CN113618723A - 一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，属于辅助装配系统技术领域；一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，包括有云储存模块、工程数据模块、虚实融合模块和人机交互模块；云储存模块，通过模型转换将创建的板块模型转换为AB模型，然后建立xml文件，并将其储存在网络网盘中；工程数据模块，储存船舶小组立装配过程中产生的实时数据和UI显示数据；虚实融合模块，利用Vuforia扩增实境软件开发工具包进行三维注册；人机交互模块，对船舶小组立装配过程的装配操作进行编程；本发明一方面能够加快员工对于装配信息的获取，另一方面能够降低装配过程板件装配位置的调整时间，大大提高船舶小组立装配的效率。
Description
技术领域
本发明涉及辅助装配系统技术领域，特别是涉及一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统。
背景技术
为加快智能制造，提高效率和生产水平，大多数船舶公司都在将工业4.0原则转移到造船厂，以便改造成全新的智能造船厂。他们探索着将传感、物联网(IoT)、机器人技术、网络物理系统(CPS)等应用到先进船舶制造领域，以便提高船舶制造的效率。增强现实技术便是提高造船厂中许多流程效率的方向之一。
造船领域的不断改革创新也必将改变工人和相关技术人员的工作方式，对于员工的知识储备和技能要求也在不断提升。为实现智能制造，它们必须配备作为人机通信和协作接口的设备，甚至作为有助于优化其行动的决策支持系统(DSS)，这将在一定程度上提高操作人员的工作效率，同时降低工人工作压力。特殊工业增强现实(IAR)是一种由增强现实衍生出的新技术，它提供强大的工具，支持执行任务的操作员，帮助他们完成装配任务、上下文感知协助、数据可视化和交互(充当人机界面(HMI))、室内定位，维修申请，质量控制或材料管理。
为推动造船厂的工业4.0进程，于2015年底，Navantia与科鲁尼亚大学(UDC)一起创办了协同研究单位“Navantia UDC”，探索不同现代化工业技术应用于造船厂上的利与弊，最终确定一条具有极大优越性的造船路线，也就是应用如今的“工厂信息和增强现实”技术，把工业增强现实融入到先进船舶制造领域中。
在贯彻工业4.0造船厂的进程中，小组立装配的高效化无疑成为重点研究对象之一。船舶分段小组立是船舶装配过程中逐渐形成的一种高效生产模式，具体而言，便是在特定的场地，系统的对船舶最简单的船体结构构件进行集中焊接装配。为此，船舶分段小组立装配的工作就显得尤为重要，IAR技术也能为装配过程信息融合及其人机交互的实现提供巨大帮助。AR在船舶小组立上的应用能极大的提升装配效率，同时改善管理环境。
经对现有技术的文献检索发现，在船舶小组立制造领域，Olbrich等在《Augmentedreality pipe layout planning in the shipbuilding industry》中提到一种基于Vuforia开发的IAR应用场景，主要通过手机扫码在智能手机上进行管道特征信息的显示。通过在ARImage中进行信息存储，可以大大提高信息的存储量，还可通过网络技术对其信息进行及时更新，例如每个单独管道的材料，尺寸和目的地，操作人员都可利用IAR应用程序对信息进行及时获取
经对现有技术的文献检索发现，Andersen在文献《Task space HRI forcooperative mobile robots in fit-out operations inside ship superstructures》中描述了一种能够实现对船内焊接机器人智能控制的系统。该系统设计使用显示屏实现操作员与工作空间交互：操作员从机器人上的投影系统接收视觉信息，了解实际焊接过程，并利用无线控制器控制机器人进行远程焊接。
目前，国内造船厂对IAR的运用少之又少，处于一个初步阶段。针对于船舶小组立的AR辅助装配方面的解决方案还无人提出。船舶分段小组立装配过程中，由于图纸信息的获取与现实场景信息获取的同步效率较低，装配过程耗时长的问题还为得到一个很好的解决；鉴于此，本发明提出了一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于增强现实的船舶小组立智能辅助装配系统，充分结合了船舶小组立装配车间的工况，一方面能够加快员工对于装配信息的获取，另一方面能够降低装配过程板件装配位置的调整时间，大大提高船舶小组立装配的效率。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，包括有云储存模块、工程数据模块、虚实融合模块和人机交互模块；
云储存模块，包括有分段模型创建单元和装配场景储存单元，将船舶小组立装配过程中的所有板块进行建模，通过模型转换将创建的板块模型转换为AB模型，然后建立xml文件，并将其储存在网络网盘中；
工程数据模块，包括有静态数据单元和动态数据单元，储存船舶小组立装配过程中产生的实时数据和UI显示数据；
虚实融合模块，包括有虚实注册单元和工程数据可视化单元，利用Vuforia扩增实境软件开发工具包进行三维注册；
人机交互模块，包括有网络通信单元和多人协作单元，对船舶小组立装配过程的装配操作进行编程。
优选地，所述云储存模块功能的实现依托于与储存技术，用于降低系统储存负担。
优选地，所述工程数据模块功能的实现依托于SQL Server所创建的数据库信息模块，具体的创建过程为：
S1、常见连接通道：利用SqlConnection创建；
S2、告诉连接通道具体如何连接：建立SQL服务器地址名的字符串；
S3、指定连接通道进行连接：连接相应的数据库；
S4、因为连接对象只是一个对象还需要打开：Conn.Open()；
S5、创建需要执行的命令：创建Sql语句；
S6、执行命令的对象：数据库表中的数据；
S7、执行命令并返回值。
优选地，所述虚实融合模块通过Vuforia扩增实境软件开发工具包实现大场景在AR设备上的实时下载管理和在线渲染功能。
优选地，所述网络通信单元遵循TCP协议，所述TCP协议达成的前提是服务器与客户端成功连接，连接成功后服务器与客户端可实现数据共享。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，具备以下有益效果：
(1)本发明利用增强现实技术实现装配信息和工况信息的同步获取，大大提升装配工人工艺信息获取效率；
(2)集成有AR系统，为装配工作提供引导，大大降低装配员工的认知负担；
(3)能够对错误进行示警，大大降低了装配失误；
(4)能够实时储存装配信息，方便整个装配过程的回溯；
(5)具有多人协作装配功能，是对实际装配工况的极大适应。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统的基本组成示意图；
图2为本发明提出的一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统的虚拟场景创建流程示意图；
图3为本发明提出的一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统的数据库储存模块示意图；
图4为本发明提出的一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统的系统装配示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
请参阅图1-4，一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，包括有云储存模块、工程数据模块、虚实融合模块和人机交互模块；
云储存模块，包括有分段模型创建单元和装配场景储存单元，将船舶小组立装配过程中的所有板块进行建模，通过模型转换将创建的板块模型转换为AB模型，然后建立xml文件，并将其储存在网络网盘中；
工程数据模块，包括有静态数据单元和动态数据单元，储存船舶小组立装配过程中产生的实时数据和UI显示数据；
虚实融合模块，包括有虚实注册单元和工程数据可视化单元，利用Vuforia扩增实境软件开发工具包进行三维注册；
人机交互模块，包括有网络通信单元和多人协作单元，对船舶小组立装配过程的装配操作进行编程。
云储存模块功能的实现依托于与储存技术，用于降低系统储存负担。
工程数据模块功能的实现依托于SQL Server所创建的数据库信息模块，具体的创建过程为：
S1、常见连接通道：利用SqlConnection创建；
S2、告诉连接通道具体如何连接：建立SQL服务器地址名的字符串；
S3、指定连接通道进行连接：连接相应的数据库；
S4、因为连接对象只是一个对象还需要打开：Conn.Open()；
S5、创建需要执行的命令：创建Sql语句；
S6、执行命令的对象：数据库表中的数据；
S7、执行命令并返回值。
虚实融合模块通过Vuforia扩增实境软件开发工具包实现大场景在AR设备上的实时下载管理和在线渲染功能。
网络通信单元遵循TCP协议，TCP协议达成的前提是服务器与客户端成功连接，连接成功后服务器与客户端可实现数据共享。
本发明利用增强现实技术实现装配信息和工况信息的同步获取，大大提升装配工人工艺信息获取效率；同时集成有AR系统，为装配工作提供引导，大大降低装配员工的认知负担；除此之外，能够对错误进行示警，大大降低了装配失误；能够实时储存装配信息，方便整个装配过程的回溯；更进一步地，具有多人协作装配功能，是对实际装配工况的极大适应。
实施例2：
请参阅图1-4，基于实施例1但有所不同之处在于，
一种基于增强现实的船舶小组立智能装配辅助系统，包括有云储存模块、工程数据模块、虚实融合模块和人机交互模块；
云储存模块，通过Unity进行虚拟场景的构建，将真实比例的船舶小组立板块模型进行渲染，为其添加shader,使其拥有更好的光照效果，便于虚实结合的过程更加真实；利用云存储技术进行模型的存储，降低系统内存占比，模型渲染过程，通过网络通信技术进行模型在线下载；根据船舶小组板块的真实信息在世界坐标和局部坐标进行UI的设计，实现装配信息的实时表达；根据装配工艺进行ANIMATION的设计，实现装配过程的实时引导，提升装配效率，降低装配失误率和装配事故的发生。
工程数据模块，利用数据库进行装配信息的实时存储，通过算法进行错误的检测和在线警告，降低装配的失误及后期发生事故的回溯；通过传感技术实现装配位置的采集，利用网络通信技术实现装配板块坐标信息的实时更新，帮助装配工人进行快速定位，提升装配效率。
虚实融合模块，利用Vuforia实现AR场景的三维跟踪，系统运行过程通过ARCamera对ARImage的实时跟踪注册，实现虚拟场景的呈现。
人机交互模块，通过网络通信技术和设备校准实现多台设备的虚拟共享，使得整个系统能够实现不同设备的兼容，实现多人协作装配任务。
本发明提出的一种基于增强现实的船舶小组立智能辅助装配系统，充分结合了船舶小组立装配车间的工况，一方面能够加快员工对于装配信息的获取，另一方面能够降低装配过程板件装配位置的调整时间，大大提高船舶小组立装配的效率；本发明可用于对于船舶分段小组立装配人员的培训，可大大降低培训时间；通过AR技术将组装步骤在装配人员眼前显示，一个新人能够快速熟悉装配过程；相比于单一图纸信息，依靠装配经验，AR的智能提示和实时交互功能能让信息获取更便捷，也使得装配过程变得更有趣，更高效；同时通过算法进行错误示警，也能够避免一些装配失误，降低装配成本，且该系统支持多人协作装配，满足实际装配工况要求。
实施例3：
请参阅图1-4，基于实施例1-2但有所不同之处在于，
一种基于增强现实的船舶智能辅助装配系统，如图1所示，包括：云存储模块，主要通过将船舶小组立装配过程的所有板块的模型进行创建，通过模型转换转换为AB模型，然后建立xml文件在阿里云进行存储；
工程数据模块，主要存储装配过程的产生的实时数据，和UI显示数据；
虚实融合模块，主要利用vuforia进行三维注册；
人机交互模块，通过对装配过程中涉及的装配操作进行编程，主要涉及到网络通信功能。
三维注册技术的主要功能是利用计算机技术识别摄像机相对于真实场景的位置，然后将虚拟场景根据相对位置进行实时显示，并在智能显示设备上显示叠加后的复合场景，实现三维注册。在AR智能辅助装配系统开发过程中，主要是基于计算机视觉进行三维注册，不同现有的基于Marker的跟踪识别技术，系统开发者能够利用Vuforia插件实现AR场景的三维跟踪技术。对于基于Vuforia的虚拟场景的开发，首先需要先在其官网获取一个针对项目的许可证，也就是一条字符串命令，从而开放Vuforia Behaviour脚本。在脚本开放后，通过ARImage的建立,将图片信息进行数据库存储并添加到场景中，这也是其图像识别过程的信息对比库，最终ARCamera在实际场景中的位置便是根据对ARImage实时跟踪实现的。后期场景的模型便是添加在ARCamera上，作为其子物体，在其相对位置进行精准显示。
如图2所示，主要为虚拟场景的创建过程：
A1、场景添加：建立场景后，添加虚拟相机和定位图片提取的特征点数据库，依据上述AR场景开发，建立AR环境基础，保证AR的显示功能正常实现。
A2、模型的导入：将FBX格式的模型从文件夹导入，依据Unity场景坐标尽行布局，模型位置相对ARImage的位置就是其中现实场景中的位置。
A3、预制体制作：预制体就是可复制的模型，通过脚本的Instantiate可以实现模型的特定位置的现实
A4、Mesh Collider的添加：在人机交互过程中，为识别操作人员的控制对象，需要对物体进行碰撞检测，这就必须为场景中物体附加Collider属性。这也为后期实现手动装配做准备。
A5、触发器添加：对工件进行触发器添加可实现触发功能，当进行点击过程中，可实现Aminiation触发进行动画显示，这里的动画便是实际的装配动画
A6、脚本控制：通过在场景物体上添加脚本对其进行命令控制如图2-4所示。
A7、UI添加：为实现信息显示，必须在场景中添加Trigger,Scrollview等控件。这里我们不仅仅利用Word Space还添加了Screen Space,为了实现整体和局部两方面的UI显示。
网络通讯的实现过程如下：
TCP协议达成的前提是服务器与客户端成功连接，连接成功后服务器与客户端便能实现数据共享。这里通过控制台应用程序建立服务器脚本：
B1、新建Socket,进行IP地址跟端口号的绑定。
B2、监听并判断客户端是否发起连接。
B3、连接并接受客户端数据。
B4、传递数据给客户端。
这里为了方便对客户端的信息处理，通过新建一个类，将其处理过程从主程序转移到类中进行处理。在信息接受过程中需要获取数据的长度，从而提高数据接受的效率。
为建立完整的通信过程，把客户端建立在Unity脚本中，用于数据的上传，其脚本建立过程类似服务器的创建，在上传数据的过程中需要利用UTF8这个方法将字符串数据转化为二进制数据。
为了保证通信成功，必须开放电脑的端口号。在实际测试过程中，先将服务器打开，然后开启客户端AR场景，在验证连接的测试上可以进行简单数据的传递，这里我利用Unity中的按键附加对应的方法进行检测，通过点击场景中的按钮来调用方法的执行，向服务器中发送一条信息。
在网络通信连接实现的基础上，通过TcpServer.Listen()方法能够同时进行多个客户端的连接，可以通过建立独立的Client类对信息进行处理，当客户端利用Send(message)方法将信息发送给服务器后，服务器利用Client类对信息进行编译后发送给其他客户端，最终实现信息或命令的传递。
如图3所示，数据库信息模块的功能实现：
SQL Server能够提供建立数据库的平台，并利用Sql命令对数据进行管理。通过SQL Server数据库我们能够更好的管理AR场景中需要显示的信息，通过SQL Server—服务器---Unity方式进行数据的传递。这里存在一个问题，由于Unity没有相关命名空间的引用，无法对相关数据库进行调用，所以不能直接在Unity中直接访问数据库，但可以通过服务器进行连接，效率更高，更易于操作。
创建过程：
C1、创建连接通道：利用SqlConnection创建。
C2、告诉连接通道具体如何连接：建立SQL服务器地址名的字符串。
C3、指定连接通道进行连接：连接相应的数据库。
C4、因为连接对象只是一个对象还需要打开：Conn.Open()。
C5、创建需要执行的命令：创建Sql语句。
C6、执行命令的对象：数据库表中的数据。
C7、执行命令并返回值。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，其特征在于，包括有云储存模块、工程数据模块、虚实融合模块和人机交互模块；
云储存模块，包括有分段模型创建单元和装配场景储存单元，将船舶小组立装配过程中的所有板块进行建模，通过模型转换将创建的板块模型转换为AB模型，然后建立xml文件，并将其储存在网络网盘中；
工程数据模块，包括有静态数据单元和动态数据单元，储存船舶小组立装配过程中产生的实时数据和UI显示数据；
虚实融合模块，包括有虚实注册单元和工程数据可视化单元，利用Vuforia扩增实境软件开发工具包进行三维注册；
人机交互模块，包括有网络通信单元和多人协作单元，对船舶小组立装配过程的装配操作进行编程。
2.根据权利要求1所述的一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，其特征在于，所述云储存模块功能的实现依托于与储存技术，用于降低系统储存负担。
3.根据权利要求1所述的一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，其特征在于，所述工程数据模块功能的实现依托于SQL Server所创建的数据库信息模块，具体的创建过程为：
S1、常见连接通道：利用SqlConnection创建；
S2、告诉连接通道具体如何连接：建立SQL服务器地址名的字符串；
S3、指定连接通道进行连接：连接相应的数据库；
S4、因为连接对象只是一个对象还需要打开：Conn.Open()；
S5、创建需要执行的命令：创建Sql语句；
S6、执行命令的对象：数据库表中的数据；
S7、执行命令并返回值。
4.根据权利要求1所述的一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，其特征在于，所述虚实融合模块通过Vuforia扩增实境软件开发工具包实现大场景在AR设备上的实时下载管理和在线渲染功能。
5.根据权利要求1所述的一种基于增强现实的船舶小组立辅助装配系统，其特征在于，所述网络通信单元遵循TCP协议，所述TCP协议达成的前提是服务器与客户端成功连接，连接成功后服务器与客户端可实现数据共享。
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