CN110428503B - 基于增强现实的航天器ait阶段部件极性检查系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统，包括极性检查及信息生成模块、结构舱板定位模块、极性信息可视化模块、状态控制模块，极性检查及信息生成模块用于读取存储于外部的航天器总装三维模型并生成相应的部件极性工艺信息集以备其他模块调用；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所述参数提供至极性信息可视化模块；极性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极性信息，按所述位置对虚拟对象三维模型和文字信息进行渲染和显示；状态控制模块用于接收用户的操作指令，按既定的逻辑控制极性信息显示。本发明提高了复杂航天器AIT阶段部件极性信息查询及极性检查的便捷性，减小了极性检查过程需可视化的三维模型大小，提高了系统应用的流畅性。

Description

基于增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统

技术领域

本发明涉及航天器总装技术领域，具体涉及一种用于航天器AIT阶段部件极性检查的系统。

背景技术

航天器AIT指航天器系统极性装配、集成与测试，极性指产品特定的安装方向、安装位置、连接关系等。在航天器AIT阶段极性检查分过程检查和最终状态检查，过程检查在AIT各环节实施过程中执行，最终状态检查在AIT各环节实施完毕后执行，部件在测试过程中需反复装配时，每次实施完毕后都进行极性的再确认。航天器AIT阶段部件极性主要包括设备安装极性和热控元件粘贴极性，设备安装极性包括设备的安装位置和方向，热控元件包括热敏电阻、热电偶和加热器，热控元件粘贴极性主要指热控元件的安装位置。由于多数航天器属单件定制化生产模式，不同航天器的构型差异大，操作工况复杂，导致航天器总装严重依赖于手工作业。航天器设备和热控元件种类繁多布局分散，除了代号和位置要求一一对应，AIT极性也要求唯一，为了完成总装，工人必须从数据量庞大的二维图纸或三维模型中寻找装配对象的信息(包括仪器代号及位置方向极性、热控元件代号及位置等)，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，目前采用固定式计算机对总装信息进行展示。该类方法的缺点为：三维模型大导致获取极性信息操作复杂，而由于航天器舱体开放性差，检验人员仅凭对所需信息的记忆在舱内执行检查，需要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。由于航天器结构具有对称性，人工识别存在低效、易错的问题，显著降低了极性检查的效率。

为了提高航天器AIT阶段部件极性检查的效率，本发明拟采用增强现实方法，实现部件与真实物理环境的自动匹配，引导检验完成检查工作。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AIT阶段部件极性信息向可视化的增强现实交互式信息的自动转化问题。

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AIT阶段部件极性检查方法和系统，实现部件极性工艺信息与真实物理环境的自动匹配，引导检验人员完成极性检查操作，提高航天器部件极性检查的效率与质量。

本发明改善目标体现在以下几点：

1.提供虚实融合的航天器部件极性信息展示界面，替代基于图纸或三维模型的信息展示形式；

2.规范三维模型极性建模方式，简化极性检查展示界面。

在本发明一实施方式中，增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统，包括极性检查及信息生成模块、结构舱板定位模块、极性信息可视化模块、状态控制模块，其中，

极性检查及信息生成模块用于读取存储于外部的航天器总装三维模型，检查三维模型极性建模的规范性，规范性检查通过后，生成相应的部件极性工艺信息集；部件极性工艺信息集供状态控制模块、结构舱板定位模块，以及极性信息可视化模块调用；

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，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，然后所述模块通过SLAM方法，实时确定出卫星结构舱板的位姿参数，并将所述参数提供至极性信息可视化模块；

极性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极性信息，其接受状态控制模块提供的指令选择显示的对象，根据所述对象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(或脚印模型)和文字信息进行渲染和显示；

状态控制模块用于接收用户的操作指令，查询由极性检查及信息生成模块提供的部件极性工艺信息集，按既定的逻辑控制极性信息可视化模块对极性信息进行显示。

进一步地，状态控制模块按使用阶段和类型设置，状态控制模块接收操作指令后，按设备、阀件和热控元器件代号或类型查询由极性检查及信息生成模块提供的部件极性工艺信息集，根据预定义的方式控制极性信息可视化模块，对极性信息进行展示。

进一步地，可显示的极性信息类型包括模型类和文字信息类，模型类包括(1)设备脚印模型；(2)有极性要求的阀件三维模型；(3)热控元件三维模型；(4)结构舱板三维模型。文字信息类包括(1)R点标识；(2)设备代号；(3)阀件代号；(4)热控元件代号。

增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查方法，包括极性检查准备、虚实对齐检测和极性可视化检查三个步骤，具体包括：

极性检查准备步骤，从外部获取总装三维模型数据并生成部件极性工艺信息集，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方法实时确定出卫星结构舱板的位姿参数，并将位姿参数实时传递以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对虚实对齐效果进行检测；

极性可视化检查方法，向检验者确认命令类型后，从部件极性工艺信息集中将需要展示的信息进行发送，以根据舱板实时位姿参数，将虚拟模型和文字信息与卫星实物进行融合展示。

本系统的优点及有益效果为：

1.消除了检验人员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，确保现场检查依据传递的正确性；

2.模型检查模块通过规范三维模型极性建模方式，确保设计三维模型极性信息的完整性和规范性；

3.提高了复杂航天器AIT阶段部件极性信息查询及极性检查的便捷性；

4.减小了极性检查过程需可视化的三维模型大小，通过设备脚印二维模型代替设备三维模型展示，提高了系统应用的流畅性。

附图说明：

图1：本发明的增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统中系统模块与数据流程图；

图2：本发明的增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统中设备极性检查可视化示例；

图3：本发明的增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统中阀件极性检查可视化示例；

图4：本发明的增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统中热控元件极性检查可视化示例。

附图中符号说明

图2：图中1为舱板，2为设备，3为设备安装孔，4设备R孔。

图3：图中1为舱板，32为阀件，33为阀件方向标识。

图4：图中1为舱板，2为设备，43为热敏电阻，44为加热器，45为热电偶。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的适应于再入飞行器超高温热试验用加热模块装置进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

本发明的一具体实施方式如下：

本实施方案增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查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显示器。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总装的航天器结构、结构标识QR码以及与前述航天器对应的总装设计三维模型；其中，总装设计三维模型包含舱板结构三维模型、设备电缆装配三维模型和热控实施三维模型。

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，特定位置需与结构三维模型定义位置相同。

参见图1，图1显示了本发明的增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统中系统模块与数据流程图；其中，本发明的增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统，包括极性检查及信息生成模块、结构舱板定位模块、极性信息可视化模块、状态控制模块，极性检查及信息生成模块用于读取存储于外部的航天器总装三维模型，检查三维模型极性建模的规范性，规范性检查通过后，生成相应的部件极性工艺信息集；部件极性工艺信息集供状态控制模块、结构舱板定位模块，以及极性信息可视化模块调用；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，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，然后所述模块通过SLAM方法，实时确定出卫星结构舱板的位姿参数，并将所述参数提供至极性信息可视化模块；极性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极性信息，其接受状态控制模块提供的指令选择显示的对象，根据所述对象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(或脚印模型)和文字信息进行渲染和显示；状态控制模块用于接收用户的操作指令，查询由极性检查及信息生成模块提供的部件极性工艺信息集，按既定的逻辑控制极性信息可视化模块对极性信息进行显示。

在本实施方案的系统工作时，极性检查及信息生成模块用于读取存储于外部的航天器总装三维模型，检查三维模型极性建模的规范性，如设备R孔为设备安装孔之一，见图2示例，设备2代号为C01，共有4个安装孔3，其中4为设备R孔，R孔以特征点形式建模，每个设备必须有R孔标识且唯一；有极性要求的阀件方向标识需实体建模，见图3示例，阀件32代号为T01，实体模型上需有阀件方向标识33；热控元件实体对应唯一的代号，见图4示例，设备2上有1个热敏电阻43，代号为TMR001，1个加热器44，代号为G01，1个热电偶45，代号为TC01，热控元件代号为实体模型的一个特征参数。规范性检查通过后，生成相应的部件极性工艺信息集。部件极性工艺信息集供状态控制模块、结构舱板定位模块，以及极性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，并将该参数提供至极性信息可视化模块。

本实施方案的系统工作时，极性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极性信息。可显示的极性信息类型包括模型类和文字信息类，模型类包括(1)设备脚印模型；(2)有极性要求的阀件三维模型；(3)热控元件三维模型；(4)结构舱板三维模型。文字信息类包括(1)R点标识；(2)设备代号，如设备2代号C01；(3)阀件代号，如阀件32代号T01；(4)热控元件代号，如热敏电阻代号TMR001，加热器代号G01，热电偶代号TC01。该模块接受状态控制模块提供的指令选择显示的对象，根据对象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(或脚印模型)和文字信息进行渲染和显示。

本实施方案的系统工作时，状态控制模块用于接收用户的操作指令，查询由极性检查及信息生成模块提供的部件极性工艺信息集，按既定的逻辑控制极性信息可视化模块对极性信息进行显示。该模块按使用阶段和类型设置，用户操作指令及对应的控制逻辑包括：(1)舱板结构显示控制指令：该指令用于在检查前控制舱板结构的显示和隐藏，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)设备极性检查指令：该模块接收由用户提供的设备代号，并按代号查询部件极性工艺信息集，然后控制极性信息可视化模块在相应位置展示设备脚印模型、设备代号和R孔信息。(3)有极性要求的阀件极性检查指令：该模块接收由用户提供的阀件代号，并按代号查询部件极性工艺信息集，然后控制极性信息可视化模块在相应位置展示阀件模型(含阀件方向标识)和代号。(4)热控元件极性信息展示指令：该模块接收由用户提供的热敏电阻、加热器、热电偶的代号，并按代号查询部件极性工艺信息集，然后控制极性信息可视化模块在相应位置展示该热敏电阻、加热器、热电偶的三维模型和代号。

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：

极性检查准备阶段，由极性检查及信息生成模块从外部获取总装三维模型数据并生成部件极性工艺信息集，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，检测合格后可进入极性可视化检查阶段。

极性可视化检查阶段，状态控制模块向检验者确认命令类型后，从部件极性工艺信息集中将需要展示的信息发送至极性信息可视化模块；极性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，将虚拟模型和文字信息与卫星实物进行融合展示。

尽管上文对本发明专利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专利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，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查系统，包括极性检查及信息生成模块、结构舱板定位模块、极性信息可视化模块、状态控制模块，其中，

极性检查及信息生成模块用于读取存储于外部的航天器总装三维模型，检查三维模型极性建模的规范性，规范性检查通过后，生成相应的部件极性工艺信息集；部件极性工艺信息集供状态控制模块、结构舱板定位模块，以及极性信息可视化模块调用；

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，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，然后所述模块通过SLAM方法，实时确定出卫星结构舱板的位姿参数，并将所述参数提供至极性信息可视化模块；

极性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极性信息，其接受状态控制模块提供的指令选择显示的对象，根据所述对象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或脚印模型和文字信息进行渲染和显示；

状态控制模块用于接收用户的操作指令，查询由极性检查及信息生成模块提供的部件极性工艺信息集，按既定的逻辑控制极性信息可视化模块对极性信息进行显示。

2.如权利要求1所述的系统，其中，状态控制模块按使用阶段和类型设置，状态控制模块接收操作指令后，按设备、阀件和热控元器件代号或类型查询由极性检查及信息生成模块提供的部件极性工艺信息集，根据预定义的方式控制极性信息可视化模块，对极性信息进行展示。

3.如权利要求1-2任一项所述的系统，其中，可显示的极性信息类型包括模型类和文字信息类。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述模型类包括（1）设备脚印模型；（2）有极性要求的阀件三维模型；（3）热控元件三维模型；（4）结构舱板三维模型。

5.如权利要求3所述的系统，其中，所述文字信息类包括（1）R点标识；（2）设备代号；（3）阀件代号；（4）热控元件代号。

6.增强现实的航天器AIT阶段部件极性检查方法，包括极性检查准备、虚实对齐检测和极性可视化检查三个步骤，具体包括：

极性检查准备步骤，从外部获取总装三维模型数据并生成部件极性工艺信息集，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方法实时确定出卫星结构舱板的位姿参数，并将位姿参数实时传递以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对虚实对齐效果进行检测；

极性可视化检查方法，向检验者确认命令类型后，从部件极性工艺信息集中将需要展示的信息进行发送，以根据舱板实时位姿参数，将虚拟模型和文字信息与卫星实物进行融合展示。

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