AR技術在衛星線纜設計和裝配中的應用綜述

王升安，楊海龍，王鳳彬，張名毅，梁小峰，丁 勤，李 帥

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

0 引言

增強現實技術(augmented reality，AR)由虛擬現實技術發展而來[1]，旨在利用佩戴式顯示器及位置跟蹤器，實現虛擬場景與實際場景的融合，營造出用戶直接與虛擬場景對象進行交互活動的效果。

它的目的是通過計算機圖形和圖像處理技術實現真實場景與計算機生成的虛擬環境或虛擬物體的合成，通過設備顯示給用戶一個虛實結合的新環境，用戶沉浸于一個虛擬環境和真實環境融合的世界，增強了對目標環境的感知和交互。

航天領域的衛星具有多品種小批量的特點，線纜組件在衛星產品中占有很大的比例，隨著衛星型號的發展，精密化、輕量化等要求提高，線纜在星上的應用將更加廣泛。線纜在星上的作用是傳輸電流和型號，是保證星上設備正常連接和工作的關鍵部件，線纜同時還嚴重影響產品的研制周期和裝配質量，是衛星非常關鍵的部件之一。

衛星內部結構復雜、布線空間狹窄、零部件數目多，星上線纜具有數量多、結構復雜、柔性裝配等特點，使得目前線纜設計復雜、線纜設計冗余長度過長導致資源和空間浪費等問題，衛星線纜布局如圖1所示。另外目前星上布線裝配工藝多為手工作業，操作步驟繁復，裝配過程質量需嚴格管控，通常要求“雙人單崗”在現場進行裝配作業，作業質量與操作人員的工藝熟練程度和技藝水平密切關聯，為產品質量管控帶來巨大挑戰，影響了衛星總裝的裝配效率。目前，大部分線纜布線工藝說明以紙質文件為主，可視化程度不高，可理解性、指導性有待增強，不利于經驗知識的傳承；同時，在生產過程中，對布線工藝執行、檢驗信息記錄及數據管理仍以文件記錄為主，容易造成疏漏，信息難以檢索，數據可追溯性差。針對上述問題，在衛星線纜設計和裝配作業以及檢測過程中，需要引入比現有線纜設計、裝配工藝、操作和檢驗更有效的AR技術，提高線纜設計的有效性、裝配工藝的指導性、裝配過程的可控性、裝配質量的可追溯性，縮短裝配技術人員上崗時間，減少錯誤裝配行為的產生，提高并保障產品質量。

如圖1所示為衛星線纜布局的透視三維圖。當前星上線纜鋪設、裝配等過程均以人工方式實現，操作步驟復雜，通常以一人操作，一人輔助的形式進行，對執行人員的操作熟練程度有著較高的要求，容錯率較低，且差錯出現后的返工效率極低，以上問題為星上線纜裝配質量保證帶來了巨大挑戰。目前星上線纜安裝的工藝指導文件以紙質文件為主要載體，相對于三維顯示，二維的圖紙存在著可視化程度低、不直觀的缺點，容易造成歧義，且對操作人員的圖紙閱讀能力要求較高，同時存在著數據檢索效率低、數據保存與可追溯性差等缺點。為解決以上問題，本文引入了AR技術輔助現場線纜裝配過程，包括線纜設計、裝配工藝設計、操作及檢驗，解決工藝指導文件的可讀性差、數據索引效率低等問題，提高線纜裝配的整體效率，降低誤操作率及返工率，實現產品質量的提升。

圖1 衛星線纜

1 國內外研究現狀

國外企業、高校對AR技術的理論及應用展開了大量研究，AR技術在現代化制造業中得到了眾多應用。

20 世紀末波音公司首先在飛機制造中應用了 AR 技術，用于艙體線纜安裝，結合GoogleAR眼睛可以將線纜的路徑走向與文字注釋信息顯示在現場操作人員視野中，實現了虛擬信息(待裝部件信息)與現實世界(待裝環境)的結合。此外，該公司后續又開發了基于AR的波音737引擎裝配及故障檢修系統，提高裝配效率約20%，提高一次裝配正確率約24%[3]。日本信息通訊企業富士通將 AR 技術應用于設備的檢查和維修，將輸入文本提供給維修檢測工人，實現了高效信息共享，工人可以輕松地判斷設備工作正常與否。空客公司將AR技術運用在A400M軍用運輸機的裝配過程中，基于CAD模型開發了AR智能裝配引導系統MOON，用于電氣線路輔助裝配，縮短裝配制造周期約50%，MOON系統的結構如圖2 所示。

圖2 MOON系統結構圖

圖3 MOON系統驗證

國內對于AR技術在工業領域中的應用研究起步較晚。華中科技大學王峻峰等人以增強現實環境下引導產品裝配為目標，建立了面向增強裝配過程的統一信息模型，采用基于標識物的視覺跟蹤技術實現虛擬零件和視頻中真實零件的注冊定位。哈爾濱工業大學郝秀峰設計了基于AR眼鏡的衛星裝配增強誘導原理驗證系統，開發了虛擬模型數據庫、標識物定位和三維注冊算法、虛實模型融合等功能。南京航空航天大學王發麟等人提出了基于AR的復雜機電產品線纜虛實融合裝配方法，給出了線纜虛實融合裝配的體系框架和系統運行流程，對線纜三維注冊技術、線纜虛實遮擋技術以及相機標定與跟蹤技術等關鍵技術進行了闡述。廣東工業大學詹松濤設計了基于頭戴式增強現實眼鏡的輔助布線系統，研究了基于視覺跟蹤算法的三維注冊、基于SLAM技術的無標識跟蹤和線束裝配虛實場景中的交互設計技術。

本文總結提出衛星線纜裝配過程面臨的問題和虛擬增強技術應用與線纜裝配的需求，剖析了開展AR技術應用于線纜裝配的關鍵技術，為逐步建立衛星虛擬現實中心，實現AR技術在衛星線纜設計、裝配和檢驗中的全面應用，進行了有效的技術探索。

2 衛星線纜設計和裝配AR應用需求

衛星衛星的線纜在設計、裝配等研制過程中涉及線纜的設計、仿真、線纜鋪設裝配、檢驗、數據追溯等多個環節，其中多項工作面臨由于線纜的柔性導致的未知性，以及裝配時序問題導致的無法開展物理驗證的環節以及不可逆操作環節，需要借助AR技術可視化、虛實融合的特點，完善線纜的設計方案，加強驗證分析能力、增強線纜裝配能力和裝配質量、培訓操作人員的操作能力等任務。具體需求如下：

1)衛星線纜的虛擬設計及驗證。

傳統的衛星線纜在設計環節，缺乏詳細設計環境和方法，線纜的路徑無法完全確定，僅有大致走向，另外由于缺乏詳細設計，而且由于生產進度原因，線纜的安裝通常在衛星大量單機設備安裝之前，所以線纜無法在真實環境下試裝，為了避免后續安裝問題，線纜通常留有較大余量，導致資源和空間的浪費，且線纜的布局、固定結構等設計不合理。

通過引入AR輔助衛星線纜的設計可以解決上述問題，使用AR將真實衛星和虛擬的單機設備融合為一個可視化、可操作的虛擬樣機，設計師可在虛擬樣機上開展線纜設計、調試、優化，校核等工作，可直觀了解線纜及固定件等零部件的設計缺陷和不足，減少不必要的設計余量，降低研制周期和成本，

通過沉浸式AR技術可不受衛星其它單機研制周期的影響，即使衛星設備未交付安裝，通過AR技術，可將數字化三維模型與真實衛星本體融合為觀察環境，通過虛擬線纜的布局可觀察線纜是否布局合理，是否與大量單機設備發生干涉，線纜在衛星上的布局直觀、立體，便于設計人員對線纜進行規劃，提高了設計和驗證效率，避免了后期的更改和資源成本浪費，使得星上線纜設計和布局優化，提高衛星質量。

2)衛星線纜的虛擬裝配。

隨著衛星承擔的功能與任務日趨復雜，星上機電設備一體化程度不斷提高，電纜的走向與安裝任務也隨之難度提高。星上的有限空間對線纜走向的合理程度提出了更高的要求，因此，衛星線纜裝配時一項尤其重要的工作。

衛星線纜結構復雜、分支多，在鋪設安裝過程中，操作人員在線纜鋪設安裝前需要瀏覽衛星線纜走向三維模型確定線纜的走向及綁扎固定點，再將線纜鋪設到衛星真實結構上，整個鋪設安裝過程需要多次比對線纜鋪設安裝是否與衛星線纜走向三維模型一致，整個操作過程需要操作人員有豐富線纜鋪設經驗和視圖能力。同時衛星線纜走向三維模型無法精確的反應線纜的直徑和彎曲半徑等特征值，依照衛星線纜走向三維模型鋪設安裝線纜時可能會發生線纜與衛星單機設備或零部件發生干涉、安全安裝距離過小、線纜電連接器與設備電連接器插接拔離空間不足、線纜鋪設路徑被遮擋等問題。

國外企業在現代化制造業中已廣泛應用了AR技術，并有效的解決了上述線纜鋪設安裝的問題。將計算機產生的虛擬信息通過AR技術和真實的衛星結構無縫融合，創建衛星線纜增強現實模型，在增強現實環境中設置衛星線纜布線引導信息，實現對衛星線纜布線操作的精準引導，提高衛星線纜的布線效率，避免線纜布線過程中出現的布線不符合要求的現象。同時在衛星線纜設計初期可以在虛擬的布線過程中對線纜布線設計的合理性進行驗證，對布線過程進行模擬驗證，提前暴露布線過程中存在的問題，減少布線操作過程中的風險，縮短衛星的研制周期，提高衛星線纜布線效率。

3)衛星線纜的裝配檢驗。

由于衛星線纜非常多，走向復雜，插拔接口多，傳統的衛星線纜檢驗環節復雜，檢驗周期長、效率低，另外在生產過程中，對布線工藝執行、檢驗信息記錄及數據管理仍以文件記錄為主，容易造成疏漏，信息難以檢索，數據可追溯性差等問題。

通過使用AR技術，搭建裝配質量檢驗系統硬件平臺，設定人機交互邏輯，通過打印實體測試模型進行攝像機位姿參數標定，基于計算機視覺技術，對實時采集的裝配現場圖像進行預處理和檢測特征處理，將待檢測的圖形特征描述輸入識別模塊，獲得檢測結果，實現電連接器插拔完整性檢測、設備安裝方向檢測、設備安裝完整性檢測等功能，能夠檢驗判斷單機設備安裝、電纜鋪設、電連接器插接的正確性和有效性。當單機設備安裝錯誤時，能夠提示錯誤位置及原因，指導修改，提高線纜裝配的檢驗效率和正確性。

4)衛星線纜裝配的過程記錄和追溯。

傳統的衛星線纜通常在實物上進行布線和調整，大部分電纜布線工藝說明以紙質文件為主，可視化程度不高，可理解性、指導性有待增強，不利于經驗知識的傳承。

通過AR技術，可對交互過程記錄及源頭進行追溯，AR技術的視頻及圖像記錄功能自動隨工序記錄操作影像并存儲。考慮外部讀取視頻的直觀性，可修改拍照記錄內容為文字+圖像模式， 以文件形式保留的裝配過程和結果追溯性強，查看方便直接，設計和布局經驗也可積累傳承。

5)交互式虛擬培訓和維修。

AR技術將虛擬與現實場景進行融合，充分發揮了三維空間的可視化優勢，將該技術應用在操作人員培訓及演練中，可為被培訓人員提供一種直觀效果，提高信息傳遞的效率與準確性，最大程度的避免操作失誤的發生。另外，AR技術還可應用于衛星線纜維修中，避免直接操作對設備和線纜造成損害縮短維修成本和周期。

3 關鍵技術及實現途徑

AR 技術利用計算機視覺技術、計算機圖形學技術、人機交互技術等一系列先進的技術將計算機產生的虛擬信息與真實的物理環境實時精準疊加，疊加融合過程如圖4所示。用戶可以通過人機交互系統與增強現實模型進行交互，從而完成衛星線纜的布線設計驗證、布線操作及布線結果的檢驗。增強現實輔助布線系統如圖5所示。AR技術應用于衛星線纜設計、裝配和檢驗包括以下幾個關鍵技術。

圖4 物理世界和虛擬對象匹配和融合

圖5 增強現實輔助布線系統

1)多數據源疊加顯示的虛擬場景快速構建技術：

采用結構化工藝設計方法，將電纜布線工藝過程設計的工藝數據、物料數據、三維模型數據、操作過程動畫數據、檢驗點圖像數據等各類信息按類匯總，按照相應標準和企業需求建立結構化裝配工藝數據庫。通過模型優化工具和二次開發轉化PTC/Creo設計模型，并進行面數優化、調整UV及材質動畫，參照實物構建虛擬場景，并進一步地針對裝配步驟、結構進行還原。在近距離操作位置充分發揮頭戴式設備的優勢，輔助疊加顯示內容，將待安裝模塊影像、線纜及指令信息增強投射到衛星基座本身，并與環境空間相混合，增加交互沉浸感。

2)線纜鋪設和裝配仿真模擬技術：

利用視覺采集系統識別衛星裝配現場的多元裝配狀態信息，生成可視化內容的控制信號。根據零部件對象識別結果定位工藝操作序列，調用結構化工藝信息模型中當前操作步驟的工藝引導文字信息內容、圖紙信息、三維模型，采用人工標識物和自然特征標定裝配工作空間的方法進行三維注冊，渲染生成虛實融合的可視化線纜增強現實引導信息模型。在實體衛星和設備本身播放增強現實動畫，通過安裝工具+零件+線路的混合仿真動畫疊加方式，將虛擬安裝過程及安裝后的狀態與實體進行精準融合，并伴隨著1：1的裝配動作實際操作，實現線纜鋪設和裝配仿真模擬，指導操作人員將衛星線纜裝配到目標位置。

3)線纜裝配質量檢驗系統平臺的構建：

采用手持式設備+大屏的交互形式，設定觸屏交互邏輯，通過打印實體測試模型進行攝像機位姿參數標定，基于計算機視覺技術，對實時采集的裝配現場圖像進行預處理和檢測特征處理，將待檢測的圖形特征描述輸入識別模塊，獲得檢測結果，實現電連接器插拔完整性檢測、設備安裝方向檢測、設備安裝完整性檢測等功能。

4 結束語

AR技術已經廣泛應用于大型復雜產品的研制過程，在國內外大型科研生產類企業取得了顯著的應用成效。面對衛星線纜設計和裝配的應用需求，還需要同步開展工程實踐研究工作，突破AR應用于線纜設計、鋪設、檢驗等工作的關鍵技術，為設計、工藝和操作人員提供虛擬操作和驗證的工作環境，有效的優化線纜設計及裝配，提升衛星產品質量，縮短研制周期，節約研制成本。本文對AR技術在衛星線纜的設計、裝配和檢驗中的應用需求進行了分析，總結了AR技術應用于衛星線 纜的關鍵技術，對AR技術在衛星線纜領域的應用具有一定指導意義。