创建用于UAS操作员培训的模拟环境

军方在全球范围内越来越多地使用无人机系统（UAS），推动了对高度逼真的训练环境的需求。混合使用集成的 2D 和 3D COTS 图形工具可以大大加快模拟器的开发和真实感，以满足这一不断增长的需求。

无人机系统（UAS）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，并在射程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的反应。

模拟UAS地面站很复杂，需要许多不同的技术协同工作，为学员产生最终结果。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，使用不同的技术在几个不同的屏幕上模拟传感器输出和图形叠加可能更容易。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，并且可能会失去覆盖层在UAS传感器馈送上的精确定位的重要性。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 UAS 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 培训系统。

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。除了在项目的整个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之外，选择 COTS 图像生成器还带来了提升 UAS 地面站模拟器真实感的附加功能，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，自动代码生成器将显示内容打包为独立的可执行程序。在开发部分使用 COTS HMI 设计软件引入了高级创作概念，例如图形逻辑创建，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种有凝聚力的方法中，以便为受训者提供准确代表真实设备的综合视图。

为此，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，将很难 - 如果不是不可能的话 - 将它们集成到同一个环境中。在当今的桌面和嵌入式计算世界中，选择的图形语言通常是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清除屏幕缓冲区，以便底层3D图形不会被擦除。

在开始集成这两种技术之前，最后一个注意事项是创作 2D 叠加图形。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（使用与蒙版背景颜色相同的视觉元素），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。第一种也是更多的手动方法是从HMI设计工具中获取生成的代码，并从3D图像生成器中的后绘制函数调用它。后绘制功能是一个编程钩子，允许用户在 3D 虚拟世界完全显示后渲染自己的图形。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 图形覆盖封装为具有定义的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 传感器馈送模拟的集成外，该技术还可以轻松地迭代应用程序开发，只需在更改叠加图形后生成新的插件文件即可。

在 3D 显示中加载显示代码后，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。将数据分配给接口后，链接到传入变量的显示元素会自动更新以反映新值。

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。如果叠加显示的数据与 3D 场景共享（例如，俯仰、横滚和高度），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，定位标线或引擎数据）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受训者需要在 UAS 地面控制站中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 COTS 技术（如 HMI 设计软件和 3D 图像生成系统）如何帮助他们有效地交付高质量的模拟器。通过消除手动编码的需要，并使用提供高级逻辑创作以及轻松集成 2D 和 3D 功能的工具，开发人员将在市场曲线上领先一步。

审核编辑：郭婷