載人潛水器與VR 結合的應用模式研究

邢 丹，曲文新，胡中惠，馬利斌，徐偉哲

(中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

隨著海洋資源勘探開發、深?？瓶?、深?？脊偶吧詈Ｂ糜蔚鹊陌l展，已經有越來越多的人搭乘載人潛水器進入海底世界，但載人潛水器設計研發成本高、操作訓練條件苛刻已成為制約潛水器譜系化發展、推廣應用的主要因素。虛擬現實（Virtual Reality，VR）是對現實采用仿真技術、計算機圖形學、人機接口技術等開發出來的一種計算機仿真系統，可以讓使用者獲得視覺、聽覺、觸覺等方面的身臨其境的體驗[1]。將VR 技術應用于深海裝備的設計、制造、評價、仿真和培訓中，充分發揮VR 技術的沉浸、交互和構想等優勢，構建沉浸式交互體驗平臺，真實地模擬深海環境及海底作業過程，是提升潛水器設計、制造及操作訓練效能的有效手段。

1 VR 在載人潛水器中應用

在載人潛水器領域中，VR 技術也已經有所應用。國內已知的有“VR 蛟龍一號”和“深海勇士VR 體驗系統”，這2 個VR 系統均是以科普教育為目的研發的。其中“VR 蛟龍一號”在結構設計上對“蛟龍”號載人潛水器進行了深度還原，艙內共設4 個VR 體驗座椅及頭盔，體驗者進入設備，帶上沉浸式VR 頭盔，海底畫面隨即撲面而來，第一人稱視角可以讓體驗者深入其中?！吧詈Ｓ率縑R 體驗系統”通過VR 場景模擬，多維解析了“深海勇士”號結構原理，并讓觀眾親身體驗乘坐“深海勇士”號潛入深海進行科考作業情景。

日本海洋科學技術中心研制的“深海2000”載人潛水器、“深海6500”載人潛水器的操縱模擬器可以真實模擬潛水器的六自由度運動及艙內設備操控，同時可以展示海底場景。美國的ALVIN 號載人潛水器模擬器是一個基于全球網絡的虛擬培訓平臺，可進行載人潛水器培操作培訓及潛次任務演練[1]。

哈爾濱工程大學創建了一套具有實時運動仿真、三維水下視景虛擬仿真、聲視覺仿真等功能的ROV 仿真系統。中國船舶科學研究中心在2012 年研發成功一套潛水器深海虛擬環境下的虛擬仿真系統，可以實現潛水器的可視化，直觀、生動且實時的反映其姿態和水面備航、無動力下潛及近海底巡航等過程[2]。

目前VR 在潛水器方面的應用主要集中在上述的科普教育和航行仿真方面，本文以載人潛水器技術研發和裝備制造、使用培訓、科普示范的需求為出發點，同時參考VR 在航空航天、汽車制造等工程領域的應用方向，分析了載人潛水器與VR 結合應用的幾個方向，主要包括輔助設計制造、航行運動仿真及操作教學與培訓（見圖1），為載人潛水器的譜系化發展、推廣應用提供參考。

圖1 VR 在載人潛水器中的應用Fig.1 Application of VR in HOV

2 輔助設計制造

2.1 虛擬裝配

VR 技術在載人潛水器中最主要應用之一是可以實現載人潛水器的虛擬裝配，通過導入三維模型到VR 系統，可以在高逼真的虛擬場景中操作三維模型，通過手部交互動作開展虛擬裝配，配合實時的碰撞檢測，檢查模型的可裝配性，對得到裝配的可行序列及路徑進行標記記錄，同時在虛擬裝配過程中可以尋找不合理的設計，反饋給設計師進行優化修改。

由于載人潛水器內部空間緊湊、裝置種類繁多、集成度很高，若無指導非專業技術人員可能無法獨立完成整個潛水器的虛擬裝配流程，此外即使是專業技術人員，最終產生的裝配序列也會存在不同，因此按虛擬裝配用戶方使用需求的不同，建議將虛擬裝配體系分為2 個方向，在構建虛擬裝配系統時應有所選擇與側重，具體見圖2。

圖2 從用戶方需求出發搭建虛擬裝配系統Fig.2 VR system based on user's requirements

第一類為面向專業技術人員的虛擬裝配系統，由于專業技術人員使用該虛擬裝配系統的最終目的是為了模擬載人潛水器總裝建造過程，得到更高效合理的一套裝配序列，及早發現裝配中存在的問題來反饋給設計師，應具備以下功能：

1）具備實時碰撞檢測功能；

2）裝配件安裝位置提示功能，例如當裝配件進入指定范圍內時，對裝配件或裝配位置進行高亮顯示并自動吸附至安裝位置處；

3）提供配套的安裝輔助工具；

4）具備裝配序列、裝配路徑標記記錄功能；

5）可生成裝配演示動畫；

6）具備裝配過程人機分析功能，進行部件裝配過程人體姿態勞動強度分析，及時發現部件在設計、工藝規劃、工裝設計制造、工具使用中的缺陷，加以修正和優化，制定出最優的工作方式。

第二類為面向非專業人員的虛擬裝配系統，該系統的目的更多是為了向非專業人員展示載人潛水器總裝建造的過程，更偏向于科普展示與教育培訓。非專業人員在使用該虛擬裝配系統時，是期望能夠在具有高度沉浸感的虛擬環境中體驗參與載人潛水器的裝配建造過程。基于該需求，面向非專業人員的虛擬裝配系統裝配流程不宜過于復雜，應具有明顯的指向性與提示性，因此面向非專業人員的虛擬裝配系統其裝配序列應是固化的，此外還應具備以下功能：

1）具備實時碰撞檢測功能；

2）裝配件安裝位置提示功能，例如當裝配件進入指定范圍內時，對裝配件或裝配位置進行高亮顯示并自動吸附至安裝位置處；

3）提供配套的安裝輔助工具；

4）可生成裝配演示動畫；

5）具備下一裝配件高亮/發光提示功能。

由于每臺載人潛水器其總體布局均不相同，裝配順序也會有所不同，應針對性的制定初始裝配序列，大體上遵循裝配順序由內而外、裝配難度先難后易、能拆即能裝的原則。

2.2 輔助設計

VR 除了可以用于載人潛水器虛擬裝配之外，還可以用于外觀設計、展示及艙內人機工程分析。

2.2.1 基于VR 的載人潛水器外觀輔助設計模塊

外觀輔助設計旨在利用虛擬現實良好的視覺沉浸感在設計階段直觀的觀察潛水器不同的燈光效果及配色方案等，幫助設計人員優化外觀設計，應具備以下功能：

1）輔助開展燈光照明設計，具備多種光源模擬功能，在VR 環境下查看照明效果及攝像效果，優化燈光布局；

2）輔助開展外形設計，在VR 環境中查看多樣化配色、涂裝效果展示，指導外觀設計。

2.2.2 基于VR 的載人潛水器艙內人機工程分析

潛水器艙內空間有限、設備眾多，且整個下潛時間較長，因此潛水器操作臺舒適性、人-機-環境等設計就尤為重要。以往都通過加工建造物理樣機-模型球來驗證艙內布局的合理性，但建造樣機所需周期長、經費高、且問題暴露的晚?？蓸嫿ɑ赩R 的載人潛水器虛擬設計制造及評價系統，提供逼近真實場景的VR 操作體驗。充分考慮人體工效設計原則，綜合分析人體操作安全舒適性、操作任務視野空間、人-機-環匹配度、多人協作可行性各個方面。結果用于指導并改善操作臺的設計，保障操作者安全舒適性，完善多人協作流程。進而設計師可以在設計階段進行設計更新。

人機工程分析的主要內容應包括：

1）人安全舒適性分析。基于人體解剖生理基礎、工效學經典分析范式以及肌肉骨骼生物力學模型等的綜合性分析，對人體安全性、舒適性進行綜合評估。

2）人機匹配技術。將動態人體參數與靜態環境參數進行空間上的匹配，從而輔助人體機能特點包括可達域、可視域等進行綜合分析。

3）多人操作協同性分析。進行任務分析，將任務子環節時序、任務需求等信息同多人作業過程中存在的空間需求問題相結合，從而發掘多人操作協同性問題并提出改進分析。

4）艙內配色設計。根據不同色彩的性質，通過科學配色來營造出使人舒適和安全的作業環境。使得操作者對設備、儀表、操作面板等容易分辨，注意力集中，眼睛不疲乏，而且光線可以有效利用，從而間接的可減少事故、提高工作效率。

3 航行運動仿真

載人潛水器航行運動仿真系統可按照觀察者與潛水器的相對位置分為2 種：一種是人在潛水器外可以觀察到潛水器運動的大場景模擬，一般用來進行潛水器的潛浮性能研究；一種是人在潛水器內，所能觀察到的僅是通過觀察窗及視頻系統所拍攝的外部場景。在2 種模式中，核心均是相關人員根據仿真系統反饋的潛水器六自由度運動信息對潛水器進行操縱控制，區別只是視角的切換。載人潛水器在海水中運動，由于其所處深度、環境、光照、速度不同，會產生不同的環境效果。依托載人潛水器在真實環境中的操控規程，構建基于VR 的載人潛水器航行運動仿真系統，實現模擬載人潛水器的上浮、下潛、前進、后退、回轉、坐底、懸停等真實運動過程，協助潛航員培訓、提供設計反饋。

3.1 運動仿真方法

文獻[3-4]介紹了載人潛水器水下六自由度運動數學模型，給出了基于虛擬現實的潛水器操縱運動仿真系統的體系結構，但兩者都關注于海底視景中的潛水器三維空間機動，沒有考慮潛水器的“無動力下潛、上浮運動”過程。由于大深度載人潛水器受重量、體積限制，所帶能源有限，所以在從海面下潛到海底深處及從海底深處返回到海面的過程中不使用艇載能源，而下潛、上浮速度會直接影響潛水器在海底工作的時間。無動力潛浮運動既要保證潛水器的穩定性，又要保證潛浮速度。為了保證無動力下潛、上浮速度，需要精確計算可棄壓載的重量以指導水面備航。整個航行仿真系統的算法應包括“無動力下潛、上浮”和海底機動兩部分。

緊靠剩余浮力作用的潛水器垂直面內下潛、上浮運動攻角很大，所受流體動力無法用傳統的多項式表達方式表示，必須重新測量或計算。劉正元[5]建立了垂直面內大攻角數學模型，采用Matlab/Simulink 軟件對潛水器潛伏運動進行了仿真計算。馬嶺[6]利用GRNN神經網絡建立了垂直面內水動力隨攻角變化的數學模型，預報了“蛟龍” 號載人潛水器的潛伏性能。潘彬彬[7]在“蛟龍”號載人潛水器海試數據的基礎上引入可變體積收縮率的概念改進了潛器無動力上浮下潛模型。

3.2 仿真系統要求

基于虛擬現實的載人潛水器航行運動仿真系統主要包括模擬載人艙顯控系統、視景系統等。模擬載人艙顯控系統主要進行導演設定、操縱信號采集、操作狀態顯示、綜合信息顯示、運動仿真解算等工作，運動仿真軟件采集導演設定和操縱信號，實時解算并向視景系統傳送潛水器的運動響應，實時刷新綜合顯示信息。視景系統根據運動仿真解算輸出的潛水器姿態及位置坐標而實時更新深海地貌和海洋環境。

航行運動仿真系統應滿足如下要求：

1）仿真系統硬件設施應與潛水器保持一致，包括潛水器艙內裝置、操作面板和操作桿。

2）視景系統應能體現載人潛水器的六自由度運動，具有碰撞檢測和水下燈光特效等功能，實時生成可以使操縱人員身臨其境的三維海底視景，包括海底的山谷、海溝、平坦海底、水生物等，并將一些特殊的地貌如深海熱液噴口、鈷結殼等融入到模擬海底地貌中。

3）具備根據下潛、上浮速度與深度要求，給出對應的下潛、上浮壓載重量用于水面備航的功能。。

4）具備根據解算出的潛水器姿態信息，可給使用者縱傾、橫傾、下潛和上浮等人體動感反饋。

4 操作教學與培訓

利用VR 營造高逼真虛擬環境，可以針對不同的水下作業環境、突發場景及培訓的需求等構建VR 系統，從而實現對潛航員的操作教學與培訓，減少培訓時間與成本。

以潛航員培訓需求為出發點，潛航員操作教學與培訓體系可劃分為總體裝配過程操作培訓模塊、生命支持系統操作培訓模塊、航行駕駛操作培訓模塊、機械手操作培訓模塊、應急操作模塊和作業場景模擬訓練模塊這6 大部分。

4.1 總體裝配過程操作培訓模塊

總體裝配操作培訓模塊的目的在于應用VR 優勢快速幫助潛航員掌握潛水器總體布置，協助其了解主要裝置部件的安裝、拆卸流程，幫助潛航員掌握裝置部件的安裝與維護方法，可將面向非專業技術人員使用的虛擬裝配系統融入該操作模塊。

4.2 生命支持系統操作培訓模塊

生命支持裝置由電控部件、氣態供氧部件、氧燭部件、開放式二氧化碳吸收部件、閉式呼吸部件、艙壓提升部件、空氣凈化部件以及一些輔助設備等組成，生命支持裝置艙內布置見圖 3。

圖3 生命支持裝置Fig.3 Life support device

在VR 系統中構建生命支持裝置，設置的培訓內容包括：氣態供氧自動供氧、手動供氧操作；閉式呼吸操作；氧燭供氧操作；氧氣濃度、二氧化碳濃度、濕度、溫度、壓力檢查；二氧化碳吸收劑、干燥劑的補充；提升艙壓操作；利用導氧泵進行氧氣瓶與空氣瓶充氣操作等。

4.3 航行駕駛操作培訓模塊

航行駕駛操作培訓模塊的目的是為了訓練潛航員駕駛潛水器，主要涉及到航行控制、姿態調節、可調壓載水調節、下潛上浮壓載拋棄等內容。在航行運動仿真的基礎上訓練潛航員的操作技能。

4.4 機械手操作培訓模塊

潛航員如何高效獲取海底資源，通常取決于機械手操作熟練程度。通過艙內機械手主手來控制機械手從手的運動，完成機械手抓取生物、樣品的操作，機械手為7 功能主從式機械式，在VR 系統中需要將主手與從手關節運動一一對應，主從手1#～7#關節對應位置如圖 4 和圖 5 所示。

圖4 主手關節對應位置圖Fig.4 Main hand joint

圖5 從手關節對應位置圖Fig.5 Manipulator joint

在機械手操作培訓模塊中，除了機械手主手、從手之外，還需要在VR 中構建觀察窗、采樣籃、采樣工具及具有代表特征的水下作業環境。

4.5 應急操作培訓模塊

當載人潛水器在水下無法拋棄壓載、拋棄幾組壓載無法上浮或者遇到緊急故障需要快速上浮時，應由潛航員在艙內啟動應急處理程序，保證人員和潛水器的安全。使用應急程序的代價過于昂貴，因此有必要在VR 系統中設置應急操作培訓模塊，以強化潛航員的應急反應能力，降低培訓成本。

4.6 作業場景模擬演練模塊

載人潛水器通常需要在不同的海區執行不同的作業任務，如深?？脊?、水體采樣、生物捕獲、地質考察等。搭建具有代表特征的水下作業環境，配合多種不同類型的作業工具及機械手完成作業場景的模擬演練，在VR 系統中模擬的水下作業環境主要包括：冷泉區作業仿真演練、熱液硫化物區作業仿真演練、富鈷結殼礦區作業仿真演練、淺海區(水下考古)作業仿真演練。

4.7 全流程操作培訓

載人潛水器一次下潛試驗全流程包括機庫通電檢查、布放、水面檢查、下潛、作業、上浮、回收7 大步。其中載人潛水器的布放與回收工作，主要由母船主甲板上吊放系統操作員負責完成，潛航員在艙內不進行潛水器的操作，在構建全流程操作培訓模塊時可不予以考慮。將生命支持系統操作培訓、航行駕駛操作培訓、機械手操作培訓、應急操作培訓、作業場景模擬演練5 個子模塊進行融合，構建完成全流程操作培訓模塊，見圖 6。

圖6 全流程操作培訓模塊功能劃分Fig.6 The whole process operation training module function division

在構建載人艙內VR 場景時，可對原模型進行簡化處理，去掉隱藏在面板、支架后的設備，僅保留視野范圍內的零部件，關鍵部件應具有可操作性（如機械手主手、主副操縱桿等），對于綜合顯控、航行控制、聲學通訊、成像聲吶及視頻監控等顯示器應具備動態顯示功能，指示燈具備故障報警指示功能。

5 維護保障

由于載人潛水器具有尺寸大、結構復雜和零部件數目眾多等特點，在載人潛水器以往的應用航次中均需要潛水器總裝設計單位配備專業的保障團隊?；赩R 的虛擬現實技術，總裝設計單位的保障團隊可以縮小規模甚至取消。

維修保障系統模塊應包括以下內容：

1）潛水器裝配模型數據庫，可將面向非專業技術人員使用的虛擬裝配系統融入該操作模塊。

2）潛水器各設備信息庫，包括設備生產廠家、有效期、備件信息、裝配工藝信息、工作狀態信息等。

3）潛次信息庫，實時更新潛次信息，包括各設備的運行情況及故障信息等寫入設備信息庫。

在潛器出現故障情況時，可通過虛擬現實與真實潛水器的疊加，迅速判斷故障位置。然后調用故障設備信息，即可迅速進行維修或更換?，F場人員無法解決時，得益于更低延遲、更快速的5G 網絡，使得技術人員和工程師遠程執行維護、維修得以實現。

同時，基于擁有的歷史數據，再利用大數據技術可以預測潛水器的健康狀況，并進行風險管理，為潛水器提供預測性維修，提高潛水器的可靠性與運行效率。高精度和實時采集的數據將是基于VR 的維護保障系統的基礎，高質量的數據管理是維護保障系統成功的關鍵。

6 結 語

本文從最初的設計、建造、培訓、運行，到后期的維修、系列化推廣、科普應用等方面追蹤潛水器的設計制造、全壽命過程及其衍生物，深入發掘與VR結合的應用模式及VR 的不同展現方式。主要論述了在輔助設計制造、航行運動仿真、操作教學與培訓、維護保障方面的VR 的需求，為載人潛水器與VR 結合提供支持。VR 加大數據必將改變傳統的載人潛水器設計、運營模式，開創載人潛水器設計、運營新態勢。