为UAS操作员培训创建模拟环境

无人机系统（UAS）正越来越多地被世界各地的军队使用。无论是侦察工作还是战术交战，无人驾驶车辆都可以从地面站进行远程控制，并在范围和敏捷性方面提供非凡的能力，同时消除对人类生命的风险。为了执行任务，操作员需要接受各种技能的培训，从UAS提供的视觉信息的解释到根据手头的情况做出正确反应。

模拟UAS地面站非常复杂，需要许多不同的技术协同工作才能为受训者产生最终结果。在为操作员培训创建模拟环境时，需要以直观的方式提供关键元素，例如UAS的传感器输出和显示用于驾驶或控制车辆的数据的图形叠加层，以确保提供有效的培训环境。

从系统设计的角度来看，使用不同的技术在多个不同的屏幕上模拟传感器输出和图形叠加可能会更容易。从受训者的角度来看，这种方法可能会产生不必要的工作量，并且叠加层在UAS的传感器馈送上精确定位的重要性可能会丢失。最佳解决方案是使用商用现成 （COTS） 3D 图像生成器和 COTS 2D 人机界面建模工具将 UASs 传感器馈送及其视觉叠加合并到单个屏幕中，以简化合并这些应用程序的过程，并提供更有效、更直观的 UAS 训练系统。

将需求与技术相匹配

COTS 3D 图像生成系统可用于模拟 UAS 传感器馈送。这种类型的应用程序可以在屏幕上渲染合成动画环境，例如地形，建筑物，移动的车辆，大气效果以及使虚拟世界栩栩如生的任何其他细节。除了在项目生命周期内接收持续的产品更新并从经过验证的框架中受益外，选择COTS图像生成器还带来了额外的功能，可提升UAS地面站模拟器的真实感，例如模拟高保真传感器（例如夜视镜和红外线）。相比之下，在内部开发这种先进的视觉功能成本高昂，耗时且极具挑战性，因为它需要非常具体的专业知识。

对于在传感器馈送顶部呈现给操作员的 2D 叠加层，例如平视显示器 （HUD） 或目标标线，COTS 人机界面 （HMI） 设计软件最适合，因为它使开发人员能够直观地定义叠加层的元素及其各自的功能、数据范围和信息源，而无需手动编写代码。设计完成后，自动代码生成器会将显示内容打包为独立的可执行程序。在开发的这一部分使用 COTS HMI 设计软件可引入高级创作概念，如图形逻辑创建，并通过使用图形用户界面而不是手动编码来加快开发周期。

集成 2D 和 3D 图形

一旦开发了2D叠加和3D图形，就需要将它们集成到一个有凝聚力的方法中，为学员提供准确代表真实设备的集成视图。

为了实现这一点，2D HMI设计软件和3D图像生成器都需要使用相同的图形语言在屏幕上绘制图形。如果他们不这样做，那么将它们集成到同一环境中将是困难的 - 如果不是不可能的话。在当今的桌面和嵌入式计算世界中，首选的图形语言通常是 OpenGL。

另一个需要解决的问题是，HMI设计软件生成的图形代码需要适应在更大的环境中渲染，并且在渲染图形时不会清除屏幕缓冲区，以免底层3D图形被删除。

在开始集成这两种技术之前，最后一个考虑因素是 2D 叠加图形的创作。由于它们将使用透明元素在3D环境之上渲染，因此应避免使用遮罩等图形技术（使用与背景颜色相同的视觉元素作为蒙版），因为它们会产生不需要的视觉伪影。

可以遵循两种常用方法来执行此集成。第一种也是更手动的方法是从HMI设计工具中获取生成的代码，并从3D图像生成器中的绘制后函数中调用它。绘制后函数是一个编程钩子，允许用户在完全显示3D虚拟世界后渲染自己的图形。这种集成技术需要熟悉这两种技术的熟练程序员。

通过使用 COTS HMI 设计软件提供的一种更简单的方法是将 2D 图形叠加封装为具有已定义通信接口的动态链接库 （DLL） 插件，并将生成的组件加载到支持外部插件并提供可视化配置实用程序的 COTS 3D 环境中。除了简化视觉叠加与UAS传感器馈送仿真的集成外，该技术还使得在对叠加图形进行更改后只需生成新的插件文件即可轻松迭代应用程序开发。

一旦显示代码加载到3D显示器中，就需要对其进行动画处理。大多数情况下，这是通过使用HMI设计中定义的通信结构将数据发送到2D叠加层来完成的。将数据分配到界面后，链接到传入变量的显示元素会自动更新自身以反映新值。

在数据传输机制方面，可以使用 DLL 插件中定义的 API 函数或通过覆盖代码与外部数据源之间的直接通信来发送信息。如果叠加层显示的数据与 3D 场景共享（例如，俯仰、滚动和高度），则将使用第一种方法。第二种技术用于覆盖数据托管在视觉系统外部（例如，目标网状或引擎数据）并且需要通过 UDP、TCP 或共享内存等协议传输的情况。

集成解决方案的优势

COTS 2D和3D图形的使用和集成是创建最接近UAS地面控制站中学员需要熟悉的真实设备的环境的最佳方式。随着UAS市场的增长，对动态，直观和逼真的培训环境的需求不断增加。开发人员在创建准确和身临其境的培训计划方面发挥着关键作用，并且必须了解HMI设计软件和3D图像生成系统等COTS技术如何帮助他们有效地提供高质量的模拟器。通过消除手动编码的需求，并使用提供高级逻辑创作的工具以及轻松集成2D和3D的能力，开发人员将领先于市场曲线一步。

审核编辑：郭婷