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(shí)環(huán)境相融合，改進(jìn)人機(jī)交互模式，使用戶能夠提前認(rèn)知或模擬體驗(yàn)未來產(chǎn)品或現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的操作行為。在低成本、短周期、高質(zhì)量的型號(hào)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(jì)，采用模型可視化、虛擬試驗(yàn)等方式模擬實(shí)物操作，減少設(shè)計(jì)反復(fù)以及物理試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)證。為逐步建立航天器虛擬現(xiàn)實(shí)中心，實(shí)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(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；仿真建模

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR），是一項(xiàng)允許用戶與計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的人機(jī)界面綜合技術(shù)，集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augmented Reality，簡稱AR)，發(fā)展于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是將虛擬的場景疊加到真實(shí)場景中，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)，是一種結(jié)合圖像識(shí)別、虛實(shí)融合、人機(jī)交互、三維顯示等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)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(jì)算機(jī)圖形加速能力、浮點(diǎn)計(jì)算能力、實(shí)時(shí)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(jī)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(hào)作為首個(gè)完全沒有物理樣機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)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(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)研究項(xiàng)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(yàn)漫步火星的真實(shí)感受。根據(jù)真實(shí)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(gè)平方公里大小區(qū)域內(nèi)各處地點(diǎn)，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(jī)有限責(zé)任公司率先成功使用可視化協(xié)調(diào)決策平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真實(shí)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(jì)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(shí)技術(shù)完整展示了一款新設(shè)計(jì)的整機(jī)虛擬樣機(jī)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(diǎn)，對于體系效能分析、構(gòu)型布局設(shè)計(jì)、總裝設(shè)計(jì)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(jī)驗(yàn)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(gè)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(jì)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(jì)，更直觀的思維表達(dá)，更有效的交流，以及更精確的試驗(yàn)驗(yàn)證探索。

本文在總結(jié)提出航天器研制面臨的虛擬仿真驗(yàn)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(yàn)證。為逐步建立航天器虛擬現(xiàn)實(shí)中心，實(shí)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(jì)與仿真分析、制造集成、測試試驗(yàn)、在軌管理等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中多項(xiàng)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(yàn)驗(yàn)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(shí)融合等特點(diǎn)，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，加強(qiáng)試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)階段，需要開展軌道與星座設(shè)計(jì)、動(dòng)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(jì)中的問題，減少設(shè)計(jì)修改對詳細(xì)設(shè)計(jì)等后續(xù)工作的影響。在軌運(yùn)行期間，常常需要在一定的背景下完成某些關(guān)鍵動(dòng)作，例如載人空間站與載人飛船的交會(huì)對接、月球軌道的交會(huì)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(shí)及仿真系統(tǒng)進(jìn)行過程和場景演示，實(shí)時(shí)了解航天器在軌運(yùn)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(jì)師及用戶獲得更加真實(shí)的沉浸式體驗(yàn)，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(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)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(gè)或多個(gè)“看得見、摸得著”的虛擬樣機(jī)替代“功能不健全”的演示樣機(jī)，將各不同崗位的設(shè)計(jì)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(jì)及校核評審，互相幫助發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題、了解設(shè)計(jì)缺陷和不足，減小不必要的設(shè)計(jì)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(shí)間和資源成本浪費(fèi)。

3）產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)過程仿真分析

實(shí)現(xiàn)快速的路徑規(guī)劃和碰撞干涉檢查，例如在嫦娥五號(hào)探測器研制任務(wù)中，利用沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行火星車表取機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及仿真。傳統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)，需要建造外太空試驗(yàn)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(jī)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(shí)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(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路線，方便規(guī)劃人員進(jìn)行規(guī)劃驗(yàn)證，提高驗(yàn)證效率。

4）制造/裝配工藝性分析/人機(jī)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(jì)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(jì)結(jié)果正確性、可操作性的一次重要檢驗(yàn)，在實(shí)際的裝配過程中，可能會(huì)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(shí)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行虛擬裝配驗(yàn)證操作，模擬在真實(shí)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(shí)時(shí)的碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑和順序的驗(yàn)證，對整個(gè)過程進(jìn)行仿真驗(yàn)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(jì)和操作的正確性及可行性進(jìn)行驗(yàn)證，以便及早的發(fā)現(xiàn)總裝設(shè)計(jì)中的潛在問題，從而減少實(shí)施過程中的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)達(dá)到縮短了衛(wèi)星研制周期，降低設(shè)計(jì)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(shí)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(cuò)誤。利用虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)，可替代地面模擬器。根據(jù)地面試驗(yàn)測試結(jié)果，構(gòu)建真實(shí)產(chǎn)品的在軌模型，替代地面模擬器。根據(jù)在軌實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬產(chǎn)品狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yàn)項(xiàng)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(jī)、電、熱等多學(xué)科復(fù)雜設(shè)計(jì)，過程中需要使用多種類型的任務(wù)分析、設(shè)計(jì)、仿真工具，如三維建模Pro/E、軌道分析STK、動(dòng)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(jì)算與分析結(jié)果，在虛擬環(huán)境中開展人機(jī)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(shí)結(jié)合的人機(jī)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(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及飛行過程虛擬仿真分析、人機(jī)功效分析等能力。總體實(shí)驗(yàn)方案路線圖如圖1所示。

圖2 總體實(shí)驗(yàn)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(hào)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用過程中，借助TechViz基礎(chǔ)平臺(tái)二次開發(fā)實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)。驅(qū)動(dòng)TechViz軟件支持同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序，實(shí)時(shí)在同一畫面中融合顯示不同3D場景，將CAD的設(shè)計(jì)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(gè)場景下進(jìn)行顯示，從平臺(tái)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(shí)質(zhì)是采用圖形或圖像的方式對仿真計(jì)算過程進(jìn)行跟蹤、駕馭和結(jié)果處理，同時(shí)實(shí)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(dòng)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(shí)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(tái)的圖形后處理軟件包中CAE求解器，通過多個(gè)數(shù)據(jù)解讀器，進(jìn)行有限元分析（FEA），計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、結(jié)構(gòu)、碰撞、動(dòng)力學(xué)和大氣動(dòng)力學(xué)分析。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)航天器研制過程中所需的大量異構(gòu)格式的設(shè)計(jì)、分析工具之間的協(xié)同工作，如軌道分析STK、星間鏈路計(jì)算結(jié)果、羽流、流場、熱、動(dòng)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(jī)上，在同一個(gè)場景中的協(xié)同運(yùn)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(jì)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(hào)任務(wù)為背景，試點(diǎn)研制了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)了驅(qū)動(dòng)路徑規(guī)劃模式，實(shí)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(yàn)證提供了技術(shù)支撐。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)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(hào)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(hào)任務(wù)為背景，開展任務(wù)規(guī)劃仿真驗(yàn)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(shí)太空環(huán)境類似的虛擬現(xiàn)實(shí)場景，構(gòu)造與衛(wèi)星設(shè)計(jì)模型一致的仿真模型，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式模擬衛(wèi)星進(jìn)行記錄成像活動(dòng)、時(shí)拍時(shí)傳活動(dòng)等工作狀態(tài)，驗(yàn)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(hào)研制評審環(huán)節(jié)中，也可以支持在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中開展設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)等靜態(tài)三維模型以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jī)功效仿真驗(yàn)證工作，在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境中，建立完整的型號(hào)產(chǎn)品模型，實(shí)時(shí)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(jī)中驗(yàn)證操作者的可視性、通過性、可達(dá)性、舒適性。同時(shí)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(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)對使用及制造過程中人機(jī)問題盡早的預(yù)知，并提供更合理的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)中心，為工程人員提供一個(gè)沉浸式的航天器虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證環(huán)境，使得航天器設(shè)計(jì)過程各個(gè)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(jì)結(jié)果驗(yàn)證，輔助優(yōu)選和核查設(shè)計(jì)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(yàn)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 -），