創(chuàng)建用于UAS操作員培訓(xùn)的模擬環(huán)境

軍方在全球范圍內(nèi)越來越多地使用無人機系統(tǒng)（UAS），推動了對高度逼真的訓(xùn)練環(huán)境的需求?；旌鲜褂眉傻?2D 和 3D COTS 圖形工具可以大大加快模擬器的開發(fā)和真實感，以滿足這一不斷增長的需求。

無人機系統(tǒng)（UAS）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(shù)交戰(zhàn)，無人駕駛車輛都可以從地面站進行遠(yuǎn)程控制，并在射程和敏捷性方面提供非凡的能力，同時消除對人類生命的風(fēng)險。為了執(zhí)行任務(wù)，操作員需要接受各種技能的培訓(xùn)，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的反應(yīng)。

模擬UAS地面站很復(fù)雜，需要許多不同的技術(shù)協(xié)同工作，為學(xué)員產(chǎn)生最終結(jié)果。在為操作員培訓(xùn)創(chuàng)建模擬環(huán)境時，需要以直觀的方式提供關(guān)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(xùn)環(huán)境。

從系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，使用不同的技術(shù)在幾個不同的屏幕上模擬傳感器輸出和圖形疊加可能更容易。從受訓(xùn)者的角度來看，這種方法可能會產(chǎn)生不必要的工作量，并且可能會失去覆蓋層在UAS傳感器饋送上的精確定位的重要性。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 UAS 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(yīng)用程序的過程，并提供更有效、更直觀的 UAS 培訓(xùn)系統(tǒng)。

將需求與技術(shù)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(yīng)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、移動車輛、大氣效果以及使虛擬世界栩栩如生的任何其他細(xì)節(jié)。除了在項目的整個生命周期內(nèi)接收持續(xù)的產(chǎn)品更新并從經(jīng)過驗證的框架中受益之外，選擇 COTS 圖像生成器還帶來了提升 UAS 地面站模擬器真實感的附加功能，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(nèi)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(biāo)標(biāo)線，COTS 人機界面 （HMI） 設(shè)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(shè)計完成后，自動代碼生成器將顯示內(nèi)容打包為獨立的可執(zhí)行程序。在開發(fā)部分使用 COTS HMI 設(shè)計軟件引入了高級創(chuàng)作概念，例如圖形邏輯創(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種有凝聚力的方法中，以便為受訓(xùn)者提供準(zhǔn)確代表真實設(shè)備的綜合視圖。

為此，2D HMI設(shè)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，將很難 - 如果不是不可能的話 - 將它們集成到同一個環(huán)境中。在當(dāng)今的桌面和嵌入式計算世界中，選擇的圖形語言通常是OpenGL。

另一個需要解決的問題是，HMI設(shè)計軟件生成的圖形代碼需要適應(yīng)在更大的環(huán)境中渲染，并且在渲染圖形時不清除屏幕緩沖區(qū)，以便底層3D圖形不會被擦除。

在開始集成這兩種技術(shù)之前，最后一個注意事項是創(chuàng)作 2D 疊加圖形。由于它們將使用透明元素在 3D 環(huán)境之上渲染，因此應(yīng)避免使用遮罩等圖形技術(shù)（使用與蒙版背景顏色相同的視覺元素），因為它們會產(chǎn)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。第一種也是更多的手動方法是從HMI設(shè)計工具中獲取生成的代碼，并從3D圖像生成器中的后繪制函數(shù)調(diào)用它。后繪制功能是一個編程鉤子，允許用戶在 3D 虛擬世界完全顯示后渲染自己的圖形。這種集成技術(shù)需要熟悉這兩種技術(shù)的熟練程序員。

通過使用 COTS HMI 設(shè)計軟件提供的一種更簡單的方法是將 2D 圖形覆蓋封裝為具有定義的通信接口的動態(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 傳感器饋送模擬的集成外，該技術(shù)還可以輕松地迭代應(yīng)用程序開發(fā)，只需在更改疊加圖形后生成新的插件文件即可。

在 3D 顯示中加載顯示代碼后，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(shè)計中定義的通信結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)發(fā)送到2D疊加層來完成的。將數(shù)據(jù)分配給接口后，鏈接到傳入變量的顯示元素會自動更新以反映新值。

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。如果疊加顯示的數(shù)據(jù)與 3D 場景共享（例如，俯仰、橫滾和高度），則將使用第一種方法。第二種技術(shù)用于覆蓋數(shù)據(jù)托管在視覺系統(tǒng)外部（例如，定位標(biāo)線或引擎數(shù)據(jù)）并且需要通過 UDP、TCP 或共享內(nèi)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)建最接近受訓(xùn)者需要在 UAS 地面控制站中熟悉的真實設(shè)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(xùn)環(huán)境的需求不斷增加。開發(fā)人員在創(chuàng)建準(zhǔn)確和身臨其境的培訓(xùn)計劃方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并且必須了解 COTS 技術(shù)（如 HMI 設(shè)計軟件和 3D 圖像生成系統(tǒng)）如何幫助他們有效地交付高質(zhì)量的模擬器。通過消除手動編碼的需要，并使用提供高級邏輯創(chuàng)作以及輕松集成 2D 和 3D 功能的工具，開發(fā)人員將在市場曲線上領(lǐng)先一步。

審核編輯：郭婷