維修部位導(dǎo)向的可視性分析方法

方雄兵，李濤濤

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

維修部位導(dǎo)向的可視性分析方法

方雄兵，李濤濤

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

［目的］針對(duì)維修仿真中以人眼為導(dǎo)向的分析方法所存在的不足，［方法］從可視性與可觸及性、操作空間等的耦合關(guān)系出發(fā)，提出一種以維修部位為導(dǎo)向的可視性分析方法。首先，分析傳統(tǒng)的以人眼為導(dǎo)向的可視性分析方法的一般流程；然后，在此基礎(chǔ)上提出一種以維修部位為頂點(diǎn)生成可視錐的方式來輔助開展可視性分析工作的流程，并對(duì)其主要的功能要素進(jìn)行深入剖析。在Jack仿真軟件的基礎(chǔ)上，采用Tcl/Tk及Jackscript語(yǔ)言，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于維修部位導(dǎo)向的可視性分析功能模塊。［結(jié)果］應(yīng)用案例表明，所提出的方法有助于在檢查、驗(yàn)證維修部位的可視性時(shí)，快速確定虛擬人合適的站位與身體姿態(tài)。［結(jié)論］該方法對(duì)于提升復(fù)雜環(huán)境下的可視性指標(biāo)分析驗(yàn)證效率具有較大幫助。

維修部位；虛擬人；可視性分析；可視錐；Jack軟件

0 引 言

可視性或視覺可達(dá)性通常是指對(duì)象是否處于以及如何處于人眼視域和視距范圍內(nèi)的一種分析指標(biāo)。從GJB/Z 91-97［1］中對(duì)可達(dá)性的解釋來看，裝備的維修可達(dá)性可分為空間可達(dá)性、可視性（視覺可達(dá)性）和可觸及性3項(xiàng)，且可視性與可觸及性、姿態(tài)舒適性等有重要聯(lián)系。對(duì)于艦船等大型裝備而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件之間的遮擋普遍存在，在開展這類產(chǎn)品的維修仿真時(shí)，如何快速分析和評(píng)估維修部位的可視性，并均衡該指標(biāo)與可達(dá)性其他指標(biāo)要素（可觸及性、操作空間）之間的關(guān)系，是維修可達(dá)性驗(yàn)證工作的關(guān)鍵。

曾毅等［2］給出了2種維修可視性的評(píng)價(jià)方法，一種是基于人的生理視野區(qū)域特性的可視錐分析方法，另一種是基于維修觀測(cè)部位的截平面方法。王占海等［3］研究了基于虛擬人的飛機(jī)維修性虛擬分析與驗(yàn)證流程，說明了可視性與可達(dá)性、姿態(tài)舒適性等的邏輯關(guān)系。譚正文等［4］針對(duì)Jack軟件在民機(jī)駕駛艙可視性評(píng)估中的功能不足，提出了一種計(jì)算飛行員視角度數(shù)的算法。張?jiān)礉龋?］將CATIA軟件的視野分析功能應(yīng)用于加油車的維修可視性分析中。吳溪等［6］研究了維修部位可視域與可視錐相結(jié)合的可視性驗(yàn)證方法。李倩等［7］研究了基于人眼生理特性的可視域分區(qū)的可視性分析方法，并結(jié)合Jack軟件開發(fā)了動(dòng)態(tài)視域評(píng)估功能。徐平等［8］研究了列車臥鋪爬梯的人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)用了Jack軟件可視性分析功能開展扶梯的人因設(shè)計(jì)。馬智等［9］給出了基于Jack軟件的駕駛艙人機(jī)工效分析流程，包含可視性分析。李元斌等［10］研究了基于CATIA和DELMIA的救生艙裝配與維修可達(dá)性、可視性、碰撞與干涉等的仿真方法。徐達(dá)等［11］根據(jù)維修可達(dá)性設(shè)計(jì)要求，提出了接觸可達(dá)性、可視性和操作空間3項(xiàng)指標(biāo)，并研究了該3個(gè)指標(biāo)的單項(xiàng)及綜合評(píng)價(jià)方法。

本文將在文獻(xiàn)［2-3，6］的基礎(chǔ)上，針對(duì)基于人眼的可視性分析方法在解決維修可達(dá)性仿真中存在的不足，提出基于維修部位導(dǎo)向的可視性分析流程，綜合考慮可觸及性、操作空間等人機(jī)工效要素，并結(jié)合Jack仿真軟件開發(fā)相應(yīng)的功能模塊。

1 基于人眼的可視性分析方法與流程

基于人眼的可視性分析方法是以虛擬人的人眼為導(dǎo)向，考慮人的視覺生理特性，將人眼的視野范圍分為最佳視域、較好視域以及最大視域3個(gè)區(qū)域，并結(jié)合人的視距大小綜合分析對(duì)象的可視性指標(biāo)好壞。在進(jìn)行維修對(duì)象可視性分析時(shí)，需要并行考慮其可觸及性與操作空間2大因素。通常，若維修對(duì)象的可視性好、可觸及且維修操作空間滿足要求，則認(rèn)為維修對(duì)象的可達(dá)性指標(biāo)較好。從裝備維修性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的角度而言，3個(gè)指標(biāo)緊密相連，缺一不可?；谌搜鄣目梢曅苑治龇椒ɑ玖鞒倘鐖D1所示。

由圖1可知，在完成維修對(duì)象可視性分析的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)象的可觸及性和操作空間。若不滿足要求，此時(shí)又需要重新考慮對(duì)象的可視性，采用這種方法開展仿真時(shí)，需要進(jìn)行3層嵌套式的反復(fù)迭代，直至仿真結(jié)果滿足條件，仿真計(jì)算效率低。通過分析，該流程主要存在以下不足：

1）維修部位的可視性、可觸及性以及姿態(tài)舒適性的好壞與虛擬人的位置直接相關(guān)。在進(jìn)行仿真分析時(shí)，需要反復(fù)調(diào)整虛擬人的位置與姿態(tài)，每一次調(diào)整均對(duì)可達(dá)性3個(gè)指標(biāo)要素產(chǎn)生影響，已確定的指標(biāo)又需要重新分析。

2）若要判斷是否存在更加合理的位置、視野范圍和虛擬人姿態(tài)等，以便進(jìn)行維修部位的可視性分析與評(píng)價(jià)，則圖1中的流程需要從步驟3開始重復(fù)執(zhí)行，周期長(zhǎng)。

造成上述問題的主要原因在于步驟3“調(diào)整虛擬人位置”和步驟4“調(diào)整虛擬人姿態(tài)”是為了使得虛擬人能看到維修部位，而這種調(diào)整缺乏目標(biāo)性和準(zhǔn)確性?？紤]到光學(xué)可逆性，當(dāng)人眼可以看到維修部位時(shí)，維修部位必然也可以“看到”人眼?；谠撛?，可考慮從維修部位發(fā)出可視錐，使虛擬人眼位于該可視錐中，即可達(dá)到提高虛擬人站位與姿態(tài)調(diào)整的目的性和準(zhǔn)確性。

2 維修部位導(dǎo)向的可視性分析方法

2.1 維修部位導(dǎo)向的可視性分析流程

為解決基于人眼的可視性分析流程存在的不足，從產(chǎn)品維修可達(dá)性全指標(biāo)要素的耦合關(guān)系出發(fā)，結(jié)合光的可逆性原理，提出一種基于維修部位導(dǎo)向的可視性分析方法，其工作流程如圖2所示。

維修部位導(dǎo)向的可視性分析方法的基本思想是：建立基于維修部位的可視錐體，這些可視錐體與周圍部件不發(fā)生干涉。利用這些錐體，可以引導(dǎo)用戶設(shè)置虛擬人的站位與姿態(tài)，使虛擬人的眼睛落在該錐體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)維修部位的可視性檢查分析。當(dāng)虛擬人眼睛可落在維修部位生成的可視錐體A以及延長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)時(shí)，則虛擬人可以看到維修部位（可視錐體A的頂點(diǎn)）。

該流程中步驟3“生成基于維修部位的可視錐”方法如下：首先在維修部位上選擇一個(gè)合適的點(diǎn)作為可視錐的頂點(diǎn)；其次，確定可視錐的軸向及半頂角，這里要求可視錐不能與其他部位發(fā)生干涉。步驟6“維修部位是否可觸及”的判定條件是：虛擬人的人體與維修數(shù)字樣機(jī)等無碰撞且手部可觸及到維修部位［12-13］。步驟8“維修空間是否滿足要求”的判斷可參考單個(gè)零件拆卸空間可達(dá)性評(píng)價(jià)方法［14］。

2.2 維修部位導(dǎo)向的可視性分析功能要素

在基于維修部位導(dǎo)向的可視性分析流程中，除步驟3外，其他步驟中涉及的功能要素均為相關(guān)仿真軟件（Jack或DELMIA）已有的功能。

針對(duì)步驟3中的功能需求，從軟件操作方便性角度考慮，可考慮如下方式實(shí)現(xiàn)維修部位導(dǎo)向的可視性分析功能。

1）生成并編輯可視錐。

2）將可視錐移動(dòng)（平移與旋轉(zhuǎn)）至維修部位處，并判斷是否與周圍部件發(fā)生干涉。

3）若干涉，則編輯可視錐的半頂角或旋轉(zhuǎn)其軸向。

4）若不干涉，則執(zhí)行流程圖2中的步驟4。

基于上述方式，維修部位導(dǎo)向的可視性分析功能要素應(yīng)包括：可視錐生成、可視錐選擇、可視錐編輯、可視錐定位與定向、可視錐刪除等。

3 維修部位導(dǎo)向的可視性分析功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 功能設(shè)計(jì)

基于2.2節(jié)的功能要素，對(duì)維修部位導(dǎo)向的可視性分析功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包含3個(gè)部分：可視錐生成、編輯、移動(dòng)與定位，具體描述如下。

1）可視錐生成。

本文采用圓錐對(duì)維修部位發(fā)出的可視區(qū)域進(jìn)行近似。用戶輸入可視錐的分辨率，軟件根據(jù)該分辨率自動(dòng)生成一個(gè)初始可視錐。

2）可視錐編輯。

選擇場(chǎng)景中生成的可視錐，對(duì)該可視錐進(jìn)行幾何尺寸編輯以及顯示模式的選擇。

可視錐（圓錐）定義的方式有多種，如半徑和高度、半頂角和高度。本文采用半頂角（單位：（°））及高度（單位：cm）2個(gè)參數(shù)對(duì)可視錐進(jìn)行定義。用戶選擇可視錐后，可修改其半頂角或高度，可視錐形狀發(fā)生相應(yīng)變化。用戶還可以修改可視錐的顏色以及顯示模式（透明化、線框以及著色）。

3）可視錐的移動(dòng)與自動(dòng)定位。

用戶可對(duì)選擇的可視錐進(jìn)行移動(dòng)。選擇“移動(dòng)”按鈕后，可在場(chǎng)景中通過鼠標(biāo)光標(biāo)點(diǎn)擊維修部位（Figure或Segment對(duì)象）上的點(diǎn)，所選擇的可視錐頂點(diǎn)可自動(dòng)定位至該點(diǎn)上，可視錐的軸向?yàn)樵揊igure或Segment對(duì)象在光標(biāo)處的正法向。選擇“移動(dòng)”按鈕后，程序同時(shí)也可啟動(dòng)Jack軟件已有的“Move”功能，可進(jìn)一步對(duì)可視錐在維修部位上的位置及方向進(jìn)行微調(diào)。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

界面及功能主要采用Tcl/Tk以及JackScript腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

可視錐生成、編輯與自動(dòng)定位功能實(shí)現(xiàn)方法及關(guān)鍵代碼如下：

1）可視錐生成功能實(shí)現(xiàn)。

可視錐采用半頂角和高度2個(gè)參數(shù)進(jìn)行定義，用戶指定圓錐分辨率，系統(tǒng)根據(jù)該分辨率以及默認(rèn)的半徑/高度繪制可視錐，核心代碼為：

#根據(jù)默認(rèn)高度，計(jì)算可視錐半徑

#生成相應(yīng)半徑、高度和分辨率的可視錐

2）可視錐編輯功能實(shí)現(xiàn)。

可視錐編輯主要包括修改形狀、修改顯示模式（線框、透明或著色）及顏色設(shè)置。其中，形狀修改通過調(diào)整半徑或高度實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)可視錐的形狀進(jìn)行修改，可逼近維修部位所能“看到”的視域范圍。形狀修改核心代碼為：

#根據(jù)可視錐高度，計(jì)算底面半徑

#計(jì)算放大系數(shù)

3）可視錐自動(dòng)定位功能實(shí)現(xiàn)。

為快速獲得維修部位的可視錐，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，提供了自動(dòng)定位和定向功能，用戶利用鼠標(biāo)光標(biāo)選擇維修部位上的點(diǎn)，所生成的可視錐可自動(dòng)定位至該點(diǎn)處，且軸向與該點(diǎn)處的法向保持一致?？梢曞F自動(dòng)定位步驟為：（1）獲取新的定位點(diǎn)；（2）計(jì)算該點(diǎn)處的法向；（3）根據(jù)步驟（2）得到的法向量，計(jì)算可視錐旋轉(zhuǎn)角度及旋轉(zhuǎn)矩陣；（4）將可視錐移至定位點(diǎn)，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作。核心代碼為

#獲得定位點(diǎn)及該點(diǎn)處法向

#調(diào)用自動(dòng)定位及定向過程函數(shù)

#計(jì)算旋轉(zhuǎn)角

#計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣省略

#移動(dòng)至定位點(diǎn)

4 仿真與分析

4.1 應(yīng)用案例

本節(jié)選用滾軋機(jī)作為對(duì)象（圖3），采用圖2中的流程，研究其上方2處螺母的可視性分析方法（如圖4圓圈處所示）。首先依次生成2個(gè)初始可視錐（半頂角35°，高度50 cm），并利用可視錐自動(dòng)定位功能，將其移動(dòng)到螺母處，初始軸向?yàn)槁菽竿獗砻娣ㄏ?，通過旋轉(zhuǎn)以及編輯半頂角大小，使得可視錐與滾軋機(jī)其他部件不發(fā)生干涉（否則視線可能有遮擋），如圖5所示。圖5中2個(gè)可視錐分別采用透明化和線框模式顯示。圖6和圖7為由維修部位生成的可視錐引導(dǎo)虛擬人進(jìn)行站位與姿態(tài)調(diào)整后的效果，可以看出，上述可視錐與從虛擬人眼睛生成的可視錐在維修部位處發(fā)生重疊，則維修部位也位于虛擬人視域中。

對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的可達(dá)性指標(biāo)分析而言，維修部位生成的可視錐可能存在多個(gè)，用戶可根據(jù)可達(dá)性和姿態(tài)舒適性指標(biāo)，初步過濾較為合適的可視錐，并利用圖2中的方法快速實(shí)現(xiàn)站位與姿態(tài)的調(diào)整。

4.2 分 析

本文提出的維修部位導(dǎo)向的可視性分析方法，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的維修可達(dá)性驗(yàn)證具有較大幫助。對(duì)于簡(jiǎn)單環(huán)境下的維修可達(dá)性仿真而言，采用圖1中所示的分析方法即可。圖1中的方法同時(shí)也適用于人體位置不變，而操作對(duì)象位置可變的設(shè)計(jì)驗(yàn)證中，例如汽車儀表位置與角度設(shè)計(jì)。

通過分析可達(dá)性驗(yàn)證的整個(gè)流程，對(duì)圖2中的方法可作進(jìn)一步的改進(jìn)，在步驟3與4之間增加一個(gè)步驟：以維修部位為中心，生成一定半徑的可達(dá)球面，該球面半徑依據(jù)仿真虛擬人的臂長(zhǎng)而定。通過在圖2流程中增加維修部位導(dǎo)向的可達(dá)域生成功能，可以引導(dǎo)虛擬人眼睛以及肩部分別進(jìn)入可視錐內(nèi)和該可達(dá)球面內(nèi)，從而進(jìn)一步提升維修部位的可觸及性檢查分析效率。有關(guān)這方面的流程優(yōu)化與功能設(shè)計(jì)，將在后續(xù)工作中開展。

本文采用圓錐來近似從維修部位發(fā)出的可視域，而通常情況下，該可視域在不同方向上的角度范圍可能不一致，后期可考慮在可視錐的表達(dá)與生成方面，采用其他方法實(shí)現(xiàn)。另外，將進(jìn)一步提升可觸及性以及使用與維修的空間可達(dá)性分析驗(yàn)證效率，例如：將可達(dá)性3個(gè)指標(biāo)的驗(yàn)證與產(chǎn)品CAD三維設(shè)計(jì)過程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)總體三維布置與維修性驗(yàn)證同步開展，這方面的工作也值得深入研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

維修部位可視作為可達(dá)性分析驗(yàn)證的首要條件，在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)象的可達(dá)性分析中占據(jù)重要地位。本文在分析了人眼導(dǎo)向的可達(dá)性分析流程的基礎(chǔ)上，提出了維修部位導(dǎo)向的可視性分析流程；結(jié)合Jack仿真軟件，設(shè)計(jì)并開發(fā)了相應(yīng)的分析功能；最后，給出了滾軋機(jī)2處螺母的可視性分析案例，驗(yàn)證了所提出方法的合理性。該方法對(duì)于提升復(fù)雜環(huán)境下的可視性指標(biāo)分析驗(yàn)證效率具有較大幫助。

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A method for maintained part oriented visibility analysis

FANG Xiongbing，LI Taotao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

To by pass the limitation of the human eyes oriented analysis approach,a maintenance part ori?ented visibility analysis method for maintenance simulation is proposed in this paper by taking the coupling relations among the visibility,accessibility,and operation space into account.Firstly,the general work flow of the traditional human eyes oriented analysis technique is analyzed.Secondly,a new work flow that uses points on the maintained part as vertexes to generate visibility cones to help the visibility analysis is brought forward.The functional elements of the flow are further analyzed in detail.Finally,the function module based on the maintained part oriented visibility analysis is designed and implemented with Tcl/Tk and Jackscript programming languages in the Jack simulation software.Simulation examples indicate that the proposed method helps confirm the appropriate standing positions and body postures efficiently when inspecting and validating the maintained part's visibility.The method is helpful for improving the efficiency of analyzing and validating visibility index under complex environment.

maintained part；virtual human；visibility analysis；view cones；Jack software

U672.7；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.018

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1550.002.html

方雄兵，李濤濤.維修部位導(dǎo)向的可視性分析方法［J］.中國(guó)艦船研究，2017，12（2）：137-142.

FANG X B，LI T T.A method for maintained part oriented visibility analysis［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：137-142.

2015-12-10 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-3-13 15:50

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心研發(fā)基金資助項(xiàng)目；國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

方雄兵（通信作者），男，1983年生，博士，工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)及艦船虛擬仿真。E-mail：fangxb2013@sina.cn

李濤濤，男，1988年生，碩士，助理工程師。研究方向：艦船虛擬仿真。

E-mail：taotaoliwhut@163.com

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