AR和VR技术领航航空电子应用

摘要

航空业正致力于整合诸如机器学习(ML)等AI技术，同时导入增强现实(AR)和虚拟现实(VR)应用，以重振飞行训练和飞机维护的实践与活力。

当新冠肺炎(COVID-19)疫情席卷全球之际，航空业正处于一个雄心勃勃地寻求AI、机器学习、增强现实和虚拟现实等新技术导入的过渡时期。航空电子产业曾经因为认证过程复杂而迟迟未能采用多核心处理器，如今，为了让设计人员能够事半功倍，终于开始拥抱强大的处理芯片，并在单一硬件平台上执行多种应用。

尽管历经疫情冲击后的航空业已今非昔比，但值得关注的是，在这个必须保持社交距离和接触者追踪的疫情时代，强大运算能力、新颖显示器和智能传感器的融合，是否足以让航空电子设备变得更灵活，更能应对新出现的挑战。

让我们从AI及其分支(如机器学习)开始，看看这些技术如何协助让原本呈现视觉混乱的驾驶舱变得简单利落，并且让负责飞机维修任务的工作人员提高效率。

航空电子设备导入机器学习

航空电子设备领先许多产业导入了自动化，并利用AI技术实现更大的自主性。各种新计划的目的都在于减少飞行员的工作量，准确地找到潜在问题，为飞行员提供更好的态势感知能力。

Collins Aerospace与嵌入式软件供货商Wind River携手，在飞机驾驶舱中采用AI和机器学习技术，以增强自动化系统的智能(图1)。为应对涉及确定性和可预测性的相关安全挑战，两家公司还在合作研究基于AI的解决方案。

图1：以AI为中心的机器视觉功能为飞行员提供独特的窗外视野，这在飞机发生着陆困难的情况时至关重要。（图片来源：Collins Aerospace）JDyednc

机器学习等AI技术正逐渐进入驾驶舱中，协助处理来自多个传感器和来源的复杂信息，然后再以一种有助于让飞行员做出明智决策的方式呈现给飞行员。这样的系统可以分为两大类：实时系统和非实时系统。

非实时系统通过卫星通信链路，能够将飞行数据传输到航空公司的数据中心，从而将飞机变成电子飞机。同样地，当飞机停在机场航站楼外停机坪时，也可以使用4G和5G网络链路。基于云端的远程分析可以监控传感器数据，以确保飞机高效率地运行，并在必要时推荐预测性维修。

另一方面，在实时航空电子系统中，机器视觉功能可以提供直观的3D地形图视野，作为飞行员的飞行辅助，例如用于飞机着陆机场时。这种部署于飞机本地处理平台上的机器视觉系统，有效地为飞行员提供确定性、低延迟的响应。JDyednc

增强飞行驾驶功能

“另类现实”(alternative reality)——包括AR、VR和混合现实(MR)技术，正成为军事和航空设计的下一个大型计算平台。MR运作于AR和VR技术的十字路口，是关于同时混合现实世界和数字交互的技术。

AR以数字方式将虚拟对象置于现实世界中，正成为监视和监控各种活动的可靠商品。例如，在驾驶舱内的飞行员可以通过AR眼镜查看飞机的实时数据。还有一些工具则可用于其他方面协助增强飞行员的实时决策。

首先，AR的采用有助于让复杂的飞行任务变得更容易一些。AR辅助飞行让飞行员能够做出更安全、更明智的决定。这是因为AR可以简化原本复杂的飞机驾驶工作，实现了免手动操作的可移动性和实时信息。

配备AR头戴式显示器的飞行员还能够利用视野中出现的数字信息，直观地检查飞行前的程序。此外，在黑暗和下雨的情况下，视觉系统会叠加一个周围区域的清晰影像，以促使飞机顺利地起飞和降落。

此外，以直升机飞行员在低能见度天气条件下飞行的情况为例。在这种时候，当飞行员专注于前方路径时，AR将有关山脉、房屋等数字地形信息带到飞行员的视野中。

值得注意的是，AR眼镜和头戴式装置还结合了AI和3D传感器技术，以各种方式扫描、识别以及跟踪影响飞机飞行和维护操作的问题。例如，AR技术让航空航天工程师和技术人员能够进行智能视觉检查，来补充飞机的例行维护任务。

虚拟驾驶舱

VR则是比AR更为人所熟知的虚拟相关技术，让使用者能沉浸在完全人造的世界中，该技术已被广泛用于飞行训练。自八十年代以来，航空训练很少变化或优化。这就是为什么空中客车(Airbus)和其他航空电子从业者开始探索VR技术，是为了实现更高价值的训练。

VR环境极其有效地仿真了物理世界，让航空公司能在虚拟中嵌入实践培训，以便更有效地训练飞行员、工程师和机组人员。平视显示器(HUD)等小型VR设备还让地勤人员能够准确地看到降落区、跑道和其他目标，而不会受到天气条件的影响。

澳洲航空(Qantas)和汉莎航空(Lufthansa)是首批使用VR训练飞行员、工程师和机组人员的航空公司。劳斯莱斯等飞机引擎制造商则为此提供了专门的VR训练工具，从而服务于各种航空电子用例。

虚拟驾驶舱为飞行员带来沉浸式体验，让他们只需要一台PC、一个VR头显以及一对手势控制器就可以进行在线培训(图2)。最初的VR训练让飞行员在进入全飞行模拟器和实况飞行阶段时更有效率。

图2：一名飞行员正在家中进行基于VR的飞行训练。（图片来源：Airbus）

Airbus正使用VR技术来补充其模拟器训练，让受训的飞行员能够在采取特定行动时收到有关飞行模拟的实时反馈。此外，飞行员还可以通过VR应用快速地学习与工程相关的任务。

航空电子的未来

在AI和3D扫描功能以及特性的协助下，AR和VR不再是令人惊叹的酷炫技术。他们正在寻找实际用例，而航空电子行业正为其提供了新的探索场所。这些技术有助于一系列的应用，从为飞行员提供更好的态势感知、监视和监控，到准确分类工程和维护问题以及飞行训练等。

Airbus和波音(Boeing)等航空公司拥有庞大而巧妙的数据集，借助具有卓越计算能力的多核处理器和针对特定机器学习性能的AI加速器，它们可以将这些数据集用于测试和训练AI算法。这与一系列AR和VR应用相结合，可以很好的改变后疫情时代的航空电子设备。

(原文刊登于EDN姊妹网站Electronic Products，参考链接：Augmented and virtual reality are high on the avionics technology checklist)JDyednc