增强现实在航天器电缆装配中的应用技术研究

陈华俊　陈畅宇　孙刚　万毕乐

摘要：当前航天器电缆装配过程存在工艺研读不便利、理解负担重等问题，影响工艺实施的精度、质量和效率。考虑到增强现实技术在工艺可视化等方面的优越表现，对航天器电缆装配中的增强现实应用技术展开了研究。采用基于Vuforia标志及SLAM技術的模型跟踪定位方法，兼顾虚实配准精度和跟踪范围。利用航天器设计模型进行调整和轻量化，使用Unity3D创建可视化工艺导引信息，然后将原型系统部署到HoloLens。最终在某型号航天器电缆装配中进行了应用验证，证明在电缆装配中应用增强现实技术相比于传统电缆装配方法具有优势，同时分析了AR环境下影响航天器电缆装配耗时的主要影响因素。

关键词：增强现实应用;航天器电缆装配;跟踪注册;工艺可视化

中图分类号：V411.8

文献标识码：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.08.015

电缆是航天器系统中传送电流、信号的重要元器件，电缆装配是航天器总装过程中的一项重要工作，直接关系到航天器内部的电气设备能否正常运行，影响着航天器整体的各项性能指标是否满足设计和使用要求。航天器电缆网趋于分支多样化、密集化，不同航天器的电缆数量与走向差异巨大，装配位置空间狭小，操作工况复杂，因此目前航天器电缆的装配严重依赖于手工作业，双手协调装配动作占航天器整个装配工作量的70%以上。为了完成电缆铺设过程，操作人员首先需要从分布在多个文件的图纸或三维模型中获取所需信息，然后在航天器舱内进行铺设位置确认、绑扎及调整作业。目前固定式看板系统的电缆工艺信息展示方式存在着工作效率低、出错概率大、学习成本高等问题，主要体现在工艺研读途径不便利、工艺理解与记忆负担重等方面，对操作人员的经验判断能力、记忆力等提出了很高的要求。

在航天器电缆装配过程中应用增强现实技术（Augmented Reality，AR）为解决上述问题提供了一个新途径。增强现实技术将真实的工况场景与虚拟物体/信息融合在一起，实现电缆装配过程信息与真实物理环境的自动匹配，帮助操作人员理解场景中的各种装配关系，可以大幅减少人员由于在工艺看板与操作工位间进行视角移动所耗费的精力;通过可视、易懂的指示方式简化作业人员对工艺规程的解读，可以显著降低作业人员在复杂工况下的认知负担，提高操作精度，防止发生操作差错。因此，基于增强现实的电缆装配引导技术能够准确、高效地引导工人完成电缆装配操作，通过智能化手段减少人工参与的易错环节，加强装配操作人员对实际装配场景的沉浸感和交互的真实感，同时工作过程标准化、流程化，实现“人一机一物”的协同与融合，在提升手工电缆装配作业能力上存在着巨大的潜力，推动着智能化卫星装配模式的发展。航天器电缆装配中AR模式与传统模式的对比如图1所示。

增强现实在电缆装配方面的应用技术研究受到了广泛关注，并有了成功的案例。早期波音公司Tom Caudell等将AR技术应用于飞机制造中电力电缆的连接和接线器的装配，为波音公司节省了大量用于存储布线板的空间和经费，但受限于当时的技术，其存在设备笨重、时效性差、创作复杂昂贵等问题。欧洲航空防务与航天公司（ EADS）利用Arvika系统对飞机、汽车进行装配和维修，装配工人可以通过语音调用虚拟信息，按照每步的提示轻松地完成1 mx6 m

通过Resources.Load（）方法加载端口数据集，将连接器编号名称以及三维坐标赋值给3D文本预制件，用于在电缆端口位置高亮显示电连接器编号。为实现显示电连接器编号文本在每帧画面中更新，文本法线始终指向摄像机方向，设置旋转轴为y轴。文本法线向量应为：R=B - A.B和A分别为场景中相机坐标及物体坐标。然后通过Quatemion.LookRotation（）注视旋转方法将物体朝向指向此方向。部分代码如下：

Vector3 relativePos - target.position - transform.position;Quatemion rotation - Quatemion.LookRotation（relativePos）;transform.rotation - rotation：

电缆分支末端电连接器端口编号显示效果如图9所示。

2.2.3 航天器舱板与待装配电缆虚实遮挡一致性的实现

基于“模型重建”的方法，将“虚实模型”的深度值作比较，然后根据比较的结果，只对虚拟电缆模型未被遮挡的部分执行渲染，如图10所示。如果保持舱板默认材质并将其渲染显示，能够呈现舱板与电缆间的“虚虚遮挡”效果，如图10 （b）所示。如果将舱板透明化输出，并且不对舱板后的图形进行渲染，则能够实现虚实融合的正确遮挡关系。新建名为‘'Mask”的Shader代码如下：

Shader”Custom/Mask”f

SubShader{

//GeometoF 2000

Tags{”Queue”=“Geometry-IO”}

Lighting off

//相当于小于或者等于本身深度值时，该物体渲染

ZTest LEqual

//打开深度写入

ZWrite On

//通道遮罩，为0时不写入任何颜色通道，除了深度缓存

ColorMask 0

Pass{} }}

创建新材质Mask Material，将Shader模式设定为定制化的“Mask”。通过GetComponent（ ）.material- Mask Material将此材质赋给舱板模型，舱板模型透明化隐藏，使实际场景匹配的舱板在视野中不再受模型遮挡，同时深度小于此舱板的电缆模型部分渲染显示，而深度大于此舱板的模型部分不渲染显示。航天器舱板与电缆间良好的虚实遮挡效果如图10 （c）所示，避免了装配人员的视觉错觉，提高了工艺信息的可读性。

3 型号验证

增强现实环境下的航天器电缆手工装配作业的～般流程如图11所示。在准备阶段，操作人员佩戴HoloLens增强现实设备，扫描工况场景，空间映射系统自动构建场景稠密SLAM地图用于实时的跟踪定位。进入装配导引系统，扫描贴在航天器舱板上的预置标志，系统将待装配电缆的虚拟模型定位在空间场景中;用户根据导引信息进行相应的装配工作;在装配过程中，用户按工艺顺序接收指引信息或者主动查询待装配电缆信息;待导引装配结束后，可进入装配检错环节，检测员通过额外增强现实显示系统或监测屏幕进行已装配组件信息比对，检查真实场景中装配对象各组件装配位置是否有误;最后，确定装配结束，退出装配导引系统。

对某型号航天器电缆装配过程进行跟踪及记录，部分电缆装配时间统计如表1所示。基于增强现实的航天器电缆工艺可视化方法，某型号服务舱电缆总装时间从预定的7d缩短到4d完成，有效提升作业效率40%以上。

经过初步统计及分析可知，基于AR工艺可视化系统进行电缆装配的过程中，主要影响电缆装配时间的因素包括待装配电缆长度、分支端头数、绑扎底座数、过穿舱孔数及相对舱体的装配位置等。其中，电缆长度及相对舱体的装配位置对电缆装配耗时影响较大，较长电缆往往需要绑扎在更多的尼龙底座上，而装配在舱体高处的电缆需要操作人员利用升降梯等进行作业，都提高了装配作业的复杂度。装配时间与电缆各属性间的关系如图12所示。可见电缆分支端头数与穿舱孔数对装配作业时间影响较小，而待绑扎尼龙底座数量的增加将导致装配时间大幅度延长。

4 总结

本文研究了基于增强现实的航天器电缆装配工艺可视化方法，有效解决当前航天器电缆装配过程中工艺研读不便利、出错概率大等问题。基于Vuforia标志及SLAM技术的模型跟踪定位方法能够保证移动虚实注册精度达5 cm。利用总体设计模型调整和轻量化，保证应用程序快速更改和发布，以适应快节奏多变更的航天器总装任务。根据电缆工艺需求创建可视化三维工艺导引信息，包括电缆走向、电连接器编号、尼龙底座等，有效提高了工艺信息可读性及执行效率。对某型号航天器服务舱进行了应用验证，证明了基于本文的方法使电缆装配效率提升40%以上，并分析了影响装配时间的关键因素。当前的AR系统仍存在局限性，增强现实装备不够轻便，上星操作时有跌落磕碰星上设备的风险，同时操作人员在使用AR设备前的短期培训仍十分必要，给操作人员带来了体力和脑力新负担，因此使其完全适应紧张繁忙的总装实际操作仍有一定差距。在未来，随着增强现实装配引导技术进一步开发以及市场验证，在航天器复杂、多步骤的装配场景中，操作人员佩戴轻便的增强现实眼镜，在手工操作同时获取交互式、结构化的虚实融合引导信息，增强现实系统能够探测与感知装配情境以及识别操作人员意图，辅助操作人员高效、准确地完成装配任务。

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