航空航天虛擬裝配和虛擬維修進展綜述

趙 博，劉鳳財，向彩霞

（1.北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2.北京航天長征科技信息研究所，北京，100076）

航空航天虛擬裝配和虛擬維修進展綜述

趙 博1，劉鳳財1，向彩霞2

（1.北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2.北京航天長征科技信息研究所，北京，100076）

總結了航空航天領域虛擬裝配和虛擬維修技術的應用情況，并分析了后續在中國航天領域的發展趨勢，與增強現實技術結合，以國產平臺為依托，向著小型化、輕型化的方向發展。

航空航天；虛擬裝配；虛擬維修

0 引 言

操作維修性屬產品設計特性，對于航天器等裝備尤為重要，它必須在產品設計時確定。其工作內容主要包括：a）從產品設計階段開始的操作性和維修性進行設計分析和驗證評估；b）研制后期的操作維修技術手冊編寫；c）交付前開展的操作維修訓練等。

在傳統的工作模式下，維修性分析評估依賴于物理樣機，致使維修缺陷發現得相對較晚；維修性分析的自動化程度遠不及CAD/CAE/CAM 等工程技術，尤其是定性分析多采用手工方式；傳統模式的工作過程為串行過程，不符合并行工程的要求。

隨著數字樣機和虛擬現實（Virtual Reality, VR）等技術的發展，三維數字樣機在設計早期階段即能夠較好地開展維修性、操作性的分析與驗證[1]，評估設計方案的可行性和合理性，能夠盡早發現設計不協調問題，及時修改設計方案，為縮短研制周期、提升產品質量奠定良好的基礎，同時可以為后續裝備的維修保障分析、虛擬培訓等工作提供基礎數據。

本文分析了航空航天虛擬裝配和虛擬維修進展，汲取經驗教訓，聚焦發展方向。

1 國外研究現狀

1.1 戰神火箭的虛擬裝配

馬歇爾太空飛行中心從1986年起使用數字化企業互動制造應用軟件（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application，DELMIA），主要用于機器人技術、人機功效學、裝配等方面[2]。在阿瑞斯（戰神）I型火箭的研制中，采用并行協同的可制造性分析，從可裝配性、人機工效、裝配環境模擬等方面開展了以下工作：

a）裝配仿真：驗證操作序列和加工方法；優化裝配過程；減少下游生產計劃。

b）人機工程學（工效學）：識別危險操作；驗證裝配、測試、操作、維護過程中的可達性。

c）工廠（環境）定義與分析：驗證操作空間的大小；驗證操作順序和大尺寸加工方案；估算投資總額；識別裝配過程中的難點。

圖1和圖2為NASA在阿瑞斯I型火箭的研制中的仿真情況。通過仿真減少了約100～312.5人/天的工作量，較傳統模式減少了1/4的工作量[2]。

圖1 NASA在阿瑞斯I型火箭研制中的維修仿真（級間段）

圖2 NASA在阿瑞斯I型火箭研制中的仿真（操作可達性）

1.2 獵戶座宇宙飛船的虛擬裝配

洛克希德馬丁空間系統公司和美國航天局合作，對獵戶座宇宙飛船進行了人機工程方面的模擬分析，如圖3所示。

獵戶座的挑戰是巨大的，因此需要面對大量的模擬。在大約相當于一個小臥室一半的空間內，需要布置宇航員衣服及設備、航空電子設備、電腦、生命支持系統、熱防護設備等。留給宇航員的空間只有剩下的約10 m3。因此，在飛船設計中，對體積、質量和功率均有苛刻的要求。而人機工程仿真能夠較好地解決這一棘手問題。

如果一個組件拆出的過程必須要先拆出別的組件，需要詳細考慮宇航員執行該任務的詳細操作。例如：一位LMSSC的高級機械工程師的任務是要拿出一個方案統籌考慮宇航員的位置、宇航員之間的間隔以及座椅設計以確保宇航員能夠順利地接觸到控制臺。利用多達11個不同的宇航員數字模型，初步模擬活動空間、到達儲藏處、進入和退出等過程。

圖3 洛克希德馬丁空間系統公司對獵戶座宇宙飛船的仿真

獵戶座項目的人機工程模擬主要分為2個部分：靜態分析和動態分析。首先是進行靜態分析，靜態人體模型用來確定宇航員在自己的座位上是否“適合”：是否有腳部、膝蓋和肘部的間隙，并且避免頭部受顛簸碰撞。“適合”是非常重要的，因為美國航天局要求獵戶座飛船內能夠容納從身高比例為1%的女性（即身高低于99%女性的女性）到身高比例為99%的男性（即身高超過99%男性的男性）。

通過人機工程仿真，可以將原本數星期的驗證工作時間縮短至一到兩天。LMSSC的工程師Delnero總結了使用數字人體模型進行人機工程分析所取得的成就：

a）數字樣機使得工程師與管理者直觀地看到了獵戶座飛船的內部構造及布置情況，并了解飛船內部空間的狹小；

b）利用一個身高較高的數字人體模型模擬了從艙口進出的動作，消除了設計的擔憂。

值得一提的是，在仿真項目中，NASA采用的是Pro/E 野火2.0版本產生的三維模型，通過中間文件格式STEP轉換為仿真模型供LMSSC的工程師分析。大多數STEP文件大小約為1 Gb或數百兆左右。每一個STEP文件的處理時間約為2 h，包括創造一些表面并著色。此外，在人機因素中不需要考慮的組件，如壓力容器結構等，都做了隱藏或刪除處理。在某些仿真任務中，用于模擬的人體模型是穿著笨重的宇航服并帶著頭盔的。

仿真軟件采用DELMIA，軟件版本為V5R16，采用Windows操作系統。硬件設備為惠普4100工作站（3 Gb 內存，Intel Xeon 2.8 GHz CPU）。根據工程師Delnero的觀點：“仿真軟件幾乎是完全滿足任務的需求”。

1.3 美國空軍的虛擬維修

美國空軍阿姆斯特朗實驗室與賓夕法尼亞大學聯合開發的人員訓練與人素的設計評估（Design Evaluation for Personnel Training and Human Factors，DEPTH）項目，采用可視化和虛擬現實技術進行維修與保障分析的計算機應用系統。該項目的研究主要采用數字樣機與3D人體模型技術，用以提前確定維修過程內容與過程中的人力資源需求、生成訓練輔助材料。通過將維修仿真結果輸入交互式電子技術文檔（Interactive Electronic Technical Manual，IETM），使其成為維修手冊與維修訓練資料的一部分，實現在一次仿真中完成多項與維修相關的任務，大大減少了重復性的開發工作。

1.4 洛克希德馬丁空間系統公司戰機的虛擬維修仿真

洛克希德馬丁空間系統公司從1995年開始逐步淘汰支持了多個F-16項目的金屬樣機，轉而實行虛擬維修。其實現過程包括：a）集成多種商用軟件（如DELMIA、Jack等）實現虛擬維修能力核心；b）實現交互式CAD系統到COMOK的數據轉換；c）開展虛擬維修確認以及維修性和人機工效分析。取得的效益主要有：a）維修性分析更加形象、逼真和準確；b）使維修性分析趨于標準化，避免主觀影響；c）改善了設計人員、維修性工程人員和維修人員間的信息溝通渠道；d）節省研制費用，縮短研制周期。該成果還被應用于F-22和JSF項目，例如在JSF項目中應用DELMIA對發動機拆裝、武器裝填等過程進行仿真。

洛克希德馬丁空間系統公司研制的F-35“隱形”戰斗機為適應美國空軍、海軍和海軍陸戰隊等不同的作戰需要，具有3種變型機種，并且組裝、維護工作量巨大，需要攜帶炸彈、導彈、大炮、不同類型的雷達、燃料箱、電子對抗、瞄準系統等多種武器和設備。為了完成不超過一年的訂單和交貨時間間隔，不超過5個月的裝配，F-35的設計制造過程中進行了大量的裝配仿真，主要包括：

a）前機身裝配順序規劃；

b）柔性操作平臺對機翼上部蒙皮的裝配操作，該平臺是一個自動化的系統，可編程自動鉆孔、鉚接裝配夾具；

c）橫跨10.6 m的機翼的完全裝配序列規劃；

d）飛機機翼結構與機身中段、前部與尾部精確地無調整地對接仿真；

e）最終總裝與運輸生產線的仿真；

f）機器人的噴涂仿真與離線編程。

洛克希德馬丁空間系統公司的SAIL實驗室將動作捕捉和虛擬現實相結合，創造出沉浸式工程技術。在F-35閃電II戰機的研制中開展了大量的虛擬操作、虛擬訓練等工程仿真項目，為設計、制造方案的確定提供了極大的幫助。

SAIL管理人員談到，在從事了大約40個模擬項目后，效益已達7.5億美元，并有望在2007年締造10億美元的記錄，投資回報率預計為15∶1。更為重要的是，SAIL正在逐步在海軍方面為洛克希德馬丁空間系統公司樹立信譽，而之前它一直是美國空軍的供應商。

SAIL將DELMIA ENVISION軟件緊密整合到來自VRSim公司的SimIO和MiniViz軟件（用于同步展示的VR工具），以及來自Motion Analysis公司的一個光學動作捕捉系統上。SAIL的顯示設備為洞穴式系統，由左、中、右、地面4個投影面組成。SAIL的“外圍設備”包括：數字頭盔，來自Virtual Research Systems公司；六自由度頭部跟蹤器，來自InterSense公司；數據手套，來自Immersion公司，其中的傳感器可捕捉用戶雙手、手腕和10根手指的任何動作。此外，還有更為簡單的手套僅針對手的位置進行跟蹤；6攝像頭的球形數字化視頻系統，來自Point Grey Research公司，用于通過捕捉現實世界的視頻信息進行模擬驗證；一個激光掃描儀，來自Leica/Hexagon公司，用于捕捉并生成3D模型。

SAIL在14臺戴爾670電腦上運行，標配為NVidia Quadro FX 3400顯卡，生產于2005年。4臺電腦顯示到CAVE的投影墻上，工程師Dobbins解釋說，“我們其實可以使用一臺電腦將任何數量的視點結合到一面CAVE墻上，通常可包括4名使用頭戴式可視設備（Head Mount Display，HMD）的用戶的視點，而對其他人的視點忽略”。每個HMD都配有一臺自己的電腦。

另外3臺電腦用于ENVISION、Mocap和數據/許可服務器。Dobbins談到：“算上CAVE中佩戴立體眼鏡的4名用戶，和Mocap中佩戴HMD的4名用戶，我們共使用11臺電腦，可按照需要的數量來瀏覽電腦中的場景，而這不會影響系統的進程”。

SAIL的成功之處在于，將CAD、動力學、動作捕捉和虛擬現實整合在一起。相對于以往渲染工程信息方法來講，SAIL最大的改善之處在于將CAD、人體動作、飛機部件、船只元素和周圍空間整合為一體。其價值在于能夠精確地描繪現實的空間、時間和動作。

穿上動作捕捉服，SAIL技術人員模仿了飛機運載工具的發射情況。依靠反射的白點保持Mocap攝像頭對它的定位

SAIL以2種密切聯系的方式操作：Mocap和VR渲染。Mocap演示方式類似于好萊塢電影，在一個4.5 m×6 m的空間內，周圍有24臺互相連接的視頻攝像頭，4名人員做出彈射器發射、武裝飛機、甲板上離地試飛或更換發動機的動作。

各項任務中，表演者穿戴有貼身的深藍色或黑色服裝，類似于水下潛水員的裝束。衣服上有無數的高反射球形裝置，通過這些裝置，攝像頭可捕捉到每一個細微的動作。而Dobbins的工作就是將每一個Mocap動作即時反映在VR CAVE當中。截至2007年年中，SAIL已建立了將近40個仿真項目[3]，包括：

a）在飛機腹部安裝彈藥筒。

b）在飛機下方進行武器系統服務。

c）在機翼下方安裝導彈和炸彈。

d）海洋上，當飛機尾部懸停在飛行甲板邊緣時，操作人員接觸外部操作面板。

e）飛機預備發射，連接到甲板下方蒸汽動力的彈射器活塞環。危險的發動機進氣門區域以紅色模擬。這種模擬同樣顯示駕駛員以全動力操作發動機時的錨泊操作。

f）確保返回過程中，船只攔阻索和飛機尾鉤的正確連接。

圖4為對F-35船甲板的多個操作與維護場景做出的6個模擬動作，如圖4所示，由上到下分別為STOVL起升風扇的拆卸和CV機尾掠過水面檢查；內部武器裝載；在LHD運載裝置上STOVL耗盡（使用計算流體動力學進行的開發）重置CV尾鉤和加燃料探頭檢查。

圖4 模擬動作

2 中國研究現狀

中國航天員科研訓練中心在2009年成功研制一套單機虛擬操作訓練演示系統，并于2013年提出并實現了一個基于虛擬現實技術的航天員太空協同操作訓練仿真系統結構，該系統結構能支持多名航天員模擬太空協同操作訓練任務、實現各參訓航天員計算機虛擬場景實時一致、處理訪問沖突問題，以“神舟七號”航天員協同取載荷的仿真應用實例驗證了該仿真系統的合理性和有效性[4]，如圖5所示。

軍械工程學院裝備保障工程試驗室研制開發的新型虛擬維修平臺——交互式桌面型虛擬維修訓練平臺現已推廣使用。該平臺以維修訓練需求為牽引，以虛擬訓練為主要技術手段，提供對機械、電子、液壓等類型裝備的構造原理、操作使用、分解組合、檢查調整、故障診斷等內容的學習、訓練與考核，使得受訓人員掌握相關維修知識與操作技能，達到近似實際訓練的效果。此外，維修幫助可以提供常見維修任務的操作幫助和相關資料查詢等功能。該平臺采用了最新的虛擬維修訓練模型體系和系統架構，兼容常見的虛擬現實引擎，不需要用戶編程，只需將相關維修訓練數據聚合即可生成具體裝備的虛擬維修訓練系統，給用戶提供“真實”的虛擬訓練環境[5]。

圖5 兩名參訓航天員協同回收載荷訓練配置環境

浙江大學對分布式虛擬現實、虛擬裝備裝配及應用于工效學領域的虛擬人體模型進行了研究[6]；國防科學技術大學研究了虛擬人行走規劃方法；北京航空航天大學、北京大學、武漢大學等研究機構也都對虛擬人體模型進行了研究[7,8]，并且大都集中于工效學領域，主要針對維修訓練中的具體問題。

3 發展趨勢

隨著航天產品三維研制模式的不斷推進，基于三維模型的虛擬現實仿真具有越來越重要的應用意義，同時相關系統的發展主要有以下幾方面趨勢：

a）與增強現實技術相結合。增強現實（Augmented Reality，AR）技術是在虛擬現實基礎上發展起來的一種新興計算機應用和人機交互技術。借助光電現實技術、交互技術、多傳感器技術和計算機圖形與多媒體技術將計算機生成的虛擬環境與用戶周圍的真實場景相融合，使用戶從感官效果上確信虛擬環境是其周圍真實場景的組成部分。虛擬現實讓用戶完全沉浸于計算機生成的虛擬環境中，而增強現實實現了虛擬圖像和真實環境的無縫融合，從而可以增強虛擬維修的沉浸性和交互性。結合虛擬模型和半實物模型的自身優點，開展不同應用條件下的虛擬訓練仿真工作。

b）系統功能多樣化，設計所需軟件開源化。目前，國內虛擬仿真系統基本上是通過Virtools、Delmia、Jack商用軟件提供的接口進行二次開發。不僅價格昂貴，而且開發單一，無法滿足系統功能多樣化的需求。OSG、Unity 3D等開源或較開放的軟件平臺成為了中國虛擬仿真技術發展的突破口，可基于此類軟件研制出具有中國自主知識產權的軟件平臺。

c）整合電路仿真功能。目前，虛擬訓練領域中的研究主要針對裝備機械部件的操作進行的，沒有涉及到裝備內部電氣方面，尤其是針對電路的仿真訓練。未來的研究方向，應該著眼于將電路級的維修訓練融入到虛擬維修訓練系統中，以此來完善虛擬訓練系統，使得裝備技術人員能夠通過虛擬訓練系統得到更加全面的培訓。

d）系統的小型化、輕型化。目前結合虛擬現實技術的虛擬訓練系統受制于顯示設備、位置跟蹤設備等硬件，體積較為龐大，建設費用較高，隨著3D頭盔、眼鏡等設備顯示效果及性能的進一步提升，人機交互設備的更新換代，有望在未來的幾年內實現虛擬訓練系統的小型化、輕型化，進而使其在更廣泛的領域內應用推廣。

[1] 劉佳, 劉毅. 虛擬維修技術發展綜述[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2009, 21(11): 1519-1534.

[2] 李潔. 虛擬人及其在某型武器維修訓練系統中的應用研究[D].南京: 南京理工大學, 2010

[3] Mindfeed M, Lockheed. An Immersive Virtual Reality Engineering of F-35[EB/OL]. [2012-08-05]. www.lockheedmartin.com/jsf.

[4] 王洪雨，胡溶溶，喻懋林. 裝配仿真技術在衛星裝配中的應用[J].航空制造技術, 2015(21): 56-58

[5] 趙泌平. 虛擬現實綜述[J]. 中國科學, 2009, 39(1): 2-4.

[6] 彭濤, 李世其, 王巧峰, 等. 基于増強人機交互技術的虛擬裝配[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2009, 21(3): 354-361.

[7] 趙罡，王超，侯文君, 等. 復雜產品虛擬裝配系統的人機交互技術[J]．北京航空航天大學學報, 2009, 35(2): 137-141.

[8] 張剛, 溫海. 復雜結構產品可裝配性評價方法研究[J]. 機械設計與制造, 2008(4): 203-205.

Summary of Virtual Assemble and Virtual Maintenance in Aerospace

Zhao Bo1, Liu Feng-cai1, Xiang Cai-xia2
(1.Beijing Institute of Astronautic Systems Engineering,Beijing,100076; 2. Beijing Institute of Aerospace Long March Scientific and Technical Information , Beijing, 100076 )

The application statuses of virtual assemble and virtual maintenance in aerospace at home and abroad are summarized, and the development trends are analyzed. Virtual assemble and virtual maintenance will be combined with augmented reality, the relevant application system will become smarter and lighter.

Aerospace;Virtual assemble;Virtual maintenance

V47

A

1004-7182(2016)05-0053-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160512

2016-01-29；

2016-05-17

趙 博（1982-），男，高級工程師，主要研究方向為數字樣機技術