使用虚拟现实飞行模拟器评估飞行性能和眼球运动模式

Summary

构建了一种新的虚拟现实飞行模拟器，可以高效、低成本地评估飞行性能和眼球运动模式。它还为人体工程学和其他研究提供了一个高潜力的研究工具。

Abstract

对飞行员进行高效、经济的绩效评估已成为航空业的关键。随着虚拟现实（VR）的发展和眼动追踪技术的结合，满足这些需求的解决方案正在成为现实。以前的研究已经探索了基于VR的飞行模拟器，主要集中在技术验证和飞行训练上。目前的研究开发了一种新的VR飞行模拟器，根据3D沉浸式场景中的眼球运动和飞行指标来评估飞行员的飞行表现。在实验过程中，招募了46名参与者:23名专业飞行员和23名没有飞行经验的大学生。实验结果显示，有飞行经验和无飞行经验的参与者在飞行表现上存在显著差异，前者高于后者。相比之下，那些有飞行经验的人表现出更有条理和更有效的眼球运动模式。这些飞行性能差异化结果证明了当前VR飞行模拟器作为一种飞行性能评估方法的有效性。不同的眼球运动模式与飞行经验相结合，为未来的飞行选择提供了依据。然而，与传统的飞行模拟器相比，这种基于VR的飞行模拟器存在运动反馈等缺点。这种飞行模拟器平台除了明显的低成本外，还具有高度的灵活性。它可以满足研究人员的多样化需求（例如，通过添加相关量表来测量态势感知、VR 疾病和工作量）。

Introduction

欧洲航空安全局（2012 年）将飞行模拟器分为培训设施、飞行和导航程序训练器、飞行训练设备和完整的飞行模拟器¹.迄今为止，有一系列飞行模拟器可供训练，从低级桌面系统到高度复杂的基于运动的全飞行模拟器²。传统模拟器包括飞行动力学模型、系统仿真、硬件驾驶舱、外部可视化和可选的运动仿真³。

这些传统的飞行模拟器作为有效的飞行训练设备具有一些优点。然而，它们的成本高且对环境不友好，因为每个系统的驱动器都需要大量的电能，尤其是全飞行模拟器，它需要高温和高压流体或气压，消耗大量电力并产生大量噪音⁴.

然而，一个简单的桌面模拟器系统是灵活和低成本的，与完整的飞行模拟器相比，具有更低的浸入感和更少的^交互2。因此，开发结合桌面系统和全飞行模拟器优点的新型飞行模拟器至关重要（换句话说，桌面模拟的灵活性以及接近全飞行模拟器的沉浸感和交互水平）。

随着计算机技术特别是虚拟现实（VR）技术的发展，一种基于新兴VR技术的新型飞行模拟器正在成为现实。基于 VR 的飞行模拟器灵活、便携、低成本，并且比传统飞行模拟器⁵

Protocol

本文所述的所有方法均已获得清华大学机构审查委员会（IRB）的批准，并获得了所有参与者的知情同意。完成后，所有参与者都获得了 12 美元（或等值的礼物）。

1. 参与者选择

1. 根据先前使用 G*Power 软件³⁵ 进行功效分析的研究（参见 材料表）招募参与者，以确保参与者数量满足 G*Power 给出的预期样本量，即 21。
   注意:G*Power 给出的预期样本量是指根据指定的效应量、显着性水平和使用的统计检验，研究需要估计的参与者人数才能达到所需的统计功效水平。预期的样本量是研究计划中的一个重要考虑因素。它帮助研究人员确定其研究设计的可行性和成本效益，并确保研究具有足够的统计能力来检测有意义的影响。
2. 确保没有参与者有癫痫、心脏或脑部疾病、近期内分泌或精神科药物或严重皮肤过敏的病史。
3. 使用 Snellen 视力表（使用公制 6/6）³⁶ 确认参与者的视力正常或矫正为正常，并且他们没有任何视力障碍，如色盲或色弱。
4. 确保参与者在过去 24 小时内没有饮酒或服用过可能影响他们飞行能力的药物。
5. 确保参与者在实验前睡眠不少于 6 小时并且精神状况良好。

Results

本次实验选取了23名有飞行经验的专家和23名没有飞行经验的新手。受试者年龄在25至58岁之间（专家: M = 32.52岁， SD = 7.28岁;新手: M = 29.57岁， SD = 5.74岁）。所有受试者的性别均为男性。所有新人均从清华大学招聘（学生或教师），所有专家均来自中国东方航空公司。

眼球运动
根据 Shapiro-Wilk 检验（所有 p 值 <0.05），仪器 AOI、空速指示器、垂直速度指示器、高度指示器和发动机转速指示器的眼动数据不是正态分布的。因此，使用了 Mann-Whitney U 检验。结果显示，专家（M = 60.79%，SD = 7.72）比新手（M = 53.31%，SD = 12.89）花费更多的时间观察飞行器;U = 141，第 < 0.01）。更准确地说，专家们更多地关注空速指示器（.......

Discussion

目前的研究评估了在基于VR的飞行模拟器中，有飞行经验的参与者是否比没有飞行经验的参与者具有更好的飞行表现。更重要的是，它评估了是否可以在这些参与者中找到更优化的眼球运动模式，这些参与者的飞行表现更好。在三个关键飞行QAR指标上，有和没有飞行经验的参与者之间的结果存在显着差异:着陆前1秒的俯仰角，到参考线的平均距离，以及到参考线的距离的标准差（图9B-D）。这些结果表明，具有飞行经验的参与者飞行偏差较小，飞行表现更稳定。同时，在三个关键仪器AOI上，有和没有飞行经验的参与者之间的结果也存在显着差异:空速指示器，垂直速度指示器和高度指示器（图8A-C）。此外，与没有飞行经验的参与者相比，有飞行经验的参与者花更多的时间查看关键的飞行仪器。

综上所述，飞行专业知识对飞行性能有重要影响;专家的飞行性能数据显示，他们的飞行轨迹更集中在中心参考.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D 引擎 SDK	Epic Games	Unreal Engine 4 GameAnalytics Unreal SDK	此 SDK 是一款功能强大且灵活的免费分析工具，专为游戏而设计。
CPU	英特尔	英特尔酷睿 i9	主流市场上最强大的 CPU 之一。
眼动追踪 SDK	Tobii	Tobii XR SDK	：此 SDK 提供对眼动追踪数据的不可知设备访问，以允许开发来自许多不同硬件供应商的头戴式设备，并且不限于使用 Tobii 眼动追踪硬件的设备。
眼动追踪软件	由研究团队		一种跟踪人在使用虚拟现实 HMD 时眼睛运动的程序。
FlySimulator 程序	由研究团队		一款软件，它使用 VR HMD 和手持控制器在虚拟环境中模拟飞行体验。
显卡	NVIDIA	GeForce RTX 3090 10496 NVIDIA CUDA 核心 1.70 GHz 加速频率   24 GB 内存 大小 GDDR6X 内存类型	主流市场上最强大的显卡之一。
作系统 （OS）	Microsoft	Windows XP	由 Microsoft Corporation 开发和独家分销的作系统 2960720 2971004 2962072 2960748 2960769
	美国空军 A-10C 攻击机 HOTAS
复制纵杆	THRUSTMASTER	2960720	美国空军 A-10C 攻击机 HOTAS
复制踏板	THRUSTMASTER		TPR 摆动方向舵
复制油门	THRUSTMASTER		美国空军 A-10C 攻击机 HOTAS
屏幕连接到 PC	Redmi	RMMNT27NF，27 英寸，1920 X 1080 分辨率比	屏幕允许实验者同时查看 VR HMD
屏幕录制软件	OBS Project	OBS Studio 版本 28.0	用于视频录制和直播的免费开源软件
统计功效分析软件	开源	G*power 版本 3.1.9.6	用于估计统计功效和样本量的免费且用户友好的工具。
统计软件	IBM	SPSS Version 24.0	强大的统计软件平台
多功能统计工具	GraphPad Software	GraphPad Prism Version 9.4.0	专为科学家而非统计学家打造的多功能统计工具
VR 应用商店	HTC Corporation	VIVE 软件 2.0.17.6 / 2.1.17.6	一个虚拟现实应用商店，客户可以在这里探索、创建、连接和体验他们喜欢和需要的内容。
VR 头戴式显示器 （HMD）	HTC Corporation	VIVE Pro Eye	具有精确眼动追踪功能的 VR 头戴式设备
VR 软件	Steam	Steam VR 版本 1.23	在硬件上体验 VR 内容的工具