增強(qiáng)現(xiàn)實在航天器電纜裝配中的應(yīng)用技術(shù)研究

陳華俊　陳暢宇　孫剛　萬畢樂

摘要：當(dāng)前航天器電纜裝配過程存在工藝研讀不便利、理解負(fù)擔(dān)重等問題，影響工藝實施的精度、質(zhì)量和效率?？紤]到增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在工藝可視化等方面的優(yōu)越表現(xiàn)，對航天器電纜裝配中的增強(qiáng)現(xiàn)實應(yīng)用技術(shù)展開了研究。采用基于Vuforia標(biāo)志及SLAM技術(shù)的模型跟蹤定位方法，兼顧虛實配準(zhǔn)精度和跟蹤范圍。利用航天器設(shè)計模型進(jìn)行調(diào)整和輕量化，使用Unity3D創(chuàng)建可視化工藝導(dǎo)引信息，然后將原型系統(tǒng)部署到HoloLens。最終在某型號航天器電纜裝配中進(jìn)行了應(yīng)用驗證，證明在電纜裝配中應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)相比于傳統(tǒng)電纜裝配方法具有優(yōu)勢，同時分析了AR環(huán)境下影響航天器電纜裝配耗時的主要影響因素。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實應(yīng)用;航天器電纜裝配;跟蹤注冊;工藝可視化

中圖分類號：V411.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.08.015

電纜是航天器系統(tǒng)中傳送電流、信號的重要元器件，電纜裝配是航天器總裝過程中的一項重要工作，直接關(guān)系到航天器內(nèi)部的電氣設(shè)備能否正常運(yùn)行，影響著航天器整體的各項性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計和使用要求。航天器電纜網(wǎng)趨于分支多樣化、密集化，不同航天器的電纜數(shù)量與走向差異巨大，裝配位置空間狹小，操作工況復(fù)雜，因此目前航天器電纜的裝配嚴(yán)重依賴于手工作業(yè)，雙手協(xié)調(diào)裝配動作占航天器整個裝配工作量的70%以上。為了完成電纜鋪設(shè)過程，操作人員首先需要從分布在多個文件的圖紙或三維模型中獲取所需信息，然后在航天器艙內(nèi)進(jìn)行鋪設(shè)位置確認(rèn)、綁扎及調(diào)整作業(yè)。目前固定式看板系統(tǒng)的電纜工藝信息展示方式存在著工作效率低、出錯概率大、學(xué)習(xí)成本高等問題，主要體現(xiàn)在工藝研讀途徑不便利、工藝?yán)斫馀c記憶負(fù)擔(dān)重等方面，對操作人員的經(jīng)驗判斷能力、記憶力等提出了很高的要求。

在航天器電纜裝配過程中應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）為解決上述問題提供了一個新途徑。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)將真實的工況場景與虛擬物體/信息融合在一起，實現(xiàn)電纜裝配過程信息與真實物理環(huán)境的自動匹配，幫助操作人員理解場景中的各種裝配關(guān)系，可以大幅減少人員由于在工藝看板與操作工位間進(jìn)行視角移動所耗費(fèi)的精力;通過可視、易懂的指示方式簡化作業(yè)人員對工藝規(guī)程的解讀，可以顯著降低作業(yè)人員在復(fù)雜工況下的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，提高操作精度，防止發(fā)生操作差錯。因此，基于增強(qiáng)現(xiàn)實的電纜裝配引導(dǎo)技術(shù)能夠準(zhǔn)確、高效地引導(dǎo)工人完成電纜裝配操作，通過智能化手段減少人工參與的易錯環(huán)節(jié)，加強(qiáng)裝配操作人員對實際裝配場景的沉浸感和交互的真實感，同時工作過程標(biāo)準(zhǔn)化、流程化，實現(xiàn)“人一機(jī)一物”的協(xié)同與融合，在提升手工電纜裝配作業(yè)能力上存在著巨大的潛力，推動著智能化衛(wèi)星裝配模式的發(fā)展。航天器電纜裝配中AR模式與傳統(tǒng)模式的對比如圖1所示。

增強(qiáng)現(xiàn)實在電纜裝配方面的應(yīng)用技術(shù)研究受到了廣泛關(guān)注，并有了成功的案例。早期波音公司Tom Caudell等將AR技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)制造中電力電纜的連接和接線器的裝配，為波音公司節(jié)省了大量用于存儲布線板的空間和經(jīng)費(fèi)，但受限于當(dāng)時的技術(shù)，其存在設(shè)備笨重、時效性差、創(chuàng)作復(fù)雜昂貴等問題。歐洲航空防務(wù)與航天公司（ EADS）利用Arvika系統(tǒng)對飛機(jī)、汽車進(jìn)行裝配和維修，裝配工人可以通過語音調(diào)用虛擬信息，按照每步的提示輕松地完成1 mx6 m

通過Resources.Load（）方法加載端口數(shù)據(jù)集，將連接器編號名稱以及三維坐標(biāo)賦值給3D文本預(yù)制件，用于在電纜端口位置高亮顯示電連接器編號。為實現(xiàn)顯示電連接器編號文本在每幀畫面中更新，文本法線始終指向攝像機(jī)方向，設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸為y軸。文本法線向量應(yīng)為：R=B - A.B和A分別為場景中相機(jī)坐標(biāo)及物體坐標(biāo)。然后通過Quatemion.LookRotation（）注視旋轉(zhuǎn)方法將物體朝向指向此方向。部分代碼如下：

Vector3 relativePos - target.position - transform.position;Quatemion rotation - Quatemion.LookRotation（relativePos）;transform.rotation - rotation：

電纜分支末端電連接器端口編號顯示效果如圖9所示。

2.2.3 航天器艙板與待裝配電纜虛實遮擋一致性的實現(xiàn)

基于“模型重建”的方法，將“虛實模型”的深度值作比較，然后根據(jù)比較的結(jié)果，只對虛擬電纜模型未被遮擋的部分執(zhí)行渲染，如圖10所示。如果保持艙板默認(rèn)材質(zhì)并將其渲染顯示，能夠呈現(xiàn)艙板與電纜間的“虛虛遮擋”效果，如圖10 （b）所示。如果將艙板透明化輸出，并且不對艙板后的圖形進(jìn)行渲染，則能夠?qū)崿F(xiàn)虛實融合的正確遮擋關(guān)系。新建名為‘'Mask”的Shader代碼如下：

Shader”Custom/Mask”f

SubShader{

//GeometoF 2000

Tags{”Queue”=“Geometry-IO”}

Lighting off

//相當(dāng)于小于或者等于本身深度值時，該物體渲染

ZTest LEqual

//打開深度寫入

ZWrite On

//通道遮罩，為0時不寫入任何顏色通道，除了深度緩存

ColorMask 0

Pass{} }}

創(chuàng)建新材質(zhì)Mask Material，將Shader模式設(shè)定為定制化的“Mask”。通過GetComponent（ ）.material- Mask Material將此材質(zhì)賦給艙板模型，艙板模型透明化隱藏，使實際場景匹配的艙板在視野中不再受模型遮擋，同時深度小于此艙板的電纜模型部分渲染顯示，而深度大于此艙板的模型部分不渲染顯示。航天器艙板與電纜間良好的虛實遮擋效果如圖10 （c）所示，避免了裝配人員的視覺錯覺，提高了工藝信息的可讀性。

3 型號驗證

增強(qiáng)現(xiàn)實環(huán)境下的航天器電纜手工裝配作業(yè)的～般流程如圖11所示。在準(zhǔn)備階段，操作人員佩戴HoloLens增強(qiáng)現(xiàn)實設(shè)備，掃描工況場景，空間映射系統(tǒng)自動構(gòu)建場景稠密SLAM地圖用于實時的跟蹤定位。進(jìn)入裝配導(dǎo)引系統(tǒng)，掃描貼在航天器艙板上的預(yù)置標(biāo)志，系統(tǒng)將待裝配電纜的虛擬模型定位在空間場景中;用戶根據(jù)導(dǎo)引信息進(jìn)行相應(yīng)的裝配工作;在裝配過程中，用戶按工藝順序接收指引信息或者主動查詢待裝配電纜信息;待導(dǎo)引裝配結(jié)束后，可進(jìn)入裝配檢錯環(huán)節(jié)，檢測員通過額外增強(qiáng)現(xiàn)實顯示系統(tǒng)或監(jiān)測屏幕進(jìn)行已裝配組件信息比對，檢查真實場景中裝配對象各組件裝配位置是否有誤;最后，確定裝配結(jié)束，退出裝配導(dǎo)引系統(tǒng)。

對某型號航天器電纜裝配過程進(jìn)行跟蹤及記錄，部分電纜裝配時間統(tǒng)計如表1所示?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實的航天器電纜工藝可視化方法，某型號服務(wù)艙電纜總裝時間從預(yù)定的7d縮短到4d完成，有效提升作業(yè)效率40%以上。

經(jīng)過初步統(tǒng)計及分析可知，基于AR工藝可視化系統(tǒng)進(jìn)行電纜裝配的過程中，主要影響電纜裝配時間的因素包括待裝配電纜長度、分支端頭數(shù)、綁扎底座數(shù)、過穿艙孔數(shù)及相對艙體的裝配位置等。其中，電纜長度及相對艙體的裝配位置對電纜裝配耗時影響較大，較長電纜往往需要綁扎在更多的尼龍底座上，而裝配在艙體高處的電纜需要操作人員利用升降梯等進(jìn)行作業(yè)，都提高了裝配作業(yè)的復(fù)雜度。裝配時間與電纜各屬性間的關(guān)系如圖12所示。可見電纜分支端頭數(shù)與穿艙孔數(shù)對裝配作業(yè)時間影響較小，而待綁扎尼龍底座數(shù)量的增加將導(dǎo)致裝配時間大幅度延長。

4 總結(jié)

本文研究了基于增強(qiáng)現(xiàn)實的航天器電纜裝配工藝可視化方法，有效解決當(dāng)前航天器電纜裝配過程中工藝研讀不便利、出錯概率大等問題?；赩uforia標(biāo)志及SLAM技術(shù)的模型跟蹤定位方法能夠保證移動虛實注冊精度達(dá)5 cm。利用總體設(shè)計模型調(diào)整和輕量化，保證應(yīng)用程序快速更改和發(fā)布，以適應(yīng)快節(jié)奏多變更的航天器總裝任務(wù)。根據(jù)電纜工藝需求創(chuàng)建可視化三維工藝導(dǎo)引信息，包括電纜走向、電連接器編號、尼龍底座等，有效提高了工藝信息可讀性及執(zhí)行效率。對某型號航天器服務(wù)艙進(jìn)行了應(yīng)用驗證，證明了基于本文的方法使電纜裝配效率提升40%以上，并分析了影響裝配時間的關(guān)鍵因素。當(dāng)前的AR系統(tǒng)仍存在局限性，增強(qiáng)現(xiàn)實裝備不夠輕便，上星操作時有跌落磕碰星上設(shè)備的風(fēng)險，同時操作人員在使用AR設(shè)備前的短期培訓(xùn)仍十分必要，給操作人員帶來了體力和腦力新負(fù)擔(dān)，因此使其完全適應(yīng)緊張繁忙的總裝實際操作仍有一定差距。在未來，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實裝配引導(dǎo)技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)以及市場驗證，在航天器復(fù)雜、多步驟的裝配場景中，操作人員佩戴輕便的增強(qiáng)現(xiàn)實眼鏡，在手工操作同時獲取交互式、結(jié)構(gòu)化的虛實融合引導(dǎo)信息，增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)能夠探測與感知裝配情境以及識別操作人員意圖，輔助操作人員高效、準(zhǔn)確地完成裝配任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙晉龍，李樹，馬延成，等.大型載人航天器電纜網(wǎng)鋪設(shè)工藝優(yōu)化方法探究[J].航天制造技術(shù)，2018 （3）.

[2]孫剛，易旺民，代衛(wèi)兵，等.航天器總裝工藝流程優(yōu)化的分析與思考[J].航天器環(huán)境工程，2008，25（4）：8. 89-91.

[3]徐遲.增強(qiáng)裝配系統(tǒng)的虛實融合技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[4] Boeing.Augmented reality application at Boeing[ EB/OL] .http：//www. po.tue.nl/homepages/ mrauterb/presentations/HCI-historyAsld096.htm， 2014-11-14.

[5] Friedrich W.ARVIKA——Augmented Reality forDevelopment， Production and Service[C]/fDare 2000 0nDesigning Augmented Reality Environments，2000.

[6] SERVAN J，MAS F， MENENDEZ J L， et al.Usingaugmented reality in AIRBUS A400M shop floorassembly work instructions[J].American Institute ofPhysics， 2012， 1431（ 1）： 633-640.

[7]Salonen T，Saaski J， Woodward C，et al.Data pipeline fromCAD to AR based assembly instructions[C]//Proceedingsof the ASME/AFM world conference on mnovatlve vlrtualreality.2009.

[8] Werrlich S， Lorber C， Notni G， et al.DesignRecommendations for HMD-based Assembly TrainingTasks[C]//SmartObjects： Sixth Workshop on Interactingwith Smart Objects， 2018.

[9]王發(fā)麟，郭宇，查珊珊.復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品線纜虛實融合裝配體系構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)[J].圖學(xué)學(xué)報，2018，39（1）：75-84.