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看NASA如何利用VR技术训练航天员

2016/3/22    来源:e-works    作者:谭欢编译      
关键字:VR技术  虚拟现实  
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。

    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。

图1 VR实验室,左边立方体是搬运机器人Charlotte

图1 VR实验室,左边立方体是搬运机器人Charlotte

    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。

图2 维修哈勃望远镜

图2 维修哈勃望远镜

    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。

图3 在国际空间站上进行SAFER训练

图3 在国际空间站上进行SAFER训练

    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。

责任编辑:郝秋红
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