CN106709164A - 一种基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估方法，其特征是在沉浸式虚拟环境中仿真维修活动，对产品的维修性设计水平进行动态评估和验证，根据验证得到的数据，既可计算维修性定量指标符合性情况，又可验证是否满足维修性定性要求，通过综合权衡，验证其维修性是否达到指标的要求。本发明利用虚拟维修技术进行维修性设计评估，不需要从物理上实现产品和维修过程，从而克服了实物样机制造周期长，成本高，难以修改更新的不足。本文研究的直升机虚拟维修技术，是当今直升机维修性设计的重要发展方向，其研究的基本方法和思路对开展直升机维修性设计具有一定的参考价值。

Description

一种基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估方法

技术领域

本发明属于飞行器维修保障技术领域，具体涉及一种基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估方法。

背景技术

直升机是一种具有高度机动性的特种飞行器，它既可以垂直起降，也可以贴地飞行，还可以在空中悬停、侧飞和后退，这都是一般固定翼飞行器无法做到的。在国民经济和国防建设中都有很大的潜在市场，可广泛用于短程运输、抗灾救援、航拍、灭火、海上搜索救援、追捕逃犯等。而军事上可用于运输、战术支援、侦察、通信指挥、以及救援等。随着国家低空空域的逐步开放，直升机将引来“井喷式”的发展阶段。

直升机研制中旋动部件多、试验仿真难度大、总体布局和气动设计复杂等特点，研制过程中存在着大量的工程协调、评估工作，如维护性评估和验证等。传统意义上的工程协调是通过使用物理样机等来完成的，这需要工程设计人员制造相应的实物样机，在这种模式下，物理样机设计制造周期长，工程协调效率低。随着直升机设计要求越来越高，变型设计越来越多，设计改进越来越快，传统意义上的基于实物样机的维修性评估等应用已经不能够满足直升机研制需求。

近年来，随着投影技术、虚拟现实技术的发展，基于投影的虚拟现实系统在各行业得到广泛的应用。特别是在世界上知名的大型直升机制造企业，如波音、洛克希德马丁和空客公司，汽车制造企业，如通用、福特、丰田和奔驰等都建有多套各种类型的虚拟现实系统。国内很多高等院校、汽车厂商、科研院所已各自建立了不同水平沉浸式虚拟可视化环境，用于虚拟产品的体验和工程评估应用。在工程中采用沉浸式虚拟仿真系统，利用其强沉浸感、真实感、交互体验和虚拟可视化的特点，进一步提高基于数字样机的维修性分析、仿真、评估等应用效果。

发明内容

发明目的：为了解决直升机设计中维修性薄弱环节，提出一种基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估方法。

技术方案：一种基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估方法，其特征是在沉浸式虚拟环境中仿真维修活动，对产品的维修性设计水平进行动态评估和验证，根据验证得到的数据，既可计算维修性定量指标符合性情况，又可验证是否满足维修性定性要求，通过综合权衡，验证其维修性是否达到指标的要求，具体包括以下步骤：

第一步：构建沉浸式虚拟仿真环境

1.1、构建一套四面/五面背投投影系统作为沉浸式虚拟现实平台，提供具有沉浸感的样机可视化、交互式的虚拟仿真评估环境，采用触觉反馈数据手套为操作者提供触觉反馈，通过光学跟踪系统对仿真操作者进行位置追踪，并利用三维触觉反馈交互手柄提供操作指令，为虚拟操作者提供一个高逼真度的完全沉浸的仿真环境；

1.2、创建虚拟资源模型库，包括产品数字样机、虚拟人体模型、虚拟保障工具/设备模型；

第二步：沉浸式虚拟维修性动态评估

在沉浸式虚拟现实环境中，通过光学跟踪系统和人体运动捕捉设备，在沉浸式虚拟维修仿真环境下实现高度沉浸感的人机工程仿真与人机交互，实现维修性定量评估和定性评估，并提出维修性改进意见。

所述的第二步中维修性定量评估和维修性定性评估方法如下：

(1)维修性定量评估

沉浸式虚拟维修环境中，通过人机工程仿真与人机交互，对真实维修过程进行全程仿真，并通过记录各分解的基本维修单元的时间，以实现准确的计算全过程维修时间；

(2)维修性定性评估

沉浸式虚拟维修环境中，将维修人员的人体静态、动态数据模型加入到虚拟维修环境中,以便实时地研究人与设备的可达性、可视性和可维护性；在有限的现场空间中,操作工具是否可达,操作的举起、推拉、提起以及转动的人力限度和空间限度,检测各零部件、修理工具之间是否碰撞，检测操作人员与零部件和工具间是否相干涉,通过上述评估工作，对可达性、可视性、可操作性、互换性、防差错、维修安全以及人素工程等维修性定性方面得出维修工作分析评价结果。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图。

图2为沉浸式虚拟仿真评估环境构建示意图。

有益效果

本发明利用虚拟维修技术进行维修性设计评估，不需要从物理上实现产品和维修过程，从而克服了实物样机制造周期长，成本高，难以修改更新的不足。本文研究的直升机虚拟维修技术，是当今直升机维修性设计的重要发展方向，其研究的基本方法和思路对开展直升机维修性设计具有一定的参考价值。

实施方式

下面结合说明书附图对本发明技术方案做进一步叙述。

a)基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估流程研究

总结以往直升机型号的经验，分析直升机研制阶段的设计要求和重点，确定维修性设计工作项目，并结合维修性设计开展基于沉浸式虚拟仿真系统的维修性验证的需求分析。根据直升机研制周期内各个阶段内维修性验证的项目和方法，研究并制定基于沉浸式虚拟维修仿真系统的维修性动态评估工作流程。

b)如图2所示，沉浸式虚拟仿真环境创建

沉浸式虚拟维修仿真环境的建立是动态维修性评估技术实现的核心内容，采用投影技术、虚拟现实技术，通过在虚拟环境构建实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。虚拟维修环境是进行虚拟维修仿真验证的手段和基础。

沉浸式虚拟维修仿真评估系统通过构建一套四面/五面背投投影系统作为沉浸式虚拟现实平台，为维修性动态评估提供具有沉浸感的样机可视化设计、分析、验证和演示的手段和环境。系统包括正面1通道，地面12通道，左右侧面各为1通道，共4面4通道或5通道，采用背投形式，光谱立体。

沉浸式虚拟维修仿真环境由以下几个方面组成：

1)图形集成技术系统

实时的计算、渲染、输出高质量的立体图像，并实时的传输给投影系统，以及实时处理计算和渲染过程中的交互需求。

2)四/五通道投影显示系统

实时显示由图像生成器产生的高质量的立体图像，通过专业的无缝拼接技术结合在一起，在屏幕上形成一幅高分辨率、高亮度的立体图像，采用Infi tec光谱立体技术，为维修性评估人员提供一个大场景立体浏览和信息丰富的视觉环境。

3)中央控制和信号切换管理系统

用于控制和管理整个虚拟维修仿真评估系统中大量的设备，包括音频、视频、环境光等不同的设备，对各种信号源进行快速切换，统一管理和操作不同的设备。

4)虚拟外部设备

虚拟维修仿真评估系统通过虚拟外部设备，实现逼真的沉浸感和人机交互，包括可穿戴光学跟踪套件、数据手套及三维触觉反馈交互手柄等。

可穿戴光学跟踪套件能够实时确定评估人员身体各部位在空间坐标的位置信息，以适应应用软件的定位需求。

数据手套通过分布在数据手套每个手指上的弯曲传感器、外展传感器，再加上测量大拇指交叉、手掌拱弯、手腕翻转和外展的传感器，能精确地测量手指和腕部的位置和运动。

三维触觉反馈交互手柄是用于虚拟现实应用领域的无线式交互设备，可让评估人员在沉浸式虚拟现实环境中轻易地操作3D对象，并通过虚拟环境中的约束关系和碰撞检测，通过设置各种振动类型，实现三维空间中的触觉反馈。

5)应用软件

应用软件是实施本系统功能的必要且重要环节。本系统应用软件包括开发工具包、中间件、外设驱动软件，基于分布式结构，实现对原始数据进行多通道大场景沉浸式浏览和交互，可在虚拟战场环境，提供逼真的虚拟装备电子样机展示，实现漫游展示、维修装配仿真及人体维护仿真、训练考核记录及错误提示警告等沉浸式的虚拟现实应用。

6)虚拟资源模型库

维修性动态评估主要是通过虚拟人体在由产品数字样机、虚拟人体模型、虚拟保障工具/设备模型等虚拟资源模型库组成的虚拟环境中进行一系列的维修活动。

(1)建立人体模型

根据GB/T 10000-88《中国成年人人体尺寸》中提供的我国成年人人体尺寸基础数据，构建中国人体数据库框架，以最先进的三维计算机辅助设计软件DELMIA为平台，建立具有中国人体特征的标准三维人体模型。

(2)建立人体姿态库

经过研究发现，在大量的仿真姿态中有很多姿态相似或相同，根据对维修仿真中大量人体姿态的分析，我们建立了人体姿态库，动态维修仿真时，可以调用保存的相似或相同姿态，对导入原有仿真对象和坐标参数进行微调就可以满足仿真对象姿态要求

(3)建立保障工具/设备模型

采用基于模型的方法建立维修工具的三维实体模型(包括维修工具、保障设备)。

(4)建立标准维修时间库。采用时间累计法。建立包括系统维修时间模型，维修事件的维修时间模型，维修作业时间模型，以及系统维修工时模型的维修时间模型。

c)基于沉浸式虚拟维修性动态评估技术应用研究

基于现有样机设计软件CATIA和人机工程与装配仿真分析工具DELMIA，通过ART光学跟踪系统和人体运动捕捉设备，在沉浸式虚拟维修仿真环境下实现高度沉浸感的人机工程仿真与人机交互。

基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估的目的是通过在虚拟环境中仿真维修活动，对产品的维修性设计水平进行动态评估和验证，根据验证得到的数据，既可计算维修性定量指标符合性情况，又可验证是否满足维修性定性要求，通过综合权衡，验证其维修性是否达到指标的要求。

1)维修性定量评估

维修性定量要求主要有:维修延续时间指标(包括平均修复时间、最大修复时间、平均预防维修时间、平均维修时间等)、维修工时指标、维修周期指标、维修费用指标、检测性能指标。因此，在绝大多数的装备中，主要采用维修时间作为指标进行验证，其中尤其以平均修复时间(MTTR)最为常见。GJB2072-94《维修性试验和评定》中的验证方法对装备部件的平均修复时间进行验证时，所需的样本容量通常比较大，则需花费大量的时间，由于维修时间参数是最重要的维修性参数，直接影响到装备的可用性。采用维修性动态评估方法，通过记录各分解的基本维修单元的时间，可以准确的计算全过程修复时间。

2)维修性定性评估

维修性定性要求方面主要包括可达性、可视性、可操作性、互换性、防差错、维修安全以及人素工程等方面。通过收集整理以往直升机型号中出现的维修性问题，分析其解决措施，并结合GJB/Z 91-97《维修性设计技术手册》中的要求，制定《直升机维修性设计准则》。维修性定性评估主要依据《直升机维修设计准则》，对维修性设计的合理性和可行性分析和评价，为此要把维修人员的人体静态、动态数据模型加入到虚拟维修环境中,以便实时地研究人与设备的可达性、可视性和可维护性；要考虑在有限的现场空间中,操作工具是否可达,操作的举起、推拉、提起以及转动等的人力限度和空间限度,检测各零部件、修理工具之间是否碰撞,检测操作人员与零部件和工具间是否相干涉,这些对于在有限空间内(如直升机机体大部分口盖空间较小,且设备众多)执行协同维修任务是非常重要的。通过上述评估工作，得出维修工作分析评价结果。

Claims (2)

1.一种基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估方法，其特征是在沉浸式虚拟环境中仿真维修活动，对产品的维修性设计水平进行动态评估和验证，根据验证得到的数据，既可计算维修性定量指标符合性情况，又可验证是否满足维修性定性要求，通过综合权衡，验证其维修性是否达到指标的要求，具体包括以下步骤：

第一步：构建沉浸式虚拟仿真环境

1.1、构建一套四面/五面背投投影系统作为沉浸式虚拟现实平台，提供具有沉浸感的样机可视化、交互式的虚拟仿真评估环境，采用触觉反馈数据手套为操作者提供触觉反馈，通过光学跟踪系统对仿真操作者进行位置追踪，并利用三维触觉反馈交互手柄提供操作指令，为虚拟操作者提供一个高逼真度的完全沉浸的仿真环境；

1.2、创建虚拟资源模型库，包括产品数字样机、虚拟人体模型、虚拟保障工具/设备模型；

第二步：沉浸式虚拟维修性动态评估

在沉浸式虚拟现实环境中，通过光学跟踪系统和人体运动捕捉设备，在沉浸式虚拟维修仿真环境下实现高度沉浸感的人机工程仿真与人机交互，实现维修性定量评估和定性评估，并提出维修性改进意见。

2.根据权利要求1所述的一种基于沉浸式虚拟仿真的维修性动态评估方法，其特征在于，所述的第二步中维修性定量评估和维修性定性评估方法如下：

(1)维修性定量评估

沉浸式虚拟维修环境中，通过人机工程仿真与人机交互，对真实维修过程进行全程仿真，并通过记录各分解的基本维修单元的时间，以实现准确的计算全过程维修时间；

(2)维修性定性评估

沉浸式虚拟维修环境中，将维修人员的人体静态、动态数据模型加入到虚拟维修环境中,以便实时地研究人与设备的可达性、可视性和可维护性；在有限的现场空间中,操作工具是否可达,操作的举起、推拉、提起以及转动的人力限度和空间限度,检测各零部件、修理工具之间是否碰撞，检测操作人员与零部件和工具间是否相干涉,通过上述评估工作，对可达性、可视性、可操作性、互换性、防差错、维修安全以及人素工程等维修性定性方面得出维修工作分析评价结果。