美国空军实验室：机器人、开源和虚拟现实

NASA 格伦研究中心位于俄亥俄州克利夫兰的 图形与可视化 (GVIS) 实验室 专门为格伦及其他地区的科学家创建科学可视化和虚拟现实程序。我很高兴能成为 GVIS 实验室的一小队实习生中的一员。来自 空军研究实验室 (AFRL) 和 莱特兄弟研究所 的 探索实验室 的实习生 Carolyn Holthouse、Joe Porter 和 Jason Boccuti 也是如此，他们正在 NASA 格伦远程工作。他们的项目涉及机器人、开源软件和虚拟现实。我和 Carolyn、Jason 和 Joe 聊了聊他们的项目。

你们的项目是什么？

我们项目的目标是提供一个平台，以加强 AFRL 和 NASA 格伦之间的合作。 我们的项目通过使用沉浸式远程呈现和增强现实与虚拟现实技术，模糊了物理世界和虚拟世界之间的界限。我们正在构建一个虚拟实验室空间，允许本地和远程用户共享数据，并通过研究项目上的虚拟和/或远程呈现系统参与。我们正在使用 NASA 格伦的 SLOPE 实验室 作为试点设施，以展示我们正在使用的开源虚拟现实软件 OpenSim 的功能。我们虚拟环境中发生的任何事情都将在物理上复制，反之亦然。但是，我们开发的系统可以很容易地推广到任何实验室空间和协作需求。

为什么选择虚拟现实？

虚拟现实正成为一个巨大的兴趣领域。对于我们的项目，它为所有类型的用户提供可访问性。例如，我们的虚拟实验室空间将在 AFRL 的 虚拟科学与工程节 中使用，以教育中小学生关于漫游车如何为太空任务设计和测试的知识。虚拟现实将增加 STEM 机会对目前没有直接访问权限的地区的可访问性。此外，研究表明，人类通过沉浸在环境中学习效果更好，我们正在开发的技术将为远程用户提供更具沉浸感和真实感。

AFRL 对追求基于视频游戏 Second Life 的开源软件 OpenSim 非常感兴趣。今年夏天在 探索实验室 中运行的许多项目都大量涉及 Second Life 的某些方面并测试该软件的限制。今年夏天的一个团队正在从事代顿 航空营地 要求的一个项目，以创建一个虚拟航空营地，以便更广泛地为所有年龄段的孩子提供服务。

你们的项目有什么好处？

我们项目的主要受益者是 AFRL 和 NASA 格伦，因为该项目旨在成为这两个设施之间长期合作的开始。 我们还希望提供一种更吸引人的方式向公众，特别是年轻人，展示如何进行研究。此外，我们项目中开发的系统将通过减少因数据共享方式笨拙而导致的误解造成的错误来提高研究质量。

你们的项目是如何运作的？

我们的项目利用了一些主要工具：OpenSim、ThingSpeak 和 Java/Swing。在 OpenSim 中，我们已经在 AFRL 探索实验室的网格上创建了一个虚拟实验室，并模拟了 NASA 格伦研究中心的 SLOPE 实验室中存在的一些不同的漫游车。这些漫游车可以在虚拟世界中驱动，它们会跟踪关于它们自身的特征信息，例如它们的位置、速度、使用的功率等。在驱动时，机器人会连接到 ThingSpeak（也是开源的）服务器，以模拟实时上传它们的特征信息。我们刚刚创建了一个 Java Swing 应用程序，用户可以使用键盘的箭头键通过 WiFi 连接控制物理机器人的移动。目前，我们正在努力将此应用程序连接到 ThingSpeak 服务器，以便它可以上传来自物理机器人的特征信息。完成后，物理机器人和虚拟机器人不仅会在被驱动时上传它们的特征数据，还会检查服务器以了解彼此信息的变化。这样，他们可以相互更新——如果有人移动物理机器人，虚拟机器人将模拟类似的移动，如果有人在实验室中移动虚拟机器人，物理机器人将移动以匹配虚拟机器人的状态。

^{SLOPE 实验室圣甲虫漫游车。}

^{虚拟现实圣甲虫漫游车。}

开源如何帮助你们的工作？

开源是我们使用的软件工具的一个非常有用的方面。使用 OpenSim，我们可以访问框架中内置的许多有价值的现有工具和库，但是我们可以通过 Discovery Lab 的管理员完全修改虚拟世界的各个方面。同样，ThingSpeak 使托管传感器数据比其他非开源替代方案更容易。 ThingSpeak 不仅提供了一个免费的 Web 服务器来托管传感器数据，还为用户提供了在他们自己的服务器上安装该平台的功能，以便他们可以拥有自己的实例并在内部托管他们的数据。总而言之，能够访问开源允许的巨大自由及其伟大的社区真是太好了。

你们如何测试你们的项目？

我们目前有一个以 SLOPE 实验室为模型的虚拟实验室空间。

^{SLOPE 实验室。}

^{虚拟现实 SLOPE 实验室。}

Jason 一直在努力让电脑上的应用程序与物理机器人通信。 Joe 和 Carolyn 一直在开发虚拟机器人，并尝试增强虚拟实验室中的用户体验的方法。 我们已经能够将 Oculus Rift 虚拟现实耳机连接到我们使用的 OpenSim 查看器，这允许用户在虚拟实验室中获得完全身临其境的体验。

^{VR 头显测试}

我们还有一个 Microsoft Kinect 传感器，它可以从用户的身体位置获取输入，并相应地移动头像。例如，向前迈一步会导致头像向前行走，抬起一只手臂会导致头像向上飞行。最后，我们有一个 Xbox 360 控制器，让用户能够在他们远离计算机并使用 Oculus 或 Kinect 系统时点击对象。最终，我们将与在 Discovery Lab 工作的学生一起进行测试，让他们进入我们的虚拟实验室空间并驾驶测试漫游车，这将反过来移动我们在 NASA 现场的物理机器人。

一系列文章，关于开源软件、工具、硬件、哲学等等在科学领域的应用。