本發(fā)明屬于飛行器維修保障技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于沉浸式虛擬仿真的維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

直升機(jī)是一種具有高度機(jī)動(dòng)性的特種飛行器，它既可以垂直起降，也可以貼地飛行，還可以在空中懸停、側(cè)飛和后退，這都是一般固定翼飛行器無法做到的。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中都有很大的潛在市場(chǎng)，可廣泛用于短程運(yùn)輸、抗災(zāi)救援、航拍、滅火、海上搜索救援、追捕逃犯等。而軍事上可用于運(yùn)輸、戰(zhàn)術(shù)支援、偵察、通信指揮、以及救援等。隨著國(guó)家低空空域的逐步開放，直升機(jī)將引來“井噴式”的發(fā)展階段。

直升機(jī)研制中旋動(dòng)部件多、試驗(yàn)仿真難度大、總體布局和氣動(dòng)設(shè)計(jì)復(fù)雜等特點(diǎn)，研制過程中存在著大量的工程協(xié)調(diào)、評(píng)估工作，如維護(hù)性評(píng)估和驗(yàn)證等。傳統(tǒng)意義上的工程協(xié)調(diào)是通過使用物理樣機(jī)等來完成的，這需要工程設(shè)計(jì)人員制造相應(yīng)的實(shí)物樣機(jī)，在這種模式下，物理樣機(jī)設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)，工程協(xié)調(diào)效率低。隨著直升機(jī)設(shè)計(jì)要求越來越高，變型設(shè)計(jì)越來越多，設(shè)計(jì)改進(jìn)越來越快，傳統(tǒng)意義上的基于實(shí)物樣機(jī)的維修性評(píng)估等應(yīng)用已經(jīng)不能夠滿足直升機(jī)研制需求。

近年來，隨著投影技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，基于投影的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。特別是在世界上知名的大型直升機(jī)制造企業(yè)，如波音、洛克希德馬丁和空客公司，汽車制造企業(yè)，如通用、福特、豐田和奔馳等都建有多套各種類型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)很多高等院校、汽車廠商、科研院所已各自建立了不同水平沉浸式虛擬可視化環(huán)境，用于虛擬產(chǎn)品的體驗(yàn)和工程評(píng)估應(yīng)用。在工程中采用沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)，利用其強(qiáng)沉浸感、真實(shí)感、交互體驗(yàn)和虛擬可視化的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高基于數(shù)字樣機(jī)的維修性分析、仿真、評(píng)估等應(yīng)用效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了解決直升機(jī)設(shè)計(jì)中維修性薄弱環(huán)節(jié)，提出一種基于沉浸式虛擬仿真的維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估方法。

技術(shù)方案：一種基于沉浸式虛擬仿真的維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估方法，其特征是在沉浸式虛擬環(huán)境中仿真維修活動(dòng)，對(duì)產(chǎn)品的維修性設(shè)計(jì)水平進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估和驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證得到的數(shù)據(jù)，既可計(jì)算維修性定量指標(biāo)符合性情況，又可驗(yàn)證是否滿足維修性定性要求，通過綜合權(quán)衡，驗(yàn)證其維修性是否達(dá)到指標(biāo)的要求，具體包括以下步驟：

第一步：構(gòu)建沉浸式虛擬仿真環(huán)境

1.1、構(gòu)建一套四面/五面背投投影系統(tǒng)作為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，提供具有沉浸感的樣機(jī)可視化、交互式的虛擬仿真評(píng)估環(huán)境，采用觸覺反饋數(shù)據(jù)手套為操作者提供觸覺反饋，通過光學(xué)跟蹤系統(tǒng)對(duì)仿真操作者進(jìn)行位置追蹤，并利用三維觸覺反饋交互手柄提供操作指令，為虛擬操作者提供一個(gè)高逼真度的完全沉浸的仿真環(huán)境；

1.2、創(chuàng)建虛擬資源模型庫(kù)，包括產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)、虛擬人體模型、虛擬保障工具/設(shè)備模型；

第二步：沉浸式虛擬維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估

在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過光學(xué)跟蹤系統(tǒng)和人體運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，在沉浸式虛擬維修仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高度沉浸感的人機(jī)工程仿真與人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)維修性定量評(píng)估和定性評(píng)估，并提出維修性改進(jìn)意見。

所述的第二步中維修性定量評(píng)估和維修性定性評(píng)估方法如下：

(1)維修性定量評(píng)估

沉浸式虛擬維修環(huán)境中，通過人機(jī)工程仿真與人機(jī)交互，對(duì)真實(shí)維修過程進(jìn)行全程仿真，并通過記錄各分解的基本維修單元的時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)算全過程維修時(shí)間；

(2)維修性定性評(píng)估

沉浸式虛擬維修環(huán)境中，將維修人員的人體靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型加入到虛擬維修環(huán)境中,以便實(shí)時(shí)地研究人與設(shè)備的可達(dá)性、可視性和可維護(hù)性；在有限的現(xiàn)場(chǎng)空間中,操作工具是否可達(dá),操作的舉起、推拉、提起以及轉(zhuǎn)動(dòng)的人力限度和空間限度,檢測(cè)各零部件、修理工具之間是否碰撞，檢測(cè)操作人員與零部件和工具間是否相干涉,通過上述評(píng)估工作，對(duì)可達(dá)性、可視性、可操作性、互換性、防差錯(cuò)、維修安全以及人素工程等維修性定性方面得出維修工作分析評(píng)價(jià)結(jié)果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程示意圖。

圖2為沉浸式虛擬仿真評(píng)估環(huán)境構(gòu)建示意圖。

有益效果

本發(fā)明利用虛擬維修技術(shù)進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)評(píng)估，不需要從物理上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和維修過程，從而克服了實(shí)物樣機(jī)制造周期長(zhǎng)，成本高，難以修改更新的不足。本文研究的直升機(jī)虛擬維修技術(shù)，是當(dāng)今直升機(jī)維修性設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向，其研究的基本方法和思路對(duì)開展直升機(jī)維修性設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步敘述。

a)基于沉浸式虛擬仿真的維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估流程研究

總結(jié)以往直升機(jī)型號(hào)的經(jīng)驗(yàn)，分析直升機(jī)研制階段的設(shè)計(jì)要求和重點(diǎn)，確定維修性設(shè)計(jì)工作項(xiàng)目，并結(jié)合維修性設(shè)計(jì)開展基于沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)的維修性驗(yàn)證的需求分析。根據(jù)直升機(jī)研制周期內(nèi)各個(gè)階段內(nèi)維修性驗(yàn)證的項(xiàng)目和方法，研究并制定基于沉浸式虛擬維修仿真系統(tǒng)的維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估工作流程。

b)如圖2所示，沉浸式虛擬仿真環(huán)境創(chuàng)建

沉浸式虛擬維修仿真環(huán)境的建立是動(dòng)態(tài)維修性評(píng)估技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心內(nèi)容，采用投影技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過在虛擬環(huán)境構(gòu)建實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。虛擬維修環(huán)境是進(jìn)行虛擬維修仿真驗(yàn)證的手段和基礎(chǔ)。

沉浸式虛擬維修仿真評(píng)估系統(tǒng)通過構(gòu)建一套四面/五面背投投影系統(tǒng)作為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，為維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估提供具有沉浸感的樣機(jī)可視化設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和演示的手段和環(huán)境。系統(tǒng)包括正面1通道，地面12通道，左右側(cè)面各為1通道，共4面4通道或5通道，采用背投形式，光譜立體。

沉浸式虛擬維修仿真環(huán)境由以下幾個(gè)方面組成：

1)圖形集成技術(shù)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)的計(jì)算、渲染、輸出高質(zhì)量的立體圖像，并實(shí)時(shí)的傳輸給投影系統(tǒng)，以及實(shí)時(shí)處理計(jì)算和渲染過程中的交互需求。

2)四/五通道投影顯示系統(tǒng)

實(shí)時(shí)顯示由圖像生成器產(chǎn)生的高質(zhì)量的立體圖像，通過專業(yè)的無縫拼接技術(shù)結(jié)合在一起，在屏幕上形成一幅高分辨率、高亮度的立體圖像，采用Infi tec光譜立體技術(shù)，為維修性評(píng)估人員提供一個(gè)大場(chǎng)景立體瀏覽和信息豐富的視覺環(huán)境。

3)中央控制和信號(hào)切換管理系統(tǒng)

用于控制和管理整個(gè)虛擬維修仿真評(píng)估系統(tǒng)中大量的設(shè)備，包括音頻、視頻、環(huán)境光等不同的設(shè)備，對(duì)各種信號(hào)源進(jìn)行快速切換，統(tǒng)一管理和操作不同的設(shè)備。

4)虛擬外部設(shè)備

虛擬維修仿真評(píng)估系統(tǒng)通過虛擬外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)逼真的沉浸感和人機(jī)交互，包括可穿戴光學(xué)跟蹤套件、數(shù)據(jù)手套及三維觸覺反饋交互手柄等。

可穿戴光學(xué)跟蹤套件能夠?qū)崟r(shí)確定評(píng)估人員身體各部位在空間坐標(biāo)的位置信息，以適應(yīng)應(yīng)用軟件的定位需求。

數(shù)據(jù)手套通過分布在數(shù)據(jù)手套每個(gè)手指上的彎曲傳感器、外展傳感器，再加上測(cè)量大拇指交叉、手掌拱彎、手腕翻轉(zhuǎn)和外展的傳感器，能精確地測(cè)量手指和腕部的位置和運(yùn)動(dòng)。

三維觸覺反饋交互手柄是用于虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的無線式交互設(shè)備，可讓評(píng)估人員在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中輕易地操作3D對(duì)象，并通過虛擬環(huán)境中的約束關(guān)系和碰撞檢測(cè)，通過設(shè)置各種振動(dòng)類型，實(shí)現(xiàn)三維空間中的觸覺反饋。

5)應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是實(shí)施本系統(tǒng)功能的必要且重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)應(yīng)用軟件包括開發(fā)工具包、中間件、外設(shè)驅(qū)動(dòng)軟件，基于分布式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道大場(chǎng)景沉浸式瀏覽和交互，可在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，提供逼真的虛擬裝備電子樣機(jī)展示，實(shí)現(xiàn)漫游展示、維修裝配仿真及人體維護(hù)仿真、訓(xùn)練考核記錄及錯(cuò)誤提示警告等沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

6)虛擬資源模型庫(kù)

維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估主要是通過虛擬人體在由產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)、虛擬人體模型、虛擬保障工具/設(shè)備模型等虛擬資源模型庫(kù)組成的虛擬環(huán)境中進(jìn)行一系列的維修活動(dòng)。

(1)建立人體模型

根據(jù)GB/T 10000-88《中國(guó)成年人人體尺寸》中提供的我國(guó)成年人人體尺寸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建中國(guó)人體數(shù)據(jù)庫(kù)框架，以最先進(jìn)的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件DELMIA為平臺(tái)，建立具有中國(guó)人體特征的標(biāo)準(zhǔn)三維人體模型。

(2)建立人體姿態(tài)庫(kù)

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在大量的仿真姿態(tài)中有很多姿態(tài)相似或相同，根據(jù)對(duì)維修仿真中大量人體姿態(tài)的分析，我們建立了人體姿態(tài)庫(kù)，動(dòng)態(tài)維修仿真時(shí)，可以調(diào)用保存的相似或相同姿態(tài)，對(duì)導(dǎo)入原有仿真對(duì)象和坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)就可以滿足仿真對(duì)象姿態(tài)要求

(3)建立保障工具/設(shè)備模型

采用基于模型的方法建立維修工具的三維實(shí)體模型(包括維修工具、保障設(shè)備)。

(4)建立標(biāo)準(zhǔn)維修時(shí)間庫(kù)。采用時(shí)間累計(jì)法。建立包括系統(tǒng)維修時(shí)間模型，維修事件的維修時(shí)間模型，維修作業(yè)時(shí)間模型，以及系統(tǒng)維修工時(shí)模型的維修時(shí)間模型。

c)基于沉浸式虛擬維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估技術(shù)應(yīng)用研究

基于現(xiàn)有樣機(jī)設(shè)計(jì)軟件CATIA和人機(jī)工程與裝配仿真分析工具DELMIA，通過ART光學(xué)跟蹤系統(tǒng)和人體運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，在沉浸式虛擬維修仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高度沉浸感的人機(jī)工程仿真與人機(jī)交互。

基于沉浸式虛擬仿真的維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估的目的是通過在虛擬環(huán)境中仿真維修活動(dòng)，對(duì)產(chǎn)品的維修性設(shè)計(jì)水平進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估和驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證得到的數(shù)據(jù)，既可計(jì)算維修性定量指標(biāo)符合性情況，又可驗(yàn)證是否滿足維修性定性要求，通過綜合權(quán)衡，驗(yàn)證其維修性是否達(dá)到指標(biāo)的要求。

1)維修性定量評(píng)估

維修性定量要求主要有:維修延續(xù)時(shí)間指標(biāo)(包括平均修復(fù)時(shí)間、最大修復(fù)時(shí)間、平均預(yù)防維修時(shí)間、平均維修時(shí)間等)、維修工時(shí)指標(biāo)、維修周期指標(biāo)、維修費(fèi)用指標(biāo)、檢測(cè)性能指標(biāo)。因此，在絕大多數(shù)的裝備中，主要采用維修時(shí)間作為指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，其中尤其以平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)最為常見。GJB2072-94《維修性試驗(yàn)和評(píng)定》中的驗(yàn)證方法對(duì)裝備部件的平均修復(fù)時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，所需的樣本容量通常比較大，則需花費(fèi)大量的時(shí)間，由于維修時(shí)間參數(shù)是最重要的維修性參數(shù)，直接影響到裝備的可用性。采用維修性動(dòng)態(tài)評(píng)估方法，通過記錄各分解的基本維修單元的時(shí)間，可以準(zhǔn)確的計(jì)算全過程修復(fù)時(shí)間。

2)維修性定性評(píng)估

維修性定性要求方面主要包括可達(dá)性、可視性、可操作性、互換性、防差錯(cuò)、維修安全以及人素工程等方面。通過收集整理以往直升機(jī)型號(hào)中出現(xiàn)的維修性問題，分析其解決措施，并結(jié)合GJB/Z 91-97《維修性設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》中的要求，制定《直升機(jī)維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》。維修性定性評(píng)估主要依據(jù)《直升機(jī)維修設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》，對(duì)維修性設(shè)計(jì)的合理性和可行性分析和評(píng)價(jià)，為此要把維修人員的人體靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型加入到虛擬維修環(huán)境中,以便實(shí)時(shí)地研究人與設(shè)備的可達(dá)性、可視性和可維護(hù)性；要考慮在有限的現(xiàn)場(chǎng)空間中,操作工具是否可達(dá),操作的舉起、推拉、提起以及轉(zhuǎn)動(dòng)等的人力限度和空間限度,檢測(cè)各零部件、修理工具之間是否碰撞,檢測(cè)操作人員與零部件和工具間是否相干涉,這些對(duì)于在有限空間內(nèi)(如直升機(jī)機(jī)體大部分口蓋空間較小,且設(shè)備眾多)執(zhí)行協(xié)同維修任務(wù)是非常重要的。通過上述評(píng)估工作，得出維修工作分析評(píng)價(jià)結(jié)果。