雷達(dá)結(jié)構(gòu)交互式虛擬裝配系統(tǒng)研究*

陳帝江，張紅旗，張祥祥，程五四

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

·簡(jiǎn)訊·

雷達(dá)結(jié)構(gòu)交互式虛擬裝配系統(tǒng)研究*

陳帝江，張紅旗，張祥祥，程五四

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中針對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)裝配設(shè)計(jì)中存在的效率低、一次裝配成功率不高等問(wèn)題，提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互式虛擬裝配系統(tǒng)構(gòu)建方案。該系統(tǒng)集成交互式外設(shè)在不需要任何雷達(dá)實(shí)物的情況下，完全在虛擬環(huán)境下通過(guò)用戶的自然操作，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)結(jié)構(gòu)裝配的全過(guò)程。文中介紹了系統(tǒng)中虛擬裝配功能模型的構(gòu)建方法，重點(diǎn)分析了虛擬手在系統(tǒng)中的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過(guò)程，闡述了雷達(dá)結(jié)構(gòu)裝配仿真規(guī)劃的方法，最后還介紹了原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

雷達(dá)結(jié)構(gòu)；虛擬裝配；體系結(jié)構(gòu)

引 言

現(xiàn)代雷達(dá)裝備正呈現(xiàn)出大型化、集成化、機(jī)動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。雷達(dá)產(chǎn)品的多品種、變批量、多批次的研制特點(diǎn)導(dǎo)致了研制任務(wù)重、產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)、研制成本高和質(zhì)量難以保證等問(wèn)題，尤其是對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)的一次裝配成功率提出了更高的要求。

隨著雷達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加，其裝配設(shè)計(jì)往往需要各專業(yè)技術(shù)人員的通力配合。如何在雷達(dá)結(jié)構(gòu)的概念和方案設(shè)計(jì)階段，提供一種可以供設(shè)計(jì)人員實(shí)時(shí)、自然操作三維模型的交互式虛擬裝配系統(tǒng)，是提高雷達(dá)結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和效率的關(guān)鍵所在。

本文研究開(kāi)發(fā)的雷達(dá)結(jié)構(gòu)交互式虛擬裝配系統(tǒng)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互及三維設(shè)計(jì)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)及輔助工具，在不需要任何雷達(dá)實(shí)物的情況下，完全在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的裝配操作、對(duì)裝配過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行的測(cè)試和仿真，以達(dá)到優(yōu)化裝配方案、改進(jìn)裝配設(shè)計(jì)等目的。

1 交互式虛擬裝配技術(shù)

虛擬裝配是指不需要產(chǎn)品或支持過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn)，是利用計(jì)算機(jī)工具，通過(guò)分析、預(yù)建模、可視化、數(shù)據(jù)表示等進(jìn)行或輔助進(jìn)行裝配相關(guān)的工程決策[1]。就具體的表現(xiàn)形式而言，虛擬裝配是在虛擬環(huán)境中使用虛擬現(xiàn)實(shí)交互方式(如直接用虛擬手操作和自然語(yǔ)言命令)構(gòu)建虛擬產(chǎn)品原型。與傳統(tǒng)CAD的裝配相比，虛擬裝配的重點(diǎn)在于直觀的人機(jī)交互，在虛擬環(huán)境中直接通過(guò)零件操作和自然語(yǔ)言命令來(lái)完成裝配操作。從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，虛擬裝配是指綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)和人工智能技術(shù)等建造虛擬環(huán)境以及產(chǎn)品虛擬模型，在產(chǎn)品虛擬裝配過(guò)程中進(jìn)行交互分析，進(jìn)行產(chǎn)品裝配過(guò)程和結(jié)果的仿真。它可以檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)以及預(yù)測(cè)產(chǎn)品的可裝配性，而且能夠面向裝配過(guò)程提供直觀合理的裝配規(guī)劃方法。

交互式虛擬裝配技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，集成交互式外設(shè)(如數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器和立體顯示系統(tǒng)等)，在不需要任何雷達(dá)實(shí)物的情況下，完全在虛擬環(huán)境下通過(guò)用戶的自然操作，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)結(jié)構(gòu)裝配的全過(guò)程，同時(shí)對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬裝配的過(guò)程進(jìn)行評(píng)估，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低成本和提高效費(fèi)比的目的。本文通過(guò)對(duì)虛擬裝配技術(shù)基本原理的研究，結(jié)合地面高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及裝配要求，分析了交互式虛擬裝配系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵內(nèi)容，開(kāi)發(fā)了雷達(dá)結(jié)構(gòu)交互式虛擬裝配系統(tǒng)，圖1為交互式虛擬裝配系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖。

圖1 交互式虛擬裝配系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

首先輸入虛擬裝配模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將處理好的裝配信息模型(包括裝配對(duì)象和裝配工具模型)導(dǎo)入虛擬環(huán)境。同時(shí)加載虛擬裝配場(chǎng)景，再將虛擬人信息模型導(dǎo)入交互式自然操作環(huán)境，結(jié)合交互式外設(shè)，實(shí)現(xiàn)基于自然人的交互式操作環(huán)境，使自然人可以在沉浸式虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互式裝配操作。針對(duì)虛擬裝配的結(jié)果進(jìn)行裝配結(jié)果的評(píng)估與設(shè)計(jì)優(yōu)化，并將相關(guān)數(shù)據(jù)歸納存入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 交互式虛擬裝配系統(tǒng)關(guān)鍵內(nèi)容

2.1 虛擬裝配功能模型構(gòu)建方法

虛擬裝配功能模型主要包括零件模型和工具模型。針對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)各系統(tǒng)不同的裝配特點(diǎn)，結(jié)合所采用的裝配工藝，建立裝配模型和裝配工具的信息表達(dá)數(shù)據(jù)集，主要包含參數(shù)化幾何信息、約束信息、驅(qū)動(dòng)信息等。

2.1.1 虛擬裝配零件模型構(gòu)建方法

零件模型是裝配模型的基礎(chǔ)，它含有多種信息，僅采用面片模型表達(dá)時(shí)會(huì)損失精確幾何信息和拓?fù)湫畔?，難以進(jìn)行精確分析；面片模型還會(huì)丟失工程設(shè)計(jì)信息，使裝配約束難以表達(dá)。在虛擬裝配系統(tǒng)中，零件信息表達(dá)需要包含幾何信息和設(shè)計(jì)信息，同時(shí)還要便于組織和操作以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互性，另外還要考慮其所在的裝配環(huán)境。

本文使用3種模型的集成來(lái)表達(dá)零件的信息：零件層模型，采用一個(gè)“零件類”的對(duì)象來(lái)描述，用于記錄和標(biāo)識(shí)零件的查詢屬性、幾何信息、操作屬性和物理屬性；顯示模型(面片模型)，由CAD系統(tǒng)直接生成，用于VR渲染和顯示，常用的面片模型格式有STL、VRML、FLT和POLY，以三角面片為基本結(jié)點(diǎn)，記錄組成零件各個(gè)小面片的頂點(diǎn)坐標(biāo)、法矢、面片顏色以及紋理信息；碰撞模型，由面片模型生成，用于碰撞檢測(cè)計(jì)算。

上述3種模型屬于同一個(gè)零件的3種描述形式，在虛擬場(chǎng)景中，它們存在于同一個(gè)局部坐標(biāo)系下，零件移動(dòng)時(shí)3種模型同步移動(dòng)，它們之間的聯(lián)系通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行。由于面片模型和碰撞模型都有固定格式，本文僅針對(duì)零件的精確模型展開(kāi)描述。如圖2所示，零件類需要具有查詢、物理、操作、幾何與拓?fù)?類屬性。

在查詢屬性中父結(jié)點(diǎn)ID指明裝配樹(shù)上零件的直接父結(jié)點(diǎn)，可以據(jù)此屬性查找零件的上層裝配；約束表用于在裝配操作時(shí)輔助確定某次裝配需要處理的約束。

物理屬性是零件在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)所需的信息，主要包括質(zhì)心坐標(biāo)、質(zhì)量、繞局部坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及剛度、阻尼和彈性恢復(fù)系數(shù)。

圖2 虛擬裝配零件精確模型的邏輯結(jié)構(gòu)

操作屬性中的顯示屬性控制零件在場(chǎng)景中的顯示方式，0：渲染；1：線框；2：隱藏；3：高亮顯示。為了表達(dá)某時(shí)刻零件與虛擬手的關(guān)系，零件類有一個(gè)拾取標(biāo)志，0：未被拾取；1：被拾取。零件類的“完成標(biāo)志”描述某時(shí)刻零件的約束滿足情況，當(dāng)零件在當(dāng)前裝配層次的所有約束都已滿足時(shí)，該標(biāo)志的值為1，否則為0。

在幾何拓?fù)鋵傩灾?，零件坐?biāo)系屬性記錄零件坐標(biāo)系的原點(diǎn)坐標(biāo)和3個(gè)軸的姿態(tài)角。裝配操作時(shí)，零件處于何種狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行約束捕捉將直接影響系統(tǒng)性能，如果捕捉范圍過(guò)大，則需要時(shí)時(shí)處理很多不可能符合預(yù)定誤差限的約束，這會(huì)增大系統(tǒng)負(fù)擔(dān)；若捕捉范圍過(guò)小，用戶就難以捕捉到某個(gè)約束，因而影響操作效率。系統(tǒng)使用包圍盒和約束層次來(lái)共同確定約束捕捉范圍，但包圍盒只有在子裝配的裝配動(dòng)作完成以后才會(huì)生成。

2.1.2 虛擬裝配工具模型的表達(dá)

虛擬環(huán)境和實(shí)際裝配中使用工具的最大區(qū)別就是工具與操作對(duì)象之間關(guān)系的建立，在虛擬現(xiàn)實(shí)硬件缺乏真實(shí)力反饋的條件下，動(dòng)態(tài)地建立和刪除工具與操作對(duì)象之間的幾何約束是解決工具與操作對(duì)象關(guān)系的重要手段。

在虛擬裝配操作過(guò)程中，可將裝配工具視為一個(gè)特殊的零件。為了滿足虛擬現(xiàn)實(shí)中產(chǎn)品裝配的要求，工具的幾何和拓?fù)浔磉_(dá)統(tǒng)一采用B-REP方法。為了實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中對(duì)零部件的操作，工具類需要具有查詢、物理、操作、幾何拓?fù)浜筒僮鲗?duì)象5種屬性，具體的表達(dá)如圖3所示。

圖3 虛擬裝配工具模型的信息表達(dá)結(jié)構(gòu)

查詢屬性中工具ID是在工具庫(kù)中的編號(hào)，具有唯一性。面片模型是從CAD軟件中轉(zhuǎn)換的，包括wrl、stl等格式。碰撞模型ID是工具在數(shù)據(jù)庫(kù)中的編號(hào)，用來(lái)查詢工具和零部件對(duì)應(yīng)的碰撞模型。

物理屬性中抓取點(diǎn)的坐標(biāo)指虛擬手抓取工具時(shí)根據(jù)虛擬手的姿態(tài)和抓取點(diǎn)的坐標(biāo)確定虛擬手和工具的相對(duì)位姿。工具的質(zhì)量、密度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是評(píng)價(jià)工具可操作性和操作難易程度的主要指標(biāo)。

幾何拓?fù)鋵傩?、操作屬性以及操作?duì)象屬性的定義與虛擬裝配零件模型的定義基本一致，不再贅述。

工具類模型的約束信息由3部分組成：約束基本信息、與主動(dòng)體相關(guān)的信息以及與配合體相關(guān)的約束信息。工具操作對(duì)象中待捕捉約束鏈表中的約束是從CAD軟件通過(guò)專用接口得到的，所有的信息是已知的。

2.2 基于自然人的交互式虛擬操作技術(shù)

本文主要利用數(shù)據(jù)手杖、位置跟蹤器等外設(shè)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口，與雷達(dá)結(jié)構(gòu)裝配操作動(dòng)素庫(kù)[2]關(guān)聯(lián)，將相應(yīng)的動(dòng)素應(yīng)用在虛擬手操作中，達(dá)到交互式虛擬裝配操作目的。圖4為虛擬手應(yīng)用操作動(dòng)素進(jìn)行自然操作的流程圖。自然人通過(guò)數(shù)據(jù)手杖與傳感器，讀取手掌姿態(tài)的傳感器數(shù)值，映射到雷達(dá)結(jié)構(gòu)裝配操作動(dòng)素庫(kù)，獲取相應(yīng)的動(dòng)素，還原為標(biāo)準(zhǔn)裝配動(dòng)作進(jìn)行虛擬裝配操作。虛擬手掌的初始位姿值可通過(guò)傳感器讀取，加載了坐標(biāo)值的位置跟蹤器信息通過(guò)信號(hào)發(fā)射器發(fā)送給傳感器，傳感器捕獲手掌當(dāng)前位姿。當(dāng)手掌位姿發(fā)生變化時(shí)，傳感器通過(guò)矩陣轉(zhuǎn)換函數(shù)得出位姿轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，發(fā)送給位置跟蹤器，獲取位置關(guān)系編碼值，映射到雷達(dá)結(jié)構(gòu)裝配操作動(dòng)素庫(kù)，獲取相應(yīng)的動(dòng)素，還原為標(biāo)準(zhǔn)裝配動(dòng)作。將虛擬手掌的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作通過(guò)傳感器加載到虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配模型的虛擬操作。

圖4 虛擬手應(yīng)用操作動(dòng)素自然操作流程圖

2.2.1 手指動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

在虛擬手動(dòng)素提取與控制的研究中，手指的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，本項(xiàng)目利用數(shù)據(jù)手杖的按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)手指信息的采集。

如圖5所示，手杖有6個(gè)傳感器，彩色按鈕可以分別用于定義拇指、食指、中指、無(wú)名指和小指根關(guān)節(jié)的信息。以紅色為例，當(dāng)傳感器輸出值為0時(shí)，表示拇指沒(méi)有按下；當(dāng)傳感器輸出為4 080時(shí)，表示拇指完全按下。依據(jù)動(dòng)素表中的對(duì)應(yīng)動(dòng)作，可以讀取相應(yīng)的數(shù)值并記錄備用。

圖5 intersense數(shù)據(jù)手杖

2.2.2 手掌動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

在虛擬裝配環(huán)境中，不僅需要控制手指動(dòng)素，還需要控制手掌動(dòng)素。手掌動(dòng)素控制及動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的基本過(guò)程包括數(shù)據(jù)采集、位置跟蹤器坐標(biāo)系下的位姿確定、虛擬裝配環(huán)境坐標(biāo)系下的動(dòng)素確定和虛擬手運(yùn)動(dòng)。

(1) 位置跟蹤器的數(shù)據(jù)采集與分解

如圖5所示，操作者將數(shù)據(jù)手杖握在右手中，就可通過(guò)位置跟蹤器實(shí)時(shí)讀取手掌的位姿信息。位置跟蹤器坐標(biāo)系OT(XTYTZT)如圖6所示，發(fā)射器質(zhì)心為原點(diǎn)OT。用六元組Dti(xti，yti，zti，Ati，Eti，Rti)表示第i時(shí)刻傳感器位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，其中：xti、yti、zti為手掌在位置跟蹤器坐標(biāo)系中的X、Y和Z坐標(biāo)，Ati、Eti分別為手掌繞ZT軸和YT軸旋轉(zhuǎn)的方位角和俯仰角，Rti為手掌繞傳感器質(zhì)心至原點(diǎn)OT之間連線軸旋轉(zhuǎn)的角度。

圖6 位置跟蹤器坐標(biāo)系

(2) 手掌的驅(qū)動(dòng)

在虛擬裝配坐標(biāo)系OV(XVYVZV)下，用六元組Dvi(xvi，yvi，zvi，Pvi，Wvi，Rvi)表示第i時(shí)刻虛擬手掌的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，如圖7所示，其中，xvi、yvi和zvi為虛擬手掌在虛擬環(huán)境坐標(biāo)系下的X、Y和Z坐標(biāo)，Pvi、Wvi和 Rvi分別為虛擬手掌繞XV軸、YV軸和ZV軸旋轉(zhuǎn)的角度。

可將傳感器在位置跟蹤器坐標(biāo)下的讀數(shù)Dti分解為位置數(shù)據(jù)Pti(xti，yti，zti)和姿態(tài)數(shù)據(jù)Gti(Ati，Eti，Rti)，將Dvi分解為手掌位置數(shù)據(jù)Pvi(xvi，yvi，zvi)和姿態(tài)數(shù)據(jù)Gvi(Pvi，Wvi，Rvi)。虛擬手掌驅(qū)動(dòng)的核心是將傳感器讀數(shù)Dti轉(zhuǎn)換為虛擬手掌的位姿數(shù)據(jù)Dvi，從而實(shí)時(shí)地驅(qū)動(dòng)虛擬手掌位姿的變化，即需要確定映射關(guān)系fp和ft，使

Pvi=fp(Pti)

(1)

Gvi=ft(Gti)

(2)

圖7 虛擬環(huán)境坐標(biāo)系

(3) 手掌動(dòng)素——位置數(shù)據(jù)映射

如圖6和圖7所示，根據(jù)位置跟蹤器坐標(biāo)系與虛擬裝配坐標(biāo)系之間的關(guān)系，可以構(gòu)建坐標(biāo)變換矩陣Tp，實(shí)現(xiàn)操作者手掌與虛擬手掌之間位置坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，即：

Pvi(xvi，yvi，zvi)=Pti(xti，yti，zti)×Tp

(3)

式中，

(4)

Ctv是比例系數(shù)，表示位置跟蹤器坐標(biāo)系一個(gè)單位的距離等于虛擬環(huán)境坐標(biāo)系下Ctv個(gè)單位，Ctv的值根據(jù)位置跟蹤器最大測(cè)量范圍和虛擬裝配環(huán)境坐標(biāo)系的范圍來(lái)確定。

(4) 手掌動(dòng)素——姿態(tài)數(shù)據(jù)映射

手掌動(dòng)素之姿態(tài)數(shù)據(jù)映射指的是將操作者手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為虛擬手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)。如圖6和圖7所示，從位置跟蹤器坐標(biāo)系與虛擬環(huán)境坐標(biāo)系之間的關(guān)系可知：操作者手掌俯仰角Eti與虛擬手掌的Pvi相對(duì)應(yīng)，操作者手掌方位角Ati與虛擬手掌的Wvi相對(duì)應(yīng)，而操作者手掌旋轉(zhuǎn)角Rti與虛擬手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)之間不存在直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換才能將操作者手掌旋轉(zhuǎn)角R的變化映射為虛擬手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)的變化。

在位置跟蹤器坐標(biāo)系下，旋轉(zhuǎn)角R本質(zhì)上是操作者手掌繞空間任意軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此采用三維組合變換的方法，構(gòu)建變換矩陣RAX來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角R與虛擬手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)之間的映射。設(shè)在第i時(shí)刻操作者手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)為Gti(Ati，Eti，Rti)，則虛擬手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)為Gvi(Pvi，Wvi，Rvi)；設(shè)第i+1時(shí)刻操作者手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)為Gti+1(Ati+1，Eti+1，Rti+1)，則虛擬手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)為Gvi+1(Pvi+1，Wvi+1，Rvi+1)。虛擬手掌的變換步驟如圖8所示。

圖8 虛擬手掌變換步驟

構(gòu)建矩陣RAX的過(guò)程分為以下5個(gè)步驟:

1) 如圖8(a)所示，在虛擬裝配環(huán)境坐標(biāo)系下，將虛擬手掌從第i時(shí)刻的位置1繞YV軸反方向旋轉(zhuǎn)Ati至位置2，其齊次變換矩陣為

(5)

2) 如圖8(b)所示，將虛擬手掌從位置2繞XV軸反方向旋轉(zhuǎn)Eti至位置3，使虛擬手掌與虛擬裝配環(huán)境坐標(biāo)系的ZV軸重合，其齊次變換矩陣為

(6)

3) 如圖8(c)所示，將虛擬手掌從位置3繞ZV軸正方向旋轉(zhuǎn)ΔR至位置4，其中ΔR=Rti+1-Rti，其齊次變換矩陣為

(7)

4) 如圖8(d)所示，將虛擬手掌從位置4繞XV軸正方向旋轉(zhuǎn)Eti+1至位置5，其齊次變換矩陣為

(8)

5) 如圖8(e)所示，將虛擬手掌從位置5繞YV軸正方向旋轉(zhuǎn)Ati+1至位置6，其齊次變換矩陣為

(9)

根據(jù)以上變換步驟，可得變換矩陣：

(10)

使Gvi+1=Gvi×RAX，從而實(shí)現(xiàn)操作者手掌旋轉(zhuǎn)角R變化與虛擬手掌姿態(tài)數(shù)據(jù)變化之間的映射。

(5) 虛擬手掌的驅(qū)動(dòng)

參照虛擬手指的驅(qū)動(dòng)方法，將操作者手掌位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，映射為虛擬手掌的位姿數(shù)據(jù)，然后調(diào)用實(shí)體平移與旋轉(zhuǎn)函數(shù)，實(shí)時(shí)改變虛擬手掌的位姿，從而實(shí)現(xiàn)虛擬手掌的驅(qū)動(dòng)。

2.3 交互式裝配仿真規(guī)劃方法

2.3.1 裝配層次的劃分[3]

雷達(dá)結(jié)構(gòu)的裝配層次以子裝配體為研究對(duì)象，也就是將裝配體分解為子裝配體，子裝配體再進(jìn)一步分解下去，直至分解為不可再分的零件。所謂子裝配體就是一組零件的穩(wěn)定組合。在其內(nèi)部，零件之間有著穩(wěn)固的配合關(guān)系，每個(gè)零件都能相對(duì)定位，而與其外部零部件的配合則比較簡(jiǎn)單。模型的層次樹(shù)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 雷達(dá)結(jié)構(gòu)裝配模型層次樹(shù)

需要注意的是，在層次樹(shù)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)某一中間層級(jí)出現(xiàn)單一零件時(shí)，這些零件就被視為該層級(jí)中的裝配單元，直接與相應(yīng)層級(jí)中的其他裝配件進(jìn)行裝配。

在生成層次樹(shù)結(jié)構(gòu)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)確定每一層的子裝配體或零件中的基礎(chǔ)件。所謂基礎(chǔ)件就是該層級(jí)中與最多子裝配體或零件具有聯(lián)接及配合關(guān)系的子裝配體或零件[4]。

2.3.2 裝配路徑的規(guī)劃

在裝配過(guò)程中，通常認(rèn)為“可拆即可裝”這一命題是成立的。在此理論基礎(chǔ)上，可以通過(guò)尋找可行的拆卸路徑來(lái)逆向推導(dǎo)出可行的裝配路徑，或者將拆卸的粗略路徑作為引導(dǎo)，給裝配路徑的尋找指出一個(gè)大概的合理方向，從而使裝配路徑的尋找難度大大降低。在交互式的虛擬裝配系統(tǒng)中，用戶可以借助外部設(shè)備，很方便地進(jìn)行零部件的拆卸作業(yè)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄零部件的拆卸路徑，并通過(guò)優(yōu)化算法確定好裝配件的拆卸路徑。接下來(lái)要通過(guò)這些拆卸路徑尋找合適的裝配路徑，目前采用的方法是先將這些拆卸路徑確定為參考裝配路徑進(jìn)行試裝配。在實(shí)際過(guò)程中，發(fā)生干涉的情況是在所難免的，利用虛擬裝配技術(shù)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除干涉，為后面的物理樣機(jī)一次性總裝成功打下基礎(chǔ)。

3 原型系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用實(shí)例

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

以VC++8.0為開(kāi)發(fā)工具，使用OPEGL/PERFOMER圖形引擎、mysql、applet技術(shù)和硬件接口開(kāi)發(fā)等技術(shù)，結(jié)合空間定位器(IS-900)、數(shù)據(jù)手杖(R-GAMEPAD)等交互式硬件，開(kāi)發(fā)了雷達(dá)結(jié)構(gòu)交互式虛擬裝配系統(tǒng)，系統(tǒng)的IDEF0功能如圖10所示。

圖10 雷達(dá)結(jié)構(gòu)交互式虛擬裝配系統(tǒng)IDEF0圖

3.2 系統(tǒng)功能模塊及應(yīng)用

1)數(shù)據(jù)輸入模塊(A1)能夠支持Pro/E野火5.0版本(*.asm、*.prt)、UG NX7.0(*.prt)、CATIA V5R20(*.process、*.catiaproduct、*.catiapart)3種主流CAD設(shè)計(jì)軟件的模型數(shù)據(jù)輸入，并能夠直接讀取裝配模型庫(kù)中的已有數(shù)據(jù)。

2)維修工具模型定義模塊(A4)可以直接加載裝配工具庫(kù)中的已有工具模型，然后根據(jù)裝配對(duì)象的特征定義其約束關(guān)系、導(dǎo)航路徑等相關(guān)信息，同時(shí)該模塊支持新建裝配工具模型的導(dǎo)入、分類和相關(guān)信息的定義。

3)虛擬人模塊(A5)分為虛擬人操作模塊(A51)、虛擬人姿態(tài)控制模塊(A52)和數(shù)據(jù)采集模塊(A53)：A51虛擬人操作模塊能夠利用虛擬人針對(duì)裝配模型進(jìn)行典型的裝配操作，能夠加載預(yù)定義的典型姿態(tài)，支持加載從交互式操作模塊提取的典型動(dòng)作序列；A52虛擬人姿態(tài)控制模塊能夠加載虛擬人姿態(tài)庫(kù)中預(yù)定義的數(shù)據(jù)，可以將新定義的典型姿態(tài)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊存入虛擬人姿態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)；A53數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)⑻摂M人在操作裝配對(duì)象過(guò)程中的操作范圍、視野范圍、當(dāng)前動(dòng)作的靈便性、疲勞度等信息采集并記錄下來(lái)，存入虛擬人姿態(tài)庫(kù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)字段。虛擬人模塊可記錄自然人交互式操作的不規(guī)則、不標(biāo)準(zhǔn)的自然人交互式操作的動(dòng)作序列，并將其分解成多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，形成標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作序列，存儲(chǔ)到虛擬人姿態(tài)庫(kù)中，加載給虛擬人模型，驅(qū)動(dòng)虛擬人按照標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作序列完成自然人交互式操作的過(guò)程。圖11所示為通過(guò)外設(shè)驅(qū)動(dòng)虛擬人安裝天線某功能模塊。

圖11 虛擬人進(jìn)行裝配操作

4)交互式操作模塊(A7)分為外設(shè)接口定義模塊(A71)、動(dòng)作軌跡錄制模塊(A72)和立體顯示配置模塊(A73)。A71外設(shè)接口定義模塊能夠針對(duì)甲方提供的交互式外部設(shè)備定制數(shù)據(jù)接口，可實(shí)現(xiàn)軟件操作與外部設(shè)備的高速、無(wú)縫數(shù)據(jù)交換，主要設(shè)備有空間定位器(IS-900)、立體眼鏡(R-NV-GLASS)和發(fā)射器(R-IRE-100)、立體投影機(jī)(R-PRJ-HD3D)、操縱手杖(R-GAMEPAD)等；A72動(dòng)作軌跡錄制模塊能夠錄制虛擬人操作過(guò)程的路徑，也能夠錄制自然人交互式操作裝配對(duì)象過(guò)程的路徑，可以對(duì)錄制結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化定型并將它保存下來(lái)；A73立體顯示配置模塊能夠同時(shí)支持主動(dòng)和被動(dòng)立體信號(hào)輸出，并能夠針對(duì)甲方提供的立體顯示設(shè)備定制軟件的立體輸出配置，如視角、眼距、刷新頻率等參數(shù)。圖12所示為自然人通過(guò)交互式外設(shè)進(jìn)行操作。

圖12 自然人通過(guò)交互式裝配系統(tǒng)操作

4 結(jié)束語(yǔ)

交互式虛擬裝配系統(tǒng)是針對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)和評(píng)估的一種有效手段。本文結(jié)合虛擬裝配信息模型的構(gòu)建技術(shù)，重點(diǎn)闡述了在虛擬環(huán)境下的自然人交互式操作技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)集成和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了完全在虛擬環(huán)境下針對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行的裝配設(shè)計(jì)和仿真，為設(shè)計(jì)師提供了一種在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化裝配的新型高效的手段，在一定程度上提高了雷達(dá)結(jié)構(gòu)的一次裝配成功率。

[1] JAYARAM S, CONNACHER H, LYONS K. Virtual assembly using virtual reality techniques[J]. Computer Aided Design, 1997,8(29):575-584.

[2] 陳帝江，張紅旗. 地面雷達(dá)結(jié)構(gòu)高效率虛擬維修技術(shù)研究[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2010(6):577-582.

[3] 王璐. 地面高機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬裝配應(yīng)用研究[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2009, 7(2):158-162.

[4] 李原，曹哲，張濤，等. 基于產(chǎn)品配合圖的裝配順序自動(dòng)規(guī)劃[J]. 工程設(shè)計(jì)，2000(1):28-31.

陳帝江(1983-)，男, 工程師,主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能CAD和數(shù)字樣機(jī)技術(shù)研究工作。

張紅旗(1975 -), 男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能CAD和數(shù)字樣機(jī)技術(shù)研究工作。

聲 明

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·簡(jiǎn)訊·

研究人員創(chuàng)造出具備自愈功能的計(jì)算機(jī)芯片

據(jù)http://www.cinn.cc 2013年3月報(bào)道，美國(guó)加州理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種能自我修復(fù)信息通道的計(jì)算機(jī)芯片。實(shí)驗(yàn)芯片(微芯片)有通道數(shù)千條，但由于每條都是專用的，所以單一通道故障會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)失效。每個(gè)芯片含有10萬(wàn)多個(gè)晶體管(它們并非同時(shí)工作)，研究人員使用激光束破壞了大量晶體管，然后讓系統(tǒng)進(jìn)行重新校準(zhǔn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只要損壞部分沒(méi)有獲得任何數(shù)據(jù)緩存，芯片就能找到替換路線并且繼續(xù)工作。在每個(gè)芯片上特定用途集成電路(ASIC)處理器的幫助下，這種系統(tǒng)能夠了解哪條路線受損并且進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。該項(xiàng)新技術(shù)類似于人類大腦，如果一條路線變得不可用，大腦就會(huì)發(fā)現(xiàn)新的方式來(lái)繼續(xù)傳遞信息。當(dāng)然這也有可能給系統(tǒng)帶來(lái)它無(wú)法恢復(fù)的災(zāi)難性損害，但由于擁有10萬(wàn)多種傳輸方式，這些微芯片能夠變得非常耐用。

這種能自我修復(fù)的芯片在機(jī)器進(jìn)化的過(guò)程中是一種非常吸引人的進(jìn)步，雖然它們?nèi)鄙僬嬲锼邆涞囊环N重要特征，即隨時(shí)間再生的能力，被激光灼燒的截面在數(shù)年后仍呈被灼燒后的狀態(tài)，但這些不會(huì)減少這項(xiàng)發(fā)明的新穎性或潛在用途。該微芯片既能夠診斷又能在沒(méi)有人類參與的情況下修復(fù)自己的問(wèn)題，使人類向不可損壞的電路又邁進(jìn)了一步。

Research on Interactive Virtual Assembly System for Radar Structure

CHEN Di-jiang，ZHANG Hong-qi，ZHANG Xiang-xiang，CHENG Wu-si

(The38thResearchInstituteofCETC，Hefei230088,China)

A building method of interactive virtual assembly system based on virtual reality is proposed to solve the problems of low efficiency and once assembly failure for radar structure assembly design. With this system combined with interactive peripheral equipment, the whole process of radar structure assembly is carried out by user operation in virtual environment without any physical radar. In this paper a building method of virtual assembly function model is firstly introduced. Then a method of radar structure virtual assembly simulation planning is given by analyzing virtual hand motion. Finally, the development of the prototype system and the realization of system function are introduced.

radar structure; virtual assembly; system structure

2013-01-29

國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z3120121B003)；國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z312012B001)；國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃資助項(xiàng)目(B3120131100)；國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(A1120110003)

TP391.98

A

1008-5300(2013)03-0053-08