無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）正越來越多地被世界各地的軍隊(duì)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(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并在范圍和敏捷性方面提供非凡的能力，同時(shí)消除對(duì)人類生命的風(fēng)險(xiǎn)。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反應(yīng)。

模擬UAS地面站非常復(fù)雜，需要許多不同的技術(shù)協(xié)同工作才能為受訓(xùn)者產(chǎn)生最終結(jié)果。在為操作員培訓(xùn)創(chuàng)建模擬環(huán)境時(shí)，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(jì)的角度來看，使用不同的技術(shù)在多個(gè)不同的屏幕上模擬傳感器輸出和圖形疊加可能會(huì)更容易。從受訓(xùn)者的角度來看，這種方法可能會(huì)產(chǎn)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(huì)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(jī)界面建模工具將 UASs 傳感器饋送及其視覺疊加合并到單個(gè)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 訓(xùn)練系統(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(dòng)畫環(huán)境，例如地形，建筑物，移動(dòng)的車輛，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(xiàng)目生命周期內(nèi)接收持續(xù)的產(chǎn)品更新并從經(jīng)過驗(yàn)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(shí)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(nèi)部開發(fā)這種先進(jìn)的視覺功能成本高昂，耗時(shí)且極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰浅＞唧w的專業(yè)知識(shí)。

對(duì)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(jī)界面 （HMI） 設(shè)計(jì)軟件最適合，因?yàn)樗归_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(dòng)編寫代碼。設(shè)計(jì)完成后，自動(dòng)代碼生成器會(huì)將顯示內(nèi)容打包為獨(dú)立的可執(zhí)行程序。在開發(fā)的這一部分使用 COTS HMI 設(shè)計(jì)軟件可引入高級(jí)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(dòng)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(gè)有凝聚力的方法中，為學(xué)員提供準(zhǔn)確代表真實(shí)設(shè)備的集成視圖。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，2D HMI設(shè)計(jì)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(dāng)今的桌面和嵌入式計(jì)算世界中，首選的圖形語言通常是 OpenGL。

另一個(gè)需要解決的問題是，HMI設(shè)計(jì)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(shí)不會(huì)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(shù)之前，最后一個(gè)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(yīng)避免使用遮罩等圖形技術(shù)（使用與背景顏色相同的視覺元素作為蒙版），因?yàn)樗鼈儠?huì)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。第一種也是更手動(dòng)的方法是從HMI設(shè)計(jì)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(diào)用它。繪制后函數(shù)是一個(gè)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(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(jì)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(dòng)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(shí)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(shù)還使得在對(duì)疊加圖形進(jìn)行更改后只需生成新的插件文件即可輕松迭代應(yīng)用程序開發(fā)。

一旦顯示代碼加載到3D顯示器中，就需要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)畫處理。大多數(shù)情況下，這是通過使用HMI設(shè)計(jì)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)分配到界面后，鏈接到傳入變量的顯示元素會(huì)自動(dòng)更新自身以反映新值。

在數(shù)據(jù)傳輸機(jī)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(chǎng)景共享（例如，俯仰、滾動(dòng)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，目標(biāo)網(wǎng)狀或引擎數(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(shì)

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(xué)員需要熟悉的真實(shí)設(shè)備的環(huán)境的最佳方式。隨著UAS市場(chǎng)的增長，對(duì)動(dòng)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(jì)劃方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并且必須了解HMI設(shè)計(jì)軟件和3D圖像生成系統(tǒng)等COTS技術(shù)如何幫助他們有效地提供高質(zhì)量的模擬器。通過消除手動(dòng)編碼的需求，并使用提供高級(jí)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(lǐng)先于市場(chǎng)曲線一步。

審核編輯：郭婷