AR技術(shù)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用綜述

劉一帆，呂建峰，于忠良

(1. 中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院總體部，北京 100190；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主智能無(wú)人系統(tǒng)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾3濱 150000)

1 引言

航天技術(shù)和航天設(shè)備的發(fā)展對(duì)于國(guó)民生活的影響日益凸顯，對(duì)國(guó)家安全的重要性更是不言而喻。但是在航天器的工作過(guò)程中依舊面臨許多難題和挑戰(zhàn)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]：

航天設(shè)備的制造和發(fā)射成本高、研發(fā)周期長(zhǎng)，這對(duì)航天器的生產(chǎn)制造以及更新?lián)Q代過(guò)程造成較大影響；航天設(shè)備屬于高度集成的精密設(shè)備，在復(fù)雜的太空工作環(huán)境下，即使單點(diǎn)故障也可能造成航天器性能變差甚至完全失效。由于航天設(shè)備工作狀態(tài)的特殊性，對(duì)于航天器的在線升級(jí)十分困難。由于航天器攜帶燃料有限，航天器的使用壽命受到了較大限制。

以上種種問(wèn)題促使一些國(guó)家開(kāi)始在軌服務(wù)方面的工作，這些工作多由航天員來(lái)完成，但是惡劣的太空環(huán)境極易給航天員帶來(lái)危險(xiǎn)，航天員也難以掌握多種航天器的維護(hù)知識(shí)。

隨著新技術(shù)的產(chǎn)生的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)[2][45][46](Augmented Reality，AR)技術(shù)為上述問(wèn)題提供了一個(gè)新的解決思路，并在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中取得了很好的結(jié)果。AR是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)，通過(guò)攝像頭和傳感器將真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳入處理器對(duì)其進(jìn)行分析和重構(gòu)，再通過(guò)AR頭顯或智能移動(dòng)設(shè)備上的攝像頭、陀螺儀、傳感器等配件實(shí)時(shí)更新用戶在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的空間位置變化數(shù)據(jù)，從而得出虛擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的對(duì)齊并進(jìn)行虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的融合計(jì)算。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于航天器維修可以有效提高裝配、維修效率[52]。通過(guò)AR技術(shù)與機(jī)械臂控制技術(shù)的配合，航天員可以在太空艙內(nèi)完成一些簡(jiǎn)單的在軌保障服務(wù)。同時(shí)，通過(guò)可視化的指令操作，可以簡(jiǎn)化航天員在執(zhí)行在軌服務(wù)過(guò)程中記憶大量操作指令的過(guò)程，提高工作效率。

2 國(guó)內(nèi)外AR技術(shù)在裝備研發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在提出的短短幾年間，受到了世界各地學(xué)者們廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域也遍布娛樂(lè)、媒體、醫(yī)療、商務(wù)、教學(xué)、軍事、工程制造等等各方各面，成為了近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助的裝備研發(fā)、裝配、操作、維修過(guò)程，世界各國(guó)的航空航天制造公司以及科研單位都進(jìn)行了嘗試和驗(yàn)證并取得了較好的應(yīng)用效果。

2.1 國(guó)外AR技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1.1 AR技術(shù)在航天裝備研發(fā)中的應(yīng)用

1) 面向研發(fā)過(guò)程的AR技術(shù)研究

航空航天設(shè)備具有高設(shè)計(jì)精度、高復(fù)雜度的特點(diǎn)，在裝備部件設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)AR技術(shù)輔助可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，提高研發(fā)工作效率，同時(shí)保障各個(gè)設(shè)計(jì)部件與裝備整體的關(guān)聯(lián)性。

歐洲航天局[3](ESA)正在使用AR技術(shù)來(lái)探索大腦如何解釋諸如重力等信息，一項(xiàng)名為“引力參考”(gravity References)的實(shí)驗(yàn)正在探索微重力是如何影響人類在空間環(huán)境中抓取或操縱物體的能力。通過(guò)這項(xiàng)研究能夠推進(jìn)設(shè)備仿生與遠(yuǎn)程操作技術(shù)的進(jìn)步，可以廣泛引用于航空航天、醫(yī)療、建筑工程等領(lǐng)域。

波音公司[4]已經(jīng)將AR技術(shù)應(yīng)用于777和787飛機(jī)的設(shè)計(jì)上。通過(guò)VR/AR技術(shù)，完成了對(duì)飛機(jī)外型、結(jié)構(gòu)、性能的設(shè)計(jì)，所得到的方案與實(shí)際飛機(jī)的偏差小于1‰英寸，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤修改量減少90%、研發(fā)周期縮短50%、綜合成本降低60%。

空客集團(tuán)聯(lián)合戴姆勒公司[5]，利用索尼智能眼鏡開(kāi)發(fā)的AR系統(tǒng)，利用來(lái)自計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件和溫度傳感器等數(shù)據(jù)輸入，實(shí)現(xiàn)座椅空間氣流溫度的可視化，助力設(shè)計(jì)人員進(jìn)行機(jī)艙內(nèi)座艙開(kāi)發(fā)。

NASA使用AR技術(shù)輔助進(jìn)行火星探測(cè)車(chē)的設(shè)計(jì)[6]，設(shè)計(jì)過(guò)程能夠?qū)θ我馕⑿〔考M(jìn)行放大顯示，并且能夠在設(shè)計(jì)過(guò)程中與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行更多的交互。同時(shí)在一些危險(xiǎn)操作上，利用AR技術(shù)可以保證設(shè)計(jì)的安全性，并為真實(shí)安裝過(guò)程積累經(jīng)驗(yàn)，提高最終安裝的成功率。

與此同時(shí)，NASA還與微軟聯(lián)合組建團(tuán)隊(duì)打造 OnSight同傳系統(tǒng)[7]，把AR應(yīng)用到從“好奇號(hào)火星探測(cè)器”傳回的視覺(jué)數(shù)據(jù)上。通過(guò)對(duì)火星環(huán)境的3D 模擬，創(chuàng)造出一個(gè)虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合體，這樣科學(xué)家就可以在地球上直接操作火星中的虛擬環(huán)境，從而更加直觀的進(jìn)行科學(xué)工作。

2) 面向裝配與維修過(guò)程的AR技術(shù)研究

基于AR技術(shù)的裝備裝配與維修技術(shù)也是工程制造領(lǐng)域AR技術(shù)的主要應(yīng)用方向之一。在一些危險(xiǎn)的裝配和維修工作中，缺乏經(jīng)驗(yàn)的工人會(huì)因經(jīng)驗(yàn)不足而使工作失敗，甚至因此而受傷。借助AR技術(shù)，可以對(duì)工人進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，對(duì)一些危險(xiǎn)操作提出警告，提高工作的安全性和效率。

波音公司首先將AR技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)制造中電力線纜的連接和接線器的裝配過(guò)程[8]，開(kāi)發(fā)了一套輔助布線AR系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別電纜電路信息，并引導(dǎo)工人在正確的線路上組裝線纜，或者連接線頭。

空客利用AR技術(shù)輔助操作工人完成高密度布線工作[9]，在此過(guò)程中對(duì)超過(guò)6 萬(wàn)個(gè)管線定位托架的安裝質(zhì)量進(jìn)行管理，使A380 機(jī)身 8 萬(wàn)個(gè)托架的檢查時(shí)間從3 周減少到了 3 天。

美國(guó)洛馬公司使用基于智能眼鏡的AR 平臺(tái)[10]加速 F-22 和 F-35 的維修過(guò)程，檢測(cè)員能夠通過(guò)眼鏡看到投影于戰(zhàn)斗機(jī)上的零件編號(hào)和計(jì)劃，在飛機(jī)旁邊就可以記錄要修理的區(qū)域，減少操作錯(cuò)誤。

2012 年新加坡國(guó)立大學(xué)開(kāi)發(fā)出了一套可編程的AR輔助維修系統(tǒng)[11]，該系統(tǒng)可以將操作人員的相關(guān)業(yè)務(wù)知識(shí)、業(yè)務(wù)水平、業(yè)務(wù)素質(zhì)等與虛擬維修信息進(jìn)行有效整合，能夠根據(jù)實(shí)際維修環(huán)境對(duì)虛擬維修過(guò)程進(jìn)行修改，使系統(tǒng)更加適用于實(shí)際的維修環(huán)境。

2013年阿爾及利亞先進(jìn)技術(shù)發(fā)展中心[12]開(kāi)發(fā)出了一套基于AR技術(shù)的維修系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)?D虛擬物體與實(shí)際設(shè)備關(guān)聯(lián)匹配，降低了工作環(huán)境變化對(duì)維修誘導(dǎo)過(guò)程產(chǎn)生的 影響，增強(qiáng)了誘導(dǎo)維修過(guò)程的可靠性和準(zhǔn)確性。

除此之外，德國(guó)的Fraunhofer[12]計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究所利用識(shí)別標(biāo)志物的方式，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)門(mén)鎖的裝配工序中。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)[14]也成功的將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于美國(guó)陸軍的裝備維修誘導(dǎo)系統(tǒng)中。日本航空[15]應(yīng)用AR 設(shè)備訓(xùn)練員工，通過(guò)模擬飛機(jī)大型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 3D 互動(dòng)模型讓員工迅速掌握結(jié)構(gòu)知識(shí)和維護(hù)技能，涉及工種包括飛機(jī)設(shè)備維護(hù)和飛行員，能夠訓(xùn)練員工更全面地了解飛機(jī)設(shè)施，提高工作效率。

3) 面向操作過(guò)程的AR技術(shù)研究

AR能為使用者帶來(lái)更好的交互式、沉浸式的使用體驗(yàn)，伴隨著AR技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，面向操作過(guò)程的AR技術(shù)發(fā)展也得到了進(jìn)步。

NASA[16]已經(jīng)將VR設(shè)備送上了國(guó)際空間站，通過(guò)AR技術(shù)培訓(xùn)宇航員的相關(guān)技能。NASA表示，目前關(guān)于AR技術(shù)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，但是在未來(lái)幾年之內(nèi)，基于AR技術(shù)的各項(xiàng)產(chǎn)品和服務(wù)將會(huì)該機(jī)構(gòu)員工的標(biāo)配。

2020年SpaceX公司的龍飛船[17]進(jìn)行載人發(fā)射是世界航天史上首次全方位利用社交媒體和VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)“人人參與”的載人航天發(fā)射活動(dòng)。觀眾可以身臨其境地沉浸其中，通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)在發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)以及飛船內(nèi)的沉浸式體驗(yàn)。

美國(guó)羅克韋爾柯林斯[18]公司為F-35戰(zhàn)斗機(jī)駕駛員開(kāi)發(fā)了一種AR頭盔，該AR頭盔借助安裝在飛機(jī)上不同位置的攝像機(jī)組采集信息并重建飛機(jī)模型，并通過(guò)頭盔內(nèi)置顯示器進(jìn)行顯示。駕駛員能夠?qū)?zhàn)斗機(jī)飛行狀態(tài)有一個(gè)360度的體驗(yàn)，有利于飛行員對(duì)飛機(jī)戰(zhàn)斗狀態(tài)做出評(píng)估，簡(jiǎn)化信息獲取的流程，從而更好地把握戰(zhàn)機(jī)，取得勝利。

德國(guó)慕尼黑理工大學(xué)[19]研制了一種應(yīng)用在飛機(jī)上的搭配激光雷達(dá)系統(tǒng)的AR設(shè)備，針對(duì)人眼能見(jiàn)度較低的情況，采用激光雷達(dá)采集環(huán)境信息，并通過(guò)AR設(shè)備為駕駛員提供飛機(jī)環(huán)境參數(shù)。

2.1.2 AR技術(shù)的其它領(lǐng)域的應(yīng)用

AR技術(shù)除了上述在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用之外，在眾多公司企業(yè)參與的民用領(lǐng)域也取得了較大的成果。

在基于AR技術(shù)的硬件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，微軟[20]的 HoloLens能夠在無(wú)需預(yù)先編碼的情況下幫員工更快的學(xué)會(huì)新技能，集成圖片、視頻和3D模型為員工打造個(gè)性化的培訓(xùn)課程，最大限度提升培訓(xùn)效果。

Magic Leap公司開(kāi)發(fā)Magic Leap One[21]擁有數(shù)字光場(chǎng)、視覺(jué)感知、持續(xù)對(duì)象、聲場(chǎng)音頻、高性能芯片組和下一代界面等特性，為探索人體解剖學(xué)開(kāi)辟了新的途徑。

蘋(píng)果ARKit 3.5[22]利用 iPad Pro 上全新的激光雷達(dá)掃描儀和深度感應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)配套的APP輔助使用者進(jìn)行三維視頻游戲、三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等工作。

Google Glass Enterprise Edition 2[23]是一款A(yù)R可穿戴設(shè)備，幫助使用者實(shí)時(shí)方便的進(jìn)行各類學(xué)習(xí)工作以及娛樂(lè)活動(dòng)。

在一些專業(yè)軟件方面，Unity 3D[24]是由Unity Technologies開(kāi)發(fā)的交互圖型化開(kāi)發(fā)軟件，用戶可以輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等音視頻作品。同時(shí)，Unity支持ARKit和Magic Leap One并推出了一個(gè)名為AR Foundation的多平臺(tái)API幫助實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

Innoactive[25]開(kāi)發(fā)了一套AR工具可以幫助使用者創(chuàng)建、管理和部署AR培訓(xùn)環(huán)境，通過(guò)將員工和培訓(xùn)師在虛擬環(huán)境中聚在一起，可以增強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部的跨部門(mén)溝通交流，并節(jié)省大量的培訓(xùn)費(fèi)用。

2.2 國(guó)內(nèi)AR技術(shù)的研究現(xiàn)狀

我國(guó)AR技術(shù)相比于國(guó)外的研究進(jìn)展較慢，在我國(guó)航天器研制工作中，基于AR的技術(shù)研究大多集中在高校的科研單位，鮮見(jiàn)與航天器產(chǎn)品工程結(jié)合的應(yīng)用研究，整體來(lái)看尚處于起步探索階段。

2.2.1 航空航天領(lǐng)域AR技術(shù)的應(yīng)用

中航通用飛機(jī)有限責(zé)任公司基于AR技術(shù)研制了可視化協(xié)調(diào)決策平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多模塊的協(xié)同仿真和多部門(mén)協(xié)同設(shè)計(jì)等工作，并于2012年珠海航展中首次采用沉浸式輕量化虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完整展示了一款新設(shè)計(jì)的整機(jī)虛擬樣機(jī)數(shù)字模型。

南京航空航天大學(xué)[27]以民用航空器維修為背景，構(gòu)建了面向過(guò)程的維修作業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)向現(xiàn)場(chǎng)維修人員提供所需的文字和圖像作為維修任務(wù)的線索，從而幫助工人理解維修任務(wù)、提高認(rèn)知能力。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張世杰團(tuán)隊(duì)[28]于2017年通過(guò)對(duì)典型衛(wèi)星裝配工作的詳細(xì)需求分析，提出了一種基于可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的衛(wèi)星裝配誘導(dǎo)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配信息可視化顯示、裝配效果增強(qiáng)顯示、裝配過(guò)程誘導(dǎo)等功能，解決了傳統(tǒng)衛(wèi)星裝配工作中采用紙版技術(shù)手冊(cè)帶來(lái)的不便之處。

航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)了一套飛機(jī)裝配作業(yè) AR 智能引導(dǎo)系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路裝配過(guò)程的實(shí)時(shí)引導(dǎo)和裝配結(jié)果的智能檢查。

中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部基于AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模型可視化和虛擬演技試驗(yàn)，通過(guò)仿真過(guò)程模擬實(shí)物裝配步驟，減少設(shè)計(jì)反復(fù)以及物理試驗(yàn)產(chǎn)生的成本，提高物理產(chǎn)品的好用易用性。

中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心通過(guò)AR技術(shù)輔助航天員進(jìn)行訓(xùn)練，可以幫助航天員對(duì)訓(xùn)練環(huán)境的有效感知和記憶，同時(shí)虛擬訓(xùn)練過(guò)程可以減輕操作失誤時(shí)的影響，將低危險(xiǎn)性。

2.2.2 國(guó)內(nèi)其它領(lǐng)域的AR技術(shù)應(yīng)用

除航空航天領(lǐng)域之外，國(guó)內(nèi)的眾多企業(yè)高校也集中優(yōu)勢(shì)資源對(duì)AR技術(shù)在各個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了探索，并取得了一定成績(jī)。

北京理工大學(xué)的王涌天團(tuán)隊(duì)[32]提出了一種基于投影式紅外標(biāo)志點(diǎn)的方法用于室內(nèi)大范圍增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤注冊(cè)，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤注冊(cè)的要求。北京交通大學(xué)的岳建海團(tuán)隊(duì)[33]利用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的目標(biāo)跟蹤方法，結(jié)合動(dòng)車(chē)組維修作業(yè)場(chǎng)景的特點(diǎn)，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)車(chē)組的維護(hù)工作中。電子科技大學(xué)[33]基于AR技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套輔助維修系統(tǒng)，其中包括圖像識(shí)別與跟蹤定位、虛擬信息數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像融合與顯示等重要部分。該系統(tǒng)能夠?qū)⑤o助信息實(shí)時(shí)疊加顯示在該標(biāo)識(shí)物上，從而實(shí)現(xiàn)維修輔助信息的指導(dǎo)。廣東工業(yè)大學(xué)[35]的研究人員利用顏色進(jìn)行判斷檢測(cè)，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中以打印機(jī)為例進(jìn)行維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

此外，國(guó)內(nèi)諸多互聯(lián)網(wǎng)公司結(jié)合自身業(yè)務(wù)，同樣推出了多款A(yù)R應(yīng)用和服務(wù)。阿里巴巴[36]開(kāi)發(fā)了基于AR的產(chǎn)品介紹功能，并在支付寶、淘寶、天貓等多個(gè)渠道采用該技術(shù)來(lái)推動(dòng)產(chǎn)品銷(xiāo)售。網(wǎng)易[37]主要在游戲設(shè)計(jì)、3D電影制作等領(lǐng)域采用AR技術(shù)，有效的推動(dòng)電影制作產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。商湯[38]將AR技術(shù)應(yīng)用在了公共安全管理和智慧區(qū)域運(yùn)營(yíng)等方面，提升了人們的生活體驗(yàn)。視+與華為[39]合作開(kāi)發(fā)了AR模塊，并將該技術(shù)在華為手機(jī)上進(jìn)行了部署。太虛AR[40]開(kāi)發(fā)了多款SDK組件，并免費(fèi)向AR工具開(kāi)發(fā)者開(kāi)放，共同推動(dòng)AR技術(shù)的普及和應(yīng)用。

3 AR技術(shù)應(yīng)用分析

隨著我國(guó)空間事業(yè)不斷發(fā)展，航天器研制呈現(xiàn)出任務(wù)愈發(fā)復(fù)雜、重量體積不斷增加、結(jié)構(gòu)形式多樣等新特點(diǎn)，AR技術(shù)作為現(xiàn)在新興技術(shù)之一，在解決航天設(shè)備研制過(guò)程中帶來(lái)的新問(wèn)題新挑戰(zhàn)方面，將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。與此同時(shí)，AR技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程面臨的一些問(wèn)題和解決方案也值得關(guān)注和討論。

3.1 AR技術(shù)應(yīng)用在航天器研發(fā)過(guò)程的技術(shù)難點(diǎn)

AR技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括三個(gè)方面：航天系統(tǒng)中虛擬與現(xiàn)實(shí)環(huán)境融合、航天系統(tǒng)中實(shí)時(shí)交互以及航天器的三維注冊(cè)[41][47]。近年來(lái)，雖然眾多科研工作者針對(duì)上述三個(gè)問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，并取得了一定成果，但是依然有許多問(wèn)題亟待解決。

3.1.1 航天系統(tǒng)中虛擬與現(xiàn)實(shí)環(huán)境融合

虛擬與現(xiàn)實(shí)的環(huán)境融合[42]是指虛擬物體圖現(xiàn)實(shí)世界三維坐標(biāo)的融合，并且能夠準(zhǔn)確獲得虛擬物體在指定視角下的二維投影。其中，主要問(wèn)題在于虛擬物體所處虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的光照和場(chǎng)景不一致所導(dǎo)致的匹配結(jié)果不準(zhǔn)確，虛擬感較強(qiáng)。

3.1.2 航天系統(tǒng)中實(shí)時(shí)交互

AR技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中與人的實(shí)時(shí)交互是十分重要的一環(huán)，因此如何實(shí)現(xiàn)快捷、方便、準(zhǔn)確的人機(jī)交互是AR技術(shù)需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題[43]?；贏R的人機(jī)交互的發(fā)展方向應(yīng)該是采用手勢(shì)或人類行為的自動(dòng)識(shí)別來(lái)直接進(jìn)行交互，AR系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)人類行為的自主識(shí)別，給出對(duì)應(yīng)的建議和指導(dǎo)信息?，F(xiàn)階段下，這種信息的檢測(cè)大多是通過(guò)第三方設(shè)備，例如手套，或者佩戴顏色標(biāo)記來(lái)實(shí)現(xiàn)，距離理想的裸手識(shí)別依然有較大差距。

3.1.3 航天器的三維注冊(cè)

航天器的三維注冊(cè)[44][51]是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)，也是虛實(shí)融合效果的基本要求，三維注冊(cè)一般是通過(guò)估計(jì)攝像機(jī)在世界坐標(biāo)系下的位姿，并通過(guò)該位姿來(lái)獲取虛擬物體在當(dāng)前視角下的投影圖像，再通過(guò)圖像合成完成投影一致的二維圖像，實(shí)現(xiàn)三維注冊(cè)。三維注冊(cè)技術(shù)的難點(diǎn)在于對(duì)多傳感器的支持和融合結(jié)果的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

3.2 AR技術(shù)應(yīng)用在航天器研發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)分析

針對(duì)2.1節(jié)中提出的技術(shù)難點(diǎn)，AR技術(shù)在航天器研發(fā)過(guò)程的應(yīng)用需要突破以下三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：多源技術(shù)融合技術(shù)[48]、目標(biāo)檢測(cè)和模式識(shí)別技術(shù)[49]、三維模型匹配技術(shù)[50]。

3.2.1 多源信息融合技術(shù)

虛擬物體建模是虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境融合以及人機(jī)交互過(guò)程的基礎(chǔ)，航天器中的每個(gè)部件在設(shè)計(jì)過(guò)程中可能用到不同的設(shè)計(jì)建模以及分析軟件，如何將多源軟件信息進(jìn)行融合構(gòu)建整個(gè)航天器的虛擬模型是AR技術(shù)的基礎(chǔ)。在這個(gè)過(guò)程中需要獲取航天器各個(gè)部件的數(shù)字化設(shè)計(jì)信息，保證數(shù)據(jù)的一致性和同步更新，建立航天器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和部組件數(shù)據(jù)庫(kù)，操作程序與步驟文檔數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)多源軟件數(shù)據(jù)融合以及渲染平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)模型的3D顯示和多通道顯示。

3.2.2 目標(biāo)檢測(cè)和模式識(shí)別技術(shù)

目標(biāo)檢測(cè)和模式識(shí)別技術(shù)是人機(jī)交互技術(shù)的基礎(chǔ)，其中主要包括裸手檢測(cè)、行人檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別、人體姿勢(shì)識(shí)別、行為理解等多個(gè)子任務(wù)組成，目前可用的方法包括模板匹配算法或者基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)算法，一般來(lái)說(shuō)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式其檢測(cè)準(zhǔn)確性要高于模板匹配的方式，但實(shí)時(shí)性可能較差，因此應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用需求和指標(biāo)來(lái)確定具體實(shí)施方案。

3.2.3 三維模型匹配技術(shù)

三維模型匹配技術(shù)也是AR技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，其中包括虛擬環(huán)境匹配與真實(shí)環(huán)境的三維匹配、同一模型不同視角的匹配、以及二維投影到三維模型的匹配等多個(gè)子任務(wù)，該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境融合和三維注冊(cè)過(guò)程的重要一環(huán)。三維模型匹配算法可能涉及壓縮感知、三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、關(guān)鍵點(diǎn)特征提取，三維模型重構(gòu)等多個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)，也是目標(biāo)比較熱門(mén)的研究方向。

4 AR技術(shù)在航天器研發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用建議

國(guó)外在航天領(lǐng)域中已經(jīng)廣泛的采用AR技術(shù)來(lái)支持航天器模型設(shè)計(jì)、裝配維修過(guò)程仿真、航天器在軌服務(wù)以及人員培訓(xùn)等方面，但我國(guó)對(duì)于AR技術(shù)開(kāi)展的應(yīng)用研究還比較少，并且已有的研究大多是一些初級(jí)的應(yīng)用，并不能完全發(fā)揮AR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。為此本文針對(duì)AR技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提出以下幾個(gè)研究方向。

4.1 AR 技術(shù)在空間交會(huì)對(duì)接中的應(yīng)用

我國(guó)航天器空間交會(huì)對(duì)接方案分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式，其中在手動(dòng)控制模式中，需要航天員能夠準(zhǔn)確快速得獲取航天器的飛行狀態(tài)，并且在有擾動(dòng)的情況下準(zhǔn)確控制航天器的位姿。在這一過(guò)程中AR技術(shù)可以輔助航天員進(jìn)行信息獲取，將航天器的全局飛行狀態(tài)現(xiàn)實(shí)在航天員視野內(nèi)，并在航天器位姿偏離時(shí)發(fā)出警告和指導(dǎo)。另一方面，AR技術(shù)還可以輔助進(jìn)行航天員對(duì)接操作培訓(xùn)，保障航天員對(duì)實(shí)際工作環(huán)境的熟練程度。最后，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，還可以利用遠(yuǎn)程異地同步協(xié)同增強(qiáng)技術(shù)由地面工作人員指導(dǎo)完成航天器對(duì)接任務(wù)。

4.2 AR 技術(shù)在載人登月中的應(yīng)用

對(duì)于載人登月，由于月球表面無(wú)大氣層，呈真空狀態(tài)，登月艙下降過(guò)程中，沒(méi)有月球大氣的氣動(dòng)阻力可供利用，只能靠緩沖減速火箭進(jìn)行減速，在逼近月球表面時(shí)需要航天員的手動(dòng)操作予以配合。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在載人登月中的應(yīng)用主要有以下兩點(diǎn)：首先在地面的載人登月模擬訓(xùn)練中，可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地面環(huán)境中疊加虛擬的月球環(huán)境為航天員提供相對(duì)豐富而完整的登月任務(wù)模擬，達(dá)到身臨其境的感覺(jué)，提高訓(xùn)練質(zhì)量。其次在載人登月手控操作過(guò)程中可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理疊加虛擬的手控操作指導(dǎo)信息至航天員的視野中，使航天員更加直觀地了解操作過(guò)程，達(dá)到精確操控、減少失誤的目的，實(shí)現(xiàn)載人登月任務(wù)的順利完成。

4.3 AR 技術(shù)在出艙活動(dòng)中的應(yīng)用

在航天員出倉(cāng)活動(dòng)執(zhí)行在軌任務(wù)時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在出艙活動(dòng)的訓(xùn)練過(guò)程中將虛擬的操作信息和方法疊加到航天員的視野中，使航天員快速適應(yīng)訓(xùn)練過(guò)程，在實(shí)際出艙活動(dòng)中可以在航天員實(shí)際看到的場(chǎng)景中利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將攝像機(jī)拍攝到的場(chǎng)景經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后疊加對(duì)航天員有用的虛擬信息至航天員的視野中，輔助航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)出艙活動(dòng)和在軌生活的雙重要求。此外，在艙外設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，可以使用遙控機(jī)械攝像拍攝到設(shè)備，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將維修操作信息、方法和過(guò)程等信息直觀地顯示給航天員，使航天員首先在艙內(nèi)完成設(shè)備的維修訓(xùn)練與操作，以便在出艙后能夠快速準(zhǔn)確地完成維修任務(wù)。

4.4 AR 技術(shù)應(yīng)急返回手控操作中的應(yīng)用

在任何航天任務(wù)中，都需要充分考慮到故障事件的發(fā)生，故障發(fā)生時(shí)可能會(huì)要求航天員手動(dòng)操控返回，此時(shí)，航天員的手動(dòng)返回控制能力就至關(guān)重要。在緊急情況下，要求航天員在操作過(guò)程中能夠直觀、簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，而在這個(gè)過(guò)程中可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將攝像機(jī)拍攝到場(chǎng)景經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后與飛船飛行參數(shù)以及地面技術(shù)人員的指導(dǎo)信息相結(jié)合，將最直觀、最簡(jiǎn)單的操作過(guò)程與操作方法顯示到航天員的視野中，縮短航天員的思考時(shí)間，減少航天員在緊急情況下的操作失誤，實(shí)現(xiàn)安全返回。此外此時(shí)可以利用遠(yuǎn)程異地協(xié)同增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將地面技術(shù)人員的操作規(guī)范、步驟、方法等以直觀、形象的方式展示給航天員，實(shí)現(xiàn)載人航天任務(wù)的圓滿完成。

5 結(jié)論

AR技術(shù)的具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楹教炱髟O(shè)備研發(fā)的各個(gè)過(guò)程中提供有效的支持，加快航天器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率。本文以AR技術(shù)在航天設(shè)備中的應(yīng)用為主題，討論了國(guó)內(nèi)外AR技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并著重描述了AR技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況。此外本文針對(duì)AR技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，介紹了相關(guān)概念和主要技術(shù)問(wèn)題。最后針對(duì)我國(guó)航天領(lǐng)域AR技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了今后AR技術(shù)可能的應(yīng)用方向以及合理建議。通過(guò)本文的研究?jī)?nèi)容，能夠?qū)?guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域AR技術(shù)應(yīng)用有大致了解，并對(duì)AR技術(shù)在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的發(fā)展前景有初步認(rèn)識(shí)。