CN108363491A - 航天器在轨维修地面虚拟验证系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航天器在轨维修地面虚拟验证系统，包括：人机交互系统，用于向参试宇航员显示虚拟在轨维修过程，并通过带有力反馈的数据手套完成虚拟在轨操作；虚拟场景系统，用于模拟航天器在轨维修场景及过程；外部显示系统，用于显示虚拟在轨维修过程及维修数据；维修评价系统，用于根据由外部显示系统所展示的虚拟在轨维修过程和维修数据评估在轨维修效果，并根据上述评估结果修改在轨维修方案。本发明还涉及利用上述系统实施的航天器在轨维修虚拟验证方法。

Description

航天器在轨维修地面虚拟验证系统及方法
技术领域
本发明涉及航天器在轨维修地面虚拟验证系统及方法。
背景技术
太空中的物体处于失重状态，航天员在太空中的行动很难控制，很多在地面认为合理的维修方法在太空中未必奏效。为确保在轨维修的成功，必须在地面开展在轨维修的地面验证和训练试验。
目前广泛采用的在轨维修性地面验证方法是在地面进行中性浮力模拟试验。例如，哈勃望远镜在轨维修的地面模拟试验即在马歇尔航天飞行中心的中性浮力模拟器中开展。在该模拟器中放置全尺寸的哈勃望远镜模型、待更换设备和维修工具，航天员身着带有配重的潜水压力服，以保证航天员在水中处于中性悬浮状态，以模拟在轨失重状态。在地面模拟环境下，航天员依据在轨维修方案，使用维修工具进行在轨维修的地面验证和培训，并最终出色的完成了哈勃望远镜的在轨维修工作。使用中性浮力模拟器可完成载人航天器在轨维修的地面验证，但该验证方法所使用的中性浮力模拟器造价高昂、系统复杂，且每次的试验费用和周期较长。
航天员进行在轨维修操作时，处于失重环境中，其维修方法和操作感受与在地面开展维修工作大不相同。且载人航天器在轨维修属于高风险工作，须在地面多次进行模拟维修操作以确保在轨维修方案合理正确、航天员维修水平足以满足任务需求。
在地面环境中模拟在轨维修操作所要解决的技术问题是：模拟在轨维修时的操作环境和航天员的操作感受。
发明内容
本发明的目的在于本发明提出一种在轨维修地面验证方法：采用虚拟现实技术模拟在轨维修过程，从而实现在轨维修的地面验证。
为实现上述发明目的，根据本发明提供航天器在轨维修地面虚拟验证系统，包括：
人机交互系统，用于向参试宇航员显示虚拟在轨维修过程，并通过带有力反馈的数据手套完成虚拟在轨操作；
虚拟场景系统，用于模拟航天器在轨维修场景及过程；
外部显示系统，用于显示虚拟在轨维修过程及维修数据；
维修评价系统，用于根据由外部显示系统所展示的虚拟在轨维修过程和维修数据评估在轨维修效果，并根据上述评估结果修改在轨维修方案。
根据本发明的一个方面，所述虚拟场景系统包括在轨环境计算机模型、待维修航天器三维计算机模型和虚拟现实集成系统。
根据本发明的一个方面，所述人机交互系统包括用于向参试航天员显示虚拟维修过程的数据头盔和由参试航天员佩戴并向其提供反馈力的数据手套。
根据本发明的一个方面，所述外部显示系统包括用于显示虚拟在轨维修过程的立体投影仪和显示屏。
根据本发明提供一种利用上述系统实现航天器在轨维修地面虚拟验证的方法，包括：
(a)制定在轨维修方案；
(b)根据在轨维修方案，构建虚拟维修场景和所述虚拟维修场景中的人体模型；
(c)通过人机交互设备向参试宇航员显示维修场景并完成虚拟在轨操作；
(d)通过外部显示系统显示虚拟维修过程；
(e)根据虚拟维修过程，评估航天器在轨维修结果，并修改维修方案；
(f)重复(a)-(e),直至在轨维修方案满足要求。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，所述虚拟维修场景包括在轨环境模型、待维修航天器三维模型。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(c)中，所述人机交互系统包括参试航天员佩戴的数据头盔，用于航天员观察虚拟维修过程，和数据手套，用于向航天员反馈力。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(d)中，所述外部显示系统包括立体投影仪和显示屏。
根据本发明的构思，首先制定在轨维修方案，并采用计算机和虚拟现实技术搭建所需开展维修操作的载人航天器计算机模型；配置显示头盔用于虚拟现实系统获取航天员运动信息，并为航天员提供相应视场的视觉信息；配置数据手套用于虚拟现实系统获取航天员操作信息，并为航天员提供触觉信息(力反馈)；最后对地面维修过程进行分析，提出在轨维修策略的改进方案。
该地面验证方法可有效模拟在轨环境及航天员在轨维修时的感受，相比于传统的浮力模拟方法具有如下有益效果：(1)适用范围更广，不受真实试验环境和航天器模型大小的约束；(2)航天员感知更丰富，可提供视觉、听觉、触觉等多种感知；(3)试验准备周期更短，使用航天器建造过程中的CAD模型可快速构建虚拟计算机模型，更有益于解决突然出现又急需在轨维修的故障；(4)成本大幅降低，试验系统本身造价及试验费用都很低廉；(5)具有维修对象立体展示、维修过程重复训练、维修效果实时评价等功能。
虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户沉浸在该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术通过提供实时视觉、听觉、触觉和嗅觉等多种自然感知功能，让用户对虚拟世界中的物体进行考察和操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是示意性表示根据本发明的虚拟在轨维修系统的组成。
具体实施方式
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
图1示意性表示了根据本发明航天器在轨维修模拟系统的组成。图1中虽然表示了航天员，但航天员只是参与实施航天器在轨维修模拟工作，并非组成该系统的一部分。如图1所示，根据本发明系统包括：
(1)人机交互设备：航天员通过数据头盔观察整个维修过程，通过带有力反馈的数据手套完成虚拟在轨操作；
(2)虚拟场景系统：包括在轨环境计算机模型、待维修航天器三维计算机模型、虚拟现实集成系统；
(3)外部显示系统：用于在轨维修方案设计人员和维修效能评价人员观察整个模拟维修过程；
(4)维修评价系统：航天员及维修评价人员针对维修过程演示和维修数据进行分析，提出维修效果评价及改进建议。
根据本发明构思，构建这种根据本发明的航天器在轨维修模拟系统包括：
1.构建虚拟场景系统
首先采用虚拟现实技术创建具有沉静感、交互性、实时性的虚拟现实软件，创建虚拟场景中人体模型，最后根据实际试验需求创建待维修航天器CAD模型。
2.配置人机交互系统
首先配置人机交互设备显示头盔、带力反馈的数据手套，虚拟场景系统读取头盔和手套的数据，获得航天员当前的位置、视角信息和维修动作，并驱动虚拟场景系统中的人体模型产生相应动作；虚拟场景系统将相应的可视场景通过头盔输出，并将维修操作产生的人体力学感知通过数据手套反馈给航天员。
3.建立维修效能评价系统
由参试航天员和维修效能评价人员针对维修过程中计算机所记录的数据，对维修效能进行评价，并给出维修可行性及维修方案的建议。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.航天器在轨维修地面虚拟验证系统，其特征在于，包括：
人机交互系统，用于向参试宇航员显示虚拟在轨维修过程，并通过带有力反馈的数据手套完成虚拟在轨操作；
虚拟场景系统，用于模拟航天器在轨维修场景及过程；
外部显示系统，用于显示虚拟在轨维修过程及维修数据；
维修评价系统，用于根据由外部显示系统所展示的虚拟在轨维修过程和维修数据评估在轨维修效果，并根据上述评估结果修改在轨维修方案。
2.根据权利要求1所述的航天器在轨维修地面虚拟验证系统，其特征在于，所述虚拟场景系统包括在轨环境计算机模型、待维修航天器三维计算机模型和虚拟现实集成系统。
3.根据权利要求1所述的航天器在轨维修地面虚拟验证系统，其特征在于，所述人机交互系统包括用于向参试航天员显示虚拟维修过程的数据头盔和由参试航天员佩戴并向其提供反馈力的数据手套。
4.根据权利要求1所述的航天器在轨维修地面虚拟验证系统，其特征在于，所述外部显示系统包括用于显示虚拟在轨维修过程的立体投影仪和显示屏。
5.利用上述权利要求1-4的系统实现航天器在轨维修地面虚拟验证的方法，包括：
(a)制定在轨维修方案；
(b)根据在轨维修方案，构建虚拟维修场景和所述虚拟维修场景中的人体模型；
(c)通过人机交互设备向参试宇航员显示维修场景并完成虚拟在轨操作；
(d)通过外部显示系统显示虚拟维修过程；
(e)根据虚拟维修过程，评估航天器在轨维修结果，并修改维修方案；
(f)重复(a)-(e),直至在轨维修方案满足要求。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
在所述步骤(b)中，所述虚拟维修场景包括在轨环境模型、待维修航天器三维模型。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤(c)中，所述人机交互系统包括参试航天员佩戴的数据头盔，用于航天员观察虚拟维修过程，和数据手套，用于向航天员反馈力。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤(d)中，所述外部显示系统包括立体投影仪和显示屏。
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