使用虚拟现实飞行模拟器评估飞行表现与眼动模式
2023年5月19日
开发了一种新型虚拟现实飞行模拟器，可高效且低成本地评估飞行性能和眼动模式。该模拟器还为人体工程学及其他研究领域提供了一种具有高潜力的研究工具。
本研究开发了一种新的虚拟现实飞行模拟器，用于在三维沉浸式场景中基于眼动和飞行操作指标评估飞行员表现。该飞行模拟器平台具有高度灵活性，且成本较低，能够满足研究人员的多样化需求。
该方法除飞行员外，还可用于航天员的选拔。首先安装飞行模拟器，将油门控制面板连接在一起，视为一个整体单元。
通过 USB 将油门、操纵杆和踏板连接到飞行模拟器 PC 模块。然后通过连接盒将头戴式显示器（HMD）连接到飞行模拟器 PC 模块。通过 PC 上的 VR 软件将基站和虚拟现实（VR）控制器连接到 HMD。要设置仅限站立的 VR 游戏区域，请确保 HMD 已开启并连接到计算机。
将基站斜向放置，确保头戴式显示器（HMD）始终处于基站监控范围内并保持固定，以维持稳定的虚拟现实（VR）环境。然后根据计算机上VR软件的提示设置仅限站立的活动区域。将调校好的飞行控制模块和大屏幕显示器与VR HMD连接至同一台计算机。
通过讲解交通模式和地图，向参与者介绍任务及模拟器操作，并指导其如何使用虚拟现实飞行模拟器。为每位参与者佩戴虚拟现实头戴式显示器（HMD），校准其眼动，调整设备高度、瞳距及注视点。随后，启动屏幕录制软件，并运行飞行模拟器以开展飞行训练。
指导参与者如何使用飞行踏板、操纵杆和油门，尽可能贴近飞行参考线进行操控。操作完成后，重置飞行油门和发动机开关按钮，然后停止记录。
为了开展正式的飞行实验，为参与者佩戴虚拟现实头戴式显示器（VR HMD），并启动OBS Studio以开始录制屏幕。仪器兴趣区（AOIs）的眼动数据以及空速、垂直速度、高度和发动机转速指示器显示，与新手相比，专家在空速表、高度表、垂直速度表和姿态指示器上的眼动数据分布更接近均值，更为均匀。在总飞行时间、距参考线的平均距离、着陆前一秒的俯仰角以及距参考线距离的标准差等方面，专家的飞行性能数据也较新手更集中于平均值附近。
校准每位受试者的眼动数据，并相应调整设备高度、瞳孔间距和注视点。
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概述
本研究介绍了一种新型虚拟现实飞行模拟器，该模拟器旨在通过三维沉浸式环境中的眼动和飞行参数来评估飞行员的表现。该模拟器成本较低且具有良好的适应性，可满足多种研究需求。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 人因工程
- 虚拟现实技术
背景
- 现有的飞行模拟器可能价格昂贵且灵活性不足。
- 眼动模式对于评估飞行员表现至关重要。
- 虚拟现实技术可提供沉浸式体验，有助于提升训练与评估效果。
- 本研究旨在解决传统模拟器的局限性。
研究目的
- 开发一种低成本的虚拟现实飞行模拟器。
- 基于眼动和飞行参数评估飞行员表现。
- 为多个研究领域的科研人员提供一种多功能工具。
使用的方法
- 开发 VR 飞行模拟器平台。
- 整合眼动追踪技术。
- 实现用于测试的三维沉浸式场景。
- 可根据不同研究需求灵活调整。
主要结果
- 该模拟器可有效评估飞行员的操作表现。
- 眼动数据为飞行行为提供了深入洞察。
- 为科研应用提供了一种成本效益高的解决方案。
- 在航天员选拔流程中具有应用潜力。
结论
- VR飞行模拟器是一种有价值的研究工具。
- 它能满足飞行员培训和评估中的多样化需求。
- 未来应用可能扩展到航空以外的其他领域。
常见问题
行业重要性概述
利用集成眼动追踪功能的基于虚拟现实的模拟器对操作员表现进行定量评估，可为高风险的选拔和培训流程提供可扩展且成本效益高的解决方案。通过客观的飞行和注视指标来区分专业水平，有助于提升对候选人的评估预测信心，并优化培训方案。该方法能够在人才选拔和作战准备流程的关键转折点上，支持数据驱动的决策制定。
生物制药研发中的策略性应用
早期发现与靶点验证
- 支持在复杂模拟环境中对认知和运动表现进行假设驱动的评估。
- 通过将行为输出与生理或神经学读数相关联，实现机制层面的风险降低。
- 有助于客观区分专业水平，为转化研究模型的筛选标准提供依据。
筛选与检测方法开发
- 提供标准化、可重复的平台，用于评估人因研究中与操作者相关的变量。
- 生成适用于下游分析和基准比较的定量眼动和操作绩效数据。
- 支持对候选人群进行可扩展的筛查，以识别与生物制药装置可用性研究相关的认知或心理运动特征。
转化与临床前研究
- 通过将行为指标与潜在的神经认知过程相联系，契合转化生物标志物研究策略。
- 支持人机接口研究中从早期发现到临床前验证的连续性。
- 通过提供具有预测性的定量终点，降低候选技术推进过程中的风险。
流程与工作流整合
这种基于虚拟现实的评估平台适用于早期发现和筛选阶段，可支持转化研究和设备开发中的假设检验以及操作者表现的定量评估。
- Discovery Biology： 在沉浸式、可重复的环境中实现对认知和行为假设的受控测试。
- Screening： 提供标准化、定量的输出结果，用于跨群体比较和候选对象筛选。
- Analytics： 提供高分辨率的眼动和行为表现数据，用于统计分析和决策支持。
- Translational Research： 通过将行为输出与功能终点关联，架起发现研究与临床前验证之间的桥梁。
- Enterprise Reuse： 提供灵活、低成本的平台，可适应多样化的研究与开发需求。
运营与企业影响
- 科学价值：提高操作人员选择和方案优化的预测可信度。
- 操作价值：增强人类表现评估的标准化、可重复性和可扩展性。
- 战略价值：改善设备和方案开发中的决策判断，降低后期阶段的风险。
- 项目组合影响：实现对候选技术与工作流程的风险调整后优先排序。
实施注意事项
- 需要具备虚拟现实系统搭建、眼动追踪校准和行为数据分析的专业知识。
- 需要可靠的仪器设备和分析基础设施，以实现高保真数据的采集与处理。
- 需要跨团队对实验方案和数据解读框架进行标准化。
- 可能需要针对特定模型系统或研究人群进行适应性调整。
- 局限性包括与传统模拟器相比运动反馈有所减少，如原文所述。
