增強現實在航天器電纜裝配中的應用技術研究

陳華俊　陳暢宇　孫剛　萬畢樂

摘要：當前航天器電纜裝配過程存在工藝研讀不便利、理解負擔重等問題，影響工藝實施的精度、質量和效率?？紤]到增強現實技術在工藝可視化等方面的優越表現，對航天器電纜裝配中的增強現實應用技術展開了研究。采用基于Vuforia標志及SLAM技術的模型跟蹤定位方法，兼顧虛實配準精度和跟蹤范圍。利用航天器設計模型進行調整和輕量化，使用Unity3D創建可視化工藝導引信息，然后將原型系統部署到HoloLens。最終在某型號航天器電纜裝配中進行了應用驗證，證明在電纜裝配中應用增強現實技術相比于傳統電纜裝配方法具有優勢，同時分析了AR環境下影響航天器電纜裝配耗時的主要影響因素。

關鍵詞：增強現實應用;航天器電纜裝配;跟蹤注冊;工藝可視化

中圖分類號：V411.8

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.08.015

電纜是航天器系統中傳送電流、信號的重要元器件，電纜裝配是航天器總裝過程中的一項重要工作，直接關系到航天器內部的電氣設備能否正常運行，影響著航天器整體的各項性能指標是否滿足設計和使用要求。航天器電纜網趨于分支多樣化、密集化，不同航天器的電纜數量與走向差異巨大，裝配位置空間狹小，操作工況復雜，因此目前航天器電纜的裝配嚴重依賴于手工作業，雙手協調裝配動作占航天器整個裝配工作量的70%以上。為了完成電纜鋪設過程，操作人員首先需要從分布在多個文件的圖紙或三維模型中獲取所需信息，然后在航天器艙內進行鋪設位置確認、綁扎及調整作業。目前固定式看板系統的電纜工藝信息展示方式存在著工作效率低、出錯概率大、學習成本高等問題，主要體現在工藝研讀途徑不便利、工藝理解與記憶負擔重等方面，對操作人員的經驗判斷能力、記憶力等提出了很高的要求。

在航天器電纜裝配過程中應用增強現實技術（Augmented Reality，AR）為解決上述問題提供了一個新途徑。增強現實技術將真實的工況場景與虛擬物體/信息融合在一起，實現電纜裝配過程信息與真實物理環境的自動匹配，幫助操作人員理解場景中的各種裝配關系，可以大幅減少人員由于在工藝看板與操作工位間進行視角移動所耗費的精力;通過可視、易懂的指示方式簡化作業人員對工藝規程的解讀，可以顯著降低作業人員在復雜工況下的認知負擔，提高操作精度，防止發生操作差錯。因此，基于增強現實的電纜裝配引導技術能夠準確、高效地引導工人完成電纜裝配操作，通過智能化手段減少人工參與的易錯環節，加強裝配操作人員對實際裝配場景的沉浸感和交互的真實感，同時工作過程標準化、流程化，實現“人一機一物”的協同與融合，在提升手工電纜裝配作業能力上存在著巨大的潛力，推動著智能化衛星裝配模式的發展。航天器電纜裝配中AR模式與傳統模式的對比如圖1所示。

增強現實在電纜裝配方面的應用技術研究受到了廣泛關注，并有了成功的案例。早期波音公司Tom Caudell等將AR技術應用于飛機制造中電力電纜的連接和接線器的裝配，為波音公司節省了大量用于存儲布線板的空間和經費，但受限于當時的技術，其存在設備笨重、時效性差、創作復雜昂貴等問題。歐洲航空防務與航天公司（ EADS）利用Arvika系統對飛機、汽車進行裝配和維修，裝配工人可以通過語音調用虛擬信息，按照每步的提示輕松地完成1 mx6 m

通過Resources.Load（）方法加載端口數據集，將連接器編號名稱以及三維坐標賦值給3D文本預制件，用于在電纜端口位置高亮顯示電連接器編號。為實現顯示電連接器編號文本在每幀畫面中更新，文本法線始終指向攝像機方向，設置旋轉軸為y軸。文本法線向量應為：R=B - A.B和A分別為場景中相機坐標及物體坐標。然后通過Quatemion.LookRotation（）注視旋轉方法將物體朝向指向此方向。部分代碼如下：

Vector3 relativePos - target.position - transform.position;Quatemion rotation - Quatemion.LookRotation（relativePos）;transform.rotation - rotation：

電纜分支末端電連接器端口編號顯示效果如圖9所示。

2.2.3 航天器艙板與待裝配電纜虛實遮擋一致性的實現

基于“模型重建”的方法，將“虛實模型”的深度值作比較，然后根據比較的結果，只對虛擬電纜模型未被遮擋的部分執行渲染，如圖10所示。如果保持艙板默認材質并將其渲染顯示，能夠呈現艙板與電纜間的“虛虛遮擋”效果，如圖10 （b）所示。如果將艙板透明化輸出，并且不對艙板后的圖形進行渲染，則能夠實現虛實融合的正確遮擋關系。新建名為‘'Mask”的Shader代碼如下：

Shader”Custom/Mask”f

SubShader{

//GeometoF 2000

Tags{”Queue”=“Geometry-IO”}

Lighting off

//相當于小于或者等于本身深度值時，該物體渲染

ZTest LEqual

//打開深度寫入

ZWrite On

//通道遮罩，為0時不寫入任何顏色通道，除了深度緩存

ColorMask 0

Pass{} }}

創建新材質Mask Material，將Shader模式設定為定制化的“Mask”。通過GetComponent（ ）.material- Mask Material將此材質賦給艙板模型，艙板模型透明化隱藏，使實際場景匹配的艙板在視野中不再受模型遮擋，同時深度小于此艙板的電纜模型部分渲染顯示，而深度大于此艙板的模型部分不渲染顯示。航天器艙板與電纜間良好的虛實遮擋效果如圖10 （c）所示，避免了裝配人員的視覺錯覺，提高了工藝信息的可讀性。

3 型號驗證

增強現實環境下的航天器電纜手工裝配作業的～般流程如圖11所示。在準備階段，操作人員佩戴HoloLens增強現實設備，掃描工況場景，空間映射系統自動構建場景稠密SLAM地圖用于實時的跟蹤定位。進入裝配導引系統，掃描貼在航天器艙板上的預置標志，系統將待裝配電纜的虛擬模型定位在空間場景中;用戶根據導引信息進行相應的裝配工作;在裝配過程中，用戶按工藝順序接收指引信息或者主動查詢待裝配電纜信息;待導引裝配結束后，可進入裝配檢錯環節，檢測員通過額外增強現實顯示系統或監測屏幕進行已裝配組件信息比對，檢查真實場景中裝配對象各組件裝配位置是否有誤;最后，確定裝配結束，退出裝配導引系統。

對某型號航天器電纜裝配過程進行跟蹤及記錄，部分電纜裝配時間統計如表1所示?；谠鰪姮F實的航天器電纜工藝可視化方法，某型號服務艙電纜總裝時間從預定的7d縮短到4d完成，有效提升作業效率40%以上。

經過初步統計及分析可知，基于AR工藝可視化系統進行電纜裝配的過程中，主要影響電纜裝配時間的因素包括待裝配電纜長度、分支端頭數、綁扎底座數、過穿艙孔數及相對艙體的裝配位置等。其中，電纜長度及相對艙體的裝配位置對電纜裝配耗時影響較大，較長電纜往往需要綁扎在更多的尼龍底座上，而裝配在艙體高處的電纜需要操作人員利用升降梯等進行作業，都提高了裝配作業的復雜度。裝配時間與電纜各屬性間的關系如圖12所示。可見電纜分支端頭數與穿艙孔數對裝配作業時間影響較小，而待綁扎尼龍底座數量的增加將導致裝配時間大幅度延長。

4 總結

本文研究了基于增強現實的航天器電纜裝配工藝可視化方法，有效解決當前航天器電纜裝配過程中工藝研讀不便利、出錯概率大等問題?；赩uforia標志及SLAM技術的模型跟蹤定位方法能夠保證移動虛實注冊精度達5 cm。利用總體設計模型調整和輕量化，保證應用程序快速更改和發布，以適應快節奏多變更的航天器總裝任務。根據電纜工藝需求創建可視化三維工藝導引信息，包括電纜走向、電連接器編號、尼龍底座等，有效提高了工藝信息可讀性及執行效率。對某型號航天器服務艙進行了應用驗證，證明了基于本文的方法使電纜裝配效率提升40%以上，并分析了影響裝配時間的關鍵因素。當前的AR系統仍存在局限性，增強現實裝備不夠輕便，上星操作時有跌落磕碰星上設備的風險，同時操作人員在使用AR設備前的短期培訓仍十分必要，給操作人員帶來了體力和腦力新負擔，因此使其完全適應緊張繁忙的總裝實際操作仍有一定差距。在未來，隨著增強現實裝配引導技術進一步開發以及市場驗證，在航天器復雜、多步驟的裝配場景中，操作人員佩戴輕便的增強現實眼鏡，在手工操作同時獲取交互式、結構化的虛實融合引導信息，增強現實系統能夠探測與感知裝配情境以及識別操作人員意圖，輔助操作人員高效、準確地完成裝配任務。

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