VR航空航天

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什么是VR航天航空

1、 概述

什么是VR航天航空?航空航天产业乃当代最尖端、最复杂的领域,集成了所有现代工业之大成,而对于安全性、可靠性、维护性等要求更是严苛。而VR航天航空是虚拟现实技术与服务,使飞航器无论在设计、生产、制造、训练、维护或营运均能藉由仿真模拟的方式来大幅提升设计效率和缩短生周期,飞航系统在生产前便能经过完整的流程分析,将风险降至最低、投资效率最大化。

 


 

2、 技术意义

1.人-机界面具有三维立体感,人融于系统,人机浑然一体。以座舱仪表布局为例,原则上应把最重要且经常查看的仪表放在仪表板中心区域,次重要的仪表放在中心区域以外的地方。这样能减少航天员的眼动次数,降低负荷,同时也让其注意力落在重要仪表上。

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2.继承了现有计算机仿真技术的优点,具有高度的灵活性。因为它仅需通过修改软件中视景图像有关参数的设置,就可模拟现实世界中物理参数的改变。

3.突破环境限制。现有航天仿真的计算机系统体现不了空间失重环境,而建立虚拟现实系统,通过虚拟的景象和声响就可以使被试处于太空飞行中实际的载人航天器座舱中,据此展开的相应试验研究具有实际意义。

4.节省研究经费。改用真实的航天器进行相应的试验研究是不可能实现的,因为耗资巨大,经费条件不允许。而采用虚拟现实技术,由于其研制周期较短,设计修改和改型仅通过软件修改实现,可重复使用。

 


 

3、 行业代表

NASA(美国国家航空与宇宙航行局)的好奇号漫步者一直在火星表面工作着,我们也能从漫步者处接收到足够多的火星照片。NASA将Oculus Rift虚拟现实眼镜(或者头戴式设备)与Virtuix Omni虚拟现实滑步机结合到一起创造了新的模拟器,让人们从感官上了解在火星上漫步是怎样的感觉。

虚拟现实技术自上世纪90年代开始被NASA(美国航空航天局)使用。随着应用的逐渐加深,虚拟现实技术正在发挥着越来越重要的作用。目前,虚拟现实作为训练工具在美国军事航天领域已发展成为一种成熟的技术,用于培养航天员执行关键任务。【2】

人类首次完成太空舱外活动(EVA)距今已过去50多年,EVA的成功与一项技术的发展和利用密切相关,而这项技术起初却被认为一文不值,它就是虚拟现实(Visual Reality)技术。早在虚拟现实产业处于起步之时,美国约翰逊航天中心(Johnson Space Center)就已发现它在航空航天领域的价值,并开始应用这项技术训练航天员进行太空行走活动。

约翰逊航天中心建于1962年,位于美国德克萨斯州休斯顿市的东南部,占地约680公顷,中心内有超过200栋的各式建筑。虚拟现实实验室(VR Lab)位于9号楼,外观与航天中心的其他建筑相似。实验室里有一辆一人高的可移动推车,装载着各种电子设备。推车两边各放置一张办公椅供舱外训练,椅子对面各有两台用线悬挂着的金属立方体,他们是搬运机器人,叫做Charlotte。此外还有头戴式显示器(HMD),外观黑色,后部用线路连接,一直在不断改进。

目前虚拟现实实验室头戴显示器的单眼OLED屏幕分辨率能够达到1920x1080p,帧率为20-60HZ,根据绘图场景所需的荷载、任务和复杂度不同而有所区别。带上这种头戴式显示器,使用者会发现自己悬浮于国际空间站的桁架之上,地球就在自己脚下旋转,并且隐约可以看见月球在肩膀上方。这种体验就像是真的飞到了地球之外的太空一般。推车上还安装了带传感器的手套以模拟触感,使用者带上手套后,在举起和转动双手的时候,看到的就是宇航员的双手。虚拟实验室的工程师团队可以将坐在训练椅上的任何人带上国际空间站,贴近空间站结构的任何表面,甚至停留在倒过来的圆顶天文台圆顶阁(Cupola)之外,并且完成这项工作轻而易举。对于参观的游客来说,这种空间的飞速置换会让大脑产生错觉,就像突然闯入了某个派对。而对于宇航员来说,这是在执行复杂而危险的任务之前一项非常重要的准备工作。

虚拟现实技术自上世纪90年代开始被NASA(美国航空航天局)使用。NASA的工程师们开发出的模拟和绘图功能能对各种太空任务进行仿真,比如操纵航天飞机的机械臂等。

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NASA似乎一直对Oculus Rift设备情有独钟,第一时间就拿到了开发者套装。他们做的事情其实很简单,比如说将360 由好奇号拍摄的火星照片接合起来,然后在Oculus Rift眼镜中就能看到这些景象,宛如佩戴者就身处火星一样。

NASA甚至还添加了地势的元素,可让受测者使用Xbox 360手柄进行走向的控制。不过随后,NASA将此工程更进一步,在整个系统中加入了Virtuix Omni虚拟现实跑步机,让人真正体会好似在火星表面行走的感觉。虽说地球的重力和火星还是有很大不同,但在体验上已经越来越真实。

应用VR技术后,工程师们希望解决的首要问题是:出舱活动机组成员与机械臂操作员之间的相互沟通太费时。比如舱外人员执行任务时倒挂在机械手臂的一端,当他说“把我提起来”时机械臂操作员虽然能听到但却不理解他的具体意图,而反复沟通确认会浪费在飞行轨道上的宝贵时间。VR技术将虚拟技术与图形学结合起来,能够实时的让舱外机组人员和机械臂操作员像面对面一样沟通。实际上出舱活动的所有场景都可以模拟,宇航员只要说“把我提起来”或“把我放下去”,机械臂操作员就能理解他的意图和所指的坐标系,实现快速有效沟通。此外,虚拟现实技术也省去了水下训练中水池场地限制的麻烦。
    

后来虚拟实验室的训练加入了机器人Charlotte,原本设计用于宇航员入睡后帮助其在航天飞机里进行现场看管。工程师们将它改造用于搬运物体。因此Charlotte成为帮助宇航员操纵太空物体的一种工具,这些物体虽然处于失重状态,但仍受轨道力学影响具有质量和重心。

2007年,在执行STS-120次飞行任务时,宇航员需要从国际空间站上卸下并运送一组太阳能电池板。一个太阳能电池帆板重达37000磅(约17吨),在太空中宇航员只要一根指头就可以举起来。但当这块电池板开始移动时,宇航员需要很费劲才能抓住它,因为力等于质量乘以加速度这个定律仍然存在,由于电池帆板的巨大重量,这时候的力足以大到将手套撕毁。而使用机器人Charlotte后,能保证太阳能电池板和手套都不会损坏,而且还能避免发生更糟糕的情况发生。


随着虚拟技术的发展,VR实验室的硬件也在不断更新。实验室前后总共使用了6代头戴式显示器。早期的3D头盔需要花费成百上千美元,并且不能即插即用。因此VR实验室并没有购买新头盔,而是在原有头盔上不断改进,提高了头盔的舒适度,防止航天员患仿真病(置身仿真环境过久产生的强烈恶心感)。另外,实验室用个人计算机更换了4个机柜的大型机,因为每年维护大型机的费用比置换费还要高,因此,VR实验室建立了自己的计算机。历经近20年的不断改进,实验室目前已具备最新的显示器、显卡、(头、眼)跟踪系统、以及目前市场上出现的可与实验室系统稳定集成的各种设备。


NASA虚拟现实训练使用的3D图形引擎是Dynamic Onboard Ubiquitous Graphics,简称DOUG。DOUG最神奇的一点是它在国际空间站的超精确3D图形复制功能。空间站的每一个部件都是一个独立模块,由500万个多边形构成,当空间站发生任何变化的时候,DOUG也会生成相应实时图像。

DOUG还用于国际空间站的舱外活动简便救援(SAFER)训练。1994年,VR实验室引入了SAFER训练。尽管以前还未发生过这种状况,但每个宇航员仍然需要进行这项训练以防被推离空间站。使用SAFER的喷气背包可以返回空间站,避免自由漂浮于太空的危险。这项训练之前一直在VR实验室进行,自2012年开始在太空开展,由于宇航员长时间在太空停留,导致距离上次训练时间过久,因此需要在太空开展这类训练。由于不能将其他辅助训练设备也送入太空,因此工程师们用一个倒置的笔记本放在简单设置的护目镜上作为头盔式显示器使用。约翰逊航天中心的下一步计划是让DOUG具有便携性,可以在休斯顿实验室和空间站使用。

VR实验室的一个巨大优势是使训练花费大大减少,训练员穿着自己的衣服就可以立即开始一个小时的训练,而不必耗费大量费用和精力在中性浮力实验室中的水下真实的上演每一个步骤。每个进入水池的宇航员需要其他四名潜水员协助,并且穿上航天服也很耗时。如果宇航员需要周末增加训练的话,其他四名人员必须陪同。如果国际空间站发生意外变化或需要开展计划外的舱外任务,或者某项任务需要修改,水下训练都要耗费很长时间做相应调整,而VR实验室可根据这些变化快速调整。

起初NASA尝试虚拟现实取得了成功,原因显而易见,因为太空环境在地球是无可复制的。随着应用的逐渐加深,虚拟现实技术正在发挥着越来越重要的作用。目前,虚拟现实作为训练工具在美国军事航天领域已发展成为一种成熟的技术,用于培养航天员执行关键任务。

 


 

4、 应用领域

 

国外案例

目前,美国各大航天中心已广泛地应用VR技术开展相应领域内的研究工作。在VR技术传入我国后,除几所院校建立一些初步的VR系统模型外,尚无在航天仿真领域展开此项技术的应用研究。

1.用于训练舱外活动:用于太空行走。

2.用于训练舱外活动简便救援装置(SAFER):模拟宇航员脱离航天飞机的情况。她说这比近期的好莱坞电影《地心引力》里的表现的要更加复杂一些。

3.用于机器人操作。

4.用于训练零重力质量处理训练:帮助宇航员找到零重力环境下的感觉。

5.用于太空旅游

 

国内案例

在国内最近智能硬件圈内的创业公司,亿航推出无人机新品,打出了VR的概念,可以通过佩戴VR眼镜来操控无人机的飞行和拍摄视角。【1】

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这几位来自山东大学的学生的项目甚至比这一想法更有意思,通过佩戴VR眼镜后,不仅可以第一视角来飞行,还可以通过RealSense摄像头,捕捉手势,在画面里直接操控飞机飞行。

他们的实现成本很低:一个AirDrone飞行器,这是一个给iPhone设计的遥控飞行器玩具,一位同学跟我讲,这是能编程最便宜的飞行器了;一个可以框入手机的VR眼罩,成本不到200元;再加上一部手机,一台配有RealSense摄像头的PC就配成了整套系统。佩戴VR眼罩从获取的飞行器画面来看,很流畅了

 


 

5、 前景展望

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1.虚拟现实技术与现有仿真的区别在于,被试不再是坐在现实世界中通过人机界面去观察分析研究对象的参数,而是沉浸到由计算机创造的一种虚拟世界之中,在这里面如同真实世界一样与周围的虚拟环境事物进行交互作用。因此,针对航天仿真技术的特点,建立虚拟系统,不但设备相对简单、投资少,而且可以真实地模拟空间效应,进而可作训练器,所以它是今后研究中值得推广和应用的技术。

2.从整体水平看,国内在VR研究方面刚刚起步,与国外相比,存在很大差距。为此,我们应充分跟踪美国航宇局和欧空局在载人航天仿真研究中的VR动态,在可行的基础上建立一套虚拟现实仿真系统。另外,在设计视景软件时,应与国际仿真软件的发展趋势接轨。

3.VR系统毕竟是一种虚拟化的事物,不同于真实世界。因此,如何平衡被试的心理负荷,避免操作失误以及焦虑、紧张等状态,让其将VR 技术真正作为一项实用的研究工具,提高工作效率,摆脱不必要的心理负担,这也是航天仿真虚拟现实技术应用中必不可少的一门课题。

4.建立航天仿真用虚拟现实系统,主要的硬件如图像生成计算机和头盔显示器等,由于技术发展速度很快,估计用不了几年时间它们的性能就难以满足研究要求了。为此我们应重点研究人-虚拟世界之间高速交互作用等问题。

 


 

6、 参考资料

1、用VR技术驾驶飞机 大学生创业还是有两把刷子 网易[引用日期2015-11-20]

2、看NASA如何利用VR技术训练航天员 中国百科网[引用日期2016-05-20]

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