Name: evaluating flight performance and eye movement patterns using virtual reality flight simulator
Uploaded: 2023-05-19T13:50:00
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Die Autoren sind Herrn Li Yan unglaublich dankbar für seine Hilfe bei der Rekrutierung von Pilotteilnehmern und danken Frau Bu Lingyun für ihre Arbeit beim Zeichnen von Bildern. Die Forschung wurde unterstützt von der National Natural Science Foundation of China (Fördernummer T2192931, 72071185), dem National Brain Project (Fördernummer STI2030-Major Projects2022ZD0208500), dem National Key Laboratory Project of Human Factors Engineering (Fördernummer SYFD062003), dem National Key Laboratory Project of Human Factors Engineering (Fördernummer 6142222210201) und dem Jahr 2022 Major Projects of Military Logistic Research Grant und Key Project of Air Force Equipment Comprehensive Forschung (Fördernummer KJ2022A000415).

Alle hier beschriebenen Methoden wurden vom Institutional Review Board (IRB) der Tsinghua-Universität genehmigt, und es wurde eine Einverständniserklärung aller Teilnehmer eingeholt. Nach Abschluss des Turniers erhielten alle Teilnehmer 12 $ (oder ein Geschenk im gleichen Wert).
1. Auswahl der Teilnehmer
<ol><li>Rekrutieren Sie die Teilnehmer gemäß einer früheren Studie zur Leistungsanalyse mit der G*Power-Software35 (siehe Materialtabel...

In der aktuellen Studie wurde untersucht, ob Teilnehmer mit Flugerfahrung eine bessere Flugleistung aufwiesen als diejenigen ohne Flugerfahrung in einem VR-basierten Flugsimulator. Vor allem aber wurde untersucht, ob bei diesen Teilnehmern mit besserer Flugleistung ein optimiertes Augenbewegungsmuster gefunden werden konnte. Die Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede zwischen Teilnehmern mit und ohne Flugerfahrung bei drei wichtigen Flug-QAR-Indikatoren: Nickwinkel 1 s vor der Landung, die mittlere Entfernung zur Re...

Die Europäische Agentur für Flugsicherheit (2012) kategorisiert Flugsimulatoren als Schulungseinrichtungen, Flug- und Navigationsprogrammtrainer, Flugtrainingsgeräte und komplette Flugsimulatoren1. Bisher steht eine Reihe von Flugsimulatoren für die Ausbildung zur Verfügung, von Low-Level-Tischsystemen bis hin zu hochkomplizierten, bewegungsbasierten Vollflugsimulatoren2. Der traditionelle Simulator umfasst ein Flugdynamikmodell, eine Systemsimulation, ein Hardware-Cockpit, eine externe Visualisierung und eine optionale Bewegungssimulation3.
Diese traditionellen Flugsimulatoren haben einige Vorteile als effektive Flugtrainingsgeräte. Ihre Kosten sind jedoch hoch und umweltschädlich, da der Antrieb jedes Systems erhebliche elektrische Energie erfordert, insbesondere ein vollständiger Flugsimulator, der hohe Temperaturen und Hochdruckflüssigkeit oder Luftdruck benötigt, viel Strom verbraucht und viel Lärm erzeugt4.
Ein einfaches Desktop-Simulatorsystem ist jedoch flexibel und kostengünstig, mit geringerer Immersion und weniger Interaktionen als ein vollständiger Flugsimulator2. Daher ist es unerlässlich, neue Flugsimulatoren zu entwickeln, die die Vorteile von Desktop-Systemen und Full-Flight-Simulatoren kombinieren (mit anderen Worten, die Flexibilität einer Tabletop-Simulation und die Immersions- und Interaktionsebene nahe an einem Full-Flight-Simulator).
Mit der Entwicklung der Computertechnologie, insbesondere der Virtual-Reality-Technologie (VR), wird eine neue Art von Flugsimulator, die auf der aufkommenden VR-Technologie basiert, Realität. Der VR-basierte Flugsimulator ist flexibel, portabel, kostengünstig und hat einen geringeren Platzbedarf als herkömmliche Flugsimulatoren5. Forscher haben in den letzten 20 Jahren Flugsimulatoren auf Basis der VR-Technologie entwickelt 6,7,8,9,10,11; Diese VR-Flugsimulatoren dienen jedoch hauptsächlich der Flugausbildung, und es gibt nur wenige für die Pilotenauswahl. Mit der Kostensenkung und der technologischen Verbesserung verändern sich VR-basierte Simulatoren jedoch und werden für die persönliche Auswahl machbar. In einigen Studien wurden VR-basierte Simulatoren für die persönliche Auswahl in verschiedenen Bereichen eingesetzt: Schijven et al.12 wählten chirurgische Auszubildende mit einem Virtual-Reality-Simulator aus. Huang et al.13 entwickelten ein psychologisches Auswahlinstrument auf Basis von Virtual-Reality-Technologie für die Rekrutierung von Luftwaffenpiloten. Wojciechowski und Wojtowicz14 bewerteten die Fähigkeiten eines Kandidaten als Pilot eines unbemannten Luftfahrzeugs (UAV) auf Basis der VR-Technologie. Angesichts der Tatsache, dass die Pilotenauswahl für die Luftfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung ist, ist es dringend erforderlich, einen neuen VR-basierten Flugsimulator zu entwickeln, der sich auf die Pilotenauswahl konzentriert, da die Auswahl von Piloten in großem Maßstab anfällig für die Kosten des Simulators und die Anforderungen an das Portabilitätssimulatorsystem ist.
Augenbewegungen geben Hinweise auf die Leistung eines Piloten. Verschiedene Studien haben ergeben, dass der Eye-Scanning-Modus die Leistung zwischen erfahrenen und unerfahrenen Piloten unterscheidet. Durch den Vergleich des Scanmusters zwischen Experten und Anfängern konnte das effiziente und strukturelle Augenbewegungsverhalten der Experten und die unzureichenden Scanmethoden von Anfängern unterschieden werden. Mehrere Luftfahrtstudien haben ergeben, dass die Augenscan-Strategie von Piloten stark mit dem Kenntnisstandzusammenhängt 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Laut Bellenkes et al.25 ist die Dauer der Fixierungen bei Experten kürzer und die Häufigkeit ihrer Fixierungen auf Instrumente höher als bei Anfängern. Fast die gleiche Schlussfolgerung zogen Kasarskis et al.26, die entdeckten, dass erfahrene Piloten mehr Fixierungen in Kombination mit kürzeren Dauern als Anfänger haben, was darauf hindeutet, dass erfahrene Piloten einen besseren visuellen Modus haben als Anfänger. In einer weiteren Studie haben Lorenz et al.27 fanden heraus, dass Experten mehr Zeit damit verbringen, aus dem Cockpit zu schauen als Anfänger. Diese Ergebnisse haben einen großen praktischen Wert bei der Auswahl von Neueinsteigern.
Die Bewertung der Flugleistung ist ein weiterer kritischer Faktor für die Auswahl des Piloten. Bei der Bewertung der Flugleistung von Piloten gibt es jedoch folgende Probleme: widersprüchliche Expertenmeinungen, mehr Auswahlnormen und eine einheitliche Auswahltheorie. Im Fahrfeld verglichen Horrey et al.28 den absoluten Wert des Spurverlassens von der Mittellinie für verschiedene experimentelle Bedingungen, um die Fahrleistung zu bewerten. Zurück zum Bereich der Luftfahrt: Der Flight Quick Access Recorder (QAR) zeichnet alle Arten von Manipulationsparametern für Piloten, Flugzeugparameter, Umgebungen und Warninformationen während desFluges 29 auf. Genauer gesagt, wie bei den QAR-Indikatoren, ist der Nickwinkel der Rotationswinkel um die linke und rechte Achse des Flugzeugs30, und die Referenzlinie (oder die mittlere Referenzlinie) befindet sich genau in der Mitte der roten und grünen Linien28; Diese beiden Flugparameter werden verwendet, um die Flugleistung von Teilnehmern mit oder ohne Erfahrung in der aktuellen Studie zu bewerten. Diese QAR-Daten können zur Bewertung der Flugleistung verwendet werden, aber nach unserem besten Wissen wurden sie in der wissenschaftlichen Forschung selten für das persönliche Training und die Auswahl verwendet31,32.
Messungen von Augenbewegungsmustern können verwendet werden, um die Flugleistung zu beurteilen und vorherzusagen und die Ausbildung und Auswahl von Piloten zu leiten. Gerathewohl33 erklärte, dass das Auge das wichtigste Sinnesorgan des Piloten ist und 80% der Fluginformationen verarbeitet. Der Pilot muss visuelle Informationen von Instrumenten im Cockpit erfassen und in ein kohärentes Bild integrieren, um den Flug22 zu bewältigen. Darüber hinaus ist ein optimales Scanverhalten unerlässlich, um eine bessere Flugleistungzu erzielen 15. Allerdings gibt es derzeit keinen erschwinglichen Flugsimulator, der einen Eyetracker integriert, um quantitative Studien über den Zusammenhang zwischen Augenbewegungen und Flugleistung zu ermöglichen.
In der aktuellen Studie wurde ein neuer VR-Flugsimulator entwickelt, um zu beurteilen, ob Teilnehmer mit Flugerfahrung eine bessere Flugleistung aufwiesen als solche ohne Flugerfahrung. Der VR-Flugsimulator integriert Eye-Tracking und ein Flugdynamiksystem, das die Analyse von Augenbewegungsmustern und die Bewertung der Flugleistung ermöglicht. Insbesondere ist es erwähnenswert, dass der VR-Flugsimulator einen VR-Eyetracker34 und keinen glasartigen oder Desktop-Eyetracker verwendet, um die auf dem Interessengebiet (AOI) basierende Augenbewegung ohne zeitaufwändige Frame-Zählung zu analysieren.
Schließlich kann die vorliegende Arbeit zu einer Omnibus-Messung für die Pilotenauswahl in der Zukunft führen, von der Augenscanbahn bis hin zu objektiven Flugleistungsdaten. Mit Hilfe des virtuellen Flugsimulators werden die Kosten für die Flugauswahl erheblich gesenkt und die Norm der Piloten kann auf der Grundlage umfangreicher Datenerfassung gebildet werden. Die Arbeit schließt eine Lücke zwischen konventionellen und Desktop-Simulatoren für die Flugauswahl.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D engine SDK</td>
			<td>Epic Games</td>
			<td>Unreal Engine 4 
			GameAnalytics Unreal SDK</td>
			<td>This SDK is a powerful yet flexible free analytics tool designed for games.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CPU</td>
			<td>Intel</td>
			<td>IntelCore i9</td>
			<td>One of the most powerful CPU on the mainstream market.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eye tracking SDK</td>
			<td>Tobii</td>
			<td>Tobii XR SDK</td>
			<td>This SDK provide device agnostic access to eye tracking data to allow development for headsets from many different hardware vendors and is not limited to devices using Tobii Eye Tracking hardware.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eye tracking software</td>
			<td>Developed by the research team</td>
			<td></td>
			<td>A program that tracks the movement of a person&#39;s eyes while they are using a virtual reality HMD.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FlySimulator program</td>
			<td>Developed by the research team</td>
			<td></td>
			<td>A software that simulates flying experiences in a virtual environment, using VR HMD and hand-held controllers.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphics card</td>
			<td>NVIDIA</td>
			<td>GeForce RTX 3090 
			10496 NVIDIA CUDA Cores 
			1.70 GHz Boost Clock&#160;&#160; 
			24 GB Memory Size 
			GDDR6X Memory Type</td>
			<td>One of the most powerful graphics card on the mainstream market.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Operating system (OS)</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>Windows XP</td>
			<td>An operating system (OS) developed and exclusively distributed by Microsoft Corporation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Replica control panel</td>
			<td>THRUSTMASTER</td>
			<td>2960720 2971004 2962072 2960748 2960769</td>
			<td>U.S. Air Force A-10C attack aircraft HOTAS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Replica joystick</td>
			<td>THRUSTMASTER</td>
			<td>2960720</td>
			<td>U.S. Air Force A-10C attack aircraft HOTAS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Replica pedal</td>
			<td>THRUSTMASTER</td>
			<td></td>
			<td>TPR pendular rudder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Replica throttle</td>
			<td>THRUSTMASTER</td>
			<td></td>
			<td>U.S. Air Force A-10C attack aircraft HOTAS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screen connected to PC</td>
			<td>Redmi</td>
			<td>RMMNT27NF, 27-inch, 1920 X 1080 resolution ratio</td>
			<td>Screen allows the experimenter to simultaneously view what is happening in the VR HMD</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screen recording software</td>
			<td>OBS Project</td>
			<td>OBS Studio Version 28.0</td>
			<td>A free and open source software for video recording and live streaming</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Statistical power analysis software</td>
			<td>Open-Source</td>
			<td>G*power Version 3.1.9.6</td>
			<td>A free and user-friendly tool for estimating statistical power and sample size.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Statistical software</td>
			<td>IBM</td>
			<td>SPSS Version 24.0</td>
			<td>A powerful statistical software platform</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Versatile statistics tool</td>
			<td>GraphPad Software</td>
			<td>GraphPad Prism Version 9.4.0</td>
			<td>A versatile statistics tool purpose-built for scientists-not statisticians</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VR app store</td>
			<td>HTC Corporation</td>
			<td>VIVE Software 2.0.17.6 / 2.1.17.6</td>
			<td>An app store for virtual reality where customers can explore, create, connect, and experience the content they love and need.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VR head-mounted display (HMD)</td>
			<td>HTC Corporation</td>
			<td>VIVE Pro Eye</td>
			<td>A VR headset with precision eye tracking</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VR software</td>
			<td>Steam</td>
			<td>Steam VR Version 1.23</td>
			<td>A tool for experiencing VR content on the hardware</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

evaluating flight performance and eye movement patterns using virtual reality flight simulator

Die effiziente und wirtschaftliche Leistungsbewertung von Piloten ist für die Luftfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung geworden. Mit der Entwicklung von Virtual Reality (VR) und der Kombination von Eye-Tracking-Technologie werden Lösungen, die diesen Anforderungen gerecht werden, Realität. Frühere Studien haben VR-basierte Flugsimulatoren untersucht, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Technologievalidierung und dem Flugtraining lag. In der aktuellen Studie wurde ein neuer VR-Flugsimulator entwickelt, um die Flugleistung von Piloten anhand von Augenbewegungen und Flugindikatoren in einer immersiven 3D-Szene zu bewerten. Während des Experiments wurden 46 Teilnehmer rekrutiert: 23 Berufspiloten und 23 Studenten ohne Flugerfahrung. Die Versuchsergebnisse zeigten signifikante Unterschiede in der Flugleistung zwischen Teilnehmern mit und ohne Flugerfahrung, wobei erstere höher waren als letztere. Im Gegensatz dazu zeigten diejenigen mit Flugerfahrung strukturiertere und effizientere Augenbewegungsmuster. Diese Ergebnisse der Differenzierung der Flugleistung zeigen die Validität des aktuellen VR-Flugsimulators als Methode zur Bewertung der Flugleistung. Die unterschiedlichen Blick-Bewegungsmuster mit Flugerfahrung bilden die Grundlage für die zukünftige Flugauswahl. Dieser VR-basierte Flugsimulator hat jedoch Mängel wie Bewegungsfeedback im Vergleich zu herkömmlichen Flugsimulatoren. Diese Flugsimulator-Plattform ist sehr flexibel, abgesehen von den scheinbar niedrigen Kosten. Es kann die unterschiedlichen Bedürfnisse von Forschenden erfüllen (z. B. Messung des Situationsbewusstseins, der VR-Krankheit und der Arbeitsbelastung durch Hinzufügen relevanter Skalen).

Für das aktuelle Experiment wurden 23 Experten mit Flugerfahrung und 23 Neulinge ohne Flugerfahrung ausgewählt. Die Teilnehmer waren zwischen 25 und 58 Jahre alt (Experten: M = 32,52 Jahre, SD = 7,28 Jahre; Anfänger: M = 29,57 Jahre, SD = 5,74 Jahre). Das Geschlecht aller Teilnehmer war männlich. Alle Neulinge wurden von der Tsinghua-Universität rekrutiert (Studenten oder Dozenten), und alle Experten kamen von China Eastern Airlines.
Augenbewegu...

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Evaluating Flight Performance and Eye Movement Patterns Using Virtual Reality Flight Simulator

Es wurde ein neuer Virtual-Reality-Flugsimulator gebaut, der eine effiziente und kostengünstige Bewertung der Flugleistung und der Augenbewegungsmuster ermöglicht. Es bietet auch ein vielversprechendes Forschungsinstrument für die Ergonomie und andere Forschungen.

Bewertung der Flugleistung und der Augenbewegungsmuster mit dem Virtual Reality Flight Simulator

Efficient and economical performance evaluation of pilots has become critical to the aviation industry. With the development of virtual reality (VR) and ...

In der aktuellen Studie wurde ein neuer VR-Flugsimulator entwickelt, um Pilotendarsteller auf der Grundlage von Augenbewegungen und Flugleistungsindikatoren in einem immersiven 3D-Szenario zu bewerten. Die Flugsimulator-Plattform ist nicht nur kostengünstig, sondern auch hochflexibel. Es kann den vielfältigen Bedürfnissen von Forscherinnen und Forschern gerecht werden.Die Methode kann neben Piloten auch auf ausgewählte Astronauten angewendet werden. Beginnen Sie mit der Installation des Flugsimulators. Verbinden Sie das Bedienfeld mit der Drosselung und behandeln Sie sie als eine Einheit.Verbinden Sie Gas, Joystick und Pedal über USB mit dem PC-Modul des Flugsimulators. Anschließend wird das Head-Mounted-Display oder HMD über eine Link-Box mit dem PC-Modul des Flugsimulators verbunden. Verbinden Sie die Basisstationen und Virtual-Reality- oder VR-Controller über die VR-Software am HMD auf dem PC.To richten Sie den Stehspielbereich für VR ein, stellen Sie sicher, dass das HMD eingeschaltet und mit dem Computer verbunden ist.Platzieren Sie die Basisstation diagonal, sodass sich das HMD immer innerhalb des Überwachungsbereichs der Basisstation befinden kann, während es fixiert bleibt, um eine stabile VR-Umgebung zu erhalten. Richten Sie dann einen Spielbereich nur für Stehplätze ein, wie es die VR-Software auf dem Computer vorgibt. Schließen Sie das abgestimmte Flugsteuerungsmodul und das Großbilddisplay an denselben Computer wie das VR-HMD an.Stellen Sie den Teilnehmern die Aufgabe und den Betrieb des Simulators vor, indem Sie das Verkehrsmuster und die Karte erklären und die Teilnehmer in die Verwendung des VR-Flugsimulators einweisen. Statten Sie jeden Teilnehmer mit einem VR-HMD aus, kalibrieren Sie seine Augenbewegungen und passen Sie die Gerätehöhe, den Pupillenabstand und den Blickpunkt an. Öffnen Sie als Nächstes die Bildschirmaufzeichnungssoftware und starten Sie den Fly Simulator für das Flugtraining.Weisen Sie die Teilnehmer an, wie sie ihr Flugpedal, ihren Joystick und ihren Gashebel verwenden müssen, um so nah wie möglich an die Referenzfluglinie zu steuern. Sobald der Vorgang abgeschlossen ist, setzen Sie den Fluggashebel und die Motorschaltertasten zurück. Stoppen Sie dann die Aufnahme.Um formelle Flugexperimente durchzuführen, setzen Sie das VR-HMD für die Teilnehmer ein und starten Sie das OBS-Studio, um mit der Aufnahme des Bildschirms zu beginnen. Die Augenbewegungsdaten der AOIs des Instruments, der Fluggeschwindigkeit, der vertikalen Geschwindigkeit, der Höhe und der Motordrehzahl zeigten, dass die Experten im Vergleich zu den Anfängern eine gleichmäßigere Verteilung der Augenbewegungsdaten um den Mittelwert der Fluggeschwindigkeitsanzeige, der Höhenanzeige, der vertikalen Geschwindigkeitsanzeige und der Lageanzeige hatten. Die Flugleistungsdaten der Experten konzentrierten sich hauptsächlich auf den Durchschnittswert in Bezug auf die Gesamtflugzeit, die mittlere Entfernung von der Referenzlinie, den Nickwinkel eine Sekunde vor der Landung und die Standardabweichung der Entfernung von der Referenzlinie im Vergleich zu den Anfängern.Kalibrieren Sie die Augenmomente aller Teilnehmer und passen Sie die Gerätehöhe, den Pupillenabstand und den Blickpunkt entsprechend an.

Research

JoVE Journal

Behavior

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Early Metamorphosis Insertion Technology (EMIT) is a novel methodology for integrating microfabricated neuromuscular recording and actuation platforms on ...

Development of a Virtual Reality Assessment of Everyday Living Skills

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Verwendung von Virtual Reality motorischen Wissenstransfer aus einer Hand zur anderen

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