空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证方法及系统

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证方法及系统。

背景技术

维修性设计是将维修性要求纳入到产品设计中的一个过程，其任务是从分配的各项维修性指标出发，确保最终设计的产品技术状态满足产品维修性要求。维修性设计的好坏决定了维修工作的效率、效益。传统的维修性设计与评估解决方案是在设计阶段进行维修性设计分析和评估，研制后期编写维修技术手册，交付用户后进行维修训练。该过程为一串行过程，对物理样机或实际产品有较强的依赖性，评估费用高、评价滞后且受各种因素的影响和限制，不符合产品集成设计的思想，无法适应产品全生命周期并行设计的需求。

虚拟现实技术的出现与逐渐成熟，为解决上述问题带来了新的契机。虚拟维修可以在设计阶段提高产品设备的可维修性，并在故障发生前培养一批熟悉维修过程的维修人员，从而提高维修效率，缩短维修时间，减少设备故障对企业运行和生产的影响。

随着我国航天事业的发展和今后空间站的建立，我国航天员将会面临更多的空间操作任务，空间站长期在轨稳定运行，离不开航天员的在轨维修。航天员需要定期和不定期的对空间站进行预防性维修和恢复性维修，航天员飞行前的操作验证对其成功完成在轨任务至关重要，如何进行航天员地面操作验证成为保证载人航天后续任务顺利完成的一个重要环节。在轨环境的特殊性使得航天员在太空中完成操作任务比地面上困难的多。主要表现在：(1)由于失重，人体控制自身姿态和运动的能力变差，使得操作难度加大、操作准确性得不到保障；(2)在轨工作操作更加困难和危险，如果操作失当，航天员甚至有可能与舱体失去联接关系，从而失去生命；(3)在实际太空任务中一般都由两人或多人协同完成，相互之间的配合非常重要，维修由航天员进行操作，航天员的维修技能有限，维修工作时间有限。

目前我国航天员地面操作验证采用的主要维修验证手段包括飞行维修验证模拟器、中性浮力水槽、EVA程序维修验证模拟器等，这些操作验证设备都是采用实物或半实物仿真的方式对航天员进行舱内、舱外操作程序操作验证。这些验证方法一般要求建造大型的操作验证设备，占地面积大，造价高，支持维修验证的能力有限，维护成本高，每次操作验证的软消耗也很高。在地面为航天员构建一个合适的虚拟协同维修验证系统势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证方法及系统，运用虚拟现实技术，构建虚拟维修场景，让用户在虚拟太空轨道上对虚拟太阳电池阵进行沉浸式虚拟维修操作,从而可在物理样机产生之前及时发现维修性设计中存在的问题,并对维修性设计进行综合评估。

为了达到上述的目的，本发明提供一种空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证系统，包括运动定位系统、头盔显示交互系统、数据手套交互系统、图形工作站和显示系统；所述头盔显示交互系统的头盔、所述数据手套交互系统的数据手套佩戴在航天员上，所述航天员身上设置有标记体；所述图形工作站用于构建虚拟空间站维修任务环境，所述虚拟空间站维修任务环境包括虚拟太空环境、虚拟空间站、虚拟维修工具工装和虚拟航天员；所述头盔显示交互系统与所述图形工作站交互，使航天员沉浸于该虚拟空间站维修任务环境中；航天员在虚拟环境中按维修性设计进行虚拟维修作业；在虚拟维修作业过程中，所述运动定位系统实时追踪航天员身上标记体的6自由度数据，所述数据手套交互系统采集航天员手部动作数据；所述运动定位系统和所述数据手套交互系统与所述图形工作站交互，确定虚拟航天员在虚拟空间站维修任务环境中的运动信息及手部动作信息；所述显示系统多通道、多视角显示航天员虚拟维修作业过程；所述图形工作站根据航天员虚拟维修作业对太阳电池阵维修性设计进行评估。

上述空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证系统，其中，所述图形工作站载有空间站维修任务维修性设计虚拟验证软件，该软件架构采用Oracle数据库和Unity虚拟引擎。

上述空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证系统，其中，所述空间站维修任务维修性设计虚拟验证软件的功能层包括模型构建模块、模型处理模块、场景构建模块、维修任务设置模块、交互设备控制模块、运动定位处理模块、多通道显示模块、维修作业模块、数据管理模块和维修性设计评估模块；所述模型构建模块用于创建空间站、维修工装工具、航天员模型；所述模型处理模块用于为所述模型构建模块创建的各模型设置动力学及物理属性；所述场景构建模块用于构建虚拟太空环境，并将所述模型处理模块处理后的各个模型按照实际维修作业环境要求导入并进行布局；所述运动定位处理模块利用运动定位系统实时追踪的航天员身上标记体的6自由度数据，确定航天员模型在虚拟空间站维修任务环境中的运动信息；所述交互设备控制模块提供基于VRPN协议的交互接口，利用头盔显示交互系统和数据手套交互系统完成航天员与虚拟维修作业过程中各类场景、太空站设备、维修工装工具的交互功能；所述维修任务设置模块用于设置维修任务；所述维修作业模块提供维修作业流程；所述多通道显示模块利用预先在场景中设置的摄像头记录虚拟维修作业过程，能任意地切换当前三维场景的观察视角，使观摩者能够全面、立体、多角度的观察，方便进行现场讲解；所述数据管理模块用于存储、读取虚拟维修作业过程中的三维场景库、三维模型库、维修业务规则库、航天员人体模型库、维修性设计评估库；所述维修性设计评估模块根据虚拟维修作业对维修性设计进行评估。

本发明提供的另一技术方案是一种空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证方法，采用的空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证系统包括运动定位系统、头盔显示交互系统、数据手套交互系统、图形工作站和显示系统，所述图形工作站载有空间站维修任务维修性设计虚拟验证软件，该软件的功能层包括模型构建模块、模型处理模块、场景构建模块、维修任务设置模块、交互设备控制模块、运动定位处理模块、多通道显示模块、维修作业模块、数据管理模块和维修性设计评估模块；所述虚拟验证方法包括：

1)通过维修任务设置模块设计太阳电池阵维修任务及维修性验证检查项，通过维修性设计评估模块设计太阳电池阵维修性设计验证任务；

2)通过模型构建模块创建三维模型，包括空间站、维修工装工具、航天员模型；

3)通过场景构建模块构建虚拟太空环境，并将步骤2)创建的三维模型导入到虚拟太空环境中；

4)通过模型处理模块对虚拟太空环境和三维模型增加物理属性和业务属性；

5)构建运动定位系统、数据手套交互系统、头盔显示交互系统；

6)航天员佩戴头盔显示交互系统的头盔、数据手套交互系统的数据手套，并在航天员身上设置标记体；

7)航天员根据维修作业模块提供的太阳电池阵维修作业流程开展虚拟维修作业，运动定位系统、头盔显示交互系统和数据手套交互系统实时捕获维修作业动作数据；

8)多通道显示模块提供全景及特定位置第三人称视角，并由显示系统展示出来；

9)维修性设计评估模块根据虚拟维修作业对维修性设计进行评估。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明的空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证方法及系统，构建一个合适的虚拟协同维修验证系统，该虚拟协同维修验证系统通过虚拟现实技术，构建虚拟的太空任务环境，使航天员能够沉浸在飞行任务的虚拟环境中，在虚拟环境中进行运动和操作，与虚拟环境进行交互，利用该虚拟协同维修验证系统提供的视觉、听觉、力反馈等综合信息，构成人在回路的虚拟现实维修验证仿真系统，模拟空间站太阳电池阵的维修作业过程，大大提高维修设计的效率，降低研发成本。

附图说明

本发明的空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证方法及系统由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明较佳实施例的空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证系统总体框架图。

图2为本发明较佳实施例中太阳电池阵(单边)更换流程图。

图3为本发明较佳实施例中太阳电池阵辅助伸展机构展收操作流程图。

图4为本发明较佳实施例中工程数字样机的模型轻量化处理示意图。

图5为本发明较佳实施例中模型网格模型简化示意图。

图6为本发明较佳实施例中运动定位系统IK设置示意图。

图7为本发明较佳实施例中数据手套交互系统设置示意图。

图8为本发明较佳实施例中头盔显示交互系统设置示意图。

图9为本发明较佳实施例中维修任务设置示意图。

图10为本发明较佳实施例中多通道显示示意图。

具体实施方式

以下将结合图1～图10对本发明的空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证方法及系统作进一步的详细描述。

本发明旨在在地面为航天员(航天员)构建一个合适的虚拟协同维修验证系统，该虚拟协同维修验证系统通过虚拟现实技术，构建虚拟的太空任务环境，使航天员能够沉浸在飞行任务的虚拟环境中，在虚拟环境中进行运动和操作，与虚拟环境进行交互，利用该虚拟协同维修验证系统提供的视觉、听觉、力反馈等综合信息，构成人在回路的虚拟现实维修验证仿真系统，模拟空间站太阳电池阵的维修作业过程，大大提高维修设计的效率，降低研发成本。

图1所示为本发明较佳实施例的空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证系统总体框架图。

参见图1，本实施的空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证系统包括运动定位系统、头盔显示交互系统、数据手套交互系统、图形工作站、显示系统和音响系统；

所述头盔显示交互系统的头盔、所述数据手套交互系统的数据手套佩戴在航天员上，所述航天员身上设置有标记体；

所述图形工作站用于构建虚拟空间站维修任务环境(本实施例仅以太阳电池阵维修任务为例)，所述虚拟空间站维修任务环境包括虚拟太空环境、虚拟空间站、虚拟维修工具工装和虚拟航天员；

所述头盔显示交互系统与所述图形工作站交互，使航天员沉浸于该虚拟空间站维修任务环境中；

航天员在虚拟环境中按太阳电池阵维修性设计(即太阳电池阵维修作业流程)进行虚拟维修作业；在虚拟维修作业过程中，所述运动定位系统实时追踪航天员身上标记体的6自由度数据，并传输给所述图形工作站，所述图形工作站据此确定虚拟航天员在虚拟空间站维修任务环境中的运动信息；所述数据手套交互系统与所述图形工作站交互；

所述显示系统多通道、多视角显示航天员虚拟维修作业过程；所述音响系统在虚拟维修作业过程中提供音响效果；

所述图形工作站根据航天员虚拟维修作业对太阳电池阵维修性设计进行评估。

所述图形工作站载有空间站维修任务维修性设计虚拟验证软件，该软件架构采用Oracle数据库和Unity虚拟引擎，分为功能层、应用服务层和数据层；所述功能层包括模型构建模块、模型处理模块、场景构建模块、维修任务设置模块、交互设备控制模块、运动定位处理模块、多通道显示模块、维修作业模块、数据管理模块和维修性设计评估模块等；所述应用服务层包括模型的材质、光照、烘焙处理，三维模型渲染，三维场景布局，三维场景切换、三维场景漫游，三维物体交互、干涉检查等；所述数据层包括三维场景库、三维模型库、维修业务规则库、航天员人体模型库、维修性设计评估库等，如图1。

所述模型构建模块用于设计太空环境、空间站、维修工装工具、航天员等模型；还可通过所述模型构建模块的数据接口导入常用模型格式(fbx、obj、dae、3ds、mesh等)，系统中所有模型均按照真实比例1:1构建；

所述模型处理模块用于定义模型之间的接口、约束条件、节点数据、重力、碰撞检测条件等，为所述模型构建模块构建的各模型设置动力学及物理属性；

所述场景构建模块用于构建虚拟维修场景(虚拟太空环境)，并将所述模型处理模块处理后的各个模型按照实际维修作业环境要求导入并进行布局；

所述运动定位处理模块利用运动定位系统实时追踪的航天员身上标记体的6自由度数据，确定航天员模型在虚拟空间站维修任务环境中的运动信息，包括位置和角度信息；

所述交互设备控制模块提供基于Virtual Reality Peripheral Network(VRPN)协议的交互接口，利用头盔显示器、数据手套或操纵手柄等交互设备完成航天员与虚拟维修作业过程中各类场景、太空站设备、维修工装工具的交互功能；

所述维修任务设置模块用于根据维修性设计设定维修性验证检查项，如空间大小检测、标识检测、干涉检测、可达性要求等；

所述维修作业模块根据维修作业流程，开展作业准备、出舱、安装、拆除、协同、展开、调试等太阳电池阵更换业务活动，作业过程中确保选用正确工具，按照正确拆装顺序验证维修设计内容，所述维修作业模块还随时提供语音、文字等在线帮助；

所述多通道显示模块利用预先在场景中设置的摄像头记录虚拟维修作业过程中的工况、现场、人员活动等，可任意地切换当前三维场景的观察视角，使观摩者能够全面、立体、多角度的观察，方便进行现场讲解；

所述数据管理模块，用于存储、读取虚拟维修作业过程中的三维场景库、三维模型库、维修业务规则库、航天员人体模型库、维修性设计评估库；

所述维修性设计评估模块根据虚拟维修作业对维修性设计进行评估，评估项包括：

(1)维修作业空间限制要求、微重力环境下对航天员的限位和固定；

(2)人机功效要求，应提高维修工作质量和效率，减少维修工作量并降低对航天员维修技能的要求；

(3)防误操作要求，各类接插件是否标识明确；

(4)在轨可更换单元(Orbital Replaceable Unit-ORU)的平均修复时间要求；

(5)ORU的最大维修时间要求。

(6)维修工具设计要求，ORU应支持使用通用工具，尽量少用特殊工具，工具应便于航天员着航天服后抓握，并进行防漂走设计；

(7)可达性要求，维修对象可达、维修路径可达、视角可达，设计操作到位的提示和反馈。

本实施例的空间站太阳电池阵维修性设计虚拟验证方法包括：

1)通过维修任务设置模块设计太阳电池阵维修任务及维修性验证检查项，通过维修性设计评估模块设计太阳电池阵维修性设计验证任务；

图2所示为本实施例中太阳电池阵(单边)更换流程图，图3所示为本实施例中太阳电池阵辅助伸展机构展收操作流程图；

维修性验证检查项包括空间大小检测、标识检测、干涉检测和可达性要求等；

太阳电池阵维修性设计验证任务包括防差错及识别标志设置、人机工效学分析判定、人机工程分析判定、平均维修时间的计算等；

2)通过模型构建模块创建三维模型；

包括空间站、维修工装工具、维修导轨、航天员等模型，例如太空舱、太阳电池阵、备件、维修工装工具、航天员A、航天员B、辅助设备、综合驱动控制器、通道机组、传动机械臂、机械臂适配器、货盘、舱体脚限位器、上下箱体、防漂绳、防漂安装螺钉、电连接器、电池阵约束释放机构、伸展机构、M8螺钉、电机等；所有模型按照真实比例1:1构建；

部分模型可采用工程数字样机，所述模型构建模块提供导入功能，可以接收常用模型格式(fbx、obj、dae、3ds、mesh等)，对来源于工程数字样机的模型需进行轻量化处理，如图4所示；

所述轻量化处理主要通过减面处理、合并处理、模型格式转换和网格模型简化实现，如图5所示；

减面处理主要是删除场景中多余的面，提高贴图的利用率，提高交互场景的运行速度，如模型的不可见面、内部结构、仅有远视角对象等；

合并处理主要针对材质相同、属性相同的模型或复制体、镜像对象等；

在保留模型外观及外形轮廓的前提下，对转换后的网格模型进行简化，剔除装配体中不可见的零件和面片；

3)通过场景构建模块构建虚拟太空环境(即虚拟太空三维场景)，并将步骤2)创建的三维模型导入到虚拟太空环境中，各模型的尺寸以及各模型之间的位置关系符合实际情况；

4)通过模型处理模块对虚拟太空环境和三维模型增加物理属性和业务属性；

所述物理属性例如设置动力学、光照、材质、着色、烘焙、遮挡、剔除等处理；所述业务属性例如定义模型之间的接口、约束条件、重心、关节、刚体、视角人体工学、人因工程、碰撞检测等；

模型的颜色应标准化，彩色阀与背景的对比度系数不小于3:1；手把和扶手的颜色应与周围的颜色明显不同，便于区分；

需维修或航天员可能触碰到的旋转装置、部位和传动机构，应有险情和故障危害防护措施，以及适当的警示标志；

承受恒定的张力或负载的机械部件、联动装置、弹簧等增加警告标记；

如不加约束就可能伤人的抽出式或折叠式部件增加限制器或警示标记；

5)构建运动定位系统、数据手套交互系统、头盔显示交互系统；

设置运动定位系统6个反向动力学(Inverse Kinematic，IK)，部位分别为头、左手、右手、左脚、右脚和腰部，如图6；通过运动定位处理模块将运动定位系统IK与航天员模型绑定，绑定过程中根据航天员穿戴太空服和头盔后所受运动约束条件，设置IK的权重，约束航天员在空间站维修作业时的行动，如头部的旋转，手脚的移动等；

设置数据手套交互系统，如图7；通过交互设备控制模块将数据手套交互系统与航天员模型绑定；

设置头盔显示交互系统，如图8；通过交互设备控制模块将头盔显示交互系统与航天员模型绑定；

本实施例中创建两个航天员模型，对两位航天员协同维修作业进行验证；为两位航天员(真实)各配备一套运动定位系统、一套数据手套交互系统和一套头盔显示交互系统，为每位航天员的运动定位系统、数据手套交互系统和头盔显示交互系统均进行设置，使真实航天员与航天员模型绑定，使真实航天员能沉浸于虚拟空间站维修任务环境中；

6)航天员佩戴头盔显示交互系统的头盔、数据手套交互系统的数据手套，并在航天员身上设置标记体；

在维修作业流程中运动定位系统用于实时追踪航天员身上标记体的6自由度数据，对应运动定位系统IK，在航天员头、左手、右手、左脚、右脚和腰部均设置标记体，每一部位设置的标记体的数量应确保能准确获取该部位运动信息；

7)航天员根据维修作业模块提供的太阳电池阵维修作业流程开展虚拟维修作业，如图9，运动定位系统、头盔显示交互系统和数据手套交互系统实时捕获维修作业动作数据；

太阳电池阵维修作业流程包括作业准备、出舱、安装、拆除、协同、展开、调试等活动；

维修作业流程中，系统提供在线语音、手势、文字帮助，提供险情和故障危害防护措施，以及适当的警示标志；

维修作业流程中，运动定位系统的红外照相机将实时追踪标记体的6自由度数据，通过笛卡尔右手坐标系进行坐标系变换，通过运动定位处理模块转换为虚拟空间航天员模型位置和运动信息；数据手套交互系统采集航天员手部动作数据(抓、握、旋转、拖拽等)，通过交互设备控制模块转换为虚拟空间航天员模型手部动作；头盔显示系统与交互设备控制模块交互，由头盔显示系统为航天员提供第一人称视角，展示维修作业场景及交互动作；

8)维修作业流程中多通道显示模块提供全景及特定位置第三人称视角，通过多通道输出信号输出至多个显示系统，由显示系统展示出来，如图10；

9)维修性设计评估模块根据虚拟维修作业对维修性设计进行评估；

维修性设计评估模块根据捕获的维修作业动作数据以及碰撞干涉条件，进行空间位置计算、维修对象与工具之间的距离测算、航天员维修路径测算、维修时间计算等，对计算结果进行评估，最终得出维修性设计的验证结果；

10)数据管理模块保存虚拟维修作业流程中产生的各类数据、所建三维模型及场景模型。