增强现实技术在飞机设计制造领域的应用研究

王 琛

（西南科技大学 计算机科学与技术学院，四川 绵阳 621010）

增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种先进的人机交互技术，它通过利用计算机所产生的三维以及多维信息，提高使用者对现实环境的认识。利用可视化、光电显示和人机交互等技术通过传感将虚拟环境的信息反映在真实世界，并将计算机生成的虚拟场景、虚拟物体或信息准确叠合到现实场景当中，实现现实世界与虚拟场景的无缝连接[1]。使得用户在真实场景中访问虚拟世界时，从视觉、触觉等感官上呈现给用户一个真实的环境效果。

20世纪90年代该技术兴起，增强现实技术不断发展完善，便携程度不断提高，设备价格不断下跌，增强现实技术以其动态、交互、多感知、实时和场景融合等特征在各行业得到了较为广泛的应用，例如市政建设、工业维修、旅游展览、古建筑保护、网络视频通信和娱乐游戏等。AR技术利用计算机生成的虚拟场景相比于虚拟现实技术在视觉、听觉、触觉等多种感官方面更加贴近现实环境，同时还具有更强的三维空间表现能力和实时人机交互能力，极大拓展了人类的认知手段，未来必将使得许多传统性行业获得颠覆性变革。

现代飞机制造设计是一个多学科高度融合、过程极其复杂的领域，AR技术可通过其真实性、虚拟性的优势，构建多领域、多层次的虚拟样机原型，实现性能仿真演示、总体布置、碰撞检测及装配维修等功能，达到快速准确地发现飞机设计制造各阶段潜在缺陷，并在初步研发阶段解决这些问题的目的。利用AR技术可使得虚拟与现实两种研制环境并存，在飞机设计层面形成“虚-实结合”“虚-实同步”等试验方式，对有限的实验环境进行虚拟扩展，例如在虚拟环境中模拟特定的飞行环境或故障飞行状态，使得模拟出的状态达到实际环境无法完成的效果[2]。研发一种以设计人员为中心，飞机状态信息为“驱动”的基于增强现实技术的飞机制造设计系统，具有极其广阔的应用前景。

1 AR技术在飞机设计制造中的应用现状

现代飞机内部结构复杂，航空仪器精密，性能要求更为苛刻。在飞机设计的过程中，利用AR技术可提前展开飞机性能测试、机身总体布置和人机工效分析评估等工作。增强现实技术促进飞机设计和制造的自动化及智能化发展，充分发挥了AR技术潜在的巨大应用价值。目前在飞机设计制造领域有如下案例：

1.1 洛克希德-马丁将AR技术应用于F-22和F-35制造

洛克希德-马丁公司已经将AR技术应用于F-22和F-35飞机的制造装配过程中，通过爱普生Moverio BT-200型号的智能AR设备提供的视觉辅助平台，使生产设计人员可以快速对飞机各组成部分进行装配维修。例如，工程师在使用AR眼镜设备安装飞机起落架部件时，只需通过眼镜观看起落架，便可以按照安装手册的指导一步步进行，安装可细致到每一个螺栓、每一根电缆，从而达到高效、细致地完成安装的目的。

在AR平台的辅助下，工程师可将飞机的装配速度提高30%，安装准确率高达96%。由于AR技术应用提供的可视化和流程规范化，极大提高了工作效率、避免了重复劳动，同时降低事故发生率[3]。

1.2 空客公司飞机座舱设计开发

空客集团企业联合戴姆勒公司，运用AR技术进行飞机座舱的开发系统设计。其使用索尼智能眼镜的AR功能，输入计算流体力学软件的计算结果以及温度感应器等数据，实现了座舱气流温度可视化效果，帮助设计人员进行飞机座舱开发，减少了昂贵的原型制作成本。并且利用AR设备扫描生产线的飞机部件、检测维修，提高生产线的效率。

1.3 波音公司使用AR技术提高飞机设计效率

波音航空公司通过将AR技术运用到波音777和787型客机产品的设计生产过程当中，利用AR技术实现了对客机外形、构造、特性等的重新设计，所获得方案与现实样机之间的设计误差影响小于0.01英寸、设计错误修改量减少90%、研制周期时间减少50%、综合管理成本减少60%。

据公开信息显示，基于传统方式的飞机设计需要建造两个模型样机实体，每个样机成本约为60万美金。采用AR技术之后，可显著节省研究经费、极大缩短科研开发周期，保证技术对接成功[4]。

2 AR技术在飞机制造设计中的应用需求

在飞机设计研发的整个流程中，设计部分主要分为方案论证、初步设计、详细设计和产品试制等四个阶段。采用增强现实技术进行飞机设计制造的突出优势是可以进行“虚拟体验”，在此过程中即可对飞机各部分进行观察，又能够使部分与整体结构保持关联，在飞机整个的设计阶段都有极大的应用需求。

在常规的飞机设计、试制和试飞过程中许多关键技术和实验项目都需要进行实际飞行测试来验证，此种方式极大地增加了飞机研发的成本和周期。而使用AR技术建立虚拟样机来替代实体样机，也可完成对设计的各项指标的验证、分析及优化，大大降低了研发成本与研发周期。

在飞机方案论证阶段，借助AR技术的虚拟场景构造，搭建飞机虚拟样机模型，通过实时演示飞机的总体性能以及主要特征使得设计团队可以直观地了解飞机设计方案的可行性;当进入工程研发阶段，在飞机试制的过程中使用AR技术对飞机进行装配，可解决传统飞机装配中存在的诸多弊端，并及时发现前期设计阶段产品存在的缺陷。相比较发现，AR技术需求最多是在设计论证阶段，对于该阶段部分需求总结如下：

（1）飞机整体设计：使用增强现实技术建立的虚拟样机对完成初步设计的飞机进行整体评估，例如外型颜色、部件结构强度设计和相关电子器件是否满足相关技术标准，从而替代传统方法中的生产概念实体模型来进行评估。

（2）座舱内部人机工效评估：包括座舱整体布局、飞行员活动空间与视角舒适度、飞行操作简易程度、仪表显示器布置合理性及显示器信息反馈速度等方面的分析评估工作。

（3）飞机可装配性、检修性分析评估：主要包括飞机碰撞检测、装配顺序规划设计、检测维修时间效率评估、维修维护时效分析评估等。

（4）飞行仿真：包括特定环境飞行模拟、飞行故障状态模拟和飞行特性研究和模拟器仿真等方面。

应用AR技术的设计验证阶段作为各研发部分的安全性、可靠性和功能分析工作，必须纳入设计论证流程，通过AR技术验证评估后才可转入下一阶段的试验设计工作。

3 飞机设计流程中的AR技术框架

根据飞机研制单位的实际需求，可针对性地构建飞机设计AR技术体系框架，可分目标、分阶段的开展VR技术应用的基础。当前AR技术系统主要由基于计算机显示器（Monitor-bansed）系统、视频合成技术穿透式（Video see-through）系统和光学原理穿透式（Optical see-through）系统三种类型构成，其基于计算机显示器和视频合成技术的两种方案都需要通过摄像机等外设获取真实场景中的图像，并在计算机中完成虚实图像结合后输出，整个过程存在由于系统延迟造成AR应用中虚实注册错误[5]。而基于光学原理穿透式显示技术的实现方法则是实时传送真实场景的视频图像，不受计算机控制，大大减少了系统延迟，并且该方案也具有多专业多人员协同、远近距离调节实时交互的特点。因此对于飞机设计这类较大规模、高度复杂的设计活动，基于光学原理穿透式显示的AR实现方案更为适用。

实现AR技术与飞机研制流程的有效结合，必须借助飞机数字化设计体系，结合必要的分析软件并建立相关基础数据库[6]。

飞机研制流程中的AR体系将采用分层结构，主要分为交互层、应用层、对象层和数据层等四个层次。

（1）交互层。交互层主要为输入和输出交互操作，是用户与AR系统交互的接口。输入操作是用于接收用户的输入指令，例如用户通过鼠标、手势识别设备或人体跟踪系统的输入，捕获用户的肢体动作，从而产生指令进行交互。输入操作则是将框架应用层中处理好的结果以图像、文字、解说和触觉反馈等方式通过显示器、音响、3D眼镜等外设反馈给用户。

（2）服务层。服务层是AR系统的关键核心，主要包括AR虚拟样机建模、设计/仿真数据一体化、人机工效分析优化、设计方案评估，以及设计工具的开发使用。

（3）对象层。对象层是用于存储、维护和管理AR设计系统运行过程中生成的虚拟样机模型、虚拟人体模型和虚拟环境模型等对象，主要功能是为相关设计人员提供必要的数据支持，完成相关模型数据的存取、修改和保存。

（4）资源层。资源层是AR设计系统中所需要的各种类型的软硬件、数据库以及必需的相关网络平台，是AR系统应用的基础层。

4 AR技术在飞机制造设计中的关键技术

AR技术仍在快速发展。要完成AR技术与飞机设计制造流程的高效融合，实现其大范围、规模化的应用，需要突破解决以下一些关键技术。

4.1 基于AR技术的飞机设计制造技术体系

根据飞机设计制造的实际过程，以AR技术在飞机设计制造各个阶段的应用需求为切入点，形成平台建设方案；研究AR系统与飞机研发相关集成软件的关联特点，明确数据传输与转换的要求，确定数据在设计过程中的业务状态控制方法；研究基于AR技术的飞机设计制造应用技术规范，为其在设计开发过程中的应用提供技术支持。

4.2 AR系统建模技术

AR建模是以三维建模为基础，包含几何设计、物体运动和物理属性建模等。几何建模设计是飞机设计制造的基础，对于相关数据的处理必须进行“轻量化”设计以保证消除视觉延迟，防止对设计人员造成模拟障碍。物体运动建模必须要由真实模拟物体、人体的运动、位置状态，防止出现物体位置重叠、人体穿墙等不符合自然规律的现象发生。物理属性建模则是对建模物体重量、形变以及表面纹路等物理属性的表现，是系统中较高层次的建模要求[7]。而在传统的飞机设计制造中，大都是基于图纸的设计，极大限制了设计人员的可操作性；在飞机设计制造中采用虚拟产品建模开发，能够对虚拟物体进行构建、设计、制造和分析，使其在工程计算上极大地优化工作流程，提高飞机研发效率。

4.3 人机交互技术

实现三维人机实时交互技术是增强现实应用于飞机设计制造领域中的关键。主要难点包含：虚拟物体在真实场景中的定位问题、基于AR设备响应的灵敏度问题、虚拟场景与真实场景叠加与区分问题、虚拟触觉反馈问题等。其技术先进而复杂，具有较大挑战性。

4.4 系统信息数据处理与显示

对于飞机设计过程中产生的技术资料对其进行信息组织和实现是一种较难解决的问题。在飞机的设计、论证和试制过程中，从整个系统到各个模块中每一个参数都是设计人员需要掌握的信息，数据量巨大。为了使设计人员及相关工作人员更容易地了解掌握系统的信息数据，必须通过不同的信息显示样式来表达，主要包括图形、文字、动画、虚拟原型机显示等形式[8]。

4.5 飞机装配与检修仿真技术

研究基于AR环境的模型操作实时交互技术，打造装配检修相关人员与虚拟场景的交互基础；分析以AR技术为基础创建的环境中对飞机装配或检修效率的验证与评估，并建立相关评级体系。为飞机的装配、检测维修提供更为科学规范的辅助手段。

5 结束语

我国在增强现实技术领域的研究起步较晚，在飞机设计制造方面的AR技术研究和应用与国外先进飞机设计技术还有较大差距。随着互联网新时代的快速发展，AR技术将在人们日常生活中的应用变得更加广泛。在飞机设计制造方面，如果将AR技术与飞机设计完美结合，并且在应用上不断完善创新，必将大幅度降低飞机研发经费，大大缩短研制周期，同时对我国赶超西方先进飞机设计水平具有重大意义。