AR/VR仿真建模技術(shù)在航天器研制中的應(yīng)用探索

王 璐，趙 寒，宋文龍，徐晨光

（中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

AR/VR仿真建模技術(shù)在航天器研制中的應(yīng)用探索

王 璐，趙 寒，宋文龍，徐晨光

（中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

AR/VR仿真建模技術(shù)通過顯示設(shè)備將虛擬世界與現(xiàn)實環(huán)境相融合，改進(jìn)人機交互模式，使用戶能夠提前認(rèn)知或模擬體驗未來產(chǎn)品或現(xiàn)實環(huán)境下的操作行為。在低成本、短周期、高質(zhì)量的型號產(chǎn)品研制形勢下，面對航天器復(fù)雜構(gòu)造以及不可達(dá)空間環(huán)境下的可行性設(shè)計，采用模型可視化、虛擬試驗等方式模擬實物操作，減少設(shè)計反復(fù)以及物理試驗產(chǎn)生的成本，提高物理產(chǎn)品的好用易用性。本文在總結(jié)提出航天器研制面臨的虛擬仿真驗證需求基礎(chǔ)上，分析了開展工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并通過典型案例進(jìn)行了技術(shù)驗證。為逐步建立航天器虛擬現(xiàn)實中心，實現(xiàn)AR/VR技術(shù)在航天器研制過程中的全面應(yīng)用，進(jìn)行了有效的技術(shù)探索。

虛擬現(xiàn)實；增強現(xiàn)實；仿真建模

0 引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），是一項允許用戶與計算機仿真環(huán)境進(jìn)行實時交互的人機界面綜合技術(shù)，集成了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)，通過創(chuàng)建和表現(xiàn)虛擬物體與虛擬空間，使用戶能夠基于自身視、聽、觸等感受及自然技能對虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作，激發(fā)創(chuàng)新“靈感”。增強現(xiàn)實技術(shù)(Augmented Reality，簡稱AR)，發(fā)展于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是將虛擬的場景疊加到真實場景中，實現(xiàn)對現(xiàn)實的增強，是一種結(jié)合圖像識別、虛實融合、人機交互、三維顯示等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)對自然世界感知、交互、反映的混合技術(shù)。

近年來，隨著計算機圖形加速能力、浮點計算能力、實時分布處理能力的大幅度提高，以及傳感器和顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，AR/VR技術(shù)和設(shè)備開始走向成熟，研究應(yīng)用領(lǐng)域已逐漸從海陸空軍事、醫(yī)療、娛樂、藝術(shù)、教育等傳統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展到工業(yè)制造、機器人、數(shù)據(jù)可視化、軍事培訓(xùn)等新興領(lǐng)域應(yīng)用，呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

在航空航天制造領(lǐng)域，波音777型號作為首個完全沒有物理樣機即投產(chǎn)的商用飛行器，在研制過程中大量采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過交互手段對產(chǎn)品的功能、制造、裝配、維修進(jìn)行虛擬實驗，使設(shè)計更改和返工率減少了50%以上，裝配問題減少了50%～80%，并提前一年完工。美國Fusion媒體公司、麻省理工學(xué)院以及美國宇航局(NASA)目前正在合作開展一項虛擬現(xiàn)實研究項目，旨在讓用戶能夠遠(yuǎn)在人類宇航員真正登上火星表面之前便能提前體驗漫步火星的真實感受。根據(jù)真實火星科學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建地形和環(huán)境，通過允許用戶在火星表面行走，或是駕駛一輛火星車原型自由探索數(shù)個平方公里大小區(qū)域內(nèi)各處地點，完成一系列指定的科學(xué)探測目標(biāo)。國內(nèi)中航通用飛機有限責(zé)任公司率先成功使用可視化協(xié)調(diào)決策平臺系統(tǒng)實現(xiàn)了真實視覺仿真、駕駛員視界優(yōu)化、復(fù)雜電氣系統(tǒng)及供油管路系統(tǒng)仿真優(yōu)化、起落架與水箱等專利技術(shù)應(yīng)用模擬、多部門協(xié)同設(shè)計方案改進(jìn)等工作，并于2012年珠海航展中首次采用沉浸式輕量化虛擬現(xiàn)實技術(shù)完整展示了一款新設(shè)計的整機虛擬樣機數(shù)字模型[4]。相比之下，我國航天器研制工作中，在VR/AR仿真建模技術(shù)應(yīng)用方面開展的研究工作很少，大多集中在高校的科研單位，鮮見與航天器產(chǎn)品工程結(jié)合的應(yīng)用研究，尚處于起步探索階段。

隨著我國空間事業(yè)不斷發(fā)展，航天器研制呈現(xiàn)出任務(wù)愈發(fā)復(fù)雜、重量體積不斷增加、結(jié)構(gòu)形式多樣等新特點，對于體系效能分析、構(gòu)型布局設(shè)計、總裝設(shè)計等研制環(huán)節(jié)的仿真分析要求越來越高，對無法抵達(dá)或地表無法復(fù)現(xiàn)的太空環(huán)境等方面的模擬仿真的需求也日益迫切。以火星探測任務(wù)為例，傳統(tǒng)以地面物理樣機驗證為主的方法難以滿足火星探測器研制所面臨的苛刻要求，如火星重力場在地球無法充分模擬測試，探測器登陸減速需面對1600度極端高溫，整個登陸過程對于操作失誤完全是“零容忍”等等。因此在航天器研制過程中，工程人員需要引入比現(xiàn)有的數(shù)字化設(shè)計工具更有效的AR/VR技術(shù)手段來進(jìn)行更高效的產(chǎn)品原型設(shè)計，更直觀的思維表達(dá)，更有效的交流，以及更精確的試驗驗證探索。

本文在總結(jié)提出航天器研制面臨的虛擬仿真驗證需求基礎(chǔ)上，剖析了開展工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并通過典型案例進(jìn)行了技術(shù)驗證。為逐步建立航天器虛擬現(xiàn)實中心，實現(xiàn)AR/VR技術(shù)在航天器研制過程中的全面應(yīng)用，進(jìn)行了有效的技術(shù)探索。

1 航天器虛擬仿真應(yīng)用需求

航天器研制過程涉及設(shè)計與仿真分析、制造集成、測試試驗、在軌管理等多個環(huán)節(jié)，其中多項工作面臨較多的未知性，也存在很多地面無法開展的物理試驗驗證環(huán)節(jié)以及不可逆的操作環(huán)節(jié)，需要借助AR/VR技術(shù)虛擬可視化、虛實融合等特點，完善產(chǎn)品設(shè)計方案，加強試驗驗證分析，培訓(xùn)宇航員或操控人員，完成未知空間探索等任務(wù)。具體需求體現(xiàn)在以下幾方面：

圖1 AR/VR虛擬仿真建模技術(shù)在航天器研制各環(huán)節(jié)的應(yīng)用需求

1）飛行過程虛擬仿真分析

大型復(fù)雜航天器方案設(shè)計階段，需要開展軌道與星座設(shè)計、動力學(xué)分析等工作，通過飛行過程虛擬仿真分析，可以在航天器研制早期發(fā)現(xiàn)總體設(shè)計中的問題，減少設(shè)計修改對詳細(xì)設(shè)計等后續(xù)工作的影響。在軌運行期間，常常需要在一定的背景下完成某些關(guān)鍵動作，例如載人空間站與載人飛船的交會對接、月球軌道的交會對接、月面工作環(huán)境條件下，對這些重要飛行過程利用虛擬現(xiàn)實及仿真系統(tǒng)進(jìn)行過程和場景演示，實時了解航天器在軌運行期間的飛行軌道、姿態(tài)以及操作響應(yīng)等情況，能夠有助于設(shè)計師及用戶獲得更加真實的沉浸式體驗，幫助進(jìn)行在軌任務(wù)規(guī)劃與飛行過程的優(yōu)化。

2）三維數(shù)字樣機協(xié)同設(shè)計與校核

將傳統(tǒng)的文字、圖紙等平面構(gòu)形描述轉(zhuǎn)換為方案“立體”模型，在方案階段提供一個或多個“看得見、摸得著”的虛擬樣機替代“功能不健全”的演示樣機，將各不同崗位的設(shè)計師組織起來，開展設(shè)備布局、電纜敷設(shè)、視角優(yōu)化等工作，使得不同專業(yè)的人員共同開展設(shè)計及校核評審，互相幫助發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題、了解設(shè)計缺陷和不足，減小不必要的設(shè)計余量，降低制造加工難度，在產(chǎn)品研制早期進(jìn)行改進(jìn)，避免在后期更改造成的時間和資源成本浪費。

3）產(chǎn)品運動過程仿真分析

實現(xiàn)快速的路徑規(guī)劃和碰撞干涉檢查，例如在嫦娥五號探測器研制任務(wù)中，利用沉浸式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行火星車表取機械臂運動規(guī)劃及仿真。傳統(tǒng)進(jìn)行運動規(guī)劃時，需要建造外太空試驗環(huán)境以及半物理仿真裝置等設(shè)備，反復(fù)切換立體空間視角用以觀察機械臂任務(wù)規(guī)劃是否合理，是否與其他設(shè)備產(chǎn)生干涉；利用沉浸式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，通過多視角的影像合成和虛擬仿真，任務(wù)規(guī)劃人員能夠非常直觀立體的看到機械臂的運動路線，方便規(guī)劃人員進(jìn)行規(guī)劃驗證，提高驗證效率。

4）制造/裝配工藝性分析/人機功效分析

隨著航天器功能性能復(fù)雜程度的不斷提高，對星船產(chǎn)品的設(shè)備布局設(shè)計提出了更高的要求，航天器空間利用率要求越來越高，航天器的系統(tǒng)集成與制造裝配能力面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。航天器的系統(tǒng)集成與裝配是對航天器系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果正確性、可操作性的一次重要檢驗，在實際的裝配過程中，可能會發(fā)生需安裝的設(shè)備與周邊結(jié)構(gòu)或設(shè)備發(fā)生碰撞、安裝路徑無法通過，電纜插拔空間不足等問題。需要通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在設(shè)計階段進(jìn)行虛擬裝配驗證操作，模擬在真實環(huán)境中對航天器各零部件進(jìn)行各類裝配操作，在虛擬操作過程中進(jìn)行實時的碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑和順序的驗證，對整個過程進(jìn)行仿真驗證和預(yù)演，對裝配過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行排查，對裝配設(shè)計和操作的正確性及可行性進(jìn)行驗證，以便及早的發(fā)現(xiàn)總裝設(shè)計中的潛在問題，從而減少實施過程中的風(fēng)險，同時達(dá)到縮短了衛(wèi)星研制周期，降低設(shè)計成本，提高總裝效率的目的。

5）交互式虛擬展示、維修、訓(xùn)練

利用虛擬現(xiàn)實與仿真系統(tǒng)對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)、演練，給操作人員一種身臨其境的感覺，以熟悉操作內(nèi)容和過程，減少正式操作過程中的錯誤。利用虛擬現(xiàn)實與仿真系統(tǒng)輔助進(jìn)行在軌故障的診斷，當(dāng)在軌發(fā)生故障時，可替代地面模擬器。根據(jù)地面試驗測試結(jié)果，構(gòu)建真實產(chǎn)品的在軌模型，替代地面模擬器。根據(jù)在軌實時數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬產(chǎn)品狀態(tài)，進(jìn)行實時的展現(xiàn)，不同學(xué)科、不同部門的專家在模型上進(jìn)行快速討論。對搶救方案進(jìn)行演練，特別是地面不可試驗項目，早期看到結(jié)果是否滿意，避免因在軌演練對航天器造成損害。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

航天器研制涉及光、機、電、熱等多學(xué)科復(fù)雜設(shè)計，過程中需要使用多種類型的任務(wù)分析、設(shè)計、仿真工具，如三維建模Pro/E、軌道分析STK、動力學(xué)分析Adams、流場分析Fluent等，將產(chǎn)生的大量異構(gòu)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同工作。為了可視化展現(xiàn)計算與分析結(jié)果，在虛擬環(huán)境中開展人機交互式協(xié)同研制，需要突破多源數(shù)據(jù)接入、虛擬數(shù)字場景快速重建、虛實結(jié)合的人機交互等關(guān)鍵技術(shù)，將各類異構(gòu)數(shù)據(jù)接入到虛擬環(huán)境中，開展基于多數(shù)據(jù)源疊加顯示的虛擬場景快速構(gòu)建，再將納入虛擬環(huán)境中的數(shù)據(jù)按照空間關(guān)系進(jìn)行正確的疊加顯示，快速構(gòu)建虛擬場景，支撐三維數(shù)字樣機協(xié)同設(shè)計、機構(gòu)產(chǎn)品運動過程仿真、虛擬裝配和工藝仿真、飛行過程和場景仿真等工作，提升航天器任務(wù)分析、數(shù)字樣機設(shè)計、機構(gòu)運動及飛行過程虛擬仿真分析、人機功效分析等能力。總體實驗方案路線圖如圖1所示。

圖2 總體實驗方案和路線

3 基于TechViz的多源數(shù)據(jù)接入技術(shù)

在航天器某型號虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用過程中，借助TechViz基礎(chǔ)平臺二次開發(fā)實現(xiàn)ProE結(jié)構(gòu)模型、Fluent分析模型等異構(gòu)的多源數(shù)據(jù)接入到虛擬現(xiàn)實環(huán)境。通常CAD/CAE/CAM軟件的3D顯示底層技術(shù)是基于OPENGL的，通過TechViz進(jìn)行渲染，實現(xiàn)3D模型的立體顯示和多通道顯示，再通過前端眼鏡、手柄等交互設(shè)備實現(xiàn)實時互動。驅(qū)動TechViz軟件支持同時運行多個應(yīng)用程序，實時在同一畫面中融合顯示不同3D場景，將CAD的設(shè)計模型、仿真模型、流體力學(xué)分析結(jié)果數(shù)據(jù)等合成到同一個場景下進(jìn)行顯示，從平臺層面支持多源數(shù)據(jù)的接入。

3.1 基于多數(shù)據(jù)源疊加顯示的虛擬場景快速構(gòu)建技術(shù)

可視化仿真的實質(zhì)是采用圖形或圖像的方式對仿真計算過程進(jìn)行跟蹤、駕馭和結(jié)果處理，同時實現(xiàn)仿真軟件界面的可視化[4]。航天器研制過程中使用的動力學(xué)分析軟件MSC.Adams、流場分析軟件Fluent等都具有可視化功能，通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟件的集成處理，將多學(xué)科的分析仿真結(jié)果進(jìn)行疊加顯示。

采用Ensight平臺的圖形后處理軟件包中CAE求解器，通過多個數(shù)據(jù)解讀器，進(jìn)行有限元分析（FEA），計算流體力學(xué)（CFD）、結(jié)構(gòu)、碰撞、動力學(xué)和大氣動力學(xué)分析。同時，建立基于多數(shù)據(jù)源疊加顯示的虛擬場景快速構(gòu)建方法，實現(xiàn)航天器研制過程中所需的大量異構(gòu)格式的設(shè)計、分析工具之間的協(xié)同工作，如軌道分析STK、星間鏈路計算結(jié)果、羽流、流場、熱、動力學(xué)、靜力學(xué)、受力變形等仿真分析結(jié)果，更為直觀的展示在三維數(shù)字樣機上，在同一個場景中的協(xié)同運作，共同支撐完成太陽翼、大型天線展開，羽流對衛(wèi)星姿態(tài)的影響等設(shè)計與分析工作。

4 應(yīng)用場景探索

在以上對AR/VR仿真建模技術(shù)的分析與研究基礎(chǔ)上，以火星探測型號任務(wù)為背景，試點研制了一個虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的火星車交互作業(yè)仿真案例。在模擬了火星表面的重力、地況等環(huán)境基礎(chǔ)上，構(gòu)建了火星車數(shù)字模型，設(shè)計了驅(qū)動路徑規(guī)劃模式，實現(xiàn)了在虛擬環(huán)境下對火星探測任務(wù)重要環(huán)節(jié)的仿真分析，為深空探測領(lǐng)域航天器任務(wù)規(guī)劃的可視化驗證提供了技術(shù)支撐。

圖3 虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的火星車在星表工作示意

采用AR/VR仿真建模技術(shù)在航天器型號研制領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，未來還可參與到以下工作場景。

如以遙感衛(wèi)星型號任務(wù)為背景，開展任務(wù)規(guī)劃仿真驗證系統(tǒng)的研發(fā)工作，利用空間環(huán)境的歷史數(shù)據(jù)，搭建與真實太空環(huán)境類似的虛擬現(xiàn)實場景，構(gòu)造與衛(wèi)星設(shè)計模型一致的仿真模型，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式模擬衛(wèi)星進(jìn)行記錄成像活動、時拍時傳活動等工作狀態(tài)，驗證衛(wèi)星的姿態(tài)、電量、有效載荷是否能夠滿足任務(wù)要求，輔助多方案優(yōu)化產(chǎn)品指標(biāo)，最大化衛(wèi)星的效益。

另外，在型號研制評審環(huán)節(jié)中，也可以支持在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中開展設(shè)計校核和評審，如制作衛(wèi)星結(jié)構(gòu)展示環(huán)境，不同專業(yè)的設(shè)計師可以通過立體眼鏡和手柄跟蹤裝置與虛擬環(huán)境中展示的結(jié)構(gòu)立體模型進(jìn)行交互，以1:1的顯示比例逐級查看衛(wèi)星的艙段、艙板、單機等靜態(tài)三維模型以及機構(gòu)運動情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，大大提高復(fù)核復(fù)審的效率和準(zhǔn)確性。

在航天器研制領(lǐng)域最能體現(xiàn)AR/VR仿真建模技術(shù)優(yōu)勢的是，開展人機功效仿真驗證工作，在虛擬現(xiàn)實仿真環(huán)境中，建立完整的型號產(chǎn)品模型，實時將人1:1投射到虛擬空間中，通過人員的多重視錐和可達(dá)區(qū)域?qū)Ω鞣N交互方式進(jìn)行仿真，在數(shù)字模型樣機中驗證操作者的可視性、通過性、可達(dá)性、舒適性。同時可以通過改變?nèi)梭w模型尺寸，針對不同身材的操作人員進(jìn)行差異化驗證，最終實現(xiàn)對使用及制造過程中人機問題盡早的預(yù)知，并提供更合理的設(shè)計及工藝規(guī)劃方案，提升產(chǎn)品的一次裝配成功率，減少反復(fù)。

5 結(jié)束語

AR/VR技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型復(fù)雜產(chǎn)品的研制過程，在國內(nèi)外大型科研生產(chǎn)類企業(yè)取得了顯著的應(yīng)用成效。面對航天器研制的新挑戰(zhàn)和應(yīng)用需求，還需要同步開展工程實踐建設(shè)，在突破AR/VR關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，逐步建設(shè)航天器虛擬現(xiàn)實中心，為工程人員提供一個沉浸式的航天器虛擬現(xiàn)實驗證環(huán)境，使得航天器設(shè)計過程各個階段的結(jié)果均可以在該系統(tǒng)中顯示，有效地進(jìn)行設(shè)計結(jié)果驗證，輔助優(yōu)選和核查設(shè)計方案，提高航天器產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性，縮短研制周期，減少物理試制、試驗的成本。

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THE

WANG Lu, ZHAO Han, SONG Wen-long, XU Chen-guang

TP24

：A

：1009-0134(2017)08-0149-04

2017-05-24

王璐（19 -），