基于虚拟现实的飞机维修仿真与工效评估

张登峰　成红芳　罗旭升

摘要：虚拟现实技术以高沉浸感的特点，在仿真领域发挥日益重要的作用。基于飞机设计阶段对维修工效仿真的需求，开展了虚拟现实技术在飞机维修仿真与工效评估中的应用研究。首先，构建了虚拟现实的维修仿真平台，开展虚拟现实维修软硬件环境设置;然后，参照飞机客舱环境建立了虚拟维修场景;最后，通过仿真试验评估了座椅维修可视性和可达性工效水平，验证了研究方法的有效性。该研究可以对虚拟现实平台搭建提供参考，对提升虚拟维修仿真的效率有一定作用。

关键词：虚拟现实;维修仿真;人机工效;可视性;可达性

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）08-0043-04

现阶段常用的维修仿真主要是基于物理样机或虚拟样机。其中，物理样机能够提供最接近实际维修状态的环境，多次采集样本评估结果可靠性高，但是会耗费大量时间与物力。通过虚拟样机进行仿真，例如Delmia，通过构建虚拟维修环境[1]，采用软件自带的模块或依靠人的经验进行维修工效评估。但是，这种方法依赖于功能模块的评价，割裂了人与评估对象之间的联系，容易出现评估结果与实际情况不符合的问题。

在产品的物理样机出现之前，如果设计人员能以第一人称的视角观察产品的结构，或是直接参与维修仿真，将有利于提高维修工效评估的质量和效率[2-3]。虚拟现实技术是一种基于计算机生成沉浸式虚拟环境的综合性技术[4]。虚拟现实通过立体视觉、动作捕捉等功能将现实的人与虚拟环境中数字模型关联，将人的动作输入计算机，提高了人的主观感受的可靠性，为维修工效的评估提供了新思路。九五规划和国家自然科学基金会等把虚拟现实技术列入了研究项目[5]。在国内高校中，军械工程学院最早开展虚拟现实技术在维修方面的研究，研究内容包括虚拟人体模型的维修动作仿真技术[6]、产品的工程模型简化技术和虚拟环境中真实人与虚拟模型的交互等[7];北京航空航天大学研究了虚拟维修仿真系统的搭建流程[8];南京航空航天大学研究了虚拟环境下民用飞机维修性评估的相关技术[9]。

针对虚拟现实技术在虚拟维修仿真中的应用，本文对基于虚拟现实技术的维修工效评估方法进行了研究。首先，结合虚拟现实软硬件设备构建了虚拟现实的仿真平台;然后，设计了虚拟现实环境下的维修仿真试验;最后，进行了飞机客舱座椅的维修仿真与工效评估。

1 虚拟现实试验平台构建

1.1 软硬件组成

虚拟现实平台的硬件部分包括动作捕捉设备、运算设备、定位设备和立体显示设备，软件部分包括建模软件、虚拟现实引擎和轻量化工具。综合考虑虚拟现实维修仿真的需求和市场上的产品性能，选择的软硬件信息如表1所示。

在硬件中，定位设备、立体显示设备和动作捕捉设备是映射虚实关系从而实现互动的虚拟现实硬件设备，显示设备可以根据人体的位置信息，提供第一人称视角的视觉信息;动作捕捉设备通过获取真实人的姿态数据，驱动人体模型的肢体运动从而与虚拟模型进行交互。在软件中，虚拟现实引擎是构建虚拟现实场景的软件平台，轻量化工具是对模型进行处理从而导入虚拟现实引擎的软件工具。在上述软硬件的基础之上，本文构建了虚拟现实的实验平台，支持仿真与评估，实验的环境及软硬件结构如图1所示。

1.2 虚拟现实环境设置

在Unity 3D平台中需要对虚拟现实环境进行设置，内容包括组件布置和碰撞交互设置。

1.2.1 组件布置

虚拟现实环境内的组件包括Kinect骨骼模型，Steam VR摄像头和Leap motion手部骨骼模型。通过输入硬件捕捉的人体关节点数据，Kinect骨骼模型和Leap motion手部骨骼模型可以在虚拟现实环境中展现人体的运动。Steam VR摄像头可以捕捉人体头部在Lighthouse定位器范围内的空间位置和角度，从而显示实时的虚拟场景图像。如图2所示，将这些组件导入Unity 3D的虚拟环境内，调整到初始位置，并添加光源。

1.2.2 碰撞与交互设置

Unity 3D中采用“事件驱动”的方式进行虚实交互，即在检测到某信号后执行某指令。在虚拟现实环境中进行维修仿真，最重要的交互事件是碰撞，可以通过检测碰撞事件实现虚实交互。Unity 3D具有强大的碰撞检测功能，通过添加碰撞网格和刚体属性，能够检测环境内的碰撞信息。本文将维修中的碰撞分为3类，人体的碰撞，手的碰撞以及工具的碰撞，如表2所示。其中，通过检测人体模型与维修环境的碰撞，本文以碰撞视觉反馈的方式，例如光源颜色变化，提示仿真人员该姿态不可行，需要调整身体的姿态。

为了虚拟现实环境中的交互，需要对虚拟人与虚拟模型之间的交互进行预先定义。本文中对虚拟现实中交互的类型进行了简化，拾取操作采用“碰撞黏着”的方式，即检测碰撞后模型变更主从关系一起移动。Unity 3D平台含有众多的类，交互事件通过编写C#脚本实现，本文主要使用Collider碰撞器。通过定义碰撞开始OnTriggerEnter，持续碰撞OnTriggerStay和碰撞結束OnTriggerExit，可以编写脚本实现碰撞的交互事件。

2 基于虚拟现实的维修试验设计

2.1 飞机客舱的虚拟维修场景构建

试验的仿真对象是飞机客舱座椅，仿真内容是对客舱座椅底部的4枚不同位置的螺栓进行拆卸。首先需要建立飞机客舱的维修仿真环境，参照实际的民航波音737客舱环境，本文构建了简化的波音737客舱模型，客舱内各部件均为独立的模型，如图3所示。

轻量化处理的客舱模型在导入 Unity 3D平台后，将其添加到虚拟场景中并对模型进行移动和旋转，根据现实的实验环境位置与虚拟现实环境的世界坐标原点，将维修目标移动到HTC的定位范围内校准其位置。本实验中设定螺栓的交互时间为5s，工具与螺栓碰撞交互满5s认为该螺栓被拆卸。参考国家标准中的中国成年人体测量数据，在年龄18岁到25岁之间的成年男性中，本文选取第50百分位的身材作为虚拟人体骨骼模型的尺寸，对应中等身材，能够代表维修人员最为普遍的情况。

[10] 童時中.人机工程设计与应用手册[M].北京：中国标准出版社，2007.

Aircraft Maintenance Simulation and Ergonomics Evaluation Based on Virtual Reality

ZHANG Deng-feng， CHENG Hong-fang， LUO Xu-sheng

（First Aircraft Design and Research Institute of China Aviation Industry Group Corporation， Xi'an Shaanxi  710089）

Abstract：Virtual reality technology plays an increasingly important role in the field of simulation with its high immersion characteristic. Based on the demand for maintenance ergonomics during the aircraft design phase， the application research of virtual reality technology in aircraft maintenance simulation and ergonomics evaluation was carried out. Firstly， the maintenance simulation platform based on virtual reality is built，and the virtual reality maintenance software and hardware environment is set up. Then， the virtual maintenance scene is established with reference to the aircraft cabin environment. Finally， the visibility and accessibility of seat maintenance are evaluated through simulation experiments，and verify the effectiveness of the research method. This research can provide reference for the construction of virtual reality platform， which has a certain effect on improving the efficiency of virtual maintenance simulation.

Key words：Virtual reality; Maintenance simulation; Ergonomics; Visibility; Accessibility