AR和VR技術領航航空電子應用

作者 : Majeed Ahmad,EDN主編

航空業正致力於整合諸如機器學習(ML)等人工智慧(AI)技術,同時導入擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)應用,以重振飛行訓練和飛機維護的實務與活力。

當新冠肺炎(COVID-19)疫情席捲全球之際,航空業正處於一個雄心勃勃地尋求人工智慧(AI)、機器學習(ML)、擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)等新技術導入的過渡時期。航空電子產業曾經因為認證過程複雜而遲遲未能採用多核心處理器,如今,為了讓設計人員能夠事半功倍,終於開始擁抱強大的處理晶片,並在單一硬體平台上執行多種應用。

儘管歷經疫情衝擊後的航空業已今非昔比,但值得關注的是,在這個必須保持社交距離和接觸追蹤的疫情時代,強大運算能力、新穎顯示器和智慧感測器的融合,是否足以讓航空電子設備變得更靈活,更能因應新出現的挑戰。

讓我們從人工智慧及其分支(如機器學習)開始,看看這些技術如何協助讓原本呈現視覺混亂的駕駛艙變得簡單俐落,並且讓負責飛機維修任務的工作人員提高效率。

航空電子設備導入機器學習

航空電子設備領先許多產業導入了自動化,並利用人工智慧技術實現更大的自主性。各種新計劃的目的都在於減少飛行員的工作量,準確地找到潛在問題,為飛行員提供更好的情勢感知能力。

美國航太與國防產品供應商Collins Aerospace與嵌入式軟體供應商Wind River攜手,在飛機駕駛艙中採用人工智慧和機器學習技術,以增強自動化系統的智慧(1)。因應涉及確定性和可預測性的相關安全挑戰,兩家公司並合作研究基於人工智慧的解決方案。

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1:以人工智慧為中心的機器視覺功能為飛行員提供獨特的窗外視野,這在飛機發生著陸困難的情況時至關重要。(圖片來源:Collins Aerospace

機器學習等人工智慧技術正逐漸進入駕駛艙中,協助處理來自多個感測器和來源的複雜資訊,然後再以一種有助於讓飛行員做出明智決策的方式呈現給飛行員。這樣的系統可以分為兩大類:即時系統和非即時系統。

非即時系統透過衛星通訊鏈路,能夠將飛行資料傳輸到航空公司的資料中心,從而將飛機變成電子飛機(e-aircraft)。同樣地,當飛機停在機場航站大廈外停機坪地面時,就可以使用4G和5G網路鏈路。基於雲端的遠端分析可以監控感測器資料,以確保飛機高效率地運作,並在必要時推薦預測性維護。

另一方面,在即時航空電子系統中,機器視覺功能可以提供直觀的3D地形圖視野,作為飛行員的飛行輔助,例如用於飛機著陸機場時。這種部署於飛機本地處理平台上的機器視覺系統,有效地為飛行員提供確定性、低延遲的回應。

增強飛行駕駛功能

「另類實境」(alternative reality)——包括AR、VR和混合實境(Mixed Reality;MR)技術,正成為軍事和航空設計的下一個重大運算平台。MR運作於AR和VR技術的十字路口,旨在同時複合現實世界和數位互動。

AR以數位方式將虛擬物件置於現實世界中,正成為監看和監控各種活動的可靠商品。例如,在駕駛艙內的飛行員可以透過AR眼鏡查看飛機的即時資料。還有一些工具則可用於其他方面協助增強飛行員的即時決策。

首先,AR的採用有助於讓複雜的飛行任務變得較容易一點。AR輔助飛行讓飛行員能夠做出更安全、更明智的決定。這是因為AR可以簡化原本複雜的飛機駕駛工作,實現了免手動操作的可移動性和即時資訊。

配備AR頭戴式顯示器的飛行員還夠利用視野中出現的數位資訊,直觀地檢查飛行前的程序。此外,在黑暗和下雨的情況下,視覺系統會疊加一個周遭區域的清晰影像,以促使飛機順利地起飛和降落。

此外,以直升機飛行員在低能見度天氣條件下飛行的情況為例。在這種時候,當飛行員專注於前方路徑時,AR將有關山脈、房屋等數位地形資訊帶到飛行員的視野中。

值得注意的是,AR眼鏡和頭戴式裝置還結合了人工智慧和3D感測器技術,以各種方式掃描、辨識和追蹤影響飛機飛行和維護操作的問題。例如,AR技術讓航空工程師和技術人員能夠進行智慧視覺檢查,以補強飛機的維護例行任務。

虛擬駕駛艙

VR則是比AR更為人所熟知的實境相關技術,讓使用者能沉浸在完全人造的世界中,該技術並被廣泛用於飛行訓練。自1980年代以來,航空訓練很少變化或最佳化。這就是為什麼空中巴士(Airbus)和其他航空電子業者開始探索VR技術,以實現更高價值的訓練。

VR環境極其有效地模擬了實體世界,讓航空公司能在虛擬意義上嵌入訓練實務,以便更有效地訓練飛行員、工程師和機組人員。抬頭顯示器(HUD)等VR小型裝置還讓地勤人員能夠準確地看到降落區、跑道和其他目標,而不至於受到天氣條件的影響。

澳洲航空(Qantas)和漢莎航空(Lufthansa)是首批使用VR訓練飛行員、工程師和機組人員的航空公司之一。勞斯萊斯(Rolls-Royce)等飛機引擎製造商則為此提供了專門的VR訓練工具,以服務於各種航空電子用例。

虛擬駕駛艙為飛行員帶來沉浸式體驗,讓他們只需要一台個人電腦(PC)、一款VR頭戴式裝置以及一對手勢控制器就可以進行線上培訓(2)。最初的VR訓練讓飛行員在進入全飛行模擬器和實況飛行階段時更有效率。

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2:一名飛行員正在家中進行基於VR的飛行訓練。(圖片來源:Airbus

Airbus正使用VR技術來補強其模擬器訓練,讓受訓的飛行員能夠在採取特定行動時收到有關飛行模擬的即時反饋。此外,飛行員還可以透過VR應用快速地學習與工程相關任務。

航空電子的未來

在AI和3D掃描功能和特性的協助下,AR和VR不再是令人驚歎的酷炫技術。他們正在尋找實際用例,而航空電子產業正為其提供了新的探索場所。這些技術有助於一連串的應用,從為飛行員提供更好的情勢感知、監視和監控,到準確分類工程和維護議題以及飛行訓練等。

Airbus和波音(Boeing)等航空公司擁有龐大且整齊的資料集,能以具有卓越運算能力的多核心處理器和針對特定機器學習能力的人工智慧加速器來測試和訓練人工智慧演算法。這與一系列AR和VR應用相結合,可以很好地改變後疫情時代的航空電子設備。

(參考原文:Augmented and virtual reality are high on the avionics technology checklist,by Majeed Ahmad)

本文同步刊登於EDN Taiwan 202212月號雜誌

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