飞机虚拟维修仿真的设计重用方法.

吴旭琤

0 引言

维修仿真可以广泛应用于飞机寿命周期中,特别是在维修性设计中可有效分析可达性、人机功效等因素。由于飞机维修过程十分复杂，仿真往往需要耗费大量的时间和人力。同时，维修仿真也需要随着设计的修改相应地修改，大大增加了仿真工作量，延长了设计周期，如洛克希德·马丁公司在联合打击战斗机(Joint Strike Fighter,JSF)项目中，对发动机和机翼外挂的拆装仿真耗时长达9个月[1,2]。解决仿真中大量重复工作问题的最佳途径是引入“重用”概念。

对于设计领域的重用已有多年历史，但对其进行系统研究只是近十多年的事。美国弗吉尼亚理工大学的Anguswamy等对知识可重用性与产品复杂程度及重用设计原理之间的关系进行了研究，指出良好定义的界面，通俗易懂的元素具有更好的可重用性[3]；上海理工大学的Dongmin Zhang等研究了考虑产品寿命周期的设计流程知识管理，构建了一个四层次设计流程知识重用框架，并建立了设计知识管理的原型系统[4]；南京航空航天大学的王体春等通过对知识的基元建模，建立了基于基元模型的方案设计可拓集合，解决基于知识重用的可拓方案设计问题[5]。

在设计重用过程中，根据其对象的不同，所采用的重用方法也有很大区别。本文针对飞机维修性分析时的维修仿真过程，在对虚拟人姿态与动作信息的特点进行分析的基础上，提出了一种虚拟人的动姿重用方法以提高设计效率，并对实现动姿重用的关键技术进行了研究与实现，给出了动姿重用的流程。

1 面向维修性分析的设计重用

相似是设计重用的理论基础，通过有效地组织和管理一切可重用资源，并充分利用和发挥这些资源，从而以最少的成本、知识和人工最大程度地满足需求。在维修仿真中，通过重用已有的设计快捷有效地解决相同或相似问题，如重用同一或同类型号飞机中相同或相似维修对象的维修仿真，可以有效地提高产品维修性分析水平，从而缩短产品开发周期，提高设计质量[6]。

重用技术在不同领域具有不同的研究对象，对面向飞机维修性的设计重用进行分析，将其中可重用的要素进行分析并分为两类，如图1所示：

图1 维修性分析中的设计重用对象

其中，维修任务定义的维修过程的流程及规划，是一个动态的过程，由虚拟人的动作和姿态进行描述。而拆装路径同样可以虚拟人的动作确定。所以，重用中所考虑的核心部分为虚拟人动姿。

2 动姿重用方法

2.1 虚拟人动姿特点

作为重用的对象，虚拟人姿态和动作信息具有如下3个特点：

1)相对于模型形状尺寸信息等几何信息，动姿中包含的特征信息更复杂，须重用的特征为虚拟人各关节的姿态；

2)相对于知识、方法等抽象信息，虚拟人的动姿可归为具体特征，无需建立特殊的模型表达；

3)虚拟人的动姿以人体模型为载体，可以考虑以人体模型为单位进行整体或部分重用。

一般虚拟人模型描述，如图2所示：

图2 虚拟人模型描述

2.2 动姿分类及可重用性分析

要在飞机维修仿真中对虚拟人动姿进行有效地重用，需要对其进行系统、规范的分类。从相对顺序和功能角度，对维修操作中虚拟人的姿态和动作进行如下分类：

1）姿态：初始姿态、过渡姿态、关键姿态、局部姿态；

2）动作：接近动作、定位动作、操作动作、复位动作。

可重用性是指原资源（姿态、动作）在新环境下能够再次应用的能力。为了更好地重用，针对各类动姿的特点对其可重用性进行如下分析：

姿态作为一种虚拟人的静态特征，的可重用性分析如下：

1）初始姿态

初始姿态的重用是动作重用的前提。只有以初始姿态的绝对位置为起点，才能保证后续所有姿态位置的正确性。若待重用动作的绝对位置有所变化，在调出其对应初始姿态后需首先调整初始姿态的位置，再进行动作的重用。

2）过渡姿态

重用过渡姿态前需分析虚拟人前一刻和后一刻的状态，选择最适合的过渡姿态。自动生成的中间帧作为过渡姿态往往会发生干涉和穿越现象，重用过渡姿态使虚拟人前后动作显得更加自然逼真，且能够快速实现连贯动作和复杂动作的组合利用。

3）关键姿态

关键姿态的重用要视具体维修任务而定，因为不同条件下的关键姿态各不相同。由于调整关键姿态所耗费的时间极长，所以必须重视关键姿态的建立与重用。

4）局部姿态

根据经验，最有重用价值的是两只手臂的局部姿态，其他部位重用的意义不大。

动作的可重用性分析如下：

1）接近动作

虚拟人在从初始位置到操作位置的过程往往是3类接近动作的组合，这样的接近动作具有很高的重用价值。虚拟人需在移动过程中避开各种障碍物（飞机、工装等）到达指定地点，所以接近动作的重用与虚拟环境的状况密切相关，若不同环境中障碍物的分布相似，则较易实现重用，反之则较难实现。

2）定位动作

定位动作由接近动作结束后的姿态开始（多数情况下是直立姿态），根据维修对象的形状、大小、位置等信息进行准备工作，其结束状态为操作动作的初始状态，是面向维修对象即将进行操作的状态。定位动作通常包含虚拟人调整姿态、虚拟人手部与操作对象的接触、虚拟人对操作工具的抓取和移动等，是连贯接近动作和操作动作的重要动作。

3）操作动作

无工具操作时虚拟人徒手完成维修操作，如对维修对象的旋转、平移等。其重用集中在人手与操作对象的约束关系、工装设备带动操作对象移动的轨迹和虚拟人跟随轨迹的运动。

有工具操作时虚拟人借助维修工具完成操作，如拆螺丝、拧螺母等。有工具操作相比无工具操作更为复杂，因为需要考虑虚拟人与工具间的约束问题。其重用集中在手部抓取工具进行定位、手部带动工具的操作等。

4）复位动作

复位动作所包含的约束信息相对较少，包括姿态的转换和工具的归位等，某些复位动作与定位动作相似，简单情况下可将定位动作逆向使用即为相对应的复位动作。

3 动姿重用的实现

在运动仿真中，运用逆运动学生成虚拟人姿态和动作须考虑的约束包括：关节运动范围限制、与虚拟对象和虚拟场景的穿透避免、运动中的重心保持。为提高虚拟人姿态和动作的真实感，在实现动姿重用的同时，还需要解决其中一些关键问题，以满足仿真需要。

3.1 动姿重用流程

如图3所示：

图3 虚拟人动姿重用流程

用于仿真重用的人体姿态和动作有两个主要来源：1)已完成仿真中提取的可供重用的姿态和动作；2)另一部分是通过虚拟外设采集得到的姿态与动作信息。姿态与动作的重用既可以应用于整个人体，也可应用于部分肢体。例如，对于手动工具操作可重用的姿态与动作集中于手臂，此时强调手臂姿态与动作的重用。通常由虚拟外设采集到的信息主要应用于人体的局部姿态与动作。

姿态与动作重用可以通过以下几条途径实现：姿态与动作库、姿态与动作映像、工序与步骤的整体重用。其中前两种方式的应用更为普遍，将通过数据采集或已完成仿真中生成的虚拟人姿态与动作应用于其他仿真流程或相同仿真流程中的类似操作。而对于工序与步骤的整体重用对重用条件的要求过高，应用仅限于简单重复动作，以及虚拟人模型与操作条件非常接近的情况。

在动姿重用之前首先判断其是否可以直接重用。对于不能直接重用的姿态与动作，可通过手动方式或运动学算法对姿态与动作进行调整。此时利用运动学方法的动姿调整相对于手动方式可以显著提高重用的效率。

在重用时须调整虚拟人动姿情况发生的原因可总结为以下两点：

1)人体尺寸发生改变后对原有的虚拟人姿态与动作的重用。在利用虚拟人进行系统设备的更换过程中，须考虑采用不同尺寸的虚拟人完成仿真与分析。从而使得分析结果适用于大部分维修人员，在采用不同尺寸的人体模型进行操作时，可以利用动作重用，重用时须对该姿态或该动作的初始姿态进行相应的调整；

2)与仪器设备拆装路径相关的动作重用。当拆装设备的安装位置与尺寸发生变化但变化不大时，而与其相联系的拆装路径可以重用时，此时在重用原有拆装动作时也需进行相应的调整。

重用时对于单个姿态须考虑的主要因素是该姿态在场景中的位置。而对于连续的动作，则须考虑该动作的初始或终止位置，以及完成该动作时与维修工具或对象间的约束。

3.2 重用时的动姿调整

在动姿重用时，大多情况下动姿并不能直接进行重用。

考虑在重用时须调整动姿的情况，主要有以下几种：

1)人体尺寸发生变化；

2)操作对象的尺寸或位置发生微调；

3)局部动姿。

考虑多目标多约束的虚拟人动姿重用的广义逆方法的计算结果，如图4所示：

图4 动姿重用中的逆运动学计算调整

4a中描述了准备重用的小尺寸虚拟人姿态，将其关节角度赋予大尺寸虚拟人的结果如4b所示。经过姿态调整后的计算结果以及虚拟人的操作姿态分别4c与4d给出。

4 仿真实例与效果分析

完整的维修仿真与分析包含的内容十分复杂，需要考虑人体与维修对象的变化范围。以某型飞机L射频前端维修任务为例，在仿真时，须利用5%，50%，95%3种尺寸的数字人体分别完成维修过程。另外，由于维修对象的外形与尺寸也可能发生变化，须考虑设计范围内最大与最小两种尺寸的维修对象。调整后重用的姿态在计算工作量时乘0.5系数，而调整的动作重用只须调整其首姿态。考虑流程与路径，重用所花费的时间按生成新姿态动作的30%计算。要完整的分析需要6个过程仿真。

经统计首个流程须生成的姿态数为342，总的动姿生成工作量为395个姿态。人体尺寸改变的重用流程中，调整姿态与动作的工作量相当于生成50个新姿态，总工作量为108个姿态。在维修对象尺寸或位置改变的流程中，调整姿态与动作的工作量仅相当于生成12个新姿态，总的动姿生成工作量为86。其中括号[]数字代表该类流程个数，括号()内数字代表动作包含的姿态个数。

统计结果，如表1所示：

表1 L射频前端维修仿真中对重用的统计

流程[4个](76)(215)对象尺寸改变流程[1个]1 4 213 31(198)8 8(93)6个仿真中的重用总数5 16 1139 140 55 140

采用重用后仿真中需要手动调整的总工作量仅为931个姿态，为不采用重用时的大约30%，因此，重用对仿真效率的提高意义非常明显。

5 总结

本文研究了面向飞机虚拟维修仿真的设计重用技术，对虚拟人动姿进行归类并分析了其可重用性；通过动姿库、已完成的仿真、虚拟外设等多个途径实现了虚拟人的动姿重用，并采用逆运动学算法对重用的动姿进行调整。利用动姿重用技术，可以有效提高仿真效率，缩短研究周期。

[1]Anonymous.Maintaining focus:routine fixes and servicing are receiving greater emphasis in the design of the latest fighter aircraft[J].Mechanical Engineering,2001,123(10):76～78

[2]Anonymous.Gearing up for JSF assembly:simulating ERGOman at work[J].Tooling&Production,2003,69(7):20～23

[3]Anguswamy R,Frakes W B.A study of reusability,complexity,and reuse design principles.in:Empirical Software Engineering and Measurement(ESEM),[C]2012 ACM-IEEE International Symposium,2012,161～164

[4]Dongmin Zhang,Dachao Hu,Yuchun Xu.Development of a process based product design knowledge reuse system.in:Fuzzy Systems and Knowledge Discovery(FSKD),[C]2011 Eighth International Conference,2011,1272～1274

[5]王体春，黄 翔.基于知识重用的复杂产品可拓方案设计模型[J].南京航空航天大学学报，2012,33(4):548～552

[6]Mariano C,Moreno M,Roberto V.Reusability and multi-product development policies:a comparison of approaches in the automotive, motorcycle and earthmoving machinery industries[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 1999, 15(2):155～165