马里兰大学飞行模拟和控制实验室突破性XR研究

推进航空航天研究和创新

马里兰大学(UMD)的航空航天工程系正在通过突破性研究开创航空飞行培训的未来。创新的核心是扩展现实飞行模拟和控制实验室，该实验室由助理教授Umberto Saetti指导。

该实验室专门从事用于飞行训练和评估的高级虚拟、增强和扩展现实模拟(VR/XR)。目前，团队包含从硕士、博士到博士后研究人员约15人。

实验室的研究涵盖了一系列重要的航空航天领域，包括飞行动力学、垂直升力技术和人机交互。他们工作的核心是探索提高航空安全、飞行员表现和培训效率的新方法，重点是以前从未尝试过的方法。

自大约两年半前成立以来，该实验室已经从美国陆军、美国海军、国家科学基金会、洛克希德·马丁公司和美国国家航空航天局公司等多家著名组织获得了大约300万美元的研究资金。

马里兰大学扩展现实飞行模拟和控制实验室

大学实验室的新领域

基于沉浸式头显的模拟已经成为进行有效评估和研究的强大工具。对于航空航天研究来说，这些技术可以用更灵活、更经济、更易接近的虚拟环境来代替大型圆顶物理座舱模拟驾驶器。

在飞行中释放人类感官的全部潜力

UMD扩展现实实验室的研究特别关注将视觉反馈与不同的感官输入相结合，如触觉、主动前庭刺激和空间化(3D)音频，以提高训练效果。该团队利用各种可穿戴生理传感工具，在模拟过程中准确测量飞行员的工作负荷，并积极管理和优化体验。

助理教授翁贝托·萨伊蒂解释到:“我的研究重点是通过利用所有可用的感官线索来开发‘超级飞行员’”。由于飞行员在飞行时主要依靠视觉和他们的平衡感，其他感官，如触觉和听觉，在飞机控制中通常没有得到充分利用。“我们正在研究如何有效地利用这些额外的感官输入来提高飞行员的表现，改善航空安全，特别是在非正常情况下，”萨伊蒂说。

该实验室的大多数项目都涉及评估飞行员在虚拟现实环境中控制飞机的能力，以及测试在飞行过程中提供物理反馈的触觉提示算法。例如，与洛克希德·马丁公司合作，研究人员研究了触觉反馈(触觉)如何增强飞行员的感知能力，并有助于改善视觉退化情况下的表现。他们开发了算法和方法，帮助飞行员在黑暗中、穿过云层或在具有挑战性的环境下飞行，最终提高飞行安全。

最近，在一个由国家科学基金会正在研究触觉反馈是否有助于减少未来飞行员的训练时间。的项目中，明确展现出触觉线索可以加速有人驾驶的旋翼飞行器和遥控飞行器的训练。

最大化飞行感觉

UMD XR实验室的一个重要优势是其先进的飞行模拟器。得益于先进的运动提示，飞行员通过运动平台能够体验一系列飞行的物理感觉，从微妙的力变化到机动驾驶舱飞行体验。

让体验更加身临其境的是Varjo XR-3和XR-4头显先进的混合现实穿越技术。混合现实允许飞行员与驾驶舱元素进行物理交互，因为驾驶舱的一部分仍然是物理的，而其余部分是虚拟的。

为了完善这种体验，该实验室整合了一系列可穿戴触觉解决方案，包括用于触觉交互的触觉手套， 特斯拉suits刺激肌肉来模拟飞行的物理力量 bHaptics传递振动反馈以增强感官真实性的背心。

描绘飞行员的思维

理解飞行员的想法和模拟飞行一样重要。UMD研究团队非常重视监控飞行员的大脑活动，以更深入地了解飞行员的认知工作量和整体状态。“我们的目标是在整个任务中优化飞行员的表现，无论是在军事还是民用航空领域，”萨伊蒂说。

为了实现这一目标，该实验室采用了可穿戴的大脑监控设备，包括配备了功能近红外光谱(fNIRS)和脑电图(EEG)传感器的头显，，如可穿戴传感和OpenBCI。OpenBCI的高级生物传感将EEG传感器与Varjo的虚拟和混合现实硬件无缝集成。这种融合允许研究人员在飞行员导航沉浸式飞行环境时捕捉实时脑波数据。

这些工具共同实现了飞行模拟期间大脑和身体的全面、实时映射，为飞行员的精神努力和认知参与提供了一个窗口。

面向高级研究的可信技术

根据助理教授萨伊蒂的说法，VR/XR研究实验室最终决定使用Varjo混合现实头显的主要原因是其高精度、逼真度和无缝集成等优势。其中一个突出的功能是Varjo的Focal Edition选项，它可以在飞行员最需要的地方提供超高分辨率的近距离视觉效果，这使得在驾驶舱内的近距离观看仪表台数据成为可能。

“这是我们对Varjo XR-3和XR-4焦点版非常满意的一个原因，”萨伊蒂说。“我们特别选择了Varjo耳机，因为Varjo是市场领导者，选择Varjo从各个方面看都是显而易见的。”

该实验室还重视Varjo设备与模拟生态系统中其他关键技术的系统和软件无缝集成的能力。“Varjo与BRUNNER模拟器的无缝集成也使我们的设置和使用变得简单明了，”萨伊蒂指出。“此外，Varjo出色的客户和技术支持一直在满足我们的需求。”

描绘模拟技术的下一波浪潮

由于研究处于创新的前沿，UMD的XR实验室正在不断开发超越当前商业能力的技术。该团队下一步将探索他们的感官提示方法，如触觉反馈如何提高无人机驾驶等远程操作的参与度。

在这些情况下，飞行员通常只依赖视觉输入，这会导致疲劳和警觉性降低。研究人员的目的是探索结合触觉反馈是否可以增加飞行员的参与度，并引入与远程飞机的物理连接感。

此外该实验室还进入了一个被称为前庭电刺激(GVS)的开创性领域——一种使用电极通过头戴式显示器直接向大脑发送运动信号的技术。虽然仍处于早期开发阶段，但GVS有潜力模拟运动感觉，如转弯或加速。由于当前的运动平台在加速度模拟和运动范围方面存在一些限制，GVS可以为这些极端的飞行条件提供更真实的模拟体验，并有可能补充甚至取代物理运动平台。

这可能会彻底改变高G值机动、行星着陆甚至太空训练中的失重模拟方式。尽管挑战仍然存在，例如确保不同个体之间的可重复性和一致性，但未来GVS将有机会成为创造超现实飞行体验的可行工具。

“与技术合作伙伴合作，进一步探索这一点，可以释放出难以置信的潜力。我们的最终目标是在未来将这项技术开发成可行的商业产品，”萨伊蒂总结道。

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