CN109850191B - 基于增强现实的航天器推进系统总装导引系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，包括导引信息生成模块、结构舱板定位模块、导引信息可视化模块、导引状态控制模块，导引信息生成模块用于读取相关信息形成推进系统总装工艺信息集；结构舱板定位模块用于计算工作场景中卫星结构舱板相对操作者的位姿参数并将位姿参数提供至导引信息可视化模块；导引信息可视化模块用于在航天器结构实体上叠加显示虚拟的工艺导引信息；导引状态控制模块记录总装实施的进度，使用户中断导引后能够从中断的步骤继续在导引下进行操作。本发明提高了复杂航天器装配场景下推进系统总装效率，减少了航天器推进系统部件安装差错发生概率并简化了导引工艺信息的预定义过程。

Description

基于增强现实的航天器推进系统总装导引系统

技术领域

本发明属于航天器总装技术领域，具体涉及一种用于航天器推进系统总装的交互式工艺信息导引系统。

背景技术

航天器推进系统是利用反作用原理为飞行器提供推力的整套装置，是飞行器的重要组成部分。航天器推进系统在航天器上布局复杂，涉及的仪器和直属件繁多，大型仪器主要是贮箱和气瓶，小型仪器包括推力器、压力传感器、自锁阀、过滤器、加排阀等，直属件包括仪器支架、仪器卡箍、管路支架、管路卡箍、热控垫，每种类型仪器和直属件又细分为几种规格。推进系统总装主要包括航天器上仪器和直属件的安装，推进系统管路的固定和推进系统热控，推进系统热控包括热敏电阻粘贴、仪器加热片粘贴、管路加热带安装、加热回路焊连和温控多层包覆；推进系统热敏电阻数量多，加热片和加热带种类和数量都多，每个加热回路涉及的加热片和加热带数量也多。由于多数航天器属单件定制化生产模式，不同航天器的推进系统布局差异大，总装空间狭小，操作工况复杂，而且仪器、直属件和热控元器件种类繁多布局分散，代号和位置又要求一一对应，导致航天器推进系统总装严重依赖于手工作业。为了完成铺设，工人首先需要从图纸或三维模型中获取所需信息(包括仪器直属件代号及位置极性、紧固件安装规格、热敏电阻加热片代号及位置，和相应总装过程中特殊要求)，然后在航天器舱内进行安装及确认工作。

在航天器装配现场，目前采用固定式的看板系统对推进系统总装所需的信息进行展示，由工人根据图纸或三维模型的标识进行操作。该类方法的缺点为：由于航天器舱体开放性差，操作人员仅凭对所需信息的记忆在舱内执行操作，需要不断在显示屏和航天器实物之间切换视角，将相关设计信息与真实物理环境进行人工匹配。此时，因为每种类型仪器和直属件又细分为几种规格，每种规格外观较为一致，且在舱板上分布密集，人工识别存在低效、易错的问题。进一步地，由于推进系统总装涉及部件数量巨大，工人为确认操作目标及位置需承受大量额外认知负担，显著降低了总装效率。

为了提高航天器推进系统总装效率，本发明拟采用增强现实方法，实现推进系统总装部件与真实物理环境的自动匹配，引导工人完成总装操作。在复杂机械装配相关领域，目前已有企业对基于增强现实的装配导引方法进行研究和应用，但不能满足航天器的差异化单件生产需求，无法系统性解决航天器推进系统工艺信息向可视化的增强现实交互式信息的自动转化问题，且没有针对航天器推进系统工艺逻辑实现可视化的操作导引。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，实现推进系统总装工艺信息与真实物理环境的自动匹配，引导工人完成推进系统总装操作，提高航天器推进系统总装的效率与质量。改善目标有以下几点：

1.提供虚实融合的航天器推进系统总装信息展示界面，替代基于图纸或三维模型的信息展示形式；

2.实现推进系统部件分步骤分类显示，步骤先后按总装流程设置，类别按部件的详细规格分，由操纵者按待安装部件选取。

3.可以在实物相应安装位置上标识总装工艺信息，包括：设备直属件代号、设备极性、紧固件规格、热敏电阻和加热器代号、其他特殊要求的文字描述。

本发明的另一目的在于提出一种基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引方法，该方法能够基于增强现实实现推进系统总装工艺信息与真实物理环境的自动匹配，引导工人完成推进系统总装操作。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，包括导引信息生成模块、结构舱板定位模块、导引信息可视化模块、导引状态控制模块，其中：

所述导引信息生成模块用于读取存储于外部的推进系统三维模型、结构舱板三维模型、管路热控三维模型、推进系统总装要求等信息，提取推进系统部件代号、附属直属件及紧固件、部件位置等信息，形成由这些各类信息构成的推进系统总装工艺信息集；推进系统总装工艺信息集供导引状态控制模块、结构舱板定位模块，以及导引信息可视化模块调用；

所述结构舱板定位模块用于计算工作场景中卫星结构舱板相对操作者的位姿参数，模块工作前，由操作者在卫星结构实体舱板上特定位置粘贴结构标识QR码，特定位置需与结构舱板三维模型上定义位置相同；模块开始工作后，首先通过识别结构标识QR码实现卫星舱板虚拟模型和实物的初始对齐，然后所述结构舱板定位模块通过SLAM技术，实时推算出卫星结构舱板的位姿参数，并将位姿参数提供至导引信息可视化模块；

所述导引信息可视化模块用于在航天器结构实体上叠加显示虚拟的工艺导引信息，导引信息可视化模块接受导引状态控制模块提供的导引指令选择显示的导引类型及具体内容，根据导引类型和具体内容与卫星的相对位姿关系和结构定位模块提供的卫星舱板位姿参数，计算虚拟物体在卫星结构实体中应处的位置，然后按所述位置对虚拟对象三维模型进行渲染和显示，对二维提示信息以面向操作者视角进行渲染并显示；

所述导引状态控制模块用于接收用户的操作指令，查询由导引信息生成模块提供的推进系统总装工艺信息集，按既定的逻辑控制导引信息可视化模块对工艺导引信息进行显示；所述导引状态控制模块接收操作指令后，按代号查询由导引信息生成模块提供的推进系统总装工艺信息集，根据预定义的安装规则控制导引信息可视化模块，分步骤分类对推进系统总装信息进行展示，在推进系统总装导引过程中，导引状态控制模块记录总装实施的进度，使用户中断导引后能够从中断的步骤继续在导引下进行操作。

其中，所述导引状态控制模块按推进系统总装设置步骤，先后为管路焊装前推进设备支架安装、推进设备安装、各种类型管路支架安装、各种类型管路卡箍安装；管路焊装后管路粘贴热敏电阻、管路安装加热器、焊连加热回路、包覆温控多层。

进一步地，可显示的信息类型包括三维模型类和提示信息类。

进一步地，三维模型类包括(1)管路网及舱板结构三维模型；(2)推进设备三维模型；(3)直属件三维模型；(4)管路热敏电阻及加热器三维模型。

进一步地，提示信息类包括(1)推进设备代号、极性及其附属信息提示；(2)直属件代号及附属信息提示；(3)热敏电阻及加热器代号及位置提示；(4)其他特殊要求的文字描述。

本发明的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引方法，包括以下步骤：

1)导引准备步骤，由从外部获取数据并生成推进系统总装工艺信息集，由操作者在卫星结构舱板上特定位置粘贴结构标识QR码，特定位置需与结构舱板三维模型定义位置相同；

2)虚实对齐检测步骤，读取结构舱板三维模型，通过识别结构标识QR码的位姿信息实现卫星结构虚拟模型和实物的初始对齐，然后通过SLAM方法实时推算出卫星结构舱板的位姿参数，并将位姿参数实时传递并进行导引信息的可视化，通过导引信息可视化获得舱板结构虚拟模型和实物的融合显示，通过比较舱板边缘误差可对虚实对齐进行检测；

3)导引展示步骤，确认命令类型后，从推进系统总装工艺信息集中将需要展示的信息进行导引信息可视化，根据持续提供的舱板实时位姿参数，将虚拟模型和提示信息与卫星实物进行融合展示并根据展示内容进行装配导引。

其中，推进系统总装工艺信息集包括推进系统三维模型、结构舱板三维模型、管路热控三维模型、推进系统总装要求等信息，提取推进系统部件代号、附属直属件及紧固件、部件位置等信息。

本系统的优点及有益效果为：

1.提高了复杂航天器装配场景下推进系统总装效率，消除了操作者在实际航天器舱体中对种类繁多的部件安装位置和极性信息进行理解和比对的需求，通过导引系统对仪器、直属件、热敏电阻、加热器进行分类快速安装。

2.减少了航天器推进系统部件安装差错发生概率，通过精确的三维模型位置显示、安装工艺信息提示，保证仪器直属件安装及热控元器件粘贴、加热回路焊连按设计意图正确实施。

3.简化了导引工艺信息的预定义过程，能够根据既有航天器推进系统机械装配和热控三维模型批量化生成导引所需的推进系统总装工艺信息集，提高了推进系统总装及热控工艺信息查询及检测的便捷性。

4.实现了基于推进系统总装流程的部件分步骤分类显示，提高了推进系统总装导引系统的工艺指导性和总装实施结果检查的便捷性。

附图说明

图1为本发明的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统结构示意图及数据流程图；

图2为本发明的导引系统实施中推进系统的总装流程图；

图3为本发明的导引系统实施中推进系统设备及直属件安装示例；

图中：1、舱板，2、结构标识QR码，3、管路，4、设备a支架，5、设备a，6、设备b，7、单管支架，8、单管卡箍，9、双管支架，10、双管卡箍。

图4为本发明的导引系统实施中推进系统热控元件安装示例。

图中：41、管路，42、热敏电阻，43、设备，44、加热带，45、加热片，46、温控多层。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的火星表面热环境模拟系统进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的的保护范围进行任何限制。

本发明的一种具体实施方式如下：

本实施方案的系统安装于一类增强现实装置，该类装置除了集成常规计算机的数据读写、运算、存储、交互功能外，还须具备可以采集用户视场图像的摄像头，以及在用户视场内进行叠加显示的图像投影器。

除本发明系统及增强现实装置外，实现本实施方案还需要一个待安装推进系统的航天器结构、结构标识QR码以及与前述航天器对应的推进系统总装工艺外部数据；推进系统总装工艺外部数据包括推进系统三维模型、结构舱板三维模型、管路热控三维模型和推进系统总装要求。其中，推进系统三维模型包括推进系统所有设备、管路、直属件模型，直属件包括设备支架、管路支架、管路卡箍、热控垫等，管路支架包括单管支架、双管支架、三管支架等，卡箍包括单管卡箍、双管卡箍、三管卡箍等；管路热控三维模型包括推进系统热敏电阻、设备上粘贴的加热片、管路上缠绕的加热带、焊连的加热回路、多层隔热组件。推进系统总装要求为对推进系统总装注意事项的文字性描述，例如“推力器在安装时，尽量避免喷管出口的方向指向天空”。

本实施方案的系统工作前，由操作者完成下述标记工作：在卫星结构舱板1上特定位置粘贴结构标识QR码2，特定位置需与结构三维模型定义位置相同。

本实施方案的系统工作时，导引信息生成模块用于读取存储于外部的推进系统三维模型、结构舱板三维模型、管路热控三维模型、推进系统总装要求等信息，提取推进系统部件代号、附属直属件及紧固件、部件位置等信息，形成推进系统总装工艺信息集。推进系统总装工艺信息集供导引状态控制模块、结构舱板定位模块，以及导引信息可视化模块调用。

本实施方案的系统工作时，结构舱板定位模块用于计算工作场景中卫星结构舱板相对操作者的位姿参数。该模块首先通过识别结构标识QR码2实现卫星舱板虚拟模型和实物的初始对齐，然后通过SLAM技术实时推算出卫星结构舱板的位姿参数，并将该参数提供至导引信息可视化模块。

本实施方案的系统工作时，导引信息可视化模块用于在航天器结构实体上叠加显示虚拟的工艺导引信息。可显示的信息类型包括三维模型类和提示信息类，三维模型类包括(1)管路网及舱板结构三维模型；(2)推进设备三维模型；(3)直属件三维模型；(4)管路热敏电阻及加热器三维模型。提示信息类包括(1)推进设备代号、极性及附属信息提示；(2)直属件代号及附属信息提示；(3)热敏电阻及加热器代号及位置提示；(4)其他特殊要求的文字描述；该模块接受导引状态控制模块提供的导引指令选择显示的导引类型及具体内容，根据导引内容与卫星的相对位姿关系和结构定位模块提供的卫星舱板位姿参数，计算虚拟物体在卫星结构实体中应处的位置，然后按该位置对虚拟对象三维模型进行渲染和显示，对二维提示信息以面向操作者视角进行渲染并显示。

本实施方案的系统工作时，导引状态控制模块用于接收用户的操作指令，查询由导引信息生成模块提供的推进系统总装工艺信息集，按既定的逻辑控制导引信息可视化模块对工艺导引信息进行显示。用户操作指令及对应的控制逻辑包括：(1)管路网及舱板结构显示控制指令：该指令用于在导引过程中控制管路网及舱板结构的显示和隐藏，通过管路网的显示可以在管路未安装前复核推进系统设备及直属件安装位置及方向的正确性，通过舱板结构的显示可以复核卫星虚拟模型和实物的对齐精度；(2)推进系统设备及直属件安装信息展示指令：该模块接收由用户提供的推进系统设备及直属件代号，并按代号查询由导引信息生成模块提供的推进系统总装工艺信息集，然后控制导引信息可视化模块在相应位置展示推进设备及直属件代号、安装极性、紧固件信息。(3)管路热控器件安装信息展示指令：该模块接收由用户提供的热敏电阻、加热片、加热带的代号，并按代号查询由导引信息生成模块提供的推进系统总装工艺信息集，然后控制导引信息可视化模块在相应位置展示该热敏电阻或加热器的三维模型和代号。该模块接收该指令后，按代号查询由导引信息生成模块提供的推进系统总装工艺信息集，根据预定义的安装规则控制导引信息可视化模块，分步骤分类对推进系统总装信息进行展示，分步骤分类的先后顺序为(1)设备支架模型、代号及附属信息提示(2)设备模型、代号及附属信息提示(3)管路支架模型、代号及附属信息提示(4)管路卡箍模型、代号及附属信息提示(5)热敏电阻模型、代号提示(6)加热器模型、代号提示(7)加热回路包含的加热器模型、代号提示(8)管路温控多层模型、代号提示，附属信息主要包括属于该部件的热控垫、紧固件、其他特殊要求的文字描述等信息。每类部件再按详细规格由操纵者按待安装部件选取。航天器结构交付到管路焊接前总装工作依次为安装设备支架、设备、管路支架和管路卡箍，此阶段操纵者可根据已经物料齐套的部件选择对应类别下的相应代号，设备a支架4属设备支架类，设备a5、设备b6属设备类，单管支架7、双管支架9属管路支架类，单管卡箍8、双管卡箍10属管路卡箍类，如操纵者选择管路支架中的双管支架9，则控制导引信息可视化模块对双管支架9模型、双管支架9代号提示、双管支架9热控垫信息提示、双管支架9紧固件信息提示在双管支架9安装位置附近显示。管路焊接后总装工作依次为粘贴热敏电阻、安装加热器、焊连加热回路和安装温控多层，如操纵者在对管路41和设备43进行热控实施时，选择热敏电阻类，则控制导引信息可视化模块对热敏电阻42模型和代号提示在热敏电阻42安装位置附近显示。选择加热器类，则控制导引信息可视化模块对加热带44、加热片45模型和代号提示在加热器安装位置附近显示。选择加热回路类，则控制导引信息可视化模块除了显示相应加热回路涉及的加热器模型和代号，还显示加热器串并联关系图。选择温控多层类，则控制导引信息可视化模块对温控多层46模型和代号提示在多层安装位置附近显示。在推进系统总装导引过程中，该模块记录总装实施的进度，使用户中断导引后能够从中断的步骤继续在导引下进行操作。

实施方案的系统工作时，各模块间是相互配合、关联的，具体表现为：

导引准备阶段，由导引信息生成模块从外部获取数据并生成推进系统总装工艺信息集，由操作者在卫星结构舱板上特定位置粘贴结构标识QR码，特定位置需与结构舱板三维模型定义位置相同。

虚实对齐检测阶段，操作者开启系统后，结构舱板定位模块读取结构舱板三维模型，通过识别结构标识QR码的位姿实现卫星结构虚拟模型和实物模型的初始对齐，然后通过SLAM技术实时推算出卫星结构舱板的位姿参数，并将位姿参数实时传递至导引信息可视化模块，通过导引信息可视化模块生成舱板结构虚拟模型和实物的融合显示，通过比较舱板边缘误差可对虚实对齐效果进行检测，检测合格后可进入导引展示阶段。

导引展示阶段，导引状态控制模块向操作者确认命令类型后，从推进系统总装工艺信息集中将需要展示的信息发送至导引信息可视化模块；导引信息可视化模块根据结构舱板定位模块持续提供的舱板实时位姿参数，将虚拟模型和提示信息与卫星实景进行融合展示。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，包括导引信息生成模块、结构舱板定位模块、导引信息可视化模块、导引状态控制模块，其中：

所述导引信息生成模块用于读取存储于外部的推进系统三维模型、结构舱板三维模型、管路热控三维模型、推进系统总装要求信息，提取推进系统部件代号、附属直属件及紧固件、部件位置信息，形成由这些各类信息构成的推进系统总装工艺信息集；推进系统总装工艺信息集供导引状态控制模块、结构舱板定位模块以及导引信息可视化模块调用；

所述结构舱板定位模块用于计算工作场景中卫星结构舱板相对操作者的位姿参数，模块工作前，由操作者在卫星结构实体舱板上特定位置粘贴结构标识QR码，特定位置需与结构舱板三维模型上定义位置相同；模块开始工作后，首先通过识别结构标识QR码实现卫星舱板虚拟模型和实物的初始对齐，然后所述结构舱板定位模块通过SLAM技术，实时推算出卫星结构舱板的位姿参数，并将位姿参数提供至导引信息可视化模块；

所述导引信息可视化模块用于在航天器结构实体上叠加显示虚拟的工艺导引信息，导引信息可视化模块接受导引状态控制模块提供的导引指令选择显示的导引类型及具体内容，根据导引类型和具体内容与卫星的相对位姿关系和结构定位模块提供的卫星舱板位姿参数，计算虚拟物体在卫星结构实体中应处的位置，然后按所述位置对虚拟对象三维模型进行渲染和显示，对二维提示信息以面向操作者视角进行渲染并显示；

所述导引状态控制模块用于接收用户的操作指令，查询由导引信息生成模块提供的推进系统总装工艺信息集，按既定的逻辑控制导引信息可视化模块对工艺导引信息进行显示；所述导引状态控制模块接收操作指令后，按代号查询由导引信息生成模块提供的推进系统总装工艺信息集，根据预定义的安装规则控制导引信息可视化模块，分步骤分类对推进系统总装信息进行展示，在推进系统总装导引过程中，导引状态控制模块记录总装实施的进度，使用户中断导引后能够从中断的步骤继续在导引下进行操作。

2.如权利要求1所述的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，其中，所述导引状态控制模块按推进系统总装设置步骤，先后为管路焊装前推进设备支架安装、推进设备安装、各种类型管路支架安装、各种类型管路卡箍安装；管路焊装后管路粘贴热敏电阻、管路安装加热器、焊连加热回路、包覆温控多层。

3.如权利要求1或2所述的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，其中，可显示的信息类型包括三维模型类和提示信息类。

4.如权利要求3所述的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，其中，三维模型类包括（1）管路网及舱板结构三维模型；（2）推进设备三维模型；（3）直属件三维模型；（4）管路热敏电阻及加热器三维模型。

5.如权利要求3所述的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，其中提示信息类包括（1）推进设备代号、极性及其附属信息提示；（2）直属件代号及附属信息提示；（3）热敏电阻及加热器代号及位置提示；（4）其他特殊要求的文字描述。

6.基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引方法，包括以下步骤：

1）导引准备步骤，由从外部获取数据并生成推进系统总装工艺信息集，由操作者在卫星结构舱板上特定位置粘贴结构标识QR码，特定位置需与结构舱板三维模型定义位置相同；

2）虚实对齐检测步骤，读取结构舱板三维模型，通过识别结构标识QR码的位姿信息实现卫星结构虚拟模型和实物的初始对齐，然后通过SLAM方法实时推算出卫星结构舱板的位姿参数，并将位姿参数实时传递并进行导引信息的可视化，通过导引信息可视化获得舱板结构虚拟模型和实物的融合显示，通过比较舱板边缘误差可对虚实对齐进行检测；

3）导引展示步骤，确认命令类型后，从推进系统总装工艺信息集中将需要展示的信息进行导引信息可视化，根据持续提供的舱板实时位姿参数，将虚拟模型和提示信息与卫星实物进行融合展示并根据展示内容进行装配导引。

7.如权利要求6所述的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，其中，推进系统总装工艺信息集包括三维模型类信息和提示类信息。

8.如权利要求7所述的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，其中，推进系统总装工艺信息集包括推进系统三维模型、结构舱板三维模型、管路热控三维模型、推进系统总装要求信息，提取推进系统部件代号、附属直属件及紧固件、部件位置信息。

9.如权利要求7所述的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，其中，三维模型类包括（1）管路网及舱板结构三维模型；（2）推进设备三维模型；（3）直属件三维模型；（4）管路热敏电阻及加热器三维模型。

10.如权利要求7所述的基于增强现实的航天器推进系统总体装配导引系统，其中提示信息类包括（1）推进设备代号、极性及其附属信息提示；（2）直属件代号及附属信息提示；（3）热敏电阻及加热器代号及位置提示；（4）其他特殊要求的文字描述。

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