航空航天虚拟装配和虚拟维修进展综述

赵 博，刘凤财，向彩霞

（1.北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2.北京航天长征科技信息研究所，北京，100076）

航空航天虚拟装配和虚拟维修进展综述

赵 博1，刘凤财1，向彩霞2

（1.北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2.北京航天长征科技信息研究所，北京，100076）

总结了航空航天领域虚拟装配和虚拟维修技术的应用情况，并分析了后续在中国航天领域的发展趋势，与增强现实技术结合，以国产平台为依托，向着小型化、轻型化的方向发展。

航空航天；虚拟装配；虚拟维修

0 引 言

操作维修性属产品设计特性，对于航天器等装备尤为重要，它必须在产品设计时确定。其工作内容主要包括：a）从产品设计阶段开始的操作性和维修性进行设计分析和验证评估；b）研制后期的操作维修技术手册编写；c）交付前开展的操作维修训练等。

在传统的工作模式下，维修性分析评估依赖于物理样机，致使维修缺陷发现得相对较晚；维修性分析的自动化程度远不及CAD/CAE/CAM 等工程技术，尤其是定性分析多采用手工方式；传统模式的工作过程为串行过程，不符合并行工程的要求。

随着数字样机和虚拟现实（Virtual Reality, VR）等技术的发展，三维数字样机在设计早期阶段即能够较好地开展维修性、操作性的分析与验证[1]，评估设计方案的可行性和合理性，能够尽早发现设计不协调问题，及时修改设计方案，为缩短研制周期、提升产品质量奠定良好的基础，同时可以为后续装备的维修保障分析、虚拟培训等工作提供基础数据。

本文分析了航空航天虚拟装配和虚拟维修进展，汲取经验教训，聚焦发展方向。

1 国外研究现状

1.1 战神火箭的虚拟装配

马歇尔太空飞行中心从1986年起使用数字化企业互动制造应用软件（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application，DELMIA），主要用于机器人技术、人机功效学、装配等方面[2]。在阿瑞斯（战神）I型火箭的研制中，采用并行协同的可制造性分析，从可装配性、人机工效、装配环境模拟等方面开展了以下工作：

a）装配仿真：验证操作序列和加工方法；优化装配过程；减少下游生产计划。

b）人机工程学（工效学）：识别危险操作；验证装配、测试、操作、维护过程中的可达性。

c）工厂（环境）定义与分析：验证操作空间的大小；验证操作顺序和大尺寸加工方案；估算投资总额；识别装配过程中的难点。

图1和图2为NASA在阿瑞斯I型火箭的研制中的仿真情况。通过仿真减少了约100～312.5人/天的工作量，较传统模式减少了1/4的工作量[2]。

图1 NASA在阿瑞斯I型火箭研制中的维修仿真（级间段）

图2 NASA在阿瑞斯I型火箭研制中的仿真（操作可达性）

1.2 猎户座宇宙飞船的虚拟装配

洛克希德马丁空间系统公司和美国航天局合作，对猎户座宇宙飞船进行了人机工程方面的模拟分析，如图3所示。

猎户座的挑战是巨大的，因此需要面对大量的模拟。在大约相当于一个小卧室一半的空间内，需要布置宇航员衣服及设备、航空电子设备、电脑、生命支持系统、热防护设备等。留给宇航员的空间只有剩下的约10 m3。因此，在飞船设计中，对体积、质量和功率均有苛刻的要求。而人机工程仿真能够较好地解决这一棘手问题。

如果一个组件拆出的过程必须要先拆出别的组件，需要详细考虑宇航员执行该任务的详细操作。例如：一位LMSSC的高级机械工程师的任务是要拿出一个方案统筹考虑宇航员的位置、宇航员之间的间隔以及座椅设计以确保宇航员能够顺利地接触到控制台。利用多达11个不同的宇航员数字模型，初步模拟活动空间、到达储藏处、进入和退出等过程。

图3 洛克希德马丁空间系统公司对猎户座宇宙飞船的仿真

猎户座项目的人机工程模拟主要分为2个部分：静态分析和动态分析。首先是进行静态分析，静态人体模型用来确定宇航员在自己的座位上是否“适合”：是否有脚部、膝盖和肘部的间隙，并且避免头部受颠簸碰撞。“适合”是非常重要的，因为美国航天局要求猎户座飞船内能够容纳从身高比例为1%的女性（即身高低于99%女性的女性）到身高比例为99%的男性（即身高超过99%男性的男性）。

通过人机工程仿真，可以将原本数星期的验证工作时间缩短至一到两天。LMSSC的工程师Delnero总结了使用数字人体模型进行人机工程分析所取得的成就：

a）数字样机使得工程师与管理者直观地看到了猎户座飞船的内部构造及布置情况，并了解飞船内部空间的狭小；

b）利用一个身高较高的数字人体模型模拟了从舱口进出的动作，消除了设计的担忧。

值得一提的是，在仿真项目中，NASA采用的是Pro/E 野火2.0版本产生的三维模型，通过中间文件格式STEP转换为仿真模型供LMSSC的工程师分析。大多数STEP文件大小约为1 Gb或数百兆左右。每一个STEP文件的处理时间约为2 h，包括创造一些表面并着色。此外，在人机因素中不需要考虑的组件，如压力容器结构等，都做了隐藏或删除处理。在某些仿真任务中，用于模拟的人体模型是穿着笨重的宇航服并带着头盔的。

仿真软件采用DELMIA，软件版本为V5R16，采用Windows操作系统。硬件设备为惠普4100工作站（3 Gb 内存，Intel Xeon 2.8 GHz CPU）。根据工程师Delnero的观点：“仿真软件几乎是完全满足任务的需求”。

1.3 美国空军的虚拟维修

美国空军阿姆斯特朗实验室与宾夕法尼亚大学联合开发的人员训练与人素的设计评估（Design Evaluation for Personnel Training and Human Factors，DEPTH）项目，采用可视化和虚拟现实技术进行维修与保障分析的计算机应用系统。该项目的研究主要采用数字样机与3D人体模型技术，用以提前确定维修过程内容与过程中的人力资源需求、生成训练辅助材料。通过将维修仿真结果输入交互式电子技术文档（Interactive Electronic Technical Manual，IETM），使其成为维修手册与维修训练资料的一部分，实现在一次仿真中完成多项与维修相关的任务，大大减少了重复性的开发工作。

1.4 洛克希德马丁空间系统公司战机的虚拟维修仿真

洛克希德马丁空间系统公司从1995年开始逐步淘汰支持了多个F-16项目的金属样机，转而实行虚拟维修。其实现过程包括：a）集成多种商用软件（如DELMIA、Jack等）实现虚拟维修能力核心；b）实现交互式CAD系统到COMOK的数据转换；c）开展虚拟维修确认以及维修性和人机工效分析。取得的效益主要有：a）维修性分析更加形象、逼真和准确；b）使维修性分析趋于标准化，避免主观影响；c）改善了设计人员、维修性工程人员和维修人员间的信息沟通渠道；d）节省研制费用，缩短研制周期。该成果还被应用于F-22和JSF项目，例如在JSF项目中应用DELMIA对发动机拆装、武器装填等过程进行仿真。

洛克希德马丁空间系统公司研制的F-35“隐形”战斗机为适应美国空军、海军和海军陆战队等不同的作战需要，具有3种变型机种，并且组装、维护工作量巨大，需要携带炸弹、导弹、大炮、不同类型的雷达、燃料箱、电子对抗、瞄准系统等多种武器和设备。为了完成不超过一年的订单和交货时间间隔，不超过5个月的装配，F-35的设计制造过程中进行了大量的装配仿真，主要包括：

a）前机身装配顺序规划；

b）柔性操作平台对机翼上部蒙皮的装配操作，该平台是一个自动化的系统，可编程自动钻孔、铆接装配夹具；

c）横跨10.6 m的机翼的完全装配序列规划；

d）飞机机翼结构与机身中段、前部与尾部精确地无调整地对接仿真；

e）最终总装与运输生产线的仿真；

f）机器人的喷涂仿真与离线编程。

洛克希德马丁空间系统公司的SAIL实验室将动作捕捉和虚拟现实相结合，创造出沉浸式工程技术。在F-35闪电II战机的研制中开展了大量的虚拟操作、虚拟训练等工程仿真项目，为设计、制造方案的确定提供了极大的帮助。

SAIL管理人员谈到，在从事了大约40个模拟项目后，效益已达7.5亿美元，并有望在2007年缔造10亿美元的记录，投资回报率预计为15∶1。更为重要的是，SAIL正在逐步在海军方面为洛克希德马丁空间系统公司树立信誉，而之前它一直是美国空军的供应商。

SAIL将DELMIA ENVISION软件紧密整合到来自VRSim公司的SimIO和MiniViz软件（用于同步展示的VR工具），以及来自Motion Analysis公司的一个光学动作捕捉系统上。SAIL的显示设备为洞穴式系统，由左、中、右、地面4个投影面组成。SAIL的“外围设备”包括：数字头盔，来自Virtual Research Systems公司；六自由度头部跟踪器，来自InterSense公司；数据手套，来自Immersion公司，其中的传感器可捕捉用户双手、手腕和10根手指的任何动作。此外，还有更为简单的手套仅针对手的位置进行跟踪；6摄像头的球形数字化视频系统，来自Point Grey Research公司，用于通过捕捉现实世界的视频信息进行模拟验证；一个激光扫描仪，来自Leica/Hexagon公司，用于捕捉并生成3D模型。

SAIL在14台戴尔670电脑上运行，标配为NVidia Quadro FX 3400显卡，生产于2005年。4台电脑显示到CAVE的投影墙上，工程师Dobbins解释说，“我们其实可以使用一台电脑将任何数量的视点结合到一面CAVE墙上，通常可包括4名使用头戴式可视设备（Head Mount Display，HMD）的用户的视点，而对其他人的视点忽略”。每个HMD都配有一台自己的电脑。

另外3台电脑用于ENVISION、Mocap和数据/许可服务器。Dobbins谈到：“算上CAVE中佩戴立体眼镜的4名用户，和Mocap中佩戴HMD的4名用户，我们共使用11台电脑，可按照需要的数量来浏览电脑中的场景，而这不会影响系统的进程”。

SAIL的成功之处在于，将CAD、动力学、动作捕捉和虚拟现实整合在一起。相对于以往渲染工程信息方法来讲，SAIL最大的改善之处在于将CAD、人体动作、飞机部件、船只元素和周围空间整合为一体。其价值在于能够精确地描绘现实的空间、时间和动作。

穿上动作捕捉服，SAIL技术人员模仿了飞机运载工具的发射情况。依靠反射的白点保持Mocap摄像头对它的定位

SAIL以2种密切联系的方式操作：Mocap和VR渲染。Mocap演示方式类似于好莱坞电影，在一个4.5 m×6 m的空间内，周围有24台互相连接的视频摄像头，4名人员做出弹射器发射、武装飞机、甲板上离地试飞或更换发动机的动作。

各项任务中，表演者穿戴有贴身的深蓝色或黑色服装，类似于水下潜水员的装束。衣服上有无数的高反射球形装置，通过这些装置，摄像头可捕捉到每一个细微的动作。而Dobbins的工作就是将每一个Mocap动作即时反映在VR CAVE当中。截至2007年年中，SAIL已建立了将近40个仿真项目[3]，包括：

a）在飞机腹部安装弹药筒。

b）在飞机下方进行武器系统服务。

c）在机翼下方安装导弹和炸弹。

d）海洋上，当飞机尾部悬停在飞行甲板边缘时，操作人员接触外部操作面板。

e）飞机预备发射，连接到甲板下方蒸汽动力的弹射器活塞环。危险的发动机进气门区域以红色模拟。这种模拟同样显示驾驶员以全动力操作发动机时的锚泊操作。

f）确保返回过程中，船只拦阻索和飞机尾钩的正确连接。

图4为对F-35船甲板的多个操作与维护场景做出的6个模拟动作，如图4所示，由上到下分别为STOVL起升风扇的拆卸和CV机尾掠过水面检查；内部武器装载；在LHD运载装置上STOVL耗尽（使用计算流体动力学进行的开发）重置CV尾钩和加燃料探头检查。

图4 模拟动作

2 中国研究现状

中国航天员科研训练中心在2009年成功研制一套单机虚拟操作训练演示系统，并于2013年提出并实现了一个基于虚拟现实技术的航天员太空协同操作训练仿真系统结构，该系统结构能支持多名航天员模拟太空协同操作训练任务、实现各参训航天员计算机虚拟场景实时一致、处理访问冲突问题，以“神舟七号”航天员协同取载荷的仿真应用实例验证了该仿真系统的合理性和有效性[4]，如图5所示。

军械工程学院装备保障工程试验室研制开发的新型虚拟维修平台——交互式桌面型虚拟维修训练平台现已推广使用。该平台以维修训练需求为牵引，以虚拟训练为主要技术手段，提供对机械、电子、液压等类型装备的构造原理、操作使用、分解组合、检查调整、故障诊断等内容的学习、训练与考核，使得受训人员掌握相关维修知识与操作技能，达到近似实际训练的效果。此外，维修帮助可以提供常见维修任务的操作帮助和相关资料查询等功能。该平台采用了最新的虚拟维修训练模型体系和系统架构，兼容常见的虚拟现实引擎，不需要用户编程，只需将相关维修训练数据聚合即可生成具体装备的虚拟维修训练系统，给用户提供“真实”的虚拟训练环境[5]。

图5 两名参训航天员协同回收载荷训练配置环境

浙江大学对分布式虚拟现实、虚拟装备装配及应用于工效学领域的虚拟人体模型进行了研究[6]；国防科学技术大学研究了虚拟人行走规划方法；北京航空航天大学、北京大学、武汉大学等研究机构也都对虚拟人体模型进行了研究[7,8]，并且大都集中于工效学领域，主要针对维修训练中的具体问题。

3 发展趋势

随着航天产品三维研制模式的不断推进，基于三维模型的虚拟现实仿真具有越来越重要的应用意义，同时相关系统的发展主要有以下几方面趋势：

a）与增强现实技术相结合。增强现实（Augmented Reality，AR）技术是在虚拟现实基础上发展起来的一种新兴计算机应用和人机交互技术。借助光电现实技术、交互技术、多传感器技术和计算机图形与多媒体技术将计算机生成的虚拟环境与用户周围的真实场景相融合，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实场景的组成部分。虚拟现实让用户完全沉浸于计算机生成的虚拟环境中，而增强现实实现了虚拟图像和真实环境的无缝融合，从而可以增强虚拟维修的沉浸性和交互性。结合虚拟模型和半实物模型的自身优点，开展不同应用条件下的虚拟训练仿真工作。

b）系统功能多样化，设计所需软件开源化。目前，国内虚拟仿真系统基本上是通过Virtools、Delmia、Jack商用软件提供的接口进行二次开发。不仅价格昂贵，而且开发单一，无法满足系统功能多样化的需求。OSG、Unity 3D等开源或较开放的软件平台成为了中国虚拟仿真技术发展的突破口，可基于此类软件研制出具有中国自主知识产权的软件平台。

c）整合电路仿真功能。目前，虚拟训练领域中的研究主要针对装备机械部件的操作进行的，没有涉及到装备内部电气方面，尤其是针对电路的仿真训练。未来的研究方向，应该着眼于将电路级的维修训练融入到虚拟维修训练系统中，以此来完善虚拟训练系统，使得装备技术人员能够通过虚拟训练系统得到更加全面的培训。

d）系统的小型化、轻型化。目前结合虚拟现实技术的虚拟训练系统受制于显示设备、位置跟踪设备等硬件，体积较为庞大，建设费用较高，随着3D头盔、眼镜等设备显示效果及性能的进一步提升，人机交互设备的更新换代，有望在未来的几年内实现虚拟训练系统的小型化、轻型化，进而使其在更广泛的领域内应用推广。

[1] 刘佳, 刘毅. 虚拟维修技术发展综述[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2009, 21(11): 1519-1534.

[2] 李洁. 虚拟人及其在某型武器维修训练系统中的应用研究[D].南京: 南京理工大学, 2010

[3] Mindfeed M, Lockheed. An Immersive Virtual Reality Engineering of F-35[EB/OL]. [2012-08-05]. www.lockheedmartin.com/jsf.

[4] 王洪雨，胡溶溶，喻懋林. 装配仿真技术在卫星装配中的应用[J].航空制造技术, 2015(21): 56-58

[5] 赵泌平. 虚拟现实综述[J]. 中国科学, 2009, 39(1): 2-4.

[6] 彭涛, 李世其, 王巧峰, 等. 基于増强人机交互技术的虚拟装配[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2009, 21(3): 354-361.

[7] 赵罡，王超，侯文君, 等. 复杂产品虚拟装配系统的人机交互技术[J]．北京航空航天大学学报, 2009, 35(2): 137-141.

[8] 张刚, 温海. 复杂结构产品可装配性评价方法研究[J]. 机械设计与制造, 2008(4): 203-205.

Summary of Virtual Assemble and Virtual Maintenance in Aerospace

Zhao Bo1, Liu Feng-cai1, Xiang Cai-xia2
(1.Beijing Institute of Astronautic Systems Engineering,Beijing,100076; 2. Beijing Institute of Aerospace Long March Scientific and Technical Information , Beijing, 100076 )

The application statuses of virtual assemble and virtual maintenance in aerospace at home and abroad are summarized, and the development trends are analyzed. Virtual assemble and virtual maintenance will be combined with augmented reality, the relevant application system will become smarter and lighter.

Aerospace;Virtual assemble;Virtual maintenance

V47

A

1004-7182(2016)05-0053-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160512

2016-01-29；

2016-05-17

赵 博（1982-），男，高级工程师，主要研究方向为数字样机技术