決的問題是，HMI設計軟件生成的圖形代碼需要適應在更大的環(huán)境中渲染，并且在渲染圖形時不會清除屏幕緩沖區(qū)，以免底層3D圖形被刪除。

在開始集成這兩種技術之前，最后一個考慮因素是 2D 疊加圖形的創(chuàng)作。由于它們將使用透明元素在3D環(huán)境之上渲染，因此應避免使用遮罩等圖形技術（使用與背景顏色相同的視覺元素作為蒙版），因為它們會產生不需要的視覺偽影。

可以遵循兩種常用方法來執(zhí)行此集成。第一種也是更手動的方法是從HMI設計工具中獲取生成的代碼，并從3D圖像生成器中的繪制后函數(shù)中調用它。繪制后函數(shù)是一個編程鉤子，允許用戶在完全顯示3D虛擬世界后渲染自己的圖形。這種集成技術需要熟悉這兩種技術的熟練程序員。

通過使用 COTS HMI 設計軟件提供的一種更簡單的方法是將 2D 圖形疊加封裝為具有已定義通信接口的動態(tài)鏈接庫 （DLL） 插件，并將生成的組件加載到支持外部插件并提供可視化配置實用程序的 COTS 3D 環(huán)境中。除了簡化視覺疊加與UAS傳感器饋送仿真的集成外，該技術還使得在對疊加圖形進行更改后只需生成新的插件文件即可輕松迭代應用程序開發(fā)。

一旦顯示代碼加載到3D顯示器中，就需要對其進行動畫處理。大多數(shù)情況下，這是通過使用HMI設計中定義的通信結構將數(shù)據(jù)發(fā)送到2D疊加層來完成的。將數(shù)據(jù)分配到界面后，鏈接到傳入變量的顯示元素會自動更新自身以反映新值。

在數(shù)據(jù)傳輸機制方面，可以使用 DLL 插件中定義的 API 函數(shù)或通過覆蓋代碼與外部數(shù)據(jù)源之間的直接通信來發(fā)送信息。如果疊加層顯示的數(shù)據(jù)與 3D 場景共享（例如，俯仰、滾動和高度），則將使用第一種方法。第二種技術用于覆蓋數(shù)據(jù)托管在視覺系統(tǒng)外部（例如，目標網狀或引擎數(shù)據(jù)）并且需要通過 UDP、TCP 或共享內存等協(xié)議傳輸?shù)那闆r。

集成解決方案的優(yōu)勢

COTS 2D和3D圖形的使用和集成是創(chuàng)建最接近UAS地面控制站中學員需要熟悉的真實設備的環(huán)境的最佳方式。隨著UAS市場的增長，對動態(tài)，直觀和逼真的培訓環(huán)境的需求不斷增加。開發(fā)人員在創(chuàng)建準確和身臨其境的培訓計劃方面發(fā)揮著關鍵作用，并且必須了解HMI設計軟件和3D圖像生成系統(tǒng)等COTS技術如何幫助他們有效地提供高質量的模擬器。通過消除手動編碼的需求，并使用提供高級邏輯創(chuàng)作的工具以及輕松集成2D和3D的能力，開發(fā)人員將領先于市場曲線一步。

審核編輯：郭婷